PLC在热处理电阻炉温度控制系统设计中的应用

新疆工业高等专科职业技术学院毕业设计（论文）2012级机电一体化专业题目：ＰＬＣ在热处理电阻炉温度控制系统中的应用毕业时间：二〇一四年六月学生姓名：李婕指导教师：何涛班级：12机电一体化2013年12月20日PLC在热处理电阻炉温度控制系统设计中的应用摘要:热处理电阻炉的温度控制系统对零件的热处理质量有着重要影响。本文主要讨论了以可编程控制器(PLC)为核心的箱式热处理炉温度控制系统的设计。在提出炉温控制方案的基础上,对炉温控制系统进行了硬件设计和温度控制程序的设计。本文以45钢零件进行等温球化退火热处理工艺为例,介绍炉温控制系统的具体应用。关键词:热处理;电阻炉;温度控制;可编程控制器(PLC).一、关键技术与解决方案箱式热处理电阻炉是金属热处理中应用最为广泛的一种周期式作业炉,其测温控温系统对于保证工件的热处理质量具有重要作用。传统箱式热处理电炉存在主要问题之一是炉温均匀度差,控温精度低,从而造成产品质量问题。控温方式采用位式调节的箱式热处理炉,在教学实验、科学研究和零件热处理中有着广泛的应用,但由于其控温系统相对落后,常常导致温度控制不准确而造成实验数据的不准确或产品缺陷。因此,针对位式调节的箱式热处理炉的温度控制系统进行改造设计,对于提高温控精度、保证产品质量具有十分重要的意义。（一）、温度传感器的选取目前市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案：方案一：选用铂电阻温度传感器。此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好,但其成本较高。方案二：采用热敏电阻。选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。方案三：采用K型（镍铬－镍硅）热电偶。其可测量1312℃以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。图1温度检测电路比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。（二）、控制电路部分图3炉温控制系统工作流程1.选择K型热电偶,其测量温度范围为-200~+1200℃,在工业上应用最多,适应氧化性气氛,线性度好,可以充分保证测量精度。2.为了保证测量结果能充分反映炉内的实际情况,采用适当的测量点数量和位置。3.为了节省昂贵的热电极金属以及避免热电偶冷端受炉体热辐射等的影响,在热电偶和测温仪表之间用补偿导线连接。（三）炉温调节方式温度自动控制方式有位式调节、准连续式调节和连续式调节三种,其中连续调节方式技术最先进。为了获得精确的炉温调节质量,采用以比例积分微分调节器(简称PID调节器)组成的PID自动控制系统。在热处理中使用带PID调节器的温度指示记录调节仪和与之配套的执行器,可以达到连续调节炉温的目的。这种广泛应用的连续式调节器是具有比例、积分、微分调节规律的PID调节器,其输出信号是按与输入信号成比例(P)、积分(I)、微分(D)的运算规律而动作的,这三种调节规律的作用是:比例调节可产生强大的稳定作用;积分调节可消除静差;微分调节可加速过滤过程,克服因积分作用而引起的滞后,减小超调。只要将这三种规律调节适当,就能获得动作快而又稳定的调节过程,并能保持较高的炉温调节精度。二、热处理炉温度控制系统硬件设计（一）、炉温控制系统核心硬件热电偶炉温控制系统核心硬件采用可编程控制器(PLC)。PLC具有功能强、使用方便、可靠性高等优点,在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备。PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成,PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。在整个炉温控制过程中,由热电偶采集炉温,其输出形式是模拟量,而PLC处理的是数字量,因此需要一个特殊功能模块实现将采集到的模拟信号转换成与温度成比例的数字量。当PLC进行PID控制时向执行器输出运算结果,也就是控制量,而这个控制量是数字量,执行器所要求的信号是模拟量,所以还需要一个特殊功能模块将PLC输出的数字量转换为模拟量输入到执行器,进而对炉温进行控制。因此,箱式热处理炉温度控制方案为:利用热电偶检测炉温;PLC的特殊功能模块1将热电偶采集到的温度模拟量转化为数字量送PLC的CPU与设定值对比;PLC进行PID运算得出控制量;PLC的特殊功能模块2将控制量由数字量转化为模拟量送加热器,从而实现对炉温的控制。（二）、确定控制系统输入输出(I/O)信号点数1.输入信号点数炉温控制系统的启动、风扇的手动开启和关闭、急停开关,各需点动按钮一个。因此,共需开关量输入4点。2.输出信号点数控制风扇电机运转的交流接触器1个,指示加热、降温、保温和报警的指示灯各1个。因此,共需开关量输出5点。（三）模拟量输入、输出特殊功能模块1.模拟量输入模块的选择与连接本系统使用热电偶来测量炉温,为减少硬件设备数量并简化硬件接线,选用可以与热电偶直接相连而不需要温度变送器的模拟量输入特殊功能模块。在三菱FX2N系列PLC的特殊功能模块中,FX2N-4AD-TC为12位4通道模块,它可以直接与热电偶相连,其综合精度为0.5%,转换速度为240ms/通道选用此特殊功能模块作为模拟量输入模块,在程序中占用8个I/O点。模拟量输入端的接线方式如图2所示。2.模拟量输出模块的选择与连接模拟量输出模块所要控制的是加热器,考虑到系统的扩展,选用三菱FX2N系列PLC的FX2N-4DA模拟量输出特殊功能模块。FX2N-4DA有12位4通道,输出量程为DC-10~+10V和4~20mA,转换速度为4ms/通道,在程序中占用8个I/O点。模拟电路和数字电路间有光隔离。模拟量输出端的接线方式如图3所示。图2FX2N-4AD-TC模拟量输入模块接线图图3FX2N-4AD-TC模拟量输出模块接线图图4热电偶与补偿导线接线图图5PLC与输入、输出设备之间的接线图三、热处理炉温度控制程序设计及仿真热处理炉温度控制程序设计是与具体的热处理工艺密切相关的。现以小型箱式炉对45钢零件进行等温球化退火热处理工艺(如图6)为例,说明热处理炉温度控制程序设计及其仿真根据温度控制系统的功能,建立PLC温度控制系统输入/输出地址分配如表1所示。图645钢等温球化退火工艺曲线（一）炉温控制系统SFC状态功能本图设计方法是设计电器控制系统的重要方法,能够描述控制系统的工作过程[6]、文设计的热处理炉温度控制系统的SFC状态功能图设计主要包括以下几个部分:1.PID参数写入功能图设计。2.特殊功能模块设置及系统急停状态功能图设计。3.45钢等温球化退火热处理工艺第一阶段程序功能图设计。4.45钢等温球化退火热处理工艺第二阶段程序功能图设计。根据SFC状态功能图,可编制出热处理炉温度控制系统的梯形图程序。限于篇幅,此处从略。（二）炉温控制系统程序调试与仿真1.调试软件MELSOFT系列的GXDeveloper软件是专门用来进行三菱系列PLC编程、调试、诊断和仿真的,所以选用GXDeveloper结合GXSimulator对温度控制程序进行仿真调试。GXDeveloper具有制作程序、对可编程控制器CPU的写入/读出、监视、调试和PC诊断等功能。2.温度控制系统的调试由于控制系统涉及到两个模拟量输入、输出殊功能模块,有温度的测量和模拟量的输出。但是,在软件中没有特殊功能模块的设置。因此,在调试过程中,将存放温度测量值的数据寄存器D201强制设置温度数据以调试系统运行状态。调试主要过程如下:①将程序指令输入调试软件环境中。②软元件登录。③系统初始化。④PID运算。⑤热处理工艺第一阶段(开始保温计时)程序调。⑥第一阶段加热保温完成后进行炉冷。⑦热处理工艺第二阶段(开始保温计时)程序调⑧保温完成后开始炉冷。⑨第二阶段炉冷结束,所有工作状态复位。工件出炉,热处理工艺结束。⑩监视急停状态程序调试见图9。对热处理炉温度控制程序之调试与仿真的结果表明:控制程序是正确的,能满足热处理工艺的要求。（三）炉温控制系统SFC状态功能图及梯形图SFC功能图设计方法是设计电器控制系统的重要方法,能够描述控制系统的工作过程[6]、[7]。本文设计的热处理炉温度控制系统的SFC状态功能图设计主要包括以下几个部分:1、PID参数写入功能图设计。2、特殊功能模块设置及系统急停状态功能图设计。3、45钢等温球化退火热处理工艺第一阶段程序功能图设计。4、45钢等温球化退火热处理工艺第二阶段程序功能图设计。根据SFC状态功能图,可编制出热处理炉温度控制系统的梯形图程序。限于篇幅,此处从略。四、系统完成的功能该系统的被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0~5伏时对应电炉温度0~500℃，温度传感器测量值对应也为0~5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统，这里惯性时间常数取T1＝30秒，滞后时间常数取τ＝10秒。五、系统模块设计（一）、系统硬件设计框图图2控制执行部分的硬件电路（二）、系统软件功能模块设计图利用层次图来表示系统中各模块之间的关系。层次方框图是用树形结构的一系列多层次的矩形框描绘数据的层次结构。树形结构的顶层是一个单独的矩形框，它代表完整的数据结构，下面的各层矩形框代表各个数据的子集，最底层的各个矩形框代表组成这个数据的实际数据元素（不能再分割的元素）。随着结构的精细化，层次方框图对数据结构也描绘得越来越详细，这种模式非常适合于需求分析阶段的需要。从对顶层信息的分类开始，沿着图中每条路径反复细化，直到确定了数据结构的全部细节为止。本系统一共分为键盘显示、数据采集、蜂鸣器报警报警、温度控制和仿真电炉五大模块，每个模块之间虽然在表面上是相互独立的，但是在对数据库的访问上是紧密相连的。每个模块的功能都是按照在调研中搜集的资料进行编排制作的。六、结果分析论述本次的课程设计就快结束了，从开始的兴奋到中途的郁闷再到最后的满足，感受到了实验带来的复杂感觉。刚开始，在仅仅一个课题的情况下来设计电路图，真是感到无从下手，在经过老师的耐心讲解，经过简单的调适与对比，最终完成了电路图的设计。经过此次设计，我对这门课程有了更深的了解。在设计过程中，首先要熟悉系统的工艺，进行对象的分析，按照要求确定方案。然后要进行硬件和软件的设计和调试。由于没有实际的样机，所以不能看到系统的运行结果。只能在理论上对系统的结果进行预测分析。此次设计使我对微型计算机控制技术有了全面的深刻的了解，对我以后深入学习这门技术有很大的帮助。此次的《计算机控制技术》课程设计，得到了不少的启示。思考问题以及进行实践都要严谨，缜密。真所谓小心取证，就是这个道理。通过学习数字PID的电阻热炉温度控制系统的设计,更加了解可编程控制器的构造及应用。激发我们的创新意识，在学习与进行设计的过程中，利用已经掌握的知识及查阅的资料，自行完成课程设计任务以及设计完成。七、结语设计便捷、可靠、高精度的温度控制系统是改造老式热处理炉和设计新型热处理炉的重要内容。本文提出了基于PLC为核心硬件的热处理炉温度控制系统设计的总体方案,完成了热处理炉温度控制系统的硬件设计和程序设计。以对45钢零件进行等温球化退火处理为例,说明箱式热处理电阻炉温度控制系统的具体应用。控制程序仿真的结果表明,热处理炉温度控制系统的设计是成功的。参考文献[1]吴光英,吴光治,孙桂华.新型热处理电炉[M].北京:国防工业出版社,1993[2]中国热处理行业协会,机械工业技术交易中心.当代热处理技术与工艺装备精品集[M].北京:机械工业出版社,2002[3]顾战松,陈铁年.可编程控制器原理与应用[M].北京:国防工业出版社,1996[4]何希才.传感器及其应用[M].北京:国防工业出版社,2001[5]濮阳槟.PLC在热处理炉控制系统中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化(PLCFA),2004,4.[6]丁起英,徐岩,刘俊伟.PLC和微机在热处理设备上的应用[J].应用能源技术,2002,4.[7]钱兵,吕国芳,王强.PLC在热处理生产线中的应用[J].自动化与仪表,2002,3.