PLC在热处理电阻炉温度控制新版专业系统设计中的应用.doc

新疆工业高等专科职业技术学院
毕 业 设 计（论 文）

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应用

毕业时间： 二〇一四年六月
学生姓名： 李婕
指导老师： 何涛
班 级： 12机电一体化

12月20日

PLC在热处理电阻炉温度控制系统设计中应用

摘要:热处理电阻炉温度控制系统对零件热处理质量有着关键影响。本文关键讨论了以可编程控制器(PLC)为关键箱式热处理炉温度控制系统设计。在提出炉温控制方案基础上,对炉温控制系统进行了硬件设计和温度控制程序设计。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、关键技术和处理方案
箱式热处理电阻炉是金属热处理中应用最为广泛一个周期式作业炉,其测温控温系统对于确保工件热处理质量含相关键作用。传统箱式热处理电炉存在关键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。控温方法采取位式调整箱式热处理炉,在教学试验、科学研究和零件热处理中有着广泛应用,但因为其控温系统相对落后,常常造成温度控制不正确而造成试验数据不正确或产品缺点。所以,针对位式调整箱式热处理炉温度控制系统进行改造设计,对于提升温控精度、确保产品质量含有十分关键意义。
（一）、温度传感器选择
现在市场上温度传感器较多，关键有以下多个方案：
方案一：选择铂电阻温度传感器。这类温度传感器线性度、稳定性等方面性能全部很好,但其成本较高。
方案二：采取热敏电阻。选择这类元器件有价格廉价优点，但因为热敏电阻非线性特征会影响系统精度。
方案三：采取K型（镍铬－镍硅）热电偶。其可测量1312℃以内温度，其线性度很好，而且价格廉价。

图1 温度检测电路

比较以上三种方案，方案三含有显著优点，所以选择方案三。

（二）、控制电路部分

图3 炉温控制系统工作步骤
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,能够充足确保测量精度。
2.为了确保测量结果能充足反应炉内实际情况,采取合适测量点数量和位置。
3.为了节省昂贵热电极金属和避免热电偶冷端受炉体热辐射等影响,在热电偶和测温仪表之间用赔偿导线连接。
（三）炉温调整方法
温度自动控制方法有位式调整、准连续式调整和连续式调整三种,其中连续调整方法技术最优异。为了取得正确炉温调整质量,采取以百分比积分微分调整器(简称PID调整器)组成PID自动控制系统。在热处理中使用带PID调整器温度指示统计调整仪和和之配套实施器,能够达成连续调整炉温目标。这种广泛应用连续式调整器是含有百分比、积分、微分调整规律PID调整器,其输出信号是按和输入信号成百分比(P)、积分(I)、微分(D)运算规律而动作,这三种调整规律作用是:百分比调整可产生强大稳定作用;积分调整可消除静差;微分调整可加速过滤过程,克服因积分作用而引发滞后,减小超调。只要将这三种规律调整合适,就能取得动作快而又稳定调整过程,并能保持较高炉温调整精度。

二、热处理炉温度控制系统硬件设计

（一）、炉温控制系统关键硬件
热电偶
炉温控制系统关键硬件采取可编程控制器(PLC)。PLC含有功效强、使用方便、可靠性高等优点,在优异工业国家中PLC已成为工业控制标准设备。PLC关键由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成, PLC特殊功效模块用来完成一些特殊任务。
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处理是数字量,所以需要一个特殊功效模块实现将采集到模拟信号转换成和温度成百分比数字量。当PLC进行PID控制时向实施器输出运算结果,也就是控制量,而这个控制量是数字量,实施器所要求信号是模拟量,所以还需要一个特殊功效模块将PLC输出数字量转换为模拟量输入到实施器,进而对炉温进行控制。所以,箱式热处理炉温度控制方案为:利用热电偶检测炉温; PLC特殊功效模块1将热电偶采集到温度模拟量转化为数字量送PLCCPU和设定值对比; PLC进行PID运算得出控制量; PLC特殊功效模块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
炉温控制系统开启、风扇手动开启和关闭、急停开关,各需点动按钮一个。所以,共需开关量输入4点。
2.输出信号点数
控制风扇电机运转交流接触器1个,指示加热、降温、保温和报警指示灯各1个。所以,共需开关量输出5点。
（三）模拟量输入、输出特殊功效模块
1.模拟量输入模块选择和连接
本系统使用热电偶来测量炉温,为降低硬件设备数量并简化硬件接线,选择能够和热电偶直接相连而不需要温度变送器模拟量输入特殊功效模块。在三菱FX2N系列PLC特殊功效模块中, FX2N-4AD-TC为12位4通道模块,它能够直接和热电偶相连,其综合精度为0. 5%,转换速度为240ms/通道选择此特殊功效模块作为模拟量输入模块,在程序中占用8个I/O点。模拟量输入端接线方法图2所表示。
2.模拟量输出模块选择和连接
模拟量输出模块所要控制是加热器,考虑到系统扩展,选择三菱FX2N系列PLCFX2N-4DA模拟量输出特殊功效模块。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。模拟量输出端接线方法图3所表示。

图2　FX2N-4AD-TC模拟量输入模块接线图

图3　FX2N-4AD-TC模拟量输出模块接线图

图4　热电偶和赔偿导线接线图

图5　PLC和输入、输出设备之间接线图

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和具体热处理 工艺亲密相关。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(图6)为例,说明热处理炉温度控制程序设计及其仿真
依据温度控制系统功效,建立PLC温度控制系统输入/输出地址分配如表1所表示。

图6　45钢等温球化退火工艺曲线

（一）　炉温控制系统SFC状态功效
本图设计方法是设计电器控制系统关键方法,能够描述控制系统工作过程[6]、文设计热处理炉温度控制系统SFC状态功效图设计关键包含以下多个部分:
1.PID参数写入功效图设计。
2.特殊功效模块设置及系统急停状态功效图设计。
3. 45钢等温球化退火热处理工艺第一阶段程序功效图设计。
4. 45钢等温球化退火热处理工艺第二阶段程序功效图设计。依据SFC状态功效图,可编制出热处理炉温度控制系统梯形图程序。限于篇幅,此处从略。

（二）炉温控制系统程序调试和仿真
1.调试软件
MELSOFT系列GX Developer软件是专门用来进行三菱系列PLC编程、调试、诊疗和仿真,所以选择GX Developer结合GX Simulator对温度控制程序进行仿真调试。GX Developer含有制作程序、对可编程控制器CPU写入/读出、监视、调试和PC诊疗等功效。

2.温度控制系统调试
因为控制系统包含到两个模拟量输入、输出殊功效模块,有温度测量和模拟量输出。不过,在软件中没有特殊功效模块设置。所以,在调试过程中,将存放温度测量值数据寄存器D201强制设置温度数据以调试系统运行状态。调试关键过程以下:
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,全部工作状态复位。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和仿真结果
表明:控制程序是正确,能满足热处理工艺要求。

（三）炉温控制系统SFC状态功效图及梯形图
SFC功效图设计方法是设计电器控制系统关键方法,能够描述控制系统工作过程[6]、[7]。本文设计热处理炉温度控制系统SFC状态功效图设计关键包含以下多个部分:
1、PID参数写入功效图设计。
2、特殊功效模块设置及系统急停状态功效图设计。
3、45钢等温球化退火热处理工艺第一阶段程序功效图设计。
4、45钢等温球化退火热处理工艺第二阶段程序功效图设计。依据SFC状态功效图,可编制出热处理炉温度控制系统梯形图程序。限于篇幅,此处从略。
四、系统完成功效
该系统被控对象为电炉，采取热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压大小，来改变流经热阻丝电流，从而改变电炉炉内温度。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，对象特征为带有纯滞后步骤一阶惯性系统，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 控制实施部分硬件电路

（二）、系统软件功效模块设计图
利用层次图来表示系统中各模块之间关系。层次方框图是用树形结构一系列多层次矩形框描绘数据层次结构。树形结构顶层是一个单独矩形框，它代表完整数据结构，下面各层矩形框代表各个数据子集，最底层各个矩形框代表组成这个数据实际数据元素（不能再分割元素）。伴随结构精细化，层次方框图对数据结构也描绘得越来越具体，这种模式很适合于需求分析阶段需要。从对顶层信息分类开始，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，每个模块之间即使在表面上是相互独立，不过在对数据库访问上是紧密相连。每个模块功效全部是根据在调研中搜集资料进行编排制作。

六、结果分析叙述
此次课程设计就快结束了，从开始兴奋到中途郁闷再到最终满足，感受到了试验带来复杂感觉。
刚开始，在仅仅一个课题情况下来设计电路图，真是感到无从下手，在经过老师耐心讲解，经过简单调适和对比，最终完成了电路图设计。
经过此次设计，我对这门课程有了更深了解。在设计过程中，首先要熟悉系统工艺，进行对象分析，根据要求确定方案。然后要进行硬件和软件设计和调试。因为没有实际样机，所以不能看到系统运行结果。只能在理论上对系统结果进行估计分析。此次设计使我对微型计算机控制技术有了全方面深刻了解，对我以后深入学习这门技术有很大帮助。
此次《计算机控制技术》课程设计，得到了不少启示。思索问题和进行实践全部要严谨，缜密。真所谓小心取证，就是这个道理。经过学习数字PID电阻热炉温度控制系统设计,愈加了解可编程控制器结构及应用。激发我们创新意识，在学习和进行设计过程中，利用已经掌握知识及查阅资料，自行完成课程设计任务和设计完成。

七、结语
设计便捷、可靠、高精度温度控制系统是改造传统热处理炉和设计新型热处理炉关键内容。本文提出了基于PLC为关键硬件热处理炉温度控制系统设计总体方案,完成了热处理炉温度控制系统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具体应用。控制程序仿真结果表明,热处理炉温度控制系统设计是成功。

参考文件
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国防工业出版社, 1993
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