真空退火炉PLC自动控制系统设计

1、课题名称真空退火炉plc自动控制系统设计院/专 业 班 级学 号学生姓名毕 业 论 文 指导教师：2016年5月24日摘 要本篇文章主要讲的是真空退火炉的plc控制系统的设计。大家都知道真空退火炉是许多金属热处理工艺中的一种非常重要必不可少的设备，而真空度和温度是真空退火炉的主要被控变量，对温度和真空度的精确控制是确保其产品质量的一个重要保证。也会是说，退火炉温度和真空度控制的稳定性和精度会直接影响到产品的质量。本次毕业设计设计了基于plc的真空退火炉温度真空度自动控制系统，用plc实现温度和真空度的自动控制不仅能够实现对机器的精准控制还能避免不必要的电力损耗。在论文正文部分，详细介绍了设备的

2、组成部分和功能原理以及设计过程，以锆丝的真空退火工艺为例，画出退火过程流程图。然后列出plc的输入输出点的分配表以及通用存储器的分配表，画出plc原理图，编写出plc程序。最后由于循环水阀门仍需人凭借经验手动开启，最后介绍了模糊控制的原理以待备用。关键字：真空退火炉 plc 模糊控制abstract this article is mainly about the design of plc control system of vacuum annealing furnace. we all know that vacuum annealing furnace is a kind of man

3、y metal heat treatment process is very important and indispensable equipment, vacuum and temperature is mainly controlled variable vacuum annealing furnace, precise control of temperature and vacuum is to ensure a one of the important guarantee of the quality of the product. also said, the accuracy

4、and stability of furnace temperature and vacuum control will directly affect the quality of the products. the graduation design of vacuum annealing furnace temperature vacuum degree of plc automatic control system based on plc to realize the automatic control of temperature and vacuum degree not onl

5、y to achieve precise control of the electric machine can avoid the unnecessary losses. in the main part of the thesis, introduces the components and functions of the principle and design of process equipment, using zirconium wire vacuum annealing process, for example, draw annealing process flow dia

6、gram. then make a list of the plc input and output point allocation table and of a universal memory allocation table, draw the plc schematic written plc program. at the end of the circulating water valve still require the person with manual opening of experience. at last, the paper introduces the fu

7、zzy control principle to wait for backup.key words: vacuum annealing furnace plc fuzzy control 目 录第一章 绪论11.1选题背景及研究意义11.2 国内外研究现状和发展11.3本文研究的主要内容2第二章 真空退火炉的工作原理与工艺过程分析32.1真空退火炉的结构分析32.2 真空退火炉工作原理42.3技术指标分析52.4退火工艺过程分析6第三章真空退火炉plc控制硬件系统的设计73.1 控制系统总体布局73.2控制系统设计方案7第四章真空退火炉软件系统的设计104.1 输入输出分配表104.2 pl

8、c选型114.3 程序流程图12第五章模糊控制在在循环水与温度控制系统中应用的介绍165.1模糊控制的基本概念165.2模糊控制实现的步骤与方法16总结19致谢20参考文献21附录22第一章 绪论1.1选题背景及研究意义我是在南京佑天金属科技有限公司完成我的实习时光的，南京佑天金属科技有限公司从事的是钛、锆、铪的结晶冶炼和丝材的拉制生产的。为了消除丝材拉制过程中产生的内应力，对丝材进行真空退火处理是非常必要的。而采用plc控制系统可以实现了公司真空退火炉的自动化这样不仅可以实现对真空退火炉的精准控制还可以避开用电高峰让机器晚上自行完成退火任务，既节省能源又能减少人力创造一定的效益。而且如果产品

9、的生产工艺改变了，只要改变程序plc控制系统又可以继续很好地控制机器完成退火任务。又因为就算在生产环境不好的情况下，plc还是能够很好地运行,所以plc得适应能力是毋庸置疑的。plc能独立完成很多功能，像定时、计数、逻辑运算等等它都能完美完成,而且它还能对算术进行运算，开关量进行处理,模拟量进行控制,为了完成分层控制，还能够与电脑行成网络控制系统。由于plc形态较小,构造紧密,、轻便、程序设计用时较少,装配与维修简单容易实施,有了这些优点再加上诊断功能,它的可信赖程度非常高。所以,在传统的工业改造与小型电子技术创新的进程里,以前大家用的继电器控制系统,大部分现在都被plc代替。因此plc具有很

10、深的潜力,plc的硬件标准化,并通过各种软件程序来满足不同用户的控制要求。它是实现系统控制的关键部位,多数工程师都很信赖它, 愈来愈多的工业生产问题因为它得到了解决了。过了这么长时间,plc变成了自动化工业控制的核心装置,并且对各种自动控制设备提供了可靠的控制应用。plc之所以能成长成现在这个样子,是因为它能够实现安全可信的自动化控制和提供更好的处理方法,可以用来满足当代的工业和厂家的自动化生产需求。把真空热处理方法的plc技术用在生产上,一定能够让生产出来的产品具有更良好的性能。1.2 国内外研究现状和发展当今时代工业技术的飞速发展，国内外都对产品的规格进行了严格要求，另一方面生产量又在不断

11、增加，为了保证通过真空退火处理过的产品的组织结构和机械性能符合对产品的标准要求。在不仅在提高真空退火炉性能的情况下，还能降低能耗这个技术难题引起了国内外业界的广泛关注。在最近的三百年来，一些发达国家从真空退火炉的热源、设备结构、炉温控制系统和退火工艺等各个方面进行了认真的研究。而且还开发出了许许多多的新型产品，像流风机、高温轴、加热元件等等很多。这些创新在提高退火炉加热速度，退火炉温度的均匀性，提升退火产品质量，降低电能消耗耗，总之就是在退火炉的综合技术性能上实现了新的突破。在我国，退火炉平均热效率为百分之五十八，一些发达国家比我国在这个项上要高出百分之八十左右。钢退火炉的容量一般为10吨到4

12、0吨不等。通常情况下，1千吨钢年生产需要配备15 到 20台退火炉。用能方式有电，柴油，煤气。间歇式和连续型退火炉，在带、板、箔的生产过程中是不可缺少的机器，而控制则是实现退火的重要条件之一，高强度的铝合金管、棒型材生产也需要退火这个工艺。在1998年，八百多台国内退火炉，包括现代空气循环炉的一百八十多台，80%的退火炉集中在钢铁企业。而在1985年，世界上还不会建立连续退火炉气垫，可能是因为投资较大的原因。而现在大批量退火炉在技术上的创新开发，已经完全可以充分满足生产要求，而且每吨产品所消耗得能亮也会低很多。因此，退火炉具有良好的发展前景。1.3本文研究的主要内容本文会对真空退火炉的结构进行

13、分析，特别是对它的抽真空系统会有详细的介绍。首先要确定本文是在真空退火炉的基础上加上plc控制系统而设计的，并切提出整体得设计思路。根据本人实习期间所接触的锆丝退火工艺把真空退火炉的各部分工作原理确定下来，并画出示意图特别是抽真空系统示意图。再通过对真空退火炉结构和生产工艺的分析把各个部件和型号确定下来，并根据设计思路将各个部件进行整合连接。综合所有外围部件，配置好plc的输入输出表。最后设计抽真空的工艺流程，编写plc梯形图程序。因为循环水阀门的开启程度仍需人为判断和控制，最后本文简单介绍了模糊化控制。第二章 真空退火炉的工作原理与工艺过程分析2.1真空退火炉的结构分析. 图2.1真空退火炉

14、实物1. 后炉门 2.炉壳 3.真空规组件 4.炉胆 5.控温热电偶组件 6.前炉门 7.水冷电机 8.变压器柜图2.2真空退火炉结构示意图以上图型号真空退火炉为例，它主要由炉门、炉胆、真空系统、水冷系统以及电控系统组成，其结构详见图2.22.2 真空退火炉工作原理pa2罗茨泵 炉胆 罗茨泵泵体冷却器 vp2 pa pa vp2扩散泵泵体冷却器vp3 旋片泵 pa3 vp1 pa1扩散泵 vp1图2.3 抽真空系统原理图 上图中vp为气动阀门，pa为真空传感器。对于温度控制,工业控制机技术要求的加热速度,保持时间,保温温度参数,设置传输到plc。plc和热电偶信号反应的定位点进行比较的逻辑运算

15、结果的某些频率可控触发脉冲固态继电器,外围表面在操作关闭设置值。2.3技术指标分析(1)热处理温度分析由于锆和铪材料退火温度分别为680，720，因此设定真空炉使用最高温度为720。(2)有效工作区分析真空退火炉体为卧式圆柱型，实际炉膛0.9*0.9*3.14*2.1=5.34立方米，有效工作区为0.7*0.7*3.14*2.1=3.23立方米。 (3)真空度分析由以前的数据可以发现退火产品退火要求最低真空度为6.010-2pa，因为工作时要留下一定余量所以设定工作真空度范围为6010-2pa6010-3pa，空炉提高温度过程中可以允许的最高真空度为13 x 10-3pa。(4)其他技术指标a

16、.漏气率1510-2升帕秒；b.工作区炉温均匀性在工作范围内10。整个真空炉系统投入运行前进行炉c.升温速度200小时d.抽真空速度6010-1pa25分钟；60x10-2pa30分钟：13x10-3pa125分钟；2.4退火工艺过程分析本文以南京佑天金属锆丝的真空退火工艺为例，而真空退火是锆丝由半成品到成品必须要经过的的重要工艺过程。锆是一种高熔点稀有金属，熔点在一千八百摄氏度左右，沸点在四千四百摄氏度左右。锆是一种极耐腐蚀，只能k溶于氢氟酸和王水的稀有金属。在隔绝空气、清洁的条件下对锆采取消除应力或再结晶退火,可以很好地解决加工硬化、恢复金属塑性等问题。热退火处理有很多方法,但采用真空退火

17、这项技术对锆丝进行退火,是一项较先进的金属处理方式在少有金属加工领域中。它因为热处理干净、没有污染、成本低、防氧化、形变小等等许多优点引起了人们愈来愈受到人们的关注。一般情况下,真空退火时要求真空度达到6.6*10-2pa,温度满足680摄氏度，同时保温，保温时间最少为一个小时。第三章 真空退火炉plc控制硬件系统的设计3.1 控制系统总体布局设备一般以plc为控制核心,工业控制计算机作为监督和显示。利用热电偶获取温度信号,通过可控脉冲固态继电器比较一组值输出来控制温度。使用真空度的真空传感器返回的信号,计算根据真空度下,驱动电磁阀和真空泵,使真空退火炉实现所需的真空度。总体布局示意图如图3.

18、1所示手动控制面板工业控制机plc水泵固态继电器温度传感器真空度传感器真空管道电磁阀扩散泵罗茨泵旋片泵真空退火炉图3.1总体布局示意图3.2控制系统设计方案(1)上位机:选择工业控制机、自动编程系统,编程plc输入和实时监控,故障显示,显示屏幕。计算机能够进行远程控制,增强系统的抗干扰能力,提高工作者的工作环境,pc奔腾3处理器。完美的功能和易于管理。(2)下位机:选择一个西门子s-7 300plc可编程序控制器实现对真空退火炉的控制。降低机器与可编程序控制器,抗干扰能力强,在相对恶劣的操作环境在长期运行可靠,容易控制操作:(3)控制电柜:用于安装可编程控制器,控制电路和操作面板。（定制）(4

19、)温度传感器:炉温测量(k型热电偶 上海普光)。(5)压力传感器:测量炉内的真空度(使用从国外进口)。(6)固态继电器:用来控制组件的执行。（国产名优）(7)电磁阀:位于真空管道的组件。应用plc控制系统的真空退火炉（国产名优）(8)各种泵体:主要有抽低真空旋片泵,用于抽中真空罗茨泵,用于抽高真空扩散泵,还有循环水水泵。(9)其他部分:电阻丝和绝缘屏幕,以及炉底板。控制系统共分为由三级真空泵组成的抽真空控制系统，电炉丝加热控制系统以及供电系统，循环水暂时不参与控制，而供电系统为手动操作。故只介绍另外2种系统设计方案。工控机plc真空退火炉 真空传感器 监控 管理 抽真空系统图3.2抽真空系统工

20、作原理旋片泵抽初级真空，旋片泵和罗茨泵结合抽中级真空。扩散泵准备，待达到一定真空度并且扩散泵准备好以后打开扩散泵抽高级真空。真空退火炉工控机plc 热电偶 监控 管理固态继电器触发模块图3.3温度控制系统工作原理 工业控制机下达命令，由plc进行控制，由于真空炉的炉内空间还是比较大的，而热电偶测量范围有限，所以为了达到工艺要求和炉温的均匀性，我们可以把它分成两区进行控温,（南区和北区),南区和北区)，热电偶把炉内温度转化为电信号后传输到plc上，plc再根据内部的自适应pid控制算式和工艺设定的温度速率，联系两个区的温度再通过相互比较的总体控制计算出两个区所需的脉冲触发信号，发送计算出的信号触

21、发两个区的固态继电器，让它通路，从而真空炉电阻丝得电，进行辐射加热，最后将温度在工业控制检测管理程序上显示出来。序号信号功能序号信号功能i0.0水泵按钮开关q4.0水泵接触器i0.1旋片泵按钮开关q4.1旋片泵接触器i1.0vp1开q4.7vp1接触器i1.1vp1关i1.2vp1开q5.0vp1接触器i1.3vp1关i0.3罗茨泵按钮开关q4.2罗茨泵接触器i1.4vp2开q5.1vp2接触器i1.5vp2关i1.6vp2开q5.2vp2接触器i1.7vp2关i0.3扩散泵按钮开关q4.3扩散泵接触器i2.0vp3开q5.3vp3接触器i2.1vp3关i0.4罗茨泵泵体冷却器开关q4.4罗茨

22、泵泵体冷却器接触器i0.5扩散泵泵体冷却器开关q4.5扩散泵泵体冷却器接触器i0.6电炉丝开关q4.6电炉丝接触器i2.2旋片泵过热继电器常开触点q5.4pa真空传感器开关i2.3罗茨泵过热继电器常开触点q5.5pa1真空传感器开关i2.4扩散泵过热继电器常开触点q5.6pa2真空传感器开关q5.7pa3真空传感器开关第四章真空退火炉软件系统的设计4.1 输入输出分配表模拟量定义序号信号功能序号信号功能aiw0南区热电偶输入aiw1南区固态继电器触发脉冲aiw2北区热电偶输入aiw3北区固态继电器触发脉冲aiw4扩散泵热电偶输入aiw5pa真空传感器输入aiw6pa1真空传感器输入aiw7pa

23、2真空传感器输入aiw8pa3真空传感器输入输入输出寄存器分配定义表输入寄存器寄存器功能输出寄存器寄存器功能v1400错误代码寄存器v2000南区固态继电器触发脉冲v1650真空传感器pav2001北区固态继电器触发脉冲v1651真空传感器pa1v1652真空传感器pa2v1653真空传感器pa3v7660南区热电偶温度数据v7661北区热电偶温度数据4.2 plc选型因为此次的系统控制对象为真空退火炉, 而s7-300型号的plc可以满足控制要求.下面的表格是它的模块选型: 序号模块名称型号特点1中央处理单元cpu315处理速度快，适用于中规模i/o配置2开关量输入输出模块sm323能通过不

24、同数字执行元件和传感器把s7-300与过程连接3模拟量输入输出模块sm3344个输入端 2个输出端4温度控制模块fm355运行速度快，pid算法和自优化算法4.3 程序流程图y水泵开开始 vp1开yn满足条件？pa1小于104pany输出错码并转入手动有无故障输出错码并转入手动yn输出错码并转入手动nvp1开有无故障旋片泵开有无故障抽低真空空输出错码并转入手动扩散泵开yn输出错码并转入手动满足条件？n启动扩散泵加热盘t250y有无故障ny抽中真空vp2开ynnn条件满足？p2小于9.9*100pa输出错码并转入手动有无故障ny条件满足？vp2关pa1小于9.9*102pan输出错码并转入手动y

25、y有无故障vp2开有无故障抽 高 真 空有无故障ynn输出错码并转入手动结束依次关闭vp3 vp2 vp1 vp1及扩散泵 罗茨泵 旋片泵开关计时半个小时电炉丝加热停止达到温度680摄氏度并保温一个小时yn电炉丝加热条件满足？pa6.6*10-2pa输出错码并转入手动yn启动罗茨阀有无故障y输出错码并转入手动有无故障第五章 模糊控制在在循环水与温度控制系统中应用的介绍5.1模糊控制的基本概念模糊控制是当今最新的控制方法之一,和其他控制方法相比它的控制方法很独特，特别是是否直接建立在数学基础方面。在用传统的控制方法实行控制时,一般情况下我们要先得到对象的数学模型。可是在生活实践中,被控对象的数学

26、模型不清楚没有明确的数据的情况也是有很多的。尤其是是对于一些时变、非线性的复杂系统一般情况下是不能获取精确的数学模型的。所以在这种情况下还基于数学模型的话那么有效可靠的控制是不太可能的。因此,我们要需要寻找新的控制方法。在日常生活中,我们会发现,有很多有经验的操作人员虽然对数学模型一点都不了解,但却能够灵活有效地控制系统的执行。这是因为操作员的控制系统是基于直观体验,由检验采取相应决策在实践中可以很好的完成控制任务。经验通常是一系列包含语言变量的值的条件语句和规则,所以人类经验与模糊条件语句有很多类似的地方。然后,语言变量量化,再然后,模糊控制系统上的实时输入像阅读进行处理,相对应的控制方法就

27、会产生。这就是模糊控制方法一种新颖的控制方法。模糊控制在实践中有以下几个优点:事先不知道被控对象的精确数学模型,因此这些模型不是容易获得的对象或不能获得可以采用模糊控制规则被认为是。由于人类经验控制条件语句总结说,所以,对于那些不熟悉模糊控制理论,也要学。一个控制方法很容易学习。模糊控制适用于工业生产过程中,对象是模糊的,这种控制方法可以反映其优势比其他控制方法。控制规则是人类经验的反映,但每个人的经验都是不完全相同的,因此,控制规则,一旦主优化。虽然模糊控制应用越来越广泛,并已进入家用电器控制的日常生活如洗衣机、电饭煲等等,但它毕竟是一个缺点:新的控制方式的发展, 能满足的控制要求高,自我调

28、节能力欠缺,等等,但由于模糊控制技术的不断进步,缺陷将继续解决,所以模糊控制仍被视为非常希望良好的控制方法。5.2模糊控制实现的步骤与方法输入模糊控制器、对象以及反馈信号和输出一同组成了模糊控制系统。系统结构模型控制系统和模拟调节系统和数字控制系统并没有太大的区别。只是用模糊控制系统取代模拟控制系统模拟调节器、能够控制数字的管理器或能够控制数字的系统。实际上,模糊控制器起了把模糊控制系统和其他控制系统连接起来的作用。找到一个模糊控制器,输入和输出准确无误的数值。实际上模糊控制的本质就是模拟人类得思维、怎样去积累和总结经验,这是对规则的先总结和后推理。所以一定要把输入数据(如温度)转变成另一个形

29、式(如温度高,中,低)这样一个模糊的过程,和推理的结果(如阀门半开放、开放)转变成实际精确修正,去模糊化过程。模糊控制器运行主要有三大步骤:第一步模糊化,第二步模糊推理,最后一步反模糊化。下面将就来对这3个主要步骤进行详细说明：(1) 模糊化在模糊控制中,可以把输入变量比如如位移偏移量、温度变量等等这些叫做语言变量,而把偏移量的大和小,温度的高和低叫做这个语言变量的语言值。在实际应用的控制的过程中,我们规定物理量可以划分为nl 、nm、ns 、zr 、ps、pm、pl这7个级别。每个语言值和模糊子集都是一一对应的。所以进行模糊化,就应该先要把这些模糊子集的隶属度函数确定下来。(2)模糊推理模糊

30、推理也常常被人认为是对规则的评价,很显然模糊推理也是模糊控制器的很关键的一步。在一般的实用过程中,语言的控制习惯在进行模糊推理之前就应该根据操作者或者专家的知识和经验确定下来并存储于plc之中,当然了,这些规则还要在试验的过程中不断地完善、修改和优化才行。规则的典型形式为:如果 y是a 并且 x是b则z是c,即采用了电脑汇编语言中人们常用的ifthen的条件语句的形式。而在这里面if也就是如果后面紧跟的词就叫做前件也有人叫它条件,then后面紧跟的词又被大家叫做后件也就是结果,在这里面输入变量就是x和y,推理的结果就是z。所以说x、y、z在模糊推理中都是模糊量。若干这样的规则就可以组成这样一个

31、一个实际的模糊控制器了,而输入、输出也可以是多个变量。使用规则就和模糊控制的讲的差不多。而有多少组规则,规则中的重复组数,隶属函数的图形状态等等都都灵活到可以自己去更改重置的。所以很多东西都可以增强控制的灵敏度,但也有缺点,它会使系统的建立和调整变得不那么容易把握,后果就是必须经过反复的修改和调试才能使其符合要求。在模糊控制之中,推理方法有很多很多种,其中常用的就是最大最小法。这种方法虽不是最优的方法,但却是用的最多的方法,大多数的模糊控制,不管是实现软件功能还是实现硬件功能都使用这种方法。最大一最小法的模糊运算，可以分为4步实现：输入量的模糊化，输入量隶属度求值列出。如果有多个输入量, 最小

32、的条件是我们最应该先先找到的,在同一个规则规定下,此时 输入隶属度最小值就能够代替条件隶属度,假如两个条件变量是由and连接的这时候取最小值就能够说明两变量是关联的,这时我们选择其中最小值,则可以同时满足这两个条件。前件隶属度与后件隶属函数一起进行取最小值运算从而得到各规则的结果。采用最大值是因为最大值包含所有结论,这是由于这些规则既有一点联系,又相互独立,有一种说不清楚的关系，所以选择最大值才能满足要求。真空退火炉系统中的循环水冷却装置可以冷却炉腔、扩散泵以及加热用的固态继电器。下面我们就通过扩散泵循环水冷却为例讲述输入输出的模糊控制过程。若每一个输入量分成3级，那么相应就有9条规则，若按每

33、个输入语言变量分成7级，总共就有49条规则，完全可以全部覆盖 。(3)反模糊化把语言表达的模糊量变换为精确的数值这个过程叫做反模糊化,因为实际控制总是要确切的数值数据以数学模型为基础所以我们也不得不这么做。把所有的模糊输出量用数学方法合成一个特定的结果的过程就是反模糊化的过程,其实也就是用模糊子集的隶属度计算出确定的输出数值的过程。由这种算法控制的plc与普通的plc相比较的不同之处是：这种plc可以根据温度和压力的不同使得冷却水的流量得以控制，根据设备的实际情况将通水阀门开启到不同程度，以解决冷却水流量较小会影响扩散泵不能及时冷却的问题，从而避免扩散泵的使用寿命缩短和故障发生，同时解决了冷却水流量较大影响其他设备使用冷却水的问题。而普通的plc只控制冷却水阀门的开和关的两个状态，在工作过程中仍需要根据人的经验手调其开启的大小，不能形成自动控制，显然满足不了设备的需求。总结 真空退火炉本身存在着能耗大，控制不精确的缺点。通过本文的设计能够对这些问题有一定的改善，plc能够精确地对真空退火炉进行控制并且在一定程