环形加热炉的温度控制

摘要..............................................................III Abstract...........................................................IV 第一章 引言.........................................................1

1.1 冶金行业中常见的加热炉 ......................................1 1.2 环形加热炉的现状 ............................................1 1.3 加热炉的结构及工作方式 ......................................2 第二章 环形加热炉的工艺.............................................4

2.1 工艺特点及流程 ..............................................4

2.1.1 工艺特点...............................................4 2.1.2 工艺流程...............................................4 2.1.2.1炉子辅助设备 .........................................4 2.1.2.2仪控系统组成 .........................................5 2.2 加热炉总体设计要求 ..........................................5

2.2.1 工业控制系统设计的原则.................................5 2.2.2 环形加热炉控制系统设计的总体要求.......................6

第三章 加热炉温度控制系统的控制策略.................................8

3.1 炉温的控制系统 ..............................................8

3.1.1 炉温控制基本原理.......................................8 3.1.2 炉温控制系统...........................................9 3.1.3 引起炉温波动的因素.....................................9 3.1.4 炉温控制系统的改进措施................................10 3.2 燃烧控制系统 ...............................................11

3.2.1 双交叉限幅控制........................................11 3.2.2 空燃比控制............................................16 3.2.3 燃料流量的控制........................................16 3.3 检测元件的选择 .............................................17

3.3.1 温度检测元件..........................................17 3.3.2 流量检测元件..........................................18 3.4 执行器的选择 ...............................................19

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3.4.1 执行机构的选择........................................19 3.4.2 调节机构的选择........................................20 3.5 PLC的选择..................................................23 3.6 通信协议的选择 .............................................24 第四章 环形加热炉温度控制系统的软件设计............................26

4.1 编程软件step7简介 .........................................26

4.1.1 梯形图编程语言简介....................................26 4.1.2 梯形图控制语言编程的步骤及实现的功能..................27 4.2 系统流程 ...................................................27

4.2.1 主程序流程............................................27 4.2.2 温度控制子程序程序流程................................28 4.2.3 燃烧控制子程序程序流程................................29 4.3 软件设计 ...................................................30

4.3.1 I/O端口分配 ..........................................30 4.3.2 程序结构..............................................31 4.4 系统调试 ...................................................31 第五章 系统监控组态软件的设计......................................32

5.1 组态王简介 .................................................32

5.1.1 组态王简介............................................32 5.1.2 组态王的使用..........................................32 5.2 组态画面的介绍 .............................................33

5.2.1 运行窗口..............................................33 5.2.2 实时曲线窗口..........................................33 5.2.3 历史曲线窗口..........................................35 5.2.4 报警窗口..............................................37 5.2.5 PID参数设置窗口 ......................................38

第六章 总结........................................................40 参考文献...........................................................41

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基于PLC的环形加热炉温度控制系统设计

摘要

环形加热炉是无缝钢管生产的第一环节，其加热质量直接影响到钢管的质量，其能耗和氧化烧结直接影响钢管的成本。因此，保证环形加热炉的最佳生产状况和炉温自动控制是关键。为了提高环形加热炉产品的质量，本文研究主要是从工业控制的角度出发，对环形加热炉加热的温度控制系统作了研究和探讨。

本文通过了解整个环形加热炉的生产工艺及影响因素，首先在介绍加热炉工艺流程以及加热炉自动控制系统的控制要求的基础上，着重介绍了环形加热炉的炉温控制和燃烧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。本设计下位机采用PLC进行控制，上位机采用组态王软件进行监控画面显示，实现了加热炉温度和燃烧流量的自动控制功能。最终可以达到加热炉安全、经济、高效的运行。

关键词：环形加热炉；PLC；炉温控制；燃烧控制

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PLC-based annular furnace temperature control system design

Abstract

Annular heating furnace is the first link in the production of seamless steel tubes, the heat directly affects the quality of the steel, and its energy consumption and oxidation of sintered direct impact on steel costs. Therefore, to ensure optimum production conditions of the annular furnace and the temperature automatic control are the keys. To improve the quality of the product ring furnace, this paper mainly from the perspective of industrial controls, heating the ring furnace temperature control system were studied and discussed.

By understanding the annular furnace production process and influencing factors, the first, based on the requirements of introduction the heating process and control of furnace automatic control system, focusing on the practical application of the ring furnace temperature control and combustion control design，and then, The control system used in the hardware and programming software functions and features described in detail, as well as in the control system by hardware and software platform simulation and programming of the specific design work. Next-bit machine uses the software of PLC to program the software, the host computer uses the software of Kingview to monitor and display screen, which realizes the automatic control function of the temperature and flow of the furnace. Finally it achieves the heating furnace operating safely, economically, and highly effective.

Key words: The Annular Furnace ;PLC; Temperature Control; Burning Control

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第一章 引言

钢铁行业作为关系国计民生的基础性行业，具有较高的产业关联度。钢铁工业是一个原材料的生产和加工部门，处于产业链的中间位置，它的发展与国家的基础建设以及工业发展的速度关联性很强。

1.1 冶金行业中常见的加热炉

在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。

连续加热炉包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉,但习惯上常指推钢式炉。连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。主要特点是：料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也连续流动；一般情况，在炉料的断面尺寸、品种和产量不变的情况下，炉子各部分的温度和炉中金属料的温度基本上不随时间变化而仅沿炉子长度变化。

1.2 环形加热炉的现状

目前,世界上所有现代化钢管厂的管坯加热炉几乎全部采用环形加热炉,这是由其自身一系列优点所决定。

环形炉最适合加热圆管坯,并且能适用多种料坯规格(直径和长度)的加热要求,灵活调整加热制度,满足加热工艺要求。管坯在炉底间隔放置,料坯三面受热,加热时间短,加热温度均匀,加热质量好。炉内管坯可以出空也可以留出不装料的空炉底段,便于更换管坯规格,操作调度灵活。环形炉的机械运行可靠,操作自动化程度高,热工控制方便、灵活。但是,环形炉也有其自身的缺点:如占地面积较大、炉底面积利用率低、单位炉底面积的产量较低,但这并不影响环形炉的技术发展。现在环形炉的发展日趋大型化,如意大利DALMING厂的环形炉中径46m;阿根廷ALGOMA厂的环形炉中径36m;上海宝钢环形炉中径35m;天津钢管公司环形炉的中径达到48m,造价近一亿元人民币。由意大利PIANTI公司设计建造的环形炉采用了许多当今世界先进工艺、控制技术。通过几年的生产实践证明,该炉无论在炉温调节控制、管坯加热质量、能源消耗、烟尘排放等各方面均处于世界先进

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水平。

环形加热炉是无缝钢管热轧生产线上的重要热工设备,其加热质量直接影响钢管的质量,其能耗和氧化烧结直接影响钢管的成本,其设备状况及操作水平直接影响钢管的产量。因此,保证环形加热炉的最佳生产状况是无缝钢管生产的关键,而加热炉炉温自动控制也就成为了重中之重。

2000年以前，国内冶金企业加热炉大多采用重油和直接燃煤加热炉，只有少部分的企业采用燃气加热炉。对于重油加热炉，在控制上，虽然可以采用先进的控制技术，但由于重油中杂质太多，其流量监测系统寿命短，测量精度很难保证，在实际运行中，大多采用手动为主的燃烧方式。随着石油炼制技术水平的不断提高，重油质量不断下降，但价格却不断上升。冶金企业为了提高钢材质量，降低能源成本，于2000年前后，许多企业将燃油加热炉逐渐改成了然热脏发射炉煤气。煤气发生炉的原料为块煤，因重油与煤的单价相差很大，故通过油改气改造，企业可节约能源运行成本30%—40%。但因热脏发生炉煤气热值低、压力低，升降温度速度慢，较难满足高产的要求。对于热脏煤气发生炉煤气，由于其单台炉煤气产量低，一般采用在加热炉附近建几台共同供气，这种煤气发生路产气量很难精确控制且产气量低、污染大，中间又无储气罐，所以一般用人工方式进行操作。采用冷煤气作为燃料，一方面可以减少污染，另一方面可以将先进的控制技术应用到生产中去，并可降低燃料成本、减少原材料的氧化烧损。

1.3 加热炉的结构及工作方式

按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段；进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。习惯上还按炉内安装烧嘴的供热带划分炉段，依供热带的数目把炉子称为一段式、二段式，以至五段式、六段式等。50～60年代，由于轧机能力加大，而推钢式炉的长度受到推钢长度的限制不能太长，所以开始在进料端增加供热带，取消不供热的预热段，以提高单位炉底面积的生产率。用这种炉子加热板坯，炉底的单位面积产量达900～1000公斤／（米2·时），热耗约为(0.5～0.65)×106千卡／吨。70年代以来，由于节能需要，又由于新兴的步

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进式炉允许增加炉子长度，所以又增设不供热的预热段,最佳的炉底单位面积产量在600～650公斤/(米2·时),热耗约为(0.3～0.5)×106千卡/吨。

连续加热炉通常使用气体燃料、重油或粉煤，有的烧块煤。为了有效地利用废气热量，在烟道内安装预热空气和煤气的换热器，或安装余热锅炉。

在锻造和轧制生产中，钢坯一般在完全燃烧火焰的氧化气氛中加热。采用不完全燃烧的还原性火焰(即“自身保护气氛”)来直接加热金属，可以达到无氧化或少氧化的目的。这种加热方式称为明火式或敞焰式无氧化加热，成功地应用于转底式加热炉和室式加热炉。

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第二章 环形加热炉的工艺

包钢Φ180无缝钢管厂,现有一座环形加热炉,炉子有效直径长度35m。最大入炉根数256根、最大出钢能力120根/h,使用的燃料为高焦炉混合煤气,烟道内设有空气预热器等余热回收装置,环形加热炉内有液压炉底系统、炉外有装料系统、出料系统、扇形辊道、出炉辊道、120个控制烧嘴等设备。采用较先进PLC实现烧钢。

2.1 工艺特点及流程

2.1.1 工艺特点

无缝钢管由于其规格、品种、钢种较多，因而生产工艺与其它轧钢车间相比有较大的差别，因此，环形加热炉的加热工艺也随之具有不同的特点。主要表现在：

⑴环形加热炉具有加热钢种多、批量小、更换规格频繁和加热工艺制度变化大等特点，所以要求环形加热炉必须配备灵活、快速、准确的燃烧控制系统。

⑵由于加热的钢种有很大一部分是合金钢和不锈钢。根据我们以往的经验可知，这部分钢种对加热温度要求十分严格，必须在低温时均匀缓慢的加热，严格禁止在加热过程中产生热应力而导致废品。

⑶加热易脱碳钢种时，为防止高温脱碳，在低温段应采用缓慢加热（以提高心部温度，所小心表温差）；在高温段采用快速加热的供热制度，从而防止钢种脱碳。 2.1.2 工艺流程

环形加热炉分为：1隔热回收段、一个预热段、3个加热段和3个均热段。热回收段主要是利用逆时针流向烟道的高温烟气对进入炉内的管坯进行预热，然后随着炉底的顺时针转动，钢坯依次进入预热段、加热Ⅰ段、加热Ⅱ段和加热Ⅲ段进行加热，在这4段采用空煤气双蓄热的蓄热式燃烧技术；经过加热段之后管坯依次进入均热Ⅰ段、均热Ⅱ段和均热Ⅲ段，均热段燃料为天然气，采用常规燃烧方式。

2.1.2.1炉子辅助设备

⑴排烟系统

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环形路为外侧排烟方式，侧排烟道出炉后扎入地下，后接入烟囱。空气预热置于地下烟道内，结构形式为带插入件的金属管状预热器，换热面积131㎜2，设计入口烟温度720℃，出口烟气温度326℃，预热后空气温度400℃。预热器后设有自动烟道闸板，用于炉膛压力控制。

⑵助燃空气系统

包括助燃风机、热风自动放散阀、三段空气流量孔板等。 ⑶燃烧系统

煤气发射炉三台、烧嘴前手动碟阀等。 ⑷水冷系统

环形炉有液压站需要水冷，炉底水封槽需要少量补充水。 2.1.2.2仪控系统组成

⑴系统仪控检测系统

通过安装在管路孔板上的差压变送器采集并转换成标准信号送入PLC。 ⑵炉压控制

炉压控制包括助燃空气压力控制、煤气压力控制、炉内压力控制三部分，以保证助燃空气和煤气压力稳定，使燃烧顺利进行。

⑶换热器保护

换热器起到节约能源、助燃的作用，换热器的温度不能过高或过低。过高损坏设备，过低会使煤气结露，腐蚀换热器。

⑷燃烧控制

燃烧控制部分由温度控制、空气与煤气的空燃比控制和空气的换向控制几部分组成。

⑸执行机构

执行机构采用PLC输出控制，具有手自动切换功能。

2.2 加热炉总体设计要求

2.2.1 工业控制系统设计的原则

工业控制系统的设计与其他类型控制系统的设计一样都以计算机控制技术和通信技术为基础，但他又有自身的特点。这些特点主要表现在：

⑴实用性：工业控制系统的设计强调控制设备如PLC与工业现场设备如电

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机、开关等之间在功能上要和谐搭配，在控制要求上符合工业控制的行业标准。在系统控制和功能实现上要求简单明确，显示信息直观清楚，操作上要方便易学，便于掌握。

⑵安全性：工业控制系统的目的是通过采用先进的计算机技术，实现工业现场设备的自动化运行，减少人为参与工业控制的行为，其目的就是为了提高系统运行的可靠性和安全性。因此，在实现系统功能的同时，要最大限度的考虑到设备运行期间可能产生的各种故障，并且在系统实现时给出各种故障处理的方法，尽可能减少意外故障引发的灾难性后果，带来生产甚至人身安全的重大损失。

⑶可靠性：工业控制系统必须保证能够连续可靠的运行。为此，必须选用技术成熟可控制的器件，在安装工艺方面尽量提高系统的抗干扰能力，主要的控制设备必须能够防震、防电磁干扰、防尘、防潮，同时必须注意系统的散热或加热，以保证各电子设备工作在收益的温度下。在信号的采集、开关确认等方面都加强，确保系统可靠稳定的运行。在系统设计中必须采用种种措施，确保系统的高可靠性，它包括元器件的选择、冗余设计、环境设计、人机工程设计、故障模式影响及危害性分析、模块化设计、标准规范的组态软件设计等。在控制方面，对系统采取一些安全措施，如手动/自动切换、多级控制、报警和输出锁定等。

⑷开放性：系统在设计时应考虑以后的扩充和升级。在设备的选型时应考虑到其接口的通用性和互联性，不宜采用封闭的、自成体系的设备。 2.2.2 环形加热炉控制系统设计的总体要求

为了实现加热炉这个复杂工业生产过程的自动控制，该控制系统的总体设计应具备以下要求：

⑴安全性设置：从工厂安全要求的角度操作可分为操作员、系统工程师和管理人员三个等级。

⑵控制系统实现工艺流程的自动监控。在生产工段上，各个控制的设备应严格按照工艺规定的顺序启动停止。在上一步未执行完成时，下一步的设备禁止工作。在生产的自动控制过程中还必须考虑对电网的影响，大量设备不能同时启动。

⑶监控功能：具有设备运行状态和过程参数的实时显示，时序流程图程序运行显示，实现监控功能；采用弹出菜单方式进行参数设定、调整及回路控制参数的在线整定，实现控制功能。整个自动化控制系统通过对生产流程的流量、液位、

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控制、上下部燃烧区域温度主副控制、燃料温度压力控制等，燃烧控制回路如图3.2所示。

图3.2 燃烧控制回路

我们选择在加热Ⅱ段和均热段采用双交叉限幅燃烧控制。系统构成的基础是炉温与煤气流量和空气流量的并列串级控制系统。其中，温度控制回路是主回路，温度控制器是主控制器，实现系统的粗调，煤气和空气流量回路是平行的副回路，煤气控制器和空气控制器是平行的副控制器，完成精确控制，如图3.3所示。

图3.3 双交叉限幅系统控制图

图中β为空燃比，煤气交叉限幅器的输出（G）是煤气流量控制器的设定值，

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空气交叉限幅器的输出（H）是预热空气控制器的设定值，煤气和空气交叉限幅器由一个高选择器和一个低选择器组成。

当负荷发生变化时，空气流量的变化和煤气流量的变化相互制约，并使空气流量和煤气流量在预先设定好的空燃比范围内变化，以保证调温过程的最佳燃烧状态。它在串级平行控制的基础上，增加交叉限幅控制功能。煤气流量和空气流量与炉温调节构成串级平行控制系统，在空气流量调节回路和煤气流量调节回路各自设有一个高选择器和低选择器及一些运算单元。温度调节器的输出作为煤气流量调节器和空气流量调节器的外给定值。

其控制流程图如下图3.4所示。

图3.4 双交叉限幅控制系统流程图

在煤气流量控制回路中，空气流量测量值与空燃比系数经运算后得到输出值，经负向偏置后与温度调节气的输出一起进入高值选择器，选择高值再与输出值经正向偏置的值一起进入低值选择器，低值作为煤气流量调节器的设定值。而在空气流量控制回路中，煤气流量测量值经正向偏置后与温度调节气的输出一起进入低值选择器，选择低值再与煤气流量测量值经负向偏置后的值一起进入高值选择器，高值作为空气调节器的设定值。

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预热空气设定值得选择原则：

A=MVt×Ra (3.1) B=min{A,Fg×(1+K4)} (3.2) SPa=max{B,Fg×(1-K2)}×β (3.3) 煤气设定值的选择原则：

C=MVt×Rf (3.4) D=max{C,Fa×(1-K3)/β} (3.5) SPg=min{D,Fa×(1+K1)/β} (3.6) 其中：MVt为温度控制器的输出值

Ra温度、空气量纲比 Rf温度、煤气量纲比 SPa空气流量设定值 SPg煤气流量设定值 Fg煤气流量修正值 Fa空气流量修正值 K1煤气低选系数 K2空气高选系数 K3煤气高选系数 K4空气低选系数

K1，K2，K3，K4的范围是[1.01—1.10]

该系统在负荷变化或者煤气热值波动是不会因为空气不足而使燃烧不完全，也不会因为空气过量而出现过氧燃烧现象，此双交叉限幅控制的原理如下：

⑴炉温处于稳定状态时（无任何扰动）

温度调节器的输出与实际检测的煤气流量相等，在空气侧，经低选、高选得到空气调节器的设定值SPa=β×MVt×Ra，煤气侧，经高选、低选得到煤气调节器设定值SPg=MVt×Rf.此时调节系统处于平衡状态，双交叉制约不工作。

⑵炉温低于设定值时（升温调节过程）

温度调节器的调节作用使得其输出增大，而此时实际检测的煤气流量还没有改变，在空气侧，经低选、高选得到空气调节器的设定值：

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B=min{A,Fg×(1+K4)}= Fg×(1+K4) （3.7） SPa=max{ Fg×(1+K4),Fg×(1-K2)}×β= Fg×(1+K4)×β （3.8） 在煤气侧经高选、低选得到煤气调节器的设定值：

D=max{C,Fa×(1-K3)/β}= MVt×Rf （3.9） SPg=min{MVt×Rf,Fa×(1+K1)/β}=Fa×(1+K1)/β （3.10） 从以上两式可看出，空气流量随煤气流量的增加而增加，反之煤气流量又随空气流量的增加而增加，交叉制约开始，温度不断上升，而K4> K1这可以保证在升温时，煤气量随着空气量的增加而增加，即空气先行。空气比煤气多一点，避免在燃烧调整过程中由于煤气过剩而冒黑烟。随着空气煤气流量在相互制约中的不断增加，最终温度调节器的输出又与煤气、空气调节器的设定值相等，此时系统又处于平衡状态，交叉制约结束。

⑶炉温高于设定值时（降温调节过程）

温度调节器的调节作用使得其输出值减小，而此时实际检测的煤气流量还没有改变，在空气侧，经低选、高选得到空气调节器的设定值：

B=min{A,Fg×(1+K4)}= MVt×Ra （3.11） SPa=max{MVt×Ra,Fg×(1-K2)}×β=Fg×(1-K2)×β （3.12） 在煤气侧经高选、低选得到煤气调节器的设定值：

D=max{C,Fa×(1-K3)/β}= Fa×(1-K3)/β （3.13） SPg=min{Fa×(1-K3)/β,Fa×(1+K1)/β}=Fa×(1-K3)/β （3.14） 从以上两式可以看出，随着煤气流量的减少，空气流量也减少，煤气流量的减少导致空气流量的减少，交叉制约开始，温度不断下降，直至新的平衡建立。而K3>K2这可以保证在降温时，空气量随着煤气量的减少而减少，即煤气先行。煤气总比空气少一点，同样可以避免冒黑烟。

有以上分析可见，通过此系统进行燃烧控制，无论负荷怎样变化，实际空燃比都在一个较小的范围内波动（波动范围由K1，K2，K3，K4确定），可防止温度或负荷变化时空气煤气流量的突变，保证温度均衡变化。在增量时先增空气，后增煤气，在减量时先减煤气，后减空气，达到减少能源消耗又不出现过氧燃烧的目的，从而确保了燃烧过程都能在最佳燃烧区内进行，达到节能、完全燃烧、防止污染的目的。

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双交叉限幅燃烧控制系统的优点：双交叉限幅燃烧控制方式能有力地限制空气过剩率的实际值，从而保证了空气过剩不至于远远地偏离设定值，保证燃烧系统工作在最佳燃烧区域内，减少了缺氧燃烧和过氧燃烧带来的热损失，最大程度上降低了黑烟及NOx和SOx给环境带来的污染。

双交叉限幅燃烧控制方案采用PID控制原理设计的温度控制器。双交叉限幅燃烧控制系统中燃料流量设定信号和空气流量设定信号总是用对方的实际流量来验证它是否合适，通过相互制约防止负荷变化时出现燃料过剩和空气过度过剩，从而将空气过剩系数的设定值减少至极限值上，实现了对剩余空气系数进行双向限幅功能。这种方案能保证煤气、空气充分燃烧，提高燃烧效率，降低氧化铁皮损耗，有效消除温度偏差、系统稳定的优点，该系统的最大缺点就是系统的响应速度要受燃烧流量控制系统和空气量控制系统响应速度的制约，取决于了两系统中响应较慢的一方的响应速度。 3.2.2 空燃比控制

从节省能源和保护环境的要求出发，应以最佳的空气/燃料比控制燃烧。一般采用模糊控制的方法来寻找最优空/燃比值，FOC就是自寻优模糊控制器，这是一个两输入单输出模糊控制器，其输入是炉膛温度的增量ΔT（ΔT=Ti-Ti-1）和上一周期的寻优步长Ui-1，输出是本次寻优步长Ui（即为本次空/燃比的增量）。实际应用时，停止炉膛温度的模糊控制，以煤气流量为基准，通过修正空/燃比值，改变空气的配入量，然后再采用一个定值PID调节，使空气流量达到所要求的值。这里空气压力稳定，只通过一个普通的PID调节就可以实现（ 可由PLC完成）。当Ti-Ti-1∈[NO,PO]且寻优步长Ui∈[NS,PS]时，停止自寻优搜索，转而启动炉膛温度模糊控制。此时的Ui即为最优空/燃比值。 3.2.3 燃料流量的控制

燃烧控制系统通过调节燃料的流量达到控制炉膛温度的目的。在操作站设定好燃烧区温度后，控制系统通过运算得出理论燃料流量，作为控制参数与实际流量比较进行燃料流量的回路调节。在燃烧控制中燃料介质一定，因此可通过理论计算出消耗单位燃料而需要的空气量，作为空气流量整定值修正空气流量；同时也可通过检测空气实际流量来修正燃料控制流量，以达到最佳燃烧，即现在燃烧控制中常用的双交叉燃烧控制。

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根据环形加热炉中燃烧区域的特点，可采取上下燃烧区域温度主副控制。如设定好上部均热区温度后，其温度设定值不仅参与上部均热区燃料和空气流量的控制，而且作为温度调节系数参与下部均热区燃料和空气流量的控制。上下区域间采用温度主副控制主要是通过热辐射和交换原理降低燃料消耗量，达到节约成本的目的。

3.3 检测元件的选择

3.3.1 温度检测元件

热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点 热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。

将两种材质不同的导体或半导体连接成闭合回路就构成了热电偶。热电偶的测温原理是基于热电效应，即只要热电偶两端的温度不同，则在热电偶闭合回路中就产生热电动势，这种现象就称为热电效应。热电偶回路中的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。其主要优点是测温范围广，可以在1K至2800℃的范围内使用，精度高，性能稳定，结构简单，动态性能好，把温度转换为电势信号便于处理和远距离传输。

温度在300℃—600℃时可选用镍铬—康铜热电偶（E）；但由于考铜合金丝易氧化变质，因此用在测量高于500℃的蒸汽温度时，宜选用镍铬一镍硅热电偶（K）；温度在600℃至1000℃时选用镍铬一镍硅热电偶（K）；温度在1000℃至1300℃时应该选用铂铑—铂热电偶（S）。S型热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。S型热电偶具有准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其物理化学性能良好，在高温下抗氧化性能好，适用于氧化和惰性气氛中，使用广泛。因为钢坯加热温度为1050—1250℃，加热炉预热段温度在750—1100℃；加热段温度在1250—1300℃；均热段温度在1150—1250℃。

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所以应该选用铂铑-铂（S型）热电偶。 3.3.2 流量检测元件

在工程上，常把单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量称为瞬时流量，而把某一段时间内流过工艺管道某截面的流体总量称为累积流量。由于流量检测的复杂性和多样性，流量监测的方法很多，其分类方法也多种多样。若按检测的最终结果分类，可分为体积流量检测法和质量流量检测法。

⑴体积流量检测法：体积流量检测法又可分为容积法（又称直接法）和速度法（又称间接法）两种。

①容积法是以单位时间内排出流体的固定体积数来计算流量。基于容积法的流量检测仪表有椭圆齿轮式流量计、腰轮式流量计、螺杆式流量计、刮板式流量计、旋转活塞式流量计等。容积法测量流量受流体状态影响小，适用于测量高粘度流体，测量精度高。

②速度法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截面积以求得流量。目前工业上常用的基于速度法的流量检测仪表有节流式（又称差压式）流量计、转子流量计、旋涡式流量计、涡轮式流量计、电磁式流量计、靶式流量计、超声式流量计等。

⑵质量流量检测法：质量流量检测法也可分为间接法和直接法两种。 ①间接法是用测得的体积流量乘以密度求得质量流量。但当流体密度随温度、压力变化时，还需要随时测量流体的温度和压力，并通过计算对其进行补偿。当温度和压力波动频繁时测量参数多、计算工作繁琐、累积误差大、测量精度难以提高。

②直接法是用测量仪表直接测量质量流量，具有精度不受流体的温度、压力、密度等变化影响的优点，但目前尚处于研究发展的阶段，现场应用不如测量体积流量那样普及。目前已有的质量流量检测仪表有科里奥利式流量计、量热式流量计、角动量式流量计等。

涡街流量计是典型的速度流量计。实验表明，当管道中的流体遇到横置的、满足一定条件的柱状障碍物时，会产生有规律的周期性漩涡序列，其漩涡系列平行排成两行，如同街道两旁的路灯，俗称“涡街”。由于这一现象首先是由卡曼发现的，故又命名为“卡曼涡街”。

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涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。涡街流量计采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20℃—+250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的测量仪器。

综上所述，涡街流量计表现出简单而优良的特性，而且障碍柱体使流体产生的压力损失要远远小于孔板等节流元件所产生的压力损失，所以，本设计选用涡街流量计测量煤气的流量和助燃空气的流量。

3.4 执行器的选择

执行器是过程控制系统中一个重要的组成部分，一般由执行机构和调节机构（又成为调节阀）两部分组成。它的作用是接受来自调节器输出的的控制信号，并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积，以改变被控参数的流量，控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制，使生产过程满足预定要求。执行器安装在现场，直接与工艺介质接触，通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作，如果选用不当，将直接影响过程控制系统的控制质量，或者使整个控制系统不能可靠工作，甚至造成严重事故。 3.4.1 执行机构的选择

对于执行机构最广泛的定义是：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。

因为越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，人们要求执行机构能够起到控制系统与阀门机械运动之间的界面作用，更要求执行机构增强工作安全性能和环境保护性能。在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤害。某些特殊阀门要求在特殊情况下紧急打开或关闭，阀门执行机构能阻止危险进一步扩散同时将工厂损失减至最少。对一些高压大口径的阀门，所需的执行机构输出力矩非常大，这时所需执行机构必须提高机械效率并使用高输出的电机，这样平稳的操作大口径阀门。

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执行机构的选择主要是对气动执行机构、电动执行机构和液动执行机构的选择，根据能源、介质的工艺要求、安全、控制系统的精度、经济效益及现场情况等多种因素，综合考虑选用哪一种执行机构。气动执行机构具有结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便和防火防爆等优点。由于环形加热炉燃烧系统使用的燃料即焦炉煤气具有易燃、易爆的性质，所以，本设计中的执行器都选用气动执行器，不仅可以降低成本，使用方便，而且能够有效的防火防爆，降低发生意外事故的概率。

但气动执行器有滞后大、不适于远传的特点，为了克服此缺点，可采用电-气转换器或阀门定位器，是传送信号为电信号，现场操作为启动，这是电-气结合的一种形式，也是今后发展的方向。气动执行机构接受电/气转换器（或电/气阀门定位器）输出的气压信号，并将其转换为相应的推杆直线位移，以推动调节机构工作。气动执行是以压缩空气为动力能源的，他接受调节器的输出控制信号，通过气缸或膜片带动阀门连杆动作，以调节被控介质（如液体、气体和蒸汽等）的流量，将被控变量控制在系统要求的范围内。

气动执行机构有薄膜式和活塞式两种。常见的气动执行机构均属薄膜式，它的特点是结构简单、价廉，但输出行程较小，只能直接带动阀杆。活塞式的特点是行程长，但价格昂贵，只用于特殊场合。本设计中选用薄膜式气动执行机构。 3.4.2 调节机构的选择

生产过程中，被控介质的特性千差万别，有高压力的，高粘度的，强腐蚀的；流体的流动的状态也各不相同，有的流量小，有的流量大；有的是分流，有的是合流。因此，必须根据流体性质、工艺条件和过程控制要求，并参照各种阀门结构的特点进行综合考虑，同时兼顾经济性来最终确定合适的结构形式。

调节机构又称控制阀（或调节阀）。在工业自动化过程控制领域中，调节阀通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变介质流量、压力、温度、液位等工艺参数的最终控制元件。一般由执行机构和阀门组成。如果按行程特点，调节阀可分为直行程和角行程；按其所配执行机构使用的动力，可以分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀三种；按其功能和特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。调节阀适用于空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品等介质。

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调节阀按行程特点可分为：直行程和角行程。直行程包括：单座阀、双座阀、套筒阀、角形阀、三通阀、隔膜阀；角行程包括：蝶阀、球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀。调节阀按驱动方式可分为：气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质(如油等)压力为动力的电液动调节阀；按调节形式可分为：调节型、切断型、调节切断型；按流量特性可分为：线性、等百分比、抛物线、快开。

电液比例阀是一种可以连续控制的电控阀，阀内比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出的元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电的形式进行反馈。由于电液比例阀具有形式种类多样、容易组成使用电气及计算机控制的各种电液系统、控制精度高、安装使用灵活以及抗污染能力强等多方面优点，因此应用领域日益拓宽。近年研发生产的插装式比例阀和比例多路阀充分考虑到工程机械的使用特点，具有先导控制、负载传感和压力补偿等功能。它的出现对移动式液压机械整体技术水平的提升具有重要意义。特别是在电控先导操作、无线遥控和有线遥控操作等方面展现了其良好的应用前景。所以，本设计中选用比例阀来控制煤气和助燃空气的流量。

控制阀是控制系统的执行部件，他接受控制器的命令执行控制任务。控制阀选择的合适与否，将直接影响关系到能否更好地起到控制作用。因此，对它必须给予足够的重视。控制阀接受的是电气信号，当膜头输入压力增大，控制阀开度也增大时，称之为气开阀。反之，当膜头输入压力增大时，控制阀开度减小，则称之为气闭阀。

对于一个具体的控制系统来说，究竟选气开阀还是气闭阀，要有具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则来进行选择：

⑴首先要从生产安全出发。信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。即当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制网膜片破裂而漏气等而是控制阀无法正常工作，以致阀芯回复到无能源的初始状态（气开阀恢复到全闭，气闭阀恢复到全开），应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。

⑵从保证产品质量出发。当发生控制阀处于无能源状态而恢复到初始位置时要保证产品的质量。

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⑶从降低原料、成品、动力损耗来考虑。

⑷从介质的性质考虑，以保证在控制阀是去能源是所处的状态能够避免原材料或产品的浪费。而且要注意原料或产品是否易凝、易结晶、易聚合的物料时，以防控制阀失去能源时，会造成不良的效果。

考虑到生产的安全，当煤气系统中断或控制器发生故障无信号输出，致使执行器的阀芯恢复到无能源的初始状态时，不至于发生事故，而且焦炉煤气具有易燃、易爆的性质时，为防止在异常情况下产生爆炸，燃料和空气流量执行器都应选用气开式，一旦发生事故，则立即处于关闭状态，不再提供燃料，以免造成浪费，从而有利于降低原料成本和节能。

在串级控制系统中，主副控制器的正反作用的选择顺序应该是先副后主。 副控制器的正反作用要根据要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。考虑问题的出发点与单回路控制系统相同，即为了使副回路构成一个稳定的系统，副环的开环放大倍数的符号必须为“负”，也就是说，副环内所有各环节放大倍数的符号的乘积应为“负”。因此，只要知道了控制阀、副对象和副变送器的放大倍数符号，就可以很容易的确定副控制器的正反作用。

副控制器正、反作用确定后，就可以确定主控制器的正、反作用，主控制器的正、反作用要根据主环的所包括的各个环节的情况来确定。主环内包括主控制器、副回路、主对象和主变送器。对于副回路可将它视为一放大倍数为“正”的环节来看待，因为副回路是一随动系统，对它的要求是：副变量能快捷的跟踪给定值（即随主控制器输出的变化而变化），因此，整个副回路可视为一放大倍数未正的环节来看待。这样，只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数为“负”的要求，就可以确定主控制器的正反作用。实际上，主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正”的，再考虑副回路视为“正”的环节，因此，主控制器的正反作用实际上只取决于主对象放大倍数的符号。当主对象放大倍数符号为“正”时，主控制器应选负作用；反之，当主对象放大倍数为“负”时，主控制应选正作用。

所以根据以上分析，炉温串级控制系统的副环中，煤气流量变送器的符号为“正”，对象煤气流量符号也为“正”，煤气阀为气开式，所以符号为“正”，所以根据副环内所有各环节放大倍数的符号的乘积应为“负”的要求，煤气流量控

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制器为反作用方式。主环中把副环看是放大倍数为“正”，而炉温变送器的符号应为“正”，炉温对象的符号也为“正”，炉温控制器的调节阀为气开式，所以符号为“正”。由此可见，根据炉温控制器的符号为正也是反作用方式。

3.5 PLC的选择

控制器是常规仪表控制系统中的核心环节。担负着整个控制系统的“指挥”工作，正确地选用控制器，可以大大改善和提高整个过程控制系统的控制品质，该控制系统包含流量、温度两种控制器，所以必须根据实际的工艺要求选择合适的控制器。

本设计选用的是西门子系列可编程控制器。PLC是可编程控制器的英文缩写，它是综合了计算机、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器，是专为工业环境应用而设计的。它可以取代传统的继电器完成开关量控制，比如将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元件作为输入信号，输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程的存储器，在其内部存储，执行逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入和输出控制各类型的机械和生产过程实现自动化。

PLC及其相关的外围设备都应该以易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。它的主要功能有：⑴在线数据采集和输出；⑵控制功能，包括条件控制、顺序控制、逻辑控制、定时、计数等；⑶数据处理功能，既能进行基本数学、逻辑运算，还可以通过编程实现复杂的控制算法；⑷输入/输出信号调制功能；⑸通信、联网功能，可进行远程控制、多台PLC间联网通信、外部器件与PLC的信号处理单元之间实现程序和数据交换等；⑹支持人机界面功能；⑺编程、调试等。

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过电气控制系统来实现的。

PLC的特点是：⑴可靠性高，抗干扰能力强；⑵配套齐全，功能完善，适用性强；⑶操作简单，易学易用，深受工程技术人员欢迎；⑷系统的设计、建造工作量小，维护方便、易于改造；⑸体积小、质量轻、功耗低。

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S7-200是一种小型的可编程控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络节能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯功能、丰富的扩展模块。

S7-200包括集成的24V电源、高速脉冲输出、通信口、模拟电位器、EEPROM存储器模块、电池模块、高速计数器以及CPU模块。该系统中配置了模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块、高速计数模块、监控模块、所有输入/输出模块，全部采用光电隔离，大大提高了系统抗干扰能力。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设备、民用设备、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

本设计选用西门子公司S7-200系列PLC中的过程控制器CPU224作为整个加热炉控制系统的核心。本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。I/O端子排可以很容易的整体拆卸。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU 224具有1个RS-485通信口，支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。若采用24V DC电源，则24V DC输入，24V DC输出；若采用100—230V AC电源，则24V DC输入，继电器输出。它是具有较强控制能力的控制器，该产品具有标准化程度高、可靠性高、操作性强、可维护性好、可扩展性好等特点。

3.6 通信协议的选择

在监控设备的开发过程中，需要考虑与S7-200系列PLC的通讯方式。S7-200系列PLC支持的通讯方式有：PPI、MPI、Profibus和自由口。采用MPI协议需要相应的CP卡或MPI卡支持，如CP5511 PCMCIA；若采用Profibus协议，则需要Profibus-DP模块EM277；若采用自由口方式，则在PLC中以及上位机中都需

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要编写通讯程序，实现起来较困难，同时也会占用PLC有限的程序存储空间；若采用PPI协议，则上位机只需要按照PPI协议进行通讯即可，PLC中不需要编写通讯程序，这对于像竹节纱控制系统来说，极大地节省了PLC有限的程序存储空间。

PPI通信协议是西门子公司专为S7-200系列PLC开发的通讯协议。内置于S7-200CPU中。PPI协议物理上基于RS-485口，通过屏蔽双绞线就可以实现PPI通讯。PPI协议是一种主-从协议。主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应，从站不能主动主动发出信息。主站靠PPI协议管理的共享连接来与从站通讯。PPI协议并不限制与任意一个从站的通讯的主站的数量，但在一个网络中，主站不能超过32个。PPI协议最基本的用途是让西门子STEP7-Micro/WIN编程软件上传和下载程序和西门子人机界面与PC通信。

PPI协议是一个主从协议：主站向从站发出请求，从站做出应答。从站不主动发出信息，而是等候主站向其发出请求或查询，要求应答。PPI协议不限制能够与任何一台从站通讯的主站数目；但是，无法在网络中安装32台以上主站。PPI协议是不公开的，可以通过监听PPI协议的通信数据，与Profibus标准进行对比分析，归纳总结就可以得到PPI协议的报文格式。另外，通讯设置采用8个数据位，1个停止位，偶校验，波特率可自行选择。

PPI协议通讯采用主从方式，允许多主站，主站可以是PC机，也可以是HMI、PLC等设备，但是一个网络上不允许超过32台主站，从站为PLC。每一条完整的PPI指令的实现需要四次子指令操作，主站发出读写指令，从站响应并发出响应信息，主站收到此信息后发出确认信息，从站收到确认信息后完成读写操作并返回相应的数据。主从站这样来回的收发两次数据即完成一次读写数据的操作。

综上所述，本设计选用PPI通信协议来实现S7-200 PLC与上位机监控系统之间的通讯。

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第四章 环形加热炉温度控制系统的软件设计

环形加热炉控制系统是采用西门子PLC系统和组态王监控系统来实现的，整个系统包括了硬件系统和软件系统，下面详细介绍软件系统。

4.1 编程软件step7简介

Step7是用于西门子S7-200系列PLC创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用多种编程语言：

(1)梯形图(LAD) (2)功能块图(FBD) (3)语句表(STL) 4.1.1 梯形图编程语言简介

本设计主要利用梯形图进行编程，故下面着重介绍一下梯形图编程语言。 梯形图编程语言是在继电器-接触控制系统电路图基础上简化了符号演变而来的，在简化的同时还加进了许多功能强而又使用灵活的指令，时目前应用最广泛的一种可编程控制器编程语言。按在梯形图（LAD）中，程序被分为网络的一些程序段。每个梯形图网络是由一个或多个梯级组成。梯形图程序区段的结构对应于继电器开关操作的梯级。在梯形图编辑器中，背景窗口是逻辑网格。在它的左边有所谓的左汇流条。这些左汇流条对应于梯级的相线(L线路)。正如在梯级中一样，只有接至电源及接至左汇流条的梯形图目标将在梯形图编程期间被“编辑”，对应于中线的右汇流条不进行显示。但是，在内部，所有的线圈和FB、FC输出都接在它上面，从而建立起电流通路。编程语言梯形图的基本目标是为了构建PLC的组织单元节(Network)，可以加入大量的触点、线圈以及基本功能、基本功能块、导出功能块等。当生成链路时，与其它链路的目标重叠是允许的。

在梯形图中，并没有真实的电流流动。为了便于分析PLC的周期扫描原理及信息存储空间分布的规律，假想在梯形图中有“电流”流动，这就是“能流”。能流在梯形图中只能作单方向流动（从左向右流动），层次的改变只能先上后下。梯形图程序区段中的各个目标的处理次序由节中数据流来确定。添加在左汇流条的网格从上至下进行处理。在程序区段中的彼此独立的网格按放置次序依次进行处理。

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4.1.2 梯形图控制语言编程的步骤及实现的功能

梯形逻辑图控制语言编程的步骤如下 ：

⑴根据工艺过程对顺序控制系统的要求 经过分析 比较 列写程序条件表或图。

⑵对输入输出单元进行地址分配 并完成输入输出模块的组态工作。 ⑶编制梯形逻辑图 并对添加的内部继电器 计数器等分配地址。 ⑷程序输入和调试。

下位机PLC的应用程序基本上都用梯形图编写，少量用语句表编写。PLC从功能上主要进行两方面控制：回路控制(温度、流量和压力)和电气逻辑控制。整个控制程序主要实现以下基本功能：

⑴信号处理：该部分内容包括模拟量信号采集、开关量信号处理等。 ⑵功能报警：温度报警、压力报警和急停报警等。 ⑶温度控制：各段的炉膛温度

4.2 系统流程

本文程序分为四组程序，一组主程序和三组子程序。 4.2.1 主程序流程

环形加热炉温度控制的主程序流程图如图4.1所示。主流程开始后，首先判断是否要进行自动控制，“Y”则继续往下进行，“N”则转向手动控制。若进行自动控制，则进入“温度控制子程序”。

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开始自动Y温度控制子程序N手动运行结束

图4.1 环形加热炉温度控制主程序流程图

4.2.2 温度控制子程序程序流程

环形加热炉温度控制系统的温度控制子程序流程图如图4.2所示。程序开始后，先对现场的炉温信号用热电偶进行采集，将信号转换为4—20MA的电信号送入PLC。在PLC内对采集的温度信号与温度设定值比较，若不相等，则对温度进行PID调节，再进入煤气流量、空气流量控制子程序，直至温度与设定值一致，达到稳定；若相等，则退出。

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开始采集温度信号温度是否与设定值相等N温度PID控制Y煤气流量子程序空气流量子程序结束

图4.2 温度控制子程序流程图

4.2.3 燃烧控制子程序程序流程

环形加热炉温度控制系统的煤气流量、空气流量控制子程序流程图如图4.3、4.4所示。程序开始后先对煤气、空气的流量用涡街流量计进行采集，把采集的信号转换为4—20MA的电信号送到PLC内。在PLC内对个流量信号经运算送到彼此的给定值，然后进行PID控制，使各流量控制阀至合适的位置，并满足空燃比，达到稳定位置为止。

开始采集空气流量经运算送入给定煤气流量PID控制结束

图4.3 煤气流量控制子程序流程图

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开始采集煤气流量经运算送入给定空气流量PID控制结束

图4.4 空气流量控制子程序流程图

4.3 软件设计

4.3.1 I/O端口分配

本设计采用西门子S7-200 CPU224 PLC作为系统的控制器。并且选择一个模拟量输入/输出模块EM235和一个模拟量输出模块EM232。I/O地址分配表如下：

表4.1 I/O端口分配表

输 入 信 号 输 出 信 号 启动按钮 停止按钮 急停按钮 自动按钮 手动按钮 温度检测信号 煤气流量检测信号 空气检测流量信号 运行 自动运行 手动运行 煤气流量调节阀 空气流量调节阀 30

I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 AIW0 AIW2 AIW4 Q0.0 Q0.1 Q0.2 AQW0 AQW2 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

4.3.2 程序结构

本文根据流程图写了四段程序，一个主程序、一个炉膛温度控制子程序和一个燃烧控制子程序。

⑴主程序 主程序也称为组织块OB1。OB1处于最高层次，可以管理其他程序。当控制任务简单时，仅有主程序就可以完成控制要求。控制任务复杂时，通常将任务分为多个简单任务，每个任务放在不同的子程序中，便于程序的编写和调试。

⑵子程序 每个子程序有不重复的序号SBRn，以便主程序调用。 （本控制系统程序附在附录B中。）

4.4 系统调试

系统调试分为两大步骤，一是系统软件调试；二是系统硬件调试。 ⑴系统软件调试。系统软件调试是在PC机上进行，本系统将PLC控制程序输入PC机后，根据运行要求，设定若干数字开关量，模拟量，对系统的每一个功能进行检测测试并在此基础上不断完善程序以达到系统要求。

⑵系统硬件调试。相应的系统硬件也是在实验室里进行，用一个设备来摸仪控制对象。首先检查设备的诸个单元是否合乎要求，其次将软件和硬件结合起来进行测试。并不断完善PLC软硬件的配置以达到最优的结果。

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第五章 系统监控组态软件的设计

系统软件主要分为上位监控组态软件和下位机软件及通信软件。上位机监控软件主要实现的是现场监控、报警以及设定值及P、I、D参数的设置等功能。本设计采用的是亚控科技开发的组态王监控组态软件。

5.1 组态王简介

5.1.1 组态王简介

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 5.1.2 组态王的使用

1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： ⑴图形界面的设计 ⑵构造数据库 ⑶建立动画连接 ⑷运行和调试

2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:

(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。

(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控

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制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。

5.2 组态画面的介绍

5.2.1 运行窗口

运行窗口是组态监控画面的主窗口，该画面可以实时的显示系统的运行状态、温度设定值、温度实时值、流量实时值以及空燃比的设定值。各按钮还可以对系统进行远程控制。该画面还可以于其他画面任意切换，方便观测实时数据和历史数据。当有报警输出时，换面自动跳转到报警画面，当有报警发生时，需按下“复位”按钮使系统复位，恢复正常。该运行画面如图5.1所示。

图5.1 加热炉温度控制运行窗口

5.2.2 实时曲线窗口

实时曲线窗口可以显示温度、煤气流量和空气流量的实时值，并且可以实现与其它窗口之间的转换。当按下“报警复位”时，系统复位且直接跳回到运行窗口。实时曲线如下图所示：

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图5.2 温度实时曲线

图5.3 煤气流量实时曲线

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图5.4 空气流量实时曲线

5.2.3 历史曲线窗口

历史曲线窗口记录了温度、煤气流量和空气流量的历史数据。可以根据输入的“卷动值”和“调节时间”来控制调节按钮的跨度，按动调节按钮可以调出各个量的历史数据。历史曲线如下图所示：

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图5.5 温度历史曲线

图5.6 煤气流量历史曲线

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