（机械电子工程专业论文）铝箔退火炉温度控制系统的设计与研究.pdf

硕十学位论文 摘要 摘要 本文以教育部铝合金强流变技术与装备工程中心的项目“高效 节能铝箔退火炉的制造”为背景，研究开发出具有高精度、全自动化、 节能、安全、可靠等特点的铝箔退火炉，主要创新性工作有： 1 针对工业现场干扰大且炉体与控制室距离远的特点，本系统 设计了p l c 主、从站控制方案。从站采集热电偶温度，读取炉体上 各个传感器的信号，对炉门电机和气缸等进行操作，避免了温度模拟 量信号长距离传输中的干扰。 2 本文根据铝箔退火炉工艺及退火炉自动化生产需要，运用结 构化编程的思想和方法，依照模块独立性的准则，编写了各个子程序 的功能、功能块，为软件程序的修改和调试带来了便利。 3 针对一般p i d 控制算法在线调整p i d 三个参数难度较大的问 题，研究了p i d 控制的参数模糊自整定方法，设计出了用于退火炉炉 温控制系统的模糊参数自整定p i d 控制器，改善了控制系统控温的稳 定性、快速性和准确性。 4 设计了p r o f i b u s - - d p 工业现场总线网络，c p u3 1 5 2 d p 做主站，e t 2 0 0 m 接口模块、触摸屏、总线协议桥做从站，实现了 p l c 主站、p l c 从站、触摸屏、变频器等之间的通信。 5 本系统采用m o d b u s 通信协议通过p r o f i b u s - - d p 网络实 现变频器的远程控制和监视，取代了传统的采用输入模拟量信号的控 制方式，不仅节省了p l c 模块，实现了转速给定的高精度和高稳定 性，而且可以使p l c 得到充足的信息。 本系统已经在华西铝业有限责任公司投入生产使用，现场调试 的数据分析和实际运行结果表明：设计的铝箔退火炉控温精度高，退 火过程系统运行可靠、稳定，操作系统易学易用，在冶金行业具有广 阔的应用前景。 关键词退火炉，p r o f i b u s - - d p ，m o d b u s ，模糊p i d ，通信协议 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sf r o mt h ep r o j e c to f t h eh i 曲l ye f f e c t i v ee n e r g y c o n s e r v a t i o na l u m i n u mf o i la n n e a l i n gf u r n a c em a n u f a c t u r e b e l o n g e dt o t h em i n i s t r yo fe d u c a t i o ne n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e ro fe x t r e m e t h e o l o g yt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tf o ra l u m i n u ma l l o yp r o c e s s i o n i t h a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt h eh i 曲a c c u r a c y , t h ee n t i r ea u t o m a t i o n , t h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n , t h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t ya n ds oo nt h e c h a r a c t e r i s t i ca l u m i n u mf o i la n n e a l i n gf u r n a c e ，t h em a i ni n n o v a t i o nw o r k i n c l u d e s ： 1 1 1 1 i ss y s t e md e s i g n e dp l cm a s t e ra n ds l a v es t a t i o na i m e da tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hi n t e r f e r e n c ea n dl o n gd i s t a n c ef r o mf u r n a c et ot h e c o n t r o lr o o mi n i n d u s t r y s c e n e n es l a v es t a t i o nc a r lc o l l e c tt h e t e m p e r a t u r eo ft h e r m o c o u p l e ，r e a dp a r a m e t e ro f e a c hs e n s o ro nf u r n a c e a n dc o n t r o le l e c t r o m o t o ra n dc y l i n d e ro ff u r n a c ed o o r , w h i c ha v o i d e dt h e i n t e r f e r e n c e p r o b l e m o ft h e t e m p e r a t u r ea n a l o gq u a n t i t ys i g n a l t r a n s m i t t e dt of a rd i s t a n c e 2 a c c o r d i n gt ot h en e e d o f a l u m i n u mf o i la n n e a l i n gf u r n a c e t e c h n i c sa n dt h ea n n e a l i n gf u r n a c ea u t o m a t i o np r o d u c t i o n , t h ec o n c e p t a n dm e t h o do fs t r u c t u r a l p r o g r a m m i n ga r ea p p l i e d i nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o no fm o d u l a ri n d e p e n d e n c e , t h ef u n c t i o na n d f u n c t i o nb l o c ko fe a c hs u b p r o g r a ma r ec o m p i l e d b yd o i n gt h o s e ，t h e s o f t w a r ec a nb er e u s e dm u c hm o r ee a s i l ya n dt h em o d i f i c a t i o na n dd e b u g b e c o m em o r ec o n v e n i e n t 3 1 1 1 i sp a p e r p u tf o r w a r d ak i n do f m e t h o do f p a r a m e t e rf u z z ys e l f - t u n n i n go fp i dc o n t r o la n dd e s i g nf u z z yp a r a m e t e rs e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e ru s i n gf o rt e m p e r a t u r ec o n t r o lo fa n n e a l i n gf u r n a c ei no r d e rt o r e s o l v et h ep r o b l e mt h a tp a r a m e t e r so fp i dc o n t r o l l e rc o u l d n tb e a d j u s t e di nt i m e i ti m p r o v e dt h es t a b i l i t y , r a p i d i t ya n da c c u r a c yo f c o n t r o ls y s t e mf o rc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r e n 硕士学位论文 a b s t r a c t 4 t h i ss y s t e md e s i g n e dp r o f m u s d p i n d u s t r yf i e l d b u sn e t w o r k t h ec p u 31 5 2 d pw a st h em a s t e rs t a t i o n t h ee t 2 0 0 mi n t e r f a c e m e d u l e ，t o u c hs c r e e n ，f i e l d b u sa g r e e m e n tb r i d g ew e r es l a v es t a t i o n s i t a c h i e v e dt h ec o m m u n i c a t i o no fp l cm a s t e rs t a t i o n ，p l cs l a v es t a t i o n , t o u c hs c r e e na n dt r a n s d u c e r 5 t h i ss y s t e ma d o p t e dm o d b u sc o m m u n i c a t i o na g r e e m e n tt o m a k et h e r e m o t ec o n t r o la n ds u r v e i l l a n c et ot r a n s d u c e rc o m et r u et h r o u g h p r o f i b u s d p i tr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d et h a tu s e dt h e i n p u ta n a l o gq u a n t i t y ，w h i c hn o to n l ys a v e dt h ep l cm o d u l ea n d r e a l i z e dh i 曲p r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo ft h eg i v e nr o t a t es p e e db u ta l s ol e t t h ep l c g e te n o u g hi n f o r m a t i o n t h i ss y s t e mh a sb e e np u ti n t ot h ep r o d u c t i o nu s ei nt h eh u ax i a l u m i n u mi n d u s t r yl i m i t e dl i a b i l i t yc o m p a n y ，t h es c e n ed e b u g g i n gd a t a a n a l y s i sa n dt h ea c t u a lr u n n i n gr e s u l ti n d i c a t e dt h a t t h ea n n e a l i n g f u m a c ef o ra l u m i n u mf o i lh a sh i 曲p r e c i s i o no fc e n t r e lt e m p e r a t u r e , t h e s y s t e mh a sh i 曲r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yf o rr u n n i n g ，o p e r a t i o ns y s t e m c a ns t u d ya n du s ee a s i l y i th a sw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t i nt h e m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y k e yw o r d s a n n e a l i n gf u r n a c e ，p r o f i b u s d p , m o d u b s ，f u z z y p i d ，c o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t i i ! 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：虚望日期：量哩互年月丛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：彳l 军一导师签名，垂乒辑 日期：碰旺月缬 硕士学伊论文 第一章绪论 第一章绪论 铝是地壳中蕴藏量最多的金属，已有1 7 0 多年的生产和使用历史，是有色 金属中应用最为广泛的金属之一【l l 。铝箔继承并扩展了铝及铝合金的优点，广泛 应用于食品包装、建筑业、电子业、药品业等国民经济的各个领域，与人们的衣、 食、住、行紧密相关 铝箔的生产工艺流程为：铝锭熔炼铸轧冷轧中间退火冷轧 铝箔毛料耜轧中轧精轧分切成品退火包装闭。铝箔 退火的目的是为了得到具有符合标准和满足用户 要求的软制品及各种状态制品的内部组织和机械 性能。退火时，必须严格控制退火工艺参数( 加热 速度、加热温度、保温时间等) ，以保证箔材的机 械性能及表面除油效果。 1 1 铝箔退火炉研究现状及水平 随着铝加工技术的发展，铝箔产品的规格和产量都在不断地增加，在保证退火 产品力学性能和组织结构符合产品标准要求的条件下，如何提高退火炉的设备性 能指标，降低能耗引起了铝加工行业广泛的重视近二三十年来。一些工业发达国 家从热处理炉结构、热源、温控系统以及退火工艺等方面进行了大量的研究工作： 开发了许多新产品，如高温轴流通风机，卡口式加热元件等等。在提高产品的加热 速度、改善炉温均匀性、提高退火产品质量、降低能耗和提高退火炉的综合技术 性能等方面取得了很好的效果。 我国退火炉的平均热效率为5 8 ，比工业发达国家的8 0 约低2 2 个百分点 啊卷材与箔卷退火炉的容量一般为1 0 4 0 吨，如成都铝箔厂，西南铝加工厂， 东北轻合金有限责任公司等都有4 0 吨的退火电炉通常，每年生产l h 铝箔需 要配备1 5 2 0 吨的退火炉l 台。 铝材退火炉用的能源有：电，柴油，天然气，煤气。炉型有批量的与连续式 的。在扳、带、箔材生产过程中退火工序是必不可少的，线材的拉制也必须经过 退火，高强度铝合金管，棒、型材的生产也需要退火。1 9 9 9 年中国约有8 6 0 台 退火炉，其中现代化的空气循环批量退火炉约1 8 0 台，8 0 集中在铝箔企业，仅 硕十学伊论文 第一章绪论 厦顺铝箔有限公司就有1 2 台( 3 0 吨的1 台、1 5 吨的1 1 台) 1 4 1 , 自1 9 8 5 年以后， 全世界就未建连续式气垫退火炉，因为投资大，同时现代化的强气流循环的大型 批量退火炉在技术上完全能满足生产要求，而且单位产品的能耗也低一些。 1 1 1 铝箔退火炉的分类及特点 退火炉是冶金和机械行业常用的热处理工艺设备。一般说来，退火处理工艺 是冶金和机械产品的最后处理工序，它的处理效果将直接影响产品的质量。因此， 对退火炉的基本要求就是根据退火处理工艺曲线，提供准确的升温，保温及降温 操作，同时保证炉内各处的温度均匀。在目前实际生产中，退火炉的种类很多， 按燃料分有燃油炉、燃气炉、电炉等。电炉按台数计算占8 0 ，燃油炉和燃气炉 占2 0 。下面分别介绍它们的特点： 1 燃油炉：生产中用的退火处理炉多采用燃油或燃煤气方式，燃油热处理 炉在生产中的应用也很广泛，但由于对产品热处理后的表面质量要求较高，对加热 精度要求也很严，故燃油的退火处理炉一般都采用轻柴油。这也带来一些问题，如： 轻柴油价格比较昂贵、需设置供油系统等。 2 燃气炉：同燃油热处理炉相比，燃气退火处理炉在保证产品质量，提高退 火处理炉效率方面就更具优势。但是我们知道，热处理炉加热工艺同加热炉不同， 它对升温、保温和降温过程及炉温均匀性要求部比较严格，当采用普通烧嘴及常 规的流量控制方式进行热处理炉燃烧控制时，要想获得精确的炉温控制和理想的 炉温均匀性是比较困难的，而采用高速烧嘴及脉冲燃烧技术虽然可以使热处理炉 实现比较精确的温度控制效果及较高的炉温均匀性，但是对控制设备和控制方法 提出了很高的要求。因此，燃气退火处理炉在冶金及机械行业中应用较少。 3 电炉：电炉作为一种有效的退火处理加热设备，以其控制简单、温度控 制精度高、热处理后表面质量高等特点，在生产中得到广泛的应用。它的缺点是： 消耗大量电力。加热效率低。目前工业应用中对炉体的导流装置进行了很好的改 进，并且在炉顶安装了循环风机使炉气循环，促进对流传热的效果，因此获得快 速均匀的加热效果。 1 1 2 铝箔退火炉的温度控制系统 铝箔退火炉对温度准确有效的控制是退火炉过程成败的关键，因此铝箔退 2 硕+ 学傍论文第一章绪论 火炉温度电控系统决定了退火炉退火工艺实现的好坏。我国的铝箔退火炉电控系 统经历了以下几个阶段： i 单片机电控系统；一般来说采用单片机电控系统是8 0 年代的设备，其 操作繁琐，温度调节累计误差大，铝箔的加热速度和炉温的均匀性不能保证。 2 智能仪表电控系统：9 0 年代以来随着智能仪表技术的迅速发展，温度 分段编程控制可以通过表盘按键操作很方便地实现，且控制精度较高，控制系统 造价相对较低。但是其扩展性差，操作繁琐。 3 p l c 电控系统：9 0 年代末，随着p l c ( 可编程控制器) 的迅速发展， 退火炉中的p l c 电控系统逐渐普及，这种控制方式是在继电器控制和计算机控制 的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心。把自动化技术计算机技 术、通讯技术融为一体的新型工业自动化控制装置。目前已被广泛地应用于各种 生产机械以及自动化生产过程中。以已西门子$ 7 - - 3 0 0 系列为例，为用户提供了 各种适用的模块以满足不同的需求，而且可根据工艺修改程序，控制灵活方便。 p l c 电控系统兼容性，扩展性很好，通讯能力强，利用触摸屏控制温度，显示参 数，使整个控制系统易学易用。但是其造价相对较高。 4 工控机电控系统：利用微机直接控制在铝箔退火炉中用的很少，因为 其各个仪表的接口部分相对来说比较麻烦，而且其稳定性、抗干扰能力不如p l c 。 一般以工业控制机作为主控单元，可编程控制器( p l j c ) 作为现场控制中心。 t 1 3 国内外退火炉技术的应用现状 近年来，国外的不少学者、专家和工程技术人员都在致力于炉窑技术的研 究及其在工业过程中的推广应用，使得工业生产中炉窑的技术取得了相当的发 展，获得了高的生产率、高的质量并节约了能源 6 - 9 t 。 2 0 世纪3 0 年代，国外便已经研制出了多种带钢再结晶连续退火炉，7 0 年代 初，奥地利e b n e r 公司开发出应用与钢铁工业的高对流全氢罩式退火炉，之后， 德国l o i 公司也开发了这种以强对流和全氢气为特色的罩式退火炉( h p h ) 。 g o 年代初英国的h o tw o r k 公司和英国煤气公司合作开发出蓄热式烧嘴，称 为r c b 型烧嘴( r e g e n e r a t i v ec e r a m i cb u r n e r ) 。1 9 9 6 年1 0 月已有约1 0 0 0 套烧嘴在使 用，1 9 8 4 年a v e s t as h e f f i l d 公司用于不锈带钢退火炉加热段的一侧炉墙上装3 9 对，单耗为1 0 5 0 j t 。虽然是单侧供热，带钢温度差是5 美国目前已设计成一种小型再生式烧嘴，广泛测试后成功地安装在全球很 硕士学位论文第一章绪论 多工业炉上。流水线上炉子设计成链状，利用长火焰在1 0 9 5 1 2 温度范围内将带 材加热，燃烧产物从带材入口处排出，在炉子未加热区将带材预热。该预热区可 提高燃烧效率，在进宅气预热器以前使排气温度降低。要增加产量受到下列一些 因素限制：增加燃烧率降低了燃料效率；预热燃烧空气限制换热器；限制 排气设备流量；增加n o 排放量。而自动再生式烧嘴可克服这些限制。 日本制钢公司的住友金属厂的退火炉，实施的是最小方差自校正控制。 目前，日本已有报道，将专家系统和模糊控制技术应用与退火炉的炉温控 制，并已取得了显著的经济效益。 我国，退火炉的发展极为不平衡，炉窑的整体装备水平不高，与荚、日等 发达国家相比，仍有很大的差距。目前，我国退火炉中除少数设备比较先进，可 达到国外8 0 年代水平外，绝大多数炉窑仅相当于国外5 0 年代的水平。炉子结构和 温控系统十分落后，炉膛内温差大，炉子表面温度高，热效率低，产品质量差， 有些炉窑仍全部是人工控制，环境污染较为严重，能耗高。经过几十年的努力， 国内的退火炉也有2 0 - - 3 0 装备了计算机系统1 1 3 - 1 4 1 。 2 0 世纪7 0 年代中期苏州铜材厂从奥地利e b n e r 公司引进了我国第一套采用 氢气作为保护气体的退火设备一强对流钟罩式光亮退火炉。 长城特钢在9 0 年代初引进了法国强对流罩式退火炉，以净化氮加2 5 氧 气为可控气氛，用于热轧和冷轧盘卷的光亮退火。总装入量约3 0 t 。燃料是天然 气，用双层内军。 秦皂岛市渤海铝业有限公司早期的退火炉( 9 0 年代初期) ，部足用欧路衷控 制的，经过十几年的运行，其故障率已很高，准备备件困难，维修也无从f 手， 为了保证生产的正常、安全进行，该公司成功的对3 台退火炉进行了改造。系统 在硬件和软件配置上，采用两级微机控制系统方案。上位机采用研华公司生产的 工业控制计算机，上位机软件采用目前国际上最为实用和流行的i n t o u c h 人机 界面操作系统，下位机采用德国西门予公司生产的s 7 3 0 0p l c 。 中国科学院长春物理研究所针对集成光学领域专门研制了一种智能高精度 退火炉。该退火炉控制系统采用了a l 人工智能调节，包括模糊逻辑、p i d 调节及参 数自整定功能的先进控制算法。 苏州新长光热能工业炉有限公司生产的铝板、带、箔退火炉，采用了多项 先进的新技术。具有高精度、节能、高可靠性和安全性的特点。增加了旁冷系统 ( 包括旁冷风机) ，实现了退火炉的可控冷却降温。温度控制系统和继电器控制 4 硕士学位论文第一章绪论 器采用成熟的欧姆龙c 2 0 0 h ( p l c ) 进行控制。该退火炉获得2 0 0 3 年中国有色金 属工业科学技术奖二等奖。 上海同济大学玻耳固体物理研究所自行研制了一种小型高精度温控退火炉 装置。该装置具有以下优点；体积小，藿量轻，寿命长，维护方便l 效率高，功率 增益大，退火温度可达到1 2 0 0 ；密封性能好，能够实现真空退火和气氛退火； 温度控制从常规仪表型向可编程控器型转变，实现对过程控制的扩展和测量精 度稳定。 天津市天骄工业有限公司经过不断的研制和改进，在铝材退火炉上配备使 用正、负压排气系统，并切换交替使用，使附着在铝板材或铝卷材上的大量的轧 制油快速从产品表面分离并充分排出炉外，成为提高产品质量和保证设备安全的 关键。 武汉钢铁公司多年来一直在研究和开发智能燃烧控制系统，将模糊技术成 功地应用于炉温的建模和p i d 控制器参数的在线自动整定，取得了良好的效果 ，2 工业过程控制系统 1 2 - l 工业过程控制系统的发展 工业过程控制作为自动化技术的应用，其发展历史可以追溯到古代，但至 于在工业上的应用只能从上个世纪2 0 年代算起。过程控制大约经历了以下四个发 展阶段【l ”。 ( 1 ) 上个世纪6 0 年代以前，单元组合式仪表出现，气动单元组合仪表( q d z ) 和电动单元组合仪表( d d z ) 成为当时控制仪表的主流 ( 2 ) 上个世纪6 0 年代，微型计算机的出现，给过程控制带来了重大突破，数 字计算机进入到了工业控制领域，产生了第一代计算机控制系统：计算机集中控 制系统c c s ( c o n c e n t r a t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，它取代了传统的模拟仪表，从而能 够使用更为先进的控制技术，使过程控制发生了质的飞跃，但由于c c s 控制直接 面向被控对象，并未形成控制网络体系，集中了控制的同时也集中了危险。 ( 3 ) 第二代计算机控制系统是七十年代出现的分级计算机控制系统。七十年 代中期出现的分散型控制系统d c s ( 也称集散控制系统) 也属于分级计算机控制 系统。典型的d c s 可分为操作站级、过程控制级和现场仪表三级。这种控制系统 的特点是“集中管理，分散控制”。其基本控制功能在过程控制级中，工作站级 硕士学位论文 第一章绪论 的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个 系统的损害降到很低的程度，加之各种软硬件技术不断走向成熟，极大地提高了 整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。 然而d c s 的缺点也是十分明显的。其原因，是它是一种数字一模拟混合 系统，d c s 的现场仪表( 变送器和执行器) 仍然使用传统的模拟仪表，以4 2 0 m a 电流传递控制信号。这带来一系列问题：信号传输可靠性差( 与数字通讯相比) ， 成本高( 每个信号需一条专用信号线，且需要安全栅或隔离电路) 。必备的数- 模、模数转换环节既难保证系统精度，也增加了成本；足互换性差。各厂家 的d c s 自成标准，不能互换，这增加了使用者在使用和维修上的困难；是价格 昂贵。大中型d c s 系统动辄上百万美元，使广大中小企业望而却步。 ( 4 ) 由于微处理器技术和通讯技术的发展，从8 0 年代中期，即出现了很多带 有微处理器的智能化现场仪表，从此萌发了现场总线的思想。现场总线控制系统 ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，以下简称f c s ) 0 0 1 是正在兴起的一种基于现场总线技术 的计算机控制系统，它是集当今计算机技术，网络技术和控制技术为一体的当代 最先进的计算机控制技术。是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。它适用 于工业过程控制，制造业及楼字自动化等领域，将成为下世纪计算机控制系统的 主流。 f c s 基于现场总线技术。现场总线是用于现场仪表与控制系统之间的一种全 分散、全数字化，智能、双向互联、多交量，多点、多站的通信网络系统。具有 可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快，系统安全，造价低廉，维护 成本低等特点。现场总线技术使现场级设备的信息作为整个企业信息网的基础， 提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，节省了系统的硬件和布线费用， 方便了用户对系统的组态、管理和维护【i ”。 1 2 2 现场总线p r o f i b u s 现场总线作为一门新兴的控制技术，目前正处于发展阶段，技术还不成熟。当 前在国际上有影响的现场总线标准很多( 单是1 9 9 9 年i e c 组织投票通过的现场总 线国际标准i e c 6 1 1 5 8 就有八九种) 【1 0 1 。本文针对不同厂商生产的现场总线设备， 采用在国际上有很大影响力的p f o f i b u s 现场总线的相互连接和通信进行研究。 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i d d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标 准，即e n 5 01 7 0 欧洲标准。p r o f i b u s 现在已是欧洲茸屈一指的开放式现场总 6 硕士学位论文 第一章绪论 线系统，它已被全世界所接受。p r o f i b u s 是德国于2 0 世纪9 0 年代初制定的国 家工业现场总线协议标准，德国科学技术部总结7 2 0 世纪8 0 年代德国工业界 自动控制技术的发展经验，认为为了适应2 0 世纪9 0 年代分布式计算机自动控 制系统的发展需要，有必要对当时的各公司自己定义的网络协议加以规范化、公 开化，使得不同厂家生产的自动控制设备在网络通信级能够兼容以利于工业整 体标准化水平的提高，于1 9 8 7 年列为德国国家项目，由1 3 家大公司( 如著名的 s m m e n s 、a g e ，a b b 公司等) 及5 家研究所经过两年多的时自j 完成。于1 9 8 9 年成为德国标准d i n l 9 2 4 5 ，于1 9 9 6 年成为欧洲标准，于1 9 9 9 年底成为国际标准 m c 6 1 1 5 8 的组成部分。 1 2 3 现场总线在p l c 上的实现 可编程控制器( p r o g r a n u n a b l el o 百cc o n 嘶i i 盯) 简称为p l c ，它的应用面广， 功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的 所有领域得到了广泛的使用。 国际电工委员会( 正) 对p l c 作了如下定义：。可编程控制器是一种数字 运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指 令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程可 编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充 其功能的原则设计”1 2 0 l p l c 总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量，高速度、易使用，高性 能方向发展。其中一个重要的方向就是与现场总线的结合。 现场总线f o 集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、 记录仪等模拟仪表。它不需要框架、机柜，可以直接安装在现场导轨槽上。现场 总线f o 的接线极为简单，只需一根电缆，从主机开始沿数据链从一个现场总 线v o 连接到下一个现场总线f o 。使用现场总线后自控系统的配线、安装，调 试和维护等方面的费用可以节约2 3 左右，现场总线v o 与p l c 相结合可以组成功 能强大的、廉价的d c s 系统。 现场总线控制系统将d c s 的控制站功能分散给现场控制设备，仅靠现场总 线设备就可以实现自动化控制的基本功能。现在功能强大的p l c 也配有和现场总 线联网的模块，使之可以就近挂接到现场总线上。 7 硕+ 学位论文第一章绪论 西门子$ 7 - - 3 0 0 4 0 0 有很强的通信功能，c p u 模块集成有m p i 和d p 通信接口， 有p r o f i b u s d p 和工业以太网的通信模块。通过p r o f i b u s - - d p 或a s i 现场 总线，c p u - 与分布式f o 模块之间可以周期性地自动交换数据。在自动化系统之 间，p l c 与计算机和h m i ( 人机接i ：1 ) 站之间，均可交换数据t 2 0 1 。 1 3 铝箔退火炉温度控制系统的研究意义 我国的铝箔生产近年来发展很快，2 0 0 5 年，产量已经到5 5 万吨，仅次于美 国，居世界第二，产量约占世界总产量的l 5 。铝箔退火是铝箔的生产工艺流程 中的重要组成部分。而在我国，退火炉的整体装备水平不高，与荚、日等发达国 家相比，仍有很大的差距，这些退火炉除极少数设备比较先进，可达到国外8 0 年代水平外，绝大多数炉窑仅相当于国外5 0 年代的水平。炉型落后，燃烧方式原 始，工控水平低，有的退火炉甚至还全部由人工控制，环境污染较为严重，热效 率低，能耗高。因此要确保我国的铝工业未来得到持续发展，产品质量达到世界 领先水平，降低产品能耗，减少环境污染，就必须萤规铝箔退火炉整体技术的发 展，研究与创新，进行退火炉温度控制系统的研究意义主要体现在以下几个方面： 1 节约能源。退火炉是高耗能设备，由于目前能源形势严竣，因此节能是 退火炉未来发展的方向。本系统采用先进的c y c ( 周波过零) 控制方式，提高 了电源利用率，节约了能源。 2 提高产品质量。满足工艺要求，保证加热工件质量是退火炉的根本。有 些工厂因无科学的加热制度，虽然生产的工件表面精度达到要求，但内部金相组 织却不符合技术标准。一些工件加热温度不均，工件在炉内停留时间过长，造成 工件过烧、性能不均匀等，严重影响产品质量。本系统采用先进的模糊自整定 p i d 控制器，提高了温控精度和炉内温度的均匀性，从而铝箔的退火质量。 3 保护环境。环境保护是全人类都关心的话题，只有保护环境才能实现可 持续发展。使用燃油、燃气型退火炉，在退火过程中燃料燃烧产生大量的烟尘、 c 0 2 、s 0 2 、n o 等污染物，对大气造成严重污染。本控制系统在采用电加热的基 础之上，减少能耗，保护好了环境。 8 硕士学伊论文 第一章绪论 1 4 课题来源、研究内容 ，4 1 课题来源 本课题柬源于中南大学教育部铝合金强流变技术与装备工程中心的项目“高 效节能铝箔退火炉的制造” 1 4 2 主要研究内容 ( 1 ) 2 0 吨铝箔退火炉控制系统的硬件设计 1 退火炉控制系统的总体设计； 2 风机控制系统的设计； 3 加热系统，温度采集系统的设计； 4 炉门控制系统的设计； ( 2 ) 温度控制系统的软件设计 1 p l c 监控软件的设计； 2 触摸屏人机界面的软件设计 ( 3 ) 温度控制器的设计与研究 1 退火炉p i d 闭环控制系统： 2 退火炉模糊参数自整定控制器的设计。 ( 4 ) 退火炉工业控制局域网的研究 1 p t c 主站，p l c 从站、触摸屏，协议总线桥脚的p r o f i b u s - d p 局域网； 2 协议总线桥，智能电度表、2 台循环风机变频器，负压风机变频器、吹洗 风机变频器问的r s - 4 8 5 局域网。 ( 5 ) 工业实验 1 烘炉过程中升温温度曲线、保温温度曲线、炉内各白偶点温度均匀性、 其他一些参数； 2 带料加热过程中整个退火工艺曲线。 9 硕士学位论文第二章退火炉温嚏控制系统的硬件及软件设计方案 第二章退火炉温度控制系统的硬件及软件设计方案 针对目前铝箔退火炉温度控制精度较低、铝箔加热不均匀、能耗大、可靠 性差等一系列不足之处。本文设计了一种新型温度控制系统。这种控制系统采用 f c s ( 现场总线控制系统) 方式，能够使控制系统具有较好的动、静态特性；通 过c y c ( 周波过零) 输出控制反并联晶闸管模块，能够提高退火炉温度调节精 度和电源利用率，节约能源；同时采用变频器控制正、负压排气系统和循环风机 风机，提高铝箔质量和退火炉的安全性。 本文在这一章中对温度控制系统的硬件和软件进行详细的设计，并且在华 西铝箔厂退火炉上应用该控制系统进行了工业现场控制。理论分析和实际控制结 果表明，该控制系统具有良好的控制精度和动态特性，安全性、可靠性高，节能 效果显著。 2 1 退火炉控制系统的硬件设计 2 1 1 控制系统的组成 该控制系统工作于环境恶劣、干扰强的工业现场，控制系统的高可靠性是 该系统能够稳定工作的基础。本文根据系统的控制方式及现场工艺要求，采用西 门子s 7 3 0 0 作主控制器，设计内容包括可控硅加热控制、炉门控制、风机控制、 温度采集等子系统组成的p l c 控制系统，其硬件结构如图2 1 所示。 ( 1 ) 控制系统总体说明 2 0 吨退火炉由2 4 支卡口式电阻加热器，二台循环风机，炉门升降机构，供 风装置，负压系统等组成。全炉分为两个加热区。采用电加热方式，在两侧墙上 装有2 4 支卡口式电阻加热器，单支加热器的功率为2 5 k w ，通过晶闸管模块进 行控制、p l c 系统对加热状态进行实时控制。 炉子退火周期分为升温( 包括吹洗) ，差温加热，比例控制，保温和冷却五 个阶段。控制采用程控器进行控制，同时控制柜上装有智能仪表作为备用，一旦 程控器出现故障，可以用智能仪表完成退火过程。 循环风机、吹洗风机和负压风机采用变频器控制。 用于炉温控制设计三支热电偶。循环风机冷却水压与水温设计超限保护与 i o 硕士学付论文 第二章退火炉温度控制系统的硬件及软件设计方案 报警，退火阶段有灯光指示、故障指示与报警。 口2 l 开关开关榭h i 图2 1 温度控制系统硬件结构框图 ( 2 ) s e m 暇n sp l c s 7 3 0 0 是西门子公司推出的新一代自动控制系统，具有可靠性高、体积小、 扩展方便，使用灵活的特点它足模块化中型p l c 系统，能满足中等性能要求 的应用【硌1 尤其是其良好的性价比。使之得到广泛的应用 与o r m o n 公司的c 2 0 0 h g ，三菱公司的a n s 系列等中型p l c 相比较， s 7 - - 3 0 0 具有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，s t e p 7 结构化编程将复杂 的的任务分解为一系列小任务，简化了编程难度。 由于在企业现场退火炉炉体与控制室之间有大约3 0 米的距离，因此本系 统选用了带从站功能的c p u3 1 5 - 2d p 。在从站e t 2 0 0 m 中配置了：开关量输 入模块和输出模块，用来控制炉门的升降、炉门气缸的动作、炉门安全销的动作、 炉体上各种仪表和传感器的检测等等：模拟量输入模块，用来采集一区，二区 的炉气温度和铝箔温度从站的使用一方面可以减少炉体和控制柜问电缆的使 用，另一方面能够避免温度模拟量信号在长距离传输过程中的干扰 根据系统要求，p l c 总体配置如下1 4 9 1 ，其结构框图见图2 - - 2 。 s m a l l c $ 7 - 3 0 0 主站： 1 电源模块：选用p s 3 0 7 1 0 a ； 2 中央处理模块( c p u ) ：选用c p u 3 1 5 - 2d p ： 3 数字量输入模块( d i ) ：s m 3 2 1 ( d 1 3 2 x d c 2 4 v ) ，共两块( 3 2 点块) ， 硕士学位论文 第二章退火炉温度控制系统的硬件及软件设计方案 处理6 4 点输入信号； 4 ，数字量输出模块( d o ) ：s m 3 2 2 ( d 0 8 r e l ) ，共两块( 8 点块) ，处 理1 6 点输出信号； 5 数字量输出模块( d 0 ) ：s m 3 2 2 ( d 0 1 6 xr e l ) ，共一块( 1 6 点块) ， 处理1 6 点输出信号： 6 模拟量输出模块( a o ) ：选用s m 3 3 2 ( a 0 4 x1 2 b i t ) ，共一块( 4 点块) ， 处理8 点输出信号； 7 以太网模块：选用c p 3 4 3 - - 1 一块。 s m a t i cp l c 从站： 1 电源模块：选用p s 3 0 7 5 a ； 2 总线接口模块：i m l 5 3 1 ； 3 数字量输入模块( d i ) ：s m 3 2 1 ( d 1 3 2 x d c 2 4 v ) ，共一块( 3 2 点块) ， 处理6 4 点输入信号； 4 数字量输出模块( d o ) ：s m 3 2 2 ( d o l 6 r e l ) ，共一块( 1 6 点块) ， 处理1 6 点输出信号； 5 模拟量输入模块( a 0 ) ：选用s m 3 3 1 ( a 1 8 1 2 b i t ) ，共一块( 8 点块) ， 处理8 点输入信号。 图2 2 程控器模块配置图 硕士学伊论文 第二章退火炉温度控制系统的硬件及软件设计方案 2 1 2 加热系统设计 ( 1 ) 加热控制系统设计 p “ll - 广一 口 召誉 ”e 卜 l - ”。凹 l ” 卜 z 芦嚣嘻 c t 坩雕 厶畚 l ! j 1 口i i 一扫斟 = a 1 5 嚣 口。 l p l 二j 一 茸：锤 l 智能仪表p - l ，1 一， 3 “ 卜 z 一扫卜- j 挂材 图2 - 3 晶闸管控制信号图 加热器供电及控制系统：2 0 吨铝箔退火炉分为两个加热区，每个区有1 2 根卡口式加热器。由于铝箔退火工艺的要求，我们将每区的加热器分为两组，用 晶闸管模块单独控制。而晶闸管模块对加热器的控制又是通过p l c 的模拟量输 出模块控制周波控制器、触发器来实现的。当p l c 出现故障，可以用智能仪表 来控制，见图2 - - 3 。 晶闸管模块的输入控制方式有两种：周期过零式( p w m 占空比控制) 和周 波过零式( c y c 变周期) 。 1 p w m 输出：在固定的时间内，改变通断比例。例如：5 0 0 时，负载电流 为固定的时间内通一半断一半 2 c y c 输出：负载电流将按正弦波均匀分布，例如：5 0 时，负载电流通 一个断一个 本加热系统设计采用先进的周波过零式方式。由于负载电流的通断是按正 弦波均匀分布，多台设备运行的随机性和叠加性，所造成的总动力负载电流相对 是均衡的，它能够提高调节精度和电源利用效率以及可以避免打表针和电力设备 增容，节电效果十分明显。 ( 2 ) 晶闸管保护系统设计 加热器系统中晶闸管模块的保护设计尤为藿要，晶闸管模块的过流、过压、 硕士学位论文 第二章退火炉温度控制系统的硬件及软件设计方案 超温等会