一种多热风循环炉协调控制系统及方法与流程

本发明涉及一种加工制造业领域中的控制系统及方法，特别是关于一种多热风循环炉协调控制系统及方法。

背景技术：

加工制造业中常使用串联的热风循环炉对需要在不同温度下连续进行时效处理的产品进行加工，例如，在不燃级金属复合板的生产过程中，常采用多个热风循环炉对半成品进行连续的烘烤。现有控制方法中，每台热风循环炉内的温度使用PID等方法进行单独地控制，这使得每台热风循环炉内的温度循环周期无法保证相同，进而导致部分产品在加工中同时经历多台热风循环炉的高温时间段，而另一部分产品同时经历多台热风循环炉的低温时间段，使得串联工作的热风循环炉对产品的加工总效果在较大范围内波动，降低了产品质量，并增加了生产线整体能耗。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多热风循环炉协调控制系统及方法，用于解决传统热风循环炉温度控制方法温度循环周期控制与目标温度控制不可兼得的矛盾，达到解决多热风循环炉串联加工时累加加工效果波动大的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多热风循环炉协调控制系统，其特征在于：该系统包括工业控制器、热传感器、模拟量变送器和数字量变送器；需要协调控制的每台被控热风循环炉上分别安装有所述热传感器、模拟量变送器和数字量变送器，且每台所述被控热风循环炉上安装的热传感器、模拟量变送器和数字量变送器构成一协调控制支路，各所述协调控制支路通过工业总线并联至所述工业控制器；所述热传感器安装在所述被控热风循环炉燃烧器出风口处，将测量到的由燃烧器加热之后循环气体温度信号传输至所述模拟量变送器；所述模拟量变送器输入端与所述热传感器输出端连接，将所述热传感器输出信号转换为工业总线信号；所述模拟量变送器输出端通过所述工业总线与该台被控热风循环炉上的所述数字量变送器输入端、以及其他所述被控热风循环炉上的模拟量变送器输出端和数字量变送器输入端并联后连接至所述工业控制器，将工业总线信号传输至所述工业控制器；所述数字量变送器输入端经所述工业总线与所述工业控制器输出端连接，所述数字量变送器将接收到的工业总线控制信号转换为所述被控热风循环炉所用燃烧器能识别的开关量数字信号，以控制燃烧器启停；所述数字量变送器输出端与燃烧器连接。

优选地，所述热传感器采用热电偶或热电阻。

优选地，所述工业控制器通过所述工业总线与所述数字量变送器、模拟量变送器连接，能通过所述工业总线以预先设定的时间间隔读取每台所述被控热风循环炉上所述热传感器温度、并控制每台所述被控热风循环炉燃烧器启停。

一种基于如上述系统的多热风循环炉协调控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)利用多热风循环炉协调控制系统采集每台热风循环炉在不同环境温度、工作温度下正常工作时的输入输出曲线；2)根据输入输出曲线建立每台热风循环炉在不同环境温度、工作温度下控制模型；3)根据步骤2)得到的控制模型建立每台热风循环炉参数模型；4)根据参数模型设计每台热风循环炉的控制方法；5)测量被加工产品在多个热风循环炉之间运输时间差；6)根据步骤4)的控制方法实现对多热风循环炉进行协调控制。

优选地，所述步骤2)中，建立每台热风循环炉在不同环境温度、工作温度下控制模型过程如下：利用每台热风循环炉在预先设定的环境温度T₀与目标温度T_t下以采样间隔T_s所记录的热风循环炉内部温度序列和热风循环炉燃烧器工作状态序列通过求解下式最小值求解等效加热功率等效散热系数和等效延迟系数

优选地，所述步骤3)中，每台热风循环炉参数模型建立方法如下：使用单台热风循环炉在不同环境温度T₀与不同目标温度T_t下所计算的所有等效加热功率等效散热系数计算其参数模型系数a₁、a₂、a₃：

得到单台热风循环炉参数模型

优选地，所述步骤4)中，每台热风循环炉的控制方法包括以下步骤：4.1)在一个循环周期开始时，即燃烧器开始工作时，以周期T_s开始记录热传感器的输出温度{t_i}；4.2)判断距离循环开始时间是否超过没有超过则返回步骤4.1)；当循环周期开始时间大于之后，每当记录到一个新温度数据后，则计算此时热风循环炉等效参数k、Q；4.3)根据步骤4.2)计算得到的热风循环炉等效参数k、Q计算如果此时关闭燃烧器，循环周期结束时，整个周期内热风循环炉平均温度4.4)判断是否高于T_t，如果所得大于T_t则立即关闭燃烧器，直至下一个循环周期开始时再次开启燃烧器；否则不动作，返回步骤4.1)继续下一个数据点的温度采集。

优选地，所述步骤4.3)中，整个周期内热风循环炉平均温度计算方法：

式中，f为预设的循环周期时间。

优选地，所述步骤5)中，分别测量从串联的热风循环炉最上游的工序开始，被加工产品从第i台热风循环炉入口输送到第i+1台热风循环炉入口处的时间，记做d_i。

优选地，所述步骤6)中，利用步骤4)的控制方法对多热风循环炉进行协调控制：6.1)设定循环周期f，设定每台热风循环炉工作温度T_t,i，T_t,i表示从串联的热风循环炉最上游的工序开始，第i台热风循环炉的目标工作温度；6.2)开启每台热风循环炉，使每台热风循环炉温度分别升至T_t,i左右；6.3)对第1台热风循环炉启动控制，使用参数为T_t,1和f；到达间隔时间f/2+d₁时间后，对第2台热风循环炉启动控制，参数为T_t,2和f；依次类推，直至所有热风循环炉控制器均启动；其中d₁为被加工产品从第1台热风循环炉入口输送到第2台热风循环炉入口处的时间。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明通过设置可采集并控制各热风循环炉工作状态的工业控制器、通过热风循环炉工作数据建立协调控制，可解决传统热风循环炉温度控制方法温度循环周期控制与目标温度控制不可兼得的矛盾，达到减小串联热风循环炉加工效果波动的效果，使串联热风循环炉加工产品质量波动减小。

附图说明

图1是本发明的控制系统框图结构示意图；

图2是本发明采集得到单台热风循环炉输入输出曲线示意图；

图3是本发明的控制流程示意图；

图4a是两台串联热风循环路采用PID控制累加加工效果示意图；

图4b是两台串联热风循环炉采用本发明协调控制累加加工效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种多热风循环炉协调控制系统，其包括工业控制器、热传感器、模拟量变送器和数字量变送器；需要协调控制的每台被控热风循环炉上分别安装有热传感器、模拟量变送器和数字量变送器，且每台被控热风循环炉上安装的热传感器、模拟量变送器和数字量变送器构成一协调控制支路，各协调控制支路通过工业总线并联至工业控制器；所有被控热风循环炉串联。

热传感器安装在需要协调控制的每台被控热风循环炉燃烧器出风口处，用于测量由燃烧器加热之后循环气体的温度，并将测量到的温度信号传输至安装在该台热风循环燃烧器上的模拟量变送器。模拟量变送器输入端与热传感器输出端连接，可将热传感器输出信号转换为工业总线信号；模拟量变送器输出端通过工业总线与该台被控热风循环炉上的数字量变送器输入端、以及其他被控热风循环炉上的模拟量变送器输出端和数字量变送器输入端并联后连接至工业控制器，将工业总线信号传输至工业控制器。数字量变送器输入端经工业总线与工业控制器输出端连接，数字量变送器将接收到的工业总线控制信号转换为被控热风循环炉所用燃烧器可识别的开关量数字信号，以控制燃烧器启停；数字量变送器输出端与燃烧器连接。

上述实施例中，热传感器可采用热电偶或热电阻。在一个优选地实施例中，热传感器可选用K型热电偶。

在一个优选地实施例中，模拟量变送器可选用研华ADAM-4018，数字量变送器可选用研华ADAM-4060。

上述各实施例中，工业控制器通过工业总线与数字量变送器、模拟量变送器连接，可以通过工业总线以预先设定的时间间隔读取每台被控热风循环炉上热传感器温度、并控制每台被控热风循环炉燃烧器启停。在一个优选地实施例中，工业控制器可选用研华MIO-2360，工业总线可选用MODBUS总线。

本发明基于上述控制系统还提供一种多热风循环炉协调控制方法，其包括以下步骤：

1)利用多热风循环炉协调控制系统采集每台热风循环炉在不同环境温度、工作温度下正常工作时的输入输出曲线；

如图2所示，在本实施例中，将单台热风循环炉在PID控制下开启，设定目标工作温度T_t＝160摄氏度，记录环境温度T₀＝7摄氏度，当多热风循环炉协调控制系统测得热风循环炉内部温度达到目标工作温度附近稳定循环时，使用多热风循环炉协调控制系统以采样间隔T_s＝1秒时在环境温度T₀与目标温度T_t下记录热风循环炉燃烧器工作状态序列在环境温度T₀与目标温度T_t下记录热风循环炉内部温度序列(单位摄氏度)，脚标i表示该数据点在该组数据内时间的序数，从1至900，本例记录了900秒。选取不同的T_t、T₀重复试验，记录多组热风循环炉工作状态数据。所选取的T₀应覆盖生产环境温度变化范围。所选取的T_t应覆盖目标温度变化范围。

2)根据输入输出曲线建立每台热风循环炉在不同环境温度、工作温度下控制模型；

3)根据步骤2)得到的控制模型建立每台热风循环炉参数模型；

4)根据参数模型设计每台热风循环炉的控制方法；

5)测量被加工产品在多个热风循环炉之间运输时间差；

分别测量从串联的热风循环炉最上游的工序开始，被加工产品从第i台热风循环炉入口输送到第i+1台热风循环炉入口处的时间，记做d_i，单位为秒。

6)根据步骤4)的控制方法实现对多热风循环炉进行协调控制。

上述步骤2)中，建立每台热风循环炉在不同环境温度、工作温度下控制模型过程如下：利用每台热风循环炉在预先设定的环境温度T₀与目标温度T_t下所记录的热风循环炉内部温度序列和热风循环炉燃烧器工作状态序列求解等效加热功率等效散热系数和等效延迟系数

在一个优选地实施例中，求解过程采用Newton-CG算法(牛顿共轭梯度算法)，求解使得下式达到最小值时的

式中n表示数据集的元素个数；表示：自然底数e的次方；||·||表示取符号内部向量的二范数。

如图2所示，在本实施例中优选n＝900，求解得到Q^160,7＝0.57，k^160,7＝0.0020，秒。

上述步骤3)中，每台热风循环炉参数模型建立方法如下：

使用单台热风循环炉在不同环境温度T₀与不同目标温度T_t下所计算的所有等效加热功率等效散热系数计算其参数模型系数a₁、a₂、a₃：

得到单台热风循环炉参数模型f(k，Q，T_t|T₀)＝a₁T_t+a₂Q+a₃k-1＝0。

上述步骤4)中，如图3所示，每台热风循环炉的控制方法为：

4.1)在一个循环周期开始时，即燃烧器开始工作时，以周期T_s开始记录热传感器的输出温度{t_i}。

4.2)判断距离循环开始时间是否超过没有超过则返回步骤4.1)；当循环周期开始时间大于之后，每当记录到一个新温度数据后，则计算此时热风循环炉等效参数k、Q。

k使得下式达到极小值：

以下式求解Q：

式中，目标工作温度T_t为预先给定，单位摄氏度；m为此时记录的最新数据点时间序数。

4.3)根据步骤4.2)计算得到的热风循环炉等效参数k、Q计算如果此时关闭燃烧器，循环周期结束时，整个周期内热风循环炉平均温度

式中，f为预设的循环周期时间，单位秒。

4.4)判断是否高于T_t，如果所得大于T_t则立即关闭燃烧器，直至下一个循环周期开始时再次开启燃烧器。否则不动作，返回步骤4.1)继续下一个数据点的温度采集。

上述步骤6)中，利用步骤4)的控制方法对多热风循环炉进行协调控制：

6.1)设定循环周期f(单位秒)，设定每台热风循环炉工作温度T_t,i(T_t,i表示从串联的热风循环炉最上游的工序开始，第i台热风循环炉的目标工作温度，单位摄氏度)。

6.2)开启每台热风循环炉，使每台热风循环炉温度分别升至T_t,i左右。

6.3)对第1台热风循环炉启动控制，使用参数为T_t,1和f；到达间隔时间f/2+d₁时间后，对第2台热风循环炉启动控制，参数为T_t,2和f。依次类推，直至所有热风循环炉控制器均启动；其中d₁为被加工产品从第1台热风循环炉入口输送到第2台热风循环炉入口处的时间，单位为秒。

综上所述，在本实施例中，总共有两台串联的热风循环炉，这两台热风循环炉由于微小的制造差异，使得当执行PID控制时，两台热风循环炉温度循环周期有微小的差异，这导致它们的加工效果之和在更长的时间尺度上形成较大波动(如图4a所示)。而使用协调控制后，两台热风循环炉温度循环周期严格相等，它们的加工效果之和的波动显著低于使用PID控制时的情况(如图4b所示)。

上述各实施例仅用于说明本发明，各步骤及各部件的结构、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤或个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。