用PLC和晶闸管对60kW电阻炉进行恒温控制.docx
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用PLC和晶闸管对60kW电阻炉进行恒温控制
摘要
自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用,温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。
随着PLC技术的飞速发展,通过PLC对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。
电阻炉在国民经济中有着广泛的应用,电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备,广泛应用于冶金、机械、建材等行业,而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中,然而,大多数电阻炉存在着各种干扰因素,将会给工业生产带来极大的不便。
因此,在电阻炉温度控制系统的设计中,应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案。
本设计要求用PLC设计一个电阻炉温度控制系统。
通过PLC控制实现晶闸管的过零控制,设计中将交流电加至缓冲放大器,经缓冲后送至电压比较器,在经过施密特触发器,将工频正弦波整形为矩形波,再经后一级单稳电路脉冲信号输入到PLC中,用PLC控制它的导通周期从而控制它的输出功率,近而控制它的温度。
电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。
关键词自动控制,可编程控制器,温度控制,电阻炉
Abstract
Automaticcontrolsystemsinvariousfields,especiallyinindustrialareaswithitswiderangeofapplications,temperaturecontrolisthecontrolsystemofoneofthemostcommontypeofcontrol.WiththerapiddevelopmentofPLCtechnology,throughthePLCcontroloftheplantisincreasinglybecominganimportantareaforfuturedevelopmentofautomaticcontrolthedirectionof.Resistancefurnaceinthenationaleconomyhasbeenwidelyused,resistancefurnaceiscommonlyusedinindustrialandagriculturalproductionofelectricheatingequipment,widelyusedinmetallurgy,machinery,buildingmaterialsindustries,andpoweroftheresistancefurnaceisusedinvariousindustrialprocessesHowever,mostoftheresistancefurnacethereareallkindsofdisturbances,willbetothegreatinconvenienceofindustrialproduction.Therefore,intheresistancefurnacetemperaturecontrolsystem,weshouldalsoconsiderhowtoeffectivelypreventtheuseofvariousdisturbancesandabettercontrolscheme.
ThisdesignrequirementswithPLCtodesignaresistancefurnacetemperaturecontrolsystem.ThroughthePLCcontrolthyristorzerocontroldesign,addtothebufferamplifier,acafterthebuffertovoltagecomparator,afterSchmitttoggle,willworkforrectangularwavefrequencysineplastic,thelevelofsinglepulsesignalinputtothequasi-staticcircuitwithPLCcontrol,PLCintheconductioncycleanditscontrolofitsoutputpoweranditscontrol,temperature.Theresistancefurnaceisusingthecurrentthroughtheheatingelementiscapableofconvertingfromelectricaltobebodyheattoheatingormeltworkpiecematerialandtheheating
KeyWordsAutomaticControl,PLC,temperaturecontrol,resistancefurnace
目录
摘要I
AbstractII
1引言1
2被控对象简介2
2.1电阻炉的控制方法选择2
2.2电阻炉简介2
2.4电阻加热炉基本结构及型式4
2.5自动控制调节规律5
3设计方案和设计方案的论证7
3.1设计要求7
3.2电阻炉温度控制的方法7
3.3电阻炉加热原理9
3.3.1主要的技术特性10
3.3.2电阻加热炉基本结构及型式11
3.4电炉加热方式的分类12
4系统硬件配置说明13
4.1电炉自动控制电路13
4.2过零触发开关电路14
4.3S7-200PLC15
4.4CPU224外围接线图16
4.5S7-200高速计数器16
5软件设计方法及说明19
5.1主程序20
5.2调温程序23
5.3中断程序28
6控制逻辑功能实现过程说明30
结论31
致谢32
参考文献33
附录34
程序清单35
1引言
电阻炉在国民经济中有着广泛的应用,它是工农业生产中常用的电加热设备,广泛应用于冶金、机械、建材等行业,而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中,工业电阻炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械另件加热用。
利用电流使炉内电热元件或加热介质发热,从而对工件或物料加热的工业炉。
电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等如板材轧制前的坯料加热,锻件的加热。
机械另件及半成品的热处理以改善其机械性能,如进杆淬火、回火、退火、正火、气体渗碳、氮化等。
亦有用于烧结、钎焊,部份电阻炉用于低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。
它在机械、电子、航天、航空、兵工、冶金、化工、食品、轻工、建材、陶瓷、医药等多种工业领域,都有着广泛的应用。
工业加热设备,即工业炉,按加热能源和能量转换方式,分为电加热于燃料加热的两种,亦即电炉与火焰炉。
火焰炉主要应用于钢铁、冶金和汽车等工业部门;在电子工业中,对零件、材料的加热工艺规范,如除气、定形、退火、净化、提纯、烧结、被覆、黑化、封装等,则多采用电炉。
在天然气能源充足的地区得到广泛的应用。
工业电阻炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械另件加热用。
如板材轧制前的坯料加热,锻件的加热。
机械另件及半成品的热处理以改善其机械性能,如进杆淬火、回火、退火、正火、气体渗碳、氮化等。
亦有用于烧结、钎焊,部份电阻炉用于低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。
2被控对象简介
2.1电阻炉的控制方法选择
目前电阻炉温度的控制主要是用单片机或PLC控制,在我的设计中是用PLC和晶闸管对电阻炉进行恒温控制的,通过晶闸管的过零触发将电压波形转换成脉冲信号输入到PLC中,用PLC控制它的导通周期从而控制它的输出功率,近而控制它的温度。
PLC开发周期短,使用容易,开发成本低,批量成本高,编程方便,对人要求低MPU开发周期长,主要是稳定性好,单片机现场死机可能造成大量废品或生产线停机,所以我认为我的设计中选用PLC是比较合理的。
2.2电阻炉简介
电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。
电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。
炉体由炉壳、加热器、炉衬(包括隔热屏)等部件组成。
电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。
辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等,虽炉种的不同而已。
电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。
生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等
利用电流使炉内电热元件或加热介质发热,从而对工件或物料加热的工业炉。
电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化,砂型和油漆膜层的干燥等。
自从发现电流的热效应(即楞茨-焦耳定律)以后,电热法首先用于家用电器,后来又用于实验室小电炉。
随着镍铬合金的发明,到20世纪20年代,电阻炉已在工业上得到广泛应用。
工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。
加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。
工作温度在650℃以下的为低温炉;650~1000℃为中温炉;1000℃以上为高温炉。
在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。
在低温炉内则以对流传热方式加热,电热元件装在风道内,通过风机强迫炉内气体循环流动,以加强对流传热。
电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型。
可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。
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电热元件具有很高的耐热性和高温强度,很低的电阻温度系数和良好的化学稳定性。
常用的材料有金属和非金属两大类。
金属电热元件材料有镍铬合金、铬铝合金、钨、钼、钽等,一般制成螺旋线、波形线、波形带和波形板。
非金属电热元件材料有碳化硅、二硅化钼、石墨和碳等,一般制成棒、管、板、带等形状。
电热元件的分布和线路接法,依炉子功率大小和炉温要求而定。
电阻炉与火焰炉相比,具有结构简单、炉温均匀、便于控制、加热质量好、无烟尘、无噪声等优点,但使用费较高。
2.3电阻炉的恒温控制方式
虽然间接电阻炉在用途上及结构上种类繁多,但从炉子的电热体向被加热物料传热的过程来讲,可分三个基本类型,即辐射传热型、对流传热型和传导传热型,它们得特典分别示于图3-6。
图中(a)所示的炉子直接安装在炉内。
若炉内抽成真空,则电热体1的热量只靠辐射传热给被加热的无物料2;若炉子在一般大气压状态下工作,电热体对物料的传热,出辐射之外,还有一部分靠自然对流传热。
两者的比例视炉子的工作温度而已,温度越高,辐射所起的作用越到。
图(b)和(c)对属于对流结构。
在(b)中,电热提和被加热物料之间用罩子隔开,完全排除了电热体对物料进行直接辐射的可能性。
炉内的气体由于风机5的作用强烈循环,当气流冲刷电流体时,靠对流传热作用而被加热;然后,高温气流又依靠对流传热作用将热量传给被加热的物料。
(c)则是一种配置管状加热体的浴炉结构。
在浴炉中,浴液充电热体获得热量后,在以强制或自然对流的方式给给被加热的物料。
图(b)和(e)是传导型的隔离罩结构。
其中(d)是厚壁的耐火材料罩,电热提1的热量以传导的方式由罩子4的外表面传到内表面,然后有罩子内表面已辐射和对流的方式传给加热物料2。
(e)是包庇的金属罩,在以辐射方式加热物料2。
根据上述基本结构,按具体要求可以设计出各种电阻炉。
2.4电阻加热炉基本结构及型式
电阻炉是随着机械工业的发展而发展起来的,由于各种加热工艺及冶炼工艺上的需要,电阻炉是一个品种很多的产品。
电阻炉炉体结构,分周期式及连续式二个型式来分别介绍。
周期式作业炉。
如箱式电炉,台车式电炉、井式电炉等箱式电炉,外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的,小型电炉由于需保持工作面的一定高度,一般均做成带支架的,在箱型壳体下边,有支持炉体的腿或支架。
中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量也大,所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。
大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底盘的结构,而就地焊接砌砖,但这种电炉在安装后不能吊运及移动。
中小型电炉的炉门可用配重及手动装置来开闭,下部一般均有砂封槽,有些炉门上边也设有砂封槽,以保证良好的密封性,炉门关闭时,用压紧装置使炉门紧密的与门框接触,减少漏气。
大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门,电加热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上布置,为了得到良好的热场,最好在护顶上也布置电加热元件,因为炉内工件一般堆放高度不会超过宽度,所以以上下两个方面加热比左右两个方面加更为有效。
大型及中型电炉可以在护门上及后墙上适当的布置一些电加热元件,以减少炉内的温差,为了保证炉门口的热损失能得到更好的平衡,可以在较大的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度1/3处作为一个控制区。
通保护气体的炉子应设有保证安全运行的必要装置及良好曲密封性。
井式电炉一般均为园筒形炉膛,内径一般最小为600毫米,大小了,安装维修时不方便;炉壳用型钢作为骨架再焊上钢板,小型炉盖可用手动机构开闭,大型及中型的可用电动或液压等机构开闭,高度与直径好比在1一1.5的电炉工件一般放管在炉膛底部,高度与直径比在2以上时。
工件大部用吊挂方式,吊于炉口内或炉上外部的专用吊架上,控制区的设置一般以直径的1—1.5倍为一个。
在温度控制要求不高时.有时一个控制区长度达到直径的2倍。
可控气氛箱形多用炉。
一般在结构上是分为前室及炉膛、冷却槽,前室由型钢及钢板焊成的密封空间下边与冷知槽相连,上边为设有水冷壁的空气冷却室。
中间有通过工件的轨道及上下升降的料架,由顶上的气缸来操作(可电气动或液动)下降时工件进入冷却槽,进行快速冷却或等温淬火、上升时工件在上边气氛中缓冷。
炉膛在前室后边,中间有一个炉门隔开,进料出料时。
炉门由上部气缸打开。
炉膛由抗渗碳砌成。
电加热器两种形式,一种是由高电阻合金板材制成;为了消除表面积炭形成短路,加热器面涂上专用的高温绝缘釉;另一种为辐射管式的,水平或垂直的插入炉赌中,管中用大切面园形电阻线组成金属发热器。
炉内具有强通的风扇,炉子前面为一个推料装置,用以向炉内进出料,电炉附有气体发生器或直接向护内滴注有机液及碳势控制设备。
2.5自动控制调节规律
根据炉温对给定温度的偏差,自动接通或断开供给炉子的热源能量,或连续改变热源能量的大小,使炉温稳定有给定温度范围,以满足热处理工艺的需要。
温度自动控制常用调节规律有二位式、三位式、比例、比例积分和比例积分微分等几种。
电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程,比较实际炉温和需要炉温得到偏差,通过对偏差的处理获得控制信号,去调节电阻炉的热功率,从而实现对炉温的控制。
1,二位式调节--它只有开、关两种状态,当炉温低于限给定值时执行器全开;当炉温高于给定值时执行器全闭。
(执行器一般选用接触器)
2,三位式调节--它有上下限两个给定值,当炉温低于下限给定值时招待器全开;当炉温在上、下限给定值之间时执行器部分开启;当炉温超过上限给定值时执行器全闭。
(如管状嫁倘器为嫁倘元件时,可采用三位式调节实现嫁倘于保温功率的不同)
3,比例调节(P调节)--调节器的输出信号(M)和偏差输入(e)成比例。
即:
M=ke
式中:
K-----比例系数
比例调节器的输入、输出量之间任何时刻都存在--对应的比例关系,因此炉温变化经比例调节达到平衡时,工业电炉炉温不能加复到给定值时的偏差--称“静差”
4,比例积分(PI)调节--为了“静差”,在比例调节中添加积分(I)调节积分,调节是指调节器的输出信号于偏差存在随时间的增长而增强,直到偏差消除才无输出信号,故能消除“静差”比例调节和积分调节的组虹羝为比例积分调节.
5,比例积分微分(PID)调节--比例积分调节会使调节过程增长,勿的波动幅值增大,为此再引入微分(D)调节。
微分调节是指调节器的输出于偏差对时间的微分成比例,微分调节器在勿有变化“苗头”时就有调节信号输出,变化速度越快、输出信号越强,故能加快调节速度,降低勿波动幅度,比例调节、积分调节和微分调节的组虹羝为比例积分微分调节。
(一般采用晶闸管调节器为执行器)
3设计方案和设计方案的论证
3.1设计要求
本题目是某厂电炉改造项目,该电炉用来对铸铁件回火处理。
原有温度控制系已损坏。
按厂方要求,对电炉的电控系统进行改造,用PLC控制晶闸管,并通过改变加热元件的接线组别的方法,进行升温、恒温控制。
电路功率60KW,体积600mm*600mm*600mm,最高炉温1000C,自然冷却。
当炉温升至800C,恒温8小时,降温至200C,恒温4小时,降温至常温状态。
电炉按上述流程循环工作
设计的主要内容
1被控对象简介
2设计方案和设计方案的论证
3系统硬件配置说明
4软件设计方法及说明
5控制逻辑功能实现过程说明及结论
3.2电阻炉温度控制的方法
电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统。
温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成,其系统结构图如图3-1所示。
由于被控对象电容量大,通常采用可控硅作调节器的执行器,其具体的电路图如图3-2所示。
图3-1
执行器的特性:
电阻炉的温度调节是通过调节剂(供电能源)的断续作用,改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值α,α=Tb/Tk。
调节加热炉的温度,在工业上是通过在设定周期范围内,将电路接通几个周波,然后断开几个周波,改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例,来调节负载两端交流平均电压即负载功率,这就是通常所说的调功器或周波控制器;调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的,所以负载上得到的是完整的正弦波,调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波。
如图3-3所示,设周期Tc内导通的周期的波数为n,每个周波的周期为T,则调功器的输出功率为P=n×T×Pn/Tc,Pn为设定周期Tc内电压全通过时装置的输出功率。
图 3-2 图3-3
由于电阻炉最高工作温度为1000度,炉膛功率为60kw,在设计中近似的将其温度变化率看成线性,从而可以算出800度和200度时的功率。
1000/800=60/P800,P800=48kw;
1000/200=60/P200,P200=12kw
所以当电阻炉在800度工作时,在设定周期Tc内导通的周期的波数n为48/60=0.8;当电阻炉在200度工作时,在设定周期Tc内导通的周期的波数n为12/60=0.2,通过改变导通的周期的波数n从而改变输出功率。
本次设计中要求当电炉温度达到800度时,恒温8小时,然后降到200度时,恒温4小时,这种控制方式主要用PLC的控制来完成,具体过程如图3-4所示
图3-4
3.3电阻炉加热原理
当电流在导体中流过时,因为任何导体均存在电阻,电能即在导体中形成损耗,转换为热能,按焦耳楞次定律:
Q=0.2412RtQ—热能,卡;
I一电流,安培,
R一电阻,欧姆,
t一时间,秒。
按上式推算,当1千瓦小时的电能,全部转换为热能时Q=(0.24×1000×36000)/1000=864千卡。
在电热技术上按l千瓦小时=860千卡计算。
电阻炉在结构上是使电能转换为热能的设备,它能有效地用来加热指定的工件,并保持高的效率。
3.3.1主要的技术特性
电阻炉消耗电能转换来的热能.一部分由电炉构筑材料及传热的各种因素而散失到空间去了,另一部分则用于对炉内工件的加热,前面的一部分形成了电炉损失功率,后一部分形成了电炉有效功率。
当电炉开始升温时,炉内砌砖体大量地吸收热量,以提高本身温度,在停炉冷下来时又把这一部分热量散失到空间去;这一部分形成炉体蓄热损失。
一台先进的电炉应具有低的空炉损失及高的有效功率。
较少蓄热相失。
空炉损失的大小是衡量电炉效率好坏的重要指标,空炉损失小的电炉,可以得到高的技术生产率及低的单位电能消耗比。
一般工业电阻炉的效率。
小型电炉较低一些.大型电炉
较高一些,从10—100千瓦的箱式电炉效率约为65-85%,空炉损失约占总功率的35--15%。
电炉从室温升到工作温度的时间对电炉的经济指标是有明显影响的,升温时间短则炉子投入正常使用的时间就较长每天的生产率就较高,每公斤工件的电耗量就降低,所以要尽量采用热惯性小的炉衬材料并降低炉体蓄热量来加快电炉的升温速度:
炉体的蓄热量对周期作业炉影响很大,尤其是每天一班或二班生产的电炉。
对连续作业炉其影响就不明显。
加热能力是一台电炉的主要技术指标,加热能力是指电炉的有效功率,从理论计算上在一个小时内能把指定的材料加热到额定温度的最大重量数,以公斤/小时计算。
3.3.2电阻加热炉基本结构及型式
电阻炉是随着机械工业的发展而发展起来的,由于各种加热工艺及冶炼工艺上的需要,电阻炉是一个品种很多的产品。
电阻炉炉体结构,分周期式及连续式二个型式来分别介绍。
周期式作业炉。
如箱式电炉,台车式电炉、井式电炉等箱式电炉,外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的,小型电炉由于需保持工作面的一定高度,一般均做成带支架的,在箱型壳体下边,有支持炉体的腿或支架。
中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量也大,所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。
大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底盘的结构,而就地焊接砌砖,但这种电炉在安装后不能吊运及移动。
中小型电炉的炉门可用配重及手动装置来开闭,下部一般均有砂封槽,有些炉门上边也设有砂封槽,以保证良好的密封性,炉门关闭时,用压紧装置使炉门紧密的与门框接触,减少漏气。
大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门,电加热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上布置,为了得到良好的热场,最好在护顶上也布置电加热元件,因为炉内工件一般堆放高度不会超过宽度,所以以上下两个方面加热比左右两个方面加更为有效。
大型及中型电炉可以在护门上及后墙上适当的布置一些电加热元件,以减少炉内的温差,为了保证炉门口的热损失能得到更好的平衡,可以在较大的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度1/3处作为一个控制区。
通保护气体的炉子应设有保证安全运行的必要装置及良好曲密封性。
井式电炉一般均为园筒形炉膛,内径一般最小为600毫米,大小了,安装维修时不方便;炉壳用型钢作为骨架再焊上钢板,小型炉盖可用手动机构开闭,大型及中型的可用电动或液压等机构开闭,高度与直径好比在1一1.5的电炉工件一般放管在炉膛底部,高度与直径比在2以上时。
工件大部用吊挂方式,吊于炉口内或炉上外部的专用吊架上,控制区的设置一般以直径的1—1.5倍为一个。
在温度控制要求不高时.有时一个控制区长度达到直径的2倍。
炉膛在前室后边,中间有一个炉门隔开,进料出料时。
炉门由上部气缸打开。
炉膛由抗渗碳砌成。
电加热器两种形式,一种是由高电阻合金板材制成;为了消除表面积炭形成短路,加热器面涂上专用的高温绝缘釉;另一种为辐射管式的,水平或垂直的插入炉赌中,管中用大切面园形电阻线组成金属发热器。
炉内具有强通的风扇,炉子前面为一个推料装置,用以向炉内进出料,电炉附有气体发生器或直接向护内滴注有机液及碳势控制设备。
3.4电炉加热方式的分类
电阻炉按热量产生的方法不同,可分为间接加
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