鐘罩式退火爐溫度控制系統的演變分析

梅桂林， 孫紅剛， 竇 鋒， 劉 松， 閆成琨， 謝 磊

（1.安徽楚江科技新材料股份有限公司， 安徽 蕪湖 241008；2.中國重型機械研究院股份公司， 陜西 西安 710032）

銅板帶材加工行業常用設備主要以鐘罩式退火爐、氣墊爐為主，由于氣墊爐結構復雜，投資成本高，且受帶厚所限，國內僅生產高要求產品的企業選用，下面主要以鐘罩式退火爐為主展開介紹。

鐘罩式退火爐單套主要由2個爐臺、2個內罩、1個加熱罩、1個冷卻罩、控制設備及其他輔助設備組成[1]。目前主要有電加熱與燃氣加熱兩種，電加熱的罩式爐，加熱罩內的電加熱器分兩區控制。爐絲纏繞在耐熱陶瓷管上。爐襯材料為輕質耐熱陶瓷纖維。燃氣加熱的加熱罩上分布多個燒嘴及管路系統溫度控制與電加熱區別不大，具體結構見圖1。

圖1 罩式爐簡圖

具體工作流程：將待退火的銅卷裝入爐臺上后，扣上內罩，采用機械或者液壓將內罩鎖緊在爐臺上，抽真空后通入保護氣體，將加熱罩扣在內罩外面，開始進行加熱。按照設定工藝溫度進行加熱、保溫等操作，待保溫結束后，吊開加熱罩，扣上冷卻罩，冷卻結束后，吊開冷卻罩和內罩，完成退火流程，如此循環生產[2]。

1 傳統罩式爐溫度控制系統介紹

傳統的方式主要采用溫控儀進行溫度控制，在加熱罩和爐臺內接入多支熱電偶，采用溫控表對溫度進行采集和檢測，通過溫控表設定完溫度后，控制加熱控制器或者接觸器進行加熱器加熱控制，包括溫控表、多點式溫度記錄儀等溫控系統和記錄系統。采用人工進行參數設定，過程中可視性差，且多點式溫度記錄儀采用紙帶式記錄，直觀性不佳，操作過程中經常發生溫度設定錯誤造成產品報廢等生產異常，所以需提高對操作及儀表控制裝置精度要求。

由于鐘罩式退火爐退火過程中需要根據溫度情況調節風機轉速、壓力等諸多參數，現有大部分溫控儀表通訊功能較少，過程中信號傳輸較麻煩，甚至需要幾塊溫控儀表來完成整個功能控制。

圖2 溫度工藝曲線

如圖2所示，溫度程序執行分為加熱段及保溫段，其中冷卻階段為空段位，不參與實際控制。加熱罩頂部有一個熱電偶，用于監測燃燒空間的溫度，主要起限溫作用，防止因為溫度過高導致加熱罩壽命降低。內罩中有一個熱電偶測量保護氣體的溫度，并將測量值不斷反饋給PLC，從而在PLC中與工藝制度中的溫度曲線進行比較、運算，得到相應的控制指令來進行控制。

圖3 溫度控制設計圖

PLC溫度控制設計圖如圖3所示。在整個加熱階段，溫控表一直處于實時監測狀態，并不時將測量信號傳遞給PLC。加熱室空間的溫度與整個受熱空間溫度場的變化都取決于投入燃料的總量，因此在現場的實際生產過程中通過調節燃料量及助燃空氣量來實現溫度調節，并通過實際溫度與退火工藝制度中要求的溫度進行比較，進一步控制燃料量及助燃空氣量，并將測量信號不斷傳遞給PLC，從而調節燃料量與助燃空氣量，以達到合理的燃燒比率，進而控制了爐內的溫度[3]。

2 PLC溫度控制系統實現

隨著PLC技術不斷發展，現代化鐘罩爐絕大部分均采用PLC控制系統控制。針對壓力、風機轉速等調節靈活方便，和目前PLC運算速度快，并帶有專用PID調節模塊，只要配置模擬量輸入、輸出接口模塊，即可方便進行溫度控制。通過HMI畫面直接實現參數曲線輸入，操作簡單方便，也方便過程監控及查看數據，且控制溫度可靠[3]。

2.1 硬件結構

PLC選用西門子S7-300系列，將溫度檢測元件直接接入PLC模擬量輸入模塊，通過PLC模擬量輸出模塊直接控制接觸器或者調功器進行加熱器加熱。

每個爐臺都對應一套由PLC柜組成的PLC系統。同時能源公共輔助設施也對應一套PLC控制系統，用于對公用能源介質在接點處的供給量以及液壓設備和安全吹掃等進行監視和控制，以保證退火過程的順利進行。每個爐臺的PLC對相應的爐臺進行控制，涉及檢測保護氣體自動安全吹掃和裝料空間的泄露以及夾緊內罩等功能。對生產氣氛及溫度分別進行獨立的程序編制進而形成退火控制程序，對空冷形式進行選擇等其他參數，則可以根據不同的生產規格進行專用退火程序的編制。

2.2 軟件實現

采用LAD編程方式及西門子專用PID控制模塊方便靈活地進行程序編制。采用此軟件可在項目執行過程中方便調試，而且可視化人機界面系統的應用可快捷的進行設定值和溫度曲線的調整。

PLC通過對下列信號的連續測量，對其最大值和最小值進行有效監控。通過監測多點溫度（加熱罩內外溫度、保護氣體溫度、爐臺底部鋼卷表面溫度等）來控制整個爐內鋼卷的退火。為防止帶鋼過熱，當溫度超過一定極限時，PLC將發出關閉所有燒嘴的指令。保護氣體吹掃被要求貫穿退火加熱及保溫過程的始終，但同時要實現提升企業效益、降低企業運行成本以及節能減排等目標，就需要在確保帶鋼退火質量的前提下盡可能地降低保護氣體的用量。利用PID控制程序對保護氣體流量進行調節控制，并在后期通過閉環控制確保爐內壓力穩定，從而將內罩壓力控制在可控范圍內。PLC通過壓力變送器及流量計對退火過程及吹掃過程中保護氣體介質的壓力、流量等進行控制。PLC通過檢測相關溫度來控制水的流量及保護氣體的流量，以完成退火工藝中的冷卻控制。而采用模糊推理，實現對PID參數的在線自調整，使其具有魯棒性強、適應性強、控制精度高等特點。這種方法簡單且效果明顯，較適用于各類過程控制系統[4]。

圖4 模糊PID與傳統PID控制效果對比圖

圖4是模糊自適應PID和傳統PID控制的系統溫度變化曲線。從圖4中可以看出傳統PID控制溫度超過設定的上升時間，為22 s，超調5%，經過37 s后系統才開始逐漸趨于穩定。而模糊PID控制溫度超過設定的上升時間，大致為25 s，基本無超調，系統穩定時間也較短。采用模糊PID控制溫度控制程序自動升溫曲線如圖5所示，當設定好鐘罩式退火爐爐溫后，實測溫度曲線與設定溫度曲線基本一致，采用模糊自適應PID控制能有效對爐溫進行精確控制。

圖5 PID爐溫控制效果圖

3 結語

本文以銅板帶材加工行業鐘罩式退火爐為主要研究對象，對罩式退火爐的主要結構、溫度控制系統組成與工作原理、PLC溫度控制系統的具體實現方法進行了分析。模糊自適應PID控制技術在罩式退火爐溫控系統上具有良好的魯棒性，較強的自適應能力與較高的控制精度，在工業控制領域有廣闊的前景。該內容對鐘罩式退火爐相關的操作與維護具有一定的指導意義，對控制系統的具體內容能夠總體上進行控制，為現場的改造提供了良好的技術支持。