s7300plc的正退火炉控制系统设计
钢管退火炉是无缝钢管生产的关键设备，它的性能优劣直接决定着产品质量的好坏。退火炉温度控制及自动化的控制影响了企业的效益，因此研究退火炉控制系统非常重要。本课题使用西门子可编程控制器S7-300 PLC作为控制平台，设计了退火炉的控制系统。介绍了控制系统的硬件设计、软件设计和组态界面设计。硬件设计部分主要包括PLC的选型、元器件的选型、电气原理图的设计。软件设计部分主要分析每个模块的功能并设计相关程序。经过实验室调试验证系统运行可靠、操作、维护方便，达到预期的设计目的。
目录
1. 绪论 1
1.1课题概述及研究意义 1
1.2国内退火炉的研究与应用现状 1
1.3 主要研究内容 2
2. 退火炉控制系统的硬件设计 3
2.1 退火炉的工艺分析 3
2.1.1 退火炉组成结构 3
2.1.2 退火炉主要功能分析 3
2.2 系统方案的设计 4
2.3控制系统的硬件配置 6
2.3.1 退火炉的硬件配置 6
2.3.2 下位机系统配置 6
3. 退火炉控制系统的软件设计 11
3.1 PLC控制系统程序块的设计 11
3.1.1 PLC的程序功能块说明 11
3.2 PID控制程序的设计 14
3.2.1 PID控制算法的种类 15
3.2.2 PID控制算法 15
3.2.3 PID参数整定 16
3.3 PLC的部分程序介绍 16
3.3.1 PID指令对温度的控制 16
3.3.2 起停控制程序 20
3.3.3 烧嘴控制程序 22
4. 上位机软件的设计 25
4.1 组态王Kingview6.55简介 25
4.2 组态王画面的组态 25
4.3 组态画面的设计 25
5. 退火炉的通信及运行结果分析 28
5.1 MPI的通讯方式 28
5.1.1 多点连接MPI 28
5.1.2 MPI的调试与连接 28
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5.2 调试 30
5.2.1 调试步骤 30
5.2.2调试结果 30
6. 总结与展望 31
6.1 工作总结 31
6.2工作展望 31
参考文献 32
附录 33
附录一：电气结构图 33
附件二：电气结构图 34
附录三：软件程序 35
致谢 41
1. 绪论
1.1课题概述及研究意义
退火炉是一种新式的换热装置，被广泛应用于现代工业过程中。由于其本身具有的优点较多，所以在现代化工业中的运用也越来越广泛。
钢管退火炉是结合现代工业使用退火炉的实际情况，对退火炉进行改造设计出的新炉型。退火炉的生产线是由炉内辊、加热段、保温段、冷却段、出料等部分组成。
目前，由于现代工业化的需求，对退火炉的要求也越来越高，现代工业中大部分钢管的生产工艺均采用轧制过程，只有少数采用轧后控制冷却，从而引进了钢管退火炉。钢管退火，就是将钢管进行加热，达到相应的温度使其发生形变或相变，再进行保温使其渐渐冷却的热处理。对钢管进行退火就是为了消除应力，改变结构上的因素使其匀称，提高钢的机能，降低钢的硬度。因此，退火炉的炉温控制很重要，也是整个控制系统的研究重点，图1.1是退火炉的实际过程。
图1.1退火炉外形
1.2国内退火炉的研究与应用现状
在现代工业中，退火炉对炉温段温度的控制、炉体的设计以及主要参数设置都是相互制约的，因此，退火炉各炉温段的温度和压力等的测量与调节都是极其重要的。由于原有的退火炉使用自产煤气作为燃料，控制方式为手动，自动化水平较低，所以在这样的工业中提高退火炉的生产水平是必要的。
在现代工业中，部分退火炉已开始采用微处理器的计算机控制系统；一些技术领先的国家生产出了性能相对较好的产品，并且已运用到工业中。而退火炉也得到了以下几方面的发展：
1）由原来的燃煤发展为现在的燃油、燃气、天然气等作为其燃料；
2）由原来的接触器控制系统发展到现在的PLC控制系统，由原来的纯手动控制到现在的自动控制。
3）回路的长度越来越短并快速达到退火的目的。
1.3 主要研究内容
在本课题的研究过程中，主要完成PLC控制系统的硬件配置，PID控制算法设计，主要研究内容如下：
1）分析退火炉的工作原理、工艺过程对电气控制系统的控制要求；
2）退火炉控制系统的总体设计方案；
3）退火炉中PLC程序控制系统，温度控制方法的研究；
4）退火炉上位机与下位机的通信；
5）退火炉控制系统的调试。
2. 退火炉控制系统的硬件设计
2.1 退火炉的工艺分析
本课题中退火炉是由配电柜、助燃风机、加热区、电机、电气单元、控制系统、操作界面等构成。采用的是连续比例燃烧控制系统，该系统是由温度传感器K型热电偶检测对应温区加热炉温，热电偶信号送入PLC，PLC进行控制运算后，输出控制量可调整空气比例调节阀，调节阀门的开度，再由空燃比例阀自动调整进入炉体的燃气量，并由热电偶K检测值控制对应的设定值和空气比例调节阀的设定值，确定该系统烧嘴开启数量；从而达到温度及温度场的控制。
2.1.1 退火炉组成结构
根据无缝钢管生产的热处理工艺，全炉烧嘴共分8个控制区，分别控制8个温度：一区上、一区下，三~五区，六~八区。其中一区上、一区下共14个烧嘴，分别对应控制热电偶K01s和K01x；三~五区每区皆2个烧嘴，分别对应控制热电偶K03~K05。六~八区每区皆2个烧嘴，分别对应控制热电偶K06~K08。以及烟气循环控制、冷却水供水自动恒压控制；一台助燃风机（热风组和冷风组合用），分别控制热风组和冷风组。
一台热风组和冷风组合用的助燃风机：总风压控制采用压力变送器Y02a提供信号，由风机变频实现恒压控制，可设置风压并显示风机频率及风压。通过换热器提供预热空气，供热风组供风。冷风总管配置压力变送器Y02b提供信号，由执行器ZK02b调节蝶阀实现恒压控制，可设置风压并显示执行器开度及风压。烧嘴01~14#供热风，其中01~08#配供风执行器；15~20#供冷风，配供风电磁阀。
2.1.2 退火炉主要功能分析
1）炉温控制原理
通过热电偶检测对应温区加热炉温，热电偶信号送入PLC，PLC进行控制运算后，输出控制量调节空气比例调节阀，改变阀的开关比例，由空燃比例阀自动调节进入炉体的燃气量，并由控制热电偶K检测值对应设定值，对应空气比例调节阀的设定值，确定该系统烧嘴开启数量；从而达到温度及温度场的控制。
烧嘴01~14#供风管分为上下区，由控制热电偶K01s、K01x提供信号，分别对应主执行器ZK03s、ZK03x调节蝶阀实现恒温控制，并显示主执行器的开度，显示对应烧嘴火焰的大小及启动/关闭状态。一区上控制烧嘴为03、04#，07、08#，11、12#，其中03、04#和07、08#这两对烧嘴各自配一个执行器；一区下控制烧嘴为01、02#，05、06#09、10#，13、14#，其中01、02#和05、06#这两对烧嘴各自配一个执行器。图2.1所示为火焰检测及自动烧嘴控制器的原理图。
目录
1. 绪论 1
1.1课题概述及研究意义 1
1.2国内退火炉的研究与应用现状 1
1.3 主要研究内容 2
2. 退火炉控制系统的硬件设计 3
2.1 退火炉的工艺分析 3
2.1.1 退火炉组成结构 3
2.1.2 退火炉主要功能分析 3
2.2 系统方案的设计 4
2.3控制系统的硬件配置 6
2.3.1 退火炉的硬件配置 6
2.3.2 下位机系统配置 6
3. 退火炉控制系统的软件设计 11
3.1 PLC控制系统程序块的设计 11
3.1.1 PLC的程序功能块说明 11
3.2 PID控制程序的设计 14
3.2.1 PID控制算法的种类 15
3.2.2 PID控制算法 15
3.2.3 PID参数整定 16
3.3 PLC的部分程序介绍 16
3.3.1 PID指令对温度的控制 16
3.3.2 起停控制程序 20
3.3.3 烧嘴控制程序 22
4. 上位机软件的设计 25
4.1 组态王Kingview6.55简介 25
4.2 组态王画面的组态 25
4.3 组态画面的设计 25
5. 退火炉的通信及运行结果分析 28
5.1 MPI的通讯方式 28
5.1.1 多点连接MPI 28
5.1.2 MPI的调试与连接 28
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5.2 调试 30
5.2.1 调试步骤 30
5.2.2调试结果 30
6. 总结与展望 31
6.1 工作总结 31
6.2工作展望 31
参考文献 32
附录 33
附录一：电气结构图 33
附件二：电气结构图 34
附录三：软件程序 35
致谢 41
1. 绪论
1.1课题概述及研究意义
退火炉是一种新式的换热装置，被广泛应用于现代工业过程中。由于其本身具有的优点较多，所以在现代化工业中的运用也越来越广泛。
钢管退火炉是结合现代工业使用退火炉的实际情况，对退火炉进行改造设计出的新炉型。退火炉的生产线是由炉内辊、加热段、保温段、冷却段、出料等部分组成。
目前，由于现代工业化的需求，对退火炉的要求也越来越高，现代工业中大部分钢管的生产工艺均采用轧制过程，只有少数采用轧后控制冷却，从而引进了钢管退火炉。钢管退火，就是将钢管进行加热，达到相应的温度使其发生形变或相变，再进行保温使其渐渐冷却的热处理。对钢管进行退火就是为了消除应力，改变结构上的因素使其匀称，提高钢的机能，降低钢的硬度。因此，退火炉的炉温控制很重要，也是整个控制系统的研究重点，图1.1是退火炉的实际过程。
图1.1退火炉外形
1.2国内退火炉的研究与应用现状
在现代工业中，退火炉对炉温段温度的控制、炉体的设计以及主要参数设置都是相互制约的，因此，退火炉各炉温段的温度和压力等的测量与调节都是极其重要的。由于原有的退火炉使用自产煤气作为燃料，控制方式为手动，自动化水平较低，所以在这样的工业中提高退火炉的生产水平是必要的。
在现代工业中，部分退火炉已开始采用微处理器的计算机控制系统；一些技术领先的国家生产出了性能相对较好的产品，并且已运用到工业中。而退火炉也得到了以下几方面的发展：
1）由原来的燃煤发展为现在的燃油、燃气、天然气等作为其燃料；
2）由原来的接触器控制系统发展到现在的PLC控制系统，由原来的纯手动控制到现在的自动控制。
3）回路的长度越来越短并快速达到退火的目的。
1.3 主要研究内容
在本课题的研究过程中，主要完成PLC控制系统的硬件配置，PID控制算法设计，主要研究内容如下：
1）分析退火炉的工作原理、工艺过程对电气控制系统的控制要求；
2）退火炉控制系统的总体设计方案；
3）退火炉中PLC程序控制系统，温度控制方法的研究；
4）退火炉上位机与下位机的通信；
5）退火炉控制系统的调试。
2. 退火炉控制系统的硬件设计
2.1 退火炉的工艺分析
本课题中退火炉是由配电柜、助燃风机、加热区、电机、电气单元、控制系统、操作界面等构成。采用的是连续比例燃烧控制系统，该系统是由温度传感器K型热电偶检测对应温区加热炉温，热电偶信号送入PLC，PLC进行控制运算后，输出控制量可调整空气比例调节阀，调节阀门的开度，再由空燃比例阀自动调整进入炉体的燃气量，并由热电偶K检测值控制对应的设定值和空气比例调节阀的设定值，确定该系统烧嘴开启数量；从而达到温度及温度场的控制。
2.1.1 退火炉组成结构
根据无缝钢管生产的热处理工艺，全炉烧嘴共分8个控制区，分别控制8个温度：一区上、一区下，三~五区，六~八区。其中一区上、一区下共14个烧嘴，分别对应控制热电偶K01s和K01x；三~五区每区皆2个烧嘴，分别对应控制热电偶K03~K05。六~八区每区皆2个烧嘴，分别对应控制热电偶K06~K08。以及烟气循环控制、冷却水供水自动恒压控制；一台助燃风机（热风组和冷风组合用），分别控制热风组和冷风组。
一台热风组和冷风组合用的助燃风机：总风压控制采用压力变送器Y02a提供信号，由风机变频实现恒压控制，可设置风压并显示风机频率及风压。通过换热器提供预热空气，供热风组供风。冷风总管配置压力变送器Y02b提供信号，由执行器ZK02b调节蝶阀实现恒压控制，可设置风压并显示执行器开度及风压。烧嘴01~14#供热风，其中01~08#配供风执行器；15~20#供冷风，配供风电磁阀。
2.1.2 退火炉主要功能分析
1）炉温控制原理
通过热电偶检测对应温区加热炉温，热电偶信号送入PLC，PLC进行控制运算后，输出控制量调节空气比例调节阀，改变阀的开关比例，由空燃比例阀自动调节进入炉体的燃气量，并由控制热电偶K检测值对应设定值，对应空气比例调节阀的设定值，确定该系统烧嘴开启数量；从而达到温度及温度场的控制。
烧嘴01~14#供风管分为上下区，由控制热电偶K01s、K01x提供信号，分别对应主执行器ZK03s、ZK03x调节蝶阀实现恒温控制，并显示主执行器的开度，显示对应烧嘴火焰的大小及启动/关闭状态。一区上控制烧嘴为03、04#，07、08#，11、12#，其中03、04#和07、08#这两对烧嘴各自配一个执行器；一区下控制烧嘴为01、02#，05、06#09、10#，13、14#，其中01、02#和05、06#这两对烧嘴各自配一个执行器。图2.1所示为火焰检测及自动烧嘴控制器的原理图。
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