應用S7-300 PLC進行罩式爐控制系統的設計與分析

3 PID限幅溫度控制

罩式爐熱處理過程中，溫度的控制關系到產品的質量。溫度過低，達不到退火的預期目的；溫度過高將導致過熱，甚至過燒。本爐溫度控制系統采用西門子公司Step7 V5.2設計完成，應用經典PID控制算法，考慮到加熱保溫段易產生超調，根據實際經驗，對PID輸出分3級限幅：過程值超過設定值8℃時，輸出最高限幅設為20%;過程值超過設定值4℃時，輸出最高限幅設為50%;過程值低于設定值5℃時，輸出最高限幅設為80%，最小限幅均設為20%。如果要進一步提高控制精度，可進一步細化分級，具體限幅形式及限幅值的設定，在系統調試時，可根據實際情況自行設定和實時修改。同時在上位機監視界面，可進行系統的手自動模式切換、PID參數整定等。PID程序的輸出是送到脈沖控制器用以分頻的最終值，本爐采用脈沖控制方式控制各燒嘴的工作狀態。

4 脈沖燃燒控制

4.1 原理分析

在工業爐窯的燃燒控制系統中，對燒嘴的控制一般有兩種方式，即連續控制及脈沖控制。在連續燃燒控制方式下，燒嘴的供熱量連續可調，各燒嘴處于相同的燃燒狀態，即大火或小火，爐內熱氣流直接上行。采用該控制方式，被加熱件表面容易受熱不均，加熱效率也不高。在脈沖燃燒控制方式下，相對的一對燒嘴的工作狀態正好相反，一臺燒嘴為大火時，另一臺為小火，可使熱氣流環形上行，在爐內形成均勻的熱力場，這樣工件受熱均勻，加熱效率也大為提高。

本爐燃燒控制系統采用脈沖控制方式，從本質上講，脈沖燃燒控制是通過改變燒嘴的啟、停時間及各個燒嘴的工作時序完成的。本爐每個爐罩設有9個燒嘴，各燒嘴只工作在開/關兩種狀態下，系統調試時，先根據對燒嘴的功率、混合比、噴出速度等要求將燒嘴一次性調至最佳狀態，這樣燒嘴每次啟動，都處于最佳工作狀態，這對于提高燃燒效率，降低排放物污染水平都具有明顯效果。系統運行時，9個燒嘴根據程序輸出控制信號分時啟動，每個燒嘴的工作時間是一定的，當供熱量為100%時，每個燒嘴都處于連續工作狀態，當供熱量降低為50% 、25% 、12.5% 時，各個燒嘴的停止時間也相應延長。圖3為1個爐罩上9個燒嘴的工作時序圖，限于空間只給出控制值為100%和5o%時9個燒嘴的啟動時序。通過此方法可線性地調節燒嘴的供熱量，從而調節爐子溫度。

脈沖燃燒系統具有很多優點：由于每個燒嘴啟動時都處于其最佳工作狀態，因而熱效率、能耗、排放物的指標都可大幅度提高；通過高速燒嘴產生的熱氣流，并使多個燒嘴配合工作，可在爐內產生分布比較均勻的溫度場，提高被處理工件的加熱質量與溫度均勻性；最后，如果選擇或設計分辨率較高的控制器并配合適當功率的燒嘴，可使系統獲得很高的控制線性度。

4.2 程控脈沖分頻器

在脈沖燃燒控制的應用中，大都采用硬件脈沖分頻設備對輸出控制值OUT進行分頻，給出各燒嘴的控制信號，該方法費用較高。本爐結合自身特點，應用step7 V5.2軟件開發程控脈沖分頻器，即通過PLC程序實現硬件分頻器的功能。

程序設計中，先對輸出OUT進行整理，即根據輸出值大小判斷是加熱還是冷卻，同時計算出用于操作的控制值；輸人脈寬時間，即各燒嘴啟動后的工作時間，該時間可在上位機監控畫面根據實際控制需要手動輸人和調整；脈沖工作時間循環，根據燒嘴個數，設置多個定時器，并設定其工作時間，以控制各燒嘴的啟動時序；對分頻數進行限位；計算等待時間，即各燒嘴的延時啟動時間；等待循環，確定各燒嘴的等待時間及時序；最后根據最終操作數確定燒嘴工作方式。上述流程如圖4所示。