CN111485097B - 一种低温热处理炉的温度控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动控制技术领域，公开了一种低温热处理炉的温度控制装置及方法。本温度控制方法是在传统温度控制方法的基础上，增加循环风机频率控制与炉气温度均匀性的控制联锁，实现高控温精度、低温度过冲的要求。且通过降低循环风机频率控制温度波动，亦可实现降低设备能耗的需求。工业控制器根据不同的工艺热处理温度控制循环风机的转速，热处理工艺的温度越高，需要的流场流速越高，控制器提高循环风机转速。当热处理工艺温度较低时，在满足温度场均匀性要求的条件下，控制器自动降低循环风机转速，加大节能的力度。

Description

一种低温热处理炉的温度控制装置及方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，特别涉及一种低温热处理炉温度自动控制装置及方法方法。

背景技术

低温热处理炉多用于金属产品的时效热处理工艺。根据金属材质的不同，需要的时效热处理温度不同。由于时效热处理的温度相对较低，并且产品要求达到较高的温度控制精度和较小的温度过冲量，并且对于一些金属要求的时效热处理保温时间较长(例如7057系铝合金由AQ,W态处理到T6态的保温时间在23到25小时)。对于时效热处理炉的温度控制过程提出了较高的要求。

现阶段国内外高端的低温热处理炉均采用电加热的方式实现。热处理炉内有效工作区域安装温度传感器用于温度的检测，温度信号接到工业控制器中，工业控制器根据当前检测的实际温度和工艺需要加热的设定温度进行智能运算，输出控制信号控制热处理炉加热器的输出功率进行升温控制，降温过程一般通过向炉内充入冷气掺混实现。

在热处理的实际生产过程中发现，对于需要长时间热处理的材料，产品温度到达工艺温度后，在保温后期(一般是产品到温之后5小时，根据热处理产品的不同规格和尺寸时间有所变化)，在加热器不启动的前提下，热处理炉的炉气温度可能逐渐缓慢上升。导致超温的原因是由于炉膛内流场在产品到温后，产品吸收热量减少。即使加热器不工作，气流在炉膛内循环和导流装置摩擦产生热量导致温度升高。通过充入冷气掺混实现降温，引起温度产生较大波动。因此需要在传统温度控制方法的基础上，设计新的炉气温度均匀性控制方法，实现高控温精度、低温度过冲的要求。

现有的解决方案：

对于此种技术问题，在工厂实际运行的热处理炉中有的没有应对处理措施，需要人工停止热处理设备进行强制降温，有的热处理炉的工业控制器会启用降温控制功能(打开进气阀门向炉膛进气)，但是由于低温热处理温度较低，当启动降温控制后，外界空气进入炉膛内部会导致炉膛温度会产生较大的温度波动，影响产品的热处理效果。

炉膛内的温度均匀性是时效热处理炉的重要核心指标。目前主要通过热处理炉结构的优化设计，以及对升温、降温的控制，达到炉气温度均匀性的要求。因开启加热器或充入冷空气掺混控制炉温，难以实现达到较高的温度控制精度和较小的温度过冲量的需求，因此在此基础上需要增加更加精密的控温方法。

发明内容

本发明提出一种低温热处理炉的温度控制装置及方法，解决上述低温热处理炉由于工艺要求长时间保温导致的炉温超温不可控或控制效果不理想的方法，达到理想的温度控制效果。

本发明采取的技术方案一

一种低温热处理炉的温度控制装置，包括：工业控制器、温度传感器、循环风机、变频器、加热器、调功器和冷却阀门；所述工业控制器内设置有PID运算模块和风机转速控制模块；

温度传感器设置在低温热处理炉工作有效区内，温度传感器的温度信号输出端分别与PID运算模块的温度信号输入端、风机转速控制模块的温度信号输入端连接；

循环风机的转速输出端与风机转速控制模块的转速输入端连接，风机转速控制模块的转速控制端与循环风机的转速输入端连接；

所述PID运算模块的功率控制信号输出端与调功器的功率信号输入端连接，所述调功器的功率信号输出端与加热器的功率信号输入端连接；

所述冷却阀门的开关控制输入端与风机转速控制模块的开关控制输出端连接。

本发明技术方案一的特点和进一步改进：

1、所述温度传感器，用于实时检测低温热处理炉的炉内温度；

所述PID运算模块，用于获取所述温度传感器检测到的低温热处理炉的炉内温度；并根据所述炉内温度按照第一预设规则向所述调功器输出对应的输出功率控制信号；

所述第一预设规则预先存储在PID运算模块中，为不同的炉内温度对应的调功器的输出功率控制信号；

所述调功器，用于接收所述PID运算模块输出的所述输出功率控制信号，并根据所述输出功率控制信号向加热器输出对应的加热功率；

所述加热器，用于接收所述调功器发送的所述加热功率，并根据所述加热功率对低温热处理炉的炉内温度进行加热。

2、所述不同的炉内温度对应的调功器的输出功率控制信号，具体为：

当炉内温度大于炉内期望温度时，PID运算模块控制所述调功器的输出功率为零；当炉内温度小于炉内期望温度时，PID运算模块控制的调功器输出功率大小根据炉内期望温度决定，不同的炉内期望温度对应不同的调功器输出功率。

3、所述风机转速控制模块，用于获取温度传感器检测到的低温热处理炉的炉膛温度；并根据所述炉膛温度按照第二预设规则向所述变频器输出对应的风机工作频率控制信号；

所述第二预设规则预先存储在风机转速控制模块中，为不同的炉膛温度对应的变频器输出的风机工作频率控制信号；

所述变频器，用于接收所述风机转速控制模块输出的所述风机工作频率控制信号，并根据所述风机工作频率控制信号向循环风机输出对应的工作频率；

所述循环风机，用于接收所述变频器发送的工作频率，并根据所述工作频率进行工作。

4、所述不同的炉膛温度对应的变频器输出的风机工作频率控制信号，具体为：

当炉膛温度小于或者等于炉膛期望温度时，变频器输出第一风机工作频率控制信号，所述第一风机工作频率控制信号控制循环风机按照初始设定转速进行工作；

当炉膛温度大于炉膛期望温度预设数值时，变频器输出第二风机工作频率控制信号，所述第二风机工作频率控制信号控制循环风机按照设定降频模式工作，所述降频模式包括工作转速和降频下限转速、降频周期和降频速率。

5、当所述调功器的输出功率为零，且循环风机工作在降频下限转速后，所述炉膛温度仍然大于炉膛期望温度时，所述风机转速控制模块控制冷却阀门打开。

本发明技术方案二：

一种低温热处理炉的温度控制方法，用于上述的低温热处理炉的温度控制装置，工业控制器通过温度传感器实时检测炉膛温度和热处理产品的温度，通过内部的PID运算模块完成温度升温控制；在保温后期当炉膛温度有超温趋势时，工业控制器控制变频器降低循环风机转速；并与间断开启冷却阀门相结合，通过双重控制方式实现对低温热处理炉的温度控制。

本发明技术方案二的特点和进一步改进：

1、在温度升温控制过程中，循环风机按照初始设定转速工作，所述初始设定转速按照不同的热处理温度范围进行分段设定，设定包括工作转速和降频下限转速、降频周期和降频速率；

当热处理炉温度在某一温度范围内，风机转速控制模块控制循环风机转速稳定在预先设定好的工作转速；

在保温后期，热处理产品的温度达到工艺温度后，若炉膛温度有超出保温温度上限的趋势时，风机转速控制模块控制循环风机转速按设定的降频速率进行降频，降频持续时长为降频周期；

降频周期结束后再次检测炉膛温度是否超温；

当循环风机转速降频至降频下限转速后仍无法控制温度超温，则风机转速控制模块将循环风机转速稳定在下限转速，并间断开启冷却阀门，通入冷气掺混完成温度控制。

2、一种低温热处理炉的温度控制方法，包括以下步骤：

第一步：，循环风机和加热器启动，低温热处理炉开始工作，工业控制器按照预先设定的循环风机转速和PID运算模块自动计算的输出功率控制低温热处理炉正常工作；

第二步：当低温热处理炉炉膛温度到达预定温度，产品缓慢升温，直到进入保温温度范围；

第三步：PID运算模块检测炉膛温度，当炉膛温度有超温趋势时，检测PID运算模块控制的加热器输出是否为零，若不为零，则通过PID运算模块减小加热器的输出加热功率；若加热器输出加热功率已经为零，等待设定周期；

第四步：设定周期结束后，检测炉膛温度，若炉膛温度稳定，结束本次检测；若炉膛温度仍有超温趋势，进入第五步；

第五步：风机转速控制模块检测循环风机转速是否下降到了预先设定的下限转速值，若已下降到设定的下限转速值，则间断启动冷却阀门进行降温控制；若循环风机转速没有降到降频下限转速，则对循环风机转速进行降频调节，每次降频0.5Hz，设定周期30s；

第六步：设定周期结束之后，再次检测炉膛温度，若炉膛温度稳定，则本次检测结束；若炉膛温度仍有超温趋势，重复第五步直至炉膛温度稳定。

3、炉膛温度是否有超温趋势通过以下方式判定：炉膛实际温度高于设定温度预设数值，则判定具有超温趋势；否则判定没有超温趋势。

将这种温度控制方法应用到低温热处理炉控制系统中，并和控制系统原有的PID算法相结合，使得热处理炉在执行长时间的热处理工艺情况下，整个保温过程的炉气温度控制到达了较好的效果，保温过程的温度波动在±1℃以内，提高了时效热处理炉的温度控制质量。

此种控制方法在工业控制器的内部完成，不用人工干预，减轻了热处理人员的工作量，并且提高了时效热处理产品质量。

附图说明

图1：时效炉温度控制原理图；

图2：温度控制实际生产效果图；

图3：温度控制流程图。

具体实施方式

本温度控制方法是在传统温度控制方法的基础上，增加循环风机频率控制与炉气温度均匀性的控制联锁，实现高控温精度、低温度过冲的要求。且通过降低循环风机频率控制温度波动，亦可实现降低设备能耗的需求。工业控制器根据不同的工艺热处理温度控制循环风机的转速，热处理工艺的温度越高，需要的流场流速越高，控制器提高循环风机转速。当热处理工艺温度较低时，在满足温度场均匀性要求的条件下，控制器自动降低循环风机转速，加大节能的力度。

工业控制器的时效炉温度控制原理图如图1所示。

本发明的采用的技术方案如下：

低温热处理炉的温度控制实施采用工业控制器完成。

热处理炉在工作有效区内部安装热电偶进行温度的检测，热处理炉循环风机电机由变频器驱动。工业控制器控制变频器实现循环风机转速调节。

连接加热器的调功器由工业控制器调节完成功率调节。

工业控制器实时检测炉膛温度和热处理产品的温度，通过内部的PID模块完成温度升温控制。在保温后期当温度有超温趋势时，工业控制器自动降低循环风机转速，通过降低转速和间断开启进气阀的双重控制方式达到较好的温度控制效果。

循环风机的转速控制：

循环风机转速初始设定按照不同的热处理温度范围进行分段设定，设定包括工作转速和降频下限转速(在设备运行过程中，要保证炉膛内部的空气循环，所以要设定循环风机转速的工作下限)。当热处理炉保温设定温度在某一温度范围内，循环风机转速稳定在预先设定好的转速值。在保温后期，当产品的温度基本达到工艺温度后，若炉膛温度有超出保温上限的趋势时，循环风机转速按照预定速率(例：0.5HZ/30秒)进行降频控制，降频周期时间设定，降频幅度设定均可软件调整，由于热处理温度参数本身属于响应时间相对滞后的过程量控制，所以设定时间是降低循环风机转速后等待炉膛温度稳定。为了保证循环风机流场，每段降频控制均设定降频下限，当循环风机频率降低至下限频率后还无法控制温度超温，将循环风机转速稳定在下限转速，再通过间断开启热处理炉的冷却阀门通过冲入冷气掺混完成温度控制。

将这种温度控制方法应用到低温热处理炉控制系统中，并和控制系统原有的PID算法相结合，使得热处理炉在执行长时间的热处理工艺情况下，整个保温过程的炉气温度控制到达了较好的效果，保温过程的温度波动在±1℃以内，提高了时效热处理炉的温度控制质量。

此种控制方法在工业控制器的内部完成，不用人工干预，减轻了热处理人员的工作量，并且提高了时效热处理产品质量。

此种控制方法通过测试，达到了理论预期的效果，效果曲线如图2所示。图2中，①为热处理炉炉气温度曲线；②为热处理炉产品温度曲线；③为循环风机转速曲线；④为循环风机转速降频控制。

温度控制采用工业控制器内部编程完成。温度控制应用控制器内部的PID控制模块和循环风机的转速调节共同对低温热处理炉温度进行控制。循环风机转速控制软件流程图如图3所示：

第一步：工艺启动，循环风机和加热器启动，热处理炉开始工作，工业控制器按照预先给定的循环风机转速和PID模块自动计算的输出功率控制热处理炉正常工作。

第二步：热处理炉炉气到温，产品缓慢升温，直到进入保温温度范围。

第三步：检测炉气超温，当炉气温度有超温趋势时，实际温度高于设定温度一定数值后(例：实际温度-设定温度≥2.0℃)，检测PID控制的加热器输出是否为零，若不为零，则减小PID的输出加热功率。若PID输出加热功率已经为零，等待设定周期(例：1分钟)。这里等待设定周期(1分钟)主要是由于温度控制属于滞后控制，当对加热器功率或循环风机转速进行调节后，需要滞后一段时间温度才会有变化。

第四步：设定周期结束后，检测炉膛温度是否有超温趋势，若炉膛温度稳定，则结束本次检测；若炉膛温度仍有超温趋势，进入第五步；

第五步：判断循环风机转速是否下降到了预先设定的下限转速值，若下降到设定的下限转速值，那么需要间断性的开启进气阀门进行降温控制。若循环风机转速没有降到下限设定值，对循环风机转速进行降频调节。每次降频0.5Hz(频率幅度可调)，计时30秒(降频周期时间可调)；

第五步：计时30秒结束之后，再次检测炉膛温度，若炉膛温度稳定，则本次检测结束；若炉膛温度仍有超温趋势，重复第五步直至炉膛温度稳定。

Claims (6)

1.一种低温热处理炉的温度控制装置，其特征在于，所述装置包括：工业控制器、温度传感器、循环风机、变频器、加热器、调功器和冷却阀门；所述工业控制器内设置有PID运算模块和风机转速控制模块；

温度传感器设置在低温热处理炉工作有效区内，温度传感器的温度信号输出端分别与PID运算模块的温度信号输入端、风机转速控制模块的温度信号输入端连接；

循环风机的转速输出端与风机转速控制模块的转速输入端连接，风机转速控制模块的转速控制端与循环风机的转速输入端连接；所述风机转速控制模块，用于获取温度传感器检测到的低温热处理炉的炉膛温度；并根据所述炉膛温度按照第二预设规则向所述变频器输出对应的风机工作频率控制信号；

所述PID运算模块的功率控制信号输出端与调功器的功率信号输入端连接，所述调功器的功率信号输出端与加热器的功率信号输入端连接；所述PID运算模块，用于获取所述温度传感器检测到的低温热处理炉的炉内温度；并根据所述炉内温度按照第一预设规则向所述调功器输出对应的输出功率控制信号；

所述冷却阀门的开关控制输入端与风机转速控制模块的开关控制输出端连接；

当炉膛温度小于或者等于炉膛期望温度时，变频器输出第一风机工作频率控制信号，所述第一风机工作频率控制信号控制循环风机按照初始设定转速进行工作；

当炉膛温度大于炉膛期望温度预设数值时，变频器输出第二风机工作频率控制信号，所述第二风机工作频率控制信号控制循环风机按照设定降频模式工作，所述降频模式包括工作转速和降频下限转速、降频周期和降频速率；当所述调功器的输出功率为零，且循环风机工作在降频下限转速后，所述炉膛温度仍然大于炉膛期望温度时，所述风机转速控制模块控制冷却阀门打开。

2.根据权利要求1所述的一种低温热处理炉的温度控制装置，其特征在于，所述温度传感器，用于实时检测低温热处理炉的炉内温度；

所述第一预设规则为预先存储在PID运算模块中，不同的炉内温度对应的调功器的输出功率控制信号；

所述调功器，用于接收所述PID运算模块输出的所述输出功率控制信号，并根据所述输出功率控制信号向加热器输出对应的加热功率；

所述加热器，用于接收所述调功器发送的所述加热功率，并根据所述加热功率对低温热处理炉的炉内温度进行加热。

3.根据权利要求2所述的一种低温热处理炉的温度控制装置，其特征在于，所述不同的炉内温度对应的调功器的输出功率控制信号，具体为：

当炉内温度大于炉内期望温度时，PID运算模块控制所述调功器的输出功率为零。

4.根据权利要求1所述的一种低温热处理炉的温度控制装置，其特征在于：

所述第二预设规则为预先存储在风机转速控制模块中，不同的炉膛温度对应的变频器输出的风机工作频率控制信号；

所述变频器，用于接收所述风机转速控制模块输出的所述风机工作频率控制信号，并根据所述风机工作频率控制信号向循环风机输出对应的工作频率；

所述循环风机，用于接收所述变频器发送的工作频率，并根据所述工作频率进行工作。

5.一种低温热处理炉的温度控制方法，用于权利要求1-4中任一项所述的低温热处理炉的温度控制装置，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

第一步：循环风机和加热器启动，低温热处理炉开始工作，工业控制器按照预先设定的循环风机转速和PID运算模块自动计算的输出功率控制低温热处理炉正常工作；

第二步：当低温热处理炉炉膛温度到达预定温度，产品缓慢升温，直到进入保温温度范围；

第三步：PID运算模块检测炉膛温度，当炉膛温度有超温趋势时，检测PID运算模块控制的加热器输出是否为零，若不为零，则通过PID运算模块减小加热器的输出加热功率；若加热器输出加热功率已经为零，等待设定周期；

第四步：设定周期结束后，检测炉膛温度，若炉膛温度稳定，结束本次检测；若炉膛温度仍有超温趋势，进入第五步；

第五步：风机转速控制模块检测循环风机转速是否下降到了预先设定的下限转速值，若已下降到设定的下限转速值，则间断启动冷却阀门进行降温控制；若循环风机转速没有降到降频下限转速，则对循环风机转速进行降频调节，每次降频0.5Hz，设定周期30s；

第六步：设定周期结束之后，再次检测炉膛温度，若炉膛温度稳定，则本次检测结束；若炉膛温度仍有超温趋势，重复第五步直至炉膛温度稳定。

6.根据权利要求5所述的一种低温热处理炉的温度控制方法，其特征在于：炉膛温度是否有超温趋势通过以下方式判定：炉膛实际温度高于设定温度预设数值，则判定具有超温趋势；否则判定没有超温趋势。

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