基于S7300程控器的倾动式保温炉系统设计.doc

1、江 西 理 工 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）开 题 报 告机电学院 自动化专业 07 级（ 届） 一 班 学号 25 学生 严学明题 目：基于 S7-300 程控器的倾动式保温炉系统设计本课题来源及研究现状：本课题来源本课题以中国铝业某分公司的铝水保温炉系统为背景，该系统负责整个工 业 生产流程中的铝水保温和控制铸造速度的快慢。此公司有两台倾动式保温炉，炉体采用 10mm 钢板Q235A及轧制型钢焊接而成，整个炉壳是一个网络状加固刚体，炉子后墙设置两个高强度的回转支座，具有足够的灵活性和同心度，侧面安装两个重型液压缸，行程可使炉体沿一个方向最大倾翻 27.5。本倾动式保温炉控制系统按照

2、安全可靠、经济高效、人机和谐、优化管理的方针进行设计。利用先进的计算机网络技术，实现现场保温炉系统稳定可靠的运行，运程各种操作站的信息融合、集中监控，提高控制系统的自动化水平和管理水平。研究现状倾动式保温炉是冶炼、化工、铸造等工业生产过程中必不可少的能源保护设备。拿工业铝水保温炉来说，熔炼炉中刚出来的铝水是不能直接拿去铸造的，根据铸造的各项要求必须保证流入铸造的铝水大小是一定的，否则出来的都成废品。保温炉在此过程中不仅起到保温防止炉水硬化，而且使得铝水的流量大小恒定的流入铸造流口。由此可见，保温炉的地位在工业生产中是举足轻重的。随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，做为工业领域铸造前

3、提的核心设备，保温炉也向着大容量、高效率、全自动发展。为确保安全，稳定生产，提高管理水平，保温炉设备的控制系统显得愈加重要。保温炉是工业生产过程中的重要能源保护设备。炉体耗能巨大，我国每年就生产金属的产量都以百亿为单位，而这些金属在冶炼的过程中都必须经过保温炉，保温炉是通过燃烧重油类物质从而达到炉内温度恒定的设备。由此可见，提高保温炉的计算机控制水平不仅具有客观的经济效益，还具有重要的环保意义。但是我国目前运行的大多数保温炉系统控制水平不高，效率明显低于发达国家，操作工人水平参差不齐，经常凭借经验和感觉去操作，长期使得保温炉体处于高消耗、低安全、环境污染严重的状况。随着我国社会经济的发展，自动

4、化控制水平越来越高，用户对保温炉系统控制系统的工作效率要求也越来越高，为了提高保温炉的工作效率，减少对环境的污染问题，所有利用计算机与组态软件技术对倾动式保温炉的工作过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：其一，通过对保温炉燃烧系统进行有效控制，使燃烧在合理的空燃比条件下进行，可以提高燃烧效率，减少能源。其二，保温炉的倾动速度是根据铸造快慢来调节的，利用计算机控制可以提高其倾动速度的精度，达到严格的工艺要求。其三，保温炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面使运行参数在 CRT 上的集中监测，操作人员在监控计算机上根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效减少工人的疲劳和失误，

5、提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业保温炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。保温炉做为工业生产的重要设备，其工作的各个主要参数必须严格控制，保温炉是一个多输入、多输出的复杂控制对象，这些输入变量和输出变量是相互关联的。例如在铝液保温炉中，如果炉体温度发生变化，必将引起铝水温度和炉膛压力等的变化；供风系统的不平衡也影响炉温和炉压的变化；炉体内油量的供应大小不仅影响炉体温度，而且影响铝水温度和炉膛压力的大小。研究意义（可选项）我 国 目 前 生 产 金 属 及 加 工 金 属 的 工 厂 之 多 ， 各 类 保 温 炉 数 量 之 和 亦 庞

6、大 。由 于 各 方 面 原 因 ， 目 前 ， 很 多 保 温 炉 设 备 陈 旧 ， 对 工 人 劳 动 强 度 过 大 ， 而 且存 在 保 温 炉 热 效 率 低 的 现 象 。 降 低 能 源 消 耗 ， 把 工 人 从 频 繁 的 劳 动 中 解 放 出来 ， 促 进 文 明 生 产 ， 保 温 炉 实 现 自 动 控 制 是 以 个 急 待 解 决 的 问 题 。 若 平 均 一台 保 温 炉 每 天 就 按 消 耗 100 斤 重 油 来 计 算 ， 如 果 能 提 高 效 率 1 ， 一 台 保温 炉 每 年 就 可 以 节 约 重 油 量 365 斤 ， 约 人 民 币 7

7、85 元 4300 吨 ， 再 算上 各 类 保 温 炉 数 目 ， 此 数 据 将 不 计 其 数 ， 再 说 保 温 炉 平 均 每 天 的 耗 油 量 远 远不 至 假 设 的 数 据 。 由 此 可 见 ， 经 济 效 益 是 很 明 显 的 。 又 对 保 温 炉 燃 烧 系 统 进行 改 进 ， 实 现 自 动 控 制 ， 在 不 需 要 人 工 干 预 的 情 况 下 ， 根 据 参 数 设 定 的 大 小随 时 自 动 调 节 供 油 量 、 送 风 量 及 引 风 量 ， 维 持 炉 内 液 体 温 度 、 炉 温 、 炉 膛 压力 等 的 恒 定 ， 就 有 可 能 将 保

8、 温 炉 的 热 效 率 提 高 5 以 上 。 另 外 ， 使 保 温 炉 达到 经 济 燃 烧 状 态 ， 还 可 以 减 少 烟 气 中 的 含 尘 量 ， 使 燃 烧 更 加 充 分 ， 减 少 对 环境 的 污 染 。 本 课 题 根 据 该 公 司 对 铝 棒 生 产 的 实 际 情 况 ， 设 计 的 集 成 自 动 化 系统 将 现 场 的 保 温 炉 控 制 运 行 和 管 理 有 机 的 良 好 结 合 ， 实 现 保 温 炉 系 统 安 全 的管 理 水 平 。 该 系 统 代 表 着 我 国 比 较 先 进 的 保 温 炉 现 场 集 成 自 动 化 系 统 的 发 展

9、方 向 和 较 高 的 管 理 水 平 ， 它 不 仅 是 一 个 科 研 任 务 ， 而 且 是 把 理 论 与 实 践 结 合 ，开 发 出 的 一 个 真 正 的 产 品 。 对 提 高 我 国 国 民 经 济 效 益 ， 促 进 国 家 工 业 生 产 发展 都 有 着 重 要 的 作 用 和 意 义 。课题研究目标、内容、方法和手段：研究目标本课题的研究目标为倾动式保温炉的控制系统。研究内容根据该系统的功能，并结合实际情况本系统的研究内容有以下几个方面：1.温度控制：温度控制为设备控制的核心，设有炉气定温控制和铝液温度自改革开放以来，我国经济每年突飞猛进，中 国 已 成 为 世 界

10、上 最 具 有 发 展潜 力 的 经 济 大 国 之 一 ， 中 国 的 兴 起 已 成 当 今 世 界 的 热 门 话 题 。 随 着 科 学 技 术的 不 断 发 展 ， 带 动 社 会 生 产 的 发 展 ， 人 类 对 资 源 的 需 求 不 断 增 加 ， 世 界 各 国都 在 为 解 决 能 源 紧 张 而 带 给 各 行 业 的 冲 击 ， 都 努 力 在 研 发 能 源 的 同 时 ， 致 力于 节 能 新 方 法 的 研 究 。串级控制两种，两种控制方式的切换设置为人工手动切换，切换操作在触摸屏上进行。炉气温度控制是根据热电偶采集到的温度信号送入 PLC 中的模拟量输入模块经

11、冷端补偿，线性化处理，与给定温度比较，经 PLD 运算后，输出电信号连续控制和调节烧热负荷的大小，以达到温度自动调节的目的；串级控制是由铝液温度热电偶采集的温度信号送入温度控制模块经冷端补偿，线性化处理，与给定值一起经 PLD 运算，其结果与炉气温度热电偶采集的温度信号一起输入到温度控制模块。经处理后输出信号连续控制和调节燃烧负荷的大小，达到温度自动调节的目的。2.炉膛压力控制：炉压控制是保证安全生产及节能的重要手段。在燃烧过程中，应使引风量和送风量想适应，保温炉正常运行中，炉膛压力应保持在微负状况下，负压过大，漏风严重，总的风量增加，烟气热量损失增大，不利于安全生产和环境卫生。炉压控制是通过

12、差压变送器将采集的炉气压力信号转换成 420mA 信号，送入 PLC 中的闭环控制模块，经 PLD 运算后输出控制信号，控制排烟管道上的烟闸开口度，从而保证炉气压力在合理的范围内，保证正常燃烧工作。3.吹扫控制：燃烧系统启动后，PLC 发出指令按设定的时间，以助燃风为介质对炉膛空间进行吹扫吹扫时间一般为 3min，置换掉炉内可能残存的燃料，保证安全点火；当炉温大于 760C 和一个烧嘴处于正常燃烧状况的情况下将不进行吹扫。4.点火控制：由 PLC 检测各有关参数，如炉顶是否超温、炉压是否超高限、助燃风压和燃气压力是否低于底限等安全限制，并据此来判断是否可以点火。若满足条件则启动点火程序控制器，

13、由点火程序控制器送电给点火变压器，开始点火。若点火失败后，即紫外线火检探头未检测到火焰信号，则点火程序控制器迅速发出指令，自动关闭各安全电磁阀，实现熄火保护，同时发出声光警示信号，提醒操作人员。查明原因后按下复位按钮，由 PLC 重新发出启动指令，重复执行点火程序，整个点火过程的控制都是由点火程序控制器来实现的。5.倾动控制：倾动控制采用连续控制，液压缸分慢升、慢降、快升、快降四种工作状态。安装在流槽上方的激光测距装置可以精确的测量流槽中铝液液位，并将液位信号传给 PLC，PLC 根据设定液面参数和工况，经过 PID 计算，控制液压泵站进油管路上的比例阀，通过调整比例阀的开度使铝液液面保持在一

14、定稳定的高度上。液位的控制精度为2mm。6.传动机械控制：传动机械控制的功能是控制助燃风机、炉门提升电机、泵站电机等的启停以及电机过载等故障进行保护。其主要电气元件选用SIEMENS 产品及国内合资企业的优质产品，这些器件与柜体一起构成一马达控制中心MCC。MCC 控制回路接收 PLC 的 DO 模块输出指示，从而实现自动控制功能，电机的启停、各电磁阀的动作均通过 PLC 数字量 IO 模块实现。研究方法和手段本课题主要采用观察法和文献法进行研究。设计（论文）提纲及进度安排：论文提纲：摘要英文摘要第一章 绪论1.1 保温炉控制系统现状1.2 选题的背景和意义第二章 倾动式保温炉控制系统总体简介

15、2.1 PID 控制算法简介2.2 倾动式保温炉控制系统组成2.2.1 燃烧系统2.2.2 排烟系统2.2.3 炉压控制系统2.2.4 温度检测系统2.2.5 溜槽液位系统2.2.6 液压系统2.3 倾动式保温的自动调节任务第三章 控制系统下位机的设计3.1 PLC 软件介绍3.1.1 模块式 PLC 的基本结构3.1.2 PLC 的特点3.2 STEP7 软件简介3.3 系统控制所用的功能块3.4 倾动式保温炉控制系统的硬件组态3.5 控制系统 IO 点及地址分配3.6 电气控制系统原理图3.6.1 保温炉电机供电系统图3.6.2 主控制柜及倾炉操作系统图 3.6.3 烧嘴点火控制器电气图3

16、.6.4 PLC 及机架模块电气原理图3.7 系统下位机控制子程序3.8 保温炉控制系统流程图第四章 控制系统上位机设计4.1 WINCC 软件简介4.2 WINCC 的系统组成与功能4.3 WINCC 的特点4.4 项目组态4.5 系统监视软件界面设计第五章 系统的抗干扰性设计5.1 PLC 系统的抗干扰性5.2 PLC 控制系统的干扰源及分类5.3 PLC 控制系统中电磁干扰的主要来源5.3.1 空间的辐射干扰5.3.2 系统外引线的干扰5.3.3 PLC 系统内部的干扰5.4 PLC 控制系统的抗干扰性设计5.5 控制系统的主要抗干扰措施第六章 总结与致谢6.1 总结6.2 致谢参考文献

17、附录部分程序进度安排：第六周：研究温度控制和炉膛压力控制方式。第七周：研究供风系统和点火控制系统。第八周：对本系统所需的各电器元件、管道和液压系统进行研究。第九周：研究系统总电气原理图和控制流程图。第十周：对以上各研究进行总结，写好报告，并不断晚善。主要参考文献和书目：1蒋慰孙愈全过程控制工程北京：中国石化出版社，199982翁维勤孙洪程过程控制系统及工程北京：化学工业出版社，200273廖晓种自动控制系统北京：北京理工大学出版社，198734廖晓钟自动控制系统北京：北京理工大学：人学出版社200515李继灿.傅光永等微型计算机原理及技术北京：清华大学山版社，199436侯志林过科控制与自动化

18、仪表北京：清华大学出版礼，200087王树青工业过程控制过程北京：化学工业出版社，200798俞忠原工业过程控制计算机系统北京：北京理工大学山版社，199539廖常初S7300400 PLC应用技术北京：机械工业出山版，2005110廖常初编若PLC编利及应用机械工业出版社，2003611西门子S7300系列PLC系统手册西门子中国有限公司白动化与驱动集团，2003512高饮和可编格控制器应用技术和设计北京：人民邮电山版社，2004713郑晟现代可编程序控制器科学出版，2004714吉顺平等编著西门子PLC与工业网络技术北京：机械工业出版社，2008.715西门子S7300编程手册西门子中国有

19、限公司白动化与驱动集，2003516西门子S7300语句表手册西门子中国有限公司自动化与驱动集，2003517两门子中国有限公司深入浅出西门子S7-300 PLC北京航空航天大学山版社,2004818吴勤勤主编控制仪表与装置化学工业山版社，2002819王思源，白广来等智能多态PID算法1995年中国控制会议论文集，1995920汗思源，白广来等PID控制算法的二维研究大连海事大学学报，1996年01期21深入浅出西门子WINCC V6北京航空航天大学山版社，2004522Web Navigator安装手册西门子公司，2009423Web Navigator 使用手册西门子公司，2009424谢克明现代控制理论清华大学出版社，2007.425王建辉自动控制原理冶金工业出版社，2005.126于海生计算机控制技术机械工业出版社，2007.527黄俊 电力电子技术机械工业出版社，200028陈伯时电力拖动控制系统，2003指导教师审核意见：指导教师（签字）： 年 月 日注：本表可自主延伸