基于PLC的热处理过程功率分配设计

第1章绪论1.1课题研究目的意义随着汽车产业的蓬勃发展，汽车零部件制造企业的订单数量不断攀升。在整个加工过程中实现了数据实时监控和管理，提高了企业的管理水平。作为零部件生产中至关重要的工艺环节，热处理的产能需求不断攀升，同时也带来了对功率的不断增长需求。由于传统的大功率电源系统体积大、成本高，无法满足企业的需要。由于实际情况的限制，变压器的容量难以扩大，这成为了企业进一步提升产能的瓶颈。为解决这一问题，企业可以通过对变压器进行合理调整来达到一定的功率利用率。在实际的生产过程中，高功率负载的实际功率常常呈现出广泛的波动范围，这导致变压器功率无法得到充分的利用，从而存在着可供分配的余地。因此，如何合理分配变压器功率以满足设备使用需要是企业面临的难题。目前，企业广泛采用手动分配变压器功率的方式来实现电力分配。通过对现场设备进行分析发现，该方法能实现有效合理的功率分配，满足企业需求。然而，该方法存在着变压器功率利用不充分、过程中变压器频繁过电流以及热处理工艺质量不稳定等诸多问题，这些问题在实际应用中并未得到理想的解决。为此，有必要研究一种新的控制系统来解决上述难题。经过深入分析当前变压器功率分配方法所带来的问题，我们对变压器功率分配方案设计进行了探究。随着科学技术和信息技术水平不断提高，电气自动化技术被广泛应用于各行各业。随着行业竞争的日益激烈，客户对产品性能的要求也越来越高，这使得零部件的生产过程面临着更为严峻的挑战。在进行系统硬件和软件的设计时，需要综合考虑总体方案，以确保方案的顺利实施。在变压器功率高效分配原则的指导下，提出一种基于热经济优化的变压器功率高效分配方法。在进行硬件设计方面的对比分析后，我们最终确定了S7-226型号作为PLC。在软件设计方面，根据系统功能要求，对控制系统各模块进行详细划分并完成程序设计。我们开发了一套基于预约机制的程序，用于高效分配变压器功率、动态加热热处理和队列管理等功能。软件部分采用模块化程序设计思想，实现对热处理炉温度及电流数据实时采集并显示，以及控制各模块动作状态的功能。通过与其他几种典型功率分配方式进行比较分析，表明本系统对提高热处理生产效率具有显着作用。因此，本系统有利于解决了企业在热处理过程中所面临的难题，为实现功率优化分配提供了一种全新的解决方案。1.2国内外技术发展现状随着科学技术和信息技术水平不断提高，电气自动化技术被广泛应用于各行各业。通过对负载的工作特性进行深入研究，我们可以设计出一种高效的负载分配方案。2022年，邵光杰、张恒华和许珞萍共同发表了一篇名为《汽车用铝合金材料及热处理进展》的论文，旨在研究变压器在无热处理炉工作时的电流变化范围，以确定可分配的干热处理电流资源。通过对热处理炉相关功率参数的分析，确定了适宜的工作电流，从而确定了该申流资源可支持的热处理炉数量，并进一步确定了用于功率分配的对象队列数量。依据资源在大部分时间内能够支持工作的热处理炉个数来决定静态分配方法和优先级分级规则。基于所述最大支持次数的动态功率分配方法。2021年A.G.Madureira,J.A.PecasLopes.Ancillary在《servicesmarketframeworkforvoltagecontrolindistributionnetworkswithmicrogrids》中提出基础设施配电变压器但因各种原因未及时提升到匹能模式下，面临总功率短缺无法承受全部设备同时满负荷运行，导致热处理工序不能根据需要及时启动。鉴于该热处理炉呈现出间歇性高负载运行模式，因此可以采用适宜的功率分配方案，使得各个热处理设备在合理的负载分配方案下交替运行，从而解决了由于主配电变压器供电不足而导致各热处理设备无法同步运行的难题。目前，国内企业在进行热处理系统功率分配时，通常采用人工功率分配方案，运行人员通过监测变压器输出电流的状态，并按照固定的组合模式进行电力输送。2022年N.NursultanovW.J.B.HeffernanM.J.WM.RvanHerel,J.J.Nijdam.发表的《ComputationalcalculationoftemperatureandelectricalresistancetocontrolJouleheatingofgreenPinusradiatalogs》作为热处理系统的核心设备，热处理炉能够高效地完成热处理过程中至关重要的加热和保温环节。热处理中常用到各种不同类型的加热方式。有多种方式可用于加热，但最初采用木炭和煤作为热源，随后再利用液体或气体燃料进行进一步处理。在这些传统的加热方式中，由于使用了大量的电能而产生严重的污染问题，因此，人们开始寻找一种新型的加热方法——电加热。电力的应用使得加热过程不会对环境造成任何污染，同时也更容易实现精准控制。1.3课题研究内容利用PLC技术，该控制系统能够自动监测变压器的负载情况，并根据负载情况智能调整功率分配，从而实现最优的功率利用效果，有效避免了变压器过电流和功率利用不充分的难题。同时，该系统还可以对热处理工艺进行稳定的控制，保证了产品的质量。在硬件设计方面，该系统运用了多路模拟量输入输出和数字量输入输出，并通过PLC进行信号处理和控制，以实现高效的数据处理和处理。在软件设计领域，实现了自动分配功率和控制热处理工艺的功能，从而提高了系统的智能化水平。第2章系统总体方案论证2.1设计方案本设计将烘房分为高温烘房和低温烘房两个区域。烘房采用电阻加热器加热，电阻加热器总功率为300KW分四组，分布在烘房壁上，用于温度调节；为确保烘房内部温度的均匀分布，设计了一种循环风机，以提供循环气流，从而实现高效的烘房内部温度调节；在送风管道上安装了温度和压力传感器，以便对烘房内的温度进行监测。为了使烘干后的工件得到充分的冷却，我们采用了冷却风机的技术；当门机电动机发生反转时，烘房的门便会自动关闭。当电机反转后，烘房门便无法自动关紧。在烘房内，一对电动烘房门各自由一台电动机所驱动，当门电动机转动时，烘房门便会自动开启；当电机停止运转后，烘房内仍能保持一定的湿度。一旦门机的电动机发生反转，烘房门便会自动关闭，以确保安全；根据实际需求，可对烘干温度进行个性化调整。控制物料传送系统的推进汽缸，是通过电磁阀YV实现的气压传动系统；本实用新型结构简单、紧凑，性能可靠、运行稳定。烘房的操作方式包括手动和自动两种，同时还具备必要的短路、过载和失电压保护机制。如图2-1所示，烘房的空间分布呈现出一种明显的规律。图2-1分布图2.2系统的组成框图本次方案选用了CPU226型号的S7-200系列作为控制器。用EM222（8输出数字量模块）和EM235（4路模拟量输入/1路模拟量输出的模拟量模块）扩展模块。[7]图2-2所示，该控制系统由四个温度传感器、一个气控电磁阀、四个指示灯、一个电笛以及多个行程开关和控制开关等构成。开关量输入开关量输入一体化温度变送器扩展板块EM231S7-200CPU226中间继电器交流接触器交流接触器中间继电器中间继电器指示灯风机控制

烘房门控制气控电磁阀报警图2-2系统组成框图2.3工艺流程图被加热器件从烘门进入烘房低温区，经过15分钟的预热后，再次进入高温区，经过15分钟的进一步加热，最终被送出烘房。在整个加工过程中，必须对工件进行高温快速升温，方可将其送入烘房进行烘焙。为了防止工件因受热不均匀而变形，在工件进入烘房之前需要对其进行预热处理。工件送出烘房后也需用冷却风机15min吹冷，待工件冷却15min后，再用电笛通知员工。工件经过烘干后，送入冷却室进行降温处理。以上预热，加热，冷却各过程都需要15min。物料传送系统会自动控制工件在烘房内的进出和推进，每一道工序都会被物料传送系统移动，以便于下一步操作。由于工件进入烘房温度较高，所以需要将高温区送至低温区。当第一个工件从低温区进入高温区时，第二个工件则被引导至低温区，这一过程不断循环，直至工件被送入烘房。这样可使两个不同温度区中的热空气混合均匀，保证了整个烘干过程的顺利进行。图2-3所呈现的是系统的生产流程示意图。起动机起动机开启烘房接通电阻加热器开电门1推进工件至低温区关闭电动门1电笛工件吹冷关闭电动门2推进工件出烘房开电动门2推进工件至高温区15min恒温15min15min图2-3烘房的工艺流程图2.4热处理过程分析在铝合金汽车零部件的生产过程中，热处理环节扮演着至关重要的角色，它能够在保持工件尺寸和形状不变的前提下，为产品赋予必要的组织和性能。在整个过程中，工件必须经过高温段的快速升温才能送入烘房进行烘烤。根据图2-4所示，热处理过程可分为三个主要阶段，分别为升温、保温以及降温。其中加热、保温和冷却系统对产品质量有重要影响。在热处理炉中，进行加热和保温的过程，而在炉外则进行着冷却的过程。图2-4热处理过程示意图(1)加热为了使铝合金铸件达到可溶解相的温度条件，需要对其进行高温加热。随着时间的推移，合金中可溶解的相数逐渐减少。通过测定不同温度下合金中的析出物含量和显微组织可以了解其高温稳定性。由于可溶相在合金内溶解，加热速率对热处理品质的影响可以被视为微不足道。如果要提高生产效率，就必须使工件受热均匀并保证足够大的升温速率。随着加热速度的降低，生产效率也会随之下降。(2)保温在此过程中，为了获得均匀一致的组织和提高力学性能，必须控制好加热时间，使之与凝固时的冷却速度相适应。对于不同材料而言，保温时间也有很大差别。对于不同种类的产品来说，其对保温的要求也不尽相同。(3)冷却金属材料在经过加热保温后，经历了一段被称为冷却阶段的过程，以达到冷却的目的。一般采用热平衡法或经验公式计算保温时间，其结果都比较精确。对于不同的材料，其热处理过程需要采用不同的冷却速率，例如淬火需要快速降温，而相变合金的退火则需要缓慢降温，以达到最佳效果。零件的实际到温和保温时间会受到温度变化的影响，若温度差异过大，则会对其产生不利影响。因此，在进行工艺保温设计时，必须根据不同的工况来选择合适的工艺温度和保温时间。因为保温工艺的时间标准是以此为基础而制定。如果零件的实际保温时间不足，那么炉温曲线所确定的零件温度和炉温之间的微小差异将会对其物理性能产生负面影响，甚至导致其不符合标准。为了保证热处理工艺质量，必须对零件进行预热处理。目前，热处理工艺的质量稳定性受到操作工人估算预热时长的影响，导致加热时间过早或延迟，从而影响了工艺的稳定性。2.5热处理车间控制要求1.物料传送系统源源不断地将工件输送至烘房，当第一个工件从低温区域被送至目的地时，在高温的环境中，第二个工件被输送至低温区域，以维持其正常的工作和性能。为确保热处理工艺的品质，必须对零件进行充分的预热处理，以确保其达到预期的标准。本文介绍了一种用于大型工件的自动控温烘干装置。工件经过物料传送系统自动进入烘房低温区进行15分钟的预热，紧接着物料传送系统进入高温区进行15分钟的持续加热，最终物料在高温环境下传送系统会自动将工件送出烘房。当工件被送出烘房后，轴流风机开始运转，经过15分钟的冷却后，警报传来，告知工作人员已经完成了风冷工作。2.在启动烘房的初始状态下，为了缩短空烘房的升温时间并提高升温速度，需要将四组电阻丝全部接入电路中进行加热。在高温区内，通过热风对工件进行干燥处理，使其表面形成一层均匀一致的薄膜。保证工件处于恒温状态热处理，通过对两种不同加热模式下的效果进行对比分析，得出一种最佳的烘房及热处理工艺方案。3.在其他控制措施中，风机引导冷空气进入烘房低温区进行预热，紧接着将其输送至高温区，以持续进行加热操作。当烘房区域的温度为常温时，将剩余一组电阻与其他三组一起切断电源。在启动烘房之前，必须先将风机连接起来，然后再将阻丝连接起来；在关闭烘房之前，必须对电阻丝进行切断，以确保风机的正常运转。4.每个烘房均配置了一对电动门，每扇门都由一台电动机驱动，且这两个电动门都可以独立进行操控。在烘房内有热风的情况下，烘房电动门能自动开闭，以保持烘干室内温度恒定，使之达到要求的工艺条件。当电动机处于正转状态时，烘房的电动门便会自动开启；电动机反转时，烘房电动门则关紧。当电机发生反转时，电动门会自动关闭。烘房内温度达到要求后，将电动门关紧即可停止供热。电动门的控制方式可分为两种，一种是基于自动化的，另一种则是基于人工操作的。在烘干过程中，当电机正、负运转或停止运行时都会产生电流，通过继电器触点使电动门接通电源，从而实现对烘房内温湿度进行自动控制。行程开关是控制电动门开、关到位的关键元件。如果是手动控制，则在打开门后就会有指示灯点亮。烘房门关闭到位时，指示灯会点亮，这意味着烘房门已经被完全关闭。第3章系统硬件设计3.1PLC简介PLC的可编程控控制器有很多种数量很多，不同产家生产的PLC或者型号不同的PLC，虽然它们其中的结构不相同，但是它们其中的基本组成部分和基本工作原理方面，却有着很大的相似部分。这些架构都是以微处理器为中心，它们的功能实现既要依靠硬件发挥作用，又要借助软件来支撑和辅助。可编程控制器在工业自动化控制系统中的应用，可显著提升系统的稳定性、可靠性和安全性等性能表现。目前，工业自动化控制系统已经成为了工业生产过程中重要组成部分，对我国经济发展起到至关重要的作用。实则，可编程控制器是一款新兴的工业控制计算机，其广泛的应用领域为其带来了前所未有的灵活性。3.2PLC选型PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，目前国际上生产PLC的公司有很多，如德国的西门子、日本的三菱、欧姆龙、松下；法国的TE、施耐德等。我们所选用的可编程逻辑控制器系列是由德国西门子公司所制造的S7-200系列的产品。西门子公司所推出的S7-200系列PLC是一款小型可编程逻辑控制器，其多项功能已经达到了大中型可编程逻辑控制器的水平，但价格却与小型可编程逻辑控制器相当，因此一经推出，便引起了广泛的关注。它不仅能满足一般中小型企业的要求，而且还适用于一些大型的自动化生产线上，如自动配料秤等。值得特别一提的是，S7-200系列CPU226系列PLC拥有多种功能模块和可供选择的人机界面（HMI），这为系统的集成提供了极大的便利，同时也使得PLC网络的组成变得轻松自如。另外，软件中还包含了许多功能强大的高级语言程序以及大量的图形显示、报警提示等功能块，这些都大大方便了用户的操作与使用。该软件集成了全面的编程和工业控制组态功能，从而使得控制系统的设计变得更加精简高效，同时具备极强的通信能力，几乎能够完成所有控制任务。在本设计所涉及的32个输入信号中，有12个数字信号被传输至可编程逻辑控制器；考虑到本设计需要处理23个数字量输出信号，因此我们决定采用CPU226作为控制器，该控制器拥有24个输入/16个输出，并对输出模块进行了扩展，以实现更高效的控制。通过这些输入输出通道来控制整个系统，使之成为一个完整的控制系统。CPU226输入输出单元接线图如图3-1所示。图3-1CPU226输入、输出单元的接线图3.3扩展模块的选择当中央处理器的输入输出数量不足或需要进行特殊功能的控制时，必须进行输入输出的扩展。目前，在许多场合下采用了多种方式来实现对计算机外设的扩充。I/O扩展涵盖了I/O节点数量的扩充以及功能模块的扩充。在设计中必须根据实际情况来决定哪种扩展方式更合理、有效。每个CPU都有其独特的扩展规范，这些规范主要受到CPU功能的限制所制约。典型的数字量输入/输出拓展模块不胜枚举，其数量之多令人叹为观止:输入扩展模块EM221,输出扩展模块EM222。EM223混合模块的输入/输出。该系统主要由信号发生器，模拟开关以及数字转换器三部分组成。扩展模块EM23已被应用于模拟量的输入。EM221的扩展模块提供了两种不同的输入方式：一种是在8点使用DC输入，另一种则是在8点使用AC输入。开关管和电阻均可选择，以满足不同的使用需要。EM222扩展模块提供了三种不同类型的输出方式，分别为8点DC晶体管输出、8点AC输出以及8点继电器输出。输入与输出特性的转换采用了模拟开关方式，可以实现不同电压等级下的多种信号接入及切换功能。EM223混合扩展模块提供了六种不同的输入/输出方式，包括4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。当需要执行一些特殊的控制任务时，CPU主机可以对特殊功能模块进行扩展，以便更好地实现其功能。[20]EM231是模拟量输入的扩展模块。模拟量采集输出设备，是将模拟信号转换成数字信号并进行传输的装置。EM232是一个扩展模块，用于模拟量的输出。扩展模块EM235可用于模拟量的输入和输出操作。为了满足本设计的要求，我们采用了EM231继电器输出扩展模块，以扩大本设计的输出模块，因为该模块提供了23个数字量输出信号，而CPU226只具备16个输出；模拟量采集输出设备，是将模拟信号转换成数字信号并进行传输的装置。呈现于眼前的是EM231的输入和输出的单元接线图，其图示为图3-2所示。图3-2EM231的输入、输出单元的接线图本系统提供多种模块的选择和组合，同时各模块在I/O链中的位置排列方式也可能多种多样，如图3-3所示，这是本设计所采用的一种模块连接方式。各部件之间采用串行接口方式联接。对应于表3-1所示的各个模块的地址分布情况。主机主机CPU226模块1EM231AI4/AO112位图3-3模块连接方式3.4I/O地址分配建立输入信号地址分配表3-2,输出信号地址分配表3-3。表3-2输入信号地址分配表TS2数据低于35℃I0.5TS3数据处于35-40℃I0.6PV数据超过80%I0.7PV数据超过10%I1.0热泵机组过载I1.1水源加热器过载I1.2废水循环泵过载I1.3热水循环泵过载I1.4内循环泵过载I1.5线路故障I1.6表3-3输出信号地址分配表废水循环泵2Q0.5热水循环泵2Q0.6内循环泵2Q0.7热泵机组Q1.0蜂鸣器Q1.1阀门1Q1.2阀门2Q1.3阀门3Q1.4阀门4Q1.5阀门5Q1.6阀门6Q1.7阀门7Q2.03.5电气控制系统原理图电子控制系统的主要电路呈现在图3-4中。在此介绍了其工作原理和电路设计方法，并给出电路原理图。四台电机分别为M1、M2、M3、M4、M5、M6。接触器KM1和KM2分别负责启动和停止废水循环泵的操作；在这个系统中，一台电动机驱动另一相或三相交流发电机发电，然后将它们输送到电网。电机的启停是通过电路控制实现的，以确保电机的正常运行。KM3和KM5均对热水循环进行了控制。泵的正向旋转；当转速达到一定值时，停止工作。KM4和KM6均对内循环泵的反转进行了控制；其中，每个电机对应一个接触器和相应的电流传感器。FR1、FR2、FR3、FR4、FR5和FR6，这六台热继电器均可用于电机过载的保护；采用交流异步电动机直接起动或间接起动方式。QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6均为各电机的低压断路。图3-4电控系统主电路图3—5为电控系统控制电路图。人工控制状态下，人工/自动转换开关SA以图形形式呈现，并在SA打到1处时自动控制；当系统处于两位运行状态时，它会自动进入控制模式。图3-5电控系统控制电路图

CPU226的外围接线图如图3-6所示。图3-6CPU226的外围接线图图中CPU226的输入信号为:SB1为启动按钮,SB2为停止按钮,SA为人工/自动选择开关；EM231外围接线见图3-7。图3-7EM231的外围接线图如上图所示EM231输入端接四个一体化温度变送器输送的模拟量信号，输出端接调功电路来控制加热器。第4章控制系统软件设计4.1恒温加热系统梯形图设计4.1.1恒温加热系统主程序恒温加热系统主程序流程图如图4-1所示。调用子程序0初始化调用子程序0初始化调用子程序1，计算采样平均值恒温-加热主程序结束调用子程序2起动PID调节温度由AQW0输出恒温-加热主程序开始图4-1恒温加热系统主程序流程图恒温加热系统主程序如图4-2所示。图4-2恒温加热系统主程序4.1.2恒温加热系统三个子程序恒温加热系统子程序流程图如图4-3所示。子程序0开始子程序0开始预置采样计数器和清零子程序0结束图4-3（a）子程序0流程图子程序1开始子程序1开始子程序1结束从模拟量输入中取个值加到采样和中，采样计数器加1，直到最大采样数用移位法求采样平均值图4-3（b）子程序1流程图子程序2开始子程序2开始子程序2结束给PID算法回路表设初值设置限幅值及中断0图4-3（c）子程序2流程图恒温加热系统子程序0，如图4-4（a）所示。图4-4（a）恒温加热系统子程序0恒温加热系统子程序1，如图4-4（b）所示。图4-4（b）恒温加热系统子程序1恒温加热系统子程序2，如图4-4（c）所示。图4-4（c）恒温加热系统子程序24.1.3恒温加热系统的中断程序恒温加热系统中断程序流程图如图4-5所示。中断0开始中断0开始中断0结束将处理过的烘房温度值转换成0~1之间的实数调用PID运算指令转换为0~32000之间的整数送至AQW0图4-5恒温加热系统中断程序流程图恒温加热系统中断程序如图4-6所示。图4-6恒温加热系统中断程序4.1.4循环显示梯形图设计循环显示梯形图如图4-7所示。图4-7循环显示梯形图4.2温度控制如式(4-4)所示：M(t)=Kpe(t)+Kile(t)dt+Kd*de(t)/dt其中，Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数，它们的值根据被控对象的特性和控制要求确定。[18]当被控对象的输出与给定值不一致时，PID控制器会根据偏差e(t)计算出对应的控制量M(t),通过执行器对被控对象进行控制，使其输出达到给定值。比例项可以快速响应，但容易产生超调现象；积分项能消除稳态误差但易造成系统超调与振荡；微分项能够增强系统稳定性，但是易受测量噪声干扰。所以在实践中需根据被控对象特点及控制要求来选择适当PID参数才能取得最优控制。M(1)=Kce+KcIedt+Mmmai+Kede/dt(4-3)4.2.1比例项比例控制，作为一种简单而高效的控制方式，被广泛应用于各个领域。积分算子可以减小稳态误差，但会引起超调增大、调节时间延长等问题，使控制系统不稳定。该控制器的输出与输入误差信号呈现出一定的比例关系。在仅有比例控制的情况下，系统的输出表现出稳态误差，即Steady-stateerror。比例项MF,是增益Kc和偏差e的乘积。输出对偏差的敏感度受增益K的影响而定。在此过程中该参数为变量。正向增益回路为正向作用回路，反向增益回路为反向效应回路。为了实现系统的负反馈控制，我们需要选择正反馈回路和反向反馈回路。（4-6）式中—第n采样时刻的给定值；—第n采样时刻的过程变量值。4.2.2积分项在控制系统中，积分控制器的输出与输入误差信号的积分成正比，也就是说，积分与输入误差信号的积分成正比关系，这意味着积分与输入误差信号的积分成正比关系。因此，当闭环系统达到某一稳定状态时，若积分值过小，将使系统失去控制效果。如果一个自动控制系统到了稳态时仍然有误差，那么它就可以分类为有稳态误差的系统或者简称有差系统。存在差性使闭环系统存在很大的稳态偏差——稳态误差。为消除控制器内稳态误差需要引入一个积分项，该积分项对于误差的贡献依赖于时间积累，积分项随时间推移而增大。由于该过程是非线性的，所以当误差较大时，这种影响就更大了。尽管误差微不足道，但是，积分项随时间推移而逐渐扩展，促使控制器输出攀升并进一步降低稳态误差直至零点。由于积分项是时变的，当闭环极点位于零点时，就不会产生较大的影响，否则，将会引起很大的波动。因此，采用比例积分（PI）控制器能够确保系统在达到稳态后不会出现任何稳态误差的情况。M是积分项与偏差的和成正比（4-7）式中—采样周期；—积分时间常数。在n采样周期之前，所有积分项的总和即为MX，它代表了积分项的当前状态。在每一次计算出之后，都要用去更新MX。第一次计算时MX的初值被设置为（初值）。采样周期是重新计算输出的时间间隔，而积分时间常数控制积分项在整个输出结果中影响的程度。4.2.3微分项微分控制的动态特性。微分项与偏差的变化成正比。（4-8）为了避免微分作用对给定值的影响而导致的不连续性，可以设定给定值保持不变（）。那么（4-9）式中—微分时间常数；—第n-1采样时刻的给定值；—第n-1采样时刻的过程变量值。4.2.4PID控制器的参数整定

在PLC中通过编程进行如式4-10计算：Kp=0.6*KcuTi=0.5*PuTd=0.125*Pu其中，Kcu为临界放大系数，Pu为临界振荡周期。在PLC中通过编程进行如式4-10计算：（4-10）式中为0、2、4、6。所得数值即为烘房温度的实际检测结果。在PLC中，PID指令是一种有效的工具，可以用于执行PID运算。表4-1呈现了我们所建立的PID运算回路表的详细信息。表4.1PID运算的回路表偏移地址变量名数据类型变量类型地址0过程变量实数输入VD1044给定值()实数输入VD1088输出值()实数输入/输出VD11212增益()实数输入VD11616采样时间()实数输入VD12020积分时间()实数输入VD12424微分时间()实数输入VD12828积分项前值(MX)实数输入/输出VD13232过程变量前值()实数输入/输出VD1364.3功率分配软件设计在本项目中，预约机制的设计是至关重要的一环。根据方案设计的内容，我们可以发现预约条件分为两个方面，一个是起始温度条件符合要求，另一个则是队列数量不超过5。在考虑到热处理预热环节的分析后，我们以固溶炉为例，设计了一个具体的实现流程，并在图4-1中进行了呈现。通过该图可以看出，当工件进入加热炉前，必须先将其送入预热装置中预热一定时间。此时，炉内工件已达到设定的最高工作温度而无法继续加热。为了解决此问题，本文提出了一项手动高温预约功能，可实现“插队式”加热，确保高温炉位优先加热，以便快速到达温度。全功率加热全功率加热启动加热减少功率加热到温加热方案温度到达设定值变压器电源大于1580A且超10SYYNN图4-1功率分配流程在Book1中，四个炉号不再按照优先级进行分类，而是采用了同一级别的管理模式，这四个炉号位于队列的前四个顺位。根据图4-2所示，当变压器电流达到或超过上限且触发峰值电流管理（即大于1580A）时，该系统将通过降低调控器输出功率30%或关闭固态继电器的输出功率来减少加热炉的输出功率。如果系统继续运行，则会造成额外的电能损失。在Book1中，所有炉均进行了全功率输出加热。

启动加热启动加热Book1加热方案部分功率加热变压器电流≥1580A变压器电流≤1460A温度到达设定值队列数量小于4等待加热全功率加热到达加热方案YYYYNYNYNYNY图4-2流程图Book2被定义为序列中最后一个可供加热的顺位，其优先级较低。当需要显示一个系统运行状态或者是某一物理量变化过程的时候，就可以根据实际情况来确定所要使用的变量以及相应的控制方式，从而使画面更加简洁清晰，更具有吸引力。该措施旨在最大程度地利用变压器剩余的电流量，以使其处于最大电流状态下运行。由于该系统具有很好的节能效果，因此得到广泛的应用。根据图4-2所示，将其操作状态划分为三类：有两种情况会影响Book2的加热操作。第一种情况是变压器电流超过其最大值，即在达到或超过1580A时，加热操作将被禁用。第二种情况是变压器电流未超过其定值，但需要对变压器进行加热处理。当变压器电流的空余量低于120A（即在1460~1580A之间），为了控制电流的余量，需要通过调整功率调控器的输出比例来实现加热。对于采用固态继电器进行加热的炉子，可以采用基于占空比的控制策略，以超电流即停的方式进行控制，从而实现高效的加热效果。由于变压器的实际负载取决于其开关状态，因此可以通过检测开关状态来确定输出功率和温度的变化范围，从而实现能源的高效利用。当变压器电流的空余量超过120A（即小于1460A）时，Book2将对其全功率输出进行加热处理。

第5章组态仿真5.1软件介绍组态王是一款以计算机为基础的自动化控制软件，其主要应用领域为工业控制系统的设计和实现。它可以根据用户需要进行各种控制功能的组合，并能对数据及图形实时显示。在电力、化工、冶金、机械等多个领域，它以其友好的用户界面、强大的功能和稳定可靠的性能等特点而广泛应用。相比于之前的版本，组态王6.5在使用方便性、功能性、性能稳定性等方面都有了明显的提升。5.2组态界面在数据词典中，我们首先定义了一个输入单元和一个输出单元。这两个输入输出组合直接对应于可编程逻辑控制器（PLC）的数字输入输出点。在选择电机工作指示灯的组态时，我们选择了变量类型为I/O整型变量的输入单元，而输出单元则选择了I/O整型变量。同时，按钮也选择了I/O离散变量。还可对整个系统进行监测与操作管理。完成配置后，进行整个组态界面的设计，如图5-1所示，呈现出完美的视觉效果。图5-1组态界面5.3仿真调试当启动系统的时候，参数进行设定，根据系统的温度变化情况，功率的分配采用不同的方式也会自动调节。如图5-2所示。图5-2功率随温度自动调节监控界面所呈现的不仅仅是运行状态、参数变化过程以及实时数据采集等信息的生动动态，更是一种高度智能化的信息呈现方式。通过快速运算监控软件组态王，将所有参数信号传输至分站的PLC控制单元，以实现对执行机构运行的控制。图形化界面能够实时呈现机构的运行状态和参数变化，让用户随时了解其动态变化。在现场应用中，具有较高的实用价值。如图5-3。图5-3实时曲线第6章总结与展望6.1总结PLC的热处理功率分配设计系统是对热处理过程的一种设计。PLC控制系统可以进行精准的控制，提高了产品的加工质量，降低了生产成本，提高了生产效率。同时，PLC控制系统可以实现自动化控制，减少了劳动强度，降低了工作风险，提高了工作效率和生产安全性。对热处理工艺水平有很大的提高。6.2展望随着时代的不断进步和科技的不断发展，人们对热处理工艺的要求和对环境质量的要求也不断提高。PLC控制系统的应用范围也在不断扩大。PLC控制系统已经广泛应用于机械、化工、冶金、电力、轻工、交通等行业的生产过程中，成为现代工业生产过程中必不可少的控制手段。因此，对PLC控制系统的研究和开发具有重要的现实意义和广阔的应用前景。热处理生产过程对自动控制的要求也越来越迫切。此外，热处理生产过程控制也很普遍。但是相对于其他行业或机械工业的其他生产工艺，热处理的自动化水平仍然不是很高，仍然有待于提高热处理生产过程的自动化水。参考文献[1]吴中俊.可编程序控制器原理及应用.北京：机械工业出版社，2004：265-267[2]吴爱萍.PLC控制的设计技巧.北京：工业控制计算机，2003：61-62[3]王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：航空航天大学出版社，2006：253-275[4]殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护.北京：机械工业出版社，2004：236-260[5]廖常初.PLC基础及应用.北京：机械工业出版社，2003：86-98[6]张万忠.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，2002：102-186[7]李建海,姜忠山,王雁涛.基于PLC和WINCC的航空蓄电池放电系统[J].兵工自动化,2008(06):89-91.[8]李琳.PLC的输出驱动.自动化与仪表，2004：86-98[9]熊幸明.PLC控制系统的抗干扰研究.工业仪表与自动化装置，2004：72-96[10]高钦和.可编程控制器原理与应用教程.北京：人民邮电出版社，2004：201-240[11]杨长能等.可编程控制器(PC)基础及应用.重庆：重庆大学出版社，2002：156-182[12]赵继文.传感器与应用