CN107957080A - 铝棒加热炉燃烧温度自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种铝棒加热炉燃烧温度自动控制系统，其主要功能是加热铝棒用于铝型材挤压。系统包括燃烧部分和电气控制部分，燃烧部分由天然气系统、空气系统、阀门控制系统和火枪组成，电气控制部分由可编程控制器PLC和温度传感器组成。在铝棒加热过程中，通过PLC中的温度测量模块对炉内温度进行检测，比较炉内温度与设定温度的差距，根据温差信号利用控制输出模块来控制火枪火焰的大小，从而实现燃烧系统的自动控制。此外，为了实现迅速加温又不会造成铝棒融化，提出了两阶段的控制方案。该系统不仅可以根据加热炉内温度对燃烧温度进行实时控制，还可以通过时变速积分PID控制方案节省能源消耗，达到节能减排的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝棒加热炉燃烧温度自动控制技术领域。
背景技术
铝型材生产企业属于高能耗、高排放制造企业，挤压生产的成本控制是企业关注的重点问题之一。铝棒加热炉是挤压生产线中能耗最大的一个环节，因此降低加热炉的能耗，可以保证挤压生产稳定、经济地运行，实现节能减排的目的。
目前铝棒加热炉温度控制系统大部分采用传统的继电器控制技术，由于生产现场环境复杂，对温度的影响因素是多方面的。因此采用固定接线的继电器控制系统，不仅存在控制系统体积大、耗电多、效率低等缺点，还易出故障导致生产无法正常运行，传统的继电器控制技术必然被性能更好的PLC控制技术所取代。此外，温度控制存在大惯性、带有滞后性等特点，传统的PID控制算法精度不高，为了提高系统控制精度，需要对PID控制算法进行改进。
发明内容
本发明目的在于，提出一种应用于铝棒加热炉的燃烧温度自动控制系统，系统不仅可以实时地测量加热炉内的温度，并可以根据PLC控制系统实现温度自动控制。
为达此目的，本发明铝棒加热炉燃烧温度自动控制系统，首先包含燃气管道和空气管道，及设置于空气管道和燃气管道交接处的组合火枪；所述燃气管道上设置燃气过滤器，减压阀，燃气总电磁阀，点火电磁阀，大火电磁阀；其中，所述点火电磁阀和大火电磁阀分别控制两路燃气管道，两路燃气管道自燃气总电磁阀分开，并于组合火枪处合并；所述空气管道上设置蝶阀和电动执行器。
如此设置，可以实现全预混方式进行燃烧，所以加热炉的燃烧功率相当高，能使铝棒迅速加温，并且处于最佳燃烧状况，既节能又环保。
其次，本发明包含燃烧温度自动控制电气系统，其包括：可编程控制器PLC、温度传感器；所述可编程控制器PLC包含温度测量模块和输出控制模块；其中所述温度传感器连接于温度测量模块和加热炉内部，通过温度传感器采集加热炉内温度数据，并将温度数据传递至温度测量模块；所述输出控制模块连接于电气执行器，采用的是基于时间控制的PID控制算法，算法输入是温度测量模块传入的温差信号，将温差信号转换为控制电动执行器的电流输出；
其中，所述的温度测量模块是根据温度传感器测量出加热炉内温度值ct，以及给定的温度值rt，根据公式et＝rt-ct计算温度差值，并将温度差值送入输出控制模块。
其中所述输出控制模块采用两阶段的控制算法：在当前温度与目标温度值相差大于阈值α时，启用开关控制，即全功率加热；当目标温度与当前值的差值在阈值α以内时，再采用变速积分PID算法进行控制参数的整定。这样可以减少超调量，从而减少控制所需时间。
其中，所述变速积分PID算法分为比例、积分和微分三部分的线性组合，构成PID控制增量：
ΔP(n)＝Kp[e(n)-e(n-1)]+Kif[e(n)]e(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]其中，ΔP(n)为PID控制增量，n为时刻，e(n)、e(n-1)、e(n-2)分别表示时刻n、n-1、n-2的温度差值，Kp表示比例部分(比例增益)，Ki表示积分部分(积分系数)，Kd表示微分部分(微分系数)，f[e(n)]表示与偏差e(n)相关的积分增益系数，P为控制量，e(n)为第n次采样测量值与给定值的偏差。系数f[e(n)]是与偏差e(n)相关的积分增益系数，当偏差e(n)越大时，积分增益系数f[e(n)]减小，反之则越大。这样可以解决超调量与静差之间的矛盾问题，实现当系统偏差大时减小积分项作用以减少振荡，使系统更稳定，当系统偏差小时增大积分项作用加快系统响应，减少超调量。f[e(n)]的设定如下：
其中，A和B分别表示温度阈值，阈值的范围由人工经验判定，根据实际情况的不同而设定不同，一般设置A＝200，B＝300。
本发明的有益效果是：本发明燃烧温度自动控制系统通过温度传感器获取加热炉内温度与给定温度之间的温差，利用两阶段的输出控制对温度实现控制，在当前温度与目标温度值相差大于阈值α时，启用开关控制，即全功率加热；当目标温度与当前值的差值在阈值α以内时，再采用变速积分PID算法实现控制参数整定。该方法不仅有效地避免了数据滞后性导致的复杂参数调节，还有效地减少了能源损耗。
附图说明
图1是本发明铝型材加热炉燃烧温度自动控制系统结构图。
图2是本发明的两阶段输出控制的实现流程图。
图3是本发明的一个实施例提供的电气控制PLC梯形图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行更加详细与完整的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
如图1所示，其为本发明铝棒加热炉燃烧温度自动控制系统的结构图，系统包含燃气管道和空气管道，及设置于空气管道和燃气管道交接处的组合火枪9。燃气管道上设置有手动球阀1，燃气过滤器2，减压阀3，燃气总电磁阀4，点火电磁阀5，大火电磁阀6，空气管道上设置有蝶阀7和电动执行器8，所述点火电磁阀5和大火电磁阀6分别控制两路燃气管道，两路燃气管道自燃气总电磁阀4分开，并于组合火枪处9合并。其中，第一路管道，点火电磁阀5控制那路，用于普通加热，当温度变化不大或者处于恒温加热时，使用这路燃气进行加热。第二路管道，大火电磁阀6控制那路，用于高温加热，这是当需要快速加热时，即温度需要从一个较低的温度变化到较高的温度时，开启这路燃气进行辅助加热。平时只需要使用点火电磁阀控制的第一管路进行供热。这样设置三个电磁阀和两路管道供气结构的目的在于，开始加热时，开启两路管道进行加热，可以实现快速加热的目的(某些材料的性能需要快速加热方可实现)；又保证了当恒温加热阶段时，只开启其中一路管道加热，既保证了燃气不会被浪费，又便于使用PID控制(燃气流量小，控制的波动就小)。
其中，燃气过滤器2用来消除燃气中的杂质，以保护阀门及设备的正常使用。减压阀3是通过调节，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠燃气本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门。手动球阀1用于实现现场手动紧急切断气源，确保用气安全，本发明中的燃气总电磁阀4、点火电磁阀5和大火电磁阀6用于燃气的点火和输送控制。电动执行器8接收来自PLC输出模块的电流信号，蝶阀7和电动执行器8用于空气的输送控制，组合火枪9与燃气管道和空气管道相连。
其中，电气系统包括可编程控制器PLC、温度传感器10，所述温度传感器10为热电偶，所述可编程控制器PLC包含温度测量模块和输出控制模块，温度传感器10连接于加热炉与可编程控制器PLC温度测量模块之间，输出控制模块连接至电气执行器8。
如图2所示，PLC的输出控制模块采用的是两阶段的控制算法，算法输入是温度测量模块传入的温差信号，将温差信号转换为控制电动执行器的电流输出。所述的温度测量模块是根据温度传感器测量出加热炉内温度值ct，以及给定的温度值rt，根据公式et＝rt-ct计算温度差值，并将温度差值送入输出控制模块。
如果当前炉内温度比设定的温度低很多时，在相当长一段时间内，控制增量都为正增量，且该值不断积累增大。只有在炉内温度上升到设定温度以上时，控制增量才变成负值，这正是超调量产生的根本原因所在。为了减小超调量，输出控制模块对温差进行判断：在当前温度与目标温度值相差大于阈值α时，启用开关控制，进行全功率加热，即是开启大火电磁阀，开启另一路管道供气以实现快速加热。当目标温度与当前值的差值在阈值α以内时，再采用变速积分PID算法进行控制参数的整定。这样可以减少超调量，从而减少控制所需时间。
其中，所述变速积分PID算法分为比例、积分和微分三部分的线性组合，构成PID控制增量：
ΔP(n)＝Kp[e(n)-e(n-1)]+Kif[e(n)]e(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]燃烧系统PID参数设定，温度上限530度、下限200度，偏差上限550度、偏差下限180度，输出电流4—20mA，增益设为3，积分时间2秒，微分时间0.5秒。当温度接近设定值530度时，电流输出为4mA执行器开度最少，火最小，这时候系统会不断通过反馈量与设定值进行对比，控制温度在530度左右。系数f[e(n)]是与偏差e(n)相关的积分增益系数，当偏差e(n)越大时，积分增益系数f[e(n)]减小，反之则越大。这样可以解决超调量与静差之间的矛盾问题，实现当系统偏差大时减小积分项作用以减少振荡，使系统更稳定，当系统偏差小时增大积分项作用加快系统响应，减少超调量。f[e(n)]的设定如下：
图3所示是本发明一个实施例的电气控制PLC梯形图，图中展示了可编程控制器PLC的软元件布局、设置以及参数设置相关情况。
上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.铝棒加热炉燃烧温度自动控制系统，其特征在于：包含燃气管道和空气管道，及设置于空气管道和燃气管道交接处的组合火枪；所述燃气管道上设置燃气过滤器，减压阀，燃气总电磁阀，点火电磁阀，大火电磁阀；其中，所述点火电磁阀和大火电磁阀分别控制两路燃气管道，两路燃气管道自燃气总电磁阀分开，并于组合火枪处合并；所述空气管道上设置蝶阀和电动执行器。
2.如权利要求1所述的铝棒加热炉燃烧温度自动控制系统，其特征在于，
还包括可编程控制器PLC、温度传感器；
所述可编程控制器PLC包含温度测量模块和输出控制模块；
所述温度传感器连接于加热炉与温度测量模块之间，输出控制模块连接至电气执行器；
所述温度传感器采集加热炉内温度数据，并将温度数据传递至温度测量模块；
所述输出控制模块连接于电气执行器，所述输出控制模块根据温度测量模块传入的温差信号，将温差信号转换为控制电动执行器的电流输出。
3.如权利要求2所述的铝棒加热炉燃烧温度自动控制系统，其特征在于，所述温度测量模块是根据温度传感器测量出加热炉内温度值ct，以及给定的温度值rt，根据公式et＝rt-ct计算温度差值。
4.如权利要求3所述的铝棒加热炉燃烧温度自动控制系统，其特征在于，所述输出控制模块采用两阶段的控制算法：在当前温度与目标温度值相差大于阈值α时，启用开关控制，即全功率加热；当目标温度与当前值的差值在阈值α以内时，再采用变速积分PID算法进行控制参数的整定。
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