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PLC加热炉温度控制学 生 姓 名： 刘勇 学 号： 08302287 专 业 班 级： 385102 指 导 教 师： 姚姣凤 摘 要通过对中型厂子蓄热室加热炉PLC温度控制测试和分析，得到各种设计和算法，了解了钢坯的加热质量和存在问题，区分冷钢坯和热钢坯所需要的温度以及各种所需结果。 钢铁工业是工业领域的基础产业，轧钢生产是钢铁生产过程中的一个重要环节。轧钢生产中燃料消耗以加热炉为主。作为能耗大户的钢铁行业对于节能降耗问题起着举足轻重的作用。这里面占整个冶金行业能耗四分之一强的加热炉工艺设备的节能降耗问题就摆在首当其冲的位置。随着加热炉生产工艺的不断完善和优化以及加热炉生产工业自动化水平的提高和计算机技术应用的不断普及，随着钢铁工业的大型化和自动化技术的发展；深入研究轧钢加热炉加热过程的控制及应用计算机技术实现优化烧钢的计算机控制，不论从轧钢生产过程节能消耗,提高产品质量和产量方面看，还是从轧钢加热炉在钢铁工业生产中的地位看，都是有着十分重要的现实意义。 传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制系统，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保障正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能是使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。这种温度控制系统对改造传统的继电器控制有普遍性意义。关键词：加热炉PLC 温度控制系统 装刚运行目 录摘 要I引 言11 PLC的发展史21.1 PLC的构成21.2 I/O模块21.3电源模块31.4 PLC的特点31.5 PLC的国内外状况41.6 PLC的未来展望52主要控制对象72.1加热炉PLC的控制对象72.2加热炉炉前辊道PLC的控制对象72.3检测元件73加热炉PLC、辊道PLC控制系统软件功能描述83.1装钢机、步进梁、出钢机自动运行流程概述83.2装钢运行8程序流程如图1所示：83.3加热炉温度控制系统基本构成114 PLC控制系统134.1 PLC控制系统的硬件配置134.2流程设计134.3控制算法144.4结束语15结 论16致 谢17引 言加热炉是工业炉窑的一种，作用于金属压力加工前的加热，或成品半成品的热处理炉。本文则是用于轧钢厂里钢坯的加热，钢坯在加热中如果加热不当上下或里外温度不均匀，会导致钢的过热、过烧、粘钢、钢裂纹等。 为研究加热炉的加热过程以及对冷钢热钢不同的温度控制，从而不导致钢的机械性能改变，需要对加热炉温度PLC温度控制系统进行研究，本文将加热炉PLC钢辊道PLC以及PLC控制系统都做了研究，了解了钢的加热要求和确保钢的加热质量目的，为加热炉加热过程和加热期间优化提供数据，实现提高加热质量，降低能耗的目的。加热炉温度控制系统由四部分组成。PLC主控系统，固态继电器，加热炉，温度传感器。 加热炉温度控制实现过程是：首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-300PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。既加热炉温度控制得到实现。其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。1 PLC的发展史PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC 。“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ”1.1 PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 1.2 I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。1.3电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 1.4 PLC的特点1可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.5 PLC的国内外状况在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC. 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。 1.6 PLC的未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 2主要控制对象2.1加热炉PLC的控制对象 每座加热炉设置两台PLC控制器，每个控制器分别控制该加热炉的下述设备：装钢机；步进梁；出钢机；液压站；辊道包括：C辊道_炉后辊道：C1C3辊道，共3组；D辊道_返回辊道：1组； 其它公辅设施； 2.2加热炉炉前辊道PLC的控制对象 加热炉炉前PLC控制范围内的主要设备有：A辊道_板坯库运输辊道：A1A3辊道，共3组；板坯库上料推钢机：2台；B辊道_炉前辊道：B1B5辊道，共5组；E辊道_板坯库运输辊道：E1E3辊道，共3组。F辊道_运输辊道：F1、F2辊道，共组。2.3检测元件 加热炉有冷检、热检、激光检测器、脉冲发生器、位移传感器、主令控制器、接近开关、行程开关等。3加热炉PLC、辊道PLC控制系统软件功能描述3.1装钢机、步进梁、出钢机自动运行流程概述 板坯在炉前辊道定位后，辊道PLC将允许装钢信号发给加热炉PLC。同时把待入炉板坯的有关数据传送给加热炉PLC。装钢机待加热炉内有装钢空位后，即根据计算的装钢行程装钢入炉，板坯进入加热炉后，步进梁作周期性的上升、前进、下降、后退运动，将板坯移至出炉侧。在板坯在出炉激光检测到后，步进梁走完正在运行的步进周期，即停止运动。板坯停留在固定梁上，等待出钢。当L2级计算机或L1级下达“出钢”指令时，出钢机根据计算出的出钢行程，把板坯从炉内送到出炉辊道上。在HMD21或HMD22确认板坯到达出炉辊道时，加热炉PLC将已出炉板坯的数据送交给辊道PLC系统。3.2装钢运行在机旁操作箱选择“机旁”，则操作箱上装钢机操作开关有效。在此方式下，对装钢机平移而言，有快退、慢退、停止、慢进、快进等5种运行方式。对装钢机升降而言，有快降、慢降、停止、慢升、快升等5种运行方式。 在机旁操作箱选择“远控”，则装炉操作室操作台或HMI画面上装钢机升降、平移操作开关有效。在此方式下，对装钢机平移，有快退、慢退、停止、慢进、快进等5种运行方式。对装钢机升降，有快降、慢降、停止、慢升、快升等5种运行方式 在机旁操作箱选择“机旁”，可在操作箱上对装料炉门进行全关、全开操作。当方式选择开关选择NO.1时，为1号炉门单动，当方式选择开关选择NO.2时，为2号炉门单动，当方式选择开关选择“共同”时，为1、2号炉门联动。 在机旁操作箱选择“远控”，可在装炉操作室操作台或HMI画面上对装料炉门进行全关、全开操作。当方式选择开关选择NO.1时，为1号炉门单动，当方式选择开关选择NO.2时，为2号炉门单动，当方式选择开关选择“共同”时，为1、2号炉门联动。 程序流程如图1所示： 装钢有空位自动运行条件满足板坯炉前定位完毕辊道PLC发来允许装钢信号取板坯数据，装钢行程计算装钢机前进，推平板坯。当板坯边缘至装炉辊道中心线750mm时，装钢机停止炉门打开至全开位置是装钢机后退，当托杆前端至板坯边缘250mm时，装钢机停止平移，向上抬升装钢机抬升200mm，托起板坯装钢机前进1 宽度异常板坯测宽否是报警等待下一次装钢信号图1 推钢机自动运行程序流程图装钢机按装钢行程计算值前进到位，延时1s装钢机下降到位装钢机返回，托杆退出炉门后，装料炉门落下装钢机返回原始位置，高速计数器清零图1 装钢自动程序流程图1 装钢行程计算式中： st 为装钢行程；sp为装钢空位；w为板坯宽度；d为板坯间距。(d的值由工艺确定) 装钢行程计算中，以装钢机原始位置，作为计算起点。板坯宽度可按下式计算：式中：pg1：LMD21由OFF变为ON时测得的脉冲发生器计数值。Pg2：LMD21由ON变为OFF时测得的脉冲发生器计数值。k： 1个脉冲对应的位移。 装钢空位是指步进梁上最后进入加热炉的那块板坯尾部距推钢机0位的距离。其计算方法如下式中：sp：装钢空位。 st0：上一次装钢行程。wb：从上次装钢结束到本次装钢开始，步进梁前进的总位移。当sp>sp0时，认为“装钢有空位”，板坯可以入炉，否则装钢机须停在原始位置等待，直到步进梁前进若干长度，腾出空位为止。在决定sp0时，应确保板坯能够全部进入装料门厅，不致有一部分漏在炉门外侧；同时，也不能超过推钢机前后极限的距离。3.3加热炉温度控制系统基本构成加热炉温度控制系统基本构成入图1所示，它由PLC主控系统、移相触发模块整、流器SCR、加热炉、传感器等5个部分组成。该加热炉温度希望稳定在100工作（其它工作温度同样可以照此方法设计）。 图1 加热炉温度控制系统基本组成加热炉温度控制实现过程是：首先传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量，然后 PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理，给移相触发模块，再给三相整流电路（SCR）一个触发脉冲（既控制脉冲），这样通过SCR的输出我 们控制了加热炉电阻丝两端的电压，也既加热炉温度控制得到实现。其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起重要作用。 4 PLC控制系统 4.1 PLC控制系统的硬件配置在加热炉温度控制系统中PLC采用日本三菱公司FX2N，其硬件采用模块化设计，配合了多种特殊功能模块及功能扩展模块，可实现模拟量控制、位置控制等功 能。该系列PLC可靠性高，抗干扰强、配置灵活、性价比高。本温度控制系统中PLC我们选择FX2N-48MR-001型，它与外部设备的连接如图2、表 1所示。 图2 PLCI/O接线图表1 PLC I/O地址分配表4.2流程设计根据加热炉温度控制要求，本系统控制流程图如图3所示。 图3 加热炉控制流程图4.3控制算法 由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性，这使系统控制出现动态误差。为了减小误差提高系统控制精度，采用PID控制算法，另外考虑到系统的控制对象，采用增量型PID算法。V(n)=U(n)-U(n-1) +e(n)-2e(n-1)+e(n-2)>=KPe(n)+e(n)+e(n)-e(n-1)>式中e(n)、e(n-1)、e(n-2)为PID连续三次的偏差输入。e(n)、e(n-1)为系统连续两次执行的误差。KP为比例放大系数T、TI、TD分别为采样周期、积分时间、微分时间。当 加热炉刚启动加热时，由于测到的炉温为常温，sp-pvU为正值且较大，U为PID调节器的输入，此时PID调节器中P起主要作用，使SCR为最大 电压给加热炉加热。当加热炉温度达到100以上时，sp-pvU为负值，经PID调节，使SCR输出电压减小，加热炉温度降低。当温度正好达到 100时，U为零PID不调节，此时SCR输出的电压正好平衡加热炉消耗的热量，系统达到动态平衡。4.4结束语 加热炉温度控制系统采用成熟的PLC技术和电力电子技术，采用软硬件结合，较好的解决了传统加热炉温控系统中出现的问题。针对我国大部分的加热炉用户来说本系统将是一个比较理想的温控系统。结 论(1)加热炉内炉气温度最高，加热炉上下炉温均匀，钢坯出炉时炉温均匀。 (2)钢坯进入加热炉后，根据钢坯热冷度调节炉内温度，不可随意乱调温度。 (3)钢坯长度方向上加热温度比较均匀，温差小于15，加热炉侧墙位置的温度比中心位置温度稍高。 (4)PLC能储存如顺序指令，定时器指令，训数器指令，演算指令，数据控制指令以及通讯指令，并借以控制工业的机械装置及流程。致 谢毕业论文暂告收尾，这也意味着我在西安铁路职业技术学院的三年的学习生活既结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这三年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的。机电一体化是理论界一直探讨的热门话题，老师的谆谆诱导、同学的出谋划策及家长的支持鼓励，是我坚持完成论文的动力源泉。在此，我特别要感谢我的导师姚姣凤老师。从论文的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最终的论文定稿，从内容到格式，从标题到标点，她都费尽心血。没有姚老师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我论文的顺利完成。感谢机电一体化专业的各位同学，与他们的交流使我受益颇多。最后要感谢我的家人以及我的朋友们对我的理解、支持、鼓励和帮助，正是因为有了他们，我所做的一切才更有意义；也正是因为有了他们，我才有了追求进步的勇气和信心。时间的仓促及自身专业水平的不足，整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇论文的老师、同学，多予指正，不胜感激!参 考 文 献1刘日新，刘七新等。大型热轧加热炉内连铸坯加热温度的测试，2张延平，王敏等。大型板坯加热温度均匀性测试于研究。全国能源于热工2008学术年会，2008：231234。3于庆广 .可编程控制器原理及系统设计 2004.4何离庆 .过程控制系统与装置 2005.5史国生电气控制与可编程控制器技术 M北京: 化学工业出版社，20036 张凤珊电气控制及可编程序控制器2版 M北京: 中国轻工业出版社，20037 郁汉琪电气控制与可编程序控制器应用技术 M南京: 东南大学出版社，20038 张万忠可编程控制器应用技术 M北京: 化学工业出版社，20019 王兆义小型可编程控制器实用技术 M北京: 机械工业出版社，200210 三菱微型可编程控制器手册 MMITSUBISHI SOCIO-TECH，200311 吴晓君，杨向明电气控制与可编程控制器应用 M北京: 中国建材工业出版社，200412 李道霖电气控制与PLC原理及应用 M北京: 电子工业出版社，200413 S7-200 CN可编程序控制器手册 M西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2005