plc控制的加热炉温度控制系统设计
【摘 要】在热轧生产线加工中，步进式加热炉是最为关键的设备。采用PLC控制步进式加热炉是最安全、效率以及控制效果最高的控制方式。在这种背景下，本课题设计了基于三菱 PLC的加热炉温度控制系统，下位机选择PLC进行编程，可以实现对温度的设定，炉温A/D的转换，温度值的标度变换等功能。上位机通过组态王实现，完成对温度的控制、显示监控画面、温度实时趋势曲线图等功能。预设预热段（760-1100℃）、加热段（1260-1350℃）、均热段（1160-1250℃）三段炉温的范围。实时趋势画面，对加热炉的各段炉温进行实时监视，同时还显示历史趋势画面。加热炉运行的同时，下位机根据编写的程序对连接的设备进行控制，下位机将得到的温度信号发送给上位机，上位机对加热炉炉温的数值进行显示，这个温度的变化显示在温度实时趋势曲线图中。
目录
一、绪论 1
（一）研究背景及意义 1
1、研究背景 1
2、研究意义 1
3、加热炉工作方式介绍 1
二、炉温控制及控制器计算公式研究 3
（一）炉温控制方法 3
1、燃烧状态及机理分析 3
2、燃烧控制策略 4
（二）控制器算法 5
1、模糊控制理论 5
2、模糊PID控制器设计 5
三、炉温控制系统硬件设计 7
（一）温控系统硬件设计 7
1、检测元件 7
2、温度检测电路 7
3、温度手动设置电路 8
4、温度开/关信号输入控制 9
5、加热器的选择 9
（二）炉温控制系统硬件应用 10
1、PLC简介 11
2、PLC选择 11
3、硬件分配设计 12
4、PLC编程软件GX Developer介绍 13
5、控制系统硬件组态 13
四、温控系统软件设计 15
（一）下位机的设计 15
1、温度设定 15
2、转换功能模块的控制程序 15
3、标度变换程序 16
4、报警程序 16
（二）上位机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
的设计过程和运行 17
1、上位机的设计过程 17
2、组态王的运行 20
结论 22
附总程序表 23
参考文献 29
致谢 30
一、绪论
（一）研究背景及意义
1、研究背景
在我国炉温控制系统是经常使用的温度控制系统，在工业生产中起着必不可少的作用，加热炉被冶金、化工等领域普遍使用，对一些特殊工件的制造及维修都对温度有着要求。所以，对温度进行检测和控制无论是在工业方面还是家居方面都需要进行。现实生活中有诸多因素都能影响温度，让控制温度的成为一大难题，继电器控制技术是我们传统的加热炉电气控制系统所普遍采用的，这种固定接线的硬件实现逻辑控制占空间高，并且高耗电、低效率、故障频率居高不下，经常无法稳定的进行工业生产。随着时代的进步科技的发展基于计算机技术的PLC控制技术必然能够取代传统继电器控制技术。所以，论文结合实际工业生产设计了一种基于PLC的炉温控制系统。
2、研究意义
作为冶金行业的主要耗能设备的加热炉，怎样对其温度进行有效控制，是目前冶金工业不断研究发展方向。因此，对炉温控制系统对对研究对于我国具有非常重要的意义。
3、加热炉工作方式介绍
加热炉的工作方式有多种，在这里我们使用步进式加热炉。凭借炉子底部或者用水冷却的金属梁带着钢材进行上升、下降、后退、前进等操作来进行加热的就是步进式类型的加热炉。固定炉底配步进梁是步进梁式类型的加热炉，并且步进梁式加热炉的梁一般是由水冷管构成，这种加热炉能实现对钢坯上下两面加热。
加热炉提升钢的物质特性可以通过热处理技术来进行，适合有特殊生产要求机器零件和工具。论文主要讲述使用步进式方法的加热炉是这样加热钢板的：首先用工具把钢钢材放进加热炉，接着加热。我们放入的钢板是由炉内逐步向出口方向移动，并且在计算机的控制下循环运动。炉内温度和待成品钢材的移动速度由计算机来控制，钢材合格后从炉内出去。
加热炉提升钢的物质特性可以通过热处理技术来进行，适合有特殊生产要求机器零件和工具。论文主要讲述使用步进式方法的加热炉是这样加热钢板的：首先用工具把钢钢材放进加热炉，接着加热。我们放入的钢板是由炉内逐步向出口方向移动，并且在计算机的控制下循环运动。炉内温度和待成品钢材的移动速度由计算机来控制，钢材合格后从炉内出去。
为了提升燃料利用效率，我们将预热阶段时间延长，这样可以用燃烧发出的烟气预热钢板。并且如果短时间内温度升高太快钢板可能因为大温差产生的热应力而变成不良，所以控制温度的提升是一定的。加热阶段是三段中最重视的阶段，将钢板预热完成之后，就会进入加热段，钢板是否烧透、加热炉是否成功完成加热都是由加热阶段的加热质量决定。最后的均热阶段是把钢材稳定的加热达到出钢温度。如果有不能出钢是因为温度太低，而钢体打滑是因为温度太高了。由此可见三个阶段出现问题都将影响钢材的质量。
二、炉温控制及控制器计算公式研究
（一）炉温控制方法
1、燃烧状态及机理分析
加热炉使用的燃料一般是混合煤气，加热炉它有六个阶段分别是预热阶段、二上段、一上段、一下段、均上段和均下段。加热炉在工作时，我们现实工业生产都是想着燃料充分燃烧从中得到生产范围内的温度，这是理想中的最高效率。环境污染、热效率和空气过剩系数三者之间的关系如图21所示。/
图21 燃烧系统评估因素
依照图21能够看出，一个燃烧系统的燃烧效率与环境的污染跟空气过剩率三者有很大的联系。空气燃料比可以简称空燃比可以代表空气过剩率。其中空燃比用r表示，定义如下：
（21）
（22）
由式（21）和式（22）可知空气燃料比与空气过剩系数的关系为：
（23）
由燃烧系统评估因素图能够得到关系，燃烧系统评估因素图中最佳的空气燃烧比是＝1时的空气含量。但是在燃烧过程中，当<1时是空气不足的燃烧区域，当1<<1.02时是空气过剩率低的燃烧区域。若在两区域之间会因为燃烧不充分燃料而热量损失严重。>1.1是空气含量过高的区域，燃烧效率不高，因此1.02<<1.1这范围才是最好的燃烧范围。
2、燃烧控制策略
通过上述分析可知，为了达到最佳的燃烧方案这个目的，本次设计采用图22双交叉限幅控制这一燃烧策略。/
图22 双交叉限幅控制系统
见图22，图中a、b、c、d、e是双交叉限幅控制系统线路的信号。
如果加热炉负荷变大，那么温度设定值也会跟着变大，而通过温度控制器的控制，它的输出e也会逐渐变大。由于e变大，e大于a，a会被空气回路中的低选器选择。空气回路的高选器还会在a与b之间比较，由于a>b，因此空气流量控制器的设定值是a。在燃料回路中，由于c
目录
一、绪论 1
（一）研究背景及意义 1
1、研究背景 1
2、研究意义 1
3、加热炉工作方式介绍 1
二、炉温控制及控制器计算公式研究 3
（一）炉温控制方法 3
1、燃烧状态及机理分析 3
2、燃烧控制策略 4
（二）控制器算法 5
1、模糊控制理论 5
2、模糊PID控制器设计 5
三、炉温控制系统硬件设计 7
（一）温控系统硬件设计 7
1、检测元件 7
2、温度检测电路 7
3、温度手动设置电路 8
4、温度开/关信号输入控制 9
5、加热器的选择 9
（二）炉温控制系统硬件应用 10
1、PLC简介 11
2、PLC选择 11
3、硬件分配设计 12
4、PLC编程软件GX Developer介绍 13
5、控制系统硬件组态 13
四、温控系统软件设计 15
（一）下位机的设计 15
1、温度设定 15
2、转换功能模块的控制程序 15
3、标度变换程序 16
4、报警程序 16
（二）上位机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
的设计过程和运行 17
1、上位机的设计过程 17
2、组态王的运行 20
结论 22
附总程序表 23
参考文献 29
致谢 30
一、绪论
（一）研究背景及意义
1、研究背景
在我国炉温控制系统是经常使用的温度控制系统，在工业生产中起着必不可少的作用，加热炉被冶金、化工等领域普遍使用，对一些特殊工件的制造及维修都对温度有着要求。所以，对温度进行检测和控制无论是在工业方面还是家居方面都需要进行。现实生活中有诸多因素都能影响温度，让控制温度的成为一大难题，继电器控制技术是我们传统的加热炉电气控制系统所普遍采用的，这种固定接线的硬件实现逻辑控制占空间高，并且高耗电、低效率、故障频率居高不下，经常无法稳定的进行工业生产。随着时代的进步科技的发展基于计算机技术的PLC控制技术必然能够取代传统继电器控制技术。所以，论文结合实际工业生产设计了一种基于PLC的炉温控制系统。
2、研究意义
作为冶金行业的主要耗能设备的加热炉，怎样对其温度进行有效控制，是目前冶金工业不断研究发展方向。因此，对炉温控制系统对对研究对于我国具有非常重要的意义。
3、加热炉工作方式介绍
加热炉的工作方式有多种，在这里我们使用步进式加热炉。凭借炉子底部或者用水冷却的金属梁带着钢材进行上升、下降、后退、前进等操作来进行加热的就是步进式类型的加热炉。固定炉底配步进梁是步进梁式类型的加热炉，并且步进梁式加热炉的梁一般是由水冷管构成，这种加热炉能实现对钢坯上下两面加热。
加热炉提升钢的物质特性可以通过热处理技术来进行，适合有特殊生产要求机器零件和工具。论文主要讲述使用步进式方法的加热炉是这样加热钢板的：首先用工具把钢钢材放进加热炉，接着加热。我们放入的钢板是由炉内逐步向出口方向移动，并且在计算机的控制下循环运动。炉内温度和待成品钢材的移动速度由计算机来控制，钢材合格后从炉内出去。
加热炉提升钢的物质特性可以通过热处理技术来进行，适合有特殊生产要求机器零件和工具。论文主要讲述使用步进式方法的加热炉是这样加热钢板的：首先用工具把钢钢材放进加热炉，接着加热。我们放入的钢板是由炉内逐步向出口方向移动，并且在计算机的控制下循环运动。炉内温度和待成品钢材的移动速度由计算机来控制，钢材合格后从炉内出去。
为了提升燃料利用效率，我们将预热阶段时间延长，这样可以用燃烧发出的烟气预热钢板。并且如果短时间内温度升高太快钢板可能因为大温差产生的热应力而变成不良，所以控制温度的提升是一定的。加热阶段是三段中最重视的阶段，将钢板预热完成之后，就会进入加热段，钢板是否烧透、加热炉是否成功完成加热都是由加热阶段的加热质量决定。最后的均热阶段是把钢材稳定的加热达到出钢温度。如果有不能出钢是因为温度太低，而钢体打滑是因为温度太高了。由此可见三个阶段出现问题都将影响钢材的质量。
二、炉温控制及控制器计算公式研究
（一）炉温控制方法
1、燃烧状态及机理分析
加热炉使用的燃料一般是混合煤气，加热炉它有六个阶段分别是预热阶段、二上段、一上段、一下段、均上段和均下段。加热炉在工作时，我们现实工业生产都是想着燃料充分燃烧从中得到生产范围内的温度，这是理想中的最高效率。环境污染、热效率和空气过剩系数三者之间的关系如图21所示。/
图21 燃烧系统评估因素
依照图21能够看出，一个燃烧系统的燃烧效率与环境的污染跟空气过剩率三者有很大的联系。空气燃料比可以简称空燃比可以代表空气过剩率。其中空燃比用r表示，定义如下：
（21）
（22）
由式（21）和式（22）可知空气燃料比与空气过剩系数的关系为：
（23）
由燃烧系统评估因素图能够得到关系，燃烧系统评估因素图中最佳的空气燃烧比是＝1时的空气含量。但是在燃烧过程中，当<1时是空气不足的燃烧区域，当1<<1.02时是空气过剩率低的燃烧区域。若在两区域之间会因为燃烧不充分燃料而热量损失严重。>1.1是空气含量过高的区域，燃烧效率不高，因此1.02<<1.1这范围才是最好的燃烧范围。
2、燃烧控制策略
通过上述分析可知，为了达到最佳的燃烧方案这个目的，本次设计采用图22双交叉限幅控制这一燃烧策略。/
图22 双交叉限幅控制系统
见图22，图中a、b、c、d、e是双交叉限幅控制系统线路的信号。
如果加热炉负荷变大，那么温度设定值也会跟着变大，而通过温度控制器的控制，它的输出e也会逐渐变大。由于e变大，e大于a，a会被空气回路中的低选器选择。空气回路的高选器还会在a与b之间比较，由于a>b，因此空气流量控制器的设定值是a。在燃料回路中，由于c
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