s71200plc的36米退火炉控制系统设计
摘 要钢管退火是将钢管加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性。因此，退火炉的炉温控制是非常重要的，对退火炉控制系统的研究也是必不可少的。本课题采用西门子S7-1200PLC作为控制平台，来设计退火炉控制系统。文章分析了退火炉的工艺结构，提出了退火炉控制系统的总体设计方案。硬件设计部分主要讲述了电气控制系统的设计结构，及硬件配置和选型。软件设计中，分析了个模块功能，给出了流程图，并设计了梯形图程序，采用PID控制器对炉温进行了控制。本系统采用WinCC组态软件构建了良好的人机界面，实现控制信息可靠地传输和退火炉系统的实时、动态监控，提高了系统操作运行的可靠性和维护的方便性。
目录
1. 绪论 1
1.1选题背景及其研究的意义 1
1.2退火炉控制系统的发展现状 2
1.3主要研究内容 2
2. 退火炉控制系统硬件设计 3
2.1退火炉总体结构工艺分析 3
2.1.1 退火炉控制要求 3
2.1.2退火炉主要功能分析 3
2.2 退火炉控制系统的总体设计方案 4
2.3退火炉控制系统硬件配置 4
2.3.1 PLC控制系统的硬件配置 4
2.3.2 退火炉炉体内部的硬件配置 15
2.3.3 上位机系统的选择及配置 16
2.4 小结 16
3. 退火炉控制系统程序设计 17
3.1 退火炉控制系统的总体设计思路 17
3.2 控制系统程序块的介绍 18
3.3控制系统部分程序介绍 19
3.3.1 PID指令的使用介绍 19
3.3.2 进入自动/维修控制模式程序 21
3.3.3 循环中断程序 22
3.3.4 自动控制程序 23
3.4 小结 24
4 上位机WinCC组态软件的设计与系统调试 25
4.1 WinCC组态软件的介绍 25
4.2 WinCC
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
组态软件的应用 25
4.3 系统调试 26
4.4 小结 27
参考文献 28
附录 29
附录一：电气原理图主回路（一） 29
附件二：电气原理图主回路（二） 30
附录三：电气原理图主回路（三） 31
附录五：系统程序 33
致谢 50
1. 绪论
1.1选题背景及其研究的意义
当今的社会，无缝钢管已成为一种重要的经济钢材，是国防和国民经济建设的重要原材料之一，应用领域也非常广泛，如石油、军工、航空航天、核能、船舶、地质、化工、汽车、机械等。随着现代化工业的迅速发展，对无缝钢管品种和质量的要求也就越来越高了，因此，世界各国都十分重视无缝钢管生产的发展。
改革开放以来，无缝钢管工业在中国发展迅速，已经赶上了世界无缝钢管生产技术进步的步伐。目前在大部分情况下，无缝钢管产品质量已基本满足国内市场的需求，但是这代表着无缝钢管技术水平的高端、高难度产品仍需从国外进口。因此，如何改善生产工艺、降低生产成本、扩大产品规格、提高产品质量便成为了我国钢铁生产企业和科研部门的重要研究课题。
目前，国内钢管生产工艺过程中由于轧制过程变形的复杂性，仅部分采用了轧后控制冷却的方法，从而引人了钢管退火炉。钢管退火是将钢管加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性。因此，退火炉的炉温控制是非常重要的，对退火炉控制系统的研究也是必不可少的。图11是退火炉的实际工作过程。
图11 退火炉外形
1.2退火炉控制系统的发展现状
退火炉是现代化工业生产中相当重要的工业炉之一，它既是高温化学反应器，又是庞大而机构复杂的热工设备。生产过程中，退火炉的加热调节温度控制水平的高低对生产质量、炉体寿命及全厂主要技术指标都有直接的作用，因此，退火炉的炉体温度和各部位压力的测量与调节监管工作是非常重要的。高技术要求的工作，不仅劳动强度大，而且还需要大量的人力和物力。所以提高退火生产的自动化水平是必要的。
现如今，在工业化应用逐步拓展深入的过程中，退火炉加热计算机自动控制技术在热稳定性、改善耗热量、提高钢材成品质量和劳动生产率、改善操作环境以及延长退火炉寿命等方面发挥了重要作用。近年来，尽管我国已经在工业生产中实施了自动控制系统，但同国外比较仍有明显差距，因此，计算机自动控制技术在退火炉生产过程中的应用，对提高退火炉管理水平、促进工业自动化等方面都具有十分重要的意义。
随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，及其工业应用的日益普及，计算机在加热方面的应用逐步发展起来了。世界上许多国家如美国、日本、法国、德国等先后投入了大量的人力和财力致力于计算机控制系统的研究、开发和应用，不断提高技术水平和实际性能，并取得了明显的经济效益。自80年代以来，我国也开展了研究工作，并取得了显著的节能效果。但与国外先进技术相比，国内计算机自动控制水平较低，仍需要进一步的研究和开发。
1.3主要研究内容
本文主要完成了PLC控制系统的硬件配置，PID控制算法设计及网络组建工作。具体研究内容如下：
(1)对退火炉工作原理、生产过程和工艺的分析，理解退火炉的温度控制过程，及控制参数；
(2) 分配退火炉控制系统的PLC等资源配置，以及PLC等硬件组态选型；
(3) 设计退火炉 PLC 程序控制系统，重点是温度参数的PID构成的闭环控制；
(4) 实现退火炉PLC与以WINCC为上位机的通信；
(5) 调试设计出的退火炉的控制系统。
2. 退火炉控制系统硬件设计
2.1退火炉总体结构工艺分析
本课题的退火炉主要由电气柜、助燃风机、加热单元、电机、控制单元、电气单元、操作界面等组成。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，输出控制量调节空气比例调节阀，改变阀门的开关比例，由空然比例阀自动调节进入炉体内的天然气量，并由控制热电偶K检测值对应温度设定值及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 退火炉控制要求
根据无缝钢管生产的热处理工艺，全炉烧嘴分8个控制区分别控制8点温度：一区上、一区下共14个烧嘴，分别对应控制热电偶K01s和K01x；三区~五区皆有2个烧嘴，分布在炉子的上下，分别对应控制热电偶K03~K05；六区~八区亦皆有2个烧嘴，分布在炉子的上下，分别对应控制热电偶K06~K08。一台助燃风机（热风组和冷风组合用），4个变频器，分别控制总供风风机、抽排烟风机、炉内辊传动电机、冷却水泵电机。
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调节蝶阀实现恒压控制，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。烧嘴15~26#供风管亦分为上下区，由控制热电偶K03~K08提供信号，对应主执行器ZK02b调节阀实现恒压控制，设置风压并显示执行器开度及风压，且对应烧嘴火焰的大小状态。
目录
1. 绪论 1
1.1选题背景及其研究的意义 1
1.2退火炉控制系统的发展现状 2
1.3主要研究内容 2
2. 退火炉控制系统硬件设计 3
2.1退火炉总体结构工艺分析 3
2.1.1 退火炉控制要求 3
2.1.2退火炉主要功能分析 3
2.2 退火炉控制系统的总体设计方案 4
2.3退火炉控制系统硬件配置 4
2.3.1 PLC控制系统的硬件配置 4
2.3.2 退火炉炉体内部的硬件配置 15
2.3.3 上位机系统的选择及配置 16
2.4 小结 16
3. 退火炉控制系统程序设计 17
3.1 退火炉控制系统的总体设计思路 17
3.2 控制系统程序块的介绍 18
3.3控制系统部分程序介绍 19
3.3.1 PID指令的使用介绍 19
3.3.2 进入自动/维修控制模式程序 21
3.3.3 循环中断程序 22
3.3.4 自动控制程序 23
3.4 小结 24
4 上位机WinCC组态软件的设计与系统调试 25
4.1 WinCC组态软件的介绍 25
4.2 WinCC
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
组态软件的应用 25
4.3 系统调试 26
4.4 小结 27
参考文献 28
附录 29
附录一：电气原理图主回路（一） 29
附件二：电气原理图主回路（二） 30
附录三：电气原理图主回路（三） 31
附录五：系统程序 33
致谢 50
1. 绪论
1.1选题背景及其研究的意义
当今的社会，无缝钢管已成为一种重要的经济钢材，是国防和国民经济建设的重要原材料之一，应用领域也非常广泛，如石油、军工、航空航天、核能、船舶、地质、化工、汽车、机械等。随着现代化工业的迅速发展，对无缝钢管品种和质量的要求也就越来越高了，因此，世界各国都十分重视无缝钢管生产的发展。
改革开放以来，无缝钢管工业在中国发展迅速，已经赶上了世界无缝钢管生产技术进步的步伐。目前在大部分情况下，无缝钢管产品质量已基本满足国内市场的需求，但是这代表着无缝钢管技术水平的高端、高难度产品仍需从国外进口。因此，如何改善生产工艺、降低生产成本、扩大产品规格、提高产品质量便成为了我国钢铁生产企业和科研部门的重要研究课题。
目前，国内钢管生产工艺过程中由于轧制过程变形的复杂性，仅部分采用了轧后控制冷却的方法，从而引人了钢管退火炉。钢管退火是将钢管加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性。因此，退火炉的炉温控制是非常重要的，对退火炉控制系统的研究也是必不可少的。图11是退火炉的实际工作过程。
图11 退火炉外形
1.2退火炉控制系统的发展现状
退火炉是现代化工业生产中相当重要的工业炉之一，它既是高温化学反应器，又是庞大而机构复杂的热工设备。生产过程中，退火炉的加热调节温度控制水平的高低对生产质量、炉体寿命及全厂主要技术指标都有直接的作用，因此，退火炉的炉体温度和各部位压力的测量与调节监管工作是非常重要的。高技术要求的工作，不仅劳动强度大，而且还需要大量的人力和物力。所以提高退火生产的自动化水平是必要的。
现如今，在工业化应用逐步拓展深入的过程中，退火炉加热计算机自动控制技术在热稳定性、改善耗热量、提高钢材成品质量和劳动生产率、改善操作环境以及延长退火炉寿命等方面发挥了重要作用。近年来，尽管我国已经在工业生产中实施了自动控制系统，但同国外比较仍有明显差距，因此，计算机自动控制技术在退火炉生产过程中的应用，对提高退火炉管理水平、促进工业自动化等方面都具有十分重要的意义。
随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，及其工业应用的日益普及，计算机在加热方面的应用逐步发展起来了。世界上许多国家如美国、日本、法国、德国等先后投入了大量的人力和财力致力于计算机控制系统的研究、开发和应用，不断提高技术水平和实际性能，并取得了明显的经济效益。自80年代以来，我国也开展了研究工作，并取得了显著的节能效果。但与国外先进技术相比，国内计算机自动控制水平较低，仍需要进一步的研究和开发。
1.3主要研究内容
本文主要完成了PLC控制系统的硬件配置，PID控制算法设计及网络组建工作。具体研究内容如下：
(1)对退火炉工作原理、生产过程和工艺的分析，理解退火炉的温度控制过程，及控制参数；
(2) 分配退火炉控制系统的PLC等资源配置，以及PLC等硬件组态选型；
(3) 设计退火炉 PLC 程序控制系统，重点是温度参数的PID构成的闭环控制；
(4) 实现退火炉PLC与以WINCC为上位机的通信；
(5) 调试设计出的退火炉的控制系统。
2. 退火炉控制系统硬件设计
2.1退火炉总体结构工艺分析
本课题的退火炉主要由电气柜、助燃风机、加热单元、电机、控制单元、电气单元、操作界面等组成。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，输出控制量调节空气比例调节阀，改变阀门的开关比例，由空然比例阀自动调节进入炉体内的天然气量，并由控制热电偶K检测值对应温度设定值及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 退火炉控制要求
根据无缝钢管生产的热处理工艺，全炉烧嘴分8个控制区分别控制8点温度：一区上、一区下共14个烧嘴，分别对应控制热电偶K01s和K01x；三区~五区皆有2个烧嘴，分布在炉子的上下，分别对应控制热电偶K03~K05；六区~八区亦皆有2个烧嘴，分布在炉子的上下，分别对应控制热电偶K06~K08。一台助燃风机（热风组和冷风组合用），4个变频器，分别控制总供风风机、抽排烟风机、炉内辊传动电机、冷却水泵电机。
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调节蝶阀实现恒压控制，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。烧嘴15~26#供风管亦分为上下区，由控制热电偶K03~K08提供信号，对应主执行器ZK02b调节阀实现恒压控制，设置风压并显示执行器开度及风压，且对应烧嘴火焰的大小状态。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3177.html
