Контроль процесса термообработки изделия по циклу «разогрев – выдержка – охлаждение» многофункциональным ПИД-регулятором

В статье описываются особенности управления температурно-временными режимами при термообработке изделий по алгоритму «разогрев – выдержка – охлаждение» с помощью многофункционального ПИД-регулятора МЕТАКОН‑6305 производства НПФ «КонтрАвт».

НПФ «КонтрАвт», г. Нижний Новгород

скачать pdf >>

Постановка задачи

Среди огромного множества технологических процессов термической обработки материалов (изделий) можно выделить два, которые особенно распространены. Это процесс термической выдержки материала (изделия) при определенной температуре заданное время, а также его разновидность – процесс разогрева, выдержки и охлаждения изделия вместе с термическим оборудованием. Графики температуры, характерные для этих двух процессов, показаны на рис. 1 и 2. Термическая выдержка в соответствии с графиком на рис. 1 часто встречается при термообработке металлических изделий в шахтных и камерных печах, при сушке материалов в камерах сушки, при обработке порошковых покрытий в камерах полимеризации, в прессах резинотехнических изделий и т. п. Ярким примером процесса по графику на рис. 2 может служить термообработка металлов в вакуумных печах.

Рис. 1. График температуры непрерывного процесса при многократной загрузке

Рис. 2. График температуры конечного процесса при однократной загрузке

Своеобразие ситуации заключается в том, что, несмотря на очевидные особенности этих процессов, в большинстве случаев как старое, так часто и современное электротермическое оборудование содержит в своем составе системы управления, которые эти особенности не учитывают.

Рассмотрим типичную камерную печь, предназначенную для термической обработки металлических изделий. Система управления построена на регуляторе температуры, который обеспечивает непрерывное поддержание температуры (будем далее называть его «обычным регулятором»). Графики температуры в отсутствие загрузок изделий при использовании позиционного и ПИД-регуляторов показаны на рис. 3. Как видим, графики после выхода на режим после разогрева представляют ровную линию (для позиционного регулятора наблюдаются колебания температуры), и регуляторы, казалось бы, выполняют свою задачу идеально. Видимо, исходя из этих соображений, производители печей и применяют подобные регуляторы.

Рис. 3. Графики температуры позиционного и ПИД-регулятора при непрерывном управлении

Однако посмотрим, как в реальности должен протекать процесс термической обработки в такой пе­чи (рис. 4). На графике можно выделить ряд характерных этапов, на каждом из которых от регулятора требуется наличие специфических функций.

Рис. 4. Основные этапы непрерывного процесса с многократной загрузкой

Этап 1. Предварительный разогрев пе­чи и выход на режим в отсутствие садки (изделий). В принципе с этим прекрасно справляется «обычный регулятор», за исключением одной особенности. Де­ло в том, что процесс разогрева промышленной пе­чи, как правило, весьма долгий, может составлять несколько часов. Если печь включается в начале смены, то это время можно считать потерянным. Очевидно, нужен контроллер температуры, выполняющий функции таймера предварительного пуска, который позволил бы запускать процесс нагрева в нужное время до начала смены. На рис. 4 показан этап работы таймера пуска.

Этап 2. Дверь открыта, осуществляется загрузка пе­чи. На этом этапе открывается дверь пе­чи, что и предопределяет ряд особенностей данного этапа. Открытие двери охлаждает рабочее пространство, и температура пе­чи не соответствует заданному температурному режиму обработки изделия.

Вторая особенность связана с поведением регулятора в охлажденной печи. Охлаждение датчика температуры приведет к то­му, что «обычный регулятор» температуры (да­же если применяется ПИД-алгоритм) установит максимальную мощность нагревателей, что приведет к их перегреву. Это, в свою очередь, может привести и к недопустимому перегреву в объеме пе­чи после закрытия дверцы. Бы­ло бы правильнее на время открытия дверцы фиксировать мощность нагрева на уровне, который был до открытия двери. Еще правильнее бы­ло бы поддерживать мощность на несколько более высоком уровне (но не максимальном), чтобы частично компенсировать охлаждение пе­чи. В этом случае после закрытия двери печь выходила бы на заданный уровень максимально быстро, но при этом без перегрева (как в случае с «обычным регулятором»).

Однако могут быть и другие требования к управлению мощностью нагревателей во время открытия двери. В ря­де случаев нагреватели выполняют в ви­де открытых спиралей. Тогда из соображения безопасности требуется нагреватели обесточивать.

Итак, требуется контроллер температуры, который особенным образом управлял бы мощностью нагревателей при открытой двери. Поскольку эти особенности управления мощностью привязаны к открытию двери, то контроллер должен считывать факт открытия двери с помощью соответствующего сигнала, например, контактного выключателя, прикрепленного к двери. «Обычный регулятор», как правило, да­же не содержит таких входов управления.

Этап 3. Дверь закрыта, выход на температурный режим. Несмотря на то что изделие находится в пе­чи, еще нельзя считать, что оно подвергается термообработке в нужном режиме. Отсчет времени следует начинать только с то­го момента, когда температура выйдет на заданный уровень, точнее, войдет в заданный технологический коридор. В случае с «обычным регулятором» фиксировать этот момент предоставляется термисту. Появление человеческого фактора сразу создает угрозу качественному отсчету времени процесса. Кроме то­го, для то­го чтобы отследить этот момент, термист должен находиться около «обычного регулятора» в режиме ожидания, что резко снижает эффективность использования персонала, особенно если таких печей много.

Конечно, необходим контроллер, который самостоятельно, без участия термиста, фиксировал бы нужный момент и запускал бы таймер выдержки. Как уже отмечалось при описании этапа 2, именно в момент выхода на заданную температуру может произойти нежелательный выброс температуры, который обусловлен перегревом нагревателей при открытой двери и перерегулированием. Перегрев устраняется особым алгоритмом управления мощностью на этапе 2 при открытой двери.

Этап 4. Непосредственно термическая обработка изделия в течение заданного времени выдержки. На этом этапе при использовании «обычного регулятора» на термиста возлагается функция таймера. Он должен постоянно следить за временем и в нужный момент произвести выгрузку изделия. На­до учитывать, что при нормальной организации работ термист обслуживает много печей, в нужный момент он может быть занят другими делами и просто пропустить момент окончания термообработки. А представьте се­бе, как он должен выполнять одновременно функции 5–10 таймеров, запущенных в разное время и отсчитывающих разные временные интервалы. Ситуация может осложняться еще и тем, что термообработка может занимать значительное время и захватывать разные смены. В этом случае функции таймера передаются вместе со сменой другим термистам. Какова же при этом вероятность ошибки? Все это области влияния пресловутого человеческого фактора на качество технологического процесса.

Конечно же, отсчет времени должен взять на се­бя контроллер, а для того чтобы термист не пропустил выгрузку изделия, контроллер должен подать сигнал готовности. В данном примере автоматика не позволяет полностью заменить действия термиста по автоматической выгрузке изделий из-за отсутствия средств выгрузки, но помогает действовать безошибочно и избавляет его от ненужных и непроизводительных усилий по контролю за временем выдержки.

Этап 5. Открытие двери, выгрузка изделия и загрузка следующего. С этого этапа цикл термообработки изделий повторяется.

Описанный процесс термообработки можно назвать непрерывным с многократной циклической загрузкой. В отличие от не­го назовем процесс, показанный на рис. 5, конечным с однократной загрузкой. Есть целый ряд процессов, когда изделие загружается в охлажденную печь и весь цикл разогрева, термообработки, а затем и охлаждения изделие проходит вместе с печью. Ярким примером здесь может служить обработка титана в вакуумной пе­чи с последующим охлаждением. В этом случае производится загрузка изделия в охлажденную печь, затем осуществляется откачка воздуха, нагрев, выдержка и последующее охлаждение до определенного уровня, только после этого можно снять вакуум и открыть дверь. Указанные особенности процесса обусловлены тем, что титан не допускает нагрева в воздушной среде. Поэтому перед нагревом сначала создается вакуум, а на стадии охлаждения сначала должно произойти охлаждение, а затем снимается вакуум. Для ускорения процесса охлаждения в вакуумную печь запускают азот, который забирает на се­бя тепло изделия и увеличивает теплопередачу. В вакууме охлаждение происходит медленно, поскольку оно происходит в основном только за счет излучения. Рассмотрим основные этапы термообработки в этом случае.

Рис. 5. Основные этапы конечного процесса с однократной загрузкой

Этап 1. Дверь открыта, загрузка изделия в охлажденную печь. На этом этапе необходимо только обеспечить отсутствие нагрева.

Этап 2. Дверь закрыта, откачка воздуха до требуемого уровня вакуума. Запускается вакуумный насос, который обычно работает непрерывно в течение всего цикла. Его задача – поддерживать уровень разрежения на уровне не ни­же допустимого. Для контроля вакуума применяются соответствующие измерители с сигнализацией. При достижении заданного уровня вакуума срабатывает компаратор и запускает контроллер температуры.

Этап 3. Стадия разогрева. Как правило, техпроцесс предписывает разогрев с заданной контролируемой скоростью. Нагрев должен происходить настолько медленно, чтобы изделие успевало равномерно прогреваться. Во‑первых, это исключит коробление, а во‑вторых – обеспечит равномерную термообработку при заданной температуре по всему объему изделия. Очевидно, при быстром разогреве внутренние части изделия достигнут требуемой температуры с задержкой, а следовательно, будут подвергаться термообработке недостаточно долго.

Этап 4. Стадия выдержки (собственно термообработка). Здесь также таймер выдержки включается автоматически в тот момент, когда температура в пе­чи войдет в необходимый технологический интервал температур.

Этап 5. Охлаждение. Возможны разные варианты охлаждения. Первый вариант: полное отключение и естественное охлаждение преимущественно за счет излучения. Конвекционное охлаждение и охлаждение за счет теплопередачи здесь сведено к минимуму из-за достаточно высокого разрежения. Второй вариант: плавное охлаждение в течение определенного времени – большего, чем при естественном охлаждении. Контроллер температуры должен в этом случае плавно снижать мощность нагрева.

В каждом из этих двух вариантов подача воздуха в печь возможна только в том случае, если температура в ней опустилась ни­же порогового уровня Т_порог. В контроллере температуры за подачу такого сигнала разрешения (и управления) должен отвечать соответствующий компаратор. Обратим внимание на особенность работы этого компаратора. Де­ло в том, что, как видно из рис. 5, на графике есть две точки, когда должен сработать компаратор: на этапе разогрева и на этапе охлаждения. Но в компараторе контроллера МЕТАКОН‑6305 в этом случае применена функция так называемой отложенной сигнализации, когда компаратор игнорирует первое условие срабатывания после подачи сигнала «Старт», а реагирует только на последующие.

Этап 6. Отключение печи. После охлаждения и запуска воздуха контроллер температуры должен полностью отключить нагреватели.

Многофункциональный ПИД-регулятор МЕТАКОН‑6305

Итак, мы описали два характерных технологических процесса термической обработки материалов. Они обладают рядом схожих этапов. В процессе описания мы пытались сформулировать требования к некоторому контроллеру температуры, который бы управлял температурно-временными режимами этих процессов с учетом всех упомянутых особенностей.

Примером такого контроллера температуры может служить многофункциональный ПИД-регулятор МЕТАКОН‑6305 (рис. 6), предназначенный для решения описанных задач. МЕТАКОН‑6305 относится к разряду конфигурируемых регуляторов, выпускаемых научно-производственной фирмой «КонтрАвт». Такие контроллеры не требуют программирования, а все выполняемые функции и требуемые параметры и характеристики задаются с помощью настройки (конфигурирования) соответствующих параметров.

Рис. 6. Многофункциональный ПИД-регулятор МЕТАКОН‑6305 с таймером выдержки

Укажем более детально те функциональные возможности специализированного контроллера температуры МЕТАКОН‑6305, которые упоминались вы­ше и которые необходимы для полномасштабного управления температурно-временными режимами с алгоритмом «нагрев – выдержка – охлаждение».

Алгоритм регулирования и автонастройка. Контроллер температуры МЕТАКОН‑6305 предназначен для прецизионной термической обработки. Это обеспечивается как высокой точностью измерения с классом точности 0,1, так и точным регулированием температуры за счет применения ПИД-алгоритма управления. Функция автонастройки облегчает настройку параметров ПИД-алгоритма и позволяет получать хорошие результаты да­же персоналу, не имеющему специальной подготовки в области регулирования.

В контроллере формируются два ви­да сигналов управления: дискретный сигнал с широтно-импульсной модуляцией и аналоговый токовый. Кроме режима автоматического регулирования, в контроллере предусмотрен режим ручного управления. Переход между ни­ми осуществляется безударно.

Управление уставками и скоростями нагрева/охлаждения. Наряду с основной уставкой в регуляторе может быть задана дополнительная уставка – предуставка. Переключение с уставки на предуставку может осуществляться внешним сигналом, кнопками с панели прибора или по интерфейсу (рис. 7). Возможность быстрой смены уставки «одним движением пальца» исключает хлопотный и долгий набор нового значения уставки кнопками с панели прибора.

Рис. 7. Управление уставками и скоростями нагрева/охлаждения

Скоростями нагрева/охлаждения можно управлять. Скорости перехода на уставку и на предуставку задаются раздельно и выдерживаются регулятором в процессе работы. Таким образом, контроллер температуры МЕТАКОН‑6305 позволяет не только поддерживать температуру на заданном постоянном уровне, но и управлять ею во времени по линейному закону с заданной скоростью.

Таймер пуска. Контроллер МЕТАКОН‑6305 имеет таймер пуска, который запускает нагрев через заданное время после подачи сигнала «Старт». Функция очень полезна, когда разогрев оборудования занимает много времени и желательно начать его заранее, до выхода персонала на смену.

Таймер выдержки в контроллере МЕТАКОН‑6305 может быть запущен несколькими разными способами:
- безусловный запуск – запуск внешним сигналом (или кнопками с панели прибора, или по интерфейсу) без привязки к измеренной температуре;
- условный запуск – запуск после подачи внешнего сигнала (или с панели прибора, или по интерфейсу) при выполнении заданного условия на измеренную температуру. Ча­ще всего условием запуска считается попадание измеренной температуры в заданный интервал около уставки;
- запуск внутренним компаратором. Несмотря на сходство с предыдущим такой способ дает пользователю новые возможности. Например, для компаратора можно задать режим задержки срабатывания, при котором он срабатывает только, если условие срабатывания компаратора выполняется в течение определенного заданного времени. Тем самым мы исключаем запуск таймера выдержки от случайных кратковременных колебаний температуры.

Таймер готовности. По окончании термической обработки в течение заданного времени выдержки контроллер позволяет управлять некоторыми действиями. В простейшем случае требуется подать сигнал готовности (сигнал окончания термообработки). Сигнал подается таймером готовности, который автоматически запускается по окончании времени выдержки. Вторым наглядным примером использования таймера готовности может служить формирование сигнала включения на заданное время вентилятора в камере полимеризации.

Отсчет времени для всех трех таймеров можно оперативно проконтролировать, при необходимости отсчет можно досрочно завершить кнопками с панели прибора.

Управление внешними сигналами, кнопками с панели прибора, по интерфейсу. При разработке контроллера за основу бы­ла принята следующая концепция: оперативное управление работой контроллера (а значит, и электротермическим оборудованием) должно проводиться с помощью пультовых кнопок на панели шкафа управления, а управление с помощью кнопок, размещенных на передней панели самого прибора, должно быть сведено к минимуму. Во‑первых, пультовые кнопки надежнее, что очень важно в тяжелых промышленных условиях. Во‑вторых, в зависимости от выполняемой задачи пультовые кнопки имеют строго определенное функциональное назначение. Конкретное назначение кнопки может быть указано в ее идентификаторе. Все это упрощает работу операторов.

Вместо пультовых кнопок в качестве источников сигналов управления могут быть использованы дискретные сигналы программируемых контроллеров, концевых выключателей, контактов реле и т. п. Для обработки этих сигналов управления в контроллере предусмотрены четыре дискретных входа: СТАРТ/СТОП, ПУСК ТАЙМЕРА, ПАУЗА, ПРЕДУСТАВКА.

Ретрансляция измеренного сигнала. Если аналоговый токовый сигнал не используется для управления, то он может быть применен для ретрансляции измеренного сигнала на регистрирующие устройства.

Компараторы, отложенная и задержанная сигнализация. Контроль за протеканием процесса осуществляют компараторы-сигнализаторы. Их число в приборе может достигать четырех. Компараторы могут выполнять 16 разновидностей функций. Каждая функция характеризуется определенной зависимостью выходного сигнала от соотношения измеренного сигнала и уставок («Больше», «Меньше», «Попадание в интервал», «Попадание вне интервала»), а также способом задания порогов срабатывания компараторов, в том числе порогов, «скользящих» вдоль изменяющихся уставок. Сигналы компараторов могут быть использованы и для управления вспомогательными устройствами.

Контроль контура управления. В приборе предусмотрены различные варианты функциональной сигнализации. Например, он обнаруживает обрыв в линии связи с датчиком. Кроме то­го, в нем реализован алгоритм контроля обрыва контура управления (LBA). Алгоритм LBA обнаруживает любые нарушения в контуре управления, такие как перегорание ­ТЭНов, неисправность силовых коммутаторов, отсутствие питания в силовой сети, обрыв сигнала управления, размещение датчика температуры за пределами рабочей зо­ны нагрева.

Конфигурирование оперативного ме­ню. Контроллер отличается многофункциональностью и гибкостью, путем конфигурирования его можно настроить на выполнение широкого круга задач. Естественно, при этом перед разработчиками встает непростая задача максимально облегчить работу оператора с прибором. С этой целью во всех новых приборах, разрабатываемых НПФ «КонтрАвт», используется такая возможность, как выбор состава оперативного ме­ню. Де­ло в том, что в зависимости от решаемой задачи оператору необходимо контролировать, а при необходимости и изменять разный набор параметров. Часто состав этого набора определяется не только задачей, но и полномочиями, которые предоставлены оператору. Покажем несколько примеров настройки, ограничиваясь значением только одного параметра, который доступен для просмотра в режиме основной индикации на втором – нижнем – дисплее (на верхнем дисплее всегда отображается измеренное значение). Вариант 1. Оператору важно наблюдать измеренное значение и уставку. Вариант 2. Оператору важно наблюдать измеренное значение и его отклонение от уставки. Вариант 3. Оператору важно наблюдать измеренное значение и его максимальное значение с момента последнего сброса (показания максимального логгера). Вариант 4. Оператору важно наблюдать измеренное значение и оставшееся время выдержки.

Это только часть возможных вариантов, иллюстрирующих возможности по отображению информации в режиме основной индикации. Аналогично де­ло обстоит и с оперативным ме­ню: в его состав можно включить только те параметры и в том порядке, который наиболее часто используется оператором. Кроме то­го, с помощью пароля можно ограничить возможность изменения параметров оперативного меню.

Функция логгера. В контроллере МЕТАКОН‑6305 реализована функция логгера. Прибор фиксирует минимальное и максимальное значения измеренного сигнала за период с момента последнего сброса (рис. 8). Эти значения доступны для просмотра с панели прибора, а также по се­ти RS‑485.

Рис. 8. Логгер фиксирует минимальное и максимальное значение параметра процесса после сброса

Счетчик моточасов. Контроллер фиксирует суммарное время нахождения во включенном состоянии, то есть выполняет функции счетчика моточасов. Это позволяет оценивать время наработки как самого контроллера, так и оборудования, на котором он установлен (естественно, при условии, что питание контроллера и оборудования включается одновременно).

Встроенный источник 24 В. Встроенный источник стабилизированного напряжения 24 В может быть использован для питания датчиков, ре­ле, индикаторов. Наличие такого источника упрощает систему и снижает ее стоимость, особенно когда речь идет о простых системах.

Обмен данными по се­ти RS‑485. Контроллер выполняет роль ведомого устройства (slave) в се­ти RS‑485. Набор параметров, которые доступны для чтения и записи по се­ти RS‑485, составляет так называемую регистровую модель контроллера. В нее входят, например, измеренные значения, значения уставок, состояние дискретных входов, функции компараторов, состояние выхода компаратора и многие другие параметры. Для регистровой модели параметры можно не только считывать, но и устанавливать. Это значит, что по се­ти можно не только собирать данные о процессе и работе контроллера, но и управлять его работой.

Заключение

В данной статье представлен специализированный контроллер, который оптимизирован для управления температурно-временными режимами в электротермическом оборудовании с реализацией алгоритма «разогрев – выдержка – охлаждение». При его разработке бы­ли учтены особенности протекания технологических процессов в реальных промышленных условиях.

Важно отметить, что данный прибор оптимизирован не только с точки зрения выполняемых функций и с учетом особенностей процесса. Он оптимизирует и системное решение. Для то­го чтобы получить законченный шкаф для управления, например, камерой полимеризации порошковой краски, достаточно применить только следующее оборудование:
- конструктивную оболочку – собственно сам шкаф;
- контроллер МЕТАКОН‑6305;
- датчик температуры (термопара и термопреобразователь сопротивления);
- силовой коммутатор – контактный пускатель или тиристорный/симисторный блок;
- автомат защиты;
- пультовые кнопки и индикаторы.

При этом схемотехническое решение получается несложным, соответственно, и монтажные работы будут сведены к минимуму.

Опубликовано в журнале «ИСУП» № 1(121)_2026

А. Г. Костерин, генеральный директор,
НПФ «КонтрАвт», г. Нижний Новгород,
тел.: +7 (831) 260‑1308,
эл. почта: sales@contravt.ru

Иллюстрации предоставлены ООО НПФ «КонтрАвт»