CN104451119B - 一种台车式燃气热处理炉温控系统及温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种台车式燃气热处理炉温控系统及温控方法，所述的温控系统包括沿炉体的长度方向分布的多个温控区，各温控区的两侧分别安有多个烧嘴，各温控区的顶部分别安有热电偶；各热电偶分别连有一温控器，每个温控区的温控器分别通过脉冲控制器与该温控区的烧嘴相连；还包括一PLC控制器，PLC控制器通过一通讯转换器连接各温控器；PLC控制器连接一上位机。该方案能够实现温度的连续渐变，避免炉内温度差较大的温度变化调节，便于控制热处理炉炉内温度均匀性。

Description

一种台车式燃气热处理炉温控系统及温控方法

技术领域

本发明涉及热处理炉控制领域，具体是一种台车式燃气热处理炉温控系统及温控方法。

背景技术

热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证，直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量的优劣。

目前，在机械加工和铸造行业，大型锻件和铸件的热处理多采用井式热处理炉和台车式热处理炉，井式炉多用于长度较大的轴件热处理，且多用电阻带加热。井式炉的建造复杂，需要土建挖井，有的深度可达数十米，而台车炉为固定的半封闭壳体，由可移动台车来移动工件，一般用燃气、燃煤混合气体等加热。为保证温控的精度，以及确保加热功率的可控性和炉内温度的均匀性，现有技术对炉膛沿长度方向采用多区段分区进行控制，但随着炉体深度的增加，热流由远离烟道的一侧向烟道侧涌动，靠近烟道一端和远离烟道一端温控区的温度波动较大，即在整个温控过程中，炉内存在较大的温度差，温度变化不均，这往往影响热处理的效果。另外，现有技术只是解决了单一的工件热处理问题，没有结合现有的自动化信息技术，提供系统的工艺数据分析和生产管理功能，且现有控制系统大多采用温控器的面板设置工艺参数，大大降低了设备的使用寿命，且现有温控系统及温控方法在节能环保上也少有考虑。此为现有技术的不足之处。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种便于控制热处理炉炉内温度均匀性的台车式燃气热处理炉温控系统及温控方法，能够实现温度的连续渐变，避免炉内温度差较大的温度变化调节。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种台车式燃气热处理炉温控系统，包括沿炉体的长度方向分布的多个温控区，各温控区的两侧分别安有多个烧嘴，各温控区的顶部分别安有热电偶；各热电偶分别连有一温控器，每个温控区的温控器分别通过脉冲控制器与该温控区的烧嘴相连；还包括一PLC控制器，PLC控制器通过一通讯转换器连接各温控器；PLC控制器还连接一上位机。

使用时，本系统温控所需要的参数，即可通过温控器进行设定，又可通过上位机进行设定，设置方便、使用灵活且使用可靠。而且，不但可通过温控器进行现场监控与查看，还可通过上位机进行远程监控与查看，使用方便。

此外，本系统通过两侧的烧嘴工作时的对流传热,使得每个温控区空间内的温度相对均匀；且将各温控区的热电偶均安装在炉顶上方,能相对准确的反应炉膛中该温控区的温度。

所述的上位机连有一报警器。所述报警器可以采用声光报警器。当烧嘴点火多次失败时，系统会发出报警，以免炉内残留燃气过多而发生爆炸事故。此外，在烧嘴点火多次失败时，还可通过上位机控制自动停炉。

所述的上位机为PC机或工控机。

PLC控制器还通过另一通讯转换器连有一无纸记录仪，所述的无纸记录仪与所述的各热电偶相连。无纸记录仪采用多通道热电偶输入，可用于完成每道工次的温度曲线记录，且可通过其面板直接查看或通过其MMC存储卡或者USB接口直接连接至PC机，之后通过软件对炉温变化进行工艺分析。

本发明还提供了一种台车式燃气热处理炉温控方法，包括统一预设热处理过程中各温控时段的目标温度T_目以及经过该时段的目标温控时长和保温触发温度差值ΔT，对于各温控区的各温控时段，均有以下温控步骤：

A、实时检测当前温控时段的实际温度t_实，并对当前温控时段的当前温控时长进行统计；

B、将当前温控时段的当前温控时长与该温控时段的目标温控时长进行大小比较，若当前温控时长≤该温控时段的目标温控时长，则执行步骤C，否则执行步骤F；

C、实时计算上述实际温度t_实与该温控时段的目标温度T_目的实际差值Δt=t_实－T_目，并将计算所得的实际差值|Δt|与预设的保温触发温度差值ΔT进行大小比较，若|Δt|<ΔT，则执行步骤D；否则执行步骤E；

D、将上述实际温度t_实与预设的中间温度阈值T进行大小比较，若t_实≤T，则采用小火常明的方式进行保温控制；否则若t_实>T，则采用小火熄灭的方式对该温控时段进行保温控制；

E、控制温控区内各烧嘴小火点燃，并通过温控区内温控器的电流输出控制温控区内各烧嘴大火的点燃与熄灭；

F、当前温控时段的温控结束。

鉴于炉温温度低于300℃时炉温温度不易快速升高，而在炉温温度达到或高于300℃时炉内温度可以迅速升高，步骤D中所述的中间温度阈值T为300℃。

步骤D中所述的小火长明的方式的控制方法为：控制该温控区的各烧嘴小火点燃，并通过脉冲控制器控制该温控区各烧嘴大火的点燃与熄灭。

步骤D中所述的小火熄灭的方式的控制方法为：控制该温控区的各烧嘴大火熄灭，并通过脉冲控制器控制该温控区各烧嘴小火的点燃与熄灭。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明所述的温控系统将所述烧嘴分别设置在相应温控区的两侧，可通过两侧的烧嘴工作时的对流传热,使得炉膛内各温控区空间内温度的相对均匀，从而在热流由远离烟道的一侧向烟道侧涌动过程中，可在很大程度上避免靠近烟道一端和远离烟道一端的温控区的温度波动较大的弊端。

(2)本发明所述的温控系统的PLC控制器与一上位机相连，使用时，可通过上位机设置参数，一方面可以提高工作效率，另一方面可以避免对温控器仪表面板的频繁操作对温控器的磨损，从而增加本发明的使用寿命，降低生产成本；此外，上位机的使用，实现了对热处理炉内温度的远程监控，有利于热处理炉的远程管理。

(3)本发明所述的温控系统还包括无纸记录仪，其可以用于存储每道工序中温度的实际工艺曲线，以提供历史数据的比较、分析功能，在很大程度上具有生产管理的功能，以供生产人员对炉内温度参数及时进行整定。

(4)本发明所述的温控方法，通过对各温控区当前温控时段的目标温度、实际温度、经过该温控时段的目标温控时长和经过该温控时段的保温触发温度差值ΔT等参数的计算与处理，可实现对每个温控区的温度的调控，既能在工艺要求的时间内达到目标温度，也不会造成温度的波动，控温效果稳定、平滑，能够实现温度的连续渐变，避免炉内温度差较大的温度变化调节，可确保炉内温度的均匀性，较为实用。

(5)本发明所需的各参数，如热处理过程中各温控时段的目标温度以及经过该时段的目标温控时长和保温触发温度差值ΔT等，可通过温控器的面板或上位机进行设置，各温控区的烧嘴的大小火点燃方式可通过脉冲控制器的输出电流进行相应的自动控制，体现了现代自动化技术的优越性，保证了系统的智能化，确保了特殊工况下的安全性；此外，各温控区的烧嘴的大小火点燃方式的自动控制方式的使用，确保了炉内温度的均匀性，且可实现节能环保的目的，较为实用。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明所述台车式燃气热处理炉温控系统的原理框图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，以尺寸为14m×6m×5m(长、宽、高) 的台车式燃气热处理炉为例，对本发明的技术方案进行完整地描述。

其中，本实施方式中的台车式燃气热处理炉的装炉量≤540t，炉体为固定钢结构长方体，长度方向一侧开口设置可升降炉门。

图1所示的一种台车式燃气热处理炉温控系统，包括沿炉体的长度方向分布的四个温控区，第一温控区、第二温控区、第三温控区和第四温控区。各温控区对应炉体的两侧分别安有两个烧嘴，各温控区两侧的烧嘴位置相对。各温控区的顶部分别安有一热电偶；各温控区的热电偶分别连有一温控器，第一温控区和第二温控区的温控器通过同一脉冲控制器分别与第一温控区和第二温控区的各烧嘴相连。本系统还包括一PLC控制器，PLC控制器通过一通讯转换器连接各温控区的温控器，该通讯转换器采用DP200通讯转换器，用于实现PLC控制器的ProFiBus DP协议与温控器的RS232协议之间的转换。此外，PLC控制器还连接一上位机。

其中，在本实施方式中，上位机采用PC机，其通过HMI软件，完成人机交互、工艺参数设定、现场监控、历史数据存取功能。PLC控制器，为可编程控制器，由中央处理器和开关量、模拟量以及热电偶等输入输出模块构成，通过梯形图、LAD、STL等语言编程实现逻辑控制和安全保护；温控器，采用FP93温控器，用于检测现场的温度热电偶输入信号，是调节控温电流输出的一体化数显仪表，带有操作面板，具有与PLC控制器通讯的功能。本系统所需的温控参数可以通过温控器的操作面板进行设定，也可以通过PLC控制器以通讯方式写入，设置方式多样，可互为备用，增加了本系统使用的灵活性与可靠性。其中，HMI还可自动记忆新的工件热处理曲线配方，分类记录不同需求的工件热处理信息，生成数据报表，以便对生产情况进行管理。

其中，上述FP93温控器，可输出4～20mA电流信号，且每台温控器可根据温度控制范围设计六组独立的PID控制算法，包括输出限幅参数、抗超调抑制系数、伺服启动功能等，这样PID参数可跟随温度设定自动地转换，实现各温控段温度的无超调高精度PID控制。

此外，在本实施方式中，脉冲控制器采用SMPT1脉冲控制器，可以根据来自FP93温控器的电流信号，输出可变脉冲来控制烧嘴的燃烧时间与燃烧时序，从而调整每个温控区的相应的烧嘴的工作时间和频率，从而实现炉内按照设定的温控参数进行升温、保温和降温的控制。其中，上所涉及的温控参数可通过温控器或上位机进行设定，使用灵活，且可通过上位机实现对台车式燃气热处理炉内温度的远程查看与控制，较为实用。

此外，在本实施方式中，所述的上位机连有一报警器。该报警器采用声光报警器，用于系统报警，如当烧嘴点火失败时，发出声光报警，以便提醒生产人员及时维修。

此外，在本实施方式中，PLC控制器还通过另一通讯转换器连有一无纸记录仪，所述的无纸记录仪与所述的各热电偶相连。其中，此处的通讯转换器采用DP200通讯转换器，用于完成无纸记录仪RS232协议与PLC控制器ProFiBus DP协议之间的转换。所述的无纸记录仪采用AX110无纸记录仪，具有多通道热电偶输入，用于完成每道工次的温度曲线的记录；且记录的温度曲线可通过该无纸记录仪的面板直接查看，或可通过该无纸记录仪的MMC或USB接口传输至PC机，以便通过软件对炉温变化进行工艺分析。

此外，为增加本系统使用的安全性与稳定性，在炉膛内还设有压力传感器和风压传感器，压力传感器通过排烟压力调节器与排烟阀操作器相连，用于通过反馈的压力控制排烟阀的开度。风压传感器通过风压调节器与风机相连，通过现场反馈调节风机的转速。所述风机为变频风机。此外，PLC控制器通过一单独的DP200通讯转换器与排烟压力调节器和风压调节器相连，在反馈的检测值超过预设的相应阈值时，PLC控制器通过控制器控制报警，以便及时提醒生产人员及时处理，从而增强本系统使用的安全性。此外，当炉压高于预先设定的上限值、燃气压力低于预先设定的下限值时，系统将自动控制停炉。

其中，热处理工序开始时，首先根据工件的热处理要求确定好烘炉温度曲线，并选择通过上位机设定各温控区内的各温控时段的目标温度以及经过该时段的目标温控时长，如下表所示：

工艺步骤	目标温控时长	目标温度	备注
				第1段	4小时	600℃	升温过程
第2段	2小时	600℃	保温过程
				第3段	6小时	900℃	升温过程
第4段	5小时	900℃	保温过程
				第5段	3小时	700℃	降温过程

设置完毕后下载参数至温控器。其中，通过上位机设置参数，提高了工作效率，也避免了频繁的温控器仪表面板操作对温控器的磨损。下载完毕后开始吹扫，以确保炉内无残留燃气，从而避免点燃烧嘴时发生安全事故。吹扫完成后开启燃气快切阀，之后采用自动或手动模式选择需要点火的烧嘴，确认安全后，关闭炉门并运行温控器，系统根据预先设定的参数，如上述的目标温度和目标温控时长参数，自动完成工件的热处理。

此外，本发明还提供了一种台车式燃气热处理炉温控方法，包括统一预设热处理过程中各温控时段的目标温度T_目以及经过该时段的目标温控时长和保温触发温度差值ΔT，对于各温控区的各温控时段，均有以下温控步骤：

A、实时检测当前温控时段的实际温度t_实，并对当前温控时段的当前温控时长进行统计；

B、将当前温控时段的当前温控时长与该温控时段的目标温控时长进行大小比较，若当前温控时长≤该温控时段的目标温控时长，则执行步骤C，否则执行步骤F；

C、实时计算上述实际温度t_实与该温控时段的目标温度T_目的实际差值Δt=t_实－T_目，并将计算所得的实际差值|Δt|与预设的保温触发温度差值ΔT进行大小比较，若|Δt|<ΔT，则执行步骤D；否则执行步骤E；

D、将上述实际温度t_实与预设的中间温度阈值T进行大小比较，若t_实≤T，则采用小火常明的方式进行保温控制；否则若t_实>T，则采用小火熄灭的方式对该温控时段进行保温控制；

E、控制温控区内各烧嘴小火点燃，并通过温控区内温控器的电流输出控制温控区内各烧嘴大火的点燃与熄灭；

F、当前温控时段的温控结束。

步骤D中所述的中间温度阈值T为300℃。

步骤D中所述的小火长明的方式的控制方法为：控制该温控区的各烧嘴小火点燃，并通过脉冲控制器控制该温控区各烧嘴大火的点燃与熄灭。

步骤D中所述的小火熄灭的方式的控制方法为：控制该温控区的各烧嘴大火熄灭，并通过脉冲控制器控制该温控区各烧嘴小火的点燃与熄灭。

其中，在|Δt|≥ΔT时，通过上述步骤E进行温控，即在本发明中，当上述实际温度t_实位于区间范围[T_目－ΔT，T_目＋ΔT]外，即t_实≥(T_目＋ΔT)或t_实≤(T_目－ΔT)时，要在确保相应温控区的各烧嘴均小火点燃的情况下，依据该相应温控区温控器的电流输出，通过脉冲控制器控制该温控区各烧嘴大火的点燃与熄灭，当可确保炉内温度不会急剧下降，也不会急剧升高，可在很大程度上确保炉内温度相对平稳的下降与上升。

其中，在本实施方式中，结合温控器，通过脉冲控制器对烧嘴大火与小火的点燃与熄灭控制方式是本领域技术人员所熟知的技术。

其中，上述各温控时段的保温触发温度差值ΔT可通过PLC程序设定，在本实施方式中，设定各温控时段的保温触发温度差值ΔT=5℃。

综上，在本实施方式中，炉内温度采用多区段分区控制，每个温控区设定相同的温控参数，如各温控时段的目标温度以及经过该时段的目标温控时长等参数，并依据检测到的实际温度调节相应温控区的烧嘴的工作状态，以便完成各温控区的升温、保温与降温控制，且在整个温控过程中，实现温度的连续渐变，避免了温度差较大的温度变化调节，从而达到均匀控温的目的，控制方便，较为实用。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种台车式燃气热处理炉温控方法，用于台车式燃气热处理炉温控系统，其特征在于，

所述的台车式燃气热处理炉温控系统包括沿炉体的长度方向分布的多个温控区，各温控区的两侧分别安有多个烧嘴，各温控区的顶部分别安有热电偶；各热电偶分别连有一温控器，每个温控区的温控器分别通过脉冲控制器与该温控区的烧嘴相连；还包括一PLC控制器，PLC控制器通过一通讯转换器连接各温控器；PLC控制器还连接一上位机；

所述的台车式燃气热处理炉温控方法包括统一预设热处理过程中各温控时段的目标温度T_目以及经过该时段的目标温控时长和保温触发温度差值ΔT，对于各温控区的各温控时段，均有以下温控步骤：

A、实时检测当前温控时段的实际温度t_实，并对当前温控时段的当前温控时长进行统计；

B、将当前温控时段的当前温控时长与该温控时段的目标温控时长进行大小比较，若当前温控时长≤该温控时段的目标温控时长，则执行步骤C，否则执行步骤F；

C、实时计算上述实际温度t_实与该温控时段的目标温度T_目的实际差值Δt=t_实－T_目，并将计算所得的实际差值|Δt|与预设的保温触发温度差值ΔT进行大小比较，若|Δt|<ΔT，则执行步骤D；否则执行步骤E；

D、将上述实际温度t_实与预设的中间温度阈值T进行大小比较，若t_实≤T，则采用小火常明的方式进行保温控制；否则若t_实>T，则采用小火熄灭的方式对该温控时段进行保温控制；

E、控制温控区内各烧嘴小火点燃，并通过温控区内温控器的电流输出控制温控区内各烧嘴大火的点燃与熄灭；

F、当前温控时段的温控结束。

2.根据权利要求1所述的台车式燃气热处理炉温控方法，其特征在于，步骤D中所述的中间温度阈值T为300℃。

3.根据权利要求1所述的台车式燃气热处理炉温控方法，其特征在于，步骤D中所述的小火长明的方式的控制方法为：控制该温控区的各烧嘴小火点燃，并通过脉冲控制器控制该温控区各烧嘴大火的点燃与熄灭。

4.根据权利要求1所述的台车式燃气热处理炉温控方法，其特征在于，步骤D中所述的小火熄灭的方式的控制方法为：控制该温控区的各烧嘴大火熄灭，并通过脉冲控制器控制该温控区各烧嘴小火的点燃与熄灭。