热处理加热炉电气控制系统设计.docx
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热处理加热炉电气控制系统设计
目 录
1、课程设计目的………………………………………………………3
2、课程设计正文………………………………………………………3
2.1系统分析………………………………………………………3
2.2系统设计和实施………………………………………………3
2.2.1加热炉原理………………………………………………3
2.2.2PID控制…………………………………………………3
2.3单元电路设计…………………………………………………4
2.4I/O地址分配…………………………………………………5
2.5程序流程图……………………………………………………6
2.6PLC主程序……………………………………………………7
3、课程设计总结………………………………………………………15
4、参考文献……………………………………………………………15
5、附表…………………………………………………………………16
1、课程设计目的
（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系统分析
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系统设计和实施
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。
2.2.2PID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-stateerror）。
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（SystemwithSteady-stateError）。
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。
2.3单元电路设计
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（SQ4亮），电机M1停转。
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：
当工件温度达到设定温度（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，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
I0.0
2
SQ1
I0.1
3
SQ2
I0.2
4
SQ3
I0.3
5
SQ4
I0.4
6
M1正转
Q0.1
7
M1反转
Q0.2
8
M2正转
Q0.3
9
M2反转
Q0.4
10
加热
Q0.5
开始
2.5程序流程图
电机M2正转，炉门打开（SQ2灭）
SQ1亮，M2停转。
同时启动M1正转（SQ3灭），小车向炉膛内运动
SQ4亮，电机M1停转。
同时启动M2反转（SQ1灭）
SQ2亮，电机M2停转。
加热
否
是否达到设定温度的95%？
是
保温，采用PID控制
是否保温12秒?
否
是
关闭电炉丝停止加热，同时启动电机M2正转，炉门打开（SQ2灭）
SQ1亮后，电机M2停转。
同时启动M1反转（SQ4灭），小车向炉膛外运动
小车到达SQ3位置后（SQ3亮），电机M1停转。
同时启动M2反转（SQ1灭）
当炉门完全关闭后（SQ2亮），电机M2停转
结束
2.6PLC主程序
子程序SBR_0
中断程序INT_0
3、课程设计总结
这次为期两周的PLC课程设计中，我们所做的实验是热处理加热炉电气控制系统。
在这次课程设计中，我们遇到了许多实际性的问题和困难。
在PLC课程教学中，老师每次在课堂上讲的知识，我都能听懂，可是每次让自己着手编程序的时候，总是感觉无从下手。
在这次课程设计中，这种弊端更是暴露无遗。
这是因为在课堂上，我只是注重了理论知识的学习，而忽略了课外的实践问题。
所以，在这次课程设计的前期，我们的设计过程可以说是困难重重，步履维艰。
在热处理加热炉电气控制系统设计过程中，通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，复习老师上课讲的重要知识点，并向老师请教等方式，我们基本掌握了PLC的设计思路和基本方法，并初步将PLC程序编写出来。
但当我们的程序在实验台上运行时，各种问题和错误又接踵而至。
然后我们又对所编写的程序进行仔细的检查和核对，并反复地进行修改和调试，最终实现了所有要求的功能。
在寻找和解决问题的过程中，我进一步掌握了PLC理论知识，加深了对PLC的理解，并且认识到了理论与实践的差距。
这次课程设计，不仅给了我们与同学合作交流的机会，提高了与人合作的意识与能力，充分体现了合作的重要性，同时使我们在理论知识的基础上进行了实践，认识到了实践的重要性，提高了我们的创造力和动手能力。
在整个设计过程中我学到了许多课堂外的东西，这是我这次课程设计中最大的收获。
在以后的学习和工作中，我们要坚决摒弃纸上谈兵，应当在理论的基础上着手实践，在实践的过程中巩固理论。
4、参考文献
[1]殷洪义可编程序控制器选择、设计与维护机械工业出版社
[2]胡学林可编程序控制器教程（基础篇）电子工业出版社
[3]宋德玉可编程序控制器原理及应系统设计技术冶金工业出版社
[4]罗宇航流行PLC实用程序及设计西安电子科技大学出版社
[5]张凤珊电气控制及可编程序控制器中国轻工业出版社
[6]史国生电气控制与可编程控制器技术化学工业出版社
[7]郁汉琪电气控制与可编程序控制器应用技术东南大学出版社
5、附表
课程设计
评语
课程设计
成绩
指导教师
（签字）
年月日
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