退火炉温度控制系统

本科生课程设计题目：退火炉温度控制系统课程：电力拖动自动控制系统专业：电气工程及其自动化班级：学号：姓名：指导教师：完成日期： 2015年3月20日任务书一、课程设计的目的通过电力拖动自动控制系统的设计、了解一般交直流调速系统设计过程及设计要求，并巩固交直流调速系统课程的所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力。

为今后从事技术工作打下必要的基础。

二、课程设计的要求1、熟悉交直流调速系统设计的一般设计原则，设计内容以及设计程序的要求。

2、掌握控制系统设计制图的基本规范，熟练掌握电气控制部分的新图标。

3、学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据。

4、培养独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。

三、课程设计的内容退火炉温度控制系统由一台上位机操作台、一台SIEMENS S7-200 PLC控制柜、一台变频器控制柜，3台风机，3台水煤浆输送泵组成。

加热段的三个炉段，各段于炉顶设一支热电偶，根据热电偶采集的炉温信号，与设定值比较，经PID 计算后输出控制信号变频器调节水煤浆流量，改变烧嘴的输出功率，实现温度自动控制。

同时根据助燃风量的改变及空/燃比例阀的配比，手动调节助燃风流量燃气的流量，实现最佳空/燃配比。

四、进度安排：共1.5周本课程设计时间共1.5周，进度安排如下：1、设计准备，熟悉有关设计规范，熟悉课题设计要求及内容。

（1.5天）2、分析控制要求、控制原理设计控制方案（1.5天）3、绘制控制原理图、控制流程图、端子接线图。

（2天）4、编制程序、梯形图设计、程序调试说明。

（1.5天）5、整理图纸、写课程设计报告。

（1.5天）五、课程设计报告内容完成下列课题的课程设计及报告（课题工艺要求由课程设计任务书提供）退火炉温度控制系统目录1. 工程概况 (3)1.1 概述 (3)1.2 退火工艺过程 (3)2. 控制系统方案设计 (5)2.1 控制原理方案 (5)2.2 主电路设计 (6)3. 控制系统器件选择 (7)3.1温度变送器的选择 (7)3.1.1 SBWR热电偶温度变送器介绍 (7)3.1.2 SBWR技术参数 (7)3.1.3最后确定温度变送器的型号、类别： (8)3.2 PLC的选型： (8)3.2.1 PLC选型要求 (8)3.2.2 PLC及其扩展模块选择结果 (10)3.3变频器的选型： (10)3.3.1变频器选型要求 (10)3.3.2 变频器选择结果 (10)3.3.3 变频器参数设置 (11)4. PLC外部接线图 (14)5. PLC实现PID的控制方式 (15)5.1 PLC的PID程序介绍 (15)5.2 PID梯形图程序 (16)6. 小结与体会 (19)参考文献 (20)1. 工程概况1.1 概述退火是金属热处理中的重要工序，通过退火可以达到细化组织、降低硬度、改善切削性能、消除内应力等目的。

在退火炉的运行过程中，需要检测并控制的参数较多，但基本上都围绕温度这个核心。

在燃气退火炉燃烧过程控制中，需要克服控制对象的多变性、非线性、噪声、不对称增益、较大纯滞后等多方面因素的影响，实现较精确的炉温和压力控制。

根据统计分析，燃烧过程中空气过剩率控制要合适，因此，控制系统应该通过控制空气和天然气的比例保持最佳燃烧状态。

此外，炉膛压力是随工况变化的，其变化影响炉温和热效率。

要维持稳定的炉温，还需对炉膛压力进行调节。

由此可见，要保证退火质量，实现最佳燃烧状态，控制系统应包括以下组成部分：天然气、空气流量调节回路；空气燃气最佳比例调节回路；炉膛压力调节回路。

本文以燃气退火炉为研究对象，结合某企业设备改造的需求，采用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和工控组态软件以及VB语言完成对燃气退火炉的智能控制的开发，包括硬件系统平台和软件系统平台。

1.2 退火工艺过程退火是将钢件或各种机械零件加热到临界点Ac3以上的适当温度、在炉内保温缓慢冷却的工艺方法。

其目的是细化组织、降低硬度、改善机械切削加工性能及去除内应力。

图1为某企业常用退火材料的工艺曲线，所要求的一般工作情况是，在一段时间(3.0 h~3.5 h)从常温较平稳地升温到640 ~800℃之间的某一工艺要求温度(根据待退火材料的种类而设定)，在此退火工艺温度下保温一段时间(如5 h)。

整个控制过程分为升温与保温2个阶段。

升温时，无须使实际升温曲线紧跟设定曲线，只要求温度曲线是平稳上升的趋势；保温阶段是控制的重点，为了获得好的退火效果，需以尽量小的波动稳定在设定的保温温度，一般要求限于±5℃范围内波动；保温结束后要求缓慢随炉冷却，此阶段无需控制。

某企业常用退火材料的工艺曲线某企业的燃气退火炉采用传统手动控制方式，在这种方式下现场操作人员需不断地将炉温观测值与给定值做比较，然后根据经验直接在操作器上手动设定天然气、空气和炉压阀位，以增大或减小供给炉体的热量，使炉温保持给定温度。

但由于燃气退火炉的燃烧过程受到多种因素的干扰，因此即使是经验丰富的操作工人，也很难全面考虑各种因素的影响，准确控制燃烧过程，常常造成产品质量不能保证。

有时，对助燃风调节的盲目性造成烟囱冒出大量黑烟和能量消耗过大等，对环境造成污染。

图 2 是该燃气退火炉改造前的一次退火热处理的温度记录曲线，从曲线中不难看出，这种手动控制时炉温波动大、控制精度低。

实际生产中退火材料容易脱碳，难以达到工艺要求，严重影响了退火质量，限制了该企业的生产发展。

退火炉改造前一次退火热处理温度记录曲线2. 控制系统方案设计2.1 控制原理方案本系统装有3套热电偶反馈的闭环流量控制系统，分别控制3台3.7KW变频器调节3台水煤浆输送泵化工泵转速，改变烧嘴的输出功率，实现温度自动控制。

满足退火炉的工艺要求、温度实时显示。

燃气退火炉是一个复杂的受控对象，具有多参数、非线性、时变性、纯滞后、多干扰等特点，对其进行精确的数学建模非常困难，模糊控制不需要被控对象的精确数学模型，并且可以引入专家经验，因此，可以较好地解决燃气退火炉的温度控制问题。

但由于单独使用模糊控制不易消除稳态误差，且对控制器运算性能要求较高，而PID算法简单又可以较好地消除稳态误差，因此本文将模糊控制与PID控制结合，利用模糊控制实时修正PID参数，提高了系统的控制精度和鲁棒性。

自整定模糊PID控制器结构2.2 主电路设计主电路部分为一台PLC控制三台变频器，分别用PLC的KM1、KM2、KM3三个输出触点控制变频器的投切。

PLC电源由变压器提供。

主电路图3. 控制系统器件选择3.1温度变送器的选择3.1.1 SBWR热电偶温度变送器介绍SBWR热电偶温度变送器、SBWZ热电阻温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送单元。

它采用二线传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。

将热电偶、热电阻信号变换成输入电信号或被测温度或成线性的4～20mA的输出信号，变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。

它作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。

二、两线制热电阻温度变送器，其特点是采用两线传输，即电源与输出信号共用相同的两根普通导线。

变送器把测温元件所测得的微弱信号直接放大成(4～20)mA DC信号，远传给控制室仪表，作指示、记录、调节之用，组成各种各样的检测，控制系统3.1.2 SBWR技术参数（1）输入信号：热电阻 Pt100、Cu50、Cu100,测量间距10℃以上任何温度范围输出信号：电流:(4～20)mA DC电压:(1～5)V DC输出阻抗：250Ω允许负载变化0～500Ω基本误差：±0.1%、±0.5% 热电阻温变温度漂移：±0.1%/10℃热电阻温度传输方式：两线制传输工作环境温度：温度 -10～75℃湿度≤90%电源：24V DC±10%(或配电器、安全栅供电)功耗：≤0.5W,（2）温度变送器特点1、采用环氧树脂密封结构，因此抗震、耐温，适合在恶劣现场环境中安装使用。

2、现场安装于热电阻、热电偶的接线盒内，直接输出4～20mA，这样既省去较贵的补偿导线费用，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。

3、精度高、功耗低、使用环境温度范围宽、工作稳定可靠。

4、量程可调，并具有线性化较正功能，热电偶温度变送器具有冷端自动补偿功能。

应用面广，既可与热电偶、热电阻形成一体化现场安装结构，也可作为功能模块安装入检测设备中。

（3）主要技术指标：1、输入：热电阻Pt100、Cu50、Cu100 热电偶K、E、S、B、T、J、N2、输出：在量程范围内输出4～20mA直流信号可与热电阻温度计的输出电阻信号成线性，可与热电阻温度计的输入温度信号成线性；可与热电偶输入的毫伏信号成线性，也可与热电偶温度计的输入温度信号成线性。

2、基本误差：±0.2%、±0.5%4、传送方式：二线制3、变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。

4、负载：极限负二载电阻按下式计算RL（max）=50×（Vmm-12）即24V时负载电阻可在0～600Ω范围内选用）额定负载250Ω。

注：量程可调式变送器，改变量程时零点与满度需反复调试；电偶型变送器在调试前须预热30分钟。

7、环境温度影响≤0.05%1℃8、正常工作环境：a、环境温度 -25℃～+80℃b、相对湿度5%～95%c、机械振动f≤55Hz振幅＜0.15mm（4）接线方式：热电阻三线制变送器安装接线图热电阻二丝制变送器安装接线图热电偶变送器安装接线图导轨式变送器安装接线图一体化液晶显示变送器接线图热电偶温度变送器校验步骤1、校验时，在输入端接入电位差计，输出信号为电动势，在输出端接上24VDC稳压电源并串接上标准电流表。

2、调零：反接信号输入线，使电位差计输出校验现场室温对应电动势，调整电位器Z，使电流表读数为4mA。

3、调满：正接信号输入线，使电位差计输出满量程对应电动势，调整电位器S，使电流表读数为20mA。

（该电动势为满度电动势减去室温对应电动势后的值）例：在校验现场室温为7℃，输入信号为K，量程为0～1000℃的温度变送器标定，通过查表得知7℃对应电动势为0.277mV，1000℃对应电动势这41.269mV,反接后，电位差计输出0.277mV，调整电位器Z，使电流表读数为4mA；正接后电位差计输出读数为40.992mV（41.269mV～0.277mV），调整电位器S，使电流表读数为20mA。

（5）热电阻温度变送器校验步骤1、标定时，按以上典型接线图接线，在输入端接入标准电阻箱（如ZX-25a），在输出端接上24VDC稳压电源并串接上标准电流表。