Качество управления технологическим процессом термической обработки во многом определяется алгоритмическим и программным обеспечением. Созданию равномерного температурного поля при термической обработке крупногабаритных изделий способствует многозонная организация нагревателей. В статье рассматривается алгоритмическое и программное обеспечение для управления процессом нагрева, приводится состав программно-аппаратных средств, необходимых для реализации алгоритмов «слабая», «средняя» и «сильная» зона.

Алгоритм «слабая зона», схема которого представлена на рис. 1, предусматривает обработку показаний текущей температуры (T_i) во всех зонах, определение минимальной температуры (T_min). Расчёт управляющего сигнала по каждой зоне выполняется по следующей формуле:

u_i = u_i-1 – K_i (T_i - T_min),

где u_i - значение управляющего воздействия в текущем вычислительном цикле, u_i-1 - значение управляющего воздействия в предыдущем вычислительном цикле, К_i - коэффициент усиления, T_i - текущая температура, T_min - минимальная температура в одной из «n» зон в текущем цикле.

Рис. 1. Алгоритм многозонной интерполяции температуры

Для получения инерционных характеристик объекта управления (времени адаптации, начальной уставки на тиристорный регулятор мощности, настроечные коэффициенты и др.) целесообразно проведение первого процесса в тестовом режиме с участием оператора.

Формулы для расчёта управляющего сигнала в алгоритмах «средняя зона» и «сильная зона» имеют следующий вид:

u_i = u_i-1 ± K_j (T_i - T_s),

u_i = u_i-1 + K_j (T_max - T_i).

где T_s - средняя температура по всем зонам, T_max - максимальная температура в одной из «n» зон в текущем цикле.

Аппаратно-программные средства

Для реализации и исследования алгоритмов управления многозонным нагревом была разработана система управления на базе сети программируемых логических контроллеров семейства DirectLogic и промышленного компьютера (рис. 2). Контроллеры DirectLogic выполнены специально для жёстких промышленных условий эксплуатации (колебания в питающей сети, непрерывный режим работы, мажоритарный режим работы и пр.). RISC-процессор имеет низкое энергопотребление и малое тепловыделение.

Рис. 2. Структура системы управления.

Функции управления распределены между сетью программируемых контроллеров семейства DirectLogic DL-205 и компьютером. Программируемые контроллеры, объединённые в сеть Ethernet, выполняют интерполяционное управление температурой по всем зонам, давлением в рабочем объёме установки; компьютер - терминальную задачу управления (ввод, редактирование и запись программ нагрева, визуализация состояния элементов технологического оборудования, хранение файлов истории технологического процесса, событий и ошибок).

Программное обеспечение контроллера

Управление технологическим процессом осуществляется под управлением собственной операционной системой реального времени контроллеров DirectLogic семейства DL-205. Операционная система надёжно защищена от вирусов, не требует дополнительных оболочек, исключает присутствие сторонних утилит, драйверов и сервисов, обеспечивает надёжное взаимодействие и распределение всех задач. Прикладная программа управления нагревом была разработана средствами языка RLLPLUS на базе стандарта Международной электрической комиссии (МЭК) IЕС 1131-4 с использованием графических средств программного пакета DirectSOFT под Windows 10. Контроллеры семейства DirectLogic имеют признаки сквозного проектирования, объединяющего высоконадежное взаимодействие аппаратно-программных средств от производителей KoyoElectronics, FACTS Engineering, HOST Engineering.

Управление многозонным нагревом

Технологический цикл начинается со стадии «адаптация»: нагреватели всех зон включаются на начальную мощность и некоторое время регулирование не осуществляется. В течение времени адаптации установка прогревается, контроллер – получает информацию от датчиков температуры, рассчитывает первую и вторую производную температуры по времени, рассчитывает инерционные характеристики установки. Попытка управлять скоростью нагрева с начала цикла может привести к автоколебательному процессу. Таким образом, стадия «адаптация» обеспечивает плавный нагрев с заданной скоростью.

Количество зон нагрева может быть практически любым. В качестве примера рассмотрим программное обеспечение для управления нагревом в пяти зонах. Исходные данные: количество зон нагрева - 5, заданная температура – 900°С, скорость нагрева - 200°С/час. Выходы цифроаналогового преобразователя (ЦАП) устанавливаются в зависимости от содержимого ячеек V1600-V1604, Для стадии «адаптация» нагреватели включаются на 15% от максимально возможной мощности, т.е. уставка равна 4095*15/100 - примерно 270 (hex) дискрет.

Величина K270 должна быть предварительно определена в зависимости от заданной скорости нагрева и записана в ячейку V-памяти.

По окончании времени адаптации контроллер каждый технологический цикл рассчитывает текущую скорость нагрева по каждой зоне (разность между текущей температурой в зоне и ее предыдущим значением) и суммирует эти значения:

Для остальных зон необходимо добавить аналогичные ветви. Полученную в ячейке V1572 величину вычитаем из (Vзадан.*5). Результат представляет собой отклонение текущей скорости нагрева от заданной по всем зонам.

Модули аналого-цифрового преобразования контроллера DL-205 позволяют измерять температуру с точностью до десятой доли градуса, значение сохраняется в двоично-десятичном коде. Скорость нагрева измеряется с точностью 0,1°С/минуту. Для корректности вычислений необходимо заданную скорость также сместить на 1 десятичный разряд влево, т.е. умножить на 10:

В зависимости от знака ∆V общая уставка ЦАП будет отличаться от предыдущей на величину K1*∆V (величина ∆V находится в аккумуляторе):

Перед переходом из этой стадии перепишем значения текущих температур в ячейки предыдущих:<

Определение минимального значения температуры по всем зонам осуществляется в стадии S211.

Для тех зон, температура в которых отличается от минимальной не более чем на допустимую величину (один из настроечных параметров), на ЦАП устанавливается значение полученной уставки (ячейка V1577). Для остальных зон уставка уменьшается с коэффициентом К2 (0)

Управление по алгоритму «слабая» зона несколько уменьшает заданную скорость нагрева, но для ряда технологий термической обработки это не является принципиальным; более приоритетно - поддержание равномерной температуры по длине изделия.

После корректирования уставки ЦАП продолжаем цикл регулирования:

По достижении заданного значения температуры или в случае возникновения внештатных ситуаций регулирование прекращается.

Управление нагревом по алгоритму «слабая зона» осуществляется в зависимости от возможностей нагревателей, которые в силу конструктивных и технологических особенностей обеспечивают меньшую скорость нагрева, а мощность, подводимая к остальным нагревателям, ограничивается. По аналогии с этим алгоритмом и при небольших преобразованиях были исследованы алгоритмы «сильной зоны», когда уставки ЦАП увеличиваются для «отстающих» зон, и «средней зоны», когда уставки приводятся к значениям, соответствующим средним показателям. После проведения ряда технологических циклов нагрева было принято решение остановиться на алгоритме «слабая зона», который обеспечил точность регулирования температуры: отклонение по зонам – не более 1…1,7˚С, точность поддержания температуры в зоне – 0,5˚С.

Выводы

Система управления, построенная на базе программируемого логического контроллера семейства DirectLogic и алгоритмов многозонного нагрева, обеспечивает новые технологические возможности термической обработки:

• возможность подготовки управляющей программы нагрева практически с неограниченным количеством технологических участков, каждый из которых включает скорость нагрева, температуру и время выдержки;
• отсутствие перебега температуры при выходе на участок выдержки;
• оперативное редактирование параметров управляющей программы нагрева: температура выдержки, время нагрева, скорость нагрева;
• взаимосвязанное интерполяционное управление нагревом по «n» зонам;
• обработку информации от контрольных термопар, установленных на изделии, для корректирования значений параметров управляющей программы нагрева;
• наличие обратной связи для организации участков выдержки для выравнивания показаний между стационарными и контрольными термопарами.

Таким образом, программно-аппаратные средства системы управления, реализованной на базе программируемых логических контроллеров семейства DirectLogic, открывают широкие возможности по совершенствованию и дальнейшему развитию технологии термической обработки изделий. Взаимосвязанное использование показаний от стационарных и контрольных термопар, алгоритмы выхода на участок выдержки и многозонной интерполяции, использование обратных связей по давлению в рабочей камере позволяют повысить качество управления процессом термической обработки.