退火炉温度控制系统

本科生课程设计

题目：退火炉温度控制系统

课程：电力拖动自动控制系统

专业：电气工程及其自动化

班级：

学号：

姓名：

指导教师：

完成日期： 2015年3月20日

任务书

一、课程设计的目的

通过电力拖动自动控制系统的设计、了解一般交直流调速系统设计过程及设计要求，并巩固交直流调速系统课程的所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力。为今后从事技术工作打下必要的基础。

二、课程设计的要求

1、熟悉交直流调速系统设计的一般设计原则，设计内容以及设计程序的要求。

2、掌握控制系统设计制图的基本规范，熟练掌握电气控制部分的新图标。

3、学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据。

4、培养独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。

三、课程设计的内容

退火炉温度控制系统由一台上位机操作台、一台SIEMENS S7-200 PLC控制柜、一台变频器控制柜，3台风机，3台水煤浆输送泵组成。加热段的三个炉段，各段于炉顶设一支热电偶，根据热电偶采集的炉温信号，与设定值比较，经PID 计算后输出控制信号变频器调节水煤浆流量，改变烧嘴的输出功率，实现温度自动控制。同时根据助燃风量的改变及空/燃比例阀的配比，手动调节助燃风流量燃气的流量，实现最佳空/燃配比。

四、进度安排：共1.5周

本课程设计时间共1.5周，进度安排如下：

1、设计准备，熟悉有关设计规范，熟悉课题设计要求及内容。（1.5天）

2、分析控制要求、控制原理设计控制方案（1.5天）

3、绘制控制原理图、控制流程图、端子接线图。（2天）

4、编制程序、梯形图设计、程序调试说明。（1.5天）

5、整理图纸、写课程设计报告。（1.5天）

五、课程设计报告内容

完成下列课题的课程设计及报告（课题工艺要求由课程设计任务书提供）退火炉温度控制系统

目录

1. 工程概况 (3)

1.1 概述 (3)

1.2 退火工艺过程 (3)

2. 控制系统方案设计 (5)

2.1 控制原理方案 (5)

2.2 主电路设计 (6)

3. 控制系统器件选择 (7)

3.1温度变送器的选择 (7)

3.1.1 SBWR热电偶温度变送器介绍 (7)

3.1.2 SBWR技术参数 (7)

3.1.3最后确定温度变送器的型号、类别： (8)

3.2 PLC的选型： (8)

3.2.1 PLC选型要求 (8)

3.2.2 PLC及其扩展模块选择结果 (10)

3.3变频器的选型： (10)

3.3.1变频器选型要求 (10)

3.3.2 变频器选择结果 (10)

3.3.3 变频器参数设置 (11)

4. PLC外部接线图 (14)

5. PLC实现PID的控制方式 (15)

5.1 PLC的PID程序介绍 (15)

5.2 PID梯形图程序 (16)

6. 小结与体会 (19)

参考文献 (20)

1. 工程概况

1.1 概述

退火是金属热处理中的重要工序，通过退火可以达到细化组织、降低硬度、改善切削性能、消除内应力等目的。在退火炉的运行过程中，需要检测并控制的参数较多，但基本上都围绕温度这个核心。在燃气退火炉燃烧过程控制中，需要克服控制对象的多变性、非线性、噪声、不对称增益、较大纯滞后等多方面因素的影响，实现较精确的炉温和压力控制。根据统计分析，燃烧过程中空气过剩率控制要合适，因此，控制系统应该通过控制空气和天然气的比例保持最佳燃烧状态。此外，炉膛压力是随工况变化的，其变化影响炉温和热效率。要维持稳定的炉温，还需对炉膛压力进行调节。由此可见，要保证退火质量，实现最佳燃烧状态，控制系统应包括以下组成部分：天然气、空气流量调节回路；空气燃气最佳比例调节回路；炉膛压力调节回路。本文以燃气退火炉为研究对象，结合某企业设备改造的需求，采用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和工控组态软件以及VB语言完成对燃气退火炉的智能控制的开发，包括硬件系统平台和软件系统平台。

1.2 退火工艺过程

退火是将钢件或各种机械零件加热到临界点Ac3以上的适当温度、在炉内保温缓慢冷却的工艺方法。其目的是细化组织、降低硬度、改善机械切削加工性能及去除内应力。图1

为某企业常用退火材料的工艺曲线，所要求的一般工作情况是，在一段时间(3.0 h~3.5 h)从常温较平稳地升温到640 ~800℃之间的某一工艺要求温度(根据待退火材料的种类而设定)，在此退火工艺温度下保温一段时间(如5 h)。整个控制过程分为升温与保温2个阶段。升温时，无须使实际升温曲线紧跟设定曲线，只要求温度曲线是平稳上升的趋势；保温阶段是控制的重点，为了获得好的退火效果，需以尽量小的波动稳定在设定的保温温度，一般要求限于±5℃范围内波动；保温结束后要求缓慢随炉冷却，此阶段无需控制。

某企业常用退火材料的工艺曲线

某企业的燃气退火炉采用传统手动控制方式，在这种方式下现场操作人员需不断地将炉温观测值与给定值做比较，然后根据经验直接在操作器上手动设定天然气、空气和炉压阀位，以增大或减小供给炉体的热量，使炉温保持给定温度。但由于燃气退火炉的燃烧过程受到多种因素的干扰，因此即使是经验丰富的操作工人，也很难全面考虑各种因素的影响，准确控制燃烧过程，常常造成产品质量不能保证。有时，对助燃风调节的盲目性造成烟囱冒出大量黑烟和能量消耗过大等，对环境造成污染。图 2 是该燃气退火炉改造前的一次退火热处理的温度记录曲线，从曲线中不难看出，这种手动控制时炉温波动大、控制精度低。实际生产中退火材料容易脱碳，难以达到工艺要求，严重影响了退火质量，限制了该企业的生产发展。

退火炉改造前一次退火热处理温度记录曲线