CN101493706A - 一种钢料温度实时测量与控制方法及专用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢料温度测量与控制技术，特别是涉及一种钢料温度实时测量与控制方法的专用装置。其中方法：1)用非接触式的红外测温仪检测钢料中频加热温度；2)通过所述红外测温仪上的变送器将测量信号转换成模拟电压信号；3)将所述模拟电压信号经红外测温仪变送器上的模拟量输出接口送至安装于工控机内的模拟量输入装置将其转变为数字电压信号；4)执行存储于工控机内的控制模块任务，获得控制量作为钢料的进给速度；5)经安装于工控机内的模拟量输出装置将所述钢料的进给速度转换成模拟电压信号后送至变频器；6)由变频器控制钢料进给电机的转速，从而实现钢料温度的实时闭环控制。采用本发明能够实现钢料的中频感应加热温度实时测量与闭环控制。

Description

一种钢料温度实时测量与控制方法及专用装置

技术领域

本发明涉及钢料温度测量与控制技术，特别是涉及一种能够实现钢料的中频感应加热温度实时测量与闭环控制的方法及专用装置。

背景技术

钢料加热弯曲淬火机床目前普遍采用的温度测量与控制方法是：采用非接触式的红外测温仪检测中频感应加热区的钢料温度，根据红外测温仪显示的钢料温度人工调整中频电源的功率来调节钢料的温度。由于中频电源功率的微小变化对钢料温度就会产生较大的影响，因此人工调整无法保证钢料的温度的精度，钢料一般加热到1020摄氏度，其塑性变形温度区间仅有60摄氏度，一旦超出了钢料的塑性变形温度区间，就可能导致钢料的机械强度的急骤下降，从而使整根钢料报废。为了提高钢料的中频感应加热温度的控制精度，研制一种能够精确控制钢料温度的测量控制方法及专用装置，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够自动且精确控制钢料温度的测量与控制方法及专用装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

测量与控制方法：

1)用非接触式的红外测温仪检测钢料的中频加热温度；

2)将测得的钢料温度信号通过红外测温仪变送器转换成1～5V模拟电压信号；

3)将所述模拟电压信号经红外测温仪变送器上的模拟量输出接口送至安装于工控机内的模拟量输入装置将其转变为数字电压信号；

4)执行存储于工控机内的控制模块任务，得到进给速度的数字信号，作为控制量；

5)最后经安装于工控机内的模拟量输出装置将所述钢料的进给速度转换成0～10V模拟电压信号后送至交流变频器；

6)由交流变频器控制钢料进给电机的转速，从而实现钢料温度的实时闭环控制。

控制模块任务具体为：

1)通过进行工程量转换，将数字电压信号转换为实际温度值；

2)通过对钢料所设定的温度参数及实际温度值求出钢料温度误差；

3)由变速积分数字PID控制算法公式计算出实际的进给速度的数字信号，作为控制量；

所述控制模块任务具体如下：

首先初始化参数：

本发明设：钢料温度误差下限，钢料温度误差上限，控制量上一个扫描周期值，钢料温度误差上一个扫描周期值，钢料温度误差上两个扫描周期值，控制量，红外测温仪测量值下限，红外测温仪测量值上限，数字PID控制器积分项作用系数，数字PID控制器比例项，数字PID控制器积分时间，数字PID控制器微分时间，扫描周期，实际钢料温度，第一数字PID控制器误差系数，第二数字PID控制器误差系数，第三数字PID控制器误差系数；

然后设定钢料温度；

读取红外测温仪测量信号；

计算实际钢料温度，计算公式为：T＝(V1-1)×(m1-n1)/4+n1；

计算钢料温度误差，计算公式为：ek＝Ts-T；

判断钢料温度误差是否大于钢料温度误差上限，若钢料温度误差大于钢料温度误差上限，则将数字PID控制器积分项作用系数置0，跳转到计算第一数字PID控制器误差系数处继续执行；若钢料温度误差小于钢料温度误差上限，则判断钢料温度误差是否小于钢料温度误差下限；

若钢料温度误差小于钢料温度误差下限，则将数字PID控制器积分项作用系数置1，然后跳转到计算第一数字PID控制器误差系数处；若钢料温度误差不小于钢料温度误差下限，则执行如下步骤；

计算数字PID控制器积分项作用系数，计算公式为：Nk＝(B2-ek)/(B2-B1)；

计算第一数字PID控制器误差系数，计算公式为：K0＝Kp×(1+Nk×t/Ti+Td/t)；

计算第二数字PID控制器误差系数，计算公式为：K1＝(-1)×Kp×(1+2×Td/t)；

计算第三数字PID控制器误差系数，计算公式为：K2＝Kp×Td/t；

计算控制量，计算公式为：uk＝uk_1+K0×ek+K1×ek_1+K2×ek_2；

输出控制量；

保存参数值：uk_1＝uk：ek_2＝ek_1：ek_1＝ek；

判断钢料是否加工完毕，若结果为否，则返回到设定钢料温度处，若结果为是，则退出。

其所用装置包括：

一红外测温仪镜头，与红外测温仪变送器电连接；红外测温仪镜头通过X轴调整装置设置于对准钢料测温点的X轴方向位置，通过Y轴调整装置设置于对准钢料测温点的Y轴方向位置，并通过测温点距离调节装置设于相对于钢料测温点的有效测温距离内；

一工控机，存有控制模块程序；

一红外测温仪变送器，通过调节机构设于测温仪安装板上，其模拟量输出端口经屏蔽双绞线与工控机的模拟量输入装置相连；

一变频器，其模拟量输入端口经屏蔽双绞线与工控机的模拟量输出装置相连；并与交流电机相连。

其中所述钢料测温点的X轴方向与钢料进给方向相同设置；所述钢料测温点的Y轴方向与钢料进给方向垂直设置。

另外，本发明所述调节机构，包括底板、调位板及手柄，所述底板套接在竖杆上，与竖杆垂直滑动连接，用于调整底板在竖杆上的高度；底板通过手柄与调位板活动式安装在一起，用于调整调位板与底板间的夹角，测温仪安装板通过手柄与调位板安装在一起，测温仪安装板与调位板间的夹角可任意调节。

所述X轴调整装置，包括连接弯板、连接套、测温屏蔽管、横杆，其中：所述测温屏蔽管通过连接套及连接弯板的一边与红外测温仪镜头安装在一起；所述横杆一端活动式套接于连接弯板的另一边，另一端与Y轴调整装置中的滑块相连接；调整连接弯板相对横杆的旋转角度，用于将红外测温仪镜头对准钢料测温点的X轴方向位置；

所述Y轴调整装置，包括横杆、滑块，所述横杆的另一端与滑块水平滑动连接；通过调整横杆与滑块的相对位置，用于将红外测温仪镜头对准钢料测温点的Y轴方向位置；

所述测温点距离调节装置，设于滑块上，包括竖杆、竖杆座、支撑底座，竖杆与滑块垂直滑动连接，用以调整红外测温仪镜头相对于钢料测温点的距离；所述竖杆底部经竖杆座与安装在机床上的支撑底座安装在一起。

本发明具有如下优点：

1.本发明结构简单，通过对钢料温度测量装置的各种改进措施，有效的消除了钢料温度测量时产生的干扰，并采用变速积分数字PID控制算法降低了钢料温度闭环控制系统的超调量，提高了温度控制精度(钢料温度控制误差小于10摄氏度)

2.本发明能在工控机上设定及显示钢料温度值及各种数字PID控制参数，配合液压伺服系统及中频加热系统完成高精度钢料加热淬火加工。

附图说明

图1-1为本发明方法专用装置的机械结构主视图。

图1-2为本发明方法专用装置的机械结构的右视图。

图2为本发明方法的控制系统原理图。

图3为本发明方法的工控机中控制模块任务流程图。

具体实施方式

下面结合以下实施例及附图详细说明本发明。

本发明测量与控制方法按如下步骤实现：

1)用非接触式的红外测温仪检测钢料中频加热温度；

2)所述红外测温仪通过其上的变送器将测量的信号转换成1～5伏模拟电压信号；

3)将所述模拟电压信号经红外测温仪变送器上的模拟量输出接口送至安装于工控机内的模拟量输入装置(模拟量输入卡)将其转变为数字电压信号；

4)执行存储于工控机内的控制模块任务，获得作为控制量的进给速度；

5)最后经安装于工控机内的模拟量输出装置将所述钢料的进给速度转换成0～10V模拟电压信号后送至红外测温仪变频器；

6)由红外测温仪变频器控制钢料进给电机的转速，从而实现钢料温度的实时闭环控制。

其中控制模块任务具体为：

1)进行工程量转换，将数字电压信号转换为实际温度值；

2)再通过对钢料所设定的工作温度参数及实际温度值求出钢料温度误差；

3)由数字PID控制器中变速积分数字PID控制算法公式计算出实际的进给速度的数字信号，作为控制量；

其中：所述模拟量输入卡插在工控机内的ISA扩展槽上，并通过屏蔽双绞线与红外测温仪变送器上的模拟量输出端口相连。

所述工程量转换公式为：T＝(V1-1)×(m1-n1)/4+n1；式中n1为红外测温仪测量值下限(即量程的下限值)，m1为红外测温仪测量值上限(即量程的上限值)，V1为红外测温仪输出的电压信号；

如图3所示，所述工控机中控制模块任务流程具体为：

步骤1.首先初始化参数：

本实施例设：钢料温度误差下限B1，钢料温度误差上限B2，控制量的上一个扫描周期值uk_1，钢料温度误差的上一个扫描周期值ek_1，钢料温度误差的上两个扫描周期值ek_2，控制量uk，红外测温仪测量值下限n1，红外测温仪测量值上限m1，数字PID控制器积分项作用系数Nk，数字PID控制器比例项Kp，数字PID控制器积分时间Ti，数字PID控制器微分时间Td，扫描周期t，实际钢料温度T，第一数字PID控制器误差系数K0，第二数字PID控制器误差系数K1，第三数字PID控制器误差系数K2；

其中本实施例参数具体设定为：钢料温度误差下限B1＝20(摄氏度)，钢料温度误差上限B2＝50(摄氏度)，控制量的上一个扫描周期值uk_1＝0，钢料温度误差的上一个扫描周期值ek_1＝0，钢料温度误差的上两个扫描周期值ek_2＝0，控制量uk＝0，红外测温仪测量值下限n1＝700(摄氏度)，红外测温仪测量值上限m1＝1200(摄氏度)，数字PID控制器积分项作用系数Nk＝0，数字PID控制器比例项Kp＝0.002，数字PID控制器积分时间Ti＝3(秒)，数字PID控制器微分时间Td＝5.5(秒)，扫描周期t＝0.05(秒)，数字PID控制器误差系数K1＝0，数字PID控制器误差系数K2＝0；

步骤2.然后设定钢料温度Ts(本实施例为：钢料温度Ts＝1020(摄氏度))；

步骤3.读取红外测温仪测量信号V1(伏)；

步骤4.计算实际钢料温度T(摄氏度)，计算公式为：T＝(V1-1)×(m1-n1)/4+n1；

步骤5.计算钢料温度误差ek(摄氏度)，计算公式为：ek＝Ts-T；

步骤6.判断钢料温度误差ek是否大于钢料温度误差上限B2，若钢料温度误差ek大于钢料温度误差上限B2，则将数字PID控制器积分项作用系数Nk置0，跳转到计算第一数字PID控制器误差系数K0处继续执行；若钢料温度误差ek小于钢料温度误差上限B2，则判断钢料温度误差ek是否小于钢料温度误差下限B1；若钢料温度误差ek小于钢料温度误差下限B1，则将数字PID控制器积分项作用系数Nk置1，然后跳转到计算第一数字PID控制器误差系数K0处；若钢料温度误差ek不小于钢料温度误差下限B1，则执行如下步骤；

步骤7.计算数字PID控制器积分项作用系数Nk，计算公式为：Nk＝(B2-ek)/(B2-B1)；

步骤8.计算第一数字PID控制器误差系数K0，计算公式为：K0＝Kp×(1+Nk×t/Ti+Td/t)；

步骤9.计算第二数字PID控制器误差系数K1，计算公式为：K1＝(-1)×Kp×(1+2×Td/t)；

步骤10.计算第三数字PID控制器误差系数K2，计算公式为：K2＝Kp×Td/t；

步骤11.计算控制量uk(伏)，计算公式为：uk＝uk_1+K0×ek+K1×ek_1+K2×ek_2；

步骤12.输出控制量uk(伏)；同时分别保存uk_1，ek_1，ek_2的参数值(uk_1＝uk：ek_2＝ek_1：ek_1＝ek)；

步骤13.判断钢料是否加工完毕，若结果为否，则返回到设定钢料温度Ts处，若结果为是，则退出。

本发明所述钢料温度的测量控制范围为700～1200摄氏度。

本发明方法所用装置，如图1-1、1-2所示，包括红外测温仪镜头1、连接弯板2、连接套3、测温屏蔽管4、吹气嘴5、横杆6、滑块7、竖杆8、底板9、调位板10、手柄11、测温仪安装板12、红外测温仪变送器13、竖杆座14、支撑底座15，如图2所示，还包括工控机IPC、模拟量输入卡AI、模拟量输出卡AO、变频器19、交流电机20；

其中连接套3一端将红外测温仪镜头1固定在连接弯板2上，另一端固定在测温屏蔽管4上；吹气嘴5焊接在测温屏蔽管4的中部，吹气嘴5接上风管后，可在测温屏蔽管4内形成向下的气流，以防止中频淬火产生的水蒸气进入测温屏蔽管4内影响测温的精度；连接弯板2另一边套装在横杆6的一端，并可调整连接弯板2相对于横杆6的旋转角度，以此来调整红外测温仪镜头1对准的钢料测温点的X轴方向(X轴方向与钢料进给方向相同)位置，角度调整好后经横杆6端部的丝母将弯板2固定在横杆6上；横杆6穿过滑块7并可相对滑块7水平滑动来调整二者的相对位置，以此来调整红外测温仪镜头1对准的钢料测温点的Y轴方向(Y轴方向与钢料进给方向垂直)位置，位置调整好后经顶丝固定在滑块7上；竖杆8穿过滑块7并可相对于滑块7垂直滑动来调整二者的相对位置，从而起到调整红外测温仪镜头1相对于钢料测温点的距离之目的，位置调整好后经顶丝固定在滑块7上；底板9套接在竖杆8上并能够沿竖杆8垂直滑动，以此来调整底板9的高度，高度调整好后经顶丝固定在竖杆8上；调位板10与底板9相连，并能够任意调整调位板10与底板9之间的夹角，夹角调整好后由手柄11将调位板10固定在底板上。测温仪安装板12与调位板10相连，并可任意调整测温仪安装板12与调位板10之间的夹角，夹角调整好后经手柄11将测温仪安装板12与调位板10固定。红外测温仪变送器13固定在测温仪安装板12上；竖杆8底部固定在竖杆座14上，竖杆座14经螺丝固定在支撑底座15上；支撑底座15经螺丝固定在机床上；红外测温仪镜头1经通讯电缆与红外测温仪变送器13相连；红外测温仪变送器13的模拟量输出端口经屏蔽双绞线与工控机的模拟量输入卡相连。

如图2所示，其中所述模拟量输入卡AI及模拟量输出卡AO插在工控机IPC内部的ISA扩展槽上；红外测温仪镜头1经通讯电缆与红外测温仪变送器13相连；红外测温仪变送器13的模拟量输出接口经屏蔽双绞线与模拟量输入卡AI的模拟量第一输入通道相连；模拟量输出卡AO第一输出通道经屏蔽双绞线与变频器19的模拟量输入端口相连；变频器19的交流输出端口与交流电机20相连。

由本发明结构看其测量控制过程：

红外测温仪检测到钢料温度发生变化时，将所测得的钢料温度信号转换成1～5V电压信号后送至工控机内的模拟量输入卡的模拟量第一输入通道，模拟量输入卡将电压信号转换成数字量信号并换算成钢料温度值，与设定的钢料温度值相减，所得的钢料温度误差值经工控机内的变速积分数字PID控制算法计算出控制量uk，再经模拟量输出卡的模拟量第一输出通道将控制量uk转换成0～10V的电压值，送至变频器的模拟量输入端口，由变频器调节电机的转速，由于中频加热系统的功率不变，因此，增大电机转速将会使钢料温度减小，反之，减小电机转速将会使钢料温度增大。由于采用了变频器能够精确的控制电机的转速，同时使用变速积分数字PID控制算法保证了钢料温度闭环控制系统的精度。

本发明在工控机的ISA扩展槽加装模拟量输入卡来检测钢料温度，所述模拟量输入卡采用PCL-818L(台湾研华公司生产)，它是8通道模拟量差动输入卡，并具有12位转换精度。红外测温仪变送器与PCL-818L模拟量输入卡的第一输入通道相连。本发明在工控机ISA扩展槽加装模拟量输出卡来控制变频器调节钢料的进给速度，所述模拟量输出卡采用PCL-726(台湾研华公司生产)，它有6个模拟量输出通道，变频器的模拟量输入端口与PCL-726的模拟量第一输出通道相连。

Claims (12)

1.一种钢料温度实时测量与控制方法，其特征在于按如下步骤实现：

1)用非接触式的红外测温仪检测钢料中频加热温度；

2)通过所述红外测温仪上的变送器将测量信号转换成模拟电压信号；

3)将所述模拟电压信号经红外测温仪变送器上的模拟量输出接口送至安装于工控机内的模拟量输入装置将其转变为数字电压信号；

4)执行存储于工控机内的控制模块任务，获得控制量作为钢料的进给速度；

5)经安装于工控机内的模拟量输出装置将所述钢料的进给速度转换成模拟电压信号后送至变频器；

6)由变频器控制钢料进给电机的转速，从而实现钢料温度的实时闭环控制。

2.按权利要求1所述钢料温度实时测量与控制方法，其特征在于：其中所述控制模块任务包括：

1)进行工程量转换，将数字电压信号转换为实际温度值；

2)再通过对钢料所设定的工作温度参数及实际温度值求出钢料温度误差；

3)进而，由变速积分数字PID控制算法公式计算出控制量，作为钢料的进给速度的给定值。

3.按权利要求2所述钢料温度实时测量与控制方法，其特征在于：其中所述所述工程量转换公式为：T＝(V1-1)×(m1-n1)/4+n1；式中T为钢料温度测量值，n1为红外测温仪测量值下限，m1为红外测温仪测量值上限，V1为红外测温仪测量信号。

4.按权利要求1所述钢料温度实时测量与控制方法，其特征在于：其中所述控制模块任务流程为：

步骤1.首先初始化参数：

步骤2.然后设定钢料温度(Ts)；

步骤3.读取红外测温仪测量信号(V1)；

步骤4.执行工程量转换，计算实际钢料温度(T)，计算公式为：T＝(V1-1)×(m1-n1)/4+n1；

步骤5.计算钢料温度误差(ek)，计算公式为：ek＝Ts-T；

步骤6.判断钢料温度误差(ek)是否大于钢料温度误差上限(B2)，若钢料温度误差(ek)大于钢料温度误差上限(B2)，则将数字PID控制器积分项作用系数(Nk)置0，跳转到计算第一数字PID控制器误差系数(K0)处继续执行；若钢料温度误差(ek)小于钢料温度误差上限(B2)，则判断钢料温度误差(ek)是否小于钢料温度误差下限(B1)；若钢料温度误差(ek)小于钢料温度误差下限(B1)，则将数字PID控制器积分项作用系数(Nk)置1，然后跳转到计算第一数字PID控制器误差系数(K0)处；若钢料温度误差(ek)不小于钢料温度误差下限(B1)，则执行如下步骤；

步骤7.计算数字PID控制器积分项作用系数(Nk)，计算公式为：Nk＝(B2-ek)/(B2-B1)；

步骤8.计算第一数字PID控制器误差系数(K0)，计算公式为：K0＝Kp×(1+Nk×t/Ti+Td/t)；

步骤9.计算第二数字PID控制器误差系数(K1)，计算公式为：K1＝(-1)×Kp×(1+2×Td/t)；

步骤10.计算第三数字PID控制器误差系数(K2)，计算公式为：K2＝Kp×Td/t；

步骤11.计算控制量(uk)，计算公式为：uk＝uk_1+K0×ek+K1×ek_1+K2×ek_2，其中：uk_1为控制量的上一个扫描周期值，ek_1为钢料温度误差的上一个扫描周期值，ek_2为钢料温度误差的上两个扫描周期值；

步骤12.输出控制量uk；同时分别保存uk_1，ek_1，ek_2参数值；

步骤13.判断钢料是否加工完毕，若结果为否，则返回到设定钢料温度(Ts)处，若结果为是，则退出。

5.一种按权利要求1所述钢料温度实时测量与控制方法的专用装置，其特征在于包括：

一红外测温仪镜头(1)，与红外测温仪变送器(13)电连接；红外测温仪镜头(1)通过X轴调整装置设置在对准钢料测温点的X轴方向位置，通过Y轴调整装置设置在对准钢料测温点的Y轴方向位置，并通过测温点距离调节装置设于相对于钢料测温点的有效测温距离内；

一工控机，存有控制模块程序；

一红外测温仪变送器(13)，通过调节机构设于测温仪安装板(12)上，其模拟量输出端口经屏蔽双绞线与工控机的模拟量输入装置相连；

一变频器(19)，其模拟量输入端口经屏蔽双绞线与工控机的模拟量输出装置相连；其交流输出与交流电机(20)电相连。

6.按权利要求5所述的专用装置，其特征在于：所述钢料测温点的X轴方向与钢料进给方向相同设置。

7.按权利要求5所述的专用装置，其特征在于：所述钢料测温点的Y轴方向与钢料进给方向垂直设置。

8.按权利要求5所述的专用装置，其特征在于：所述调节机构，包括底板(9)、调位板(10)、及手柄(11)，所述底板(9)套接在竖杆(8)上，与竖杆(8)垂直滑动连接，用于调整底板(9)在竖杆(8)上的高度；底板(9)通过手柄(11)与调位板(10)活动式安装在一起，用于调整调位板(10)与底板(9)间的夹角，测温仪安装板(12)通过手柄(11)与调位板(10)安装在一起，用于调节测温仪安装板(12)与调位板(10)间的夹角。

9.按权利要求5所述的专用装置，其特征在于：所述X轴调整装置，包括连接弯板(2)、连接套(3)、测温屏蔽管(4)、横杆(6)，其中：所述测温屏蔽管(4)通过连接套(3)及连接弯板(2)的一边与红外测温仪镜头(1)安装在一起；所述横杆(6)一端活动式套接于连接弯板(2)的另一边，另一端与Y轴调整装置中滑块(7)相连接；调整连接弯板(2)相对横杆(6)的旋转角度，用于将红外测温仪镜头(1)对准钢料测温点的X轴方向位置。

10.按权利要求5所述的专用装置，其特征在于：所述Y轴调整装置，包括横杆(6)、滑块(7)，所述横杆(6)的另一端与滑块(7)水平滑动连接；通过调整横杆(6)与滑块(7)的相对位置，用于将红外测温仪镜头(1)对准钢料测温点的Y轴方向位置。

11.按权利要求5所述的专用装置，其特征在于：测温点距离调节装置，设于所述滑块(7)上，包括竖杆(8)、竖杆座(14)、支撑底座(15)，竖杆(8)与滑块(7)垂直滑动连接，用以调整红外测温仪镜头(1)相对于钢料测温点的距离；所述竖杆(8)底部经竖杆座(14)与安装在机床上的支撑底座(15)安装在一起。

12.按权利要求5所述的专用装置，其特征在于：测温屏蔽管(4)上设有接至上风管的吹气嘴(5)。

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