毕业论文——基于三菱PLC的氮化炉控制系统

毕业论文(设计)论文题目基于三菱PLC的氮化炉控制系统（英 文）Mitsubishi PLC-based control system of nitriding furnace学 院 物理与信息工程学院 专 业 自动化 姓 名 学 号 指导教师 年 月 日17中文摘要PLC（可编程逻辑控制器），是一种数字运算的操作系统，随着现代科技的快速发展，在各方面都有着大幅度的提高，而传统的只能执行简单逻辑控制已经明显满足不了工业生产的需求，不能保证正常的工业生产。而今已发展到具有数万I/O接口的规模、运算的控制功能以及通信、联结网络能力的综合控制系统，已然成为工业生产自动控制的核心设备之一。在传统的运用继电器控制技术的加热炉里，采用的是硬件固定接线的逻辑控制，使得整个的控制的体积较大，耗电也会相应增多，损耗大易出故障，因此，传统加热炉存在着一些缺陷。根据上述问题，我们在此设计中进行了改进：与基于计算机技术产生的PLC控制技术以及触摸屏相结合，改善其使用方法和工作方式，使之更加智能，应用更加广泛。离子渗氮由分解、吸收和扩散三个基本过程组成。稀薄的氨气在高压直流达到某定值时，分解成氮离子N+、氢离子H+和电子。当氮离子达到阴极附近时，被强电场突然加速并轰击气缸套内孔表面。离子的高动能转化为热能加热气缸套。此时，一部分氮离子直接注入气缸套内表面。另一部分氮离子引起阴极溅射。由内表面溅射原子（Fe、C和O）与电子。铁原子与氮离子及电子结合成FeN吸附在内表面上。由于受热和高速离子继续轰击，FeN被分解成低价氮化物，如Fe2NFe3NFe4N而放出活性氮原子，其中一部分活性氮原子渗入气缸表面并向内部扩散形成渗氮层，另一部分返回到辉光放电的气体中，重新参与渗氮过程。经过氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性及耐高温的特性。传统的热处理还用着老式的“老三炉”设备，其热加工质量不高，能量消耗还大，污染严重问题也日益紧张，离子氮化法因其清洁无公害、渗速快的优点在我国应运而生。在本设计中，我们利用了三菱以FX2N系列PLC为控制核心，与触摸屏相结合的方式实现对的智能控制和实施监控，利用各种传感器和电机实现自动运行和检测，实现了自动调节识别温度大小的控制。关键词等离子渗氮；三菱PLC；自动控制；PIDAbstractPLC（Programmable Logic Controller），Is a kind of digital computing operating system .With the rapid development of modern electronic technology, PLC in the many various aspects are greatly improved. Traditional control that performs simple logic cant satisfy peoples needs, can guarantee the normal industrial production. Now to have tens of thousands of I/O size, operation and control functions, and communication and networking ability of comprehensive control system, has become one of the core equipment of industrial automatic control. In the use of traditional relay control technology of heating furnace, using the fixed wiring is hardware logic control, makes the whole control of large volume, power consumption will increase accordingly, big loss is out of order, therefore, the traditional heating furnace has some defects. According to the above problems, we in this design was improved, and the PLC control technology based on computer technology and touch screen, the combination of improving its use method and the way of working, make it more intelligent, more widely applied.After nitriding processing products have excellent wear resistance, fatigue resistance, corrosion resistance and high temperature resistant characteristics. Traditional heat treatment equipment extended the Soviet era old furnace, the hot working quality, energy consumption, serious pollution problem is increasingly nervous, ion nitriding method because of its quick clean pollution-free, seepage velocity in our country. In this design, we use a combination of mitsubishi FX2N series PLC and touch screen to realize the intelligent control and monitor, use a variety of sensors and motor to realize automatic operation and testing, has realized the automatic adjustment to identify temperature control.KeywordsPlasma nitriding；mitsubishi PLC; automatic control；PID目录中文摘要IAbstractII1 绪论12 系统的设备22.1设备简介22.2氮化炉应具备的条件22.3操作规程32.4系统参数选择42.4.1 输入打弧参数42.4.2 输入升温保温参数52.4.3 输入升温保温参数62.4.4 设备启动72.4.5工艺曲线83 氮化炉的硬件选择与工艺流程93.1控制系统选择要求93.2全自动控制的基本构造93.3全自动操控阶段114 控制系统PLC程序124.1 A/D D/A转换124.2升温、保温阶段134.3 PID控制145 总 结15致谢16参考文献171 绪论氮化处理是指一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。经过渗氮后，金属有很强的耐蚀性及耐高温以及优异的耐磨疲劳性，而离子氮化法因其独特的优点在我国应用日益广泛。我国的热处理设备大多数还在用着苏联时代的“老三炉”设备，但是这种设备有着污染严重的缺点，这也成为一直以来工厂制造业发展的阻碍，尤其是它的最后一道工序。产品质量把控慢慢变得严格是现代热处理设备发展的主要特点之一。除了质量过硬，同时高效率和环保也将是今后热处理技术的优势和主要发展方向。面对着高精度、高耐磨、无变形、良好的红硬件，抗疲劳性，抗咬合性和抗腐蚀性的工件技术要求；面对着高合格率、高氮化稳定性的设备要求，显然传统的保护气氛氮化设备已经跟不上时代步伐。离子氮化是德国人在1932年提出来的,当时由于科学技术水平的限制,在实际应用中因存在着不能稳定控制辉光放电。容易出现弧光放电烧伤另件等问题,致使这一技术长期得不到推广。直到六十年代中期,离子氮化才开始实用化,在工业中得到了应用。而脉冲等离子体渗氮技术是九十年代发展起来的渗氮新工艺，取代传统的气体渗氮已成为一种必然趋势。与传统的气体渗氮和七十年代末发展起来的直流等离子体渗氮技术相比，它更加节气、节能，并且灭弧快，渗氮零件表面处理质量好，不损伤零件表面，适应带有深孔、狭缝形状复杂零件的处理，能有效地提高氮化工件温度的均匀性及氮化层组织的均匀性，工艺参数独立可调，工艺范围宽，操作简便。本次设计就是运用脉冲等离子体渗氮渗氮设备，采用日本三菱可编程控制器（PLC），通过AD，DA模块、触摸屏、监视与控制通用系统（MCGS）一些特殊功能模块，来实现温度、电压等数据上的自动控制，使之符合现代化进展的需求。2 系统的设备2.1设备简介LDMC-100 AQK型脉冲等离子体渗氮设备主要用于脉冲等离子体渗氮、低温碳氮共渗（软氮化）以及在650以下进行的其它等离子体多元渗等。该设备配置脉冲电源、工控机系统。智能温控仪 显示炉内热偶温度。绝对压强真空仪 显示炉内压强。网路电压表 显示网路电压。电源电压表 显示设备输出电压。其值由LD-5集成控制触发器上的触发给定旋钮给定。顺时针旋转触发给定旋钮电压升高，逆时针旋转触发给定旋钮电压降低。电流表 显示设备输出平均电流大小。电流大小由MC-B脉冲控制器上的占空比控制，如果顺时针旋转占空比旋钮的话电流会增大，而逆时针旋转占空比旋钮电流则会减小。质量流量计显示仪 显示双路气体流量。这里分别显示氨气流量和含碳气氛介质。流量计后有一个拨动开关，当处在外位置时流量变化由自动系统控制；当处在内位置时流量由手动控制。LD-5集成控制触发器 通过触发给定电位器调节电压（01000V）MC-B脉冲控制器 通过占空比电位器调节占空比在1585%变化，使电流从0100A变化。2.2氮化炉应具备的条件1、压升率不大于0.13Pa/min2、极限真空度不低于6.7Pa3、在空炉的状态下，由大气抽到极限真空的时间不大于30min4、阴阳极之间，在非真空状态下，其绝缘电阻1000V兆欧表测量应不低于4M5、设备应配备有电压、电流、温度、真空度和气体流量的测量指示的仪器仪表；对温度应能控制和记录。2.3操作规程1、器件的清洗：应给需要被处理的器件进行除油清洗。清洗可采用汽油或清洗剂进行处理，应尽可能除去油孔，盲孔或其它各种孔径内的油污。采用清洗剂处理后必须用清水反复漂洗，尽量冲净零件表面金属清洗剂残余，然后烘干或者自然晾干。装炉前发现零件表面仍有金属清洗剂残余，应用棉布擦拭。2、 装炉：将零件摆放在阴极盘上，并可以层层码放。零件摆放时应遵循如下原则：（1）如果零件的底面需要处理时不可直接落在阴极盘上，应采用垫块支撑起来，支撑空间最好大于30mm，垫块与阴极盘，垫块与零件应紧密接触，接触面的间隙应小于0.2mm。（2）零件层层堆放时，接触面亦应是非加工面，如为加工面也需用垫块支撑起来。（3）同层零件应尽可能均匀放置，零件与零件间隔应保证距离大于15mm。（4）同炉零件应大小尽可能相近，确实需要混装时，应延长升温时间，使零件间得到充分的热交换平衡。3、 接线：本设备阴阳极配有快速接头，通常阴极在炉座底部仅在维修时拆卸。而阳极为黑色快速接头，出炉时应拔出，当装好炉后应接入。4、 工艺参数输入旋动总控开关，脉冲盒开关，触摸屏自动进入系统，并显示如下图面。图2-1 自动控制系统主菜单2.4系统参数选择2.4.1 输入打弧参数在系统菜单画面，触摸“打弧参数设定” ，出现如下画面：图2-2 设定打弧参数“电压”指每段打弧阶段，电源使用的电压。“到达温度”指的是该段打弧完结后，炉内所升至的温度。“占空比”指每一打弧阶段限制电源所能允许放开的最大占空比。是一个固定值。“打弧开始气压”指设备自动开始运行时压力的最小值。（1）设定占空比值需要由小到大（占空比越大打弧越强烈）。使用三段打弧参数时，第一段采用15%，第二段采用20%，第三段采用25%，出厂时已设定，一般不需要变动。如果打弧过程迅速结束时可以选择2段打弧（第二段设置选择25%），在第三段重复设置第二段参数。（2）设定到达温度值必须由小到大（视炉内打弧程度而定）。对于冷炉（指炉内温度在室温），到达温度选择较低值，一般第一段设定60；对于热炉（指在较高温度出炉后连续开炉），第一段设定温度高于实际炉温20左右。第二，三段根据实际情况选则，打弧迅速结束，可选择较小值，打弧结束缓慢，亦选用较大值，通常在80120选择。（3）设定电压值一般由小到大（视炉内打弧程度而定）。第一段多半采用650V，第二、三段可采用较大值，打弧强烈选用较小值，打弧少，尽可能选用较大值，通常在650850V选择。（4）设定打弧开始气压值（视炉内能抽到的真空压力而定）。出厂时设定在50Pa，在仪表零点向上漂移时可适当提高该数值，但漂移过大时则应判断是否设备有漏气现象或者真空泵抽气能力下降。漏气则应排除漏气因素；如果真空泵的抽气能力下降，就应该清洗真空泵油，若还是不能加强抽气能力，则应更换真空泵。（5）“选择升温保温段数”（请选择需要的段数，选择好的段数为绿色，未选中者为红色）.仅能选中一个数，该段即为结束段，程序仅运行该数字以前的段数（含本段），这个阶段执行完成后，系统会自动关机。（如：选择3段则执行完3段程序设定后系统自动关机，因此应正确选定段数，杜绝误操作。）（6）“选择升压保压段数”它的选择确定程序操作时压力控制的阶段数注：升温保温段数与升压保压段数可以相同，也可以不同，各自独立。数据输入完毕后触摸画面右下的按钮返回系统菜单画面。2.4.2 输入升温保温参数在系统菜单画面，触摸“升温温度参数设定” ，出现如下画面：图2-3 设定温度参数根据选择的段数，分别录入各段的到达温度、升温斜率、电压、保温时间。“到达温度”指该段升温结束时炉内所到达的温度。“升温斜率”指该段升温时规定的升温速度，单位为/分钟。“电压”指该阶段电源工作电压。单位V“保温时间”指该段升温结束后，维持温度不变的持续时间。（1）第一段为打弧结束后转入快速升温的衔接段，因为启动压力调节时压力变化迅速，不易控制，应适当降低工作电压，通常选择650V。到达温度选择高于打弧第三阶段20左右。升温速率通常设为2/分钟，保温时间通常选择0。（2）第二阶段进入快速升温时段，到达温度一般选择300，可以采用较高的升温速度，升温斜率可选择34，对于变形要求较高的场合，升温速率应选择下限或更低，电压通常选择650750V。保温时间通常设为0。（3）第三段进入慢速升温时段，到达温度根据渗氮要求选择通常炉内实际温度为500560，兼顾变形要求，采用较低的升温速度，升温斜率可选择12，对于变形要求较高的场合，升温速率应选择下限或更低，电压通常选择650750V。保温时间根据渗氮渗层深度确定，通常为420小时，可更短或更长。画面上的最后一个方框工作时间显示的为保温时间实际值。数据输入完毕以后点击右上方的图形来返回系统菜单画面。2.4.3 输入升温保温参数在系统菜单画面，触摸“升压保压参数设定” ，出现如下画面：图2-4 设定压力参数根据选择的段数，分别录入各段的加压温度、升压斜率、到达电压。在等离子体渗氮时，压力决定了实际负载，压力愈高，负载愈大，压力愈低，负载愈小。各段的到达压力值应能保证电源提供足够的功率满足升温斜率的要求。 “加压温度”指此阶段开始加压时的温度值。“升压斜率”指该段升压时规定的升压速度。单位Pa/。“到达压力”指该段升压结束时保压所要到达的压力。单位Pa。（1）第一段选择的加压温度高于打弧第三阶段的到达温度2，到达压力高于炉内的实际压力10Pa，升压速率选择2-3Pa。（2）中间各段的加压温度可自由选取，到达压力以满足按升温斜率的要求提供足够的电源功率。压力应缓慢提升，通常选择升压斜率为13Pa/分钟。（3）最后一段的加压温度可自由选取,但到达压力则根据等离子体渗氮的要求确定，通常为200350Pa。数据输入完成后就可以返回系统菜单画面。数据输入结束。2.4.4 设备启动在系统菜单画面，触摸“系统进入运行” ，出现如下画面：图2-5 离子氮化炉自动控制系统组态图2.4.5工艺曲线无论在开启动程序前或者在程序运行中或者在程序结束后，任何时候在系统菜单画面，触摸“工艺曲线”，出现如下画面：图2-6 离子氮化炉自动控制系统工艺曲线图（1）如果设备装有打印机，可对以发生的数据进行打印。（2）触摸左下的一排按钮可以实现记录曲线的左右的慢速移动和快快速滚动，查看到历史记录曲线，也可看到正在运行的程序已执行的数据。（3）触摸记录网格屏幕上可出现一条垂直黑线，以及显示黑线所对印的时间。触摸右下最右端按钮，系统返回到系统菜单画面，（4）在程序运行期间，在系统菜单画面下仍可以触摸“打弧参数设定”“升温温度参数设定”“升压保压参数设定”。3 氮化炉的硬件选择与工艺流程3.1控制系统选择要求 上章已经详细的介绍了离子氮化炉的设备、系统的工艺流程，而本次设计就是利用PLC编辑的程序来实现各种动作及参数的自动处理。PLC是继电器控制系统和集成电路和其他分立元件设备的集合，具有强大的灵活性和可靠性。1、在选择一个基本的PLC时，应该考虑以下的几点：（1）确定被控制系统做什么，按什么流程工作。（2）确定需要哪些机架和单元。（3）确定如何分配I/O点 。（4）用梯形图编写程序时，需要了解操作的次序。（5）把程序和相关参数输入PLC。（6）调试程序，在需要时进行细调。2、在选择硬件时，应该注意以下的几个原则：（1） 控制系统的设计第一步就是要设计合理控制系统。对PLC进行编程和操作都需要依靠一个可行的控制系统。（2） 输入输出要求被控制系统的输入输出点数确定下来，即I/O端口的连接必须确定，向PLC输入或接受其信号要求连接好。（3） 顺序及时序接下来要确定控制系统的各个流程，各个步骤的顺序，以及时间的前后关系。确定I/O端口以及它们之间发生的各个响应的关系。（4） 单元需求根据I/O设备的需求，必须确定要安装或者链接到PLC的实际单元。同时还要考虑相关的硬件设备。3.2全自动控制的基本构造 众所周知，在离子渗氮的技术工艺中，最重要的也最难控制好的就是温度、气压、电压、电流及打弧（弧光清洗）等参数之间的比例关系。所以我们利用PLC的多闭环的功能，通过编程对上述问题一一解决。控制系统框图如下：图3-1离子氮化炉自动控制系统原理流程图3-2离子氮化自动控制系统打弧、升温、升压曲线图3.3全自动操控阶段1、打弧阶段：当炉内的压力逐渐下降到“打弧开始气压”的时候，炉内电压自动上升到设定值，同时占空比也自动上升到设定值。2、升温、保温阶段：当炉内温度上升到“打弧到达温度”时，此时打弧阶段结束，接下来进入到升温阶段，此时的占空比在程序里通过PID运算给出，依照“一段升温斜率”来升温，当温度上升到“一段保温温度”时，开始“一段保温时间”阶段计时，计时结束后，进入第二段升温，依次类推。3、升压、保压阶段：当炉内温度上升到“一段升压到达温度”的时候，质量流量计开始工作，依照给定“升压斜率”进行通气直到压力到达“一段到达压力”时，就以该压力一直保持，等到“第二段升压开始温度”到达时，然后再依照斜率升压，依次类推。4 控制系统PLC程序4.1 A/D D/A转换1、A/D转换将温度、气压信号通过A/D传送给PLC在程序中。图4-1 A/D转换部分程序将内部继电器M8013常开触点连接到母线上BFM 17bit0写入0,选择通道1 (K0 07特殊模块)BFM 17bit0写入1,启动通道1的A/D转换BFM 0/1数据读入M100M131 （BFM为数据缓冲寄存器）数据传送到D71并自动调整高4位位置2、D/A转换将PLC输出数字信号给D/A控制占空比、电压值。图4-2 D/A转换部分程序将内部继电器M8013常闭触点连接到母线上BFM 17bit0写入1,选择通道2BFM 17bit0写入1,启动通道1的A/D转换BFM 0/1数据读入M100M131（BFM为数据缓冲寄存器）数据传送到D72并自动调整高4位位置 4.2升温、保温阶段图4-3-a 温控部分程序图4-3-b温控部分程序一段升温开始，PID开始，M70常闭触点与M40串联连接将D601-D800的内容存入到D113中将D113K4的内容存入到D111，D112中，存入一段升温到位信号，M57常开触点与M70串联连接当目标值下降到实际值开始，依照“一段升温斜率”来升温，置位指令:条件满足时M80=1也就是目标值与实际值比较，若相等执行后保持此位置，重复循环温度不断递增，M59常开触点与M58并联，置位指令:条件满足时M70=1即与一段到达温度比较，相等执行后保持此位置。此时存入二段升温开始信号，如此重复至理想温度并保持。4.3 PID控制图4-4 PID控制部分程序其中参数D130采样周期为200，D131动作方向设定为33,D132输入的滤波常数设定为70,D133比例增益设定为600,D134积分时间设定为150,D135微分增益设定为80,D136微分时间设定为200，D150输入变化量（增方）警报设定值为0,D151输入变化量（减方）警报设定值为0,D152输出变化量（增方）警报设定值为948,D153输出变化量（减方）警报设定值为100,D154警方输出设定值为12 。例如：PID D1 D2 D100 D5D1为目标值，D2为实际值，从D100的25个数据均为PID的参数，D5为PID的输出值。我们可以通过给系统进行建模，然后通过系统而精确的理论计算，最后得到控制的参数，最终在工程中输入参数，依据实际设备的反应，在对参数进行微小的调整和修改。其实在整个过程中可以根据以往的操作实践的经验，直接控制系统，确定参数，这样的话，相较其他的方法会比较简单，并且更容易掌握。5 总 结通过本次对基于PLC控制的氮化炉温度控制系统的设计，我对其PLC系统设计、开发和实施过程、控制的基本原理，传感器的灵活运用都有了更加深刻的全面系统的了解和掌握，将传统的硬件控制的氮化炉赋予了耗能少速度快体积小等优势的现代化综合控制器件，运用PLC、触摸屏、MCGS、A/D 、D/A等模块对氮化炉的控制，对工业自动化控制工厂而言及其方便，对设备的维修和护理更加的迅速，能够增长机器的寿命。在这次的设计中，利用三菱FX系列PLC与触摸屏结合对工厂里的氮化炉进行实时监控，利用PLC程序控制所需的各种传感器，使其系统能够自动运行，实现了花小成本，而得到性能更优越的设备的设想。在本次试验中，我们学到了很多，但是由于条件的限制，不能够使用上述的大电器，只能通过缩小版的模块来进行模拟，所以在大功率电器的使用中，还有待改善。在本次实验中运用所学的基础理论和基础知识基本能够达到设计的目的，我在PLC这块领域及电路方面的知识和基本设计思路技巧得到了进一步的提升，同时提高了对理论问题上的分析能力和实际问题的解决能力，增强了自己的动手能力和操作能力，培养了自己严肃认真的科学态度和严谨求实的学习作风，在任务书下来之后我们组就很快就在郭振海老师的帮助下去分工和规划，我们在这个和谐的团队中增强了每个人的合作能力，当然本次实验中还有很多不足之处，没有在工厂里进行实时操作运行，可能会有设计的不足之处，这些都需要在所需的条件下去验证。致谢我的毕业论文，算是在大学里交的最后一份答卷了，经过两个月的努力，在江汉大学物理与信息工程学院的郭振海导师的精心帮助和大力支持下终于顺利完成了。郭老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。在平时的PLC课程中，郭老师专业的知识储备和认真踏实的教学态度就让我印象深刻，同时他又是我们班的班主任，所以在选课题和导师时毫不犹豫就选择了他，在整个论文设计的过程中，郭老师时刻关注着我们的研究进程，对于学院的要求都一步步跟进，郭老师给我提供了许多书籍、资料、软件、实验设备等等，使我能更深层次的理解氮化炉设计的原理、内容、设备、工作方式等等。在此表示衷心的感谢！在我遇到困难时，给我们指点迷津提出了很多非常宝贵的建议和意见，帮助我们顺利完成论文设计。郭老师老师是一位严格要求学生的老师，他跟我一起分析我论文上的每一个可能存在的错误，包括内容上以及格式上的，是可谓事无巨细皆职责，他认真负责的态度，这真让我们学生受益匪浅。作为PLC的讲课老师，他在PLC方面懂得很多，有时候我们找他问问题时，往往一句话我们你便能醍醐灌顶，不仅让我掌握了专业的研究和基础知识，也懂得了与人沟通向老师求助比自己钻死胡同有效很多，郭老师虽然严格，但是本人却和蔼可亲，每次我们有问题请教他，他都非常耐心