标题远红外自动干燥控温设备的应用AI调节仪表

厦门宇电自动化科技有限公司   开发部  邵平 
关键词：远红外、燃气加热、电磁阀、控温仪

一、概述
    自动干燥设备加热的技术。每一个温度区用AI程序型调节器PID控制调功移项控制远红外辐射元件，加热炉的电源接通后就开始升温。采用移项调功既能延长远红外辐射元件的使用时间，又使加热炉的温度恒温。
    近年来，已广泛地应用到各个生产领域。使用的能源有燃气、电能。以远红外加热为例是以射线形式将热能从辐射源直接传递给被加热物体的，其热能利用率高。使用远红外加热技术干燥薄型技术广泛应用烘干粮食、茶叶、木材、牧草污泥、酒糟、骨粉、生物肥有机肥、食盐、/血粉、湿物料、粮食、油料、食品、红枣、辣椒、蔬菜、荞麦、豆食等农作物有机原料的快速干燥机。
1．炉体的构造
    使用的远红外加热器， 主要是对各类物料进行干燥， 所以采用长方形炉体结构，整个炉体分为三小加热区（见图1）。从进料入口方向起：第一段为预热低温区，主要作用是对干燥烘道进行初步加热；然后进入第二段高温区， 该段是物料的主要干燥区；物料干燥后，进入第三段保温低温区，然后由出料口送出。
    由上述方案可见， 加热炉靠近进料口和出料口两端的两个加热区温度较低，使用的远红外辐射元件可以少一点，功率也可小一点。而加热炉的中段区，是加热炉的主要干燥区，要求温度较高，使用的远红外辐射元件多、功率大。                      

 
2．工作原理
    远红外热炉为了保证干燥质量，整个远红外热炉的温度控制使用自动控温的方法。在加热炉的三个温度区分别各装置了三个远红外辐射元件。每一个温度区用AI程序型调节器PID控制调功移项控制远红外辐射元件，加热炉的电源接通后就开始升温。采用移项调功既能延长远红外辐射元件的使用时间，又使加热炉的温度恒温。

二、控制设备的选择：
    先进仪表的选择：系统中我们采用了先进的AI人工智能调节器。AI调节器是控温系统的核心部分，AI仪表首创性地采用了平台概念，将非常专业化的数字调节仪表转为平台化设计的产品，采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。    

    自整定方法简单应用方便：由于自整定执行时采用位式调节，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。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。
    在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能，及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。
    控制系统我们采用了 宇电AI-808PAI5X3L2L2S4温控表：AI－808P程序型仪表用于需要按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合。它具有强大的编程及操作能力，可进一步提高控制设备的自动化程度。它具备30段程序编排功能，可设置任意大小的给定值升/降斜率；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。

1、功能及概念：    

程序段：段号可从1－30，当前段（STEP）表示目前正在执行的段。    

设定时间：指程序段设定运行的总时间，单位是min，有效数值从1－9999。    

运行时间：指当前段已运行时间，当运行时间达到设置时间时，程序自动跳下一段运行。    

跳转：程序段可编程为自动跳转到1－30段中的任意段执行，可实现循环控制。通过修改STEP的数值也可实现跳转。     

运行/暂停（run/HoLd）：程序在运行状态时，计时，给定值按预先编排的程序曲线变化。程序在暂停状态下，停止计时，给定值保持不变。仪表能在程序段中编入暂停操作，也可由人随时执行暂停/运行操作。暂停状态下仪表仍然保持调节功能。

停止（stoP）：执行停止操作，将使程序停止运行，此时运行时间被清0，事件输出开关复位，并且停止控制输出。在停止状态下执行运行操作，则仪表将从STEP设置的段号启动运行程序。可在程序段中编入自动停止的功能，并同时对运行段号STEP值进行设置。也可人为随时执行停止操作（执行后STEP被设置为1，不过用户可再进行修改）。     

事件输出：由程序编排发生。可在程序运行中控制2路报警开关动作，以方便控制各种外部设备同步或连锁工作。    

停电/开机事件：指仪表接通电源或在运行中意外停电，可提供多种处理方案供用户选择。用户可以通过设置仪表的参数（run）设置仪表重新上电后的运行状态。    

准备（rdy）/测量值启动功能：在启动运行程序由于炉体的温度和仪表设置的初始温度之间有偏差，并且其差值大于正（或负）偏差报警值（dHAL及dLAL）时，仪表并不立即进行正（或负）偏差报警，而是先将测量值调节到其误差小于偏差报警值，此时程序也暂停计时，也不输出偏差报警信号，直到正、负偏差符合要求后才再启动程序。准备/测量值启动功能用于设置无法预知升／降温时间的段也十分有用。要允许或取消准备/测量值启动功能，可在run参数中进行设置。准备/测量值启动功能可保证了运行整条程序曲线的完整性，准备/测量值启动功能用于解决启动运行时测量值与给定值不一致而对程序运行产生的不确定性，以获得高效率、完整并符合用户要求程序运行结果。

程序曲线的设置编排：程序表调节器可用于按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合。程序是按【温度－时间－温度】的格式来程序升温，具有50段程序编程功能，可设置任意大小的给定值升、降斜率；具有跳转（目标段只限于前30段）、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；具有二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作如：警灯、风机、报警，进一步提高设备自动化能力；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。

程序仪表自整定时把第一段程序设置为常用温度或最高温度启动自整定，此时时间停止运行。
2、参数设置：
    根据系统的要求我们可以选用各种仪表类型如AI-808PAI5X3L1L1S4+AIJK3，利用AI-808P的主输出作为AIJK6的控制信号，来控制加热输出，AI-808P智能调节器增加了30段时间程序控制功能，前30段可编程为自动跳转执行,实现循环控制,采用先进的模块化设计，具备5个功能模块插座：辅助输入、主输出、报警、辅助输出及通讯，
仪表的输入方式可自由设置为热电偶、热电阻和线性电流（电压），具体模块功能如下；
    I5：外部开关量输入，控制仪表程序的起停；
    X3：光电隔离高精度线性电流输出；
    S4：自带隔离电源的光电隔离RS485通讯接口模块；
    L2：继电器触点开关输出模块；
    AIJK6系列是应用了单片机技术的智能化三相移相触发及周波过零两用触发器，功能强大且可靠性高，能适应各种电阻丝、硅碳棒及负载采用变压器降压的硅钼棒、钨丝等到各种类型工业电炉，也可用于电机软启动的控制，其主要特点包括：
0-20mA（0-5V）/4-20mA（1-5V）信号兼容输入；
缺相检测、过流检测及报警功能；AIJK6还具备可控硅击穿及负载开路检测功能；
自动同步功能，连接可控硅触发线时不需要对相序；AIJK6甚到不需要对极性；
采用光电隔离及“烧不坏”技术，可靠性非常高，对输入端造成干扰小；
电流反馈或延迟时间可调的软启动/软停止功能，可适应硅钼棒、钨丝、电动机及感性负载；
内含开关电源，可直接220VAC电源供电，并具备5V及24V两组直流电源输出；
    仪表的调节功能采用先进的AI人工智能PID调节算法。AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。改进后的PID参数是采用宇电特有的M 5、P、t等控制参数来表示的。
    调试方式：电热鼓风干燥箱控制仪表AI-808PX3L1L1S4增强型智能调节器 ，三相过零触发控制。
    模块X3三相移项触发、模块L1开关量报警输出、模块S4通讯RS485通讯参数 

3、调试方式：
    参数设定后首先要自整定。AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。
    AI系列调节仪表还具备参数自整定功能，AI人工智能调节方式初次使用时，可启动自整定功能来协助确定M 5、P、t等控制参数。初次启动自整定时，可将仪表切换到显示状态①是PV测量值SV给定值的状态下，按住半园弧键并保持约2秒钟，此时仪表下显示器将闪动显示“At”字样，表明仪表已进入自整定状态。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。如果在自整定过程中要提前放弃自整定，可再按住半园弧键并保持约2秒钟，使仪表下显示器停止闪动“At”字样即可。视不同系统，自整定需要的时间可从数秒至数小时不等。仪表在自整定成功结束后，会将参数CtrL设置为3（出厂时为1）或4，这样今后无法从面板再按住键启动自整定，可以避免人为的误操作再次启动自整定。已启动过一次自整定功能的仪表如果今后还要启动自整定时，可以用将参数CtrL设置为2的方法进行启动。具体的操作要参考说明书。

 
    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-708P/808P程序型仪表，可通过修改当前程序段值来改变给定值以满足要求），如果系统是保温性能好的电炉，给定值应设置在系统使用的最大值上，再执行启动自整定的操作功能。参数CtI（控制周期）及dF（回差）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=2.0。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。
    在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。
4、程序曲线的编排：
    程序表调节器可用于按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合。具有50段程序编程功能，可设置任意大小的给定值升、降斜率；具有跳转（目标段只限于前30段）、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；具有二路事件输出功能。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；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。
    程序编排统一采用温度－时间－温度格式，其定义是，从当前段设置温度，经过该段设置的时间到达下一温度。温度设置值的单位都是℃，而时间值的单位都是分钟。
    下例为一个包含线性升温、恒温、线性降温、跳转循环、准备、暂停及事件输出6段程序例子。
第1段 C 01=100 t 01=30 ；100℃起开始线性升温，升温时间为30分钟
第2段 C 02=400 t 02=60 ；升温至400℃，升温斜率为10℃/分。恒温时间为60分
第3段 C 03=400 t 03=120 ；降温段，降温时间为120分，降温斜率为2℃/分。
第4段 C 04=160 t 04=-35 ；降温至160℃后，接通报警开关1，并且跳往第5段执行。
第5段 C 05=160 t 05=0 ；进入暂停状态，需操作人员执行运行操作才能继续运行至第6段。
第6段 C 06=160 t 06=-151  ；关闭报警开关1，并且跳往第1段执行，从头循环。
    采用温度－时间编程方法的优点是升温、降温的斜率设置的范围非常宽。升温及恒温段具有统一的设置格式，方便学习。设置曲线更灵活，可以设置连续设置升温段（如用不同斜率的升温段近似实现函数升温），或连续的恒温段。

三、分体式无纸记录仪功能
    远红外自动干燥设备在应用中，将采用AI－2070C分体式无纸记录仪 来记录数据。主要功能为：丰富的显示画面；强大的设置功能；完善的流量处理；实用的U盘记录功能；方便的数据统计功能；灵活的报警功能；可靠的通讯功能；
    数据记录功能发展很快，从有纸记录到无纸记录；无纸记录模拟量输入到数字无纸记录仪；由于自动干燥设备是采用通讯功能的数字调节仪表来控制电炉可控硅，就实时记录自动干燥设备控温曲线。
    控制柜安装数字式AI-2070无纸记录仪，通过RS485通讯接口，采用上下位机的方式，能方便地与AI智能程序型PID温度调节器配合使用。
    在远红外自动干燥设备控温时在触摸屏上可设置程序曲线。显示双曲线运行图、可即时设置、读取，上下传升温、恒温、降温程序配方。
    在屏上控制操作程序仪表【启动】【停止】【暂停】、在运行状态下切换【手动/自动】状态，手动控制输出量；即时修改【段号】，指

定运行段；
    用多曲线的形式来直观的显示U盘记录中的数据，显示该时间段内相关通道间被测量的变化关系。按通道顺序排列1、2、3、4固定组合在一起的通道组合，对于需要比较关键参数通道可将仪表地址编排在同一组显示趋势曲线，这样就更好的进行比较分析工艺参数的对象变化。可选择启用单条或4条曲线显示趋势变化；查询历史数据设置起始时间及时间跨度；设置数据范围使曲线显示在图表中央，不同的数据范围启用单条查询。历史画面的功能画面右下角 点击【查询】，触摸屏显示是当前的起始时间：年/月/日/时/分/秒；修改时间跨度：时/分/秒设置；点击【确认】按钮，系统即刻显示历史曲线、数据报表；报警报表。
    在数据记录仪中，即可以根据客户的实际需要，设置数据的采样时间，存储间隔以及是否保存记录，是否立即保存数据到U盘等功能，来满足不同的需求。（1）采样时间默认为6秒，用户可以设定的范围是：6秒~3600秒；（2）内存转U盘存储间隔默认为60分钟，用户可以设定的范围是：60分~300分；（3）如果用户需要马上取走在记录仪内存中存储的数据，可以点击“立即保存”的按钮，这样已采集数据就马上存储到CF中了。
    数据记录是采用的外插U盘来保存数据；标配2G的电子硬盘。U盘保存数据的数据报警报表可在PC上直接打开采用Excel电子表格打开CSV格式的数据文件，或用微型打印机把报表打印出来。，
    AI－2070C分体式无纸记录仪配备微型打印机追忆记录的温度曲线数据。数据报表的打印。在触摸屏上直接点击打印按钮可打印历史数据、曲线。对数据曲线查询打印。

四、结束语
    远红外加热炉安装完工并进行调试后投入了运行。从使用情况看，应用AI程序型调节器控制效果良好。由于采用移项控制远红外辐射元件，使远红外辐射元件使用时间延长，使操作简单、无纸记录仪数据记录完整管理方便。