感应式冶金炉金属冶炼温度软测量系统设计
感应式冶金炉金属冶炼温度软测量系统设计[20200419155920]
摘要
本文主要研究的内容是基于组态软件和PLC的感应式冶金炉金属冶炼温度软测量系统设计。通过上位机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控和测量，以PLC为控制器，通过PID算法，采用可编程控制器检测感应式冶金炉冷却水的入口温度和出口温度，上位机使用组态软件进行监控，通过感温线圈冷却水入口和出口的温差来推测感应式冶金炉内金属液体的温度。
实际实验结果说明：论文所提出的感应式冶金炉金属冶炼温度软测量完全能够达到工业生产的要求。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:中频炉组态王PLC变频器温度软测量
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 课题研究的意义和目的 1
1.3 中频炉冶炼温度软测量系统概述 3
1.4 论文需要完成的工作 3
2. 软测量的基本概述 4
2.1软测量技术原理 4
2.2 中频炉软测量的系统总体设计 4
3. 中频炉冶炼温度软测量系统的硬件组成 6
3.1硬件设计概述 6
3.2系统元件的选择与介绍 6
3.2.1西门子S7-200PLC 6
3.2.2 西门子MICROMASTER 420变频 6
3.2.3 PT100温度传感器 7
3.2.4 涡轮流量变送器 8
3.3控制系统硬件电路 8
3.4 I/O分配表 10
4. 中频炉冶炼温度软测量系统下位机程序设计 11
4.1 系统软件概述 11
4.2 温度测量程序设计 11
4.2.1 中频炉冷却水入口和出口温度连续测量 11
4.2.2中频炉冷却水流量恒定控制与PID算法 12
4.3变频器的程序设计 14
4.4中频炉冶炼软测量流程图 15
5. 中频炉冶炼温度软测量系统上位机监控软件的设计 17
5.1 组态软件的概念 17
5.2 系统的通讯设置与变量定义 17
5.2.1 通讯链接设置 17
5.3 组态界面设计 18
5.3.1 创建组态主界面 18
5.3.2 感应式冶金炉金属冶炼温度软测量控制画面 19
5.3.3 温度监控界面设计 20
5.4流量监控界面 23
6. 实验仿真结果 26
6.1 操作运行过程 26
6.2 数学推断及分析 29
6.3 运行与分析 31
总结 32
参考文献 33
附录一 34
致谢 38
1. 绪论
1.1 课题研究的背景
中频炉冶金炉是在耐火材料坩埚外面，围绕一个称为感应器的线圈，它实质上相当于一个空气芯变压器，感应器相当于变压器的一次线圈，金属炉料相当于短路的 2次线圈，电流通过感应器产生交变磁场，在金属炉料中感应电动势，因其短路连接而在炉料中产生了强大的电流，使炉料加热并熔化。在生产过程中，操作者需要及时掌握融化的金属液体的温度。多采用热电偶进行间断式测量，热电偶插在高温的金属液体内一次性发挥作用。在冶炼过程中，这样消耗的热电偶数量很多。中频炉结构如图 1-1 所示。
在实际生产过程中，人们需要知道液体金属的熔化温度。在实际操作中有两种常用的方法来测量锅炉内的温度：
第一种方法：使用热电偶测量，工作原理是利用金属的热电效应原理，通过热电偶的热电测量在钢和高温熔融的金属两端产生。它的结构主要由一个双探头测量温度和大纸管。热电偶头正、负补偿导线焊丝，埋在支架套管补偿导线，一个小纸管，线支撑和保护。热电偶最外装由抗渣帽外，所有组件，从头部和耐火填料泥浆粘结成一个整体，不能装卸，所以单次使用。
第二种方法：使用一个手持温度计测温，手持红外温度计是意义上的辐射，红外对象具有能量转换为电信号，对象本身的温度和红外辐射与。电气信号转换成一个大小，可以确定物体的温度。手持红外测温仪由光学的基本原理、光电的主要原理、信号放大器装置及信号处理装置、显示器等部分组成。手持测温枪有以下几个优点：准确、操作简单、用起来顺手、在医疗设备中应用的比较多。
1.2 课题研究的意义和目的
在工业生产过程中许多关键的变量是无法直接测量，有些是在线分析仪表价格非常的贵。不易维护，而且存在较大的滞后。因为生产过程中这些变量是很关键的数据，因此需要实时软测量，所以提出实时软测量的迫切需求。
精确的温度测量，可以使人们改变冶金炉温度的大小或调节金属熔融状态，防止高温LED暂停熔化或加热。目前，在冶金炉冶炼技术中常采用两种测温方式：第一种即热电偶测量。热电偶直接测量钻样品上的一个小洞，这可能损害标本，热电偶测量只能一次，由于工业生产需要大量实时温度测量，这样的方法消耗很大财力、物力，这使工业成本大大增加，继而影响企业的发展。第二种即手持式温枪红外线测量。使用手持红外测温仪测温的前提是首先要把锅炉的炉盖打开，由于在冶金过程中，一旦打开炉盖炉中熔化的金属液体就和空气中的氧气接触，然而导致炉内的金属液体被氧化，影响到生产的质量。因为冶金过程中要多次测量冶金炉内的温度所以要平凡的打开炉盖会影响工业生产。
为解决该条件下的温度测量问题，本文提出温度软测量的方法间接的测出高温锅炉中的温度即通过采用可编程控制器检测感应式冶金炉冷却水的入口温度和出口温度，上位机使用组态软件进行监控，通过感温线圈冷却水入口和出口的温差来推测感应式冶金炉内金属液体的温度。
1 炉嘴、 炉口； 2 炉壁； 3 胶泥、 测电极； 4 线圈； 5 炉盖； 6 磁轭； 7 炉底
图 1-1 中频炉结构图
1.3 中频炉冶炼温度软测量系统概述
本系统采用桌面计算机作为上位机，台式电脑上安装的软件“组态王”，这是用来显示S7-200PLC接收过程数值图像。 用 S7-200PLC 作为下位机， 本课题的实验选择 AIW0、 AIW2、 AIW4、AIW6 四路模拟量输入和 AQW0 一路模拟量输出， 在本系统里采集数据的是由模拟量输入通道来完成，控制输出的是由模拟量输出通道来完成。 AIW0 采集到的是冷水进口温度传感器采集到的模拟量， AIW2 采集到的是冷水出口流量监测仪表采集到的模拟量， AIW4采集到的是冷却水出入口温度差传感器采集到的模拟量， AIW6 采集到的是金属冶炼测温热电偶采集到的模拟量。 变频器的输出频率是由AQW0 来控制，来控制热水泵的转动，来使控制热水循坏的稳定和恒定。
1.4 论文需要完成的工作
设计完成整个系统需要用的一些硬件和软件，在实验的过程中需要说明一些道理，比如PID算法，组态王应用等等。同时还要知道各个部分之间是如何联系的，要想整个系统运行起来，还需要完成以下几个方面：
⑴画出中频炉冶金炉温度软测量的系统结构图。
⑵画出中频炉温度软测量系统的硬件电路和基本电气原理图；
⑶完成中频炉冶炼温度软测量系统的程序设计和组态编程。
2. 软测量的基本概述
2.1软测量技术原理
就当代的生产技术而言，在现实情况生产过程中，存在着很多由于技能或经济没法经过传感器进行直接衡量的进程变量，如精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐的菌体浓度、高炉铁水中的含硅量和化学反应器中反应物浓度、转化率、催化剂活性等一般解决方法有两种：一是采用间接的质量指标控制，如精馏塔灵敏板温度控制、温差控制等，存在的问题是难以保证最终质量指标的控制精度；二是采用在线分析仪表控制，但设备投资大、维护成本高、存在较大的滞后性，影响调节效果软测量技术应运而生 。
软测量技术也称为软仪表技术，就是用容易衡量的变量（称为辅助变量或二次变量）来推算出很难测出的变量，数学的联系（软测量模型）基于这些容易测量的变量和难以直接测量的测量过程变量（称为主导变量）之间的等待用复杂的数学计算公式推算，可以得到对待测变量的测量。
摘要
本文主要研究的内容是基于组态软件和PLC的感应式冶金炉金属冶炼温度软测量系统设计。通过上位机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控和测量，以PLC为控制器，通过PID算法，采用可编程控制器检测感应式冶金炉冷却水的入口温度和出口温度，上位机使用组态软件进行监控，通过感温线圈冷却水入口和出口的温差来推测感应式冶金炉内金属液体的温度。
实际实验结果说明：论文所提出的感应式冶金炉金属冶炼温度软测量完全能够达到工业生产的要求。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:中频炉组态王PLC变频器温度软测量
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 课题研究的意义和目的 1
1.3 中频炉冶炼温度软测量系统概述 3
1.4 论文需要完成的工作 3
2. 软测量的基本概述 4
2.1软测量技术原理 4
2.2 中频炉软测量的系统总体设计 4
3. 中频炉冶炼温度软测量系统的硬件组成 6
3.1硬件设计概述 6
3.2系统元件的选择与介绍 6
3.2.1西门子S7-200PLC 6
3.2.2 西门子MICROMASTER 420变频 6
3.2.3 PT100温度传感器 7
3.2.4 涡轮流量变送器 8
3.3控制系统硬件电路 8
3.4 I/O分配表 10
4. 中频炉冶炼温度软测量系统下位机程序设计 11
4.1 系统软件概述 11
4.2 温度测量程序设计 11
4.2.1 中频炉冷却水入口和出口温度连续测量 11
4.2.2中频炉冷却水流量恒定控制与PID算法 12
4.3变频器的程序设计 14
4.4中频炉冶炼软测量流程图 15
5. 中频炉冶炼温度软测量系统上位机监控软件的设计 17
5.1 组态软件的概念 17
5.2 系统的通讯设置与变量定义 17
5.2.1 通讯链接设置 17
5.3 组态界面设计 18
5.3.1 创建组态主界面 18
5.3.2 感应式冶金炉金属冶炼温度软测量控制画面 19
5.3.3 温度监控界面设计 20
5.4流量监控界面 23
6. 实验仿真结果 26
6.1 操作运行过程 26
6.2 数学推断及分析 29
6.3 运行与分析 31
总结 32
参考文献 33
附录一 34
致谢 38
1. 绪论
1.1 课题研究的背景
中频炉冶金炉是在耐火材料坩埚外面，围绕一个称为感应器的线圈，它实质上相当于一个空气芯变压器，感应器相当于变压器的一次线圈，金属炉料相当于短路的 2次线圈，电流通过感应器产生交变磁场，在金属炉料中感应电动势，因其短路连接而在炉料中产生了强大的电流，使炉料加热并熔化。在生产过程中，操作者需要及时掌握融化的金属液体的温度。多采用热电偶进行间断式测量，热电偶插在高温的金属液体内一次性发挥作用。在冶炼过程中，这样消耗的热电偶数量很多。中频炉结构如图 1-1 所示。
在实际生产过程中，人们需要知道液体金属的熔化温度。在实际操作中有两种常用的方法来测量锅炉内的温度：
第一种方法：使用热电偶测量，工作原理是利用金属的热电效应原理，通过热电偶的热电测量在钢和高温熔融的金属两端产生。它的结构主要由一个双探头测量温度和大纸管。热电偶头正、负补偿导线焊丝，埋在支架套管补偿导线，一个小纸管，线支撑和保护。热电偶最外装由抗渣帽外，所有组件，从头部和耐火填料泥浆粘结成一个整体，不能装卸，所以单次使用。
第二种方法：使用一个手持温度计测温，手持红外温度计是意义上的辐射，红外对象具有能量转换为电信号，对象本身的温度和红外辐射与。电气信号转换成一个大小，可以确定物体的温度。手持红外测温仪由光学的基本原理、光电的主要原理、信号放大器装置及信号处理装置、显示器等部分组成。手持测温枪有以下几个优点：准确、操作简单、用起来顺手、在医疗设备中应用的比较多。
1.2 课题研究的意义和目的
在工业生产过程中许多关键的变量是无法直接测量，有些是在线分析仪表价格非常的贵。不易维护，而且存在较大的滞后。因为生产过程中这些变量是很关键的数据，因此需要实时软测量，所以提出实时软测量的迫切需求。
精确的温度测量，可以使人们改变冶金炉温度的大小或调节金属熔融状态，防止高温LED暂停熔化或加热。目前，在冶金炉冶炼技术中常采用两种测温方式：第一种即热电偶测量。热电偶直接测量钻样品上的一个小洞，这可能损害标本，热电偶测量只能一次，由于工业生产需要大量实时温度测量，这样的方法消耗很大财力、物力，这使工业成本大大增加，继而影响企业的发展。第二种即手持式温枪红外线测量。使用手持红外测温仪测温的前提是首先要把锅炉的炉盖打开，由于在冶金过程中，一旦打开炉盖炉中熔化的金属液体就和空气中的氧气接触，然而导致炉内的金属液体被氧化，影响到生产的质量。因为冶金过程中要多次测量冶金炉内的温度所以要平凡的打开炉盖会影响工业生产。
为解决该条件下的温度测量问题，本文提出温度软测量的方法间接的测出高温锅炉中的温度即通过采用可编程控制器检测感应式冶金炉冷却水的入口温度和出口温度，上位机使用组态软件进行监控，通过感温线圈冷却水入口和出口的温差来推测感应式冶金炉内金属液体的温度。
1 炉嘴、 炉口； 2 炉壁； 3 胶泥、 测电极； 4 线圈； 5 炉盖； 6 磁轭； 7 炉底
图 1-1 中频炉结构图
1.3 中频炉冶炼温度软测量系统概述
本系统采用桌面计算机作为上位机，台式电脑上安装的软件“组态王”，这是用来显示S7-200PLC接收过程数值图像。 用 S7-200PLC 作为下位机， 本课题的实验选择 AIW0、 AIW2、 AIW4、AIW6 四路模拟量输入和 AQW0 一路模拟量输出， 在本系统里采集数据的是由模拟量输入通道来完成，控制输出的是由模拟量输出通道来完成。 AIW0 采集到的是冷水进口温度传感器采集到的模拟量， AIW2 采集到的是冷水出口流量监测仪表采集到的模拟量， AIW4采集到的是冷却水出入口温度差传感器采集到的模拟量， AIW6 采集到的是金属冶炼测温热电偶采集到的模拟量。 变频器的输出频率是由AQW0 来控制，来控制热水泵的转动，来使控制热水循坏的稳定和恒定。
1.4 论文需要完成的工作
设计完成整个系统需要用的一些硬件和软件，在实验的过程中需要说明一些道理，比如PID算法，组态王应用等等。同时还要知道各个部分之间是如何联系的，要想整个系统运行起来，还需要完成以下几个方面：
⑴画出中频炉冶金炉温度软测量的系统结构图。
⑵画出中频炉温度软测量系统的硬件电路和基本电气原理图；
⑶完成中频炉冶炼温度软测量系统的程序设计和组态编程。
2. 软测量的基本概述
2.1软测量技术原理
就当代的生产技术而言，在现实情况生产过程中，存在着很多由于技能或经济没法经过传感器进行直接衡量的进程变量，如精馏塔的产品组分浓度、生物发酵罐的菌体浓度、高炉铁水中的含硅量和化学反应器中反应物浓度、转化率、催化剂活性等一般解决方法有两种：一是采用间接的质量指标控制，如精馏塔灵敏板温度控制、温差控制等，存在的问题是难以保证最终质量指标的控制精度；二是采用在线分析仪表控制，但设备投资大、维护成本高、存在较大的滞后性，影响调节效果软测量技术应运而生 。
软测量技术也称为软仪表技术，就是用容易衡量的变量（称为辅助变量或二次变量）来推算出很难测出的变量，数学的联系（软测量模型）基于这些容易测量的变量和难以直接测量的测量过程变量（称为主导变量）之间的等待用复杂的数学计算公式推算，可以得到对待测变量的测量。
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