专利名称：大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统的制作方法
技术领域：
大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统技术领域[0001]本实用新型属于自动控制技术领域，尤其是涉及一种大型板材真空退火炉多温 区均温性控制系统。
背景技术：
[0002]近年来，稀有金属板材已广泛应用于航空航天、航海、核电、石油化工等领 域，而这些行业对稀有金属板材的技术性能要求极高，板材表面不能有氧化现象且对整 根板材的性能偏差要求很严。而真空退火是稀有金属板材生产的重要工艺过程，在无氧 化和无污染状态下进行消除应力或再结晶退火，以消除加工硬化和恢复塑性。不同的真 空状态和温度，会对材质产生截然不同的效果，这是一个精密而复杂的过程，故对退火 炉炉温的均勻性和真空度有苛刻的要求，但目前国内自主研发的生产稀有金属板材的真 空退火炉，特别是炉腔容积大的大型板材真空退火炉，由于加热温区多、检测与控制不 一致以及其控制技术和控制方法还不完善，控温精度低，多温区均温性差，还难以适应 稀有金属板材产业的应用研究与发展。实用新型内容[0003]本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种真 空退火炉多温区均温性控制系统及其控制方法，其控温精度高、均温性好、可靠性高、 自适应性和鲁棒性好，可以很好的满足稀有金属真空退火炉的生产工艺要求。[0004]为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种大型板材真空退火 炉多温区均温性控制系统，其特征在于包括与真空退火炉的多个加热区对应相接并对 真空退火炉各个加热区内的加热温度进行控制的多个温控仪、分别与多个温控仪相接并 与真空退火炉的多个加热区对应相接且对真空退火炉的加热功率进行调节的多个功率调 节器、与真空退火炉的多个加热区对应相接并对真空退火炉各个加热区的温度进行检测 的均温巡检仪和通过RS485总线与多个温控仪、多个功率调节器以及均温巡检仪相接并 进行通信的上位机监控系统，所述上位机监控系统为对均温巡检仪所检测信号进行分析 处理且对各温控仪和各功率调节器的工作过程进行监控的工控机。[0005]所述温控仪和功率调节器均为五个。[0006]所述温控仪为内部集成有PID控制器的欧陆3504温控仪。[0007]所述功率调节器为KTY3S晶闸管调功器。[0008]本实用新型与现有技术相比具有以下优点[0009]1、本实用新型针对大型板材真空退火炉多温区加热和电网不稳定干扰的特点， 设计了基于工控机IPC+欧陆3504温控仪+KTY3S晶闸管调功器+温度巡检仪的多温区 均温性控制系统，加热过程由上位机监控系统实现监控并通过RS485通信将温度控制曲 线和模糊-PID控制策略同时下传到五个温区的欧陆3504温控仪上，而且，上位机监控 系统还能够将现场设备的启停信号、限位反馈、报警量、报警值以及欧陆3504温控仪和3KTY3S晶闸管调功器中的控制参数都采集上来并显示在相应设计好的画面中，还可以进 行记录、存储、打印和在线运算，智能化程度高，使用操作便捷，实现了真空退火炉多 温区均温性的优化控制。[0010]2、本实用新型解决了大型板材真空退火炉多温区加热温度精确度控制难度大的 难题，大大提高了控温精度，在100°c以下的低温阶段，控温精度S±5.6°C，当过程设定 温度在200°C之后，各温区温度能快速、准确地跟踪设定值的变化，控温精度S 士2°C， 在恒温阶段维持控温精度S 士0.7°C。[0011]3、本实用新型解决了大型真空退火炉多温区加热均温性控制难度大的难题，大 大提高了炉温均勻度，在不同的目标设定值，轴向炉温均勻度S 士2.0°C，径向炉温均勻 度S ±2.00C ο[0012]4、提高大型板材真空退火炉加热温度控制的精确度，受到电网谐波不稳定干扰 的影响较大，本实用新型采用KTY3S晶闸管调功器实现了对真空退火炉加热功率的闭环 精密调节控制。KTY3S晶闸管调功器内部主回路采用晶闸管反并联结构，采取过零触发 的调功方式，输出波形为整周波，对电网无谐波干扰。[0013]5、本实用新型动态响应快，稳定性、自适应性和鲁棒性好，能够很好地满足稀 有金属真空退火炉的生产工艺要求，在钛、锆等稀有金属加工领域有广泛的应用前景。[0014]综上所述，本实用新型具有很高的控温精度和均温性、良好的可靠性以及自适 应性和鲁棒性，智能化程度高且使用操作便捷，满足稀有金属退火工艺对硬件、软件、 以及控制精度高的要求，动态响应快，对改善工艺水平，稳定产品质量，降低能耗具有 显著的经济和社会效益。[0015]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
[0016]图1为本实用新型的结构示意图。[0017]附图标记说明[0018]1-真空退火炉；2-温控仪； 3-功率调节器；[0019]4-均温巡检仪；5-上位机监控系统。
具体实施方式
[0020]如图1所示，本实用新型包括与真空退火炉1的多个加热区对应相接并对真空退 火炉1各个加热区内的加热温度进行控制的多个温控仪2、分别与多个温控仪2相接并与 真空退火炉1的多个加热区对应相接且对真空退火炉1的加热功率进行调节的多个功率调 节器3、与真空退火炉1的多个加热区对应相接并对真空退火炉1各个加热区的温度进行 检测的均温巡检仪4和通过RS485总线与多个温控仪2、多个功率调节器3以及均温巡检 仪4相接并进行通信的上位机监控系统5，所述上位机监控系统5为对均温巡检仪4所检 测信号进行分析处理且对各温控仪2和各功率调节器3的工作过程进行监控的工控机。[0021]本实施例中，所述温控仪2和功率调节器3均为五个。所述温控仪2为内部集 成有PID控制器的欧陆3504温控仪，欧陆3504温控仪控制参数精度高且具有参数自整定 功能，能够在系统中设定多组PID参数，可以通过过程值PV，设定值SP，偏差值Error，4输出值OP，手动设定Set、外部输入数值Rem等方式来决定使用哪一组PID参数。所述 功率调节器3为KTY3S晶闸管调功器，KTY3S晶闸管调功器内部主回路采用晶闸管反并 联结构，采取过零触发的调功方式，输出波形为整周波，对电网无谐波干扰。 本实用新型的工作过程是1、在上位机监控系统5上对系统数据进行初始 化；2、上位机监控系统5接收输入的加热温度设定值L (η)，并用加热温度设定值L (η) 和当前均温巡检仪4所采集到的加热温度采样值y(n)做差，计算出每个采样时刻温度 偏差e(n)的绝对值|e(n)| = |L(n)_y (η) |及温度偏差变化率ec(n)的绝对值|ec(n)| = |e(n)-e(n-l)| ； 3、采用模糊推理方法对PID控制器所要使用的控制参数进行在线整定 首先，在上位机监控系统5上，应用模糊化的语言将温度偏差e (η)的绝对值|e (η) I与温度 偏差变化率ec(n)的绝对值|eC(n)|的范围缩小，得到两个模糊语言变量e (η)和ec (η)，并 将e(η)的语言值选为Bp M1, S1三档，用模糊集丨B1, M1, SJ来代表，其中B1代表 大，M1R表中，S1R表小，即e(n) = (B1, M1, S1),将ec(n)的语言值选为B2、M2> &三档，用模糊集丨B2, M2, S2丨来代表，其中B2代表大，M2R表中，&代表小，即 e(n) = (B2, M2, S2)；接着，针对不同的温度偏差e(n)的绝对值|e(η) |与温度偏差变化 率ec(n)的绝对值|ec(n)|，整理出PID控制参数的模糊推理策略并在上位机监控系统5上 将模糊推理策略编写成模糊推理软件，模糊推理策略可以描述为当|e(n)|较大时，为了 使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的Kp和较小的Td，同时为了避免系统响应出现较 大的超调，应对积分作用加以限制，通常取T1 = O;当|e(n)|和|eC(n)|适中时，为使系 统具有较小的超调，Kp应取得小些，在这种情况下，Td的取值对系统的影响较大，T1的 取值要适当；当|e(n)|较小时，为使系统具有较好的稳定性能，Kp和T1均应取得大些， 同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当|ec(η) I较大时Td可 取得小些，|eC(n)|较小时，Td可取大些；最后，选择真空退火炉1的五种不同的工作状 态进行调试，五种不同的工作状态分别为Α、真空退火炉1炉体中段500°C空载工作； B、真空退火炉1前炉门500°C空载工作；C、真空退火炉1后炉门500°C空载工作；D、 真空退火炉1炉体中段500°C带料盘工作；E、真空退火炉1炉体中段500°C带料盘和料 工作，上位机监控系统5调用编写的模糊推理软件实时在线整定得出五组PID控制参数 {K ρ λ T u、T di}、{κ p2、T l2、T d2}λ {K p3、T l3、T d3)、{K P4、 T' l4、T' d4}和{K' p5、T' l5、T' d5},并将整定得出的五组PID控制参数输出给温 控仪2; 4、温控仪2接收上位机监控系统5输出给其的五组PID控制参数并利用其自身 具有的参数自整定功能整定得出五组PID控制参数{Kpl、Th、Tdl}、{Kp2、T12, Td2}、 {Kp3、T13, Td3}、{Kp4、T14, Td4}和{Kp5、T15, Td5} ； 5、温控仪 2 根据上位机监控系统 5 给定的外部输入值实现五组PID控制参数的转换，选择其中一组PID控制参数并将控制量 转换为4-20mA连续变化的控制信号输出给功率调节器3，功率调节器3接收温控仪2输 出给其的控制信号并对输出加热功率进行调节，实现对真空退火炉1加热功率的控制； 具体地，功率调节器3将接收到由温控仪2输出的4-20mA连续变化的控制信号，送入周 期开关进行调制，周期开关输出一系列脉冲宽度固定、变周期的开关量信号，控制晶闸 管通、断时间比值，来改变真空退火炉1的加热功率。其特点是周期跟随调节器输出电 流而变化，具有良好的线性关系，使调制的方波电压按信号电流的大小，在0%-100% 范围内比例地连续调节真空退火炉1加热的平均功率，以保持炉温恒定；6、温度巡检仪54对真空退火炉1各个加热区的温度进行采集并将采集到的温度信号发送给上位机监控系 统5 ；具体地，真空退火炉1炉体内放置标温支架，并在支架上均勻安装15个测温热电 偶，其中5个测温热电偶沿真空退火炉轴线分布，每个温区安装一个，另外10个测温热 电偶分成两层，每层5个，按米字形均勻分布在炉内中心截面上，均温巡检仪4采集测温 热电偶所测得的炉体内五个加热区的温度信号并经过处理后反馈到上位机监控系统，构 成整个加热闭环控制系统；7、上位机监控系统5接收温度巡检仪4所采集到的各个加热 区的温度信号并将各个加热区的温度两两做差，当温度差大于5°C时，上位机监控系统5 调用预先编好的局部调整软件对PID控制参数进行局部调整后；反之，当温度差均不大 于5°C时，不进行局部调整。[0023]另外，上位机监控系统5不仅通过编制模糊推理软件和局部调整软件实现了 PID 控制参数的在线优化调整，还能够将现场设备的启停信号、限位反馈、报警量、报警值 以及温控仪2和功率调节器3中的控制参数都采集上来并显示在相应设计好的画面中，还 可以进行记录、存储、打印和在线运算。[0024]测试结果显示，本实用新型具有很高的控温精度和均温性、良好的可靠性以及 自适应性和鲁棒性，智能化程度高且使用操作便捷，满足稀有金属退火工艺对硬件、软 件、以及控制精度高的要求，动态响应快，对改善工艺水平，稳定产品质量，降低能耗 具有显著的经济和社会效益，便于推广使用。[0025]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡 是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变 化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求1.一种大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，其特征在于包括与真空退火 炉(1)的多个加热区对应相接并对真空退火炉(1)各个加热区内的加热温度进行控制的多 个温控仪O)、分别与多个温控仪(2)相接并与真空退火炉(1)的多个加热区对应相接且 对真空退火炉(1)的加热功率进行调节的多个功率调节器(3)、与真空退火炉(1)的多个 加热区对应相接并对真空退火炉(1)各个加热区的温度进行检测的均温巡检仪(4)和通过 RS 485总线与多个温控仪( 、多个功率调节器(3)以及均温巡检仪(4)相接并进行通信 的上位机监控系统( ，所述上位机监控系统( 为对均温巡检仪(4)所检测信号进行分 析处理且对各温控仪( 和各功率调节器(3)的工作过程进行监控的工控机。
2.按照权利要求1所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，其特征在于 所述温控仪( 和功率调节器( 均为五个。
3.按照权利要求1或2所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，其特征在 于所述温控仪( 为内部集成有PID控制器的欧陆3504温控仪。
4.按照权利要求1或2所述的大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，其特征在 于所述功率调节器(3)为KTY3S晶闸管调功器。
专利摘要本实用新型公开了一种大型板材真空退火炉多温区均温性控制系统，包括与真空退火炉的多个加热区对应相接并对各个加热区温度进行控制的多个温控仪、分别与多个温控仪相接并与真空退火炉的多个加热区对应相接且对真空退火炉的加热功率进行调节的多个功率调节器、与真空退火炉的多个加热区对应相接并对各个加热区温度进行检测的均温巡检仪和通过RS485总线与多个温控仪、多个功率调节器以及均温巡检仪相接并进行通信的上位机监控系统，上位机监控系统为对均温巡检仪所检测信号进行分析处理且对各温控仪和各功率调节器的工作过程进行监控的工控机。本实用新型控温精度高、均温性好、可靠性高、自适应性和鲁棒性好，成本低，便于推广使用。
文档编号C21D1/773GK201809411SQ20102056834
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者张乃禄, 张嘉, 张钰哲, 曹海畅, 李鑫 申请人:西安石油大学