加熱爐課程設計---熱處理加熱爐電氣控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　（2011 /2012 學年第2學期）</p><p>　　課程名稱 ： 《可編程序控制器》課程設計</p><p>　　題 目 ：熱處理加熱爐電氣控制系統(tǒng)設計</p><p>　　專業(yè)班級 ： <

2、;/p><p>　　學生姓名 ： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師 ： </p><p>　　設計周數(shù) ： 二 周 </p>

3、<p>　　設計成績 ： </p><p>　　2012 年7月6日</p><p><b>　　目       錄</b></p><p>　　一、課程設計目的………………………………………………………3</p><p

4、>　　二、課程設計正文………………………………………………………3</p><p>　　2.1設計原理………………………………………………………3</p><p>　　2.2設計內(nèi)容………………………………………………………3</p><p>　　2.2.1 加熱爐原理………………………………………………3</p><p>　　2.2.

5、2 PID控制…………………………………………………4</p><p>　　2.3設計要求………………………………………………………4</p><p>　　2.4 I/O地址分配…………………………………………………5</p><p>　　2.5程序流程圖……………………………………………………6</p><p>　　2.6 PLC主程序……

6、………………………………………………7</p><p>　　三、課程設計總結(jié)………………………………………………………13</p><p>　　四、參考文獻……………………………………………………………14</p><p>　　五、附表…………………………………………………………………15</p><p><b>　　1、課程設計目

7、的</b></p><p>　?。?）了解掌握PLC控制系統(tǒng)的常用編程思路、程序功能。（2）了解熱處理加熱爐的結(jié)構(gòu)和工作過程。（3）掌握PLC控制程序?qū)崽幚砑訜釥t電氣的控制。</p><p><b>　　2、課程設計正文</b></p><p><b>　　2.1 設計原理</b></p>&l

8、t;p>　　通過PLC控制電機M1和電機M2，實現(xiàn)對物品加熱進出爐，爐門開關的要求，對加熱保溫階段采用PID控制</p><p><b>　　2.2 設計內(nèi)容</b></p><p>　　2.2.1 加熱爐原理</p><p>　　加熱爐具有熱量傳遞過程。熱量通過金屬管壁傳給工藝介質(zhì)，因此它們同樣符合導熱與對流傳熱的基本規(guī)律。但加熱爐屬于

9、火力加熱設備，首先由燃料的燃燒產(chǎn)生熾熱的火焰和高溫的氣流，主要通過輻射傳熱將熱量傳給管壁，然后由管壁傳給工藝介質(zhì)，工藝介質(zhì)在輻射室獲得的熱量約占總熱負荷的70%~80%，而在對流段獲得的熱量約占熱負荷的20%~30%。因此加熱爐的傳熱過程比較復雜，想從理論上獲取對象特性是很困難的。</p><p>　　加熱爐的對象特征一般基于定性分析和實驗測試獲得。從定性角度出發(fā)，可以看出其傳熱過程為：爐膛熾熱火焰輻射給爐管，經(jīng)

10、熱傳導、對流傳熱給工藝介質(zhì)。所以與一般傳熱對象一樣，具有較大的時間常數(shù)和純滯后時間。特別是爐膛，它具有較大的熱容量，故滯后更為顯著，因此加熱爐屬于一種多容量的被控對象。根據(jù)若干實驗測試，并做了一些簡化，可以用一介環(huán)節(jié)加純滯后來近似，其時間常熟和純滯后時間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時間有關。爐膛容量大，停留時間長，則時間常數(shù)和純滯后時間大，反之亦然。</p><p>　　加熱爐進料一般分為幾個支路。常規(guī)的控制方法

11、是：在各支路上安裝各自的流量變送器和控制閥，而用爐出口總管溫度來調(diào)節(jié)爐用燃料量。這樣的調(diào)節(jié)方法根本沒有考慮支管溫度均衡的控制，支管溫度均衡的控制由操作工憑經(jīng)驗根據(jù)分支溫差來調(diào)節(jié)分支流量差。這種人為操作顯然無法實現(xiàn)穩(wěn)定的均衡控制，往往是各支管流量較均衡，而分支溫度有相當大的差異，某一爐管因局部過熱而結(jié)焦的可能性很大。為了改善和克服這種情況，需要采用支路均衡控制方法。近年來出現(xiàn)的差動式平衡控制、解藕控制以及多變量預測控制等方法能夠收取一定的

12、效果。其中差動式方法不僅效果不錯，而且實現(xiàn)簡單，操作簡便，對于長期運行有一定的優(yōu)勢。另外，針對系統(tǒng)的非線性、強耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能實現(xiàn)較好的控制。</p><p><b>　　PID控制</b></p><p>　　在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它

13、 以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的 其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積

14、分、微分計算出控制量進行控制的。 </p><p><b>　　比例（P）控制 </b></p><p>　　比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 </p><p><b>　　積分（I）控制 </b><

15、/p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大

16、使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 </p><p><b>　　微分（D）控制 </b></p><p>　　在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(dela

17、y)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(

18、PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 </p><p><b>　　2.3 設計要求</b></p><p>　　1.初始狀態(tài)：電爐不通電，電機不通電，小車停在爐外SQ3位置（SQ3亮，SQ4滅），爐門關閉（SQ2亮，SQ1滅）。</p><p>　　2.按下啟動按扭，電機M2正轉(zhuǎn)，爐門打開（SQ2滅）。</p><

19、;p>　　3.爐門完全打開（SQ1亮）后，電機M2停轉(zhuǎn)。同時啟動M1正轉(zhuǎn)（SQ3滅），運送工件的小車向爐膛內(nèi)運動。 </p><p>　　4.小車到達爐膛內(nèi)SQ4位置后（SQ4亮），電機M1停轉(zhuǎn)。啟動M2反轉(zhuǎn)（SQ1滅）。</p><p>　　5.當爐門完全關閉后（SQ2亮），電機M2停轉(zhuǎn)。 </p><p>　　6.加熱：給爐膛內(nèi)的加熱電爐絲通入最高電壓，工

20、件開始加熱。 </p><p>　　7.保溫：當工件溫度達到設定溫度（攝氏度）的95%時，轉(zhuǎn)入保溫階段。保溫階段采用PID控制。用PLC內(nèi)置的PID功能實現(xiàn)。</p><p>　　8.保溫12秒后，關閉電爐絲停止加熱，啟動電機M2正轉(zhuǎn)，爐門打開（SQ2滅）。</p><p>　　9.爐門完全打開（SQ1亮）后，電機M2停轉(zhuǎn)。同時啟動M1反轉(zhuǎn)（SQ4滅），運送工件的小

21、車向爐膛外運動。</p><p>　　10.小車到達SQ3位置后（SQ3亮），電機M1停轉(zhuǎn)。同時啟動M2反轉(zhuǎn)（SQ1滅）。</p><p>　　11.當爐門完全關閉后（SQ2亮），電機M2停轉(zhuǎn)。</p><p>　　2.4 I/O地址分配 </p><p><b>　　2.5 程序流程圖</b></p>&

22、lt;p>　　2.6 PLC主程序</p><p><b>　　子程序 SBR_0</b></p><p><b>　　中斷程序INT_0</b></p><p><b>　　三、課程設計總結(jié)</b></p><p>　　首先，感謝學院領導及老師給我們提供這次學習的機會，

23、讓我們理論聯(lián)系實際，用課本知識完成課設題目，使我們收獲頗豐。</p><p>　　課設使我明白了自己原來知識還比較欠缺，通過這次課程設計，我明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設計，我們對PLC有了更深入的了解，尤其是加深了對熱處理加熱爐電氣控制的了解。課本上的理論知識在實

24、踐中得到了應用，使我們對plc編程有了更深刻的體會。由于我們進行調(diào)試的次數(shù)少，所以許多理論上成功的，實現(xiàn)出來的結(jié)果卻不令人滿意。有時我們意見不統(tǒng)一，但都在嘗試之后得到解決。</p><p>　　通過看書學習，寫出了相應的程序，達到功能要求的目的。不管怎樣，在這次課程設計過程中，我們在理論的基礎上進行了實踐，是一次很好的機會，提高了我們的創(chuàng)造力和動手能力。當我們一點一點完成的時候，心中就不免興奮，不免激動。成功與失

25、敗其實沒有界限，失敗是成功的基石，在做此設計時，我深深體會到做事與成長是一回事，沒有付出努力，那就好比一張空紙，經(jīng)不起風波的。</p><p>　　最后，再一次感謝指導老師這段時間以來對我們的耐心指導，使我們可以順利的完成課設內(nèi)容，并且收獲到很多在平時學習生活中學不到的東西。這次plc課設對我們以后的工作學習都會有很大幫助，我會將這次實踐所得銘記在心。</p><p><b>　

26、　四、參考文獻</b></p><p>　　[1] 殷洪義 可編程序控制器選擇、設計與維護 機械工業(yè)出版社</p><p>　　[2] 胡學林 可編程序控制器教程（基礎篇）電子工業(yè)出版社</p><p>　　[3] 宋德玉 可編程序控制器原理及應系統(tǒng)設計技術 冶金工業(yè)出版社</p><p>　　[4] 耿文學 可編程序控制

27、器應用技術手冊</p><p>　　[5] 陳立定 電氣控制與可編程控制器</p><p>　　[6] 羅宇航 流行PLC實用程序及設計 西安電子科技大學出版社</p><p>　　[7] 張鳳珊 電氣控制及可編程序控制器 中國輕工業(yè)出版社</p><p>　　[8] 史國生 電氣控制與可編程控制器技術 化學工業(yè)出版社<