PLC在真空热处理炉控制系统中的应用

PLC在真空热处理炉控制系统中的应用I大连理工大学硕士学位论文题目名称PLC在真空热处理炉控制系统中的应用计学位论文54页表格9个插图28幅学位论文完成日期2004年6月评阅人江崇吉张志弘指导老师孙旭东金文良教研室主任刘军民院（系）主任刘军民PLC在真空热处理炉控制系统中的应用II摘要本篇文章主要介绍真空退火热处理炉的PLC控制系统设计、制造，以及一些关键技术的研讨。本论文结合国内外真空热处理设备的差距，着重研究了PLC在热处理真空退火炉自动控制系统设计过程中的应用，并通过大量资料的综述来阐述PLC控制系统相对于其他控制系统的优越性。在论文正文部分，详细介绍了设备的组成部分和功能原理以及设计过程，通过原理图表现出整个控制系统的工作过程。根据真空热处理炉的技术条件和特点选择PLC型号，并列出PLC的输入输出点的分配表以及通用存储器的分配表。根据设计的控制流程图举例列出梯形图和电路图，以便更好了解PLC应用于控制系统设计的核心作用。另外，对于PLC和工业控制机之间的通信问题以及两台PLC之间的通信问题予以编程举例。最后，结合现在正在研究的最新理论模糊控制，应用到真空热处理炉中使设备自动化程度更进一步。综合各种先进理论，提出比较完善的集散控制系统的设计方案，将对我国热处理设备的技术改造具有较高的理论和实用价值。整个文章的目的在于阐述证明PLC在真空热处理炉控制系统中的应用，因此重在介绍设计的方法和优势。设计过程中有不周之处，望广大科技工作者批评指正。关键字真空热处理炉PLC模糊控制通信PLC在真空热处理炉控制系统中的应用IIIABSTRACTTHEDESIGNANDFABRICATIONOFTHECONTROLSYSTEMFORVACUUMANNEALINGHEATTREATMENTFURNACEWASINTRODUCEDANDSOMEKEYTECHNIQUESWEREDISCUSSEDINTHISARTICLEBYCONTACTINGTHEDIFFERENCEOFHEATTREATMENTEQUIPMENTINHOMEANDBROAD,THEAPPLICATIONOFPLCINDESIGNPROCEDUREFORVACUUMANNEALINGHEATTREATMENTAUTOCONTROLSYSTEMWASDISCUSSEDANDAPLENTYOFDATAWEREAPPLIEDTODESCRIBETHEADVANTAGESPLCCONTROLSYSTEMVSOTHERCONTROLSYSTEMINTHEMAINPARTSOFTHISARTICLE,COMPOSEDPARTSOFTHEEQUIPMENTANDFUNCTIONALPRINCIPLEANDDESIGNPROCESSWEREINTRODUCED,ANDTHEWHOLECONTROLSYSTEMWORKINGPROCESSWEREDESCRIBEDINTHEPRINCIPLECHARTTHEPLCTYPEWASSELECTEDBYTECHNIQUEDATAANDCHARACTERISTICOFEQUIPMENT,ANDTHEINPUT/OUTPUTALLOCATINGSHEETSANDCOMMONMEMORIZERSALLOCATINGSHEETSOFPLCWEREGIVENOUTBYFLOWCHARTS,LADDERCHARTSANDCIRCUITCHARTSWEREPLANED,THUS,THEKEYEFFECTSOFPLCINCONTROLSYSTEMCANBEWELLUNDERSTOODFURTHERMORE,THECOMMUNICATIONBETWEENPLCANDICMANDPLCANDPLCWERESTATEDBYPARTSOFPROGRAMSATLAST,THENEWESTTHEORYNOWFUZZYCONTROLTHEORYWASINVOLVEDINTHECONTROLSYSTEMDESIGNOFTHEEQUIPMENTTOENHANCETHEAUTOMATIONDEGREEWITHALLSORTSOFADVANCEDTHEORYNOW,THEBETTERDCSDESIGNPROCEDUREWASGIVENOUTWHICHWOULDBEVALUABLETOTHEDEVELOPMENTOFTECHNIQUEOFHEATTREATMENTEQUIPMENTWHETHERINTHEORYORINREALITYKEYWORDSVACCUMHEATTREATMENTFURNACEPLCFUZZYCONTROLCOMMUNICATIONPLC在真空热处理炉控制系统中的应用IV目次0前言11真空热处理炉及其控制系统311真空热处理炉的应用分析312控制系统的应用分析313PLC控制系统与其他工业控制系统的比较614模糊控制理论的应用分析815研究的内容及发展方向82控制系统总体方案的论证与设计1021重要技术指标分析1022控制系统方案的确定10221控制系统总体结构10222控制系统的工作原理及主要功能11223控制系统的主要特点11224控制系统总体布局12225控制系统设计方案122251炉门开关控制系统122252抽真空控制系统132253温度控制系统142254报警控制系统1423PLC控制系统设计原则及内容143PLC控制系统硬件设计与实现1631PLC控制系统硬件设计内容1632PLC的选型确定214PLC控制系统软件设计与实现2341PLC控制系统软件设计步骤2342真空炉系统PLC工艺控制程序23421抽低真空生产工艺PLC自动程序流程图25422抽中真空生产工艺PLC自动程序流程图27423抽高真空生产工艺PLC自动程序流程图28424加热生产工艺PLC自动程序流程图3043PLC控制系统编程举例3244PLC控制系统外部线路图举例3645PLC控制系统的通信问题37451硬件协议37452软件协议374521异或校验码的子程序374522PLC与PLC之间的通信程序374523PLC与工业控制机之间的通信程序384524工业控制机WINDOWS环境下的计算机通信编程395PLC结合模糊控制在循环水和温度控制系统中的应用4351模糊控制的基本概念4352模糊控制实现的步骤与方法4353模糊控制在温度控制系统中的应用48PLC在真空热处理炉控制系统中的应用V54用PLC构成模糊控制器的方式496结论50参考文献52致谢54PLC在真空热处理炉控制系统中的应用VI0前言真空热处理是应用于制造工业中，为了使工业产品具备良好性能的必要中间工序。在航空部门，飞机制造的中间工序钛合金热处理所需设备为大型真空热处理炉。国内相关的文章对其控制系统的理论和实际的工作研究的并不多见。这篇文章将结合实际经验，并建立在前人的基础上，对先进真空热处理设备控制予以阐述。对于真空热处理炉，国外发展的较为先进，如法国的ECM公司，俄罗斯尔热尔夫公司，美国VFS公司生产的真空热处理炉均具有较高的性能指标和实用价值。对于炉膛体积大，有效工作区5立方米以上，炉膛体积10立方米以上的大型真空炉控制系统具备完善的理论基础和实践能力。其中，钛合金热处理真空炉极限真空度可达到104PA。温度控制采用多种方法，自适应PID，以及模糊控制，小型DCS控制相结合。总体上通用性强，系统组态灵活，控制功能完善，数据处理方便，显示操作集中，人机界面友好，安装简单规范，调试方便，运行安全可靠，控制效果好，造价低等优点50。国外真空热处理设备均采用PLC作为控制系统的核心部件，在很大程度上便于今后系统的扩展，能够适应工业生产过程的各种需要，是新一代理想热处理过程自动控制系统产品。我国真空热处理设备长期处于落后状态，国家经济基础又薄弱，所以目前仅在一些重点企业和新兴企业得到了根本性的技术改造和更新，设备也多引进国外生产的真空炉，而大多数的热处理车间仍没摆脱落后状态，其中国内缺乏大型真空炉的生产厂家，个别也是与国外厂家进行合作并采用国外的先进技术设计制造，或者国外厂家在国内兴办独资企业。由于许多技术均有差距，如制造大型炉壳的剪板机和卷板机国内鲜有，即使生产出能够保持有效工作区尺寸的炉壳，同样尺寸的抽真空系统却难以保证生产零件过程中所需的真空度，以及抽高真空的扩散泵所用的泵油难以达标2等等。而且国内有一些陈旧的设备正在使用，由于基本上可以满足使用要求，故还没有进行更新换代。因此，也不可能在短时间内都得到全面更新。例如飞机制造行业，由于飞机零件体积大，所需材料特殊（钛合金），热处理过程中又不允许氧化，所以只有拥有高真空度的大型热处理真空炉才能满足要求，而国内很多厂家只能生产中小型的热处理真空炉。同时，对于大型真空炉的控制需要的技术也较为严格。国内有些真空热处理设备仍采用硬接线方式，就是用导线将继电器连接起来，并按一定的逻辑关系控制各种生产机械。但是对于复杂的控制系统，如果某一继电器18损坏或某一对触点接触不良，都会影响整个系统的运行，查找故障也很困难。另外，生产工艺如果变化，控制系统的元件和接线也需要大的变动，改造工期长，费用高。再有，许多设备没有自诊断功能，需要技术人员一点一点去查找故障。无疑这些很大程度都影响了工期。这些年，国内对于某些自动化技术方面的发展已经有了长足的进步，有的已经达到了国际先进水平，但是能否将这些技术整体化，生产出各项具有自动化先进水平元器件控制先进的大型自动控制设备尚需时日。为了改善国内的工业自动化水平，不少厂家已经花很大物力、人力进行研究，将会生产出越来越多的令人满意的自动化产品。其中包括真空热处理处理设备所需要的触摸屏式工业控制计算机20、各种温度传感器、真空压力传感器1、PLC可编程序控制器、液体流量传感器、继电器、接触器、固态继电器、单片机、各种电磁阀、大型机械泵、大型罗兹泵、以及热辐射的加热装置等等。再有就是普遍提高专门从事此项专业研究的工程技术人员和理论研究人员的专业水平，国家对此也投入大量的资金。对于飞机制造行业，由于我国的国防建设正在加大力度，针对飞机各大组装件，对于工业热处理增加其性能显得极为重要。这就要求要有一个能够满足要求的控制系统作为保证，以更先进的控制方法为基础，从理论和实践两方面发展。由于原有的设备控制系统较为落后的现状，这也决定了我国热处理设备发展必须要走根本性更新和设备技术改造两条道路。因此，加快热处理设备技术更新的步伐，提高热处理产业的整体素质是我国热处理行业的当务之急。对于真空热处理设备控制系统的研究，可以寻找到与国际水平的差距，提高工程技术人员的技术水平。对从事理论研究的技术人员提供一定的理论基础，采用怎样的控制系统可以进行自动查找故障，并在关键时刻能够及时简单处理，以保护设备。采用怎样的控制方法可以更好地满足真空炉的炉温均匀性，采用怎样的抽真空设备可以达到极高的真空度，以至生产出质量过关的钛合金零件等等，从而在热处理方面能够满足先进的热处理工艺，生产出像高性能歼击机这样的大型工业产品。PLC在真空热处理炉控制系统中的应用VIIPLC在真空热处理炉控制系统中的应用11真空热处理炉及其控制系统11真空热处理炉的应用分析热处理是工业一个分支。真空热处理的目的并不脱离热处理本身，它是热处理的一个分支，主要目的是为了防止工件在加工过程中产生氧化和脱碳。将真空技术应用于热处理炉，几乎可实现全部热处理工艺。诸如淬火、退火、回火、渗碳，氮化。不锈钢、耐热合金经热处理退火后，不仅可获得光亮或光洁的表面，而且与空气下退火相比，还能提高表面的耐腐蚀性能。真空炉很适合工、模具的热处理。由于加热速度较慢，因而工件淬火后变形较小。一般情况下，其使用寿命均较其他热处理提高几倍，甚至几十倍。在航空工业中，如机翼大梁、起落架、高强螺栓等结构件，如在空气炉中处理，工件要脱碳；在盐炉中处理，又必须严格的清洗，否则会引起工件的腐蚀。然而，真空热处理是很理想的。经真空热处理后，强度提高，而可塑性和韧性没有明显变化，冲击疲劳寿命提高1524倍，拉伸疲劳寿命提高1635倍2。可见，在真空状态下完成热处理工艺，不仅满足基本的热处理要求，而且还会不同程度提高零件的加工质量。真空热处理工艺需要温度和抽真空控制。温度控制34有较强的理论基础，使用单片机13、PLC、工控机，甚至模拟仪表都可以进行控温。但对于抽真空设备，要求的性能指标比较高，国内对此研究的论文不多见，对于它的控制也是个待进一步研究的课题。12控制系统的应用分析对于真空热处理炉各项技术关键如真空度、温度、循环水、炉门的开关以及报警等采用怎样的控制系统呢20世纪后半叶，由于计算机、通信19、控制、仪表15、软件等技术的飞速发展，不仅产生了多种多样的自控产品，也丰富了人们进行自控设计的思路和方案。接着出现了许多种工业控制系统，下面依次给予介绍（1）集散控制系统文献50讲述了一个小型真空炉集散控制系统24的设计方法，将对本篇论文有一定的借鉴作用。集散控制系统是由回路仪表控制系统发展而来，初期的功能以回路调节为主。随着微处理器和单片机的出现，它把顺序控制技术、数据采集、过程控制的模拟量仪表和过程监控装置等有机地结合在一起，形成了新一代的集散控制系统。真空热处理炉由于各部分控制系统工作时独立控制，而又互相关联。因此，对于整个系统来说，应该有一个控制的核心使得各部分能够相互协调，这就是集散系统中的集中管理。而对于各部分控制系统，由于它们的控制方法各有不同，因此也就体现集散系统中的分散控制。很早以前，人们就将真空技术应用到热处理行业当中。但是当时控制系统的水平还很落后，因此长期以来很大程度制约了真空热处理技术的发展。（2）继电器控制系统在上世纪70年代末，由于集散系统的出现，真空热处理控制技术有了很大跨度。但是由于单片机的局限性，传统的继电器系统是针对一定的生产机械、固定的生产工艺而设计，采用硬接线方式安装而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，即只能进行开关量的控制。一旦改变生产工艺过程，继电器控制系统必须重新配线，因而适应性差，且体积庞大，安装维修均不方便。（3）计算机控制系统随着工业控制计算机技术的发展，计算机图形显示在中小型的控制系统中得到了广泛应用，对系统来说，用图形来显示被控对象在操作过程中的状态，清晰明了，形象直观。结合当今软件发展趋势，利用VB作为平台开发图形监控软件。VB为应用程序的使用提供了完备的文本和图形功能。如果在程序中将文本当作可视化的元素，则其大小、形状、颜色都可以看到，这就能增强所提供的信息的可视性。同时，VB在设计时还提供了一些有很大灵活性的图形功能，包括添加通过显示一连串图像所实现的动画23。在工业控制中采用友好人机对话界面，并采用专用控件与PLC进行通讯14。这次真空热处PLC在真空热处理炉控制系统中的应用2理炉控制系统的设计就是采用编写程序显示了真空度，温度，循环水传感器的值以及整个真空炉系统的外观图。此外，它还能够提供各种数据采集和控制功能，能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口，是能够在工业环境可靠运行的计算机系统。工业控制机是由通用微机推广应用发展而来，硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势。但是，使用工业控制机的人员技术水平要求较高，一般应具有一定的计算机专业知识。工业控制机在整机结构上尚不能适应恶劣的工作环境。因而，不如PLC那样容易推广。（4）PLC可编程序控制系统现在的真空热处理炉控制由于采用PLC，并应用了微电子技术和计算机技术，各种控制功能是通过软件来实现的，只要改变程序，就可适应生产工艺的改变，因而适应性强。它不仅能完成逻辑运算、定时、计数等功能，而且能进行算术运算，因而既可进行开关量控制，又可进行模拟量控制，还能与计算机联成网络，实现分级控制。况且PLC体积小，重量轻，结构紧凑，开发周期短，安装和维护18工作量小，PLC还有自诊断功能，其可靠性极高。因此，在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统，大多数被PLC所取代。因此PLC可编程序控制器已经深入真空热处理控制技术，可编程序控制器的硬件标准化和通过各种各样的软件程序33满足了用户不同的控制要求。它作为控制系统的核心，使得许多工程技术人员得心应手，解决了越来越多工业生产的关键问题。长期以来，PLC之所以处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适用于当前工业企业对自动化的需要25。PLC为了满足和提高冶金方面真空热处理技术，其主要用途为20顺序控制是应用最广泛的领域，比如PLC在热处理真空炉炉门控制系统中的应用22，关于这方面将在以后的章节中详细介绍。通讯控制包括PLC的通讯包括PLC之间的通讯，PLC与上位计算机和其他智能设备之间的通讯。真空热处理炉控制系统之间的通讯就涉及到上诉两种通讯方式。PLC和计算机具有通信接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将它们联成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。PLC与计算机之间的通讯，一些PLC生产厂家采用工业标准总线。这篇文章所介绍的真空热处理炉控制系统的设计由于控制柜距离控制终端很近，并没有采用这项技术，也是为了节省经费。采用串口通信方式进行通信，过去在DOS操作系统下一般使用汇编语言开发制作。随着WINDOWS操作系统的普及应用，数据采集及工业控制等软件的开发也上升到WINDOWS环境下。采用VB控件MSCOMM3035开发WINDOWS下的采集和工业控制通信程序3132十分方便，尤其软件界面设计非常便捷，编程工作量小，开发周期短，特别适合非计算机专业的工程技术人员掌握和使用28。对于PLC可编程序控制器的控制算法，真空炉泵体抽真空可采用开环控制4，而温度控制则采用闭环控制4，闭环控制的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均不敏感。当然，在系统优化过程中，抗干扰措施还是必不可少的27。这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统6。开环情况下，就不可能满足这一点12。对于温度控制系统，采用数学方法建立数学模型5，并且分类为线性环节和非线性环节7。除了对系统固定非线性数学模型进行线性化，还可利用参考模型，或进行系统辨识，确定最终数学模型，并确定调节器参数，以及反馈机构中将测量的模拟量转化为数字量8。将系统数学模型确定后，需要进行系统仿真9。采用模拟量模块功能控制真空热处理炉各项物理参数。例如温度、压力、流量、行程，并提供闭环控制功能。例如简单的温度控制系统干燥箱就是以闭环控制得以实现，温度由热电偶测量，产生与温度成比例的电压的装置将反馈回来的电压与参考电压相对比。两者之差进行放大，控制加热装置电流，以致控制干燥箱温度。另外，采用PLC控制多路信号，温度、真空度，而且将设备分区控制，采用时分复用技术，可以节省资源。控制器的设计，是闭环控制系统的关键所在。由于将系统部件最初连接起来形成的数学模型，在频域研究时，通常是不稳定的，需添加控制器来弥补。PID已经是一项较为成熟的技术，但对于具体的系统，算式各参数的确定是设计者最初应该做的。现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传递、转换、排序和PLC在真空热处理炉控制系统中的应用3查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存贮器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。数据处理一般应用于大、中型控制系统，如柔性制造系统、过程控制系统和机器人的控制系统。相对于真空热处理炉控制系统的数据处理，PLC控制系统需要以下模块处理器模块配备大容量内存，为满足实时控制的要求而优化设计，除了一般的I/O扫描和控制、远程数据交换外，支持大型的集成控制、通讯、并行运算、处理器独立后台程序和处理器输入中断等功能。这种灵活的结构允许多个处理器、网络以及I/O在一个机架中搭配使用而没有限制。信息协处理器模块读取主处理器的数据表和状态文件，或通过高级语言程序将数据写入处理器，程序可以在实时多任务环境下以及独立于PLC处理器的方法，单独协处理器中运行。高级语言协处理器通过C和BASIC的接口来进行复杂的计算和算法实现。网络适配模块在现场总线与处理器之间提供通讯接口，以便PLC处理器和I/O模块进行远程的数据交换。具有特殊功能的I/O模块许多公司在其产品中提供了温度控制模块。这些模块的设计考虑了特殊行业的需要，使得复杂的控制功能以模块化的方式得以解决，提高了可靠性和专业水平。传统PLC（也可简称硬PLC）由于其模块化，可靠性高、抗干扰能力强，适用于恶劣的控制现场。但是其通用性和兼容性并不好，所以如果能用软件代替其硬件功能也是PLC自身发展的一项趋势。PLC是专为工作现场应用环境而设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，并采用了一系列抗干扰措施，在工业现场使用有很高的可靠性，PLC是由电气控制厂家研制出来的，采用梯形图语言编程，使熟悉电器控制的技术人员易学易懂，易于推广。但是，由于PLC的运行方式不同于工业微机，微机的很多软件不能直接应用。PLC的标准化程度较低，各厂家的产品不通用，因此在开发上不如工业控制机那样有基础3。13PLC控制系统与其他工业控制系统的比较（1）PLC控制系统与继电器控制系统的比较PLC控制系统与继电器控制系统的比较见表11。表11PLC控制系统与继电器控制系统的比较TABEL11THECONTRASTBETWEENPLCCONTROLLEDSYSTEMANDRELAYCONTROLLEDSYSTEM比较项目继电器控制系统PLC控制系统控制功能的实现由许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能各种控制功能是通过编制的程序来实现的对生产工艺过程变更的适应性适应性差。需要重新设计，改变继电器和接线适应性强。只需对程序进行修改控制速度低。靠机械动作来实现极快。靠微处理器进行处理计数及其他特殊功能一般没有有安装，施工连线多，施工繁安装容易，施工方便可靠性差，触点多，故障多高，因元器件采用了筛选和防老化等措施寿命短长可扩展性困难容易维护工作量大，故障不易查找有自诊能力，维护工作量小PLC在真空热处理炉控制系统中的应用4结论由于PLC控制系统与继电器控制系统相比具有无法比拟的优点，因此，在今后的控制系统中，传统的继电器控制系统被PLC控制系统所替代是大势所趋。（2）PLC控制系统与计算机控制系统的比较20世纪60年代，由于小型计算机的出现，有人试图用小型计算机来取代当时占统治地位的继电器系统，结果没获成功，代之的却是PLC的出现。通用计算机与PLC本身在工作目的、原理和方式上都存在着较大的差异，其比较结果见表12。结论一般情况下，在工业自动化工程中采用PLC可靠、方便、易于维护。进入20世纪70年代，采用微处理器的工业控制机出现了，它与PLC共同推动着传统工业的技术改造。经过长时间的技术改造和较长时间的实践，人们又发现，PLC与一12PLC控制系统与通用计算机控制系统的比较TABLE12THECONTRASTBETWEENPLCCONTROLLEDSYSTEMANDUNIVERSALCOMPUTERCONTROLLEDSYSTEM比较项通用计算机控制系统PLC控制系统工作目的科学计算，数据管理等工业自动控制工作环境对工作环境的要求较高对环境要求较低，可在恶劣的工业现场工作工作方式中断处理方式循环扫描方式系统软件需配备功能较强的系统软件一般只需简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一般性措施采用多种抗干扰措施，自诊断，断电保护，可在线维修编程语言汇编语言，高级语言如BASIC，C等梯形图，助记符语言，SFC标准化语言对操作人员的要求需专门培训。并有一定的计算机基础一般的技术人员，稍加培训即可操作使用对内存的要求容量大容量小价格价格高价格较低其他若用于控制，一般需自行设计机种多，模块种类多，易于集成系统般工业控制计算机相比，PLC还是有着较强的优势，其原因是PLC专为在工业环境下的应用而设计，在PLC中采用了如下的硬件和软件措施光电耦合隔离和RC滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。采用优良的开关电源，防止电源引入的干扰。具有良好的自诊断功能，可对CPU等内部电路进行监测，一旦出错，立即报警。对程序及有关数据用电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。采用了冗余技术进一步增强了可靠性。对某些大型的PLC还采用了双CPU构成冗余系统，或三CPU构成表决式系统。随着构成PLC的元器件性能的提高，PLC的可靠性也在相应地提高。一般PLC的平均无故障时间可达几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产的PLC不再标明可靠性这一指标，因为对PLC来讲这一指标已毫无意义了。经过大量实践人们发现PLC系统在使用中发生的故障大多是由于PLC的外部开关、传感器、执行机构引起的，而不是PLC本身发生的。另外，PLC程序设计简单，易学易懂易维护，更适合于工程技术人员。因此，PLC在工业控制中获得了极大的成功，成为工业控制中的主流。但是必须指出的是计算机在信息处理方面还是优于PLC，所以在一些自动化控制系统中，常常将两者结合起来，PLC做下位机进行现场控制，计算机做上位机进行信息处理。计算机与PLC之间通过通信线路实现信息的传送和交换。这样PLC在真空热处理炉控制系统中的应用5相辅相成，构成一个功能较强的完整的控制系统。（3）PLC控制系统与集散控制系统的比较由前所述可知，PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散控制系统DCS是由回路仪表控制系统发展起来的分步式控制系统，它在模拟量处理、回路调节等方面有一定的优势。而PLC随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以PLC为重要部件的分步式控制系统。随着PLC网络功能的不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据高速公路上挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已经具备了集散控制系统的形态，加上PLC价格和可靠性优势，使之于传统的集散控制系统相互竞争。可见，将工业控制机和PLC控制系统相结合以及DCS的介入可实现实时和离线控制的合并，可以很好地满足真空热处理炉的控制要求。14模糊控制理论的应用分析模糊控制在理论上突飞猛进的同时也越来越多地、成功地应用于工业环境中。比如温度自适应控制1646474849，它就优于PID控制10。当然，由于理论在发展阶段，因此也有不完善的地方。当受控对象运行工况变化而引起对象特性发生大幅度变化时，控制器的鲁棒性欠佳11。RAJUGVS提出了一类自适应多级模糊控制器，解决了这个问题36。而后，AGEGOV又提出了一类多级智能模糊控制器，并应用于城市交通控制网络33。他在一般的多级结构基础上引入GUPTA空间分解策略37，从而将GEGOV提出的多级系统理论加以推广39。随后，JHAN和VMMURRAY提出带反馈的双层多变量模糊控制器40和最近SJWU和CTLIN在文献36中将多输入多输出模糊系统按输出可控规范型进行分解，在子区间建立局域模糊模型，获得全局稳定的最优控制。KYTUDEN42等人提出了多层模糊控制器结构，并提出了闭环系统的稳定性条件。PROCYK提出了一种所谓的语言自组织模糊控制器43，SCHARF等人在算法上作了一些改进，并应用到实际中44。PGSINGER在文献45中利用模糊关系方程和对一类选定的隶属函数适用的模糊代数方法，设计出辨识模糊模型的实用算法。根据实际所需要的模糊控制器算法，得到计算机处理的程序控制53。笔者对上述模糊理论分析后，觉得对于现代工业普及还尚待时日。而一些简单的理论，却得到了很好的应用。如文献26中锅炉燃烧过程计算机模糊控制系统及应用就将理论和实际很好地结合了起来。对于热处理真空炉的模糊对象，比如通水阀门的开启程度，采取必要的模糊理论作为基础，将人为的经验加以总结并转变为PLC控制算法，对于真空热处理控制技术的发展有相当的意义。15研究的内容及发展方向总体上来讲，由先进的控制方法指导的控制系统能够节省生产周期，生产出更高质量的产品。需要生产的真空热处理设备的控制系统能够适应工业生产过程的各种需要，提高自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产安全，促进工业技术发展。为了和先进国家水平接轨，为了了解我国真空热处理炉控制技术与国外先进技术的差距和如何缩小这种差距，在控制系统各种元件的生产上均要提高它的性能，是我们这次研究的主要目的。我们这次研究的主要内容是，首先简要介绍真空热处理炉的特点以及各部分的工作原理，接着论述PLC设计的步骤和编写控制系统的程序框图，并讨论工控机与PLC25之间以及PLC和PLC之间的通信问题。最后利用模糊控制理论对增强整个设备的自动化水平进行剖析。但是，在编写之前，必须对设计的整体方案和设备会使用哪些元器件，以及如何搭配，最终实现怎样的功能都要有所了解。需要解决的问题有以下几个方面（1）开关量的逻辑控制主要来自于真空组件的控制线路，也就是利用PLC控制接触器的触点，从而控制真空组件的开关。（2）直线和圆周运动控制直线运动指的是炉门的开关，在轨道上运行为直线运动。在关上炉门后，为了防止在生产过程PLC在真空热处理炉控制系统中的应用6中出现异常，再使炉门旋转锁住。（3）闭环过程控制4912对于温度控制，采用的就是常用的闭环PID自适应控制。（4）数据处理1317将真空热处理炉各部分系统的参数进行采集，通过算法运算，转化为输出量进行控制。（5）通讯控制结合热处理工艺，在工业控制机和PLC之间以及PLC和PLC之间采用相应的通信程序并将它们联系起来形成必要的主从控制。16本文的主要工作通过阐述PLC和真空热处理炉控制系统相结合进行设计，并提出整体思路。根据真空热处理工艺特点确定了各部分工作原理，并绘出示意图。由真空热处理炉的各部分技术指标确定设备控制系统的各个部件，并将各个部件根据设计思路进行连接。综合所有外围部件，分配好PLC的输入/输出表。最后进行软件设计，设计抽真空的工艺流程，编写PLC梯形图程序，外围电路的设计和PLC与上位机的通信程序等等。最后，鉴于设备的冷却循环水系统的阀门仍需手动开启，故设想采用模糊控制进行控制，解决冷却循环水的自动控制问题。PLC在真空热处理炉控制系统中的应用72控制系统总体方案的论证与设计21重要技术指标分析1热处理温度分析由于热处理工艺人员提供的零件热处理温度分别为480，520，600，650，750，因此设定真空炉使用最高温度为850。鉴于K型热电偶在这个范围内测量温度较为准确，能够符合要求，且比较经济实惠，故选用该种热电偶。使用PLC作为控制温度的核心部件，控制算法为自适应PID，这种算法对于多区温度控制有缺陷。故设想采用模糊控制，并对此进行了理论研究。详细论述见第6章。2有效工作区分析由于真空炉体为卧式圆柱型，实际炉膛体积为10立方米，而有台车来回进出以用于装载工件，有效工作区为420014001200MM（长宽高），鉴于有效工作区较长，因此设定为6个加热区。3真空度分析经过热处理工艺人员提供的零件处理真空度最低要求为66102PA，为了在工作时留下一定余量工作真空度范围为66102PA66103PA，在没有工件空炉升温时需要极限真空度为13103PA。如何满足真空度的要求，需要质量过关的执行部件和严谨的控制方法。4其他技术指标（1）漏气率15102升帕/秒；（2）工作区炉温均匀性10（在工作范围内）。整个真空炉系统投入运行前按HB5354进行检测炉温均匀性；（3）抽真空速度66101PA20分钟；66102PA25分钟；13103PA120分钟；（4）升温速度200/小时22控制系统方案的确定221控制系统总体结构1上位机选用工业控制机，对整个系统自动编程,编程结果输入PLC,并且进行实时监测，故障显示，画面显示。2下位机选用两台PLC可编程序控制器实现整个系统的直接自动控制。一台用于抽真空自动循环系统和炉门的控制，第二台用于自动控制加热。3控制柜用于安装可编程控制器，控制线路及其操作面板。4温度传感器测量炉内温度（使用K型热电偶）。5压力传感器测量炉内真空度（使用从国外引进的）。6固态继电器用于加热控制执行部件。7电磁阀用于各条管道的抽真空执行部件。8水流量传感器检测水流量的大小。9各种泵体用于抽初级真空的机械泵，用于抽中级真空的罗兹泵，用于抽高真空的扩散泵，用于循环水控制的水泵。10电机用于控制炉门的开关。11其他部件电阻丝和隔热屏，以及炉底板等。PLC在真空热处理炉控制系统中的应用8222控制系统的工作原理及主要功能（1）真空热处理炉控制系统工作原理首先，将预定工作的PLC及被控制的真空热处理上电，并向工业控制机发送准备就绪信号。此后，利用工业控制机启动整个系统的控制运行。工作过程中，PLC一方面实现与工业控制机之间的数据通信，一方面控制真空热处理炉的正常运行。当PLC接收到工业控制机发出的数据提取命令后，就把采集到的真空热处理炉工作情况，如炉内真空度、温度、冷却水状态以及各部件的开关状态等数据向工业控制机发送，当数据发送完毕后，PLC又继续控制真空热处理炉。PLC对设备的控制主要是通过接触器、固态继电器等电气元件组成的外围电路来控制气压阀、真空泵、电阻丝等各项部件的运行、送气操作、到限与故障报警。而工业控制机一方面把接收到的数据处理并显示，另一方面则等待第二个时钟中断信号的到来，准备发出下一个提取数据的命令和接收发来的数据。控制系统设计为一台工业控制机连接两台PLC，将定时提取每一台PLC数据，轮流往复地控制两台PLC工作。（2）真空炉控制系统主要功能监测功能对真空炉的温度、真空度、水开关状态、模块输出功率等参数进行检测，监视；显示功能可显示真空炉各种控制参数和运行状况，以及温度工艺的设定，实际运行曲线和参数；管理功能随时将数据存盘，作为生产的原始记录，以便保存和查阅；通信功能工业控制机和PLC可编程控制器之间的数据和信息交换以及两台PLC之间的数据和信息交换；数据处理功能系统可自动对采集的信号进行运算处理，并输出相应的控制量；控制功能根据操作前相应的设定值，进行升温和保温，并拥有手动和自动两套控制系统，采用PLC自动控制时使手动控制失效，但自动过程中出现故障便转为手动；报警功能操作面板以画面形式和声光信号形式对各种参数越限或设备状态异常进行报警。223控制系统的主要特点（1）在结构上采用小型集散控制系统，实现了“分散控制，集中管理”，克服了“危险集中”的缺点；（2）上位机和下位机相对独立性强。联机时，彼此按一定协议互通信息。脱机时，下位机可独立实现工艺过程控制，上位机此时可以离线进行数据处理或日常生产管理；（3）上位机可远离操作现场，提高了系统抗干扰性能，同时改善了操作员的工作环境，上位机用奔腾3处理器。功能完善，方便管理；（4）下位机用可编程序控制器，具有很强的抗干扰能力，能在比较恶劣的运行环境中长期可靠运行，便于控制操作；（5）采用顺序控制抽真空，单回路闭环温度控制系统，提高测温和控温精度；（6）报警系统完善，既可图像显示，又可有声光报警信号，为设备的正常运行提供了可靠的保证。224控制系统总体布局设备总体以PLC作为控制核心，工业控制机作为监督和显示。利用热电偶返回温度信号，通过与设定值比较输出可控脉冲给固态继电器来控制温度。利用真空传感器返回真空度信号，然后根据真空度的数值进行下一部工作，并驱动电磁阀和真空泵使炉膛达到所需真空度。对于循环水传感器进行监测，当出现报警状态时及时进行处理。通过控制循环水阀门和循环水泵的开启协调整个厂房所有真空炉的用水量。通过PLC程序控制炉门的直线开关和旋转开关。总体布局示意图如图21所示。在图中虚线以内还没有通过PLC进行控制，这是我们下一步改造的目的。PLC在真空热处理炉控制系统中的应用9RS232RS232真空热处理炉固态继电器温度传感器真空度传感器真空管道电磁阀各级真空泵炉门开关控制台车行进控制PLC1手动控制面板工业控制机PLC2RS232循环水传感器循环水阀门循环水泵图21控制系统总体布局FIGURE21THEMAINLAYOUTOFCONTROLSYSTEM225控制系统设计方案控制系统共分为供电系统，抽真空控制系统，加热控制系统，炉门开关台车进出控制系统，循环水控制系统。而供电系统为手动操作。故只介绍另外4种系统设计方案。2251炉门开关控制系统台车上铺炉底板，上边装载工件，台车进出和炉门开关用限位开关进行限位，使用PLC进行编程。具体原理见图22。电机工控机PLC1真空炉炉门限位开关监控管理图22炉门开关工作原理FIGURE22THEPRINCIPLEOFOPENINGANDCLOSINGOFFURNACEDOORPLC在真空热处理炉控制系统中的应用10PLC2工控机PLC1真空炉抽真空系统真空传感器监控管理真空度达到要求后图23抽真空系统工作原理FIGURE23THEPRINCIPLEOFPUMPINGAIRSYSTEM触发模块工控机PLC2真空炉固态继电器电源（经过变压器后）热电偶监控管理图24温度控制系统工作原理FIGURE24THEPRINCIPLEOFTEMPERATURECONTROLSYSTEM2252抽真空控制系统操作步骤是用PLC进行编程，由机械泵，罗兹泵进行抽初中级真空，扩散泵准备。取到达一定真空度和扩散泵准备好的较长时间打开扩散泵。具体原理见图23。2253温度控制系统工业控制机给出命令，由PLC进行控制，由于真空炉较大，为了保证工艺要求的炉温均匀性，需要分成六区控温，使用十二支热电偶采集六区温度信号，（每区二支，一支用于控制，一支用于监测），转化为电信号后传输到PLC可编程控制器。根据工艺设定的温度速率及内部的自适应PID控制算式，以及各区温度相互比较的总体控制，计算出各区所需的脉冲触发信号，触发各区的固态继电器，使其导通，真空炉电阻丝得电，进行辐射加热。温度显示反映在工业控制监测管理程序上。工作原理见图24。2254报警控制系统PLC检测到设备故障，通知工控机输出错误代码。而且，使得操作面板上报警指示灯闪烁，报警振铃鸣叫。工作原理见图25。PLC在真空热处理炉控制系统中的应用11工控机PLC1操作面板监控管理声光报警图25报警控制系统工作原理FIGURE25THEPRINCIPLEOFALARMCONTROLSYSTEM各个系统中，PLC与执行部件和反馈部件之间是PLC的外围控制电路。这里由于篇幅关系，并没有画出。循环水系统由于没有采用PLC控制，故这里没有画出工作原理图，工作原理图详见第5章。23PLC控制系统设计原则及内容最大限度地满足真空炉的控制要求，也就是真空度稳定性以及温度均匀性控制在允许范围之内。在满足控制要求的前提下，力求使真空炉控制系统简单、经济，操作方便。系统设计简单主要是为了维修方便，操作方便是为了提高工作效率。保证真空炉控制系统运行可靠，对于系统的运行要能够满足自动控制的要求。即能够稳定工作，系统误差小，没有过载现象，能够编程来检查故障。考虑到今后生产的发展和热处理工艺的改进，在设计容量时，应考虑适当留有进一步发展的余地。拟定真空炉设计的技术条件，它是整个设计的依据。技术条件一般由用户提出，钛合金热处理零件最重要的要求就是真空度范围和温度均匀性要求。主要技术条件如第2章的技术指标。选择电气传动形式和电动机、电磁阀、真空泵、继电器、接触器等执行机构，测量反馈机构如温度传感器和真空度传感器等。选定PLC的型号，型号的选定主要是满足真空炉的控制要求，当然也要考虑性能价格比。编制可编程控制器的输入/输出分配表，这其中包括接触器的常开常闭触点的条件输入和控制电磁阀的接触器的控制输出，以及热电偶和真空度传感器的输入和控制固态继电器的脉冲输出。根据真空炉系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用梯形图语言进行程序设计。为了能够更好检测和管理设备运行，要进行工控机人机界面设计，增强人与机器之间的友善关系。设计操作台，安装每一工步的手动按钮和指示灯。电气柜里安排PLC的外围各种控制电路，还有非标准电器元部件如PLC输出的固态继电器脉冲不符合要求，可以通过自制的触发电路进行变换。最后就是考虑整个系统的安全问题以及编写设计说明书和使用说明书。在第3、4章中将详细介绍PLC的设计过程。PLC在真空热处理炉控制系统中的应用123PLC控制系统硬件设计与实现31PLC控制系统硬件设计内容（1）型号应能满足真空炉性能指标要求PLC性能与真空工艺任务相适应。由于真空热处理炉带有闭环控制、PID调节、通信连网等，故控制线路较为复杂，因此选择大中型PLC方能满足要求。抽真空系统的外部组件连接见图31。其中NL1NL3为机械泵，ND1,ND2为扩散泵，NZ1为罗兹泵，VP1VP13为气动阀门，BW1BW5为泵体冷却器，PT1PT4、PA1、PA2、PA3为真空传感器，PD1PD3为压力表。由机械泵NL1、NL2、NL3抽初级真空，NZ1抽中级真空，ND1、ND2抽高级真空。具体工作过程如软件设计所描述。NL2PT2VP9VP4PD2ND2BW3PA2VP2BW4NZ1VP10VP5PT3NL3NL1PT1VP8VP3PD1ND1BW1PA1VP1BW2PD3BW5VP12VP6VP13PT4VP7VP11PA3图31抽真空系统外部组件连接图FIGURE31THECONNECTIONOFEXTERNALPARTSOFVACUUMSYSTEM对于温度控制，则由工业控制机设定工艺所要求的升温速率，保温时间，保温温度等参数，设置好后传给PLC。PLC通过热电偶反应过来的信号与设定值进行比较，通过偏差的逻辑运算结果产生一定频率的可控脉冲触发固态继电器，周而复始地运行以不断接近设定值。在PLC软件设计中也有详细的描述。PLC的处理速度应满足真空炉实时控制的要求。因为PLC在工作时，从输入信号到输出控制存在滞后现象，这就使得用户应用程序的长短对系统的响应速度会有不同程度影响，那么就要对程序优化，使滞后时间一定要小于外围控制线路的反应动作时间，故需要功能比较强的PLC。PLC应用系统结构合理、机型系列应统一。PLC分为整体式和模块式，因为考虑热处理工艺过PLC在真空热处理炉控制系统中的应用13程的改变，判断和维修故障快速方便，而且因为真空炉控制系统的控制要求比较复杂，因此选择模块式。并且考虑单位热处理专用真空厂房里所有真空炉的编程和维修带来方便，因此选择同一系列的PLC。在线编程和离线编程的选择。真空热处理炉系统分为几部分，控制自然相对复杂。调试中会出现很多问题，并且考虑工业控制机的介入，那么结合编程软件包就可以边调试程序，边观察设备运行，采用在线编程。其原理就是PLC在完成现场控制的同时，在一个扫描周期的末尾与工业控制机进行通信，工业控制机将修改好的程序发送给PLC，下一个周期PLC就可以按照修改后的程序控制真空炉了。（2）PLC容量