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基于PLC的高精度钛合金加热炉温控系统设计

作者：谢宜佳

来源：《数字技术与应用》2017年第02期

摘要：钛合金由于其成形性能差，对加热条件的变化十分敏感。在其可锻变化范围内有相变行为，因此对其加热条件有很高的要求。本文通过某航空锻造公司的加热炉设计应用实例，对钛合金加热炉PLC温度控制系统的设计进行介绍，为今后类似工程提供参考。 关键词：钛合金；加热炉；燃烧系统；PLC温控

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0006-02 1 引言

钛合金是以金属钛为基础，加入其它元素而组成的合金。钛合金由于其质量轻、比强度高、耐腐蚀性好、耐热等良好的综合性能，而被广泛应用于航空领域。但是其价格昂贵，加工技术要求较高，特别是对轧制之前的热处理要求十分严格，主要体现在对加热的温升速度、加热的均匀性、保温时的温度控制等方面。目前钛合金加热炉的加热形式有电阻式加热法和燃气式加热法。其中燃气式加热法的温度控制大多是通过日本的温度控制仪来实现的。在此工程中，我们采用燃气加热法，但控制系统采用PLC来实现，采用串级PID的控制思路对加热炉的温度进行高精度自动控制，满足了钛合金对加热温度的要求。 2 钛合金对加热炉温控系统要求

钛合金在加热过程中，对温度的要求很高，在此项目中，对加热炉炉温的控制要求主要体现在升温过程的可控性，其可控性具体要求为：在850～1200℃间保温温度可设置，达到保温温度后，要求控制精度≤±2℃，即在保温阶段，炉内温度的实际值与设定值的误差≤±2℃；炉温过冲温度≤10℃，即在升温的过程中，炉温的最高温度不能超过设定温度10℃。 3 加热炉温控系统硬件设计

为了满足温控的要求，工艺方面加热炉的设计为，炉膛有效加热尺寸：3.3（长）×1.0米（宽）×0.3米（高）。炉底带有高度100mm耐热垫块，实现坯料四面加热。燃料为天然气，热值为8050Kcal/Nm3±5%。

仪表自动化控制方面主要配置如图1所示。在温控区域上，将加热炉分为两个加热区，在每个加热区设置温度检测热电偶，形成两个温度控制单元来自动控制温度，两个温度检测点沿加热区长度方向布置，有利于控制加热炉长度方向上的温度均匀一致。该热电偶为两支式，一

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路温度信号传至PLC控制系统，用于温度反馈，进行温度调节，另一路信号传至无纸记录仪，把整个加热过程的炉温变化曲线记录在案。

加热炉每个加热区分别设有助燃空气和燃料的管路流量检测和流量的自动调节，通过PLC计算使助燃空气和燃料流量控制在最佳比值，保证达到较高的燃烧效率。为了进行温度的微调，燃料管路设有大小两个管路，每个管路上设有流量检测装置和流量调节装置。其中B路管道管径较大，在加热炉升温时使用，用较大量的天然气进行炉温的快速提升；A路管道管径较小，在炉温接近目标温度时使用，用较小的天然气量对炉温进行微调和控制。

基础自动化L1系统选用SIEMENS公司的S7-400PLC系统，PLC系统由CPU模块、电源模块、模拟量输入、输出模块、数字输入、输出模块等组成。现场流量计、热电偶、调节阀等构成了PLC的输入设备，电磁阀、继电器等构成了PLC系统的输出设备。PLC系统接受现场仪表送来的温度、压力、流量等信号，并运算处理，向L0级执行元件发送执行指令。主要完成对燃烧过程中各种参量、数据的采集，输入输出信号的变换、处理、显示、记录、运算、联锁报警、回路控制、逻辑控制等功能。PLC控制系统配置见图2。

在现场PLC柜集成面板式PC。可以进行加热炉各烧嘴风量、天然气量、各区段炉温的人工设定，同时具有故障显示、各段温度显示信息显示等功能。主要参数的数字量实时显示、主要参数的模拟量棒状图实时显示、系统单线图的实时显示功能；事故显示、报警，故障诊断功能等。S7-400标准化程度高、可靠性高、操作性好、可维护性好、可扩展性好。 4 炉温控制设计

炉温控制由炉温的控制和燃烧控制两部分来完成。 4.1 炉温控制

炉温通过PLC进行续PID控制，通过温度测量值与温度设定值的偏差进行连续比例、积分、微分控制。

其控制思路为在HMI客户机（触摸屏）上由人工给定温度设定值作为控制回路的设定，通过温度测量值与温度设定值的偏差进行连续比例、积分、微分控制，然后由炉内温度调节器输出信号作为到煤气和空气调节回路的设定值，进行燃烧的调节，进而达到炉温控制的目的。 4.2 燃烧控制

由炉内温度调节器输出信号连接到煤气调节回路作为煤气调节器的设定值，由PLC完成燃烧的温度流量串级调节。

炉内温度调节器输出信号分出一路乘上比值（空燃比）连接空气调节回路作为空气调节器的设定值，进行燃烧的空气流量的比值调节。

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煤气调节器的设定值为一流量设定值，对应了两路煤气管路控制阀门和流量检测装置，分别称为大小流量控制调节阀，在设定值（流量）小于4.90Nm3/h时，控制选择小流量控制调节阀，此时大流量控制调节阀锁定位置（保持位置），同时连锁切断两个烧嘴的大火电磁阀。采用小流量管路检测和控制阀；在设定值（流量）大于5.10Nm3/h时，控制选择大流量控制调节阀，此时小流量控制调节阀锁定流量2.0Nm3/h控制设定值（保持设定值控制），同时连锁打开两个烧嘴的大火电磁阀。采用大流量管路检测和控制，其控制流量设定值为（煤气调节器的设定值-2.0Nm3/h）。

两路煤气管路控制阀门采用电动调节蝶阀。

空气管控制阀门采用电动调节蝶阀。为了保护烧嘴，空气调节阀自动关闭时保持一定的小开度。

空气煤气燃烧比的控制有三种方式可供选择：

串级方式：由炉内温度调节器输出信号作为煤气和空气调节回路的设定值，进行燃烧的串级比值调节。

自动方式：在HMI客户机（触摸屏）上由人工给定煤气、空气流量设定值作为到煤气和空气调节回路的设定值，进行燃烧的比值调节。

手动方式：在HMI客户机（触摸屏）上由人工对空气、煤气流量调节器的输出值手动控制。

5 升温及保温曲线

图3为加热炉验收时，通过测温热电偶实测，由无纸记录仪记录的炉温变化曲线。通过附图我们可以看出加热区一和加热区二的温度在升温过程中温度值基本完全重合。

在验收的过程中，设置了两个目标保温温度，800℃和950℃。温度的设定通过PLC完成。在初始的加热过程中，PLC调节天然气流量控制调节阀处于全开状态，进行快速升温；在升温至约70分钟时，距设定温度还有100℃的温差，这时通过CPU计算，通过PLC输出信号控制天然气的流量调节阀，将天然气供给量调小，对升温速度进行控制，降低升温速度；在99分钟时，接近第一个目标温度，此时天然气大流量控制调节阀基本处于锁定位置，通过小流量控制调节阀来进行缓慢加热，防止温度过冲，大量超过设定值；在110分钟至442分钟间，属于保温阶段，通过小流量调节，使炉温维持在800℃。

在442分钟之后进行第二阶段的升温，在442-470分钟间属于快速升温阶段；470-491分钟之间属于缓慢升温阶段，通过对小流量的控制来实现；491分钟之后属于保温阶段。通过曲线可以看出，升温过程中温度的提升曲线平滑，保温的过程中，温度无急剧的变动，保温过程稳定，整个升温和保温过程处于可以控状态。满足钛合金对加热过程温度控制的要求。