（机械制造及其自动化专业论文）基于plc技术的燃气退火炉温度控制系统开发.pdf

独 创 性 声 明 个 戳 翼 篡篡默默默嘿言赢凳 雹 默叠 馨 的地方外， 论文中不包含其他人的啾 成笋 与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均 已在 论文 中作 了明确 的说 明并 已致谢 。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 娜 者 签 名 衬 且丝拼加户 办 川 学位论文使用授权声明 本 人业吵二在 枷 的 指 导 下 创 作 完 成 毕 业 论 文 ， 本 人 已 通 过 论 文 的 答 辩 ， 并 已 经 在 西 安 理 工 大 学申 请博 月 . 硕 士 学 位。 本 人 作 为 学 位 论 文 著 作 权 拥 有 今 同 意 权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权 ，即: l ) - 提交印刷版和龟子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 - 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索; 2 )为 教学和科研 目的 ， 学校可 以将公开的学位做或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 ， 料等场所或在校园网上供校 内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分 内容的公布 (包括刊登 理o- (保密的学位论文在解密后 ，适用本授权说明)入一 论文作者签名:卫 卫. 三卫二 导师签名: 扁 . 生乙止病以 。 半 年 西 月 勿 / 摘要 论 文 题 目: 学科专业 : 研究 生 : 指导教师 : 基于 pl c 技术 的燃气退火炉温度控制系 统 开发 机械制造及其 自动化 何玮 李言 教授 签名 签 名 摘要 退火是改变材料组织结构的一种 常见金属热处理工艺， 温度控制精度是影响退火效果 的主要 因素 。 燃气退火炉是进行退 火 热 处理的大 型热工设备 ，从 生产要求 与经济节能两方 面综合考虑 ，其 自动控制系统 的主要 目标是准 确 的调节炉温 ， 同时使炉 内燃烧状况 良好 。 本文 以燃气退火炉为研究对象 ，结合企业 设备改造 的需求和工厂 实 际操作环境， 开发 出了 基于 pl c 的燃气退火炉智能控制系统 。 论文系统分析 了燃气在炉膛 内的燃烧 、 传热过程 ， 将其热过程分解为四个互为关联的 子系统 ，讨论 了相应的建模方案 。研究分析结果表明，实际炉温 与设定工艺温度的符合度 及炉 内气氛温度 的均匀度与助燃风配给 的合适程度是决定炉温控 制精度 的主要 因素;在此 基础上研 究 了温度控制算法 ，把 pi d控制算法与模糊控制算法及 免疫反馈控制算法相结 合 ，设计 了一种 自适应模糊免疫 pd控制算法 ，该算法 的控制 参数整定不依赖于退火炉 温度对象 的传递 函数 ，稳定性好 。探讨 了材料脱碳现象 的产 生原 因，给 出了处理该 问题的 方法 ; 同时设计 了变步长 的模糊 自寻优 控制调节器 ，保证燃 气 充 分燃烧 。结合 专家知识 ， 给 出进气量 、给风量及排烟量 的经验值 ，最终实现退火炉全程 自动控制 。 控制系统硬件部分采用基于 p l c 的下位机控制器 ， 用来完成温度 、 压力等参数的采集 及温度 实 时控制 。 上位机监控 软件采用 组态软件和下位机通信 ，主要 实现 退火炉 的系统 自 检 、工艺参数 设置 、系统监控 、炉温 记录 、统计分析等 功能 。实 际运行结果表 明，系统稳 定可靠 ， 自动化程度 高，温控精度 达到 士 4，很好地满足 了控 制要求 。 关键词 : 燃气退火炉温度控制模糊 免疫pi d退火炉热过程可编程控制器 a b strac t t itle : d e v e lo p m e n t fo r te mp e ra tu re c o n tro l s y s te m o f g a s b u rn in g a n n e a lin g fu rn a c e b a s e d o n p l c te e h n o lo g y m a j o r:m echanieal m an uf a cturing an d a uto m atio n n a m 6 : wg i h e s u p e r vis o r: p ro f.y an l i 5 i gnatur e坦里些七 5 . gnat ur 。 二一蛀也 a b s tfa c t a nnealing 15 a eo刀 nrnonly used hea t t r eat ine n t叭 5 a n d eraf ts of m eta l f o r eha n g i ng the o r g a niz a t io n a nd st r uet u re o f m a t er i als， w h a t m a i n im pa c ts t h e e f f eet o f a n nea l in g is th e lev el o f p reeisio n f o r tem p eratu re eo n tr o l. g a s 一 b u m in g a n nea l i n g f u r n aee 15 la r g e一 sea l e th er mal eq uip m en t f o r ear r y in g o n t h e a n nealin g h ea t t r eatm e n t， eo m p r e h en siv e eo n sid e r in g p r o d u etio n r e quest a n d eeonom iea l e n er g y eonse r va t ion， t h e m a i n ob j e c t iv e of its autom atie eont r o l sy s te m 15 a c eu r a t e a d jus如 en t f o r f u m aee tem pe r a t u r e; m eanw hile， to m a k e su r e t h e eom bustion in 允 m a ce 15 in g oo d eo n d itio n . r esea r eh in g th e g as一 b urn in g a n ne alin g f u m aee，eo n sid er i n g th e d e ma nd o f b u sin ess eq uip m en t tra nsf o r ma t io n ，t h is t h esis d ev elop es th e tem p era t ure eo n t r ol sy stem o f g a s 一 b u min g a n nealin g f u m aee b a s ed o n p l c teeh no log y w it h tak i n g th e a ctu al o p era t in g en v ir o n men t in i o aeeo u n i . a f t e r a naly zin g g as b u 而 n g a nd h ea t t r a nsf e r p r o eess i n t h e f u r n aee h ear t h sy s tem icly ， d eeo m p o u nd in g its t h er ma l p r o cess i n to f o u r in i er r ela t ed su bsy ste ms， 而 5 t h esis ex p o u nd s th eir m odeli n g prog r 田 卫 res p eet ively. t he results of r e sea r ch a n d a n alysis show t h a t the essential in f l u en e in g f a eto r s o f f u m ace tem p era t u r e eo n tro l p r e eisio n lie s in : t h e d eg ree f o r f u m aee a i r tem p erature tally w it h craf t te mp e r at u re，t h e unif o n n it y of f u m a c e air tem pe r ature a n d a pp r o p r i ate level o f a i r， 5 r a tio n ，o n t h is b asis t h e tem p eratu r e eo n t r ol sy stem 15 d ev elo p e d， eo m b ln in g p d eo n tro l a l g o r i thlll w it h f u zzy eo n t r ol a l g o r i t知r n a nd in l l n u n e f e ed ba c k eo n t r o l a l g o r i th m ，th i s t h esis f o r mu la t s o u t a nto 一 a da pted f u zzy lm m u ne p i d eo n t r o l a l g or i thm ，its eontrol pa r a meter s tuning doesn， t rely on a n nea l i n g f u m aee tem per a t u r e ob j eet， 5 t r a n sf e r 允 n etio n ， a nd m o r e o v er 15 in p o ssessio n o f g oo d sta bility .a na l y sin g th e rea s on o f d eea r bo n i za t ion p h en o m en o n ，o f f er s im p lem e n ta t io n p la n f o r th is p r o b lem : m ea n wh ile，th is t h esis desig n s f u zzy self - optim iza t ion cont r oller w i t h varying ste p le n g t h， to insu r e e x eellent eom b u stion sta t e. a do pting exp er t exp er i e n ce，g iv es out gas in pu t qu a n tit y w it h air inp u t a nd f u m e disehargi ng qua n tity ， the a u tom a t ie eont r ol f o r e n tire joum ey of a n nealing f u m aee 15 realized u ltim ately . 111 冬 西安理工大学硕士学位论文 h ard w a r e p ar t ad o p ts lo w er p o sitio n m aeh in e eon tro ller b ased p l c ， to eo m p lete tem p era t u re ， p r e ssu r e p a r a meters， co lleetio n a nd tem p era t ure real一 tim e eo n tro l. s u per i or m a ch in e m o n i to r i n g so f l w a r e a dop ts s c a d a so f l w a r e to colllln u n ic a t e lo w er p o sitio n m a c h in e， m ostly used to aet u alize f u net ion s u c h a s a x mealing f u r n a c e， 5 sys t e m self - eheek， teeh n olog i ea l pa r a me t er esta b l ishm e n t， sy s te m m onitor i ng， tem pera t u r e en r eg i st r a t ion a n d sta t istieal a n aly s is. pr a ctieal operation r e sult show s， sy s tem 15 sta b le a n d r e lia b le， w ith hig h deg r ee of a u tom a t ion a n d hig h tem peratur e eont r ol precision level of 士4 o c ; 50 that sa t isf i es the eont r ol req u ir e m en ts v er y w ell. k ey w o rd s: g a s 一 b u min g a n nealin g f u maee; tem p eratu re eo n t r ol; f u szy lm m u ne p i d; t her mal p ro eess o f a n nea l in g f u ma ce ;p l c iv 目录 目录 绪论 . .“ .“ ” ” . . 1 .1 课题 的来源及意义 . 1 哩炉 ， . . .1热 处 理及 热处 理炉 1 .2 燃气退 火炉 的特 点及 控制要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.2.1 燃 气退火炉 的特 点 二 ， . ， . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， 3 1 .2.2 燃 气退火炉 的控 制要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 ， .3 国内外研 究现状 . . .， .， . ， . . ， ， .， 二 ， . .， . . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 1 .3.1 数学建模方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.3.2 p i d控制 . . . . .， .， .， . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . .5 1.3.3 智 能控 制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1 .4 本文 的主要研究 内容 .， . . ， .， 二 ， . ， ， . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 燃气退火炉温度 自动控制原理分析” . ” ” “ .“ . “ ” “ 二 ” ” . “ 二 ” . ” ” ” ” ” 二 “ “ . ” 二 ” ” ” 二 “ . ” . .” ” 二 “ .“ . ” .9 2.1 燃气退火炉温度控制 总体要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 .1 燃气退火炉结构特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 .2 退火 炉 内工业过程分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2.1 .3 天然气燃烧实际空气需要量的确 定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . n 2.1 .4 燃气退 火炉温度控制参量分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2.1 .5 炉 内传 热方式分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， 1 3 2.2 炉膛温度 均匀化处理方案 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2.2.1 炉 内传热优化分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2.2.2 强风 干 扰 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 巧 2.3 燃气 退火 炉温度对象动态特性 的推 导 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2.3.1 燃气退火炉温度对象 的近似模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2.3.2 动态特 性参数 的实验测定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . 1 8 2.4 系统整 体控 制方案 的确 定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2.5 燃气退火 炉 内气体流动 与传热 的模拟研 究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 2.5.1 燃 烧 方 式分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 2.5.2 工业 炉窑热过程建模 的研究现状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 2.5.3 燃 气退火炉与步进 式非预混火焰 轧钢 加热炉 的热过程 比较 . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2.6 退火炉热过程数学模型 的建立 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2.6.1 基 本假 设条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2.6.2 流 体动 力学控制方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2.6.3 湍 流燃 烧 数学模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 4 2.6.4 湍流流动数学模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . 2 7 2.6.5 炉 内传 热 基本 方程 与辐射 换热模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 2.6.6 钢材加 热数学模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 2.6.7 退 火 炉 热平衡 方程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 犯 2.7 本章小结 . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 犯 v 西安理工大学硕士学位论文 3 燃气 退火炉温控系统算法设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3.1 p i d控制 算法 ， . . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3.1.1 数 字 p l d控 制器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . .， . 3 4 3.1 .2 退火炉基本 p i d 控制器 设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . 3 4 3.2 参数 自整定模糊 p l d 控制器原理与设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 3.2.1 模糊控制 的原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 3.2.2 参数 自整 定模糊 p i d 控制器的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . . 3 6 3.2.3 采样 时 间的选取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 3.2.4 参数 自整 定模糊 p i d 控 制算法仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 3.3 自适应模糊免疫 p i d 控制器原理与设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 3.3.1 人工 免疫系统概述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 3.3.2 生物 免疫系统原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 3.3.3 免疫系统 的特 点. . . . . . . . . . . . . .， . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 7 3.3.4 人工 免疫系统 的研 究 内容与人工免疫算法 . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 3.3.5 自适应模糊免疫 p i d 控制器 的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 3.4 燃气退火炉气/风 比模糊控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 3.5 本 章小结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 6 4 基于 pl c技术 的燃气退火炉温度控制硬件设计 . “ ” 二 ” ” 二 ” 二 “ 二 ” . “ . “ “ 二 “ . ” .“ .“ “ ” “ ” ” .5 7 4.1 系 统总体结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7 4.1 .1 控制 系统 设计 目标 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7 4.1 .2 控制模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 4.1 .3 控制 方案 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 4.2 系 统硬件 组成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 4.2.1 plc 的选 型及 配 置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 4.2.2 温度 控制器 的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 4.2.3 执行 系统 设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 4.2.4 系统硬件 型号及连接 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 4.3 本 章小结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 5 燃气 退火炉温度控制系统软件设计及实现 .“ “ 二 ” . ” ” 二 ” .” .” “ ” 二 “ ” ” . ” .“ ” 二 “ .“ 二 “ . .” .6 5 5.1 退 火炉温 度 自动控制上位 机 系统设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5 5.1 .1 监控 组态 软件 的选 取 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 5 5.1 .2 控制 系统 软件 系统功能实现 . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .“ 5.2 系 统组态监控软件设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 7 5. 2.1 系统 主界面设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 8 5.2.2 其他 主要界面设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 8 5.3 控 制系统运 行调试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 0 5.3.1 硬件检 查 . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0 5.3.2 系统标 定和运行 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . .7 1 5.4 本 章 小结 . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2 v l 目录 6 总结 与展 望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 6.1 结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 3 6.2 展 望 . . . . . . .