2022年PLC在热处理电阻炉温度控制系统方案设计书中的应用.docx

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1、封面作者： PanHongliang仅供个人学习PLC在热处理电阻炉温度掌握系统设计中的应用摘 要: 热处理电阻炉的温度掌握系统对零件的热处理质量有着重要影响；本文主要争论了以可编程掌握器 PLC为核心的箱式热处理炉温度掌握系统的设计；在提出炉温掌握方案的基础上 , 对炉温掌握系统进行了硬件设计和温度掌握程序的设计；本文以 45 钢零件进行等温球化退火热处理工艺为例, 介绍炉温控制系统的详细应用；关键词: 热处理；电阻炉；温度掌握；可编程掌握器PLCAbstract:Temperaturecontrolsystemofheat-treatmentfurnaceis very important

2、 for parts quality.ThispaperismainlydiscussthedesignaboutPLC temperaturecontrol system of box heat-treatmentfurnace.Base onthescheme oftemperaturecontrolsysteminthis paper, hardware system and temper-aturecontrolprogramaredesigned.Taketheisothermal spheroidalannealing of45 steelparts forexam-ple, th

3、e utility of the temperature control system is introduced bythis paper.Key words:heat-treatmen；t resistance furnace； temperature contro；l PL箱式热处理电阻炉是金属热处理中应用最为广泛的一种周期式作业炉, 其测温控温系统对于保证工件的热处理质量具有重要作用；传统箱式热处理电炉存在主要问题之一是炉温匀称度差 , 控温精度低 , 从而造成产品质量问题；控温方式采纳位式调剂的箱式热处理炉 , 在教案试验、科学争论和零件热处理中有着广泛的应用 , 但由于其控温系统相

4、对落后 , 经常导致温度掌握不精确而造成试验数据的不精确或产品缺陷；因此 , 针对位式调剂的箱式热处理炉的温度掌握系统进行改造设计 , 对于提高温控精度、保证产品质量具有非常重要的意义1 ；1 箱式热处理炉温度掌握方案1.1 热处理炉温度掌握系统原理炉温自动掌握是将测温外表与自动扮装置组成一个自动掌握系统来实现的2 ；热处理炉温度掌握系统原理如图1 所示；该系统主要由调剂对象 炉温 、检测元件 测温外表 、调剂器和执行器等四个大环节组成 , 各环节间用带有箭头的线表示相互作用的信号, 每一个环节都接收它前面一个环节的作用, 同时又对后一环节施加影响 , 构成负反馈闭环系统；1.2 炉温测量技术

5、近年来 , 随着产品质量要求的提高和工艺复杂性的增大, 炉温测量与掌握的要求也越来越高；炉温测控技术正在向高精度、智能化、多功能和运算机掌握方向进展；为实现对炉温的精确测量 , 可采纳以下技术措施 :图 1热处理炉温度掌握系统原理图1) 挑选 K 型热电偶 , 其测量温度范畴为 -200+1200, 在工业上应用最多 , 适应氧化性气氛 , 线性度好 , 可以充分保证测量精度；2) 为了保证测量结果能充分反映炉内的实际情形, 采纳适当的测量点数量和位置；3) 为了节约昂贵的热电极金属以及防止热电偶冷端受炉体热辐射等的影响, 在热电偶和测温外表之间用补偿导线连接；1.3 炉温调剂方式温度自动掌握

6、方式有位式调剂、准连续式调剂和连续式调剂三种, 其中连续调剂方式技术最先进；为了获得精确的炉温调剂质量, 采纳以比例积分微分调剂器 简称 PID 调剂器 组成的 PID 自动掌握系统；在热处理中使用带PID 调剂器的温度指示记录调剂仪和与之配套的执行器, 可以达到连续调剂炉温的目的；这种广泛应用的连续式调剂器是具有比例、积分、微分调剂规律的PID 调剂器, 其输出信号是按与输入信号成比例P 、积分 I 、微分 D 的运算规律而动作的 , 这三种调剂规律的作用是 : 比例调剂可产生强大的稳固作用；积分调剂可排除静差；微分调剂可加速过滤过程 , 克服因积分作用而引起的滞后 , 减小超调；只要将这三

7、种规律调剂适当 , 就能获得动作快而又稳固的调剂过程, 并能保持较高的炉温调剂精度；1.4 炉温掌握系统核心硬件炉温掌握系统核心硬件采纳可编程掌握器PLC；PLC 具有功能强、使用方 便、牢靠性高等优点 , 在先进工业国家中 PLC 已成为工业掌握的标准设备； PLC 主要由 CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成, PLC的特别功能模块用来完成某些特别的任务 3 ；在整个炉温掌握过程中 , 由热电偶采集炉温 , 其输出形式是模拟量 , 而 PLC 处理的是数字量 , 因此需要一个特别功能模块实现将采集到的模拟信号转换成与温度成比例的数字量；当PLC进行 PID 掌握时向执行器输出运算结果

8、 , 也就是掌握量 , 而这个掌握量是数字量 , 执行器所要求的信号是模拟量 , 所以仍需要一个特别功能模块将PLC输出的数字量转换为模拟量输入到执行器 , 进而对炉温进行掌握；因此 , 箱式热处理炉温度掌握方案为 : 利用热电偶检测炉温； PLC 的特别功能模块 1 将热电偶采集到的温度模拟量转化为数字量送 PLC的 CPU与设定值对比； PLC 进行 PID 运算得出掌握量； PLC 的特别功能模块 2 将掌握量由数字量转化为模拟量送加热器, 从而实现对炉温的掌握；2 热处理炉温度掌握系统硬件设计2.1 确定掌握系统输入输出 I/O 信号点数1) 输入信号点数炉温掌握系统的启动、风扇的手动

9、开启和关闭、急停开关, 各需点动按钮一个；因此, 共需开关量输入 4 点；2) 输出信号点数掌握风扇电机运转的沟通接触器1 个, 指示加热、降温、保温顺报警的指示灯各1 个；因此 , 共需开关量输出 5 点；2.2 模拟量输入、输出特别功能模块1) 模拟量输入模块的挑选与连接本系统使用热电偶来测量炉温 , 为削减硬件设备数量并简化硬件接线, 选用可以与热电偶直接相连而不需要温度变送器的模拟量输入特别功能模块；在三菱 FX2N系列 PLC的特别功能模块中 , FX2N-4AD-TC 为 12 位 4 通道模块, 它可以直接与热电偶相连 , 其综合精度为 0. 5%, 转换速度为 240ms/通道

10、；选用此特别功能模块作为模拟量输入模块, 在程序中占用 8 个 I/O 点；模拟量输入端的接线方式如图 2 所示；2) 模拟量输出模块的挑选与连接模拟量输出模块所要掌握的是加热器, 考虑到系统的扩展 , 选用三菱 FX2N系列PLC的 FX2N-4DA模拟量输出特别功能模块； FX2N-4DA有 12 位 4 通道, 输出量程为 DC -10+10V和 420mA,转换速度为 4ms/通道, 在程序中占用 8 个 I/O 点；模拟电路和数字电路间有光隔离；模拟量输出端的接线方式如图3 所示；2.3 热电偶的挑选及补偿线连接设计中考虑到系统扩展和其它高温热处理的要求, 挑选 K 型热电偶； K

11、型热电偶的测量温度范畴为 -200+1200, 在工业应用最多 , 适应氧化性气氛 , 线性度好4 ；K 型热电偶必需采纳 K 型热电偶用的补偿导线 , 热电偶与补偿导线接线如图 4 所示, 图中 1 为热电偶 , 2为测温结点 , 3为补偿结点 , 4为基准结点 , 为补偿导线；2.4 PLC选型及连接设计依据开关量输入 4 点, 开关量输出 5 点, 模拟量输入模块 FX2N-4AD-TC和模拟量输出模块 FX2N-4DA各占用 8 点 I/O 量, 因此总的 I/O 点数为 25 点, 考虑到 I/O 留 10%的余量 , 所以应选开关量输入16 点, 开关量输出 16 点的 PLC；因

12、此 , 确定采纳 FX2N-32MR-001继电器输出型PLC,该型 PLC 使用 AC 电源,DC 24V 输入, 可以同时给两个特别功能模块供应电源；PLC与输入、输出设备之间的接线图如图 5 所示；图 2FX2N-4AD-TC模拟量输入模块接线图图 3FX2N-4AD-TC模拟量输出模块接线图图 4热电偶与补偿导线接线图图 5PLC与输入、输出设备之间的接线图依据温度掌握系统的功能 , 建立 PLC温度掌握系统输入 / 输出地址安排如表 1 所示；3 热处理炉温度掌握程序设计及仿真热处理炉温度掌握程序设计是与详细的热处理工艺亲密相关的 5 ；现以小型箱式炉对 45 钢零件进行等温球化退火

13、热处理工艺 如图 6 为例, 说明热处理炉温度掌握程序设计及其仿真；图 645 钢等温球化退火工艺曲线3.1 PID 参数的确定为了实现对炉温的PID 掌握, 必需确定 PID 参数；由于炉温掌握传递函数无法确定 , 故 PID 的参数只能依据体会来选取； PID 指令的数据堆栈如表2 所示；3.2 炉温掌握系统 SFC状态功能图及梯形图程序设计SFC功能图设计方法是设计电器掌握系统的重要方法, 能够描述掌握系统的工作过程 6 、7 ；本文设计的热处理炉温度掌握系统的SFC 状态功能图设计主要包括以下几个部分 :1) PID 参数写入功能图设计；2) 特别功能模块设置及系统急停状态功能图设计；

14、3) 45 钢等温球化退火热处理工艺第一阶段程序功能图设计；4) 45 钢等温球化退火热处理工艺其次阶段程序功能图设计；依据 SFC 状态功能图 , 可编制出热处理炉温度掌握系统的梯形图程序；限于篇幅 , 此处从略；3.3 炉温掌握系统程序调试与仿真1) 调试软件MELSOFT系列的 GX Developer 软件是特地用来进行三菱系列 PLC编程、调试、诊断和仿真的 , 所以选用 GX Developer 结合 GX Simulator 对温度掌握程序进行仿真调试； GX Developer 具有制作程序、对可编程掌握器 CPU的写入 / 读出、监视、调试和 PC诊断等功能；2) 温度掌握系

15、统的调试由于掌握系统涉及到两个模拟量输入、输出殊功能模块, 有温度的测量和模拟量的输出；但是 , 在软件中没有特别功能模块的设置；因此, 在调试过程中 , 将存放温度测量值的数据寄存器D201强制设置温度数据以调试系统运行状态； 调试主要过程如下:将程序指令输入调试软件环境中；软元件登录；系统初始化；PID 运算；热处理工艺第一阶段 开头保温计时 程序调试见图 7；第一阶段加热保温完成后进行炉冷；热处理工艺其次阶段 开头保温计时 程序调试见图 8；保温完成后开头炉冷；其次阶段炉冷终止 , 全部工作状态复位；工件出炉, 热处理工艺终止；监视急停状态程序调试见图 9；对热处理炉温度掌握程序之调试与

16、仿真的结果 说明: 掌握程序是正确的 , 能满意热处理工艺的要求；图 7急停状态调试图 8热处理工艺其次阶段4结语设计便利、牢靠、高精度的温度掌握系统是改造老式热处理炉和设计新型 热处理炉的重要内容；本文提出了基于PLC 为核心硬件的热处理炉温度掌握系统设计的总体方案 , 完成了热处理炉温度掌握系统的硬件设计和程序设计；以对45 钢零件进行等温球化退火处理为例, 说明箱式热处理电阻炉温度掌握系统的详细应用；掌握程序仿真的结果说明 , 热处理炉温度掌握系统的设计是胜利的；图 9急停状态调试参考文献1 吴光英, 吴光治, 孙桂华. 新型热处理电炉 M. 北京:国防工业出版社 , 19932 中国热

17、处理行业协会 , 机械工业技术交易中心 . 当代热处理技术与工艺装备精品集 M. 北京: 机械工业出版社, 20023 顾战松, 陈铁年. 可编程掌握器原理与应用 M. 北京:国防工业出版社 , 19964 何希才. 传感器及其应用 M. 北京: 国防工业出版社 , 20015 濮阳槟. PLC 在热处理炉掌握系统中的应用 J.可编程掌握器与工厂自动化 PLC FA, 2004, 4.6 丁起英, 徐岩, 刘俊伟. PLC 和微机在热处理设备上的应用J.应用能源技术 , 2002, 4.7 钱兵, 吕国芳, 王强. PLC 在热处理生产线中的应用J.自动化与外表 , 2002, 3.版权申明本

18、文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理；版权为潘宏亮个人全部This article includes some parts, including text, pictures, and design. Copyright is Pan Hongliangs personal ownership.用户可将本文的内容或服务用于个人学习、争论或观赏，以及其他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律的规定，不得侵害本网站及相关权益人的合法权益；除此以 外，将本文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权益人的书面许可，并支付酬劳；Users may use th

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