1、基于plc的加热炉炉温控制系统设计与应用学位论文硕 士 学 位 论 文MASTER DISSERTATION论文题目 基于PLC的加热炉炉温控制系统设计与应用 作者姓名 学科专业 指导教师 2015年3月中图分类号：TP273：TG155.1 学校代码：10216UDC：621.3 密级：公开 工程硕士学位论文（工程设计型）基于PLC的加热炉炉温控制系统设计与应用硕士研究生：导师：副导师申请学位：工程领域：所 在 单 位：答 辩 日 期：授予学位单位：燕山大学 Yanshan University2015.03燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于PLC的步进
2、式钢管淬火炉控制系统的研究与设计，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字： 日期： 年 月 日燕山大学硕士学位论文使用授权书基于PLC的步进式钢管淬火炉控制系统的研究与设计系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复
3、印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日摘 要在钢铁工业生产过程控制中，通常会遇到的是加热炉炉温动态特性控制，它具有如下特征：（1）炉温上升和下降往往具有严重的不对称性，包括增益和滞后时间的不对称性。（2）容积滞后。对于一般工业加热炉炉温控制特性具有较大的容积滞后，而且属于纯滞后特征。（3）在加热炉的整个温度调节范围内，对象的增益、容积滞后时间通常是与工作温度
4、与负载变化有关的变参数。对于加热炉这类工业对象，采用常规的PID控制器，在工作点附近的小范围内，由于其动特性近似于线性，有可能控制得较好；但当大范围改变给定值或受外界环境（包括工况）太大扰动时，就需要及时修正PID参数，否则将使温升动特性变差。随着现代工业技术的发展，对工业炉温控制性能要求也必然越来越商，要求有更先进的控制策略来满足这些要求。由于温度控制在加热炉设备自动化控制中是一个非常重要的方面，但加热炉是一个非线性的、时变的、分布参数多的复杂被控对象，具有滞后的特性，因而加热炉的炉温是一个较难控制的参数。基于此，本研究将利用西门子S7-300PLC控制加热炉温度控制系统。本文介绍了步进式加
5、热炉的结构、工艺和控制要求，归纳了步进式炉的控制现状，分析了步进式加热炉炉温控制系统，并针对存在的问题进行以下几个方面的研究： 第一，针对步进式加热炉炉温控制过程中存在的滞后的特点，提出PLC过程控制的相关理论。第二，通过对加热炉的温度控制进行传统 PID 过程控制进行仿真比较，提出加热炉炉温控制系统的方案设计。 第三，系统的学习了 SIMATIC S7-300PLC控制系统，学习PLC 中先进过程控制库中的功能模块和使用方法，有了深层次的消化吸收，并学习了在PLC系统中如何创建工程项目的方法步骤，在对PLC系统下加热炉炉温控制的硬件和软件进行设计与研究。结果表明，对基于PLC的加热炉进行控制
6、使炉温能够快速跟随给定并达到稳定状态，这对日后研究加热炉炉温优化工作打下了坚实的基础。通过本文的研究对加热炉炉温的智能化控制提供一定的参与借鉴。关键词：PLC；加热炉；炉温；控制ABSTRACTThe characteristics of a heating furnace temperature control, it has the following characteristics: (1) the temperature rising and falling tend to have a serious asymmetry, including the asymmetry of the
7、 gain and the time lag. (2) Volume lags. For general industrial furnace temperature control features with larger volume, and belongs to pure hysteretic characteristics. (3) in the whole heating furnace temperature control range, the objects gain, volume lag time is usually variable parameters associ
8、ated with the working temperature and load changes. For this type of industrial heating furnace object, using the conventional PID controller, near the working point of small scale, due to its dynamic characteristics similar to linear, can control it better; But when the big scope change given value
9、 or the external environment disturbance (including condition) is too big, will need to be revised PID parameters in time, otherwise will make dynamic characteristic of temperature variation. With the development of modern industrial technology, the industrial furnace temperature control performance
10、 requirements also more and more, necessarily requires a more advanced control strategies to meet these requirements. Due to the temperature control in the heating furnace equipment automation control is a very important aspect, but the heating furnace is a nonlinear, time-varying and distributed pa
11、rameter more complex controlled object, has characteristic of lag, as a result the temperature of heating furnace is a more difficult to control the parameters. Based on this, this study will use the Siemens S7-300 PLC control furnace temperature prediction control system.Step by step heating furnac
12、e are introduced in this structure, process and control requirements, step furnace control present situation, summarizes the step furnace temperature prediction control system are analyzed, and the study of existing problems in the following aspects:First, in view of the step in the process of the f
13、urnace temperature control is the characteristics of the lag of relevant theory of PLC process control are put forward.Second, through to the heating furnace temperature control process of traditional PID control and control are compared, and the simulation scheme design of reheating furnace control
14、 system is put forward.Third, the system of learning the SIMATIC S7-300 PLC control system, learning advanced PLC in process control in the library function module and method of use, with deep digestion and absorption, and learning in a PLC system how to create the steps of the project, under the sy
15、stem of PLC furnace temperature prediction control hardware and software to carry on the design and research.Results show that the forecast of the heating furnace based on PLC to control the furnace temperature can quickly follow given and reach the stable state, the reheating furnace optimization i
16、n the future research work has laid a solid foundation. Through the study of this article is for the participation of reheating furnace of intelligent control to provide certain reference.Key words: PLC; The heating furnace; Furnace temperature; control第1章 绪论1.1 课题背景及意义加热炉是材料加工中最常见的一种工业用炉，在工业生产的过程中起
17、着十分重要的作用，直接关系到产品的质量优劣和成本的高低。加热炉耗能较大，比如在生产过程中用的均热炉。其能耗一般要占整个能耗的60左右。为了降低能耗和提高热效率，来提高生产，达到节能效果，利用计算机可以实现对加热炉的温度、保温时间、升降温速率、气氛和工序动作等参数的自动化控制1。计算机不仅可以对单台加热炉进行控制，而且可以同时对多台加热炉进行控制。计算机已成为材料加工设备及工艺过程控制的重要控制系统2。加热炉的温度一般是指炉内热气、炉内壁和被加热钢坯的均衡温度。一般是沿加热炉炉长度而发生变化，连续加热炉的炉温呈连续分布规律，其温度可采用热电偶在线检测获得3。智能化控制是能够实现对其目标实行自动控
18、制。其优势在于能解决那些传统控制系统难以解决的复杂控制问题4。它的主要目标是探索更加接近人类大脑处理事物的“思维”模式，依据少量模糊信息，就能够得到较准确的结论和控制方案。这种智能化控制就像计算机下棋一样，对付环境干扰(如钢温度低)，根据得到的信息，从存储的众多的信息中，优选出一项能达到高热效率、低能耗、少氧化烧损，并且能提高产量、降低成本等控制措施。在工业炉窑的智能控制中，并不需要这么高的运算速度，也不要这么多条应对措施，如果在每种扰动情况下，智能系统有5种应对措施，优选出其中最佳的一条措施，就会比任何单一的措施要优越和高明得多5。1.2 PLC过程控制系统1.2.1 PID过程控制概述 过
19、程控制是工业自动化的个重要分支，它主要针对温度、压力、液位、流量、成分和物性等参数的控制问题。工业生产对过程控制的要求主要体现在于安全性、经济性和稳定性等。其任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态与动态特性的基础上，对控制系统运用控制理论进行分析，最终采用合适的手段满足这些要求6。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，是闭环模拟量控制中的传统调节方式。由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在改善控制系统品质、保证系统偏差、使系统实现稳定状态方面具有良好的效果，已成为工业生产过程中一种最普遍采用的控制方法。 PID控制即比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(De
20、rivative)控制的缩写，它根据系统的误差，对比例、积分、微分进行计算，算出控制量实行对其控制。例如对某储液罐液面的控制，要求液面维持在某一值恒定，在实际应用中，由于储液罐进出液体往往是变化的，因此，控制要求的液位高度与实际液位高度(过程变量)存在偏差。采用PID控制就是根据此偏差以及相关参数，利用PID方程计算出控制量来调节阀门开度，从而保持液面高度恒定7。PLC（Programmable Logic Controller）即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PL
21、C标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。其采用可编制程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式或模拟式的输入和输出数据。对各种类型的机械或生产过程进行控制。”PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，便于扩展它的功能的原则来设计。加热炉的PLC控制可实现加热炉温度、压力、流量和燃烧过程自动控制等功能8。温度控制是整个控制系统的核心，计算机在得到温度测量数字信号后，将其与温度设定值进行比较，得到偏差值，然后计算机按照设定的控制算法，如PID算法、最优化算法等进
22、行控制决策计算，得出温度控制量，再经I/O接口输出到D/A转换器转换为模拟信号后，由执行机构去调节加热炉输入功率，使加热炉始终保持在温度设定值附近9。1.2.2 PLC过程控制的特点过程控制主要指，对一系列模拟量所实施的控制。模拟量为连续变化的物理量，如电压、电流、温度、压力、速度、流量等10。在现实世界中，特别是在连续型的生产，如化工生产中，常见到模拟量，并要求对其进行控制。此外，由于脉冲技术的进步，在过程控制中，有时也用到脉冲量。过程控制是基于信息采集和处理、使系统的状态与行为产生所希望的变化，而施加给系统的作用。这里的信息有3种11：一为被调节量，或称被控量，也称调节量，是反映的被控系统
23、的状态、行为、性能或功能的信息；另一为控制量，也称控制，即施加给系统的作用，是经PLC处理后产生的控制信息12。此外，还有干扰量。它与控制相反，是使系统的状态与行为产生所不希望的变化13。干扰信息多不大好检测，而如采用闭环控制也可不检测。模拟量控制实质就是从数量上对这三个信息进行变换与处理，以确保调节量能按期望的要求变化14。用PLC实现模拟量控制有3个基本特点15：一是有误差；二是断续的；三是有时延。在解析这3个特点前，以下先对物理量在时间上、取值上的特点作以下说明。（1）误差模拟量在时间上、取值上具有连续性。对模拟量按一定时间间隔取值，称为采样。所得到的模拟量即为离散量。很显然，在时间上是
24、离散的，只代表采样当时的模拟量，其它时刻的模拟量值不代表。但取值上还是连续的。用数值来求出与实际的离散量最接近的数字量，称为量化。量化后的离散量称为数字量16。它在时间上与取值上都是离散的。PLC控制只能处理数字量，要用它控制模拟量，就必须要先对这些模拟量进行采样与量化，量化后的值与模拟量的原值难免产生差异的，即误差。其误差具有可控性。可以选用合适的模入、模出模块的位数17。如用的是8位模入模块，其量化的值只能是0255(十六进制FF)之间的整数。故其分辨率为1/256。如用的是12位模入模块，其量化的值只能是04095(十六进制FFF)之间的整数。故其分辨率为1/4096。如果选的位数多，分
25、辨率高，精度也高。但位数多，模块也贵。高过16位时，还要用双字指令处理，将会增加资源的开销和处理时间。使误差可得到控制是一个重要的优点。历史上出现用数字计算机代替模拟计算机，正是前者的误差是可控的。只是这里也有一个合理的“度”，应在保证精度的要求下，力争减少位数18。（2）断续正是要采样，所以它是断续的。只是在PLC I/O刷新时，模人模块才把实际值读入PLC；模出模块或输出点才把控制信号输出给控制对象。只是在这时，才相当于它的采样开关合上，系统是闭合的。但这个闭合时间是很短暂的。而较长的时间是PLC运行程序及处理采集到的数据。而这期间系统闭环是断开的。可知，PLC模拟量控制系统使典型的采样控
26、制系统19。为了确保采样信号能较少失真为原来的连续信号，根据采样定理，采样频率一般应大或等于系统最大频率的两倍。由于PLC工作速度很快，一般讲，这个要求总是能够满足的。（3）时延实际系统本身的惯性以及动作传递也有个过程，有一定时延。用PLC进行控制，采样、信息处理及控制输出也有个过程，更有时延。在实施一个新一轮的控制作用之后，不能指望立即就会有所反应。所以，不能因一时未得到所期望的反应，就一味地改变控制作用20。那样，很可能使系统出现不稳定。再如，用PID控制，其运算间隔时间不能太短。如无特殊措施，其间隔起码要大于程序的扫描周期等。以上3个特点，在确定控制算法、设计控制程序及选定控制参数时，必
27、须考虑到的。1.3 研究内容及思路本文介绍了步进式加热炉的结构、工艺和控制要求，归纳了步进式炉的控制现状，分析了步进式加热炉炉温控制系统，并针对存在的问题进行以下几个方面的研究： 第一，针对步进式加热炉炉温控制过程中存在的滞后的特点，提出PLC过程控制的相关理论。第二，通过对加热炉的温度控制进行传统 PID 过程控制和预测控制进行仿真比较，提出加热炉炉温控制系统的方案设计。 第三，系统的学习了 SIMATIC S7-300PLC控制系统，学习PLC 中先进过程控制库中的功能模块和使用方法，有了深层次的消化吸收，并学习了在PLC系统中如何创建工程项目的方法步骤，在对PLC系统下加热炉炉温控制的硬
28、件和软件进行设计与研究。第2 章 步进式加热炉工艺和炉温控制原理2.1 步进式加热炉工艺步进式加热炉是机械化炉底加热炉中使用较为广泛的一种，是取代推钢式加热炉的主要炉型。70年代以来，国内外新建的许多大型加热炉大部分选用了步进式加热炉，还有一些中小型加热炉也运用此种炉。该炉底基本由活动部分和固定部分构成。按其构造不同又有步进梁式、步进底式和步进梁、底组合式加热炉之分。一般坯料断面大于（120120）mm2多采用步进梁式加热炉，钢坯断面小于（100100）mm2多采用步进底式加热炉21。2.1.1 炉内坯料的运动步进式加热炉主要是依靠其底部可动的步进梁作矩形轨迹的往返运动，坯料在固定梁上逐步地从
29、进料端送到出料端，经过炉膛内不同的温度段后使坯料达到工艺要求的温度。图2.1所示为步进式加热炉内坯料运动的示意图。步进式加热炉炉底由固定梁和移动梁两部分所组成。起先把料坯放到固定梁上，此时移动梁位于坯料下面的最低点1。开始动作时，移动梁便由1点垂直上升到2点的位置，在到达固定梁平面时把坯料托起，接着移动梁载着坯料沿水平方向移动一段距离从2点到3点，然后移动梁再垂直下降到4点的位置，当经过固定梁水平面时又把坯料放到固定梁上，这时坯料已经运动到一个新的位置，相当于在固定梁上移动了从2点到3点这样一段距离，最后移动梁再由4点退回到1点的位置。这样移动梁经过上升前进下降后退四个动作完成一个周期，通过这
30、样不断的循环方式使炉料一步步前进。移动梁往复一个周期所需要的时间和升降进退的距离，是按设计或操作规程的要求确定的。步进周期和行程可以根据坯料种类和断面尺寸确定坯料在炉内的加热时间进行调整。移动梁的运动是可逆的，当轧机故障要停炉检修，或因其他情况需要将坯料退出炉子时，移动梁可以逆向工作，把坯料由装料端退出炉外。移动梁还可以只作升降运动而没有前进或后退的动作，即在原地踏步，以此来延长坯料的加热时间。因此，步进式加热炉可以通过控制步进梁的运动灵活地控制坯料的加热。图2.1 步进式加热炉内坯料运动的示意图2.1.2 步进式加热炉的炉底结构炉底可分为活动部分和固定部分，它们可以是钢梁，也可以是耐火砖砌筑
31、的实底炉。按照炉底构造和所用材质具体可划分为：（1）由耐热钢铸件组成的步进梁和固定梁；（2）由耐火材料覆盖的步进梁（也称步进床）；（3）水冷的步进梁和固定梁。（1）和（2）采用单面加热，（3）采用双面加热。 A耐热钢步进梁和固定梁炉底一般采用耐高温的合金钢作为步进梁及固定梁的材质，如Cr30Nil4、Cr26Nil4等，适用炉膛温度为1 1501200。这种步进炉的优点是重量轻，而且可以做成锯齿状，适用于钢管的加热。缺点是炉温受耐热钢材质的限制，此外，要求耐热钢质量好，在高温下要有足够长的使用寿命（12年甚至更高），因此，用这种耐热钢供给工业炉使用尚有一定困难。为了节省耐热钢，可以只在步进梁顶
32、面上用一层耐热钢外壳，下面用耐热混凝土代替。目前，用耐热钢做步进梁和固定梁的炉子主要用在钢管热扩及张力减径前的加热，将步进梁和固定梁做成锯齿状，以便于钢管放置，同时步进梁和固定梁锯齿在安装时有意错开一定角度，使钢管在步进运动过程中可以转动一个角度，使钢管加热更均匀。B耐火材料覆盖的步进梁炉底在步进梁上覆盖足够厚度的耐火材料就有可能提高炉膛温度，最上层耐火材料必须耐高温，并具有足够的强度，尤其砌筑在步进梁两侧边缘上的耐火材料，为防止受振动后掉落，可采用大块耐火混凝土砌筑。炉底耐火材料下面需要铺一层绝热砖和石棉板，这种步进炉炉底绝热和砌筑质量很重要，否则炉底温度升高，钢梁会发生变形，甚至不能正常工作。设计良好的步进炉能保证炉底下面钢板温度在150以下。当炉膛较宽或加热坯料长度有变化时可采用两个步进梁，应该保证它们动作同步以防止坯料在炉膛中间歪
