摘要：本文介紹了以單片機為核心的智能溫度控制器和監(jiān)控上位計算機組成的DCS系統(tǒng)在臥式真空爐爐溫自動控制改造中的應用，給出其軟硬件的設計原理和實現(xiàn)方法，以及改造中的技術難點與處理措施。 關鍵詞：DCS系統(tǒng)；PID控制；噪聲屏蔽；比較及配比運算 GUAN Ming Liang,REN Xiao Hong (ZiGong Cemented Carbide Corporation .LTD. ZiGong SiChuan China 643011 minglian@zg163.net) Abstract: This text introduce taking one-chip computer as the core intellectual temperature controller and DCS system which is made up of upper level monitering computer applys to the temperature controlling transform of the horizontal vacuum furnace automatically, provide the design principle of its software and hardware and implementation method , and the technological difficult point and dealing with the measure while transforming . Keywords:DCS system;PID control;Noise shielding;Compare and matching operation 1 前言 自硬公司刀片分廠K88—IIA型臥式真空燒結爐系93年由中南工大粉冶設備公司為其設計的自動爐溫控制系統(tǒng)。限于當時的設備技術條件，主機采用286兼容微機配合該公司自行研制的A/D、D/A板組成的超小型自控裝置，無硬盤。該系統(tǒng)使用至今目前存在以下一些嚴重缺陷∶ 1.1主機使用年限過長，到了老化故障期，故障頻發(fā)，軟驅、彩顯已無法正常使用； 1.2因無可更換的零配件，一旦系統(tǒng)故障將無法修復； 1.3系統(tǒng)軟件存在嚴重的”Y2K”問題； 1.4操作繁瑣，無中文提示，每一帶爐溫的曲線要多次重復輸入，無中文提示，無法實現(xiàn)打印、控制、記錄的協(xié)同操作； 1.5真空度控制、報警功能均已失效； 1.6系統(tǒng)抗干擾能力差，經常死機。 1.7爐體第二帶的溫度始終比一、三帶高出一定的數(shù)值，無法矯正。 為提高產品質量和市場競爭力，嚴格工藝管理，必須整體淘汰原控制系統(tǒng)，代之以新型的流行工控機配合標準的組態(tài)軟件及多輸入輸出溫度智能控制器，實現(xiàn)符合工藝要求和升溫特性的爐溫自動控制 2 系統(tǒng)設計 2.1控制系統(tǒng)硬件設計 根據(jù)工藝技術要求及可靠性、經濟、簡便的原則，系統(tǒng)的控制方案見圖1∶ 2.2根據(jù)控制系統(tǒng)待采集的模擬量和I/O量的量程及極性，確定溫度變送器的選型和配套的過程控制器輸入采集方式，如下所示∶ 輸入輸出信號定義及量程范圍: 2.2.1模擬量輸入： 2.2.1.1爐溫：0―1600℃ 測溫元件：B型雙鉑銠熱電偶 溫度變送器輸出：0―5VDC，共3路 2.2.1.2真空度： 量程：100―105Pa 輸出信號：0―5VDC/1KΩ 2.2.2開關量輸入： 2.2.2.1啟動按鈕：三帶溫度控制器同時啟動運行。 2.2.2.2停電恢復按鈕：當控制器掉電后，重新啟動未完成的程序。 2.2.2.3工藝復原按鈕：清除當前運行的工藝曲線，程序回到初始未投運狀態(tài)。 2.2.2.4冷卻水流量檢測開關： 如冷卻水檢測開關為”O(jiān)FF”狀態(tài)，計算機給出報警信息，同時暫停程序的執(zhí)行，將輸出完全關斷。待故障處理完成后重新按”停電恢復”繼續(xù)執(zhí)行未完成的程序。 2.2.3開關量輸出： 2.2.3.1電鈴：1路，220VAC；繼電器控制。 2.2.3.2爐溫報警信號燈：1路，紅色，24VDC。 2.2.3.3自動狀態(tài)指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.4手動狀態(tài)指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.5真空度上限報警指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.6工藝復原指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.7保溫指示燈∶1路，24VDC。 2.2.3.7缺水報警指示燈∶1路，24VDC。 2.2.4模擬量輸出： 共3路：0―10mADC; 輸出至ZK-200可控硅調壓器作過零觸發(fā)的外部輸入信號。 2.3按以上要求設計出的溫度過程控制器原理框圖如圖2所示： 2.4上位機軟件設計 真空燒結爐計算機控制系統(tǒng)管理軟件運行于PWindows9X平臺，操作界面直觀、友善、方便。只需輕點鼠標，就可完成對真空燒結爐控制器的管理和操作。 上位機軟件主要實現(xiàn)以下功能： 2.4.1實時顯示各真空爐控制器的工況參數(shù)表、運行曲線，各真空爐控制器的運行狀況一目了然。 2.4.2實時監(jiān)測各真空爐的運行參數(shù)，參數(shù)異常時，自動切換到報警畫面。歷史報警記錄保存在計算機上，可供事后的查詢、打印。 2.4.3提供歷史運行曲線的查詢、打印功能。 2.4.4實時棒圖、流程圖形象直觀地顯示真空爐當前的運行參數(shù)。 2.4.5在線讀取、修改真空爐控制器的運行曲線。工藝曲線可保存在計算機中，免去日后的煩瑣錄入。 2.4.6在線讀取、修改真空爐閥門開度等運行參數(shù)。 2.4.7權限管理提供兩極密碼保護功能，防止無關人員使用相關功能。 2.4.8軟件提供有數(shù)據(jù)庫維護功能。 上位機軟件流程圖如圖3所示： 2.5溫度控制器軟件設計 溫度控制器軟件采用8031單片機宏匯編語言編程，調用標準的PID模塊及各種功能函數(shù)模塊 其軟件控制流程圖見圖4。 3 技術難點及解決方案 3.1原系統(tǒng)熱電偶的引線采用非屏蔽電纜。在本次改造中，最初仍沿用原電纜。但實際使用中發(fā)現(xiàn)檢測的溫度信號總在大幅度漂移波動，開始未能找到原因，以為是模塊化溫度變送器不穩(wěn)定，抗干擾能力差的緣故。但后來經用福祿克192型數(shù)字示波器在模塊化溫變的熱電偶輸入端檢查后才發(fā)現(xiàn)加到熱電偶上的干擾信號就達±4mv(B型熱電偶的最大輸入信號才10mv左右)，干擾信號已經達到了測量信號滿量程的40%，這樣的熱電偶采樣引線顯然是無法使用的。后經改用四芯屏蔽電纜作為熱電偶的引線(B型熱電偶不用補償導線)接到溫變的輸入端就解決了該問題。 3.2原設計為三帶溫度分別控制，相互間沒有什么聯(lián)系。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)，由于熱電偶安裝的縱向位置不能完全保證一致，導致一~~三帶的溫度不可能完全一致，中間那一帶(二帶)的溫度始終比一、三帶高10℃左右。且即使中間那帶不加熱仍然高一個固定的溫度。經打開爐體作仔細檢查，才發(fā)現(xiàn)上述原因。考慮到這三帶溫度具有強耦合關系，必須采用某種算法退耦才能解決三帶溫度不一致的問題。后通過修改溫度過程控制器程序，加入了比較及配比運算，才解決了該難題。 具體作法是∶ 在投入自動后計算機就一直檢測一～三帶的爐溫是否一致。在1000℃以下時，當發(fā)現(xiàn)二帶的溫度高于一、三帶中的任何一帶溫度時，二帶立即停止加熱，直到一、三帶的溫度都高于二帶時，二帶才恢復PID調節(jié)；而當溫度高于1000℃時，一～三帶均采用PID調節(jié)，這樣才能保證爐溫能升到預定值同時三帶溫度均勻一致。 4 研制結論及推廣應用方案 4.1以監(jiān)控管理計算機配合過程控制器組成的兩級分布式DCS系統(tǒng)完全符合真空燒結爐的實際情況，能有效地控制爐溫及處理各種異常情況，并具有可靠性高，控制精度高，控制風險分散，操作簡便，投資少，維護方便等多項優(yōu)點。 4.2小型模塊化測溫明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的溫度變送器測溫，具有體積小、功耗低、精度高、響應快、重現(xiàn)性好等多項優(yōu)點，是自硬公司其他溫度測量裝置的理想升級換代品。 4.3計算機自動控溫燒結的產品化學指標與傳統(tǒng)控溫相同，且磁力分布更均勻，能夠完全滿足公司舊式真空燒結爐的改造需求。 4.4由于自硬公司許多刀片產品都須經真空燒結，真空燒結爐較多；本次刀片分廠真空爐計算機自動控溫改造的成功，其控制方案完全可以推廣應用到其他高低溫燒結爐上(現(xiàn)已推廣應用至耐磨零件分廠的專線真空燒結爐上并取得較好效果)，僅稍作控制盤的布局修改及按鈕定義即可。特別是對一些溫度控制范圍要求嚴格，工作環(huán)境惡劣，干擾因素較多的場合，應用計算機自動控溫對傳統(tǒng)的模擬儀表控溫進行改造，更具有投資少，見效快，效益高，產品市場競爭力增強等諸多優(yōu)點。 參考文獻 [1]孫涵芳，徐愛卿. MCS-51/96系列單片機的原理與應用[M]。北京：北京航空航天大學出版社，1988年。