真空退火炉PLC自动控制系统项目设计方案

1 真空退火炉 目设计方案 第一章 绪论 题背景及研究意义 公司 从事的是钛、锆、 铪的结晶冶炼和丝材的拉制生产的。为了消除丝材拉制过程中产生的内应力，对丝材进行真空退火处理是非常必要的。而 采用 现了公司真空退火炉的自动化 这样 不仅可以 实现对真空退火炉的精准控制 还可以避开用电高峰让机器晚上自行完成退火任务， 既节 省能源 又能 减少人力 创造 一定的 效益。而且 如果产品的生产工艺改变了， 只要改变程序 可以继续很好地控制机器完成退火任务。 又因为就算在生产 环境 不好的情况 下 ， 是能够很好地 运行 ,所以 适应能力是毋庸置疑的 。 独立完成很多功能，像 定时、计数、逻辑运算等 等它都能完美完成 ,而且 它还能对 算术 进行 运算 ， 开关量 进行 处理 ,模拟量 进行 控制 ,为了完成分层控制， 还 能够 与 电脑行 成网络 控制系统。由于 态较 小 ,构造紧密 ,、 轻 便、程序设计用时较少 ,装配与 维 修简单容易实施 ,有了这些优点再加上诊断功能 ,它的可信赖程度 非常高。 所以 ,在传统的工业 改造与 小型 电子技术 创新 的 进程里 ,以前大家用的 继电器控制系统 ,大部分现在都被 此 有很深的潜力 ,硬件标准化 ,并 通过各种软件程序来满足不同用户的控制要求。它是 实现 系统控制的 关键部位 ,多数工程师 都很 信赖它 , 愈来愈多 的工业生产 问 题 因为它得到了 解决了。 过了这么长时间 ,自动化工业控制的 核心装置 ,并且对各种自动控制设备提供了可靠的控制应用。 所以能 成长成现在这个样子 ,是因为它 能够实现 安全可 信 的自动化控制和 提供 更 好 的 处理方法 ,可以用来满足当代的 工业 和厂家 的自动化 生产需 求 。 把 真空热处理方法 的 术用在生产上 ,一定能够让生产出来的产品具有更良好的性能 。 内外研究现状和发展 当今时代 工业技术的 飞速 发展 ，国内外 都 对产品的规格进行了 严格要求 ， 另一方面 生产 量又 在不断增加， 为了 保证 通过真空 退火 处理过的 产品的组织结构和机械性能符合 对 产品的 标准要求 。 在 不仅在 提高真空退火炉性能的情况下， 还能 降低能耗 这个技术难题 引起了国内外业界 的 广泛关注。 在最近的 三百 年来，一些发达国家从 真空退火 炉 的 热源、 设备 结构、 2 炉温 控制系统和退火工艺等 各个 方面进行了 认真 的研究 。而且还 开发出了 许许多多的 新 型 产品， 像 流风机、高温 轴 、加热元件等 等很多 。 这些创新 在提高 退火炉 加热速度， 退火炉 温度的 均匀性， 提升 退火产品质量，降低 电 能 消耗 耗， 总之就是在 退火炉的综 合技术性能上 实现了新的突破 。在 我国 ，退火炉平均热效率为 百分之五十八 ， 一些 发达国家 比我国在这个项上要高出 百分之八十 左右 。钢退火炉的容量一般为 10吨 到 40 吨 不等 。通常 情况下 ， 1千吨钢年生产需要配备 15 到 20台 退火炉。用能 方式有 电，柴油，煤气。间歇式和连续型 退火炉 ，在带、板、箔的生产过程中是不可缺少的 机器 ，而控制 则 是 实现 退火的 重要条件之一 ，高强度的铝合金管 、 棒型材生产也需要退火 这个工艺 。在 1998 年，八百多台 国内退火炉，包括现代空气循环炉 的一百八十多台 ， 80%的退火炉 集中在钢铁企业。 而在 1985年， 世界上 还 不会建立连续退火炉气垫， 可能是因为投资较大的原因。而现在 大批量退火炉在技术上 的创新开发 ， 已经完全 可以充分满足生产要求，而且 每吨 产品 所消耗得能亮 也 会 低 很多 。因此，退火炉具有良好的发展前景。 文研究的主要内容 本文 会对真空退火炉的结构进行分析，特别是对它的抽真空系统 会有详细的介绍 。 首先要确定本文是在真空退火炉的基础上 加上 制系统而设计的 ，并 切 提出整体 得设计 思路。根据 本人实习期间所接触的锆丝退火 工艺 把真空退火炉的 各部分工作原理 确定下来 ，并画 出示意图 特别是抽真空系统示意图 。 再通过对 真空 退火炉结构和生产工 艺的分析把各个部件和型号确定下来 ，并 根据设计思路 将各个部件进行 整合 连接。综合所有外围部件， 配置好最后 设计抽真空的工艺流程，编写 因为循环水阀门的开启程度仍需人为判断和控制， 最后 本文简单介绍了模糊化 控制。 3 第二章 真空退火炉的工作原理与工艺过程分析 空退火炉的结构分析 . 图 213 4 5 678 4 1. 后炉门 图 以上图型号真空退火炉为例，它主要由炉门、炉胆、真空系统、水冷系统 以及电控系统组成，其结构详见图 空退火炉工作原理 胆 罗茨泵泵体冷却器 茨泵 5 散泵泵 体冷却器 真空系统原理图 上图中 真空传感器。 对于温度控制 ,工业控制机技术要求的加热速度 ,保持时间 ,保温温度参数 ,设置传输到外围表面在操作关闭设置值。 术指标分析 (1)热处理温度分析 由于锆和铪材料退火温度分别为 680， 720，因此设定真空炉使用最高温度为 720。 (2)有效工作区分析 真空退火炉体为卧式圆柱型，实际炉膛 方米， (3)真空度分析 由以前的数据可以发现退火产品退火要求最低真空度 为 10为工作时要留下一定余量所以设定工作真空度范围为 6 0 106 0 10空炉 提高 温 度过程中可以允许 的 最高 真 空度为 1 3 X 10 (4)其他技术指标 1 5 10秒； 在工作范围内 10。整个真空炉系统投入运行前进行炉 200小时 扩散泵 旋片泵 6 6 0 1025分钟； 6 030 分钟： 1 3125分钟； 火工艺过程分析 本文以南京佑天金属锆丝的真空退火工艺为例 ，而 真空退火是 锆丝由半成品到成品必须要经过的 的重要工艺过程。 锆是一种高熔点稀有金属，熔点在 一千八百摄氏度 左右，沸点 在四千四百摄氏度 左右 。锆 是一种 极耐腐蚀， 只能 稀有金属 。 在 隔绝空气 、 清洁的条件 下对锆 采取 消除应力或再结晶退火 ,可以 很好地 解决 加工硬化 、 恢复金属塑性 等问题 。热退火处理 有 很多方法 ,但采用真空退火 这项技术 对锆丝进行退火 ,是一项较 先进的 金属处理方式在少有 金属加工领域 中 。它 因为 热处理 干净 、 没有 污染、 成本低 、 防氧化 、形变 小等等许多优点引起 了 人们 愈来愈受到人们的关注 。一般情况下 ,真空退火时要求真空度达到 0度 满足 680摄氏度，同时 保温 ， 保温 时 间最少为 一个小时。 7 第三章 真空退火炉 制硬件系统的 设计 制系统总体布局 设备一般以 控制核心 ,工业控制计算机作为监督和显示。利用热电偶 获取 温度信号 ,通过可控脉冲固态继电器 比较一组值输出 来控制温度。使用真空度的真空传感器返回的信号 ,计算根据真空度下 ,驱动电磁阀和真空泵 ,使 真空退火 炉实现所需的真空度。 总体布局示意图如图 图 制系统设计方案 工业控制机 茨泵 扩散泵 真空管道电磁阀 真空度传感器 温度传感器 固态继电器 旋片泵 水泵 手动控制面板 真空退火炉 8 (1)上位机 :选择工业控制机、自动编程系统 ,编程 故障显示 ,显 示屏幕。 计算机能够进行远程控制 ,增强 系统的抗干扰 能力 ,提高工作者 的工作环境 ,腾 3处理器。完美的功能和易于管理。 (2)下位机 :选择一个 西门子 00真空退火炉的控制 。降低机器与可编程序控制器 ,抗干扰能力强 ,在相对恶劣的操作环境在长期运行可靠 ,容易控制操作 : (3)控制 电柜 :用于安装可编程控制器 ,控制电路和操作面板。 （定制） (4)温度传感器 :炉温 测量 (K 型热电偶 上海普光 )。 (5)压力传感器 :测量炉内的真空 度 (使用从国外进口 )。 (6)固态继电器 :用来控制组件的执行 。 （国产名优） (7)电磁阀 :位于 真空管道的组件。应用 火 炉 （国产名优） (8)各种泵体 :主要 有 抽 低 真空 旋片泵 ,用于 抽中真空罗茨 泵 ,用于抽高真空扩散泵 ,还有循环水水泵 。 (9)其他部分 :电阻丝和绝缘屏幕 ,以及炉底板 。 控制系统共分为 由三级真空泵组成的 抽真空控制系统， 电炉丝 加热控制系统 以及 供电系统，循环水暂时不参与控制， 而供电系统为手动操作。故只介绍另外 2种系统设计方案。 真空传感器 监控 管理 图 旋片泵抽初级真空，旋片泵和罗茨泵结合抽中级真空。扩散泵准备，待达到一定真空度并且扩散泵准备好以后打开扩散泵抽高级真空。 热电偶 监控 真空退火炉 控机 抽真空系统 真空退火炉 控机 9 管理 图 工业控制机 下达 命令，由 于真空炉 的炉内空间还是比较大的 ，而热电偶测量范围有限，所以 为了 达到 工艺要求 和炉 温 的 均匀性， 我们可以把它 分成两区进行控温 ,（ 南区和北区 ),南区和北区 )， 热电偶把炉 内 温 度 转化为电信号后传输到 据 内部的自适应 艺设定的温度速率 ， 联系 两个区的 温度 再通过 相互比较的总体控制 计算出 两个区 所需的脉冲触发信号， 发送计算出的信号 触发 两个区 的固态继电器， 让它通路 ， 从而 真空炉电阻丝得电，进 行辐射加 热， 最后将温度在工业控制检测管理程 序上显示出来。 序号 信号功能 序号 信号功能 固态继电器 触发模块 10 第四章真空退火炉软件系统的设计 入输出分配表 泵按钮开关 泵接触器 片泵按钮开关 片泵接触器 触器 触器 茨泵按钮开关 茨泵接触器 触器 触器 散泵按钮开关 散泵接触器 触器 茨泵泵体冷却器开关 茨泵泵体冷却器接触器 散泵泵体冷却器开关 散泵泵体冷却器接触器 炉丝开关 炉丝接触器 片泵过热继电器常开触点 A 真空传感器开关 茨泵过热继电器常开触点 空传感器开关 散泵过热继电器常开触点 空传感器开关 空传感器开关 11 模拟量定义 输入输出寄存器分配定义表 型 序号 信号功能 序号 信号功能 区热电偶输入 南区固态继电器触发脉冲 区热电偶输入 区固态继电器触发脉冲 散泵热电偶输入 A 真空传感器输入 空传感器输入 空传感器输入 空传感器输入 输入寄存器 寄存器功能 输出寄存器 寄存器功能 误代码寄存器 区固态继电器触发脉冲 空传感器 2001 北区固态继电器触发脉冲 空传感器 空传感器 空传感器 区热电偶温度数据 区热电偶温度数据 12 因为此次的系统控制对象为真空退火炉 , 而 下面的 表 格是 它的模块选型 : 序号 模块名称 型号 特点 1 中央处理单元 理速度快，适用于中规模 I/2 开关量输入输出模块 通过不同数字执行元件和传感器把3 模拟量输入输出模块 个输入端 2个输出端 4 温度控制模块 行速度快， 序流程图 13 开始 水泵开 有无故障 旋片泵开 输出错 码 并转入手动 有无故障 输出错 码 并转入手动 有无故障 输出错 码 并转入手动 于 104足条件？ Y N Y N Y N Y N 抽 低 真 空 14 有无故障 输出错 码 并 转入手动 有无故障 输出错 码 并 转入手动 于 02件满足？ 有无故障 输出错 码 并 转入手动 于 00件满足？ 启动扩散泵加热盘 有无故障 输出错码 并 转入手动 T250 满足条件？ 扩散泵开 Y N N Y N Y Y N N Y 抽 中 真 空 Y N 15 有无故障 输出错 码并 转入手动 启动罗茨阀 有无故障 输出错 码并 转入手动 有无故障 输出错码 并 转入 手动 0件满足？ 电炉丝加热 达到温度 680 摄氏度 并保温一个小时 电炉丝加热停止 计时半个小时 依次关闭 扩散泵 罗茨泵 旋片泵开关 结束 Y N Y N Y N N Y 抽 高 真 空 16 第五章 模糊控制在 在循环水与 温度控制系统中应用 的介绍 糊控制的基本概念 模糊控制是 当今最 新的控制方法 之一 ,和其他 控制方法 相比 它的 控制方法很独特，特别是 是否直接建立 在 数学基础 方面 。 在 用传统的控制方法实 行 控制 时 ,一般 情况下 我们要先得到 对象的数学模型。 可是 在 生活 实践中 ,被控 对象的数学模型 不清楚没有明确的数据的情况也是有很多的 。尤其是是对于一些时变、非线性的复杂系统一般情况下是不能获取精确的数学模型的。所以在这种情况下还基于数学模型的话那么有效可靠的控制是不太可能的。因此 ,我们要需要寻找新的控制方法。在日常生活中 ,我们会发现 ,有很多有经验的操作人员虽然对数学模型一点都不了解 ,但却能够灵活有效地控制系统的执行。这是因为操作员的控制系统是基于直观体验 ,由检验采取相应决策在实践中可以很好的完成控制任务。经验通常是一系列包含语言变量的值的条件语句 和规则 ,所以人类经验与模糊条件语句有很多类似的地方。然后 ,语言变量量化 ,再然后 ,模糊控制系统上的实时输入像阅读进行处理 ,相 对 应的控制 方法就会 产生。这 就是 模糊控制方法一种新颖的控制方法。 模糊控制在实践中有以下 几个 优点 :事先不知道被控对象的精确数学模型 ,因此这些模型不是容易获得的对象或不能获得可以采用模糊控制规则被认为是。由于人类经验控制条件语句总结说 ,所以 ,对于那些不熟悉模糊控制理论 ,也要学。一个控制方法很容易 学习 。模糊控制适用于工业生产过程中 ,对象是模糊的 ,这种控制方法可以反映其优势比其他控制方法。控制规 则是人类经验的反映 ,但每个人的经验都是不完全相同的 ,因此 ,控制规则 ,一旦主优化。虽然模糊控制应用越来越广泛 ,并已进入家用电器控制的日常生活如洗衣机、电饭煲等等 ,但它毕竟是一个缺点 :新的控制方式的发展 , 能满足的控制要求高 ,自我调节能力欠缺 ,等等 ,但由于模糊控制技术的不断进步 ,缺陷将继续解决 ,所以模糊控制仍被视为非常希望良好的控制方法。 糊控制实现的步骤与方法 输入模糊控制器、对象 以及 反馈信号和输出 一同 组成 了 模糊控制系统。系统结构模型控制系统和模拟调节系统和数字控制系统并没有太大的区别。只是用模糊控制 系统取代模拟控制系统模拟调节器、 能够控制数字的管理器 或 能够控制数字的 系统。 实际上 ,模糊控制器起了把模糊控制系统和其他控制系统连接起来的作用 。 找到 一个模糊控制器 ,输入和输出 准确无误 的数值。实际上模糊控制的本质就是模拟人类得思维、 怎样去积累和总结经验 ,这是 对规则的 先 总结和 后 推理。 所以一定要把 输入数据(如温度 )转变成 另一个形式 (如温度 高 ,中 ,低 )这样一个模糊的过程 ,和推理的结果(如阀门 半开放 、 开放 )转变成实际精确修正 ,去模糊化过程。模糊控制器运行主要有三大步骤 :第一步模糊化 ,第二步模糊推理 ,最后一步反模糊化。 下面将 就来 对这 3 个主要步骤进行 详细 说明 ： 17 (1) 模糊化 在模糊控制中 ,可以把输入变量比如如位移偏移量、温度 变量 等等 这些叫做 语言变量 ,而 把 偏移量的 大 和 小 ,温度的 高 和 低 叫做这个语言变量的语言值。在 实际应用的 控制 的 过程中 ,我们规定 物理量 可以 划分为 7 个级别。每个语言值和模糊子集都是一一对应的。所以进行模糊化 ,就应该先要把这些模糊子集的隶属度函数确定下来。 (2)模糊推理 模糊推理也常常被人 认为是对规则的评价 ,很显然模糊推理也是模糊控 制器的很关键的一步。在 一般的实用过程 中 ,语言的控制 习惯 在进行模糊推理之前就应该根据操作者或者专家的知识和经验确定下来并存储于 中 ,当然了 ,这些规则还要在试验的过程中不断地完善、修改和优化才行。规则的典型形式为 :如果 Y 是 A 并且 则 ,即采用了 电脑汇编语言 中人们常用的 条件语句的形式。 而在这里面 就是如果 后面 紧跟的 词 就叫做前件也有人叫它条件 ,面 紧跟的 词 又被大家叫做后件也就是结果 ,在这里面 输入变量 就是 ,推理的结果 就是 Z。 所以说 X、 Y、 模糊量。若干这样的规则 就可以组成这样一个 一个实际的模糊控制器 了 ,而输入、输出也可以是多个变量。 使用规则就 和 模糊控制的 讲的差不多 。而 有 多少 组 规则 ,规则中的 重复组数 ,隶属函数的图形状态 等等都 都 灵活 到 可以 自己去更改重 置的。 所以很多东西都可以增强 控制的灵 敏度 ,但也有缺点 ,它会使系统的建立和调整变得不那么容易把握 ,后果就是必须经过反复的修改和调试才能使其符合要求。在模糊控制之中 ,推理方法有很多很多种 ,其中常用的就是最大最小法。这种方法虽不是最优的方法 ,但却是 用的最多的 方法 ,大多数的模糊控制 ,不管 是 实现软件功能 还是 实现硬件功能 都使用这种方法。 最大一最小法的模糊运算，可以分为 4步实现 ： 输入量的模糊化 ， 输入量隶属度 求值列出 。 如果有多个输入量 , 最小的 条件是 我们 最 应该 先 先找到 的 ,在同一 个 规则 规定 下 ,此时 输入隶属度最小值 就能够代替条件 隶属度 ,假如两个条件变量是由 接的这时候取最小值就能够说明两变量是关联的 ,这时我们选择其中最小值 ,则可以同时满足这两个条件。 前件隶属度与后件隶属函数 一起 进行 取最小值运算从而 得到各规则的结 果 。 采用最大值是因为最大值包含所有结论 ,这是由于这些规则既 有一点联系 ,又 相互独立 ,有一种说不清楚的关系，所以 选择最大值 才能满足要求 。 真空退火炉系统中 的循环水冷却装置可以冷却炉腔、 扩散泵 以及 加热用的固态继电器 。下面我们就 通过扩散泵 循环水 冷却为例讲述输入输出的模糊控制过程。若每一个输入量分成3 级，那么相应就有 9 条规则，若按每个输入语言变量分成 7 级，总共就有 49 条规则，完全可以全部覆盖 。 18 (3)反模糊化 把语言表达的模糊量变换为精确的数值这个过程叫做反模糊化 ,因为实际控制总是要确切的数值 数据以数学模型为基础 所以我们也不得不这么做。把所有的模糊输出量用数学方法合成一个特定的结果的过程就是反 模糊化的过程 ,其实也就是用模糊子集的隶属度计算出确定的输出数值的过程 。 由这种算法控制的 种 据设备的实际情况将通水阀门开启到不同程度，以解决冷却水流量较小会影响扩散泵不能及时冷却的问题，从而避免扩散泵的使用寿命缩短和故障发生，同时解决了冷却水流量较大影响其他设备使用冷却水的问题。而普通的 工作过程中仍需要根据人的经验手调其开启的大小，不能形成自动控制，显然满足不了设备的 需求。 19 总结 真空退火炉本身存在着能耗大，控制不精确的缺点。通过本文的设计能够对这些问题有一定的改善， 但是本文的设计还是存在一些缺点的