热处理炉温控制系统设计

目录第一章设计背景及设计意义 (2)第二章系统方案设计 (3)第三章硬件 (5)3.1 温度检测和变送器 (5)3.2 温度控制电路 (6)3.3 A/D转换电路 (7)3.4 报警电路 (8)3.5 看门狗电路 (8)3.6 显示电路 (10)3.7 电源电路 (12)第四章软件设计 (14)4.1软件实现方法 (14)4.2总体程序流程图 (15)4.3程序清单 (19)第五章设计感想 (29)第六章参考文献 (30)第七章附录 (31)7.1硬件清单 (31)7.2硬件布线图 (31)第一章设计背景及研究意义机械制造行业中，用于金属热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶惯性环节。

现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着科技进步和生产的发展，这类设备对温度的控制要求越来越高，除控温精度外，对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求，显而易见常规控制难于满足这些工艺要求。

随着微电子技术及电力电子技术的发展，采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实。

自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。

随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。

在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。

例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。

对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。

采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

焦化炉温度控制系统设计
一、背景介绍
焦化炉是工业厂房中重要的设备，在石化、冶金等行业中常用于脱焦、精炼、焦炭等热处理，是生产过程中必不可少的设备。

焦化炉一般都由多
层加热层构成，热源可以是电加热、油加热甚至煤气加热，每一层的加热
都要有电器控制，影响着焦化炉整体的加热温度。

控制不好，可能导致生
产出的产品质量差，甚至导致设备的损坏，所以焦化炉温度控制系统设计
变得非常重要。

1.系统框架
（1）焦化炉温度控制系统设计的基本框架是由焦单温度控制器和多
层温度控制器组成，由焦单温度控制器控制整体的温度，多层温度控制器
主要负责具体每一层的加热温度。

（2）系统控制采用智能PID控制算法，使整个温度控制系统的反应
更快，使其对温度的控制更准确，从而达到更好的焦化效果。

（3）热量传导采用高效率的热电偶进行测量，将可靠的热量传递给
温度控制器进行运算，从而控制各个加热层的温度，从而达到较好的焦化
效果。

2、设计要求
（1）焦化炉温度控制系统要求可靠性高，故障率低，可以满足不同
场合对焦化炉的控制要求；。

课程设计姓名张镇炀学号********班级电气优创0801摘要温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。

加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。

这方面的应用大多是基于单片机进行PID 控制, 然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, PLC 在这方面却是公认的最佳选择。

加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。

随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID 控制功能, 因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。

本设计是利用西门子S7-300PLC控制加热炉温度的控制系统。

首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-300PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。

关键词：西门子S7-300PLC，PID，温度传感器，固态继电器目录摘要 (I)Abstract ........................................... 错误!未定义书签。

第一章引言 ....................................... 错误!未定义书签。

1.1 系统设计背景............................... 错误!未定义书签。

1.2 系统工作原理 (IV)1.3 系统设计目标及技术要求 (IV)1.4 技术综述 (IV)第二章系统设计 (V)2.1 控制原理与数学模型 (V)2.1.1 PID控制原理 (V)2.1.2 PID指令的使用注意事项 (VIII)2.2 采样信号和控制量分析 (IX)2.3 系统组成 (IX)第三章硬件设计 ................................................... X I3.1 PLC的基本概念 (XI)3.1.1 模块式PLC的基本结构 (XII)3.1.2 PLC的特点 (XIII)3.2 PLC的工作原理 (XIV)3.2.1 PLC的循环处理过程 (XIV)3.2.2 用户程序的执行过程 (XVI)3.3 S7-300 简介 (XVI)3.3.1 数字量输入模块 (XVII)3.3.2 数字量输出模块 (XVII)3.3.3 数字量输入/输出模块 (XVII)3.3.4 模拟量输入模块 (XVII)3.3.5 模拟量输出模块 (XVIII)3.4 温度传感器 (XVIII)3.4.1 热电偶 (16)3.4.2 热电阻 (17)3.5 固态继电器 (XX)3.5.1 概述 (18)3.5.2 固态继电器的组成 (18)3.5.3 固态继电器的优缺点 (19)第四章软件设计 ................................................. X XII4.1 STEP7编程软件简介 (XXII)4.1.1 STEP7概述 (XXII)4.1.2 STEP7的硬件接口 .......................... .. (XXII)4.1.3 STEP7的编程功能 (XXII)4.1.4 STEP7的硬件组态与诊断功能 (XXIII)4.2 STEP7项目的创建 (XXIV)4.2.1 使用向导创建项目 (XXIV)4.2.2 直接创建项目 (XXIV)4.2.3 硬件组态与参数设置 (XXIV)4.3 用变量表调试程序 (XXVI)4.3.1 系统调试的基本步骤 (XXVI)4.3.2 变量表的基本功能 (XXVII)4.3.3 变量表的生成 (XXVIII)4.3.4 变量表的使用 (XXVIII)4.4 S7-300的编程语言 (XXIX)4.4.1 PLC编程语言的国际标准 (XXIX)4.4.2 STEP7中的编程技术 (XXX)结束语 ......................................................... X XXIV 致谢 (33)参考文献 (34)附录 (35)1.1系统设计背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。

真空热处理炉设计
1.设备结构和材料选择：
真空热处理炉的基本结构应该包括炉壳、绝热层、加热元件、冷却系统、真空系统和控制系统。

炉壳通常使用不锈钢材料制成，确保耐高温和抗腐蚀性能。

绝热层可以使用陶瓷纤维或耐火砖等材料，以保持炉体内高温环境的稳定性。

2.控制系统：
真空热处理炉的控制系统应具备温度、真空度和时间等参数的监测和调控功能。

温度控制通常采用热电偶或红外线传感器，并通过PID控制算法进行调节。

真空度的监测可以使用离子计、热阴极计或负荷阀等真空测量设备进行。

3.加热元件：
加热元件是实现炉体加热的关键组成部分，常用的加热元件包括电阻丝、石墨和电磁加热器。

这些加热元件应能够快速且均匀地提供热量，并具备较高的耐热性能。

4.真空系统：
真空系统主要包括真空泵和真空度控制装置。

真空泵的选择应根据炉体的尺寸和所需真空度进行，常用的真空泵有机械泵、扩散泵和栅极离子泵。

真空度控制装置可以通过电磁阀和流量计实现对真空度的调节。

5.安全保护：
6.能量消耗优化：
为了提高真空热处理炉的能效，可以考虑采用能量回收设备，如烟气热交换器和余热利用装置，以最大程度地回收炉体散发的热能。

最后需要指出，真空热处理炉的设计除了以上所述的几个方面外，还需要根据具体工艺要求和使用环境进行细致的设计和优化。

设计师应根据材料性质、工艺要求和经济可行性等因素综合考虑，以确保真空热处理炉能够满足客户需求，并在长期运行中保持高效、可靠和安全。

步进炉自动控制系统的设计摘要:目前，工业控制自动化技术正朝着智能化、网络化和集成化的方向发展。

通过步进梁式加热炉系统的设计，体现了当今自动化技术的发展方向。

同时介绍了软件设计思想、脉冲燃烧控制技术的特点及其在该系统中的应用。

1导言加热炉是轧钢行业必备的热处理设备。

随着工业自动化技术的不断发展，现代轧机应配备大型化、高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应满足高产、优质、低耗、节能、无污染和生产操作自动化的工艺要求，以提高产品质量，增强市场竞争力。

中国轧钢行业的加热炉有两种:推钢炉和步进梁式炉。

然而，推钢炉长度短，产量低，烧损高。

操作不当会导致生产出现问题，难以实现管理自动化。

由于推钢炉有不可克服的缺点，步进梁炉依靠一种特殊的步进机构，使钢管在炉内做直角运动，钢管之间留有间隙，钢管与步进梁之间没有摩擦。

出炉的钢管通过提升装置卸出，完全消除了滑痕。

钢管加热段温差小，加热均匀，炉长不受限制，产量高，生产操作灵活。

其生产符合高产、优质、低耗、节能的特点。

全连续全自动步进梁式加热炉。

这种生产线具有以下特点: ①生产能耗大大降低。

②产量大幅增加。

③生产自动化水平很高。

原加热炉的控制系统多为单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统多为模拟量控制的电源装置。

现在加热炉的控制系统都是PLC或者DCS系统，大部分还有二级过程控制系统和三级生产管理系统。

传输系统都是数字DC或交流电源设备。

本项目是某钢铁集团新建的φ180小直径无缝连续钢管生产线热处理线上的一台步进梁式加热炉。

2流程描述该系统的工艺流程图如图1所示。

图1步进梁式加热炉工艺流程图淬火炉和回火炉都是步进梁式加热炉。

装载方式:侧进侧出；炉布:单排。

活动梁和固定梁由耐热铸钢制成，顶面有齿形面，钢管直径小于141.3毫米，每个齿槽内放置一根钢管。

每隔一颗牙放一根直径153.7mm的钢管。

活动横梁升降180mm，上下90mm，节距190mm，间隔145mm。

因此，每走一步，钢管都可以旋转一个角度，使钢管受热均匀，防止炉内弯曲变形。

1 引言1．1 系统设计背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。

因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。

由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。

随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生PLC控制技术所取代。

而PLC 本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。

这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。

通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-300PLC的原理与功能以及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制的问题。

1．2 系统工作原理加热炉温度控制系统基本构成如图1-1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。

PLC主控系统图1-1 加热炉温度控制系统基本组成加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-300PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。

既加热炉温度控制得到实现。

其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。

1．3 系统组成本系统的结构框图如图2-3所示。

由图1-2可知，温度传感器采集到数据后送给S7-300PLC，S7-300PLC通过运算后给固态继电器一个控制信号从而控制加热炉的导通与否。

热处理炉燃烧控制系统介绍热处理炉的控温方式可分为自动控制和手动控制两种方式。

自动控制通过采集炉内实际温度数据与设定的工艺数据作比较,然后仪表内部专家PID进行计算后输出脉冲信号控制烧嘴按脉冲方式比例燃烧，从而控制炉温。

采用脉冲高速烧嘴、脉冲式燃烧、大小火切换方式控制炉温，设有自动点火、熄火保护、自动控温、超温报警保护等功能。

控温热电偶布置于炉顶，控温仪表采用日本岛电FP93智能温控仪执行温度控制,调节在单位时间内烧嘴的输出功率来达到控制温度目的。

控制原理：热处理炉3个温区，每一个温区配一只控温热电偶，它将本区的检测到的温度信号反馈给FP93表，经仪表内部PID运算后输出信号，控制空气阀门开启度，实现阀门“大小”开关状态，然后根据空气的压力通过进口空燃比例调节阀调节供给烧嘴天然气的大小来达到控制火焰的大小，实现自动控温。

自动点火：每台燃烧系统先由助燃风预扫气后，再启动点火装置，当某个温区的开关信号经按钮开关或计算机给出时，此温区的燃烧控制器给出点火信号：（1）打开此温区的天然气气电磁阀，同时高压点火变压器点火针端打出高压火花，引燃煤气空气比例混合气体。

（2）如一次点火失败，燃烧控制器自动识别并再点火三次，当点燃后正常燃烧时烧嘴里的火焰检测针识别后反馈给燃烧控制器，同时高压点火变压器停止点火，此温区的天然气气电磁阀处于常开状态，助燃风持续供风，此时正常燃烧。

（3）当某温区无煤气或空气时或空燃比例失常时，此温区点火将失败，此时燃烧控制器发出故障信号并声光报警提示，同时关闭此温区天然气电磁阀停止点火。

（4）当煤气总管道压力过高或过低时，压力开关将自动切断煤气总电磁阀，停止供气，均不能点火燃烧且发出声光报警控制。

控制仪表采用日本公司的高精度智能数控仪FP93，该表内置“专家PID”调节模型，程序控段制。

具有无超调、无欠调的高调节品质，质量可靠、电压、环境温度适应范围宽，抗干扰能力强等优点。

该表操作简单。

显示设定值和实测值，具有PID参数自整定，热电偶或系统误差校正等多种功能系统中配置超温报警功能，一旦出现超温，立即发出声光报警并及时燃烧控制回路,确保安全。

热处理炉施工组织设计引言概述：热处理炉是用于对金属材料进行热处理的设备，其施工组织设计直接影响到炉子的使用效果和安全性。

本文将就热处理炉施工组织设计进行详细探讨，从不同角度分析如何设计一个高效、安全的热处理炉。

一、炉体结构设计1.1 炉体材料选择：选择高温耐磨、耐腐蚀的材料，如合金钢、不锈钢等。

1.2 炉体结构设计：考虑到炉体的强度和稳定性，设计合理的结构，如加强筋、支撑等。

1.3 炉体隔热设计：采用隔热材料，如陶瓷纤维、耐火砖等，提高炉体的保温性能。

二、加热系统设计2.1 加热方式选择：根据热处理要求选择合适的加热方式，如电加热、燃气加热等。

2.2 加热控制系统设计：设计智能化的加热控制系统，确保炉温的准确控制。

2.3 加热均匀性设计：采取合理的加热布局和控制方式，保证炉内温度的均匀性。

三、冷却系统设计3.1 冷却介质选择：选择合适的冷却介质，如水、空气等，根据热处理要求进行设计。

3.2 冷却速度控制：设计合理的冷却系统，控制冷却速度，确保热处理效果。

3.3 冷却均匀性设计：考虑炉内冷却介质的流动性，设计合理的冷却系统，保证冷却的均匀性。

四、安全保护系统设计4.1 炉体安全防护：设计安全防护装置，如温度报警系统、漏电保护系统等，确保操作人员安全。

4.2 炉体气体排放系统设计：设计合理的气体排放系统，排除燃烧产生的有害气体，保护环境。

4.3 炉体紧急停机系统设计：设计紧急停机按钮或者系统，确保在紧急情况下及时停机，避免事故发生。

五、维护保养系统设计5.1 定期检查维护计划：制定定期的检查维护计划，确保炉体设备的正常运行。

5.2 防腐蚀措施设计：设计合理的防腐蚀措施，延长炉体的使用寿命。

5.3 紧急维修预案设计：制定紧急维修预案，确保在设备故障时能够及时维修，减少停机时间。

总结：热处理炉施工组织设计是一个复杂的工程，需要考虑到炉体结构、加热系统、冷却系统、安全保护系统和维护保养系统等多个方面。

惟独综合考虑这些因素，设计出高效、安全的热处理炉，才干保证炉子的正常运行和生产效果。