重庆大学 硕士学位论文 退火炉PLC控制系统的设计 姓名：张咏梅 申请学位级别：硕士 专业：控制工程 指导教师：黄勤;梁修群 20060301
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中文摘要
摘
要
芜湖钢厂大线退火炉（以下见简称大线退火炉）的 PLC 控制系统是该厂的一 个重要控制系统。采用 PLC 控制具有自动化程度高、控制精度高和易于设置、易 于管理的特点；该系统是 PLC 控制的一个大型系统，不论是点数、数据采集的类 型，还是 PLC 的通信都完整地体现了 PLC 强大的控制功能。 大线退火炉是为满足球墨铸铁管获得铁素体的基体组织，根据水冷离心球墨 铸铁管的热处理工艺设计建造的，炉体设计为分为四段：加热段、保温段、速冷 段和缓冷段。通过分析了球墨铸铁管性能要求以及退火炉的工艺，详细讨论了该 退火炉四个工作段的温度和压力参数，通过试验选择了最佳退火工艺，得到退火 炉控制的依据，选择合适的温度控制曲线。 通过分析系统的控制特点，以及对控制系统的控制要求和点数的分析，设计 选用 S7－300 系列 PLC 进行组态，并分为两个控制系统，电气系统 PLC 和仪表系 统 PLC。在对工艺过程进行系统分析的基础上运用组态王软件对系统上位机程序 进行了设计开发，共设计 10 个主要监控画面，可以形象的显示退火炉系统的参数 和各工作点的状态。针对退火炉的控制任务，在下位机程序设计中采用结构化编 程方法，对各段温控参数的要求，以及不同变量的设置进行了研究，并完成了分 模块程序设计。 本文在完成系统硬件配置及监控软件设计的同时，重点研究了系统的控制方 法。在分析模糊控制的原理及其分类的基础上，设计了模糊控制器，通过对变量 的模糊化、建立模糊规则、建立模糊控制表以及反模糊化等一系列过程，完成了 查表法模糊控制器的设计。查表法模糊控制器具有设计简单，实用性强的特点， 经试验表明该控制器具有控制精度高，超调小等特点，现场运行以来效果良好。 由于该系统要求检测的数据多、类别多，因此通信成为本论文研究的重点之 一。设计了基于以太网络及 PROFIBUS 现场总线的混合网络结构，以充分发挥混 合网络的技术优势，取得了良好的通信效果。 控制系统设计完成后，布置了现场试验场地，并进行了试验研究。在退火炉 调试运行的结果表明，所设计的大线退火炉控制系统能够满足生产控制的需要， 取得了良好的效果。 关键词：退火炉，PLC，模糊控制，现场总线。
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ABSTRACT
Wuhu large production line annealing furnace （Abbreviated as large production line annealing furnace） is an important control system of Wuhu steel plant in Anhui. The system is a large-scale PLC control system. There are features of the PLC control system: high level automation , manage.Whether in checking high precision in control ,easy to design ,easy to numbers of connecting points and collecting data or in
Fuzzy Control,
PrБайду номын сангаасfibus
III
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绪
论
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1.1 选题背景及其研究意义
绪
论
本文研究的课题来源于 “安徽省芜湖钢铁厂 54 米卧式水冷离心球墨铸管退火 炉”建造工程，主要研究设计该生产线（以下简称大线）的控制系统。我国有百 余家灰铁管生产厂，球墨铸管的生产刚刚起步，冶金系统 1986 年从西德引进并建 成国内第一条球墨铸管生产线，该生产线除铸机从美国 CCMC 公司引进外，其他 全部是国内配备，马鞍山铸管厂和黄石铸管厂也于九五年先后投产热负荷试验。 随着我国工业化进程的发展和城市规模的扩大，更多的离心球墨铸管生产线投入 建设和运营中。我国很多钢铁厂的离心铸管生产线于 1997 年前后建成。使用中发 现炉型不太合理，控制系统为继电器控制方式，输出动作主要依靠工人经验进行 手动调节，同时缺乏上位机监控、报警及连锁等软件保护系统，致使炉温波动较 大，在很大程度上影响了管子的退火质量，节能效果也较差，隐存很多不安全因 素，故对部分退火炉又进行了改造。安徽省芜湖钢铁厂 54 米卧式退火炉是一个新 建的退火炉，为了克服继电器控制方式所存在的各种缺点，直接引用西门子公司 PLC 控制系统，使系统可靠性明显增强。 铸管退火炉作为铸管生产关键工序之一，自动化控制的水平和可靠性直接关 系到铸管产品的质量及能耗。根据实际的工况，本系统采用 PLC 控制技术结合不 同的控制算法，来实现铸管退火过程的自动化。为保障生产的顺利进行，防止可 能发生的故障给生产带来损失，设置上位机集中监控和报警系统，对可能发生的 各种故障进行实时监控，以帮助操作人员及时发现并排除故障。本系统在通讯上 采用 PROFIBUS-DP 现场总线， 以保障系统监控信号及各种传感器的输入信号的组 态值的传送[5]。
II
Structured
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its control watch and the process of anti-faintnesses etc had been builded up. The fuzzy controller of the watch method had been completed successfully.. The debugs in annealing furnace indicate the design of control system can satisfy the production and it works very well now. Key words: Annealing furnace, Plc,
1.2 退火炉控制系统的发展趋势
目前，离心生产的球墨铸铁管,由于受水冷金属型的激冷作用,产生大量的渗 碳体,需要退火处理,使其分解,形成以铁素体为基体的球墨铸铁管。 退火处理后的铸 铁管,其金相组织为铁素体加少量珠光体,屈服强度、抗弯强度以及延伸率大幅度提 高,以达到 ISO2531 的国际标准。因此,退火炉在铸铁管生产工艺中起着举足轻重的 作用轻重的作用[39]。 退火炉从以下几个方面得到长足的发展： （1）退火炉从燃料上，由原来的燃煤依次发展为燃油、燃气、天然气等； （2）由卧式发展为立式，又由立式进一步发展为卧式；
PLC communication perfectly shows powerful control function of PLC. It’s the essential organization that allows the Cast Iron Pipe to gain iron element body. According to the heat-handling skill of the Cast Iron Pipe, the furnace body is designed for four stages: heating, heat preserving, fast cooling, and slow cooling. Through analyzing the properties of the Cast Iron Pipe and the technology of the annealing furnace ,discussing in detail the temperature and pressure parameters of the four sections in the annealing furnace, it chose the excellent annealing technology and proper temperature control curve, got the control base of the annealing furnace. Analyzing the control feature of the system and the temperature and pressure of these four stages as well as the demands of control system and checking numbers, we choose S7-300 Series PLC. PLC system is divided into two: electrical system and meter system. On the basis of systematacially analyzing the craft course, we made use of the king view software to carry on designing and developing the programme of master computer of the system. Ten monitoring pictures are designed ,which can vividly show the system parameter of the annealing furnace and the states of each working point.Aiming at the control task of the annealing furnace,the method of Programming is adopted in designing the program of lower computer. Because of different demands temperature control, and the establishment of different variables has carried on research, We have finished dividing the module and designing program. The system is required to check many data, which are various. Communication is the focal point. We also adopt Ethernet and Profibus on-the- spot. The designed based on the network structure of mixing Ethernet and Profibus on-the-spot . At the time of completing the system hardware to install and correspond by the constitution of network, the fuzzy controller had been studied with emphaisis. After analyzing the general theory of the fuzzy control and its categorize, the fuzzy rule and