炉温自动控制系统的设计.docx
- 文档编号:26322115
- 上传时间:2023-06-17
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:270.31KB
炉温自动控制系统的设计.docx
《炉温自动控制系统的设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《炉温自动控制系统的设计.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
炉温自动控制系统的设计
【摘要】:
现用时效炉采用三位式温控系统。
在热处理工件时工艺温度宽泛,并且保持这个宽泛的温度时人工负荷量太大。
所以要对该设备需要改造的方案进行研究。
将工艺温度控制在±10℃,并减少操作人员一人。
而常规PID控制单元具有构造简洁、性能高并且运行稳定,其被使用在多数的操控过程之中。
可是常规的PID控制在系统的反馈参数改变、工作的环境发生改变的时候,通常不能获得优良的控制性能。
针对这种状况,我们采用不需建立精准的数学模型的模糊控制方法,在可编程逻辑控制器实现来完成设备的改造。
【关键词】:
炉温自动控制设计
Designofautomaticcontrolsystemforfurnacetemperature
LAbstract1:
thecurrentagingfurnaceadoptsthreepositiontemperaturecontrolsystem.Whendealingwithheatwork,theprocesstemperatureisbroadandthemanualloadistoolargetomaintainthisbroadtemperature.Therefore,theequipmentneedstobemodifiedtostudytheprogram.Theprocesstemperatureiscontrolledat10DEGCandtheoperatorisreducedtooneperson.TheconventionalPIDcontrolunithastheadvantagesofsimpleconstruction,highperformanceandstableoperation.Itisusedinthemajorityofcontrolprocess.However,theconventionalPIDcontrolusuallycannotgetgoodcontrolperformancewhenthefeedbackparameterschangeandtheworkingenvironmentchanges.Inviewofthissituation,weusethefuzzycontrolmethodwhichdoesnotneedtoestablishtheaccuratemathematicalmodel,andrealizestheequipmenttransformationintheprogrammablelogiccontrollerrealization.
【KeywordsJ:
furnacetemperature;automaticcontrol;design
引言 1
一、热处理炉温控制系统设计 2
(一)炉温控制系统设计需求分析 2
(二)炉温控制系统试验装置硬件设计 2
1.系统硬件 2
2系统工作过程 2
二、炉温PID控制方法实现 3
(一)PID控制算法 3
(二)PLC程序的设计 5
三、系统通信网络的建立 8
四、MATLAB的模糊自整定算法 8
(一)模糊自整定算法 8
(二)模糊PID控制规则 9
五、程序调试与运行 9
总结 11
参考文献 12
致谢 13
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。
2012年8月,国务院正式印发《节能减排“十二五”规划》(国发代号为(2012)40号)。
该《规划》指出:
要推动能效水平提高,其重点就是就是工业节能减排。
对工业发展,该《规划》提出了明确要求:
加强工业节能,坚持走新型工业化道路,……,推动技术进步、强化监督管理,推进工业重点行业节能。
《规划》主要地提出了三点重要任务:
一是继续调整优化产业结构,二是推动能效水平的不断提高,三是强化主要污染物减排。
由此可见,节能减排和减少污染已经被提升到国家发展战略层面上。
2013年1月至3月,中国北方出现长时间雾霾天气。
有专家指出,我国北方数量众多钢铁企业的高污染排放尽管不是雾霾天气的“罪魁祸首”,但它们对大气环境长期的负面影响也是“难辞其咎”。
所以说接下来,国家对钢铁企业的节能减排的要求会更加严格,这将直接影响整个钢铁企业的生存和发展。
当前,作为我国高耗能产业之一的钢铁冶金行业,根据我国现代化建设可持续发展的需要,深入贯彻节能减排“十二五”规划,才能在激烈的市场竞争中获得更大的经济效益和社会效益。
钢铁市场的数年低迷,也倒逼钢铁企业进行产业升级,坚决携弃以往粗放式的发展模式,不断降低能源消耗。
在工业生产中,利用燃料燃烧产生的热量,或将电能转化为热量对工件或物料进行加热的设备,称为工业炉,也可称为工业加热炉。
在我国,加热炉是工业生产中耗能仅次于发电和锅炉的耗能设备。
加热炉控制技术的关键在于以下几个方面:
1.及时地将坯料加热到工艺要求的温度,以配合全厂的生产节奏,满足钢铁企业对产量的要求;
2.达到坯料内外温度等加热指标,满足对加热质量的要求;
3.“四个减少”:
减少燃料消耗,减少燃料无效排放,减少热量无效排放,减少坯料氧化损失。
钢铁企业要实现生产低污染、确保产品质量和提高生产效率
的目标,上述这几个方面不可或缺,由此可见,对加热炉加热过程的深入研究具有重大意义。
一、热处理炉温控制系统设计
(一)炉温控制系统设计需求分析
热处理炉温实时控制系统必须满足可靠性、实时性和准确性要求。
笔者主要以热处理炉升温过程为例,进行实时仿真控制,其保温和冷却过程的温控与之类似。
该炉温控制系统设计需求为:
在整个系统中加热温度能按照设定的梯度升温,达到设定值后能稳定的保持在设定温度值上,精确度为0.1°,并尽量克服温度滞后性。
为了能够实时准确地控制热处理炉温,系统采用闭环控制系统。
(二)炉温控制系统试验装置硬件设计
1.系统硬件
根据系统的功能需求分析,系统采用S7-200PLC作为现场控制器,选用CPU224XPCN为主机模块,该模块有24个数字量输入点,16个数字量输出点。
智能温度采集模块热电偶EM231,该模块有4个模拟量输入点,集成有16位转换器,分辨率达到0.1℃。
通信采用PPI-RS485O温度采集采用K型热电偶,测量范围0~500℃;受实验室条件限制,故利用电烤箱作为加热装置模拟热处理炉,采用光管加热,温度范围0~300℃,硬件结构如图1所示。
2系统工作过程
上位机将输出温度控制指令传给PLC后,PLC主机又将数字量传递给输出模块,控制固态继电器的开关状态,从而控制电烤箱的加热情况;通过温度检测装置,检测温度信号变换为电压信号的炉温值,通过模拟量输入模块读入PLC,并与温度给定值进行比较,由PID及时调整数字量输出模块,实现炉温准确控制。
5
二、炉温PID控制方法实现
(一)PID控制算法
实际在车间生产现场使用中,使用相对较多的调节器是比例调节控制器,积分调节控制器,微分调节控制器,其合称为PID控制,也可以叫它作PID调节。
但是当我们不知道被控对象的参数一也就是不能通过有效手段取得现场设备的有效的运行数值。
这个设备的控制单元就适应PID调节控制。
在PID控制之中,实际生产现场中也仅有PI控制和PD控制。
一般的PID调节会根据设备反馈的误差,利用自身的比例、积分、微分来进行调节,进而解算出操控执行单元的控制幅度,从而改变控制对象的曲线。
截止到现在为止,PID控制的应用变得非常之广泛。
而其概括起来说,该算法具有如下优点:
原理非常的简单,使用便捷。
PID控制器是由P环节、I环节、D环节三个环节组合而成,该种控制的组成基本原理相对比较简单。
它也很容易理解,数据也有比较明确的物理意义。
适应领域非常广泛。
其可以广泛的应用于热处理加工、切削加工、石化化工、食品深度加工、建材成型等各行各业的大规模生产。
而按照PID控制进行生产工作的自动化的调节器早已商品化、行业标准化。
PID调节的发展经历了由机械式调节,向液动式调节,向气动式调节,再向现在的电子式调节进行了发展。
但从始至终都没有脱离PID调节的初始创立的目的。
即使是现在使用范围最多的控制过程的体系,其根本控制的原理也是根据原始的PID调节的定义进行发展而来的。
PID控制鲁棒性强(系统稳定性强悍):
PID控制器的鲁棒性就是PID控制器的稳固性和抗攻击性。
鲁棒英语是robustness,就是强壮的意思。
这里的“鲁棒性”:
是指设备的控制系统在一定的外部环境干扰下,保持其某些主要功能的能力。
其根据对功能性的不同定义,其可以分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。
使用闭环系统的鲁棒性的特性当做设计目的而获得的控制器被称为鲁棒控制器。
由于设备外部环境的干扰,还有输入误差的原因。
在实际的现行生产过程中,被控对象的准确模型根本获取不到。
所以设备的控制系统的鲁棒性尤为重要。
以PLC为控制核心,将采集的温度送到热电偶模块,经过A/D转换后传输到
PLC,然后经过PID算法对温度实现闭环控制,温度控制系统如图2-1所示。
图2-1温度控制系统
该系统采用比例、积分及微分控制即PID控制。
PID控制在实际中有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分和微分计算出控制量对系统进行控制。
利用热电偶将炉温转化为毫电压信号,传送到EM231的输入通道,转换为0〜4000(最大4095)数字量,在经过程序的转化,最终传送到PID处理。
系统中被控温度按照设定的斜率升温,首先需要设定一个初始的温度f(/J在程序中设立一个函数y=f(t),此函数的斜率设定如下:
当系统上电或重新设置控制温度时,给一个脉冲,这时候系统会采集当前温度f(/。
)作为初始的温度,设置加热时间为At,此时斜率左=/伉)―/()),按照该函数的程序设定温度实时改变,从而得到不同的新设定温度,为PID的控制奠定基础。
PID控制输出信号,输出信号为数字量,即将PID计算结果转换为相应占空比的pwm波,从而实现温度按照一定斜率上升。
系统的PID控制参数如表2-1所列。
表2-1PID控制参数
偏移量
域
格式
类型
说明
0
PVn进程变量
双字-实数
入
包含进程变量,
必须在0.0~
1.0范围内
4
SPn设定值
双字-实数
入
包含进程变量,
必须在0.0~
1.0范围内
8
Mn输出
双字-实数
入/出
包含进程变量,
必须在0.0~
1.0范围内
12
Kc增益
双字-实数
入
包含增益,此为
比例常数,可为
正数或负数
16
Ts采样时间
双字-实数
入
包含采样时间,
以秒为单位,必
须为正数
20
TI积分时间或
复原
双字-实数
入
包含积分时间或复原,以分钟为单位,必须为正数
24
TD微分时间或
速率
双字-实数
入
包含微分时间或速率,以分钟为单位,必须为正数
28
MX偏差
双字-实数
入/出
包含0.0~1.0
之间的偏差或积
分和数值
32
PVn-1以前的进
程变量
双字-实数
入/出
包含最后一次执行PID指令存储的进程变量以前的数值
利用PID数字量输出模拟固定周期占空比可控的PWM波,再通过该PWM波控制双向可控硅(固态继电器)的导通时间,以此改变加热电压来实现温度调节。
(-)PLC程序的设计
PLC控制器是整个控制系统中的核心环节。
本设计选用的是西门子系列可编程控制器。
可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicalController),英文简称作PLCoPLC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、电磁阀和电机等执行机构。
它采用可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
目前主流的PLC系统构成通常采用模块化结构,其结构框图见下图2-2
PLC主要由中央处理器(CentralprocessingUnit,简称CPU)、存储器、电源单元、I/O接口模块、编程器和外部设备组成。
PLC的主要功能有:
⑴在线数据采集和输出;⑵控制功能,主要包括模拟量控制、开关量控制、脉冲量控制等;⑶数据处理功能:
主要包括数字的传送和比较、数字运算、数值转换等;(4)输入/输出信号调制功能;(5)通信功能:
支持一种至多种的网络通信协议,可以与其他PLC、智能仪表实数据交换;⑹支持人机界面功能;⑺编程、调试等。
PLC的特点是:
⑴使用方便,编程简单;⑵功能强,性能价格比高;⑶硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强;(4)可靠性高,抗干扰能力强;(5)系统的设计、安装、调试工作量少;(6)维修工作量小,维修方便。
S7-400系列PLC是由德国西门子公司生产的一种适用于高档性能范围的可编程控制器,它能够满足多种自动化控制的需求,其设计紧凑,采用了模块化无风扇的设计,坚固耐用,并且具有良好的可扩展性以及强大的通讯能力,适合用于复杂的自动化控制系统。
由于它具有极强的通信功能,在大型网络控制系统中也能充分发挥作用。
9
S7-400系列PLC具有如下特点:
⑴指令执行速度快,CPU416执行一条二进制指令只要0.08nso
⑵存储器容量大。
例如部分CPU的RAM可扩展到16MB,装载存储器可扩展到64MB,完全满足系统工作需要。
⑶扩展功能强。
S7-400支持通过机架、远程I/O模块以及多种网络拓展,使其系统设置的灵活性增强。
⑷通信能力强大。
其主要支持工业以太网TCP/IP>PROFIBUS-DP和MPI通信协议。
S7-400代表性的应用是实现分布式结构系统或者冗余控制系统,其数据通讯性能有:
构建一个多至32的从站的网络,仅利用S7-400集成的MPI(多点接口)通讯协议即可;大多数S7-400的中央处理器都集成有PROFIBUS-DP通讯接口,可以非常方便地建立分布式的系统结构。
从用户的角度看,分布式结构系统与一站式结构系统在应用上没有不同,配置、寻址和编程方法都是相同的,但在实际上,分布式结构系统大大节约了信号电缆,优化了系统性能,增强了系统设置的灵活性。
中央处理器与在通信总线和MPI上的站点之间的通信速率最高可达到12Mbit/s。
⑸可以通过钥匙开关和口令对系统进行保护,大大增强了系统的保密性和安全性。
⑹有很强的诊断功能。
当出现故障时,PLC系统自动的将故障情况及中断时间保存在存储器中。
西门子STEP7和WinCC都有成套的附加软件(比如WinCC的S7-400CPUDiagnostics),负责对诊断数据进行在线的记录和分析。
⑺HMI服务集成其中。
系统可以自动传送信息给HMI服务目的地址。
首先,要对工艺生产流程的静态和动态特性进行收集和研究,然后在此基础上,选用适当的控制理论对控制模型进行深入分析,最后采用特定的控制方案加以实现,这些是自动化控制系统的应用流程和最终任务。
S7-400系列PLC在自动化系统中充分发挥了其强大的功能和适应能力,其应用范围从最容易的逻辑控制到复杂的大型自动化系统控制,可以满足绝大部分的工业和民用自动化控制应用要求。
本设计选用西门子公司S7-400系列PLC中的CPU416-2DP作为整个加热炉温度控制系统的核心。
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。
三、系统通信网络的建立
PLC程序编写完成后,需建立各个应用软件的通信网络,该系统采用OPC协议通信,中间桥梁是PCAccess,通过OPC协议建立S7-200与MATLAB和Wincc6.0的通信。
根据工业现场的实际要求,使用监控组态软件作为系统主控,进行实时数据采样,同时MATLAB作为后台应用程序进行复杂算法运算、参数实时整定及系统仿真等功能。
这样可充分发挥监控组态软件和MATLAB的各自优势,实现对工业现场的精确控制。
四、MATLAB的模糊自整定算法
(-)模糊自整定算法
系统采用自适应模糊自整定PID算法,以温度为反馈值,在PLC中计算出当前温度与目标温度设定值之间的差值及变化率作为输入,如图4-1所示。
随着温度的实时变化,模糊自整定PID的参数Kp、&.、可以实时发生变化,从而避免温度非线性变化引起的鲁棒性和时滞性,从而达到更好的动、静态性能。
温度控制是连续的,故采取的PID算法如下:
式中:
如为比例系数;e⑴为温差;(为积分时间常数;7;为微分时间常数。
11
(二)模糊PID控制规则
模糊推理实现PID参数的自整定,并根据系统实际需求和控制对象的特点建立。
恰当的模糊控制规则。
⑴温差较大时K,=0取较大的Kp与较小的K-
(2)温差适中时取小些,K,的取值要适当。
⑶温差较小时K,与可均取大些,温度变化率较大时,Kd取较小值。
隶属函数的选择,采取正态分布,将温差和变化率的变化范围定义为模糊集上的论域。
温差、变化率={-6,-4,-3,-2,0,1,2,3,4,6}。
根据图4-2所示模糊自整定流程,在MATLAB中编程即可实现PID参数的模糊自整定,通过PCAccess将PID参数写入S7-200,实现炉温的自动控制。
五、程序调试与运行
根据炉温控制系统设计思路,进行程序调试与运行。
具体步骤如下:
(1)检查外部电烤箱及PLC等硬件的连接是否正确;
(2)通电并打开Step-200,把控制程序下载到PLC中;
(3)打开PCAccess,测试下变量是否连接好;
(4)打开MATLAB软件和Wince软件,激活界面并运行组态界面;
(5)在组态界面输入设定值,实时观察测控系统,监控界面如图5;所示。
12
图5-1模糊自整定温度监控界面
为检验模糊温度自整定PID算法与传统无模糊自整定PID算法之间的温度控制差异,将PID设置为3个固定值,带入去掉模糊自整定程序的传统PID温控系统,即可得到无自整定算法的温控曲线,如图5-2所示。
图5-2无模糊自整定温度监控画面
由图5-1,5-2对比可知,传统的PID控制算法温度波动及斜率变化较大,而含有自整定算法的温度按照所设定的斜率上升,温度值波动较小,温度误差小于5%,说明该温度系统采用的模糊自整定算法可以精确地控制温度,并克服了温度波动大、误差较大及温度滞后的缺点,满足了温度实时控制系统的设计要求。
该热处理炉温实时控制系统,利用PCAccess建立了PLC、Matlab和Wince之间的实时通信,在MATLAB中采用模糊自整定算法计算PID参数,并传输给PLC,从而实现温度的实时控制。
通过现场试验的Wince实时监控界面可以看出,该系统可以准确地控制炉温的变化趋势,模糊自整定的算法使环境以外的因素对温度的自动控制影响非常小,能够达到热出炉炉温控制系统的可靠性、准确性和实时性要求。
参考文献:
[1]黄双成,李志伟.OPC技术下MATLAB与PLC的通讯实现[J].机械工程与自动化.2014(03)
⑵朱建军.基于OPC和MATLAB/Simulink的双容水箱液位控制[J].可编程控制器与工厂自动化.2014(03)
[3]马志豪,康宁,高定伟,徐斌,吴健,贾宁,宋东先.过量空气系数与废气再循环率耦合对汽油机性能的影响[几农业工程学报.2014(01)
[4]樊镭,张天开,叶冬.加热炉温度控制系统的设计[J].微型机与应用.2013(16)
⑸王惠平.基于多线程温度控制专家系统[见现代电子技术.2012(02)
⑹宫向阳,冯新国.先进控制技术在延迟焦化装置的应用[J].炼油技术与工程.2011(09)
[7]刘大易,赵玉晓.基于OPC技术的半实物仿真温度控制系统设计[J].锅炉制造.2010(06)
[8]夏志英.基于PLC的输油热媒炉控制系统[J].自动化技术与应用.2010(07)
[9]杨宏,李国辉,常淑娟.基于LabVIEW的虚拟实验室建设[J].现代电子技术.2010(07)
[10]刘林辉,黄永红,张亚强.300MW火电机组过热蒸汽温度模型预测控制研究[J].热力发电.2009(03)
致谢
即将离开校园,虽然对未来充满了期待与展望,但回首在校园中的学习生活,却也弥漫着离别的忧伤,心中充满了种种不舍,更充满了对许多人的感激。
首先,我想感谢我非常敬重的导师,是您在我的人生中最重要的时刻,给予了我最重要的指导,是您的孜孜教诲让我的团团迷惑得以顺利解决,让我能够顺利完成我的毕业论文,为我的校园生活划上一个完美的句号。
来到教室中,满眼都是每位老师的身影,和老师对我的教诲,我想由衷地道一声感谢,是您们在教授我知识的同时让我学会观功念恩,让我懂得以感恩的心来回馈世界,也让我学会了对人的尊重,您们是我人生中的指名灯,照亮我的人生之路。
漫步于校园中,校园中的每一个角落都充满了与同学的点点滴滴的回忆,是你们的友爱和关怀,让我的校园生活充满了色彩,是你们让我的人生中又多了一批让我珍惜的珍贵的朋友,你们是我人生中的一笔重要的财富,非常感谢你们走进了我的生活。
我还想感谢我亲爱的父母,您们是我生活和学习中的坚强后盾,更是我不断前进的动力,感谢您们对我的宽容和鼓励,所有的恩情我都会铭记于心。
最后,再一次感谢所有给予我关怀的老师、和我一起的同窗及支持我的家人!
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 炉温 自动控制系统 设计