关键词： AI-808智能控制器、热处理工艺

一、前言

某工程公司主要生产液氯钢瓶、液氨贮罐及氮气包等各种三类容器。由于该类容器属于剧毒、高压类容器，其工作压力一般在(2.0~16.0)MPa，因此对热处理的要求也特别高。原有热处理炉的炉膛长12m、宽3.6m、高4m，热处理炉共有14个加热点，即14个燃气喷嘴，左右两侧的下方各均匀地排列7个。另有4个温度检测点。在热处理过程中，工人要密切注视着热处理炉中温度的变化，根据热处理工艺要求及当前温度值的大小，经常调节进气量的大小以达到控制炉温高低的目的。由于热处理炉的容积较大，故热处理炉内各部分的温差也较大。在一次设备的热处理过程中，工人往往要进行数十次进气量的调整。这种控制方法不仅增大了工人的劳动强度，更重要的是热处理炉进气量调节的幅度是工人凭经验来进行控制的，加上温度变化的滞后性较大，常常会因为操作不当而引起炉内各处温差较大或温升速率偏离热处理工艺要求过多(一般要求温升速率为100℃/h)，使得被处理的设备可能会由于“严重网状”而产生裂纹，有时也可能会因为加热不足或过热等现象，使得被处理的设备表现出硬度不足、球化不完全或晶粒粗大、碳化物粗厚等疵病。热处理质量一般需要通过专门的仪器才能得到鉴定，而要对出厂的每一个设备都做这样的鉴定是有一定困难的。所以热处理质量的好坏关系到设备使用的安全性能。为提高热处理过程中的自动化程度，改善热处理效果，保证产品质量，提出了对原有热处理炉进行改造。

二、AI仪表选型及其PID算法介绍

1.仪表选型

        在热处理系统中的温度的控制是通过调节进气电动阀门的开度来实现的，阀门的精确控制对整个系统的控制是非常重要的。在本系统中选用宇电AI-808P人工智能调节器来控制阀门，它的特点是：具备50段程序控制功能，可任意设置给定值升、降温斜率；具有跳转、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具备二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作，进一步提高设备自动化能力；可通过安装外部开关执行程序运行/暂停/停止等操作，以实现连锁、同步启动运行或方便操作；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。能直接控制阀门电机的正、反转，节省伺服放大器。仪表具体型号为：AI-808PAL5L2L2S。

2.AI仪表PID算法介绍

AI系列智能工业调节器中的人工智能控制算法对标准PID算法加以改进和保留，加入模糊控制算法规则，并对给定值的变化加入了前馈调节。在误差大时，运用模糊算法进行调节，以彻底消除PID饱和积分现象。当误差趋小时，采用改进后的PID算法控制输出。其控制参数采用被控对象特征描述方式。一组(MPT)参数即可同时确定PID参数和模糊控制参数。系统具有无超调和高控制精度等特点。针对不稳定的非线形复杂调节对象，表内设有自适应调节规则，可使系统进一步加快响应速度，改善控制品质。针对控制参数较难确定的现实，表内设有自整定专家系统，可使系统的控制参数确定简单，准确度提高，因此，自整定系统的引入，不仅使复杂劳动简化，节约了调试时间，而且提高了控制系统的调节品质。对于许多复杂的调节对象，例如电炉温度控制中的电网电压变化、外界干扰因素和工作环境多变等，针对有严重非线形的控制对象，国外仪表公司也推出了不少对策和方法。例如，日本导电公司生产的仪表中，采用了多组算法；欧陆和欧姆龙仪表中采用了自适应功能；KMM智能调节仪表中采用了折线模块来适应系统的非线性；还有的仪表公司在仪表中采用辩识方法来提高仪表在非线性系统中的调节质量。在AI系列智能工业调节器中，针对有严重中非线性的控制对象，选择了自适应方式来解决。其改进的特点是：当控制偏差大于估计的误差时，自适应系统不是修改MPT参数(国外仪表的自适应功能是修改控制参数)，而是修改输出值来降低误差。虽然修改范围有限，但不会出现将原来正确控制参数改错的现象，使响应速度加快，使控制精度大大提高。

三、热处理炉系统介绍

1.系统结构

为实现对热处理炉进气量的均匀控制，将原来1个点上只有1个喷嘴改成1个点上有3个喷嘴，这样热处理炉由原来的14个喷嘴增加至42个喷嘴。但总的进气量基本保持不变。热处理炉控制系统在工作中视炉内温度的高低来决定打开几个喷嘴。另外，为准确反映炉内温度，温度检测点也由原来的左右各2个变成左右各4个，再加顶部4个，总共有12个温度检测点。

2.系统工作原理

系统除了选用AI-808P仪表控制阀门外，还选用日本三菱公司的FX系列PLC作为逻辑控制。系统人机对话功能通过触摸屏来实现，用来完成给定温度的设定和温度检测点的选择等功能。通过触摸屏可显示炉内任一个温度检测点的温度，系统的控制信号是根据传感器所检测到的温度与AI仪表给定温度比较后进行PID运算输出直接驱动电动调节阀进行控制，当系统检测到温度偏离允许的范围，系统发出声光报警。

四、AI仪表的调试

系统工作前须在仪表上进行阀门定位操作，以保证仪表的输出信号和阀门的开度相对应。具体操作：系统通电后，把仪表输出方式OPT改为7，确认修改后仪表先自动将阀门完全关闭（注意：此时需要由阀门上的限位开关进行定位），测量阀门全关时的阀位信号大小，然后再完全打开，测量阀门全开时阀位信号大小。仪表要求阀门完全关闭时阀位信号为0－1.5V之间，阀门完全打开时阀位反馈信号比阀门完全关闭时信号大1V以上才能满足整定要求。整定完毕后仪表自动把OPT设置为6，如果要控制过程中要限制阀门开度，可利用参数oPL及oPH对阀门位置的上限及下限进行限制。

在阀门定位后，仪表还需要进行PID自整定。系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在最常用值或是中间值上（对于AI-808P仪表，可通过修改当前程序段值来改变给定值以满足要求）。自整定时，仪表执行位式调节，经2－3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。参数CtL及dF的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但dF值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐CtI=0-2，dF=0.3。此外，基于需要学习的原因，自整定结束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得最佳效果。主要参数说明：

HIAL：上限报警。

LOAL：下限报警。

Df：回差（死区、滞环），用于避免因测量输入值波动而产生报警频繁动作。

Ctrl：控制方式，采用AI人工智能调节/PID调节，Ctrl＝1。

M5：保持参数，主要决定调节算法中的积分作用，和PID积分时间类似，M5越小，系统积分作用越强。M5=0时取消积分和AI人工智调节，成为PD调节器。

P：速率参数，与每秒内仪表输出变化100%时测量值时应变化大小成正比，P=1000/每秒测量值的升高单位值（系统以0.1定义为一个单位）。

T：滞后时间，t越小，则比例和积分作用均成正比增强，而微分作用相对减弱，但整体反馈作用增强：反之，t越大，则比例和积分作用均减弱，而微分作用相对增强。

Ctl：输出周期，反映仪表运算调节的快慢。

Sn：输入反馈信号类型。

OPT：输出方式。

CF：系统功能选择，可以选择系统的调节方向。

五、结语

新型热处理炉投入使用后，只需在设备进行热处理前通过触摸屏输入需要的系统升温工艺曲线，系统就能自动地完成整个热处理过程。这不仅大大降低了劳动强度，更重要的是它能使设备的热处理效果更符合热处理工艺的要求，提高了产品质量的可靠性。