回火炉自动控制系统设计.docx
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回火炉自动控制系统设计
摘要
回火指将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。
回火是为了提高组织稳定性,使工件在使用过程中不再发生组织转变,从而使工件几何尺寸和性能保持稳定；消除内应力,以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸；调整材料的力学性能以满足使用要求。
过去的回火处理都是由人工操作完成的，那样不仅费时、费力还具有很大的危险性。
随着现代科技的日益进步，回火工艺也由自动控制代替了人工操作。
在众多的自动控制系统中，我们需要选择一种最优的自动控制方式。
可编程控制器（PLC）是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置，目前已跃居工业自动化三大支柱的首位。
回火炉自动控制系统采用PLC控制系统，其整个控制系统稳定性更高、可靠性更强、控制更灵敏、安全系数更高。
Abstract
Afterquenchtheworkpiecewillre-heatingtotheappropriatetemperaturebelowthecriticaltemperature，heatpreservationaperiodoftimeintheairorwater,oiletc.coolingmediumheattreatmentofmetals.Thisistemper.Tempertoincreaseorganizationalstabilitysothattheprocessdoesnotrecurintheuseofherorganizationalchange,andgeometrysothatherperformanceremainedstable;Eliminationofstressinordertoimproveperformanceandstabilityintheuseofherfinalgeometry;Mechanicsadjustedperformancematerialsusedtomeetrequirements.
Pastflashbackbythemanualhandlingoperationsarecompleted,whichisnotonlytime-consuming,laboriousalsohasgreatdanger.Withtheincreasingadvancesofmoderntechnology,temperingthemanualprocessesarereplacedbyautomaticoperation.Amongtheautomaticsystem,weneedtochooseanoptimalautomaticmode.
Programmablecontroller（PLC）iswidelyusedinrecentyearsandtherapiddevelopmentofanewgenerationofindustrialautomationcontroldevices,isnowamongthetopthreepillarsofindustrialautomation.AdoptPLCstovesautomaticcontrolsystemtocontrolsystem,thehigherthestabilityoftheentirecontrolsystem,reliabilitystronger,moresensitivecontrol,safetyfactorhigher.
Keywors:
第1章前言
可编程控制器（PLC）是以为处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的崭新的工业自动控制装置。
特别是由于PLC采用了依据继电器控制原理而开发的梯形图作为程序设计语言，使得不熟悉计算机的机电设计人员和工人中的技师均能较快地掌握梯形图的编程方法，极大地促进了PLC在工业生产中的推广应用。
目前PLC已基本代替了传统的继电器控制而广泛应用于工业控制的各个领域，PLC已跃居工业自动化三大支柱的首位。
PLC具有很高的抗干扰性和可靠性、灵活的控制能力和控制适应性，且简单易学、操作方便灵活。
由于上述特点，PLC的使用范围很宽，凡是需要顺序控制的场合都可以用PLC来实现，PLC的价格也越来越低，使用场合也越来越宽。
本设计就是采用PLC控制系统对回火炉进行控制，使回火炉控制系统稳定性高、可靠性强、控制灵敏、安全系数高。
第二章回火炉系统的工艺介绍
2.1系统工艺
系统的工作原理见图1。
利用小车M1把元件送入回火炉中，用电机M2控制炉门开关，用电炉丝给回火炉加热到设定温度。
2.2系统详细控制要求
系统的具体要求如下：
1、系统具有自动/手动功能
2、在手动状态下，小车M1能单独前进与后退，回火炉炉门可以单独升降，电炉丝可以手动加热
3、在自动状态下，所有手动状态下操作动作无效。
自动状态下的初始条件为：
小车M1在限位开关SQ3处，回火炉炉门在限位开关SQ1处，电炉丝为加热。
自动工作的流程如下：
1）小车M1从限位开关SQ3处自动前进到限位开关SQ4处
2）小车M1自动前进到SQ4后，自动停止，然后，回火炉炉门从限位开关SQ1处自动下降到限位开关SQ2处。
3）回火炉炉门自动下降到限位开关SQ2处后，自动停止，然后，电炉丝自动加热到设定温度。
4）当回火炉达到设定温度后保温半小时。
5）保温时间到后，自动停止加热，然后，回火炉炉门自动上升到限位开关SQ1处停止。
6）回火炉炉门上升到限位开关SQ1处停止后，小车M1自动后退到限位开关SQ3处停止。
注：
1、此自动运行是单循环过程，一个循环结束后，再次按下自动启动按钮，系统才开始下一个自动循环。
2、当自动运行过程中按下自动停止按钮，系统停在当前的运行状态，此时再次按下自动启动按钮，系统接着前面停止的状态继续运行。
2.3系统电气技术指标
系统电气技术指标如下：
1、电机M1三相异步电动机AC380V、3KW
2、电机M2三相异步电动机AC380V、2KW
3、电炉H——2KW电阻丝。
4、温度传感器T–K型热电耦0~1370。
5、限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，无源触点
第三章控制方案
3.1控制方案
随着生产规模的逐步扩大，市场竞争日益激烈，人们越来越需要一种先进的自动控制方法来完成对回火炉热处理工艺的控制。
伴随着大规模、超大规模集成电路的迅猛发展，可编程控制器（PLC）得到了惊人的发展，它以其稳定性高、可靠性强、控制灵敏、安全系数高并且具有集散控制网络管理等要求脱颖而出，在这里我们采用PLC控制系统。
通过改变其内部的程序便可改变生产流程，通过网络控制还可已进行异地控制，增强了控制的多样性；另外由于可编程控制器体积小，灵活多样，因此可以节约占地；低廉的
价格可以节约投资。
它完全满足现代工业控制的各项要求。
3.2PLC介绍
3.2.1PLC的定义
可编程控制器（ProgrammableController）简称PC，个人计算机（PersonalComputer）也简称PC，为了避免混淆，人们把最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC（ProgrammableLogicController）。
可编程控制器的历史只有30多年，但发展极为迅速。
为了确定它的性质，国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）多次发布及修订有关PLC文件。
在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式是输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计”。
3.2.2PLC的特点与应用领域
（一）PLC的特点
PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要以外，主要是因为它具有许多独特的优点。
它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
主要有以下特点：
1.可靠性、抗干扰能力强
可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要发特点之一。
PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施：
（1）硬件方面I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了连锁保护、自诊断电路等。
（2）软件方面PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界干扰引起故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。
2.编程简单、使用方便
目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。
梯形图与电器控制线路相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程师人员掌握。
当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。
同时，PLC编程器的操作个使用也很简单。
这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。
许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。
3.功能完善、通用性强
现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网等许多功能。
同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。
4.设计装置简单、维护方便
由于PLC采用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。
在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上的指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。
5.体积小、重量轻、能耗低
由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。
（二）PLC的应用领域
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。
从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面：
1．开关量逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统发继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：
机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。
2．运动控制
大多数PLC都具有拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。
3．过程控制
大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。
所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。
这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。
4．数据处理
现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其他智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。
5．通信联网
PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其他智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要。
3.2.3PLC与其他控制系统的比较
（一）可编程控制器与继电器逻辑控制系统的比较
在可编程控制器出现以前，继电器硬接线电路是逻辑控制、顺序控制的惟一执行者，它结构简单，价格低廉，一直被广泛应用。
但它与PLC控制相比有许多缺点，见表1-1。
表3-1PLC与继电器逻辑控制系统的比较
比较项目
继电器逻辑
可编程控制器
控制逻辑
接线逻辑，体积大，接线复杂，修改困难
存储逻辑，体积小，接线少，控制灵活，易于扩展
控制速度
通过触点的开闭实现控制作用，动作为几十毫秒，易出现触点抖动
由半导体电路实现控制作用，每条指令执行时间在微秒级，不会出现触点抖动
限时控制
由时间继电器实现，精度差，易受环境、温度影响
用半导体集成电路实现，精度高，时间设置方便，不受环境、温度影响
触点数量
4~8对，易磨损
任意多个，永不磨损
工作方式
并行工作
串行循环扫描
设计与施工
设计、施工、调试必须顺序进行，周期长，修改困难
在系统设计后，现场施工与程序设计可同时进行，周期短，调试、修改方便
可靠性与可维护性
寿命短，可靠性与可维护性差
寿命长，可靠性高，有自诊断功能，易于维护
价格
使用机械开关、继电器及接触器等，价格便宜
使用大规模集成电路，初期投资较高
（二）可编程控制器与其他工业控制器的比较
1.可编程控制器与通用的微型计算机的比较
采用微电子技术制作的作为工业控制器的可编程控制器，它也是由CPU、RAM、ROM、I/O接口等构成的，与微机有相似的构造，但又不同于一般的微机，特别是它采用了特殊的抗干扰技术，有很强的接口能力，使它更能适用于工业控制。
PLC与微机各自的特点见表3-2
表3-2PLC与微型计算机的比较
比较项目
微型计算机
可编程控制器
使用范围
科学计算、数据处理、通信等
工业控制
使用环境
有一定温度、湿度的机房
工业现场
输入/输出
与主机采用微电联系，没有光电隔离，没有专用的I/O口
控制强电设备，有光电隔离，有大量的I/O口
程序设计
程序语言复杂，汇编、FORTRAN、BASIC、C及COBOL等。
语句复杂，需专门计算机的硬件和软件知识
一般为梯形图语言，易于学习和掌握
系统功能
配有较强的操作系统
自诊断、监控等
工作方式
中断方式
循环扫描方式及中断方式
可靠性
抗干扰能力差，不能长期运行
极高，抗干扰能力强，长期运行
体积与结构
结构松散，体积大，密封性差，键盘大，显示器大
结构紧凑，体积小，外壳坚固，密封
2.可编程控制器与集散控制系统的比较
可编程控制器与集散控制系统都是用于工业现场的自动控制设备，都是以微型计算机为基础的，都可以完成工业生产中大量的控制任务。
但是，它们之间又有一些不同。
（1）发展基础不同
可编程控制器是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在开关量处理，顺序控制方面具有自己的优势，发展初期主要侧重于顺序逻辑控制方面。
集散控制系统是由仪表过程控制系统发展而来，所以它在模拟量处理、回路方面具有一定的优势，、发展初期只要侧重于回路调节功能。
（2）扩展方向不同
随着微型计算机的发展，可编程控制器在初期逻辑运算上，增加了数值运算及闭环调节功能。
运算速度不断提高，控制规模越来越大，并开始与网络或上位机连接，构成了以PLC为核心的部件的分布式控制系统，集散控制系统自20世纪70年代问世后，也逐渐地把顺序控制装置，数据采集装置，回路控制仪表，过程监控装置有机地结合在一起，构成了能满足各种不同控制要求的集散控制系统。
（3）由小型计算机构成的中小型DCS将被PLC构成的DCS所代替
PLC与DCS从各自的基础出发，在发展过程中互相渗透，互为补偿，两者的功能越来越近，颇有殊路同归感。
目前，很多工业生产过程既可以用PLC实现控制，也可以用DCS实现控制。
但是，由于PLC是专为工业环境下应用而设计的，其可靠性要比一般的小型机高得多，所以，以PLC为控制器的DCS必将逐步占领以小型计算机为控制器的中小型DCS市场。
3.可编程控制器与工业控制计算机的比较
可编程控制器与工业控制机都是用来进行工业控制，但是工业PC机与PLC相比，仍有些不同。
（1）硬件方面
工业PC机是由通用微型计算机推广应用发展起来的，通常由微型计算机生产厂家发展生产，在硬件方面具有标准化总线结构，各种机型兼容性强。
而PLC则是针对工业顺序控制，由电气控制厂家研制发展起来的，其硬件结构专用，各个厂家产品不通用，标准化程度较差。
但是PLC的信号采集和控制输出的功率强，可不必再加信号交换和功率驱动环节，而直接和现场的测量信号及执行机构对接；在结构上，PLC采用整体密封模板组合形式；在工艺上，对印刷板、插座、基架都有严密的处理；在电路上，又有一系列的抗干扰措施。
因此，PLC的可靠性更能满足工业现场环境下的要求。
（2）软件方面
工业PC机可借用通用微型计算机丰富的软件资源，对算法复杂，实时性强的控制任务能较好地适应。
PLC在顺序控制的基础上，增加了PID等控制算法，它的编程采用梯图语言，易于被熟悉电气控制而不太熟悉微机软件的工厂电气技术人员掌握。
（三）PLC控制系统与单片机控制系统的比较
单片机结构简单、价格便宜，一般用于数据采集、数据处理和工业控制，它在数据采集和数据处理方面优于PLC，但是它与PLC相比还有以下缺点：
1）不如PLC容易掌握：
弹片机一般用机器指令或助记符编程，要求设计者具有一定的计算机硬件和软件知识。
2）不如PLC使用简单：
用单片机来实现自动控制，一般要在输入、输出接口上做大量的工作。
例如要考虑现场与单片机的连接、接口的扩展、输入/输出信号的处理、接口的工作方式等。
其调试也比较麻烦。
3）不如PLC可靠：
用单片机进行工业控制，抗干扰能力差，可靠性低。
3.2.4PLC的发展趋势
1．向高速度、大容量方向发展
为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。
目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。
PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。
为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
2．向超大型、超小型两个方向发展
当前中小型PLC较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。
现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。
小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8~16点，以适应单机及小型自动控制的需要。
3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。
这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。
加强PLC联网通信功能，是PLC技术进步的潮流。
PLC的联网通信有两类：
一类是PLC之间联网通信，各PLC厂家都有自己专有联网手段；另一类PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。
为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。
PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
4．增强外部故障的检测与处理能力
根据统计资料表明：
在PLC控制系统的故障中，CUP占5%。
I/O占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。
前两项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。
因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，以进一步提高系统的可靠性。
5．编程语言多样化
在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。
除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）。
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。
第四章控制系统硬件设计
4.1电气主回路设计
4.1.1电炉丝加热主回路
图4.1为回火炉电炉丝加热主回路，通过采样温度控制电炉丝加热，达到控制炉内温度的目的。
图4.1电炉丝加热主回路图
电阻丝
模拟输出模块
调压器
断路器QF1
AC220V
4.1.2
电源指示灯
HL8
电源开关
SA1
DC24V
+
-
控制电源
220V
断路器QF2
电源控制电路
AC220V
图4.2电源控制电路
4.1.3小车电机主回路
图4.3为小车电机主回路，通过控制电机的正反转来实现小车的前进和后退。
KM1闭合，电机正转，小车前进；KM2闭合，电机反转，小车后退。
小车电机
M1~
图4.3小车电机主回路
AC380V
接触器
KM2
接触器
KM1
热继电器
FR1
断路器
FQ3
4.1.4门电机主回路
图4.3为门电机主回路，用来控制门的升降。
当KM1闭合时，电机正转，门上升；当KM2闭合时，电机反转，门下降。
门电机
M2~
热继电器
FR1
接触器
KM4
接触器
KM3
断路器
FQ4
AC380V
图4.4门电机主回路
4.2控制面板设计
根据系统工艺要求设计控制面板如图4.4所示。
报警指示灯
关门指示灯
小车前进指示灯
开门指示灯
加热指示灯
自动指示灯
HL8
HL7
HL5
HL6
HL4
HL3
HL2
HL1
电源开关
SA1
小车后退按钮
SB4
自动停止按钮
SB6
小车前进按钮
SB3
自动启按钮
SB5
关门按钮
SB2
开门按钮
SB1
加热开关
SA2
自/手动切换开关
SA2
电源指示灯
小车后退指示灯
图4.4控制面板
4.3输入输出点清单
数字量输入点DI：
1.自/手动切换开关SA2
2.自启动按钮SB5
3.自动停止按钮SB6
4.小车前进按钮SB3
5.小车后退按钮SB4
6.开门按钮SB1
7.关门按钮SB2
8.加热开关SA3
9.热继电器FR1
10.热继电器FR2
11.上限位开关SQ1
12.下限位开关SQ2
13.左限位开关SQ3
14.右限位开关SQ4
模拟量输入点AI：
K
升级会员 