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文檔簡(jiǎn)介
1、<p> 南鋼輥底式熱處理爐的PLC控制設(shè)計(jì)</p><p> 摘要:本文以南鋼中厚板卷廠(Nisco)輥底式無氧化熱處理爐為背景,根據(jù)工藝流程介紹了熱處理爐的控制系統(tǒng)硬件及程序設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用西門子S7-400PLC作為下位機(jī)主控制器,通過Profibus連接變頻器與遠(yuǎn)程I/O;工控機(jī)作為上位機(jī)HMI對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與管理。二者通過以太網(wǎng)相連,構(gòu)成了基于PLC和工控機(jī)的熱處理爐控制系統(tǒng)。 </
2、p><p> 關(guān)鍵詞:輥底爐;PLC;脈沖循環(huán)燃燒;HMI;自診斷; </p><p> 中圖分類號(hào):TE963文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): </p><p> 南鋼中厚板卷廠熱處理線主要對(duì)需熱處理的鋼板進(jìn)行正火和回火處理,1#爐為輥底式熱處理爐,設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為16,0000t/a;其中正火產(chǎn)品為150000 t/a,回火產(chǎn)品為10000 t/;產(chǎn)品主要為各類中厚板
3、:包括橋梁鋼板,高壓容器鋼板,高強(qiáng)度合金鋼板,工程機(jī)械鋼板,船用鋼板等;規(guī)格如下: </p><p> 厚度:6~60mm </p><p> 寬度:1600~3250mm </p><p> 長(zhǎng)度:6000~18000(24000)mm </p><p> 根據(jù)產(chǎn)品方案,所選擇的熱處理工藝主要有: </p><p
4、> 正火處理:正火氣霧冷卻空氣冷卻 </p><p> 正火回火處理:正火氣霧冷卻空氣冷卻回火空氣冷卻 </p><p> 回火處理:回火空氣冷卻 </p><p> 1、熱處理爐控制生產(chǎn)工藝 </p><p> 1、1順控生產(chǎn)工藝 </p><p> 在生產(chǎn)過程中邏輯信號(hào)的處理和順序的操作功能由爐子
5、的一級(jí)系統(tǒng)完成。 </p><p> 爐子分為三個(gè)速度段:一是爐子裝料段,中速;二是爐子熱處理段,工藝速度;三是爐子出料段,高速。 </p><p> 當(dāng)不同長(zhǎng)度的鋼板以不同的間距裝爐的時(shí)候,爐子的跟蹤控制要保證運(yùn)行正常。鋼板數(shù)據(jù)將由操作工手動(dòng)輸入或通過三級(jí)系統(tǒng)通信傳輸。系統(tǒng)設(shè)有二級(jí)和三級(jí)接口。 </p><p> 當(dāng)鋼板到達(dá)上料輥道的起始位置,并且爐子的裝料
6、區(qū)域也準(zhǔn)備好接收鋼板時(shí),開始裝料過程。裝料的控制是通過安裝在爐內(nèi)和爐外緊靠爐門處的光柵實(shí)現(xiàn)的。 </p><p> 鋼板穿過爐子時(shí),爐內(nèi)的光柵將跟蹤鋼板的位置。 </p><p> 根據(jù)入爐鋼板厚度的不同,裝料速度可以在0.25—20.0 m/min之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。爐子出口的速度從0.25—90.0 m/min可調(diào)。 </p><p> 每個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備(爐子部分)
7、都帶有一個(gè)編碼器來實(shí)現(xiàn)爐輥和鋼板速度的同步。并由獨(dú)立的閉環(huán)電機(jī)變頻控制。這種連接網(wǎng)適用于設(shè)定驅(qū)動(dòng)速度,下載適合生產(chǎn)條件的操作參數(shù),報(bào)告反饋狀態(tài)和負(fù)荷信息。 </p><p> 順控部分概貌示意圖如圖2-4所示,分為裝料,爐體,出料三個(gè)部分。 </p><p> 圖1-1全爐概貌示意圖 </p><p> 上料輥道臺(tái)包括有 21 根傳輸輥?zhàn)?。反射光電?PC1
8、和 PC2 用來檢測(cè)板長(zhǎng)。光電管 PC3 (均2個(gè))用來保護(hù)爐門。上料輥道臺(tái)上裝有帶有 8個(gè)液壓缸的液壓提升裝置和帶有 2 個(gè)液壓缸的液壓對(duì)中裝置。為了清潔鋼板下表,在上料輥道臺(tái)到爐門前安裝有兩個(gè)方向相反的旋轉(zhuǎn)輥刷 ( 每個(gè)刷輥電機(jī) 7.5kW) 。 </p><p> 上料爐門是由一臺(tái)電機(jī)(5.5kW)帶動(dòng)齒輪鏈條來運(yùn)行的。一個(gè)壓緊裝置在“關(guān)”工作位時(shí)可以確保爐門關(guān)緊。三個(gè)極限開關(guān)控制爐門開啟的位置。底位接近
9、開關(guān)是確定關(guān)閉位置的信號(hào),中間指示的是工作高度大約為 150mm,并且高位開關(guān)即是最大打開位置。在自動(dòng)運(yùn)行模式下,爐門僅打開到工作位置。在手動(dòng)操作模式下,爐門能夠在極限開關(guān)的全部范圍內(nèi)開關(guān)。為了保護(hù)爐內(nèi)氣體不受外界影響,爐體的門廊上裝有兩個(gè)氮?dú)饽?,位于爐門前。 </p><p> 鋼板傳輸?shù)?PLC 通過單獨(dú)傳動(dòng)來控制爐內(nèi)的 120 根輥道。入爐區(qū) 80 根輥道的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為3.8kW,出爐區(qū) 40 根輥道的
10、驅(qū)動(dòng)電機(jī)為 6.9kW。在出料區(qū)域,一根高溫計(jì)安裝在爐體的頂部,用來測(cè)量鋼板的溫度。中心潤(rùn)滑系統(tǒng)用來給爐內(nèi)輥道的軸承潤(rùn)滑。爐內(nèi)共裝有10個(gè)光電管(包括前面裝料用的3個(gè);PC1~PC3),每個(gè)安裝位置在畫面上有顯示。在每個(gè)爐門前裝有兩個(gè)光電管,直接裝在爐門前的光電管 (PC4,PC9) 是用來對(duì)爐門進(jìn)行保護(hù)的。如果爐門關(guān)閉,當(dāng)鋼板到達(dá)這些光電管時(shí)鋼板會(huì)立即停下來。 </p><p> 出料爐門同入口一樣;下料輥道
11、臺(tái)包括有34 根傳輸輥?zhàn)印V饕糜谳斔屯瓿蔁崽幚淼匿摪?,并將鋼板輸送進(jìn)入熱處理矯直機(jī)。在鋼板達(dá)到出爐條件后,程序應(yīng)給出“允許出爐”的信號(hào)。當(dāng)鋼板需要?dú)忪F冷卻時(shí),讓鋼板在下料輥道處擺動(dòng),冷卻至設(shè)定溫度或時(shí)間。當(dāng)下料輥道沒有空出來時(shí),爐內(nèi)鋼板不允許出爐。 </p><p> 1. 2燃控生產(chǎn)工藝 </p><p> 儀表及控制系統(tǒng)及設(shè)備描述 </p><p> 主
12、要為煤氣供應(yīng),助燃空氣,氮?dú)夤?yīng)和煙氣排放系統(tǒng)。 </p><p> 爐子用混合煤氣做燃料。煤氣由主管路手動(dòng)切斷閥進(jìn)入后;經(jīng)過流量/壓力及溫度檢測(cè);還有壓力開關(guān)進(jìn)行安全監(jiān)控。最末端的電控氣動(dòng)切斷閥在危險(xiǎn)狀況下可自動(dòng)進(jìn)行切斷。主管路后分為2條支管:1~6區(qū)供應(yīng)管路和7~20區(qū)管路(這樣區(qū)分是因前部單個(gè)燃燒區(qū)的燒嘴數(shù)量較多,后部單個(gè)燃燒區(qū)燒嘴數(shù)量較少)。支管上安裝有壓力檢測(cè)器件和電控壓力調(diào)節(jié)閥和放散閥,同主管路一樣
13、,也有安全監(jiān)控壓力開關(guān)。另外在管路上還有幾個(gè)手動(dòng)球閥供氮?dú)獯祾哂?,平時(shí)這幾個(gè)吹掃閥始終關(guān)閉。 </p><p> 能源介質(zhì)為高焦?fàn)t混合煤氣,其參數(shù)如下:發(fā)熱值2400±200kcal/m3;壓力10 kPa ± 8 %;節(jié)點(diǎn)流量10000 m3/h。 </p><p> 每臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)為:風(fēng)量31180 m3/h,全壓10.22kPa,功率200kW。 &l
14、t;/p><p> 鋼板的加熱是應(yīng)該在一個(gè)缺氧的環(huán)境里完成的,爐內(nèi)將持續(xù)不斷地通入氮?dú)?。整個(gè)氮?dú)獯祾吡靠傆?jì)為大約2000 m3/h。氮?dú)馊肟趬毫?.8 MPa,通過減壓閥降低到20 kPa。 </p><p> 爐膛里的氮?dú)馐峭ㄟ^20個(gè)單獨(dú)的注入點(diǎn)進(jìn)行輸送的,這些注入點(diǎn)分布在爐子的兩側(cè),每個(gè)控制區(qū)有一個(gè)點(diǎn)。這20個(gè)氮?dú)廨斔凸艿烂恳粋€(gè)都裝有一個(gè)氣動(dòng)閥,每個(gè)閥門都是單獨(dú)觸發(fā)的,所以它們能夠逐
15、步的開/關(guān)。在前/后爐門還裝有吹掃閥門,在爐門打開時(shí)進(jìn)行吹掃,以保證爐內(nèi)氮?dú)鈮毫?。圖中所示為爐膛前半部分氮?dú)馐疽鈭D;在氮?dú)饪偣苌虾蜖t體左/右側(cè)均裝有流量檢測(cè)元件。 </p><p> 燒嘴排出的煙氣在每個(gè)燒嘴的煙氣出口處吸入周圍的冷空氣,使煙氣降低到一定溫度( ≤ 30℃ ),然后通過匯總煙管由排煙風(fēng)機(jī)引入煙囪排出廠房外,排煙系統(tǒng)配備 3 臺(tái)排煙風(fēng)機(jī)(2用 1 備),2 座煙囪。在廢氣管道上設(shè)有溫度測(cè)量點(diǎn)和壓力
16、監(jiān)控開關(guān);以及電動(dòng)閥和手動(dòng)閥。 </p><p> 每臺(tái)排煙風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)為:排煙量76600 m3/h; 全壓2.315kPa; 功率132kW 。 </p><p> 2、系統(tǒng)程控軟件設(shè)計(jì) </p><p> 2、1熱處理爐PLC硬件系統(tǒng) </p><p> 調(diào)速傳動(dòng)變頻器采用西門子6SE70系列傳動(dòng)系統(tǒng)。基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)
17、之間完全通過總線網(wǎng)絡(luò)交換信息,構(gòu)成全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。 </p><p> 一個(gè)Simatic S7 PLC(順序控制)用來處理?;癄t內(nèi)鋼板的傳輸以及上/下料臺(tái)的輥道。 </p><p> 一個(gè)Simatic S7 PLC(燃燒控制)用來控制燒嘴和熱處理爐溫度。 </p><p> 順控PLC硬件組態(tài)如圖2-2所示。 </p><p>
18、 圖2-1順控PLC硬件組成 </p><p> 順控PLC系統(tǒng)以德國(guó)西門子公司SIMATIC S7-400系列的可編程控制器為主要組成部分,配備電源模塊(PS407)、中央處理模塊(CPU416-2DP)、通信卡CP443-1(TCP/IP通信)、擴(kuò)展模塊IM467(主要用于連接傳動(dòng)變頻器)、DP/DP耦合器(用S7協(xié)議和PLC連接)以及現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)的幾個(gè)遠(yuǎn)程I/O(ET200)。 </p>&
19、lt;p> 燃控PLC硬件組成如圖2-3所示。 </p><p> 圖2-2燃控PLC硬件組成 </p><p> 燃控PLC系統(tǒng)配備了電源模塊(PS407)、中央處理模塊(CPU416-2DP)、通信卡CP443-1(TCP/IP通信)、DP/DP耦合器以及現(xiàn)場(chǎng)和爐體的幾個(gè)遠(yuǎn)程I/O站(ET200)。 </p><p> 在硬件組態(tài)中,遠(yuǎn)程I/O和D
20、P耦合器相連后掛在CPU的總線接口上,主站和從站都各有一個(gè)地址,構(gòu)成Profibus網(wǎng)絡(luò)。而在順控PLC中,由于變頻器多達(dá)122個(gè),CPU總線容納不下,為此增加兩個(gè)擴(kuò)展模板IM467,各帶61個(gè)變頻器,IM467與各變頻器通信板依次串聯(lián)。PLC通信卡CP443-1則用于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)通信,主要負(fù)責(zé)處理PLC與外部PC系統(tǒng)或其它PLC的數(shù)據(jù)交換,在線監(jiān)視程序時(shí)也通過其作為連接設(shè)備。 </p><p>
21、<b> 2.2順控簡(jiǎn)介: </b></p><p> 爐區(qū)分為上料區(qū),爐區(qū)以及出料區(qū)三部分;上料區(qū)主要有裝料輥道臺(tái);對(duì)中提升液壓站,裝料爐門等;爐內(nèi)區(qū)域總計(jì)大約為 66.5m ,爐內(nèi)有120根輥道,加熱部分由 分為上下的20 個(gè)加熱區(qū)組成;由 231 個(gè)輻射管來加熱。出料區(qū)主要有出料輥道臺(tái),出料爐門等。系統(tǒng)通常在自動(dòng)模式下運(yùn)行,在打到手動(dòng)操作模式后單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)的各個(gè)功能可以通過選擇控制臺(tái)上
22、的按鈕來執(zhí)行。在熱處理爐入口、出口處分別安設(shè)了一個(gè)控制臺(tái),用來現(xiàn)場(chǎng)操作。 </p><p><b> ?。?)上料區(qū)控制 </b></p><p> 確認(rèn)鋼板進(jìn)入熱處理狀態(tài)后,首先,由對(duì)中系統(tǒng)對(duì)鋼板對(duì)中。然后對(duì)鋼板進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)。測(cè)量長(zhǎng)度將和鋼板輸入數(shù)據(jù)中的長(zhǎng)度對(duì)比,如發(fā)現(xiàn)不符數(shù)據(jù),操作工需確認(rèn)或拒絕鋼板入爐。 </p><p> 鋼板停在入口爐
23、門前等待入爐,一旦爐內(nèi)有足夠的空間,控制系統(tǒng)將自動(dòng)打開爐門執(zhí)行裝料程序。 </p><p> ?。?)爐內(nèi)鋼板控制 </p><p> 鋼板傳輸 PLC 通過單獨(dú)變頻器來控制爐內(nèi)的輥道。通過 Profibus 總線將設(shè)定速度送到變頻器。 </p><p> 鋼板在熱處理爐爐內(nèi)的傳送模式有兩種:連續(xù)傳送和搖擺傳送。在連續(xù)傳輸模式下傳輸速度是根據(jù)爐溫,鋼板厚度和鋼板
24、質(zhì)量計(jì)算出來的,鋼板以 PLC 設(shè)定的速度通過常化爐 (。如果爐內(nèi)有厚鋼板所需要的傳輸速度有可能降到最低輥速以下,如果出現(xiàn)這種情況傳送控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到搖擺傳輸模式。在這種傳輸模式下鋼板將在輥道上搖擺 ( 固定節(jié)奏 ) 。前進(jìn)的幅度會(huì)比后退的幅度稍微大一點(diǎn)。這個(gè)幅度是由控制系統(tǒng)根據(jù)鋼板到達(dá)出爐口所需要的加熱時(shí)間來設(shè)定的。如果出現(xiàn)傳輸停止,為了防止?fàn)t內(nèi)輥?zhàn)訌澢冃?,爐輥必須連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),這是通過擺動(dòng)裝爐鋼板來實(shí)現(xiàn)的。 </p>
25、<p> 鋼板在爐內(nèi)的運(yùn)行速度將由PLC系統(tǒng)根據(jù)鋼板的厚度,寬度,目標(biāo)溫度和保溫時(shí)間確定,鋼板在爐內(nèi)的運(yùn)行將由光柵監(jiān)視,大概位置將及時(shí)更新在上位機(jī)顯示畫面上。 </p><p><b> ?。?)出料區(qū)控制 </b></p><p> 每塊鋼板經(jīng)過處理后將到達(dá)出口爐門前,這時(shí)熱處理完成。如果下料輥道臺(tái)空,出口爐門打開,鋼板將以設(shè)定的速度離開爐子。出料完
26、成后,輥速會(huì)降到爐內(nèi)工藝速度,如果鋼板不能出爐,它會(huì)在爐內(nèi)進(jìn)行擺動(dòng)。 </p><p><b> 2. 3爐溫控制 </b></p><p> 1) 爐溫控制方案 </p><p> 爐內(nèi)區(qū)域長(zhǎng)度總計(jì)約 66.5m 。加熱部分由 20 個(gè)控制區(qū)組成,這 20 個(gè)加熱區(qū)分為上下加熱,通過 231 個(gè)輻射管加熱。 </p>&l
27、t;p> 爐子的溫度控制是通過爐子的PLC來控制的。PLC的內(nèi)部程序采集到爐子過程數(shù)據(jù),通過PID計(jì)算輸出控制信號(hào),調(diào)節(jié)爐子供熱量,控制爐溫。 </p><p> 控制系統(tǒng)包括溫度控制、 燃燒控制、爐子壓力控制、超溫控制。當(dāng)爐溫溫度超過溫度上限時(shí),超溫控制會(huì)切斷燃?xì)夤艿赖闹鏖y門。燒嘴采用開/關(guān)控制模式,燒嘴控制箱上安裝有必要的控制元件,以保證燒嘴安全、可靠工作。 </p><p>
28、; 爐子的燃燒系統(tǒng)由多個(gè)燃?xì)廨椛涔軜?gòu)成,這些輻射管沿著爐子方向布置在爐輥的上、下方。每個(gè)輻射管都配備有一個(gè)高效換熱器。燒嘴效率高,NOX(氮氧化合物,即廢氣)排放量低。每個(gè)燒嘴都配有一個(gè)高壓火花點(diǎn)火器。通過控制燒嘴點(diǎn)火的數(shù)量來控制爐長(zhǎng)方向的供給熱量。加熱爐沿長(zhǎng)度方向分為多個(gè)溫度控制區(qū)。輻射管的控制將采用ON/OFF方式。 </p><p> 一個(gè)溫控區(qū)在某一時(shí)刻處于工作狀態(tài)的輻射管的數(shù)量,取決于該區(qū)的溫度設(shè)定
29、值和爐子的產(chǎn)量。輻射管的操作基于脈沖循環(huán)控制方式。每個(gè)燒嘴的煙氣管路采用引射式,環(huán)境空氣在斷開處摻入煙氣中,然后被一同引入到沿著爐頂布置的煙氣管道中。 </p><p> 爐溫燃燒控制(脈沖式):爐溫控制的設(shè)定值,可以由二級(jí)經(jīng)過數(shù)學(xué)模型計(jì)算下載到一級(jí)機(jī)PLC,也可以通過鍵盤輸入進(jìn)行設(shè)定。操作界面如圖4-3所示。 </p><p> 圖2-3溫度控制面板 </p><
30、p> 當(dāng)在“自動(dòng)”模式下工作時(shí),控制輸出值是由PID 程序自動(dòng)計(jì)算出來的一個(gè)值;使用自動(dòng)模式,以便較好的控制爐溫; </p><p> 對(duì)于手動(dòng)輸出值,需要說明的是,該值只有在手動(dòng)模式下才允許操作員輸入,正數(shù)百分比說明一區(qū)燒嘴的輸出功率;當(dāng)輸入負(fù)數(shù)百分比時(shí),說明此時(shí)只往里吹冷風(fēng),只開了空氣閥。 </p><p> 爐內(nèi)每個(gè)加熱區(qū)設(shè)置1~2支熱電偶,用于測(cè)量每個(gè)溫度控制段的實(shí)際溫
31、度。每一個(gè)加熱區(qū)分布不同數(shù)量及功率的燒嘴(燒嘴使用可變的脈沖寬度)進(jìn)行點(diǎn)火。通過對(duì)“燒嘴循環(huán)周期”內(nèi)燒嘴點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)短(脈沖寬度)進(jìn)行調(diào)節(jié)來控制爐溫。例如當(dāng)加熱區(qū)域的輸出要求為100%時(shí),所有的燒嘴在整個(gè)時(shí)間內(nèi)都是燃燒的;當(dāng)加熱區(qū)域的輸出為50%時(shí),則每個(gè)燒嘴的燃燒時(shí)間僅為“燒嘴循環(huán)周期”的50%;當(dāng)加熱區(qū)域的輸出為0%時(shí),所有的燒嘴為關(guān)閉狀態(tài)。在燃燒狀態(tài)下,至少有一個(gè)燒嘴被點(diǎn)燃;燒嘴的點(diǎn)火順序是交錯(cuò)進(jìn)行的。在加熱區(qū)域內(nèi),每個(gè)燒嘴的點(diǎn)火間
32、隔是相同的,以便確保該區(qū)域內(nèi)熱量均勻分配。燒嘴實(shí)際循環(huán)周期是預(yù)先計(jì)算好的,根據(jù)每個(gè)控制區(qū)的功率輸出以及最小加熱/關(guān)斷時(shí)間計(jì)算而來,燒嘴控制器工作流程如圖4-4所示。 </p><p> 圖2-4區(qū)域溫度控制流程 </p><p> 圖中,溫度設(shè)定值作為PID控制器的給定,與熱電偶反饋的實(shí)際溫度構(gòu)成閉環(huán)回路,控制器給出一個(gè)百分比到燒嘴控制程序中,根據(jù)此數(shù)值及其它參數(shù)(該區(qū)燒嘴個(gè)數(shù),開/關(guān)
33、時(shí)間按限制,循環(huán)周期總時(shí)間,輸出地址等)程序給出一個(gè)循環(huán)啟動(dòng)的控制字,由總線送給遠(yuǎn)程I/O從而驅(qū)動(dòng)燒嘴控制器工作,燒嘴控制箱發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)后,還要有反饋信號(hào)檢測(cè)以確認(rèn)是否燃燒,燒嘴控制器本身也有狀態(tài)反饋信號(hào)給系統(tǒng)。 </p><p> 2.4 上位機(jī)及診斷功能 </p><p> 本項(xiàng)目采用以WINDOWS2000為平臺(tái)、WINCC6.0為界面的Server/Client結(jié)構(gòu)的HMI系統(tǒng)
34、。作為SIMATIC全集成自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成都分,WINCC確保與SIMATIC S5,S7系列PLC連接的方便和通信的高效;WINCC與STEP 7編程軟件的緊密結(jié)合縮短了項(xiàng)目開發(fā)的周期。此外,WINCC還有對(duì)SIMATIC PLC進(jìn)行系統(tǒng)診斷的選項(xiàng),給硬件維護(hù)提供了方便。 </p><p><b> 3、小結(jié) </b></p><p> 該控制系統(tǒng)自從投入實(shí)
35、際生產(chǎn)運(yùn)行后,運(yùn)行情況穩(wěn)定,大大提高了生產(chǎn)和管理的自動(dòng)化水平,減少了故障的發(fā)生率,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 </p><p><b> 參考文獻(xiàn) </b></p><p> 張亦紅.輥底式熱處理爐和淬火機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng).熱處理2007,11(6):39-41. </p><p> SIEMENS SIMATIC STEP7 程序設(shè)計(jì) 編程手冊(cè)
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