本發(fā)明涉及一種加工制造業(yè)領(lǐng)域中的控制系統(tǒng)及方法，特別是關(guān)于一種多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

加工制造業(yè)中常使用串聯(lián)的熱風(fēng)循環(huán)爐對(duì)需要在不同溫度下連續(xù)進(jìn)行時(shí)效處理的產(chǎn)品進(jìn)行加工，例如，在不燃級(jí)金屬復(fù)合板的生產(chǎn)過程中，常采用多個(gè)熱風(fēng)循環(huán)爐對(duì)半成品進(jìn)行連續(xù)的烘烤。現(xiàn)有控制方法中，每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐內(nèi)的溫度使用PID等方法進(jìn)行單獨(dú)地控制，這使得每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐內(nèi)的溫度循環(huán)周期無法保證相同，進(jìn)而導(dǎo)致部分產(chǎn)品在加工中同時(shí)經(jīng)歷多臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐的高溫時(shí)間段，而另一部分產(chǎn)品同時(shí)經(jīng)歷多臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐的低溫時(shí)間段，使得串聯(lián)工作的熱風(fēng)循環(huán)爐對(duì)產(chǎn)品的加工總效果在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，降低了產(chǎn)品質(zhì)量，并增加了生產(chǎn)線整體能耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法，用于解決傳統(tǒng)熱風(fēng)循環(huán)爐溫度控制方法溫度循環(huán)周期控制與目標(biāo)溫度控制不可兼得的矛盾，達(dá)到解決多熱風(fēng)循環(huán)爐串聯(lián)加工時(shí)累加加工效果波動(dòng)大的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括工業(yè)控制器、熱傳感器、模擬量變送器和數(shù)字量變送器；需要協(xié)調(diào)控制的每臺(tái)被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上分別安裝有所述熱傳感器、模擬量變送器和數(shù)字量變送器，且每臺(tái)所述被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上安裝的熱傳感器、模擬量變送器和數(shù)字量變送器構(gòu)成一協(xié)調(diào)控制支路，各所述協(xié)調(diào)控制支路通過工業(yè)總線并聯(lián)至所述工業(yè)控制器；所述熱傳感器安裝在所述被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐燃燒器出風(fēng)口處，將測(cè)量到的由燃燒器加熱之后循環(huán)氣體溫度信號(hào)傳輸至所述模擬量變送器；所述模擬量變送器輸入端與所述熱傳感器輸出端連接，將所述熱傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為工業(yè)總線信號(hào)；所述模擬量變送器輸出端通過所述工業(yè)總線與該臺(tái)被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上的所述數(shù)字量變送器輸入端、以及其他所述被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上的模擬量變送器輸出端和數(shù)字量變送器輸入端并聯(lián)后連接至所述工業(yè)控制器，將工業(yè)總線信號(hào)傳輸至所述工業(yè)控制器；所述數(shù)字量變送器輸入端經(jīng)所述工業(yè)總線與所述工業(yè)控制器輸出端連接，所述數(shù)字量變送器將接收到的工業(yè)總線控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐所用燃燒器能識(shí)別的開關(guān)量數(shù)字信號(hào)，以控制燃燒器啟停；所述數(shù)字量變送器輸出端與燃燒器連接。

優(yōu)選地，所述熱傳感器采用熱電偶或熱電阻。

優(yōu)選地，所述工業(yè)控制器通過所述工業(yè)總線與所述數(shù)字量變送器、模擬量變送器連接，能通過所述工業(yè)總線以預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔讀取每臺(tái)所述被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上所述熱傳感器溫度、并控制每臺(tái)所述被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐燃燒器啟停。

一種基于如上述系統(tǒng)的多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于包括以下步驟：1)利用多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采集每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在不同環(huán)境溫度、工作溫度下正常工作時(shí)的輸入輸出曲線；2)根據(jù)輸入輸出曲線建立每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在不同環(huán)境溫度、工作溫度下控制模型；3)根據(jù)步驟2)得到的控制模型建立每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐參數(shù)模型；4)根據(jù)參數(shù)模型設(shè)計(jì)每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐的控制方法；5)測(cè)量被加工產(chǎn)品在多個(gè)熱風(fēng)循環(huán)爐之間運(yùn)輸時(shí)間差；6)根據(jù)步驟4)的控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多熱風(fēng)循環(huán)爐進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

優(yōu)選地，所述步驟2)中，建立每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在不同環(huán)境溫度、工作溫度下控制模型過程如下：利用每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在預(yù)先設(shè)定的環(huán)境溫度T₀與目標(biāo)溫度T_t下以采樣間隔T_s所記錄的熱風(fēng)循環(huán)爐內(nèi)部溫度序列和熱風(fēng)循環(huán)爐燃燒器工作狀態(tài)序列通過求解下式最小值求解等效加熱功率等效散熱系數(shù)和等效延遲系數(shù)

優(yōu)選地，所述步驟3)中，每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐參數(shù)模型建立方法如下：使用單臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在不同環(huán)境溫度T₀與不同目標(biāo)溫度T_t下所計(jì)算的所有等效加熱功率等效散熱系數(shù)計(jì)算其參數(shù)模型系數(shù)a₁、a₂、a₃：

得到單臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐參數(shù)模型

優(yōu)選地，所述步驟4)中，每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐的控制方法包括以下步驟：4.1)在一個(gè)循環(huán)周期開始時(shí)，即燃燒器開始工作時(shí)，以周期T_s開始記錄熱傳感器的輸出溫度{t_i}；4.2)判斷距離循環(huán)開始時(shí)間是否超過沒有超過則返回步驟4.1)；當(dāng)循環(huán)周期開始時(shí)間大于之后，每當(dāng)記錄到一個(gè)新溫度數(shù)據(jù)后，則計(jì)算此時(shí)熱風(fēng)循環(huán)爐等效參數(shù)k、Q；4.3)根據(jù)步驟4.2)計(jì)算得到的熱風(fēng)循環(huán)爐等效參數(shù)k、Q計(jì)算如果此時(shí)關(guān)閉燃燒器，循環(huán)周期結(jié)束時(shí)，整個(gè)周期內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)爐平均溫度4.4)判斷是否高于T_t，如果所得大于T_t則立即關(guān)閉燃燒器，直至下一個(gè)循環(huán)周期開始時(shí)再次開啟燃燒器；否則不動(dòng)作，返回步驟4.1)繼續(xù)下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的溫度采集。

優(yōu)選地，所述步驟4.3)中，整個(gè)周期內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)爐平均溫度計(jì)算方法：

式中，f為預(yù)設(shè)的循環(huán)周期時(shí)間。

優(yōu)選地，所述步驟5)中，分別測(cè)量從串聯(lián)的熱風(fēng)循環(huán)爐最上游的工序開始，被加工產(chǎn)品從第i臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐入口輸送到第i+1臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐入口處的時(shí)間，記做d_i。

優(yōu)選地，所述步驟6)中，利用步驟4)的控制方法對(duì)多熱風(fēng)循環(huán)爐進(jìn)行協(xié)調(diào)控制：6.1)設(shè)定循環(huán)周期f，設(shè)定每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐工作溫度T_t,i，T_t,i表示從串聯(lián)的熱風(fēng)循環(huán)爐最上游的工序開始，第i臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐的目標(biāo)工作溫度；6.2)開啟每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐，使每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐溫度分別升至T_t,i左右；6.3)對(duì)第1臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐啟動(dòng)控制，使用參數(shù)為T_t,1和f；到達(dá)間隔時(shí)間f/2+d₁時(shí)間后，對(duì)第2臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐啟動(dòng)控制，參數(shù)為T_t,2和f；依次類推，直至所有熱風(fēng)循環(huán)爐控制器均啟動(dòng)；其中d₁為被加工產(chǎn)品從第1臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐入口輸送到第2臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐入口處的時(shí)間。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明通過設(shè)置可采集并控制各熱風(fēng)循環(huán)爐工作狀態(tài)的工業(yè)控制器、通過熱風(fēng)循環(huán)爐工作數(shù)據(jù)建立協(xié)調(diào)控制，可解決傳統(tǒng)熱風(fēng)循環(huán)爐溫度控制方法溫度循環(huán)周期控制與目標(biāo)溫度控制不可兼得的矛盾，達(dá)到減小串聯(lián)熱風(fēng)循環(huán)爐加工效果波動(dòng)的效果，使串聯(lián)熱風(fēng)循環(huán)爐加工產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)減小。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的控制系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明采集得到單臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐輸入輸出曲線示意圖；

圖3是本發(fā)明的控制流程示意圖；

圖4a是兩臺(tái)串聯(lián)熱風(fēng)循環(huán)路采用PID控制累加加工效果示意圖；

圖4b是兩臺(tái)串聯(lián)熱風(fēng)循環(huán)爐采用本發(fā)明協(xié)調(diào)控制累加加工效果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其包括工業(yè)控制器、熱傳感器、模擬量變送器和數(shù)字量變送器；需要協(xié)調(diào)控制的每臺(tái)被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上分別安裝有熱傳感器、模擬量變送器和數(shù)字量變送器，且每臺(tái)被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上安裝的熱傳感器、模擬量變送器和數(shù)字量變送器構(gòu)成一協(xié)調(diào)控制支路，各協(xié)調(diào)控制支路通過工業(yè)總線并聯(lián)至工業(yè)控制器；所有被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐串聯(lián)。

熱傳感器安裝在需要協(xié)調(diào)控制的每臺(tái)被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐燃燒器出風(fēng)口處，用于測(cè)量由燃燒器加熱之后循環(huán)氣體的溫度，并將測(cè)量到的溫度信號(hào)傳輸至安裝在該臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)燃燒器上的模擬量變送器。模擬量變送器輸入端與熱傳感器輸出端連接，可將熱傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為工業(yè)總線信號(hào)；模擬量變送器輸出端通過工業(yè)總線與該臺(tái)被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上的數(shù)字量變送器輸入端、以及其他被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上的模擬量變送器輸出端和數(shù)字量變送器輸入端并聯(lián)后連接至工業(yè)控制器，將工業(yè)總線信號(hào)傳輸至工業(yè)控制器。數(shù)字量變送器輸入端經(jīng)工業(yè)總線與工業(yè)控制器輸出端連接，數(shù)字量變送器將接收到的工業(yè)總線控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐所用燃燒器可識(shí)別的開關(guān)量數(shù)字信號(hào)，以控制燃燒器啟停；數(shù)字量變送器輸出端與燃燒器連接。

上述實(shí)施例中，熱傳感器可采用熱電偶或熱電阻。在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，熱傳感器可選用K型熱電偶。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，模擬量變送器可選用研華ADAM-4018，數(shù)字量變送器可選用研華ADAM-4060。

上述各實(shí)施例中，工業(yè)控制器通過工業(yè)總線與數(shù)字量變送器、模擬量變送器連接，可以通過工業(yè)總線以預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔讀取每臺(tái)被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐上熱傳感器溫度、并控制每臺(tái)被控?zé)犸L(fēng)循環(huán)爐燃燒器啟停。在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，工業(yè)控制器可選用研華MIO-2360，工業(yè)總線可選用MODBUS總線。

本發(fā)明基于上述控制系統(tǒng)還提供一種多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制方法，其包括以下步驟：

1)利用多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采集每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在不同環(huán)境溫度、工作溫度下正常工作時(shí)的輸入輸出曲線；

如圖2所示，在本實(shí)施例中，將單臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在PID控制下開啟，設(shè)定目標(biāo)工作溫度T_t＝160攝氏度，記錄環(huán)境溫度T₀＝7攝氏度，當(dāng)多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)測(cè)得熱風(fēng)循環(huán)爐內(nèi)部溫度達(dá)到目標(biāo)工作溫度附近穩(wěn)定循環(huán)時(shí)，使用多熱風(fēng)循環(huán)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以采樣間隔T_s＝1秒時(shí)在環(huán)境溫度T₀與目標(biāo)溫度T_t下記錄熱風(fēng)循環(huán)爐燃燒器工作狀態(tài)序列在環(huán)境溫度T₀與目標(biāo)溫度T_t下記錄熱風(fēng)循環(huán)爐內(nèi)部溫度序列(單位攝氏度)，腳標(biāo)i表示該數(shù)據(jù)點(diǎn)在該組數(shù)據(jù)內(nèi)時(shí)間的序數(shù)，從1至900，本例記錄了900秒。選取不同的T_t、T₀重復(fù)試驗(yàn)，記錄多組熱風(fēng)循環(huán)爐工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。所選取的T₀應(yīng)覆蓋生產(chǎn)環(huán)境溫度變化范圍。所選取的T_t應(yīng)覆蓋目標(biāo)溫度變化范圍。

2)根據(jù)輸入輸出曲線建立每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在不同環(huán)境溫度、工作溫度下控制模型；

3)根據(jù)步驟2)得到的控制模型建立每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐參數(shù)模型；

4)根據(jù)參數(shù)模型設(shè)計(jì)每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐的控制方法；

5)測(cè)量被加工產(chǎn)品在多個(gè)熱風(fēng)循環(huán)爐之間運(yùn)輸時(shí)間差；

分別測(cè)量從串聯(lián)的熱風(fēng)循環(huán)爐最上游的工序開始，被加工產(chǎn)品從第i臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐入口輸送到第i+1臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐入口處的時(shí)間，記做d_i，單位為秒。

6)根據(jù)步驟4)的控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多熱風(fēng)循環(huán)爐進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

上述步驟2)中，建立每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在不同環(huán)境溫度、工作溫度下控制模型過程如下：利用每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在預(yù)先設(shè)定的環(huán)境溫度T₀與目標(biāo)溫度T_t下所記錄的熱風(fēng)循環(huán)爐內(nèi)部溫度序列和熱風(fēng)循環(huán)爐燃燒器工作狀態(tài)序列求解等效加熱功率等效散熱系數(shù)和等效延遲系數(shù)

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，求解過程采用Newton-CG算法(牛頓共軛梯度算法)，求解使得下式達(dá)到最小值時(shí)的

式中n表示數(shù)據(jù)集的元素個(gè)數(shù)；表示：自然底數(shù)e的次方；||·||表示取符號(hào)內(nèi)部向量的二范數(shù)。

如圖2所示，在本實(shí)施例中優(yōu)選n＝900，求解得到Q^160,7＝0.57，k^160,7＝0.0020，秒。

上述步驟3)中，每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐參數(shù)模型建立方法如下：

使用單臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐在不同環(huán)境溫度T₀與不同目標(biāo)溫度T_t下所計(jì)算的所有等效加熱功率等效散熱系數(shù)計(jì)算其參數(shù)模型系數(shù)a₁、a₂、a₃：

得到單臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐參數(shù)模型f(k，Q，T_t|T₀)＝a₁T_t+a₂Q+a₃k-1＝0。

上述步驟4)中，如圖3所示，每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐的控制方法為：

4.1)在一個(gè)循環(huán)周期開始時(shí)，即燃燒器開始工作時(shí)，以周期T_s開始記錄熱傳感器的輸出溫度{t_i}。

4.2)判斷距離循環(huán)開始時(shí)間是否超過沒有超過則返回步驟4.1)；當(dāng)循環(huán)周期開始時(shí)間大于之后，每當(dāng)記錄到一個(gè)新溫度數(shù)據(jù)后，則計(jì)算此時(shí)熱風(fēng)循環(huán)爐等效參數(shù)k、Q。

k使得下式達(dá)到極小值：

以下式求解Q：

式中，目標(biāo)工作溫度T_t為預(yù)先給定，單位攝氏度；m為此時(shí)記錄的最新數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間序數(shù)。

4.3)根據(jù)步驟4.2)計(jì)算得到的熱風(fēng)循環(huán)爐等效參數(shù)k、Q計(jì)算如果此時(shí)關(guān)閉燃燒器，循環(huán)周期結(jié)束時(shí)，整個(gè)周期內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)爐平均溫度

式中，f為預(yù)設(shè)的循環(huán)周期時(shí)間，單位秒。

4.4)判斷是否高于T_t，如果所得大于T_t則立即關(guān)閉燃燒器，直至下一個(gè)循環(huán)周期開始時(shí)再次開啟燃燒器。否則不動(dòng)作，返回步驟4.1)繼續(xù)下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的溫度采集。

上述步驟6)中，利用步驟4)的控制方法對(duì)多熱風(fēng)循環(huán)爐進(jìn)行協(xié)調(diào)控制：

6.1)設(shè)定循環(huán)周期f(單位秒)，設(shè)定每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐工作溫度T_t,i(T_t,i表示從串聯(lián)的熱風(fēng)循環(huán)爐最上游的工序開始，第i臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐的目標(biāo)工作溫度，單位攝氏度)。

6.2)開啟每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐，使每臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐溫度分別升至T_t,i左右。

6.3)對(duì)第1臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐啟動(dòng)控制，使用參數(shù)為T_t,1和f；到達(dá)間隔時(shí)間f/2+d₁時(shí)間后，對(duì)第2臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐啟動(dòng)控制，參數(shù)為T_t,2和f。依次類推，直至所有熱風(fēng)循環(huán)爐控制器均啟動(dòng)；其中d₁為被加工產(chǎn)品從第1臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐入口輸送到第2臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐入口處的時(shí)間，單位為秒。

綜上所述，在本實(shí)施例中，總共有兩臺(tái)串聯(lián)的熱風(fēng)循環(huán)爐，這兩臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐由于微小的制造差異，使得當(dāng)執(zhí)行PID控制時(shí)，兩臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐溫度循環(huán)周期有微小的差異，這導(dǎo)致它們的加工效果之和在更長的時(shí)間尺度上形成較大波動(dòng)(如圖4a所示)。而使用協(xié)調(diào)控制后，兩臺(tái)熱風(fēng)循環(huán)爐溫度循環(huán)周期嚴(yán)格相等，它們的加工效果之和的波動(dòng)顯著低于使用PID控制時(shí)的情況(如圖4b所示)。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，各步驟及各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別步驟或個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。