电力电气 开题报告（智能化电加热炉温控制系统设计）

毕业设计（论文）开题报告课题名称智能化电加热炉温控制系统设计课题来源课题类型工导师学生姓名学号专业一、选题的依据和意义在工业生产过程中，需要对系统压力、温度等参数进行有效地跟踪控制。其中，温度控制系统的重要性不言而喻，温度控制可分为测温和控温两方面。温度测量技术经过不断发展已经相对成熟；对于温度控制技术，被控对象具有多样性以及复杂性，所以无法有效的对温度进行控制，随着其本身不断发展，不断完善，促使了温度控制系统的迅速发展。电加热炉已被广泛应用于玻璃制造、金属冶炼等需要对温度进行精确控制的工业行业中，所以可对温度进行精确控制的电加热炉温度控制系统在工业中是不可或缺的。电能作为人类赖以生存的重要能源之一，在许多工厂的生产过程中，电加热炉所消耗的电能可占据所有电能消耗的七成以上。电加热炉的能源损失较大且无法大幅度提高节能效果亦是难以解决的问题。所以一种可以有效提高温度控制效果且能源损失较小的电加热炉温度控制有着重大的实际意义。国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）单片机凭借着重量轻，耗费物资低，作用范围广泛以及具有很高的精准率等优点应用在不少领域，且可应用于大部分的环境中。单片机随着社会对控制要求的升高，性能方面有着不小的提高，使用单片机的温度控制系统通常不会存在系统崩溃的情况，且稳定性高、成本低、效果优秀。但是与其他同类型设备相比之下，单片机返回所需内容程序的速度不够快、中断源也不够多，只能应用在简单的，要求较低的系统中。IPC在运行时十分稳定、支持的应用很多、成本也比较低，在工厂中越来越受欢迎。并且IPC可以在多种工作环境下作业，减震效果好、十分耐热、密闭性良好、不会受其他外界磁场干扰。以前的工业用炉膛基本上是用人与机器合作进行操作，得到预想的结果十分困难，较为精确的模型不容易构建，运用传统的PID仪器控制，效果较差。但是计算机功能较多具有数据整理分析等许多运算方法，还有“关键字搜索”等常用功能，是普通设备和人工不容易实现的。在工厂炉膛温度控制过程中应用能够提高把控精度，使平均发热转换能力得到提升。若直接选择工控机为控制系统效果不佳。DCS是一种新式操作系统，与普通设备相比拥有着可靠的控制能力、工作的稳定高等优点。DCS最大的优点是信息传递，即数据链路是DCS的重中之重。因为其首要工作是将机器中每个部分中建立数据传输路径，所以机器整体的便捷性和稳定性取决于数据的性能。因为DCS有着各种特点，使得操作工人的现场使用难度降低，从而达到提高系统性能的目的。不过DCS本身因其中一些必备但实用性不大的部件如控制器以及随时断电接电等要求导致价格较高。FCS是将多样技术手段集一身的系统，其本身具有可联网等优点。基于FCS对温度把控上有着数据精确，操作方便等特色，FCS系统因其具有信息处理现场化前提，并且不需提前准备而进行数据转换、把控、发出警报等工作。它还能够对场地中的设备进行远程测试、修复等工作，并且这是除FCS以外其他系统无法实现的。不过，FCS技术并不完善，该技术仍然在试用阶段，而且现场总线的评定规则有许多种，也在一定程度上限制了FCS在工业上的推广。现在使用计算机控制进行智能控制已成主流。PLC即是通过计算机控制的设备的一种，它是建立在单片机之上的产品，运用了可修改代码存储器，具有保存各种命令、实现时间记录、数字统计及运算等特点，可通过计算机语言等路径输入输出，从而对每个运行程序进行掌控。PLC使用精度高、十分稳定不容易受到外界因素的影响、编写容易、可以十分方便的被操作者使用，当下，多用于机械金属生产加工过程中。PLC与IPC，DCS，FSC这些系统相对比，PLC耗费成本较低，且相对其他系统更实用。所以PLC在市面流通范围最广，有着较好的应用前景。每个温度控制系统本身具有不同的优劣势，使用者应该根据自身需要挑选合适的配置，也可以在具体使用时选取多种系统的组合，使控制系统更加完善，各个系统取长补短，共同作业，从而得到更加完善的结果。温度控制系统在我国社会日常生活中的使用已经非常普遍，但是与其他技术水平居于领先地位的国家比较仍然在本身性能方面十分悬殊。我国的加热炉常规仪表控制或计算机控制，仍有大量工业单位处于人工经验、单值设定值控制的阶段。完善的设备以“点位”控制和普遍使用的PID控制器当做主要部件。但是其本身只能进行普通温度系统控制，对于需要多变温度且要求精度较高、人工又不能及时调整的温度的控制效果相对较差。一些发达国家在这此方面的进步飞快，在智能化、恶劣环境适应能力、数据处理等许多领域有着不小的突破，例如美国、英国、日本、意大利等国家技术水平居于领先。我国虽然对此研究起步较晚，但我国对外销售的温度控制器各个类型的产品性能功能均十分优秀，且适用范围较广，在社会许多工业产业以及日常生活都有它的身影。当下，国内的温度控制系统和仪器仪表正沿着运算精确可靠操作难度低且其本身朝着科技化、小型化等方向迅速进步。三、研究的主要内容在此设计中，使用S7-200系列PLC作为此系统的控制核心，PLC相当于整个系统的大脑。系统使用串级控制方案，其中主副控制器以PID算法为基础进行控制，从而达到实时对炉内水温进行控制的目的，且PID算法中的PID参数可人为设定。此设计在外部加入了数显表与指示灯，用来显示加热炉夹套以及内胆的水温，同时实时的监控系统的工作情况。根据以上方法将水温控制在80摄氏度左右并且可以由外部开关手动进行系统的启动以及关闭。除此之外此系统在保证运行正常的情况下，还加入了一系列使用的功能，可以简单化电路结构使其只需重新编写PLC的控制程序即可完成对水温的控制。章节内容安排如下：第一章：对研究背景以及几种常见的控制设备进行介绍，并对我国的发展情况以及国外发展情况进行对比给出研究内容及论文结构。第二章：确定了系统的总体方案及PID算法方案。第三章：对系统的硬件模块进行介绍、选型与接线设计。第四章：对系统软件部分进行了设计。第五章：根据设计结果的优缺点做出结论与展望。四、研究方法、设计方案或论文撰写提纲电加热炉是典型的工业过程控制对象，在各个领域中均有着优秀的实际意义。电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。采用单回路控制通常会产生预算与结果差异严重等后果。加热炉通过加热电阻丝来完成加热及保温工作，所以温度超调则无法进行人为的降温仅可使其自然冷却，所以无法准确的建立数学模型，所以选择使用PID算法解决此问题。传统的电加热炉温度控制，通常是通过单片机进行PID控制，但是使用单片机控制DDC系统软硬件设计十分困难，并且通过分析与论证发现在进行逻辑控制时效果相对于其他设备明显较差，然而随着PLC功能趋近成熟，许多PLC控制器中都增加了PID控制功能，所以在逻辑控制与PID控制同时使用时，选择PLC控制器进行控制效果较佳。本设计通过对整个温度控制系统的研究与分析，决定以PLC为控制器，以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，构成锅炉温度串级控制系统，然后通过PID算法进行运算，使用梯形图编程语言进行编程，从而实现电加热炉的温度控制，并在不改变传统的温度控制系统关键功能的前提下进行了改进，从而简单化电路结构使其更容易实现对水温的控制的目的。五、完成的内容及时间安排：（一）任务分工：上网查资料：三天查书面资料：两天前期总结：通过五天的时间查阅与该系统相关的资料，对这个系统有深刻的了解，初步具备实施本设计的相关知识。通过两天对《现代电气控制及PLC应用》，书本的阅读，掌握了PLC应用系统软硬件设计及其调试方法。利用两周时间学习MATLAB，根据计算机控制技术和C语言设计软件流程。（二）设计计划：经过这一阶段的学习和查阅资料，我准备把这次毕业设计分为以下三个阶段：1.四月中旬：查阅相关资料。2.四月下旬——五月中旬：研究课题，完成电路设计。3.五月中旬——六月中旬：整理资料，完成毕业论文和答辩工作。具体计划如下：1.了解设计内容、要求、任务，熟悉设计题目第六周2.收集与设计相关的文献、技术资料第六周3.调研、实习（穿插在设计中进行）第七周4.初步完成主电路设计第七周5.设计控制电路、软件框图第八周6.完成控制电路设计和软件程序框图第九周7.编写程序第十周8.完成软件设计，整理元器件清单第十一周9.绘制电路图、软件框图，整理软件清单第十二周10.完成主电路图、控制电路图、流程图绘制第十三周11.完成毕业设计说明书第十四周12.完成英文文献翻译第十五周13.修改毕业设计说明书、答辩第十五周六、预期成果本设计通过对整个温度控制系统的了解与学习，以PLC为基础，对设备I/O端子进行新的分配，做出结构图并且进行指令编程，在不改变传统的温度控制系统关键功能的前提下进行了改进。从而实现对温度控制可以简单化电路结构使其更容易实现对水温的控制的目的。此设计，使用了S7-200作为此系统核心，设备整体使用串级控制方案，其中主副控制器以PID算法为基础进行调控，从而达到实时对炉内水温进行控制的目的，且PID算法中的PID参数可人为设定。此设计在外部加入了数显表以及指示灯，用来显示加热炉夹套以及内胆的水温，同时实时的监控系统的工作情况。根据以上布置可将水温控制在80摄氏度左右并且可以由外部开关手动进行系统的启动以及关闭。除此之外此系统在保证运行正常的情况下，还加入了一系列使用的功能，可以简单化电路结构使其更容易实现对水温的控制。主要参考文献[1]张权.模仿生物温度感知能力的高效高频直流锅炉温度控制设计[D].上海应用技术大学,2020.[2]高兴泉，赵强，黄东冬.简易电热锅炉实验装置设计[J].科技风,2020(04):25.[3]高小凤.电锅炉温度控制算法的研究与应用[D].太原科技大学,2013.[4]王东旎.电加热炉温度控制系统设计与实现[D].湖南大学,2018.[5]刘锡权.电加热炉温度控制系统的设计[D].吉林大学,2008.[6]闫柏霖,庄佳林,孙可心,杨鹤,董佳伟.PID控制器在水温控制系统中的应用[J].自动化应用,2020(08):1-2.[7]雷声勇.基于PLC的轧钢生产线高效蓄热式煤气加热炉温度控制系统设计[J].煤炭技术,2017,36(06):321-323.[8]李彦洲.基于PLC控制的加热炉温度控制系统设计[J].工程技术研究,2016(06):205.[9]王瑞琪,王金美,靳占新,陈翼,邱峰.工业用电加热炉的智能温度控制系统设计[J].山东电力技术,2014(02):37-41.[10]王影川.PLC控制技术在工业自动化中的应用探析[J].内燃机与配件,2020(17):93-94.[11]赵紫静.电极切换机器手的研制[D].甘肃农业大学,2008.[12]潘龙,毕静伟.基于组态王的PLC锅炉温度控制系统设计[J].可编程控制器与工厂自动化,2014(06):99-102.[13]姚家琛,