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坝l 论义 剐带炉控制系统的设计与应用研究 y 6 241 8 4 中文摘要 大多数工业监控应用系统需要较高的性能、可靠性和实现对较大范围的现 场变量进行测控的分柿式控制网络。由于恶劣的工业现场环境和日益复杂的工业 过程控制要求，传统的继电器控制方式已不能满足系统的性能要求，d c s 系统可 以达到实际控制的性能要求。 本文基于工程实际，在分析了集散型控制系统特点的基础上，针对网带炉 的特点，提出了基于集散型控制系统的解决方案。该系统由上位机和下位机组成， 其中上位机用作系统监督和通信，下位机用于数据检测和设备控制。 写论文期间主要做了以下工作： 1 分析了工、i k 现场分布式控制系统的构成，并详细叙述了d c s 的特性和 系统设训过程； 2 基于p i d 算法，重点对积分分离p i d 和模糊p i d 复合控制算法在系统 中的应用进行了研究； 3 讨论了基于虚拟仪器的故障诊断方法，并介绍了g e n i d a q 和l a b v i e w 通过d d e 实现数据交换的方法。 关键词：网带炉自动控制控制系统( d c s ) 侦 j 硷义网带炉控制系统的改计与应用研究 a b s t r a c t m o s ti n d u s t r i a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o la p p l i c a t i o n sr e q u i r eh i g hp e r f o r m a n c e a n dr e l i a b i l i t y ，a n dad i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r ea l o n gw i t ht h ea b i l i t yt om o n i t o ra n d c o n t r o law i d er a n g eo fi o p o i n t s o w i n gt o t h eh a r s he n v i r o n m e n ta n dc o m p l e x i n d u s t r i a lr e q u i r e m e n t so ft h ep r o c e s s ，t r a d i t i o n a lr e l a yc o n t r o ld i dn o tm e e ts y s t e m s p e c i f i c a t i o n s t oa c h i e v et h ep r o j e c t so b j e c t i v e s ，d c si sn e c e s s a r y t h i s p a p e rh a sm a d ear e s e a r c hd e v e l o p m e n to ft h ed c so ft h em e s h b e l t f u m a c eb a s e do naa c t u a lp r o j e c t b ys t u d y i n ga n da n a l y z i n gd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，as m a l ld c sw i t hu p p e r c o m p u t e ra n dl o w e r c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t h e u p p e r - c o m p u t e r i st h es u p e r v i s o r ys t a t i o no ft h ew h o l es y s t e m ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o r m a n a g e m e n to fd a t a a n dc o m m u n i c a t i o n 。t h el o w e r - c o n t r o l l e ri su s e df o rd a t a a c q u i s i t i o na n dc o n t r o l l i n gd e v i c e s w h e nw r i t i n gt h ep a p e r , t h ef o l l o w i n gw o r ki s d o n e 1 a n a l y z e st h ec o n s t r u c t i o no f t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e ma n dd e s c r i b e dt h e f u n c t i o nd e s i g na n d d e v e l o p m e n t o fd c si nd e t a i l 2 o nt h eb a s eo ft h ep i da l g o r i t h m ，t h em o d i f i e dp i dc o n t r o l l e ra n dt h e p i d - f u z z yc o n t r o l l e ra r ea d d e dt ot h ec o n t r o ls y s t e m t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i sv e r ys a t i s f i e d 3 f a u l td i a g n o s i sb a s e dv i r t u a li n s t r u m e n t sf o re l e c t r i c a ls y s t e mi sd i s c u s s e d ，a n d am e t h o do f d d eb e t w e e ng e n i d a qa n dl a b v i e wi sg i v e n k e y w o r d s ：m e s h - b e l t f u r n a c e ；a u t o m a t i o nc o n t r o l ；d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ( d c s ) 倾卜论文网带炉控制系统的设计与府用珂f 究 1 绪论 1 1 论文的选题依据 金属热处理工艺就是将工件放在一定的介质中加热、保温和冷却，通过改变 金属及其合金表面或内部组织结构来获得预期性能的工艺方法。热处理基本工艺 方法包括退火、正火、淬火、回火和化学热处理。热处理时的加热工艺是极其重 要的环节这是因为工件在加热过程巾内部发生成分及组织结构变化的同时，还 使其表面状态、尺寸、形状发生变化。加热过程中形成的缺陷不仅关系到整个热 处理工艺的成败，而且还直接影响到工件的加工工艺和使用性能。不同的加热速 度、不同的保温时间和不同的冷却方式，就构成不同的热处理工艺。可见在热处 理t 艺中，温度的控制精度是决定热处理质量好坏的关键。 面对产品精度和生产效率的不断提高，设备的自动化程度也越来越高，使得 ：r 艺监测量也越来越多，参数的变化越来越快，以及生产中各控制对象之间复杂 的耦合关系等因素的影响，基于模拟调节器控制仪表的过程控制系统已难以完成 如此复杂的控制功能。 随着计算机技术的飞速发展，计算机在工业控制领域的应用越来越广泛，而 且由于微型机的价格越来越低，计算机控制也成为种经济、实用的控制方式， 建立在控制技术、计算机技术、通讯技术和电子技术等基础之上的分布式控制系 统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，在工业控制领域得到了广泛的应用。选用 合适的d c s 系统来改造网带炉的控制系统十分必要。 1 2d c s 控制系统的特点 d c s 控制系统是一类满足大型工业生产和日益复杂的过程控制的要求而产 生的，其基本思想是集中操作管理和分散控制功能，通过数字通信相互有机联系 的分布式多处理机结构。由于控制单元分散，也使系统的故障单元分解，从而使 整个系统的可靠性大大提高：且可以将各种监测控制、管理调度以及各种智能控 制仪表有机地集合起来，使整个系统的性能大为提高。 与一般的计算机控制系统相比，d c s 具有下列特点： 1 ) 松耦合的多处理机系统，可实现硬件积木化 d c s 在结构上是一种松耦合的多处理机系统，与以共享内存为基础的紧耦合 多处理机系统相比，它的通信量较少，分散的子系统自制性强，各个微处理机都 可以拥有自己的局部操作系统，所以系统配置上十分灵活。 2 ) 软件模块化 f 蛳l ：论文嘲带炉控制系统的殴计o j 应用研究 d c s 广泛应用于一系列的工业控制领域，尽管存在工艺和控制形式有所不 同，但从过程控制的要求来说，具有相当大的共性。d c s 为用户提供了丰富的软 件平台，并同现有广泛使用的软件有较好的兼容性，除了用户自定义控制模块( 算 法设计) 外，还提供了控制软件包、操作显示软件包、报表打印软件包等。 3 ) 网络化 通信矧终是d cs 的神经中枢，它将物理上分散配置的多台计算机和各种工 业现场的智能仪表有机地连接起来，实现相互协调，资源共享的集中控制。 4 ) 控制系统用组态方法生成 dcs 使用与一般计算机系统完全不同的方法生成控制系统，这就是所谓 “组念”。dcs 为用户提供了许多常用的运算和控制模块，控制工程师只需依 据工艺控制要求选择模块，并连接模块和参数配置的方式，进行控制系统的组态 即系统生成。 1 3d c s 控制系统的发展与应用h 5 1 1 3 1d c s 的发展过程 上世纪6 0 年代，计算机控制进入实用阶段，特别是6 0 年代后期，由于小型 计算机的出现，使可靠性不断提高，成本逐年下降，计算机在生产过程中的应用 得到了迅速发展。7 0 年代以来，高性能、低价格的微型计算机的大量推广，使得 计算机控制进入了一个崭新阶段。 随着工业产品种类的不断变化、质量的不断提高，工业生产过程变得越来越 复杂，需要更多的控制回路，单元生产控制过程集中化，这些因素促使人们开发 新的电动型测量仪表和控制设备。 7 0 年代开始，随着电子技术、微型机技术和控制技术的发展，相关产品的可 靠性、经济性和小型化，使得以微处理机为基础的集散控制系统得以形成并快速 发展。 d c s 控制系统是计算机控制系统的发展趋势之一，工业控制一般采用分布式 或主从式控制系统，它使用单片微机来进行直接数字控制，置于d c s 控制系统的 最底层，而用微型机或小型机作为上级计算机，完成协调各控制器的工作，优化 系统特性，采集数据等功能。 8 0 年代是d c s 广泛在工业生产控制中应用的时代，同时自动化仪表、智能 化不断出现，网络、通讯技术引入到自动控制系统中，友好的人机界面，工业视 频等成为工业自动化的重要手段之一。d c s 控制系统一般可分成三个层次结构 ( 如图1 1 所示) 。 坝。l + 论文网带炉控制系统的设计l j 应用研究 图1 1d c s 控制系统的层次结构 1 ) 直接测控级 对被控设备中的每个过程量和状态信息进行快速采集，满足过程控制系统所 需要的所入信息，同时还可以根据组态软件和控制软件直接对现场设备进行控 制。这一层上有多台微型机专用控制器、智能仪表或者p l c ，直接面对生产现场 的各类设备。 2 ) 过程控制级 这一层上主要有工程师站和操作员站。它综合监控直接控制级各站点的所有 信息，集中显示，集中操作，进行各控制回路的组态、参数设定和修改；以及在 过程参数希望值的基础上，通过数字控制策略，当现场条件发生变化时，经过过 程控制计算机的运算处理得到新的设定值和调节值，实现对现场参量的调节控 制。 3 ) 生产管理级 这一层一k 的管理计算机为决策者提供有关信息，并且通过网络实现与现场控 制计算机相连接，根据用户的订货情况、产品库存等情况来做出关于生产计划、 调度和管理的方案，使计划协调和生产管理处于最佳状态。 硕j 一论文刚带炉控制系统的设汁与戍用：i i 究 1 3 2i ) c s 发展趋势 随着市场对产品要求的多样化、高品质，而工业生产本身要求低能耗、低成 本，迫切要求自动化仪表高精度、高可靠，同时开发出功能更强、价格更低、可 靠性更高、维护性更好、网络化的分布式控制系统。 1 ) 现场控制单元 现场控制单元是一个包含一个或多个微处理器的电子线路器件和局部应用 软件的集合体，通过它可以实现对过程数据的采集与处理，并能进行连续控制、 逻辑控制、历史数据的存贮与检索等功能。 2 ) 先进的控制方法 先进的控制方法的应用是d c s 系统获得优越控制性能的重要保证，随着现代 各种控制理论的发展，如非线性控制，解耦控制、自适应控制、最佳控制、模糊 控制等在d c s 系统中的应用，可克服由于系统的时变性、不确定性及外部扰动的 随机性、不可检测等问题。 3 ) 高性能、标准化的通讯网络 通讯网络将d c s 各子系统组合成一个资源共享，功能强大的整体，它是d c s 各部分之问的桥梁。有效的网络系统使d c s 拥有一个强大、分散的数据库，使之 既可以实现分散控制功能，又能完成集中监视、管理的任务。基于以往d c s 厂家 采用封闭式的通讯体系结构，今后的发展应是采用统一的网络_ 协议标准和丌放式 的网络体系结构。 4 ) 计算机综合生产系统 日前，工业生产过程控制，不仅是限于在装置、车间或工厂范围的操作与控 制，而是要随着d c s 系统向计算机网络控制发展，将过程控制系统和信息管理系 统紧密结合起来，向计算机一体化生产系统发展。 1 4 控制系统解决的主要问题【8 】 由于淬火生产线的工艺过程是一个复杂的化学热处理控制过程，采用分柿式 控制系统完成整个生产过程的控制任务，从控制工艺的角度保证了调节的实施。 如何通过各热处理阶段参数的合理调整和控制，使得热处理工件获得所需的性能 是设计该系统首要解决的问题。 1 4 。1 淬火 钢的淬火可按加热速度、加热介质、热源条件和冷却方式不同而分成不同的 工艺，但不论何种工艺方法，都离不开加热、保温和冷却这三种基本过程。 顿卜论殳 网带炉控制系统的设计与应用研究 ( 1 ) 淬火加热温度的控制 加热温度主要根据钢的化学成分来确定。若温度过高，会引起奥氏体晶粒变 大，淬火后得到的是粗针状马氏体组织，会使钢的性能变差：若温度过低，则会 有部分铁素体不能溶入奥氏体，故淬火后的组织除马氏体外，还有铁素体在其中， 达不到完全淬火的目的。 ( 2 ) 加热保温时间的控制 保温时间通常是指仪表指示温度恢复到指定的淬火加热温度时起至工件出 炉的一段时间。保温时间是淬火工艺的主要参数之一，这一段时间要控制适当。 因为保温时间过长，易引起奥氏体晶粒变大，使淬火工件强度降低，脆性增加， 且工件表面易氧化、脱碳等。 ( 3 ) 淬火液温度的控制 对于热处理变形控制严格、韧性要求高的形状复杂的合金钢及高碳钢小型零 件，采用等温淬火法较为合适。淬火液的温度保持在一定范围内是获得优质淬火 件的重要保证。 1 4 2i 旦l 火 ( 1 ) 回火温度的控制 在实际生产中，一般是根据工件所要求的硬度来确定回火温度的，不同钢的 回火温度与硬度有不同的关系。通常随着回火温度的升高，钢的强度和硬度下降、 塑性和韧性提高，淬火应力逐步地消除。控制在合适的温度范围可得到不同的吲 火组织和性能。 ( 2 ) 回火时间的控制 回火工序中，回火时间有着三方面的作用，一是保证组织转变能充分进行； 二是降低或消除工件的内应力；三是使工件获得所需要的回火性能。 1 5 本文的主要工作 本文以中小型热处理设备为研究对象，针对目前热处理设备以模拟调节仪表 为主而构成的控制系统在故障显示、数据监测、工艺参数的调节性、优化控制， 远程监控等方面的不足，设计开发了基于智能仪表和计算机的控制系统，主要在 以下几方面进行了开发研究工作。 1 ) 分析了网带炉的工艺特性和控制要求，针对生产现场的特点，在充分考 虑d c s 系统的应用特性，如可靠性、实用性、维护性和经济性等方面在基础上， 确定了采用研华工控机、数据采集卡和g e n i d a q 组态软件： 硕卜论义网带炉控制系统的设计与应用研究 2 ) 设计了网带炉集散控制系统的硬件结构以及确定了各输入输出端口的信 号分配，选取了相关的接口卡、通讯卡等硬件： 3 ) 分析了网带炉生产工艺相关的电机传动和温度控制特性，针对不同控制 要求，设计了不同的工艺参数控制回路；针对炉温控制的时变性、滞后性和各参 数问的耦合性，设计了p i d 一模糊复合炉温控制策略； 4 ) 对系统的逻辑控制，动态工艺参数控制和控制策略进行了软件组态设计； 5 ) 基于模糊数学和虚拟仪器思想，应用l a b v i e w 软件丌发平台，构造了基 于模糊传感器的网带炉集散控制系统在线故障诊断方法，将d c s 组态软件、d c s 硬件、虚拟仪器和模糊传感器有机地结合起来，完善了集散控制系统在数据分析 和故障渗断方面的性能。 6 硕l j 论立网带炉挎制系统的设计与应用研究 2 系统的硬件构成 本系统是在原有仪表控制系统的基础上，对网带淬火炉生产线进行改造。由 于原有仪表控制系统控制精度低，实现各种热处理曲线较困难，且故障率高。故 采用计算机和智能仪表代替模拟式控制仪表电气控制系统，实现淬火炉的集中控 制。具有控制精度高、系统柔性化强、故障率低、可视性强等特点。 2 1 网带式淬火线简介1 8 】 2 1 1 结构简介 淬火工艺是通过加热、保温和冷却方法，使金属内部组织发生一定有规则的 变化，而使金属的性能发生变化，进而满足不同的工业需求的目的。 该网带式淬火炉由炉体、上料机构、加热炉、淬火油箱、网带传动、清洗机 和加热回火炉等部分组成，设备的结构简图如图2 1 示。 图2 1 网带式淬火线结构简图 1 、6 一网带传动机构2 一淬火加热炉3 一淬火槽4 一清洗机5 一回火加热炉 加热炉部分： 加热炉包括淬火加热和回火加热两部分，虽然加热和控温曲线不完全相同， 但炉体结构基本相似。采用上下加热方式，局部使用四面加热。加热元件由镍铬 电阻丝和瓷管、防护套组成，拆装方便。可根据热处理零件的实际需要，布置功 率，变换参数，合理调整。为了提高炉温均匀性，则在马弗炉与加热室之间保持 一定的距离，使热交换加速。 淬火油箱： 油箱的容量为4 0 0 0 升，并备有循环油泵和液面搅拌泵，使油箱不断循环， 两侧的加热器可将油温加热到8 0 0 c ，油温根据工艺可以调节，并在整个热处理过 坝l 。沧卫h t 廿炉稚制系统的啦l | 。，心用1 l j f 究 杯r fr 保持一陋定，这种措施可以保证淬火厉r j ：件变形小，硬f ! ! ：均匀。为了防【i ：油湖 过l 汕莉故符热交换器以降低油温，当油温超过设定值时，电磁阀即自动接通 冷却水源。当汕温恢复到殴定值又自动切断冷却水源。如果湘温继续升高，则汕 张 报警裟。n 报警。为：r 防1 “箱油位过低，装有油位报警器，当油位过低时j “牛 搬譬 + 并i _ ：j j 断f l _ _ l 源。 网带传动部分： 例带传动采用直流电机取动的调速机构，使删带速度在i j 作范围i ! l 连续”j 州，i 司时设有l u 机的扭矩检测控制装置，避免机械故障的发生。 水封部分： 网带从返网通道出来后经过一组变向滚自水。p 出来通向传动滚筒。网带的 il 神i 水卜，使外界申7e f i 会进入马弗炉。为了保证水f 讧1 i 致低丁警戒线，装订 水他撤麓器，以防l l j 空4t 进入：屿弗炉巾。泓的网带在进入炉体的经远红外烘j l 。 链斗式提升装置： 链斗式挝5 t 杖筠：其安裟时呈4 5 c 倾斜角，相应减少油箱的长度。提升：阱r 采川特殊加。t 链斗，可以保i | f 件从汕箱提取计使+ 厂r t ：m 料4 i 粘附在链i f 由农 i 玎，t 件不散进油箱。 清洗部分： 清洗机采用对清洗液加热，再山清洗泵实现清洗液的循环，从槽的卜部扪， 从l ：? d l l l 勺喷淋管中喷_ ，时清洗液经由油水分离器分离出带入的汕返回汕牟i f t i 继续使_ j l l 。 2 i 2 淬火工艺 矧2 2 为网带淬火生产线的工艺流程。 li i j 淬火 il 火 蚓2 - 2网带淬火线工艺流程图 淬火足将钢件：f i f | 热到a c 3 或a c i 以上粜一温度，保诅矗一定时问i f 亓适当述 发冷目j ，以获得马氏体或儿氏体组织的热处理i ：艺。钢什淬火可提高强度平耐廓 。陀。 砸f 论义网带炉控制系统的殴计与心用研究 回火是紧接淬火的一种热处理工艺，即将淬火件加热到a c l 以下的适当温 度，按要求保温一定时间后的冷却工艺。回火的目的是消除淬火产生的残余内应 力，提高工件韧塑性，获得良好的综合力学性能、稳定组织和尺寸。 2 2 工艺对电气控制系统的要求 本系统是用来对网带式淬火线的全电气有关量的集中控制。根据生产工艺要 求及厂家的需求，网带式淬火线计算机分布式控制系统应满足以下的控制要求： 2 2 1 淬火部分 加热炉体有三个加热区，加热功率为5 0 千瓦，采用先进的控制算法对炉温 进行高精度的控制调节，三个区( 加热l 区、如热2 区和加热3 区) 的温度可根 据工艺要求进行设定和恒温，并应有实时数据采集和显示、打印以及超温、失温 监控报警。 淬火油箱的温度可根据设定值进行调节，且当油温超过设定值时，冷却水电 磁阀工作，冷却水开始循环以冷却油温。即该控制系统能控制电磁阀自动接通交 换器，强制油温冷却，以保证淬火油箱温度正常。 网带传动采用直流电动机拖动，并采用无级调速控制仪实现无级调速，速度 可由上位机进行设定和显示，并用行程开关控制电磁阀，使炉底板返程。 淬火部分启动时，先运行网带提升装置，再运行网带传动装置，进而开动油 循环泵和油箱搅拌泵，油搅拌泵可根据需要实现高低速运转。 考虑到生产中的安全需要启动运行时，应有一定的顺序和联锁保护。停炉 后，油泵、搅拌泵应延迟一段时间后自动停转，并同时切断三相电源。 2 2 2 清洗、回火部分 清洗机有皂洗、漂洗、热风三个加热段，加热功率为3 8 k w ；回火炉有三个 加热区，功率为4 0 5 k w 。不同加热区的温度和方式应可控制，并能按设定值要 求进行温控和上下限报警。 清洗网带传送为双速电机驱动机械变速机构，可对皂洗泵、漂洗泵、热风风 机、回火炉循环风机，以及清洗机皂洗、漂洗液面均实现一定控制规律的自动和 手动控制。 根据生产实际情况，为保证安全生产，该淬火线具有多种类型的保护和报警 功能：关键部位的电压欠压和失压报警、各加热区域的超温和失温报警、电机的 断相和过载报警、油位和水位过低报警等。 9 砸1 论文时带炉控制系统的设计与应用研究 2 3 系统的设计原则 可靠性 计算机控制系统由于应用于工业现场的过程控制，生产中的湿度、灰尘、电 磁辐射、温度等恶劣环境，使得在进行d c s 系统设计时，从各方面进行综合考虑， 确保系统的安全可靠性。 先进性 计算机控制系统综合运用了计算机技术，通信网络技术、自动检测技术和控 制技术，采用高性能的计算机控制产品是确保控制过程具有先进性能的首要条 件，其次还应具有先进的控制策略才能实现高精度的过程控制。 可操作性 可操作性表现在两个方面，即使用方便和维护方便。 使用方便体现在操作简单、直观、便于掌握，不一定要求操作人员掌握计算 机知识，并要充分考虑操作人员原有的习惯和经验。 维护方便体现在易于查找故障和排除故障，这就要求采用标准的模块式结 构，应具有一定的故障诊断和状态显示功能。 可扩充性 系统在设计时，应充分考虑现有生产工艺和条件，同时还应考虑企业今后的 生产发展和网络通讯需求，系统应有一定的扩充余地。 2 4 系统构成框图【5 】 计算机实时控制系统是能够对工业生产过程实施实时控制的系统。一个计算 机实时控制系统，必须具有实时数据采集功能，因为只有在此功能的基础上才能 够实现实时决策，从而实施实时控制。计算机控制系统构成框图如图2 3 所示。 计算机与状态变量的界面为状态变量输入接口，包括过程模拟量输入接口和 过程数字量输入接口。工业生产过程或工业装置有各种各样的、物理性质不同的 模拟量信号，如电压、电流、温度等。为了把这些模拟信号读入到计算机中，首 先需要通过相应的传感器进行检测并利用变送器进行变换，使它们变成与计算机 所需要的电平相适应的电量信号。另外，反映一些开通还是关断状态的开关量信 号、数字检测仪表所测量到的数字量信号也需要读入到计算机中。 o 硕vj 论立 网带炉控制系统的设计与应用研究 t m 现场千扰量 图2 - 3 计算机控制系统组成框图 计算机与控制变量的界面为控制变量输出接口。包括过程模拟量输出接口和 过程数字量输出接口。工业控制计算机系统的控制作用，主要体现在当出现扰动 时，计算机可以通过执行机构来调节操作变量，使受控变量保持在预先所期望的 状态或保持在预所期望的数值范围内。 2 5 系统功能 计算机控制系统的一个重要作用是实时采集现场对象工作状态的参数，即测 量各种被测的物理量和开关量。 控制系统应完成将采集到的各种信号变换成计算机能够接收和使用的形式， 然后送入上位机进行运算和处理，生成可视画面和数值图表，如生产过程出现异 常隋况，则及时给出报警指示和处理；同时，控制系统还应能依据优化控制策略 实现对某些工艺参数的实时控制。 本控制系统的主要功能如下： 1 ) 监测功能 采用棒图、数值显示图、实时趋势图等构成电流、压力、温度等集中参数显 示画面，对设备的各种参数进行控制和监测。 2 ) 数据处理功能 系统可自动对采集的信号进行运算处理。上位机对前端进行周期性采样，采 样周期可以根据用户的要求在线设置。系统的采集前端具有智能化功能，对采集 信号进行预处理，完成消噪、滤波、工程单位转换、线性补偿等功能，并根据数 倾r j 一论文网带炉控制系统的设计与应用研究 据处理结果输出相应控制量。 3 ) 系统参数设定 浚画面可以用来依据实际生产情况的变化，通过对控制回路的参数设定，达 到最佳控制效果。 4 ) 故障报警 操作台以画面方式和声光信号方式对各种参数越限或设备异常情况进行报 警。系统提供在线修改报警限值和报警记录查询等。 5 ) 打印管理功能 系统参数和监测点数据可在一定的时间范围内查询，以便掌握一定时间内设 备运行与生产情况，报警信息和监测数据可按一定的要求随时打印或定时打印。 2 6 系统的i o 配置 2 6 1 淬火部分 ( 1 ) 淬火炉生产线的启动与停止信号，启动整条生产线电源，执行机构为 三相自动断路器，开关量信号输出( 1 个端口) ； ( 2 ) 三相电源电流和电压检测，检测元件为电流互感器和电压互感器，模 拟量信号输入( 6 个端口) ； ( 3 ) 控制回路电压检测，检测元件为电压互感器，模拟量信号输入( 1 个端 口) ： ( 4 ) 加热区温度控制：加热1 区、加热2 区、加热3 区温度检测，检测元 件选择热电偶，模拟量输入信号( 3 个端口) ；电流及断相检测，检测元件为电流 互感器，模拟量输入信号( 6 个端口) ；温度控制，执行元件为大功率调压组件， 模拟量输出信号( 3 个端口) ： ( 5 ) 油循环箱温度控制：油温检测，检测器件为热电偶，模拟量输入信号 ( 1 个端口) ；油温控制，执行器件为大功率调压组件，模拟量输出信号( 1 个端 口) ；电流及断相检测，检测元件为电流互感器，模拟量输入信号( 2 个端口) ； 油位指示，检测元件为液位开关，开关量输入信号( 1 个端口) ： ( 6 ) 油循环泵控制：启动与停止控制，执行器件为接触器，开关量输出信 号( 1 个端口) ；电流及过载检测，检测元件为电流互感器，模拟量输入信号( 2 个端口) ； ( 7 ) 搅拌泵控制：启动与停止控制，执行器件为接触器，开关量输出信号 坝i ：论义嗍带炉控制系统的设计与应用研究 ( 1 个端口) ；速度控制，执行机构为交流电源变频器，模拟量输出信号( 1 个端 口) ；电流及过载检测，检测元件为电流互感器，模拟量输入信号( 2 个端口) ； ( 8 ) 网带提升电机控制：启动与停止控制，执行元件为接触器，开关量输 出信号( 1 个端口) ：电流及过载指示，检测元件为电流互感器，模拟量输入信号， ( 2 个端口) ： ( 9 网带传送电视控制：启动与停止控制，执行元件为接触器，开关量输 出信号( 1 个端口) ；速度反馈信号，检测元件为脉冲编码器，脉冲量输入信号( 1 个端口) ；速度无级调节，执行机构为直流电源驱动器，模拟量输出信号( 1 个端 口) ；电枢回路电流检测，检测元件为电流互感器，模拟量输入信号( 1 个端口) ； 砺磁回路电流检测，检测元件为电流互感器，模拟量输入信号( 1 个端口) ； 2 6 2 清洗、回火部分 ( 1 ) 三相电源电流和电压检测，检测元件为电流互感器和电压互感器，模 拟量信号输入( 6 个端口) ； ( 2 ) 回火1 、2 、3 区温度控制：温度检测采用热电偶，模拟量输入信号3 个：温度控制执行器件为大功率调压组件，模拟量输出信号3 个： ( 3 ) 循环风机m l 、m 2 和m 3 的控制，采用固态继电器驱动，3 个开关量信号 输出； ( 4 ) 皂洗、漂洗温度控制：温度检测采用热电偶元件，模拟量输入信号2 个；温度控制的执行元件为固态继电器，开关量信号输出2 个： ( j ) 热风控制：热风风机启动信号开关量输出1 个，驱动元件为固态继电 器：热风温度检测采用热电偶元件，模拟量信号1 个；热风温度控制的执行元件 为固态继电器，开关量信号1 个； ( 6 ) 回火网带、清洗网带传动采用交流电机，变频调速，开关量输出信号 和模量输出信号各1 个； ( 7 ) 皂洗泵l 、2 和漂洗泵1 、2 均为交流电机，开关量输出信号4 个，执 行元件为固态继电器； ( 8 ) 皂洗液位指示采用无触点感应开关，开关量输入信号端口1 个； ( 9 ) 各种故障检测信号，如加热回路断相、过载，电机缺相、过载等信号 检测，其基本配置同淬火部分 2 7 系统的分布式结构图“”“1 ”“”“2 瑚“2 ”“”。“ 在d c s 控制组态的硬件设计时，首先它与仪表的一二次检元件、变送器和执 颂：十论文网带炉控制系统的设计与应用研究 图2 4 系统结构框图 行机构的选择有十分密切的联系。例如，8 c s 的温度信号可以是温度检测元件直 接引入，也可以是经变送器引入；执行机构可以由标准电压信号驱动，也可以由 标准电流信号驱动。在d c s 选用时，应对仪表、变送器和执行机构等部件、传送 用电缆和d c s 输入输出部进行全面的考虑。从工艺的合理性、投资的经济性、运 颂l 论义网带炉控制系统的设计与应用研究 行的可靠性、维护的方便性等方面进行综合地分析。 网带式淬火炉的计算机分布式控制系统( d c s ) ，整个系统以1 台p c 机作为 操作站和多个d c s 基本控制器。上位机和下位机之间r s 一4 8 5 标准总线协议组成 一个完整的d c s 控制系统。上位机选用带r s 一4 8 5 串行通讯接口的工控机，也可 采用一般p c 机，只需在r s 一2 3 2 接口上增加一上r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 转换器。上位机 ( 最高级) 采用工控机作集中控制，实施上位监视和控制。上位机主要完成应用 软件组态，实施上位监视和控制，包括构建系统连接图和控制算法，以及进行一 些基本的硬件配置( 如采样通道的选择等) 。在系统使用组态后的控制策略运行 时，p c 机还负责将采样数据用波形或数字的方式显示出来，并实时保存在文件和 数据库中，允许操作员随时查看历时数据。另外，在系统运行异常时，记录报警 信息；基于微处理器的控制器主要完成数据采集以及根据p c 机下达的指令执行 相应的控制操作。下位机采用智能化数字仪表等，通过它可以实现对过程数据的 采集与处理，并能进行连续控制、逻辑控制、历史数据的存贮与检索等功能，进 而实施分散控制。为确保系统的高可靠性，d c s 系统应既可由上位机控制管理， 也可降至控带4 柜面板分散控制或手动控制。综合各种因素，确定了淬火炉生产线 的计算机分布式控制系统结构框图如图2 - 4 所示。 2 7 1 网络通信协议 通信网络将d c s 各子系统组成一个资源共享，功能强大的整体，它是d c s 各 部分之间的桥梁，有效的网络系统使d c s 拥有一个强大的分散数据库，使之既可 以实现分散控制功能，又能实现集中监视、管理的任务。 d x 麟 d x 础 xl i 】【 i 图2 - 5r s - 4 8 5 多点互联方案 在许多工业环境中，要求用最少的信号线完成通信任务，目前在d c s 局域控 制网络中广泛应用的r s 一4 8 5 串行接1 ：3 总线正是在此背景下形成的。r s 一4 8 5 串行 倾t 论文网带炉控制系统的设计与廊用研究 接口的电气标准实际上是r s 一4 2 2 的变型，它属于七层o s i 模型物理层的协议标 准。其互连方式如图2 5 所示。 r s 一4 8 5 标准采用平衡式发送、差分式接收的数据收发器来驱动总线。在发送 端t x d 将串行口的t t l 电平信号转换成差分信号a 、b 两路输出，经传输后在接 收端将差分信号还原成t t l 电平信号。 由于r s 一4 8 5 只需一对双绞线即可实现通讯，具有抗干扰能力强、传送距离 远的特点，将多站互联的设备组网构成分布式控制系统非常方便，还可节省昂贵 的信号线，因而在分布式控制领域得到了广泛应用。 2 7 2 网络拓扑结构 系统的网络拓扑结构如图2 6 所示。通过r s 一4 8 5 网络实现p c 机与a d a m 模 块之间的数据通讯。 a d a m 智能模块之间完全隔离，仅通过一对双绞线接收和发送信息，所有网络 设备的接点采用并行方式，因而任一接点的接入或断开不影响整个网络的运行。 网络由作为上位机( 主机) 的p c 和作为下位机( 从视) 的智能控制模块组成， 上位机( p c ) 为命令的产生者，带有地址的下位机( a d a m 模块) 为响应者，通讯 采用轮询方式进行，因而不会产生冲突。即开始时所有从机复位，处于监听状态， 等待主机的呼叫；当主机需要与某一从机进行通讯时，首先向网络发出一包含该 从机地址的命令帧，所有从机从网络中接收信息后，将接收到的地址与自身地址 相比较，如果相符说明主机在呼叫自己，应发回答信号，即建立了通信联接。 絮髓嚣 图2 6 网络拓扑结构 陔控制系统的上位机可以通过工业以太网协议同工厂管理计算机实现数据 1 6 坝l 论文劂带炉控制系统的设计与应用研究 交换，构成工厂级计算机管理系统的下位机，此项功能在系统设计时己经考虑到 今后的扩展需求。 2 7 3a d a m 4 0 0 0 模块 随着微处理器技术的发展，在d c s 控制系统中，内置微处理器的智能型测控 模块得到日益广泛的应用。台湾研华公司的a d a m 系列数据采集模块，以其合理 的结构，较高的性能价格比，逐步得到用户的认可。不同功能的a d a m 模块配以 完成管理控制功能的上位机及通讯线，就可构成一个完整的分布式控制系统，实 现对工业生产过程的检测和控制。 a d a m 一4 0 0 0 系列模块是一种内置微处理器、变送器和计算机接口的智能设备， 用户可以通过计算机以及r s 一4 8 5 通讯协议，发出a s c 码专用命令集对模块进行 遥控。本系列模块具有信号调理、隔离、量程调整、a d 和d a 转换、数据比较 及数据通讯等功能，某些模块还可以数字量i o 控制继电器及t t l 器件。 a d a m 模块的配置参数包括i o 地址，速率、奇偶位、上下限报警等，所有这 些参数均可以通过上位计算机远程设置并存入e p r o m 存储器中，这样即使在掉电 情况下，也能保证这些参数不丢失。 本系统中采用的a d a m 模块类型： a d a m 一4 5 2 0 ：通讯模块( r s 一4 8 5 r s 一2 3 2 转换器) ，用于实现无r s 4 8 5 计算机 的通讯协议模式转换； a d a m 一4 0 5 0 ：数字量i o 模块，实现开关量信号的输入和输出： a d a m 一4 0 1 8 ：模拟量信号输入模块，主要用于电流、电压和温度的模拟信号 测量，该模块用于温度测量时，可以直接同热电偶相连。 2 7 4a d 删5 0 0 0 模块 a d a m 5 0 0 0 是研华公司生产的基于p c 的可编程微控制器，内置c p u 、r o m - d o $ 操作系统、2 5 6 k bf l a s hr o m 、2 5 6 k bs r a m ，具有r s 4 8 5 和r s 2 3 2 通讯接口，可 独立完成数据采集与控制。a d a m 5 5 1 0 提供了输k 输出、通信和电源的隔离功能， 内建实时时钟和看门狗定时器。实时时钟可记录事件发生的时刻，看门狗定时器 在系统死机时，能复位处理器，减少系统的维护工作。a d a m 5 5 1 0 有4 个插槽，可 以根据需要，插入不同功能的a d a m 5 0 0 0 系列智能i o 模块，最多可采集6 4 个 i o 点。 本系统中采用的a d a m 5 0 0 0 系列i o 模块有： a d a m 5 0 1 8 ：7 通道模拟量输入模块，可直接同热电偶连接，用于炉温的温度 m ! i 地上l q 带炉榨制系统的i 韭计1 ，心用i i j 究 榆测。输入电信号模式和范可以没定，并具有温度晟示； a d a m 5 0 2 4 ：4 通道模拟壤输出模块，几j 输出标准o - 2 0 m a ，o - l o v 的模拟罱信0 作为实现炉温温度控制的人功率电力电子组件的输入信号； a i ) a m 5 0 5 0 ：1 6 通道通用输入输出模块，用于液位限位等丌荚量信号的输入硐i 输呵龃接同无触点丌关或同态继电器相联。 2 7 5 模拟量输入输出卡 i c i 。一8 1 8 ：改板卡川以提供一个1 2 位的d a 输出接u ，1 6 个单端或8 个麓分 d 输入端1 _ 1 ，以及1 个1 m 的频率输入端il 。馋个端l l 可以对其输出电流或i 乜 j k 信i ! ： 范幽进行没胃，具有信号隔离i 【l 路，适用于：f 业现场。该卡此处作为网，淞 传送i u 机无级调速的转速测：矗和控制信号输入输端口，通过计算机内部算法实 现闭环控制。 2 8 软件结构 控制系统软件包括系统软件、支持软件和应_ l _ i j 软件三个部分。 软 件 r 操作系统 系统软件_ l 系统通信 支持软仆 圣差差兰兰三耋薹善 r 实时数据采集 l 数据处理 r 数据监测程序 1 6a n dm y t a 9 7 = lt h e n m y t a 9 8 = 1 o u t p u t i1 e l s e m y t a 9 8 = 0 o u t p u t i0 e n d i f e n d i f e n ds u b ( 2 ) 清洗、回火部顺序控制流程 根据设备的工艺控制要求，确定清洗、回火部分顺序启动流程如图4 4 所示。 同淬火炉相似，启动系统后，首先开启3 8 0 伏总电源，在无报警信号情况下， 延时接通各交直流控制电源，系统处于准备运行状态。 根据热处理件的工艺特点，选择皂洗漂洗方式、回火区温度曲线、保温日寸间、 上下限报警值等工艺参数。通过显示画面中的按键首先启动回火炉循环风机和热 风风机，清洗机和回火炉进入正常运行和加热准备状态。 此时系统温控策略开始运行，当回火1 区、2 区、3 区以及皂洗漂洗液温度 低于设定值时，则系统自动地按编程控制策略分别接通各自加热控制回路电源， 并按照预先编制的控制策略实现各温控点的温度控制。 硕士论文网带炉控制系统的设计与应用研究 图4 - 4 清洗机、回火炉顺序控制流程图 4 2 2 积分分离p i d 控制组态 采用积分分离的pid 控制，能有效地降低过调时间，提高控制质量。当控 倾卜论文网带炉控制系统的设汁与应用研究 制偏差大于某一限值时，采用pi 控制，使偏差迅速减小：当偏差在有限值范围 内时，控制系统自动切入pid 控制。实现上述分阶段控制算法的系统组态功能 如图4 5 所示。 图4 5 积分分离p i d 控制组态图 上图中v r 7 为常数设定标签，v r 8 为比例系数标签，v r 9 为积分系数标签， v r l 0 为微分系数标签，p i d 为标准p i d 算法，a i 为模拟量输入，a o 为模拟量 输出。输入模块把由系统的数据采集环节从外部获取的一个变量值输出给后续模 块。s c r 6 通过算法实现将输入反馈值与设定值进行比较，确定是采用pi 控制 还是采用pid 控制模式。 以下为p i d 控制组态scr6 部分程序： d i maa s t a g d i mba s t a g d i mca s t a g d i mda s t a g d i mea s t a g d i mf a ss i n g l e d i mga s t a g s e ta = g e t t a g ( “d i s p 2 , n c t l l ”) s e tb = g e t t a g ( “d i s p 2 ”，”n c t l 2 ) s e tc = g e t t a g ( “d i s p 2 , n