基于S7300PLC的Φ76管坯加热炉电控系统设计
基于S7300PLC的Φ76管坯加热炉电控系统设计[20200211152533]
摘要
传统的加热炉难以适应当今社会的发展，加热炉的改造势在必行。本论文主要介绍对传统的加热炉的改造。分析了改造后系统的性能与特点，以及工艺流程。设计中以西门子Wincc触摸屏为上位机，西门子S7-300 PLC作为下位机，采用恒温、恒压闭环控制方式对系统进行控制，运用烟道控制器调整烟道开度，保证炉膛呈微正压，并且系统有较好的报警与保护系统。同时本文对改造的系统硬件设计进行介绍,如PLC型号、硬件接线等，此外还对系统的软件部分作出了详细的分析和具体的设计。
改造后的电控系统能够实现手动与自动方式的切换，其中手动方式主要用来调试与检修，自动方式通过对加热炉各部件的自动控制实现对加热炉的恒温恒压控制。采用PID控制算法实现对空气的恒压控制。通过脉冲燃烧的方式实现恒温控制。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PLCPIDWincc恒温恒压
目 录
1 引言 1
1.1 无缝钢管生产中加热炉的发展状况 1
1.2 课题来源 1
1.3 课题研究的目的和意义 1
2 系统设计要求 3
2.1系统概述 3
2.2基于S7-300PLC的φ76管坯加热炉电控系统设计要求 3
2.3 设计的具体内容 3
2.3.1 系统设计的具体步骤 3
2.3.2 系统设计的工艺要求 4
2.3.3 系统信号采集与发送方式 5
2.3.4 加热炉燃烧系统的主要技术指标 6
3 系统的硬件设计 7
3.1 PLC原理及其应用 7
3.1.1 PLC的基本概念 7
3.1.2 PLC原理 7
3.1.3 PLC应用 8
3.2 PLC的选择及I/O的确定 8
3.2.1 PLC的型号选择 8
3.2.2 西门子S7-300PLC的I/O口的确定 9
3.3 加热炉的燃烧系统介绍 10
3.4 触摸屏的硬件介绍 11
3.5 变频器的选择 11
3.6 其他硬件的选择 12
4 PLC控制程序设计 13
4.1 加热炉控制系统的流程 13
4.2 加热炉控制系统手动控制设计 14
4.3 加热炉控制系统自动控制设计 14
4.4 系统的空气恒压力控制 16
4.4.1 PID控制方式的简介 16
4.4.2 PLC中PID的应用 17
4.4.3 PID参数的整定 17
4.5系统烟道控制器的设计 18
4.6系统报警部分 18
5 触摸屏设计 19
5.1 连接设置 19
5.2变量设置 20
5.3画面设置准备 21
5.4 具体画面设置 22
5.4.1 初始画面设置 22
5.4.2 自动画面设置 23
5.4.3 温度曲线界面 24
5.4.4 手动界面设置 25
6 加热炉系统的调试 26
6.1 系统调试的准备工作 26
6.1.1预计加热炉系统调试应该达到的要求： 26
6.1.2.加热炉系统调试所需准备的工具 26
6.2 系统调试 26
6.2.1 调试系统的外部接线 27
6.2.2 调试过程 27
6.2.3 调试中遇到的问题以及解决办法 28
结语 29
参考文献 30
附录一 电气原理图 31
附录二 加热炉程序 35
致谢 62
1 引言
1.1 无缝钢管生产中加热炉的发展状况
在无缝钢管的生产过程中，加热炉一直是非常重要的组成部分之一。加热炉的燃料源发展到现在主要分为四个阶段：①燃煤阶段②发生炉煤气阶段③管道煤气（冷煤气）阶段④天然气阶段。目前国内大都还是运用发生炉煤气。发生炉煤气一般都是靠手动操作，无法进行自动控制。随着使用时间的延长，生产环境逐渐变差，炉子逐渐老化，维护成本不断增加，难以满足对温度的控制要求等原因，大部分企业选择了对炉子进行改造。
1.2 课题来源
随着国家西气东输工程的不断地向苏南地区延伸，加上环境保护对无缝钢管生产的要求逐步提高，对钢管企业生产用的加热炉进行改造已成了当务之急。我校最近几年每年都与外面公司合作研制加热炉电控系统。考虑到和企业合作的长期性，技术的先进性，现自主开发基于S7-300PLC的φ76管坯加热炉电控系统作为技术储备。本次电控系统用S7-300PLC作为下位机，Wincc触摸屏作为上位机，对加热炉进行监视与控制。
1.3 课题研究的目的和意义
加热炉一直是无缝钢管生产过程中的主要耗能设备，如何在管坯有效轧制的前提下降低加热炉的能耗一直是加热炉控制的主要研究方向。同时长期以来，我国的能源组成中，煤一直占有相当大的比重。煤燃烧过程中，会产生大量的硫化物、氮氧化物以及大量的烟尘，严重影响了环境。而随着天然气的普及使用，对优化我国的能源结构和生态环境有非常重要的意义。最近，国家不断加大节能减排的力度，各企业也纷纷响应号召，对加热炉的生产工艺进行改造，加热炉的自动化控制水平已经有了明显的提高。目前面向节能减排、提高轧制产品质量的加热炉电控系统已经广泛地应用到了各企业的生产中。因此设计一套功能强大的加热炉电控系统，有着巨大的经济价值和生态价值。
PLC拥有先进的通信功能，能够快速处理各种复杂的数字量和模拟量，并且具有很强的抗干扰能力，同时编程很方便，价格低，性能可靠稳定，能适应各种恶劣环境。把PLC运用到电控系统中，可迅速发挥上述优点，同时使设备的效率得到很大的提高，也可以通过生产工艺过程的自动调节提高了各种工艺参数的时效性和控制精度。为了节约燃料和提高管坯加热质量和产量及降低损耗等方面取得了较好的效果，所以对于基于S7-300PLC的加热炉的电控设计有着很大的意义。
课题研究的意义具体如下所示：
⑴ 通过自动化控制，在整个生产过程中可以减少能源的消耗、提高产品质量。
⑵ 使用天然气为燃料的加热炉可以达到环境保护要求，符合各项规定。
⑶ 对系统的改造，可以培养学生综合运用所学的基础理论知识进行分析和解决问题的能力，使学生受到PLC、Wincc触摸屏系统开发的综合性训练，达到能够熟练使用PLC、Wincc触摸屏的目的。也是对自身独立应用已学知识进行系统开发的一个锻炼。
2 系统设计要求
2.1系统概述
本设计是以S7-300PLC为核心控制部分，通过PID算法对空气实现恒压控制，采用烧嘴大火脉冲点燃的方式实现恒温控制。系统安装烟道控制器，来实现烟道的自动控制。控制器根据烧嘴大火打开的数量，通过PLC的模拟量输出模块给烟道控制器发出不同的模拟量信号，以打开不同的角度，从而控制烟道的气流流量，使炉口压力为微正压，满足本系统工艺要求。并且系统中加入了完备的保护系统和报警系统。
2.2基于S7-300PLC的φ76管坯加热炉电控系统设计要求
本课题研究的基于S7-300PLC的φ76管坯加热炉的电控系统设计需要具有以下功能：
（1）控制方式为上下位机形式，上位机是Wincc触摸屏，下位机是S7-300PLC控制。通过触摸屏能实现加热炉自动与手动工作方式的切换。
（2）在手动工作模式下能够对系统进行调试与维修。
（3）在自动工作模式下可以满足加热炉在工业生产过程中的工艺要求。
（4）设计中采取必要的抗干扰措施以及保护电路，保证控制系统安全可靠。。
（5）通过PLC、变频风机给燃烧系统恒压供风。
（6） 加热炉总共有6个烧嘴，均采用大小火脉冲方式，正常情况下小火全部点着。
（7）系统中温区显示温度高于设定温度时，分别自动熄灭6#、5#、4#、3#烧嘴大火；中温区显示温度低于设定温度时，分别自动打开3#、4#、5#、6#烧嘴大火。
摘要
传统的加热炉难以适应当今社会的发展，加热炉的改造势在必行。本论文主要介绍对传统的加热炉的改造。分析了改造后系统的性能与特点，以及工艺流程。设计中以西门子Wincc触摸屏为上位机，西门子S7-300 PLC作为下位机，采用恒温、恒压闭环控制方式对系统进行控制，运用烟道控制器调整烟道开度，保证炉膛呈微正压，并且系统有较好的报警与保护系统。同时本文对改造的系统硬件设计进行介绍,如PLC型号、硬件接线等，此外还对系统的软件部分作出了详细的分析和具体的设计。
改造后的电控系统能够实现手动与自动方式的切换，其中手动方式主要用来调试与检修，自动方式通过对加热炉各部件的自动控制实现对加热炉的恒温恒压控制。采用PID控制算法实现对空气的恒压控制。通过脉冲燃烧的方式实现恒温控制。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PLCPIDWincc恒温恒压
目 录
1 引言 1
1.1 无缝钢管生产中加热炉的发展状况 1
1.2 课题来源 1
1.3 课题研究的目的和意义 1
2 系统设计要求 3
2.1系统概述 3
2.2基于S7-300PLC的φ76管坯加热炉电控系统设计要求 3
2.3 设计的具体内容 3
2.3.1 系统设计的具体步骤 3
2.3.2 系统设计的工艺要求 4
2.3.3 系统信号采集与发送方式 5
2.3.4 加热炉燃烧系统的主要技术指标 6
3 系统的硬件设计 7
3.1 PLC原理及其应用 7
3.1.1 PLC的基本概念 7
3.1.2 PLC原理 7
3.1.3 PLC应用 8
3.2 PLC的选择及I/O的确定 8
3.2.1 PLC的型号选择 8
3.2.2 西门子S7-300PLC的I/O口的确定 9
3.3 加热炉的燃烧系统介绍 10
3.4 触摸屏的硬件介绍 11
3.5 变频器的选择 11
3.6 其他硬件的选择 12
4 PLC控制程序设计 13
4.1 加热炉控制系统的流程 13
4.2 加热炉控制系统手动控制设计 14
4.3 加热炉控制系统自动控制设计 14
4.4 系统的空气恒压力控制 16
4.4.1 PID控制方式的简介 16
4.4.2 PLC中PID的应用 17
4.4.3 PID参数的整定 17
4.5系统烟道控制器的设计 18
4.6系统报警部分 18
5 触摸屏设计 19
5.1 连接设置 19
5.2变量设置 20
5.3画面设置准备 21
5.4 具体画面设置 22
5.4.1 初始画面设置 22
5.4.2 自动画面设置 23
5.4.3 温度曲线界面 24
5.4.4 手动界面设置 25
6 加热炉系统的调试 26
6.1 系统调试的准备工作 26
6.1.1预计加热炉系统调试应该达到的要求： 26
6.1.2.加热炉系统调试所需准备的工具 26
6.2 系统调试 26
6.2.1 调试系统的外部接线 27
6.2.2 调试过程 27
6.2.3 调试中遇到的问题以及解决办法 28
结语 29
参考文献 30
附录一 电气原理图 31
附录二 加热炉程序 35
致谢 62
1 引言
1.1 无缝钢管生产中加热炉的发展状况
在无缝钢管的生产过程中，加热炉一直是非常重要的组成部分之一。加热炉的燃料源发展到现在主要分为四个阶段：①燃煤阶段②发生炉煤气阶段③管道煤气（冷煤气）阶段④天然气阶段。目前国内大都还是运用发生炉煤气。发生炉煤气一般都是靠手动操作，无法进行自动控制。随着使用时间的延长，生产环境逐渐变差，炉子逐渐老化，维护成本不断增加，难以满足对温度的控制要求等原因，大部分企业选择了对炉子进行改造。
1.2 课题来源
随着国家西气东输工程的不断地向苏南地区延伸，加上环境保护对无缝钢管生产的要求逐步提高，对钢管企业生产用的加热炉进行改造已成了当务之急。我校最近几年每年都与外面公司合作研制加热炉电控系统。考虑到和企业合作的长期性，技术的先进性，现自主开发基于S7-300PLC的φ76管坯加热炉电控系统作为技术储备。本次电控系统用S7-300PLC作为下位机，Wincc触摸屏作为上位机，对加热炉进行监视与控制。
1.3 课题研究的目的和意义
加热炉一直是无缝钢管生产过程中的主要耗能设备，如何在管坯有效轧制的前提下降低加热炉的能耗一直是加热炉控制的主要研究方向。同时长期以来，我国的能源组成中，煤一直占有相当大的比重。煤燃烧过程中，会产生大量的硫化物、氮氧化物以及大量的烟尘，严重影响了环境。而随着天然气的普及使用，对优化我国的能源结构和生态环境有非常重要的意义。最近，国家不断加大节能减排的力度，各企业也纷纷响应号召，对加热炉的生产工艺进行改造，加热炉的自动化控制水平已经有了明显的提高。目前面向节能减排、提高轧制产品质量的加热炉电控系统已经广泛地应用到了各企业的生产中。因此设计一套功能强大的加热炉电控系统，有着巨大的经济价值和生态价值。
PLC拥有先进的通信功能，能够快速处理各种复杂的数字量和模拟量，并且具有很强的抗干扰能力，同时编程很方便，价格低，性能可靠稳定，能适应各种恶劣环境。把PLC运用到电控系统中，可迅速发挥上述优点，同时使设备的效率得到很大的提高，也可以通过生产工艺过程的自动调节提高了各种工艺参数的时效性和控制精度。为了节约燃料和提高管坯加热质量和产量及降低损耗等方面取得了较好的效果，所以对于基于S7-300PLC的加热炉的电控设计有着很大的意义。
课题研究的意义具体如下所示：
⑴ 通过自动化控制，在整个生产过程中可以减少能源的消耗、提高产品质量。
⑵ 使用天然气为燃料的加热炉可以达到环境保护要求，符合各项规定。
⑶ 对系统的改造，可以培养学生综合运用所学的基础理论知识进行分析和解决问题的能力，使学生受到PLC、Wincc触摸屏系统开发的综合性训练，达到能够熟练使用PLC、Wincc触摸屏的目的。也是对自身独立应用已学知识进行系统开发的一个锻炼。
2 系统设计要求
2.1系统概述
本设计是以S7-300PLC为核心控制部分，通过PID算法对空气实现恒压控制，采用烧嘴大火脉冲点燃的方式实现恒温控制。系统安装烟道控制器，来实现烟道的自动控制。控制器根据烧嘴大火打开的数量，通过PLC的模拟量输出模块给烟道控制器发出不同的模拟量信号，以打开不同的角度，从而控制烟道的气流流量，使炉口压力为微正压，满足本系统工艺要求。并且系统中加入了完备的保护系统和报警系统。
2.2基于S7-300PLC的φ76管坯加热炉电控系统设计要求
本课题研究的基于S7-300PLC的φ76管坯加热炉的电控系统设计需要具有以下功能：
（1）控制方式为上下位机形式，上位机是Wincc触摸屏，下位机是S7-300PLC控制。通过触摸屏能实现加热炉自动与手动工作方式的切换。
（2）在手动工作模式下能够对系统进行调试与维修。
（3）在自动工作模式下可以满足加热炉在工业生产过程中的工艺要求。
（4）设计中采取必要的抗干扰措施以及保护电路，保证控制系统安全可靠。。
（5）通过PLC、变频风机给燃烧系统恒压供风。
（6） 加热炉总共有6个烧嘴，均采用大小火脉冲方式，正常情况下小火全部点着。
（7）系统中温区显示温度高于设定温度时，分别自动熄灭6#、5#、4#、3#烧嘴大火；中温区显示温度低于设定温度时，分别自动打开3#、4#、5#、6#烧嘴大火。
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