plc的环形炉温度控制系统设计与应用(附件)
冶金行业是关系到国家工业水平的一个至关重要的行业，随着这个行业的不断发展，环境污染也不断恶化。坚决不走“先污染，后治理”的老路，所以设备仪器的不断改善也成为研究者的一大任务。如今，大多数先进的钢管厂采用环形加热炉来生产无缝钢管。这种加热炉的最大优点就是炉气可以循环使用，这样可以大大地节约了生产成本，同时也减少了大气污染。为了提高环形加热炉产品的质量，本文研究主要是从工业自动化控制的角度出发，对环形加热炉的温度控制系统做出了研究和探讨。本文通过了解整个环形加热炉的生产工艺及影响因素，首先着重介绍了环形加热炉的炉温控制的实际应用设计。然后，对控制系统中所使用的硬件及编程软件的功能和特点做了详细描述，对控制系统软硬件平台上所进行的监控和编程工作进行了具体设计。此次采用的是PLC对加热炉温度和燃烧流量进行自动控制，并对相关参数进行监测和控制的自动控制系统。采用组态软件，设计环形炉温度控制系统的监控系统，来对工业现场设备进行远程控制、实时监视、报警和存贮数据。关键词 环形炉，温度控制，PLC，PID，监控和数据采集，WinCC目 录
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 发展现状 2
1. 3 项目研究意义 3
2 环形加热炉简介 3
2. 1 环形加热炉工艺简介 3
2. 2 环形加热炉工艺流程 4
3 任务方案设计 6
3. 1 设计目的 6
3. 2 设计任务要求 6
3. 3 设计思路及方案 6
4 下位机编程设计 7
4. 1 下位机与上位机 7
4. 2 可编程控制器概述 8
4. 3 西门子STEP 7 硬件配置 9
4. 4 软件系统流程 11
4. 5 PID控制 17
4. 6 PLC控制程序设计 19
5 上位机监控界面设计 19
5. 1 组态软件及WinCC 19
5. 2 WinCC监控界面设计 20
6 运行调试 23
6.1 部分调试现象 23
6.2 本
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 4. 4 软件系统流程 11
4. 5 PID控制 17
4. 6 PLC控制程序设计 19
5 上位机监控界面设计 19
5. 1 组态软件及WinCC 19
5. 2 WinCC监控界面设计 20
6 运行调试 23
6.1 部分调试现象 23
6.2 本章小结 28
结 论 29
致 谢 20
参 考 文 献 31
附录A 32
1 引言
1.1 研究背景
冶金行业作为一项特殊行业，直接关系到国家经济和人民生活，它是关联度非常之高基础性行业之一。由于冶金行业位于产业链的中间位置，其主要职能是生产和加工原材料，因此它的发展标志着一个国家基础建设及其工业发展的速度。
2012年8月，国务院针对工业发展发布的《节能减排“十二五”规划》（国发代号为〔2012〕40号）中，提出了如下几点明确要求：加强工业节能，坚持走新型工业化道路，推进工业行业的节能减排[1]。另外该《规划》还特地强调指出：想要提高能效水平的关键就在于注重工业节能减排这方面。由此可以看出，节能减排以及减少污染已经被提升到国家发展战略的层面上了。
近几年来，我国很多地区都出现了大范围的雾霾天气，尤其以首都北京为最。专家指出，即使国内各地区数量众多的钢铁制造企业的高污染排放不是雾霾天气的直接因素，但是它们对于大气环境长年累月的不良影响也是导致PM2.5产生的间接原因。因此，近期国家对冶金行业节能减排的要求更为严格。
在冶金工业这一领域中，工业加热炉也可简称为工业炉，通常是指一种设备，其用途就是利用电能转化成的热量，或燃料燃烧产生的热量对工件或物料进行加热[2]。在国内，加热炉的能耗仅次于发电和锅炉设备的能耗。
本文所讨论的环形加热炉被世界上很多现代化钢管厂所采用，作为用来生产无缝钢管的管坯加热炉。
由于无缝钢管拥有很多不同的钢种、品种以及规格，导致其生产工艺与其它轧钢车间比较起来，有较大的差别。因而，环形炉的加热工艺也因此具有不同的特点，具体表现在：
(1) 考虑到环形炉可加热的钢种类型比较多、单次生产批量有限、经常更换生产规格、加热工艺变化大等一系列特点，环形炉的加热控制系统必须要具备多样性、灵活性、准确性以及稳定性。
(2) 由于大多采用合金钢和不锈钢这两种材料进行加热，而这两种材料的加热过程必须十分小心，禁止在加热过程中产生热应力，从而导致废品的出现。所以在刚刚开始加热时，温度上升必须均匀缓慢。
(3) 在加热容易出现脱碳现象的钢种的时候，在低温段进行加热时，应该缓慢加热（注意提高管坯心部的温度）；另外在高温加热阶段，采用快速加热的方法来控制温度。
1.2 发展现状
现今，大多数现代化的钢管生产厂家在生产无缝钢管时，都会采用环形加热炉。其自身一系列的优点是导致这一现象的决定因素。
具体来说，环形热处理加热炉因其自身优点——炉气可以循环使用，很大程度的节约了燃料成本[3]。另外，它不仅能够符合料坯在规格上的加热要求（无论直径还是长度），还可以灵活调整加热制度，以满足多样化的加热工艺要求。金属材料在进行热处理过程中所产生的热量与时间没有明显的相关关系，而和炉长有直接关系。管坯将会被均匀的间隔放置在环形炉底部，如此一来随着炉底的旋转，坯料就可以三面受热，这样缩短了加热时间的同时，还均匀受热。这样，生产出来的半成品管坯质量当然很好。
环形炉底部不仅可以留出一定不装料的空位，而且可以将管坯全部出空，来更换管坯的规格[4]。具备了运行可靠，自动化程度高，热工艺控制方便、灵活等一系列优点。
当然，环形加热炉也有一定的缺点：如占地面积大、单位炉底面积上的产量较低，自然炉底面积利用率就会偏低，但这些都不能阻碍环形加热炉技术发展脚步。
目前世界上的环形加热炉都以集成各种先进工艺、控制技术为目标，而意大利PIANTI公司很好的集合了这些优点。实践证明，该环形炉确实实现了提高管坯加热质量、减少能源消耗、炉温调控精确灵活的目的，其系统结构、生产指标都达到了世界先进水平。
PIANTI公司的环形炉的自动化系统在硬件结构上分为二级，分别是基础自动化级（L1级）和生产过程自动化级（L2级）。
生产设备实现基础的自动化就是L1级的主要功能，即通过PLC设备建立环形炉的电气传动设备与仪表测量系统的联系。这一级系统的控制分散程度很大，即每一个生产单元都要配置相应的PLC设备，将可能出现的故障点分散开来。这样，就算一台控制器出现了故障，也会及时发现并排除故障，不会影响到其它控制器，继而提高了基础自动化级运行的可靠性。
而基础自动级的上一级是过程控制级，过程控制级的主要优点是可以完成生产过程中的最优化处理，同时向下一级下达高精确度的设定值和控制指令，来实现区域性的物流和信息跟踪，生产数据的收集处理、显示、打印以及历史数据的存取等。
1. 3 项目研究意义
近年来，钢材价格竞争日益激烈。大多数的钢铁厂对环形加热炉的要求逐渐提高，主要体现在减少燃料消耗以降低成本的同时，保证产品加热质量，提高加热水平。这样才能够提高产品竞争力，获得满意的经济效益。
在
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 发展现状 2
1. 3 项目研究意义 3
2 环形加热炉简介 3
2. 1 环形加热炉工艺简介 3
2. 2 环形加热炉工艺流程 4
3 任务方案设计 6
3. 1 设计目的 6
3. 2 设计任务要求 6
3. 3 设计思路及方案 6
4 下位机编程设计 7
4. 1 下位机与上位机 7
4. 2 可编程控制器概述 8
4. 3 西门子STEP 7 硬件配置 9
4. 4 软件系统流程 11
4. 5 PID控制 17
4. 6 PLC控制程序设计 19
5 上位机监控界面设计 19
5. 1 组态软件及WinCC 19
5. 2 WinCC监控界面设计 20
6 运行调试 23
6.1 部分调试现象 23
6.2 本
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
/> 4. 4 软件系统流程 11
4. 5 PID控制 17
4. 6 PLC控制程序设计 19
5 上位机监控界面设计 19
5. 1 组态软件及WinCC 19
5. 2 WinCC监控界面设计 20
6 运行调试 23
6.1 部分调试现象 23
6.2 本章小结 28
结 论 29
致 谢 20
参 考 文 献 31
附录A 32
1 引言
1.1 研究背景
冶金行业作为一项特殊行业，直接关系到国家经济和人民生活，它是关联度非常之高基础性行业之一。由于冶金行业位于产业链的中间位置，其主要职能是生产和加工原材料，因此它的发展标志着一个国家基础建设及其工业发展的速度。
2012年8月，国务院针对工业发展发布的《节能减排“十二五”规划》（国发代号为〔2012〕40号）中，提出了如下几点明确要求：加强工业节能，坚持走新型工业化道路，推进工业行业的节能减排[1]。另外该《规划》还特地强调指出：想要提高能效水平的关键就在于注重工业节能减排这方面。由此可以看出，节能减排以及减少污染已经被提升到国家发展战略的层面上了。
近几年来，我国很多地区都出现了大范围的雾霾天气，尤其以首都北京为最。专家指出，即使国内各地区数量众多的钢铁制造企业的高污染排放不是雾霾天气的直接因素，但是它们对于大气环境长年累月的不良影响也是导致PM2.5产生的间接原因。因此，近期国家对冶金行业节能减排的要求更为严格。
在冶金工业这一领域中，工业加热炉也可简称为工业炉，通常是指一种设备，其用途就是利用电能转化成的热量，或燃料燃烧产生的热量对工件或物料进行加热[2]。在国内，加热炉的能耗仅次于发电和锅炉设备的能耗。
本文所讨论的环形加热炉被世界上很多现代化钢管厂所采用，作为用来生产无缝钢管的管坯加热炉。
由于无缝钢管拥有很多不同的钢种、品种以及规格，导致其生产工艺与其它轧钢车间比较起来，有较大的差别。因而，环形炉的加热工艺也因此具有不同的特点，具体表现在：
(1) 考虑到环形炉可加热的钢种类型比较多、单次生产批量有限、经常更换生产规格、加热工艺变化大等一系列特点，环形炉的加热控制系统必须要具备多样性、灵活性、准确性以及稳定性。
(2) 由于大多采用合金钢和不锈钢这两种材料进行加热，而这两种材料的加热过程必须十分小心，禁止在加热过程中产生热应力，从而导致废品的出现。所以在刚刚开始加热时，温度上升必须均匀缓慢。
(3) 在加热容易出现脱碳现象的钢种的时候，在低温段进行加热时，应该缓慢加热（注意提高管坯心部的温度）；另外在高温加热阶段，采用快速加热的方法来控制温度。
1.2 发展现状
现今，大多数现代化的钢管生产厂家在生产无缝钢管时，都会采用环形加热炉。其自身一系列的优点是导致这一现象的决定因素。
具体来说，环形热处理加热炉因其自身优点——炉气可以循环使用，很大程度的节约了燃料成本[3]。另外，它不仅能够符合料坯在规格上的加热要求（无论直径还是长度），还可以灵活调整加热制度，以满足多样化的加热工艺要求。金属材料在进行热处理过程中所产生的热量与时间没有明显的相关关系，而和炉长有直接关系。管坯将会被均匀的间隔放置在环形炉底部，如此一来随着炉底的旋转，坯料就可以三面受热，这样缩短了加热时间的同时，还均匀受热。这样，生产出来的半成品管坯质量当然很好。
环形炉底部不仅可以留出一定不装料的空位，而且可以将管坯全部出空，来更换管坯的规格[4]。具备了运行可靠，自动化程度高，热工艺控制方便、灵活等一系列优点。
当然，环形加热炉也有一定的缺点：如占地面积大、单位炉底面积上的产量较低，自然炉底面积利用率就会偏低，但这些都不能阻碍环形加热炉技术发展脚步。
目前世界上的环形加热炉都以集成各种先进工艺、控制技术为目标，而意大利PIANTI公司很好的集合了这些优点。实践证明，该环形炉确实实现了提高管坯加热质量、减少能源消耗、炉温调控精确灵活的目的，其系统结构、生产指标都达到了世界先进水平。
PIANTI公司的环形炉的自动化系统在硬件结构上分为二级，分别是基础自动化级（L1级）和生产过程自动化级（L2级）。
生产设备实现基础的自动化就是L1级的主要功能，即通过PLC设备建立环形炉的电气传动设备与仪表测量系统的联系。这一级系统的控制分散程度很大，即每一个生产单元都要配置相应的PLC设备，将可能出现的故障点分散开来。这样，就算一台控制器出现了故障，也会及时发现并排除故障，不会影响到其它控制器，继而提高了基础自动化级运行的可靠性。
而基础自动级的上一级是过程控制级，过程控制级的主要优点是可以完成生产过程中的最优化处理，同时向下一级下达高精确度的设定值和控制指令，来实现区域性的物流和信息跟踪，生产数据的收集处理、显示、打印以及历史数据的存取等。
1. 3 项目研究意义
近年来，钢材价格竞争日益激烈。大多数的钢铁厂对环形加热炉的要求逐渐提高，主要体现在减少燃料消耗以降低成本的同时，保证产品加热质量，提高加热水平。这样才能够提高产品竞争力，获得满意的经济效益。
在
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