热处理电阻炉控制系统设计
热处理电阻炉已广泛的应用在工业生产中，其控温系统对于保证零件的热处理质量具有重要作用。本设计研究的是以S7-300PLC为核心控制的网带式电阻炉系统设计，实现了对淬火炉、盐浴池、回火炉工作过程的自动控制。本课题采用西门子S7-300PLC构建硬件控制系统，运用工业控制组态软件WINCC设计上位机监控系统，建立“上位机监测，下位机控制”的热处理电阻炉控制系统，其主要功能是对系统工艺过程和工艺参数的监控。本课题在炉温控制方面运用了PID控制，来保证淬火炉和回火炉炉温恒温的效果，通过通信将PLC检测到的数据传送给上位监控管理机，上位监控操作运行界面可实时监测相关的参数变化，显示温度变化曲线。上位机人机界面形象直观，便于操作。
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 国内外现状及发展趋势 1
1.3 本论文的主要工作 2
2. 电阻炉控制系统设计总体方案 3
2.1 热处理电阻炉的工艺流程与分析 3
2.2 电阻炉系统控制结构设计 5
2.3 电气主电路控制图设计 6
2.4 硬件型号选择 7
3. PID控制算法设计 10
3.1 温度闭环控制系统结构 10
3.2 PID控制程序设计 10
4. S7300PLC控制系统 16
4.1 PLC及扩展模块硬件选型 16
4.2 PLC控制程序设计 16
4.2.1 I/O分配表 16
4.2.2 控制系统硬件接线设计 18
4.2.3 PLC控制程序设计 19
5. WINCC监控系统 23
5.1 上位机WINCC和下位机S7300PLC通讯设置 23
5.1.1 构造数据库 23
5.1.2上位机WINCC和下位机S7300PLC通讯设置 24
5.2 热处理电阻炉控制系统组态监控界面设计 25
5.2.1 用户窗口界面设计 25
5.2.2 登录界面动态设计 27
5.2.3 主界面动态设计 28
5.2.4 实
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
时显示曲线及报警设计 29
6. 运行与调试 31
6.1 PLC程序运行 31
6.2 WINCC组态软件调试 32
6.3 PID参数整定 33
总结与展望 35
参考文献 36
附录 37
致谢 45
1. 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
在热处理生产中热处理电阻炉是使用最广的一种加热设备，它是利用布置在炉膛内的电热元件通入电流后发热，然后借助对流作用将热量传递给零件。各类以金属和非金属电热元件作烘热体的热处理炉都属于此类炉子。
连续作业炉主要是用来生产大批量品种较单一的零件。可用于普通的热处理（正火、淬火、回火等）也可用于化学热处理。根据传动机构不同，连续作业炉有输送带式，网带式，推杆式，震底式，转底式，滚筒式等。连续作业炉借助某些机构连续地或间歇地进行装料和出料，以不同的温度区域，完成零件的加热过程，一般采用电阻丝加热，也可使用气体或液体燃料加热。使用连续作业炉可以提高热处理零件加热质量，提高劳动生产率，改善劳动条件。?
1.2 国内外现状及发展趋势
热处理电阻炉在工业生产中被广泛应用，在电器制造行业中，热处理电阻炉用在电器机械零件的材料处理。通过热处理，零件的硬度和韧性都得到了改变，其耐磨性和硬度得到改善，从而提高了电器产品的质量和使用寿命，热处理是很重要的一道工艺处理过程，热处理的传统控制大部分采用的是自动平衡记录仪进行的，其效果一般，难以满足日益发展生产需要。温度曲线需要温度控制系统能够获得可靠满意的跟踪设定。
经典控制中的PID控制由于其工作稳定、可靠性高、且易于操作，所以在电阻炉温度控制系统中得到了普遍的应用。由于控制系统的复杂性日益增加，工业产品对工艺的要求不断提高，大型台车式电阻炉一般存在加热空间大，炉内温度分布不均匀、密封性差等问题，该系统存在着大滞后、强耦合、多变量的特性，使得传统的PID控制不能够满足大型电阻炉的控制要求。现代控制理论的发展虽然解决了线性多变量系统的控制问题，但是需要精确的数学模型使其难以满足复杂非线性系统的控制问题。于是，一些新型的智能控制方法随之产生，模糊控制、神经网络、预测控制、鲁棒控制得到了较快的发展和广泛的应用。
目前在中国的工业生产上大量应用的还是常规热处理工艺，将在未来发挥着重要的作用和相当大的比重，但还是需要不断改进和完善。经过半个多世纪的发展，第一代网带炉从氧化气氛下加热逐步发展到第二代保护气氛、少无氧化加热，又进步到第三代可控气氛加热，第四代计算机管理，如今热处理电阻炉发展的动力和其它产品一样源自市场的需求，发展的成果来自技术的进步。中国的改革开放政策大大促进并加速了热处理行业发展。现在要以少无氧化加热、节能、无污染和微电子技术在热处理中的应用为重点，大力发展先进的热处理成套技术，利用现代高新技术对常规热处理进行技术改造，实现热处理设备的更新换代，全面提高热处理的工艺水平、装备水平、管理水平和产品水平，这对于改变中国热处理技术的落后面貌，赶上工业发达国家的先进水平起到积极的促进作用。
1.3 本论文的主要工作
本课题采用了西门子S7300PLC及组态软件WINCC，构建“上位机监测，下位机控制”，主要完成下面几个任务：
（1）分析热处理电阻炉的工艺流程，学习并掌握S7300PLC和WINCC的软件开发和使用方法；
（2）确定总体设计方案，热处理电阻炉控制系统总体结构设计、控制流程设计和电气控制系统设计；
（3）系统硬件部分进行合理的型号选择，包括传感器、热电偶、变送器、蜂鸣器、变频器等；
（4）设计PLC程序，完成对系统各功能及控制，运用PLC程序实现并对温度PID自动恒温控制并进行仿真调试；
（5）运用WINCC 6.0设计控制界面，包括登陆界面，主界面，PID参数整定界面，并运行动画连接设计出相应的动画。
（6）对所设计系统进行调试运行，对PID参数进行整定，验证所设计项目的合理性。
2. 电阻炉控制系统设计总体方案
2.1 热处理电阻炉的工艺流程与分析
温度控制系统在热处理的质量方面起着很重要的作用，保证零件的质量。热处理电阻炉的基本结构包括炉体、电加热元件、辅助装置。从炉门，炉子的顶部，炉子的底部，炉壁构造了一个加热空间，将零件保持加热温度以及起到可以加工零件的空间。电热元件是炉子的发热体，使电能转化成热能，加热零件。辅助设备的机械传动系统，炉子的操作参数的测量和控制系统。
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的目的和意义 1
1.2 国内外现状及发展趋势 1
1.3 本论文的主要工作 2
2. 电阻炉控制系统设计总体方案 3
2.1 热处理电阻炉的工艺流程与分析 3
2.2 电阻炉系统控制结构设计 5
2.3 电气主电路控制图设计 6
2.4 硬件型号选择 7
3. PID控制算法设计 10
3.1 温度闭环控制系统结构 10
3.2 PID控制程序设计 10
4. S7300PLC控制系统 16
4.1 PLC及扩展模块硬件选型 16
4.2 PLC控制程序设计 16
4.2.1 I/O分配表 16
4.2.2 控制系统硬件接线设计 18
4.2.3 PLC控制程序设计 19
5. WINCC监控系统 23
5.1 上位机WINCC和下位机S7300PLC通讯设置 23
5.1.1 构造数据库 23
5.1.2上位机WINCC和下位机S7300PLC通讯设置 24
5.2 热处理电阻炉控制系统组态监控界面设计 25
5.2.1 用户窗口界面设计 25
5.2.2 登录界面动态设计 27
5.2.3 主界面动态设计 28
5.2.4 实
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
时显示曲线及报警设计 29
6. 运行与调试 31
6.1 PLC程序运行 31
6.2 WINCC组态软件调试 32
6.3 PID参数整定 33
总结与展望 35
参考文献 36
附录 37
致谢 45
1. 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
在热处理生产中热处理电阻炉是使用最广的一种加热设备，它是利用布置在炉膛内的电热元件通入电流后发热，然后借助对流作用将热量传递给零件。各类以金属和非金属电热元件作烘热体的热处理炉都属于此类炉子。
连续作业炉主要是用来生产大批量品种较单一的零件。可用于普通的热处理（正火、淬火、回火等）也可用于化学热处理。根据传动机构不同，连续作业炉有输送带式，网带式，推杆式，震底式，转底式，滚筒式等。连续作业炉借助某些机构连续地或间歇地进行装料和出料，以不同的温度区域，完成零件的加热过程，一般采用电阻丝加热，也可使用气体或液体燃料加热。使用连续作业炉可以提高热处理零件加热质量，提高劳动生产率，改善劳动条件。?
1.2 国内外现状及发展趋势
热处理电阻炉在工业生产中被广泛应用，在电器制造行业中，热处理电阻炉用在电器机械零件的材料处理。通过热处理，零件的硬度和韧性都得到了改变，其耐磨性和硬度得到改善，从而提高了电器产品的质量和使用寿命，热处理是很重要的一道工艺处理过程，热处理的传统控制大部分采用的是自动平衡记录仪进行的，其效果一般，难以满足日益发展生产需要。温度曲线需要温度控制系统能够获得可靠满意的跟踪设定。
经典控制中的PID控制由于其工作稳定、可靠性高、且易于操作，所以在电阻炉温度控制系统中得到了普遍的应用。由于控制系统的复杂性日益增加，工业产品对工艺的要求不断提高，大型台车式电阻炉一般存在加热空间大，炉内温度分布不均匀、密封性差等问题，该系统存在着大滞后、强耦合、多变量的特性，使得传统的PID控制不能够满足大型电阻炉的控制要求。现代控制理论的发展虽然解决了线性多变量系统的控制问题，但是需要精确的数学模型使其难以满足复杂非线性系统的控制问题。于是，一些新型的智能控制方法随之产生，模糊控制、神经网络、预测控制、鲁棒控制得到了较快的发展和广泛的应用。
目前在中国的工业生产上大量应用的还是常规热处理工艺，将在未来发挥着重要的作用和相当大的比重，但还是需要不断改进和完善。经过半个多世纪的发展，第一代网带炉从氧化气氛下加热逐步发展到第二代保护气氛、少无氧化加热，又进步到第三代可控气氛加热，第四代计算机管理，如今热处理电阻炉发展的动力和其它产品一样源自市场的需求，发展的成果来自技术的进步。中国的改革开放政策大大促进并加速了热处理行业发展。现在要以少无氧化加热、节能、无污染和微电子技术在热处理中的应用为重点，大力发展先进的热处理成套技术，利用现代高新技术对常规热处理进行技术改造，实现热处理设备的更新换代，全面提高热处理的工艺水平、装备水平、管理水平和产品水平，这对于改变中国热处理技术的落后面貌，赶上工业发达国家的先进水平起到积极的促进作用。
1.3 本论文的主要工作
本课题采用了西门子S7300PLC及组态软件WINCC，构建“上位机监测，下位机控制”，主要完成下面几个任务：
（1）分析热处理电阻炉的工艺流程，学习并掌握S7300PLC和WINCC的软件开发和使用方法；
（2）确定总体设计方案，热处理电阻炉控制系统总体结构设计、控制流程设计和电气控制系统设计；
（3）系统硬件部分进行合理的型号选择，包括传感器、热电偶、变送器、蜂鸣器、变频器等；
（4）设计PLC程序，完成对系统各功能及控制，运用PLC程序实现并对温度PID自动恒温控制并进行仿真调试；
（5）运用WINCC 6.0设计控制界面，包括登陆界面，主界面，PID参数整定界面，并运行动画连接设计出相应的动画。
（6）对所设计系统进行调试运行，对PID参数进行整定，验证所设计项目的合理性。
2. 电阻炉控制系统设计总体方案
2.1 热处理电阻炉的工艺流程与分析
温度控制系统在热处理的质量方面起着很重要的作用，保证零件的质量。热处理电阻炉的基本结构包括炉体、电加热元件、辅助装置。从炉门，炉子的顶部，炉子的底部，炉壁构造了一个加热空间，将零件保持加热温度以及起到可以加工零件的空间。电热元件是炉子的发热体，使电能转化成热能，加热零件。辅助设备的机械传动系统，炉子的操作参数的测量和控制系统。
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