应用S7-300 PLC进行罩式炉控制系统的设计与分析

3 PID限幅温度控制

罩式炉热处理过程中，温度的控制关系到产品的质量。温度过低，达不到退火的预期目的；温度过高将导致过热，甚至过烧。本炉温度控制系统采用西门子公司Step7 V5.2设计完成，应用经典PID控制算法，考虑到加热保温段易产生超调，根据实际经验，对PID输出分3级限幅：过程值超过设定值8℃时，输出最高限幅设为20%;过程值超过设定值4℃时，输出最高限幅设为50%;过程值低于设定值5℃时，输出最高限幅设为80%，最小限幅均设为20%。如果要进一步提高控制精度，可进一步细化分级，具体限幅形式及限幅值的设定，在系统调试时，可根据实际情况自行设定和实时修改。同时在上位机监视界面，可进行系统的手自动模式切换、PID参数整定等。PID程序的输出是送到脉冲控制器用以分频的最终值，本炉采用脉冲控制方式控制各烧嘴的工作状态。

4 脉冲燃烧控制

4.1 原理分析

在工业炉窑的燃烧控制系统中，对烧嘴的控制一般有两种方式，即连续控制及脉冲控制。在连续燃烧控制方式下，烧嘴的供热量连续可调，各烧嘴处于相同的燃烧状态，即大火或小火，炉内热气流直接上行。采用该控制方式，被加热件表面容易受热不均，加热效率也不高。在脉冲燃烧控制方式下，相对的一对烧嘴的工作状态正好相反，一台烧嘴为大火时，另一台为小火，可使热气流环形上行，在炉内形成均匀的热力场，这样工件受热均匀，加热效率也大为提高。

本炉燃烧控制系统采用脉冲控制方式，从本质上讲，脉冲燃烧控制是通过改变烧嘴的启、停时间及各个烧嘴的工作时序完成的。本炉每个炉罩设有9个烧嘴，各烧嘴只工作在开/关两种状态下，系统调试时，先根据对烧嘴的功率、混合比、喷出速度等要求将烧嘴一次性调至最佳状态，这样烧嘴每次启动，都处于最佳工作状态，这对于提高燃烧效率，降低排放物污染水平都具有明显效果。系统运行时，9个烧嘴根据程序输出控制信号分时启动，每个烧嘴的工作时间是一定的，当供热量为100%时，每个烧嘴都处于连续工作状态，当供热量降低为50% 、25% 、12.5% 时，各个烧嘴的停止时间也相应延长。图3为1个炉罩上9个烧嘴的工作时序图，限于空间只给出控制值为100%和5o%时9个烧嘴的启动时序。通过此方法可线性地调节烧嘴的供热量，从而调节炉子温度。

脉冲燃烧系统具有很多优点：由于每个烧嘴启动时都处于其最佳工作状态，因而热效率、能耗、排放物的指标都可大幅度提高；通过高速烧嘴产生的热气流，并使多个烧嘴配合工作，可在炉内产生分布比较均匀的温度场，提高被处理工件的加热质量与温度均匀性；最后，如果选择或设计分辨率较高的控制器并配合适当功率的烧嘴，可使系统获得很高的控制线性度。

4.2 程控脉冲分频器

在脉冲燃烧控制的应用中，大都采用硬件脉冲分频设备对输出控制值OUT进行分频，给出各烧嘴的控制信号，该方法费用较高。本炉结合自身特点，应用step7 V5.2软件开发程控脉冲分频器，即通过PLC程序实现硬件分频器的功能。

程序设计中，先对输出OUT进行整理，即根据输出值大小判断是加热还是冷却，同时计算出用于操作的控制值；输人脉宽时间，即各烧嘴启动后的工作时间，该时间可在上位机监控画面根据实际控制需要手动输人和调整；脉冲工作时间循环，根据烧嘴个数，设置多个定时器，并设定其工作时间，以控制各烧嘴的启动时序；对分频数进行限位；计算等待时间，即各烧嘴的延时启动时间；等待循环，确定各烧嘴的等待时间及时序；最后根据最终操作数确定烧嘴工作方式。上述流程如图4所示。