热处理加热炉电气控制系统设计论文

1信息与电气工程学院课程设计说明书（2012 /2013 学年第 二 学期）课程名称 ： 可编程序控制器课程设计 题 目 ： 热处理加热炉电气控制系统设计 专业班级 ： 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 设计周数 ： 设计成绩 ： 2013 年 6 月 28 日21、程设计目的（1）了解掌握 PLC 控制系统的常用编程思路、程序功能。 （2）了解热处理加热炉的结构和工作过程（3）掌握 PLC 控制程序对热处理加热炉电气的控制2 课程设计正文2.1 设计原理通过 PLC 控制电机 M1 和电机 M2，实现对物品加热进出炉，炉门开关的要求，对加热保温阶段采用 PID 控制2.2、设计内容2.2.1 加热炉原理加热炉具有热量传递过程。热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备，首先由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，主要通过辐射传热将热量传给管壁，然后由管壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的 70%80%，而在对流段获得的热量约占热负荷的 20%30%。因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获取对象特性是很困难的。加热炉的对象特征一般基于定性分析和实验测试获得。从定性角度出发，可以看出其传热过程为：炉膛炽热火焰辐射给炉管，经热传导、对流传热给工艺介质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛，它具有较大的热容量，故滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的被控对象。根据若干实验测试，并做了一些简化，可以用一介环节加纯滞后来近似，其时间常熟和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关。炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。加热炉进料一般分为几个支路。常规的控制方法是：在各支路上安装各自的流量变送器和控制阀，而用炉出口总管温度来调节炉用燃料量。这样的调节方法根本没有考虑支管温度均衡的控制，支管温度均衡的控制由操作工凭经验根据分支温差来调节分支流量差。这种人为操作显然无法实现稳定的均衡控制，往往是各支管流量较均衡，而分支温度有相当大的差异，某一炉管因局部过热而结焦的可能性很大。为了改善和克服这种情况，需要采用支路均衡控制方法。近年来出现的差动式平衡控制、解藕控制以及多变量预测控制等方法能够收取一定的效果。其中差动式方法不仅效果不错，而且实现简单，操作简便，对于长期运行有一定的优势。另外，针对系统的非线性、强耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能实现较好的控制。32.2.2PID 控制在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。42.3 设计要求1.初始状态：电炉不通电，电机不通电，小车停在炉外 SQ3 位置（SQ3 亮，SQ4 灭） ，炉门关闭（SQ2 亮，SQ1 灭）2.按下启动按扭，电机 M2 正转，炉门打开（SQ2 灭）3.炉门完全打开（SQ1 亮）后，电机 M2 停转。同时启动 M1 正转（SQ3 灭） ，运送工件的小车向炉膛内运动。4.小车到达炉膛内 SQ4 位置后（SQ2 亮） ，电机 M1 停转。同时启动 M2 反转（SQ1 灭）5.当炉门完全关闭后（SQ2 亮） ，电机 M2 停转。6.加热：给炉膛内的加热电炉丝通入最高电压，工件开始加热。7.保温：当工件温度达到社顶温度（摄氏度）的 95%时，转入保温阶段。保温阶段采用 PID 控制。用 PLC 内置的 PID 功能实现。8.保温 12 秒后，关闭电炉丝停止加热， 。同时启动电机 M2 正转，炉门打开（SQ2 灭） 。9.炉门完全打开（SQ1 亮）后，电机 M2 停转。同时启动 M1 反转（SQ4 灭） ，运送工件的小车向炉膛外运动。10.小车到达 SQ3 位置后（SQ3 亮） ，电机 M1 停转。同时启动 M2 反转（SQ1 灭） 。11.当炉门完全关闭后（SQ2 亮） ，电机 M2 停转。2.4I/O 地址分配序号 名称 地址1 启动 I0.02 SQ1 I0.13 SQ2 I0.24 SQ3 I0.35 SQ4 I0.46 M1 正转 Q0.17 M1 反转 Q0.28 M2 正转 Q0.39 M2 反转 Q0.410 加热 Q0.552.5PLC 主程序6782.6 子程序 SBR_092.7 中断程序 INT_010113、课程设计总结课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。两周的课程设计结束了，我们对 PLC 有了更深入的了解，尤其是加深了对热处理加热炉电气控制的了解。课本上的理论知识在实践中得到了更深刻的体会。我了解了以前不熟悉的知识，对 PLC 有了更深刻的认识，复习了这学期所学的 PLC 内容，弄明白了很多知识。由于我们进行调试的次数少，所以许多理论上成功的，实现出来的结果却不令人满意。有时我们意见不统一，但还是尝试之后才得到解决。通过看书学习，写出了相应的程序，达到功能要求的目的。不管怎样，在这次课程设计过程中，我们在理论的基础上进行了实践，是一次很好的机会，提高了我们的创造力和动手能力。当我们一点一点完成的时候，心中就不免兴奋，不免激动。成功与失败其实没有界限，失败是成功的基石，在做此设计时，我深深体会到做事与成长是一回事，没有付出努力，那就好比一张空纸，经不起风波的，可是，我们要是有一定的过程，一定的付出，那滋味就蕴含在其中。在此要感谢我们的指导老师们对我们悉心的指导，感谢老师们给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。4、参考文献1 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，2003 2