基于昆仑通态触摸屏和PLC的管坯加热炉控制系统设计[20200410141509]
摘要
课题主要针对加热炉的天然气燃气技术改造，采用先进的PLC技术、触摸屏人机界面技术，设计先进的加热炉自动控制系统，提高加热炉操控的自动化水平，从而提高加热炉加热效率，达到节能降耗，提高企业生产效益的目的。
该加热炉主要用于对钢坯进行加热，采用天然气作为燃料，系统共有三个烧嘴，每个烧嘴分别有大小火控制。本课题设计要求先小火工作，当炉温达到一定温度时，大火开始工作，当炉温达到设定温度时，关闭大火，小火继续加热，当炉温低于设定温度时，大火加热，依次循环控制炉内温度。
系统采用触摸屏作为人机交互界面，操作员可以输入数据，设定最高温度值，记录和显示加热炉过程数据，选择手动或自动控制方式等，大大的提高了操作效率。
该系统提高了加热炉燃烧控制水平，能够较好的控制炉温，可以有效降低能耗，提高生产效益，具有一定的环保意义和经济价值。
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关键字:加热炉PID昆仑通态触摸屏PLC
目录
第一章 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 加热炉系统设计的主要要求与内容 1
1.2.1 加热炉系统设计的主要要求 1
1.2.2 加热炉系统设计的主要内容 2
第二章 加热炉控制系统方案及硬件设计 3
2.1 加热炉系统的设计方案 3
2.2 硬件的设计 4
2.2.1 系统硬件的选型 4
2.2.2 PLC硬件I/O地址分配表和硬件接线图 6
2.2.3.空气开关、接触器等硬件的选型 8
2.2.4 系统硬件的安全保护措施 9
第三章 加热炉系统控制原理及PLC程序设计 11
3.1 系统的工作原理介绍 11
3.1.1 电控系统的控制原理 11
3.1.2 加热炉系统的炉温控制原理 11
3.1.3 加热炉系统的炉压控制原理 11
3.1.4 系统功能的实现以及数据采集显示 12
3.2 加热炉系统的控制特点 12
3.2.1 加热炉控制系统的供风量恒压控制 12
3.2.2 加热炉大小火点燃控制特点 18
第四章 昆仑通态触摸屏人机界面程序的设计 22
第五章 程序的调试和安装 28
5.1 程序调试的思路 28
5.2 程序调试前的准备工作 28
5.3 程序调试及调试工具 29
5.4 程序过程及结果 29
5.4.1 手动控制 29
5.4.2 自动控制部分 29
5.4.3 故障报警 30
结束语 31
参考文献 32
附录一 33
附录二 35
附录三 36
加热炉程序 36
致谢 50
第一章 引言
1.1 研究背景
 随着我国经济的迅速发展，能源短缺已成为制约我国工业发展的重要阻碍，社会各界都对此积极关注。推钢式加热炉是冶金工业的主要耗能设备。如何保证被加热后的金属能够在有效轧制前提下，降低加热炉的能耗，一直是冶金工业控制技术研究的主要方向。近年来由于各企业重视节源效益，对加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。目前面向节能降耗、提高轧制产品质量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛的应用于现代冶金企业的加热炉生产控制中。设计一套完善可行的加热炉炉温控制系统有其巨大的经济价值、环保意义。
加热炉生产过程主要是个燃烧与热交换的物理化学过程，燃烧方面有一个如何使其在各种工况下特别是在热负荷变化的动态过程中保持最佳节能燃烧的问题。另外从整个轧制生产线来看，加热炉是局部环节，其主要任务是加热钢坯，使钢坯在出炉时达到轧制所要求的温度分布。评价加热炉性能优劣的主要指标是加热炉的单位燃烧消耗、产量、钢坯的加热质量、钢坯的氧化烧损等。影响这些指标的因素较多，在众多因素中加热炉温度制度起着决定性的作用。不仅要保证炉温的稳定，而且还要尽可能的提高炉子热效率，才能加热炉的正常操作与管理，降低燃料消耗。加热炉操作的好坏，将直接影响到产品质量和生产效率。在安全上，要防止仪表失灵或其它原因使炉温超高烧坏炉管或结焦，要避免操作不当造成回火。在正常操作条件下必须控制好的主要参数有炉出口温度、分支出口温度、炉膛温度和炉内负压等，各参数的控制必须严格按照工艺卡片执行。
1.2 加热炉系统设计的主要要求与内容
1.2.1 加热炉系统设计的主要要求
1.加热炉共有3个烧嘴，采用大小火方式，正常情况下小火全部点着。
2.通过设备检测，将风机压力和炉温显示出来，按照要求，依次点燃关闭各个烧嘴。
3.在昆仑通态触摸屏中设计三个界面，初始界面可以切换到手动控制和自动控制中，提高操作效率。
4.遵循电气控制原理，设计出安全可靠的控制系统。
5.出现故障时，能够及时报警。
1.2.2 加热炉系统设计的主要内容
1、分析管坯加热炉的工作流程和控制要求，进行管坯加热炉电气控制系统整体设计；
2、电气控制原理的设计、主要硬件的选型设计；
3、分析管坯加热炉控制工艺流程、人机交互要求和管理需求，设计昆仑通态触摸屏人机界面程序；
4、PLC控制程序的设计，该课题需要调用子程序（报警、模拟量采集、模拟量输出、PID调节四个子程序）；
第二章 加热炉控制系统方案及硬件设计
2.1 加热炉系统的设计方案
1. 方案一：通过昆仑通态触摸屏与PLC技术相结合的控制方法，该方案成本不是很高，且能够很好的控制炉温和风机压力，通过昆仑通态触摸屏实现手自动切换，安全可靠，便于操作，很大程度上减少了操作人员的工作负荷，对环境要求也比较低。
2. 方案二：采用市场上较通行的工控机加组态软件作为PLC上位机的控制方法，此方案的成本比较高，而且对于应用环境也有一定的要求，工控机作为监控的上位机需要专用的控制室，该课题的设计只是一个小型炉子，没必要投入这么大的成本。
3. 方案三：采用简单的智能化仪表的控制方法，对于燃气快切阀、燃气电磁阀、变频风机、空气阀门电动执行器等的联动无法操作，很大程度上降低了系统自动控制运行的能力，不利于工作人员操作，生产效率低下。
通过以上三种方案的比较，还是第一种方案适合该加热炉的使用要求。因为本课题所设计的只是一个小型加热炉，基本结构简单，要求利于操作，安全可靠，提高加热炉操控的自动化水平，提高加热炉的加热效率，节能降耗，降低生产成本，第一种方案基本上满足了生产工艺的要求。系统基本结构如图2-1所示：
图2-1 加热炉控制系统的基本构图
2.2 硬件的设计
2.2.1 系统硬件的选型
1.PLC选型
各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。西门子SIMATIC S7-200系列PLC都适用。由于它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，使得PLC可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
最新一代的CPU模块按I/O点数多少不同和效能不同而有五种不同结构配置的品种，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226，每个品种里又分出2种类型：一种是DC24V供电/晶体管输出；一种是AC220V供电/继电器输出，所以一共有10种CPU模块。
CPU224集成14输入/10输出，相对于CPU221和CPU222，程序存储容量扩大了一倍，数据存储容量扩大了四倍，它最多可以有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用的最多的S7-200产品。
本课题设计中有3个烧嘴的大小火输出、风机的运行输出、天然气的快切阀输出、报警输出、空气阀的输出，总共12个输出；输入口主要有3个烧嘴的大小火故障、风机故障、燃气压力过高或过低故障，总共9个输入。根据系统控制所需要求的I/O口数量的估算，必须保证有一定的备用输入输出点，这些输入输出点都是通过DC24V来供电的。

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