加热炉课程设计热处理加热炉电气控制系统设计.doc

信息与电气工程学院课程设计说明书（2011 /2012 学年第2学期）课程名称 ： 可编程序控制器课程设计题 目 ：热处理加热炉电气控制系统设计专业班级 ： 电气0902 学生姓名 ： 学 号： 指导教师 ： 安宪军、刘增环、高敬格等 设计周数 ： 二 周 设计成绩 ： 2012 年7月6日目       录一、课程设计目的3二、课程设计正文32.1设计原理32.2设计内容32.2.1 加热炉原理32.2.2 PID控制42.3设计要求42.4 I/O地址分配52.5程序流程图62.6 PLC主程序7三、课程设计总结13四、参考文献14五、附表151、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 设计原理通过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 设计内容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。2.2.2 PID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-state error）。 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（System with Steady-state Error）。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 设计要求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。2.4 I/O地址分配 序号名称地址1启动I0.02SQ1I0.13SQ2I0.24SQ3I0.35SQ4I0.46M1正转Q0.17M1反转Q0.28M2正转Q0.39M2反转Q0.410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2.6 PLC主程序子程序 SBR_0中断程序INT_0三、课程设计总结首先，感谢学院领导及老师给我们提供这次学习的机会，让我们理论联系实际，用课本知识完成课设题目，使我们收获颇丰。课设使我明白了自己原来知识还比较欠缺，通过这次课程设计，我明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计，我们对PLC有了更深入的了解，尤其是加深了对热处理加热炉电气控制的了解。课本上的理论知识在实践中得到了应用，使我们对plc编程有了更深刻的体会。由于我们进行调试的次数少，所以许多理论上成功的，实现出来的结果却不令人满意。有时我们意见不统一，但都在尝试之后得到解决。通过看书学习，写出了相应的程序，达到功能要求的目的。不管怎样，在这次课程设计过程中，我们在理论的基础上进行了实践，是一次很好的机会，提高了我们的创造力和动手能力。当我们一点一点完成的时候，心中就不免兴奋，不免激动。成功与失败其实没有界限，失败是成功的基石，在做此设计时，我深深体会到做事与成长是一回事，没有付出努力，那就好比一张空纸，经不起风波的。最后，再一次感谢指导老师这段时间以来对我们的耐心指导，使我们可以顺利的完成课设内容，并且收获到很多在平时学习生活中学不到的东西。这次plc课设对我们以后的工作学习都会有很大帮助，我会将这次实践所得铭记在心。四、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 耿文学 可编程序控制器应用技术手册5 陈立定 电气控制与可编程控制器6 罗宇航 流行PLC实用程序及设计 西安电子科技大学出版社7 张凤珊 电气控制及可编程序控制器 中国轻工业出版社8 史国生 电气控制与可编程控制器技术 化学工业出版社9 郁汉琪 电气控制与可编程序控制器应用技术 东南大学出版社课程设计评 语课程设计成 绩指导教师（签字） 年 月 日