3-基于PLC的加热炉炉温控制系统设计与应用 - 图文

硕 士 学 位 论 文

MASTER DISSERTATION

论文题目 基于PLC的加热炉炉温控制系统设计与应用

作者姓名 学科专业 指导教师

2015年3月

中图分类号：TP273：TG155.1 学校代码：10216 UDC：621.3 密级：公开

工程硕士学位论文

（工程设计型）

基于PLC的加热炉炉温控制系统设计与应用

硕士研究生 ： 导师 副导师 申请学位 工程领域

： ： ：

所 在 单 位 ： 答 辩 日 期 ：

授予学位单位 ： 燕山大学

Yanshan University

2015.03

燕山大学硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于PLC的步进式钢管淬火炉控制系统的研究与设计》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签字： 日期： 年 月 日

燕山大学硕士学位论文使用授权书

《基于PLC的步进式钢管淬火炉控制系统的研究与设计》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。

保密□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于

不保密?。 （请在以上相应方框内打“√”）

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

摘 要

摘 要

在钢铁工业生产过程控制中，通常会遇到的是加热炉炉温动态特性控制，它具有如下特征：（1）炉温上升和下降往往具有严重的不对称性，包括增益和滞后时间的不对称性。（2）容积滞后。对于一般工业加热炉炉温控制特性具有较大的容积滞后，而且属于纯滞后特征。（3）在加热炉的整个温度调节范围内，对象的增益、容积滞后时间通常是与工作温度与负载变化有关的变参数。对于加热炉这类工业对象，采用常规的PID控制器，在工作点附近的小范围内，由于其动特性近似于线性，有可能控制得较好；但当大范围改变给定值或受外界环境（包括工况）太大扰动时，就需要及时修正PID参数，否则将使温升动特性变差。随着现代工业技术的发展，对工业炉温控制性能要求也必然越来越商，要求有更先进的控制策略来满足这些要求。由于温度控制在加热炉设备自动化控制中是一个非常重要的方面，但加热炉是一个非线性的、时变的、分布参数多的复杂被控对象，具有滞后的特性，因而加热炉的炉温是一个较难控制的参数。基于此，本研究将利用西门子S7-300PLC控制加热炉温度控制系统。

本文介绍了步进式加热炉的结构、工艺和控制要求，归纳了步进式炉的控制现状，分析了步进式加热炉炉温控制系统，并针对存在的问题进行以下几个方面的研究：

第一，针对步进式加热炉炉温控制过程中存在的滞后的特点，提出PLC过程控制的相关理论。

第二，通过对加热炉的温度控制进行传统 PID 过程控制进行仿真比较，提出加热炉炉温控制系统的方案设计。

第三，系统的学习了 SIMATIC S7-300PLC控制系统，学习PLC 中先进过程控制库中的功能模块和使用方法，有了深层次的消化吸收，并学习了在PLC系统中如何创建工程项目的方法步骤，在对PLC系统下加热炉炉温控制的硬件和软件进行设计与研究。

结果表明，对基于PLC的加热炉进行控制使炉温能够快速跟随给定并达到稳定状态，这对日后研究加热炉炉温优化工作打下了坚实的基础。通过本文的研究对加热炉炉温的智能化控制提供一定的参与借鉴。

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关键词：PLC；加热炉；炉温；控制

ABSTRACT ABSTRACT

The characteristics of a heating furnace temperature control, it has the following characteristics: (1) the temperature rising and falling tend to have a serious asymmetry, including the asymmetry of the gain and the time lag. (2) Volume lags. For general industrial furnace temperature control features with larger volume, and belongs to pure hysteretic characteristics. (3) in the whole heating furnace temperature control range, the object's gain, volume lag time is usually variable parameters associated with the working temperature and load changes. For this type of industrial heating furnace object, using the conventional PID controller, near the working point of small scale, due to its dynamic characteristics similar to linear, can control it better; But when the big scope change given value or the external environment disturbance (including condition) is too big, will need to be revised PID parameters in time, otherwise will make dynamic characteristic of temperature variation. With the development of modern industrial technology, the industrial furnace temperature control performance requirements also more and more, necessarily requires a more advanced control strategies to meet these requirements. Due to the temperature control in the heating furnace equipment automation control is a very important aspect, but the heating furnace is a nonlinear, time-varying and distributed parameter more complex controlled object, has characteristic of lag, as a result the temperature of heating furnace is a more difficult to control the parameters. Based on this, this study will use the Siemens S7-300 PLC control furnace temperature prediction control system.

Step by step heating furnace are introduced in this structure, process and control requirements, step furnace control present situation, summarizes the step furnace temperature prediction control system are analyzed, and the study of existing problems in the following aspects:

First, in view of the step in the process of the furnace temperature control is the characteristics of the lag of relevant theory of PLC process control are put forward.

Second, through to the heating furnace temperature control process of traditional

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PID control and control are compared, and the simulation scheme design of reheating furnace control system is put forward.

Third, the system of learning the SIMATIC S7-300 PLC control system, learning advanced PLC in process control in the library function module and method of use, with deep digestion and absorption, and learning in a PLC system how to create the steps of the project, under the system of PLC furnace temperature prediction control hardware and software to carry on the design and research.

Results show that the forecast of the heating furnace based on PLC to control the furnace temperature can quickly follow given and reach the stable state, the reheating furnace optimization in the future research work has laid a solid foundation. Through the study of this article is for the participation of reheating furnace of intelligent control to provide certain reference.

Key words: PLC; The heating furnace; Furnace temperature; control

目 录

目 录

摘 要 .................................................................I ABSTRACT ...............................................................I 第1章 绪论 ............................................................1

1.1 课题背景及意义 ..................................................1 1.2 PLC过程控制系统 ................................................1

1.2.1 PID过程控制概述 ...........................................1 1.2.2 PLC过程控制的特点 .........................................2 1.3 研究内容及思路 ..................................................4 第2 章 步进式加热炉工艺和炉温控制原理 ..................................5

2.1 步进式加热炉工艺 ................................................5

2.1.1 步进式加热炉内坯料的运动 ..................................5 2.1.2 步进式加热炉的炉底结构 ....................................6 2.2 加热炉炉温控制原理 ..............................................7 2.3 本章小结 ........................................................8 第3章 加热炉炉温控制系统的方案设计 ....................................9

3.1 加热炉炉温控制系统的基本构成 ....................................9 3.2 加热炉燃烧系统工艺流程 ..........................................9

3.2.2 压力检测与控制 ...........................................13 3.2.3 流量检测与控制 ...........................................14

第4章 加热炉炉温 PLC软硬件设计 .......................................15

4.1 控制部分的硬件组态 .............................................15

4.1.1 主站组态 .................................................15 4.1.2 从站组态 .................................................18 4.2 S7-300 PLC的编程方法 ..........................................23

4.2.1 Step7编程软件包构成与编程方式 ...........................23 4.2.2 编程过程分析 .............................................24 4.3 炉温控制系统软件设计 ...........................................25

4.3.1 加热炉控制系统整体软件介绍 ...............................25 4.3.2 加热炉炉温自动调节程序设计 ...............................26 4.3.3 组织块OB150 ..............................................31 4.4 数字滤波程序 ...................................................31 4.5 FUZZY控制流程 .................................................31 4.6 本章小结 .......................................................34 第5章 PLC加热炉炉温控制系统应用 ......................................35

5.2 WinCC工作流程 ................................................35 5.3 加热炉流程及温度控制画面 .......................................35 5.4 变量记录 .......................................................37 第6章 总结与展望 .....................................................38

6.1 结论 ...........................................................38

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6.2 展望 ...........................................................38 参考文献 ..............................................................40 附 录 .................................................................44 攻读工程硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 ..........................45 致 谢 .................................................................46 作者简介 ..............................................................47

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

加热炉是材料加工中最常见的一种工业用炉，在工业生产的过程中起着十分重要的作用，直接关系到产品的质量优劣和成本的高低。加热炉耗能较大，比如在生产过程中用的均热炉。其能耗一般要占整个能耗的60％左右。为了降低能耗和提高热效率，来提高生产，达到节能效果，利用计算机可以实现对加热炉的温度、保温时间、升降温速率、气氛和工序动作等参数的自动化控制[1]。计算机不仅可以对单台加热炉进行控制，而且可以同时对多台加热炉进行控制。计算机已成为材料加工设备及工艺过程控制的重要控制系统[2]。加热炉的温度一般是指炉内热气、炉内壁和被加热钢坯的均衡温度。一般是沿加热炉炉长度而发生变化，连续加热炉的炉温呈连续分布规律，其温度可采用热电偶在线检测获得[3]。

智能化控制是能够实现对其目标实行自动控制。其优势在于能解决那些传统控制系统难以解决的复杂控制问题[4]。它的主要目标是探索更加接近人类大脑处理事物的“思维”模式，依据少量模糊信息，就能够得到较准确的结论和控制方案。这种智能化控制就像计算机下棋一样，对付环境干扰(如钢温度低)，根据得到的信息，从存储的众多的信息中，优选出一项能达到高热效率、低能耗、少氧化烧损，并且能提高产量、降低成本等控制措施。在工业炉窑的智能控制中，并不需要这么高的运算速度，也不要这么多条应对措施，如果在每种扰动情况下，智能系统有5种应对措施，优选出其中最佳的一条措施，就会比任何单一的措施要优越和高明得多[5]。

1.2 PLC过程控制系统

1.2.1 PID过程控制概述

过程控制是工业自动化的—个重要分支，它主要针对温度、压力、液位、流量、成分和物性等参数的控制问题。工业生产对过程控制的要求主要体现在于安全性、经济性和稳定性等。其任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态与动态特性的基础上，对控制系统运用控制理论进行分析，最终采用合适的手段满足这些要

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求[6]。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，是闭环模拟量控制中的传统调节方式。由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，在改善控制系统品质、保证系统偏差、使系统实现稳定状态方面具有良好的效果，已成为工业生产过程中一种最普遍采用的控制方法。

PID控制即比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)控制的缩写，它根据系统的误差，对比例、积分、微分进行计算，算出控制量实行对其控制。例如对某储液罐液面的控制，要求液面维持在某一值恒定，在实际应用中，由于储液罐进出液体往往是变化的，因此，控制要求的液位高度与实际液位高度(过程变量)存在偏差。采用PID控制就是根据此偏差以及相关参数，利用PID方程计算出控制量来调节阀门开度，从而保持液面高度恒定[7]。

PLC（Programmable Logic Controller）即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。其采用可编制程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式或模拟式的输入和输出数据。对各种类型的机械或生产过程进行控制。”PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，便于扩展它的功能的原则来设计。加热炉的PLC控制可实现加热炉温度、压力、流量和燃烧过程自动控制等功能[8]。

温度控制是整个控制系统的核心，计算机在得到温度测量数字信号后，将其与温度设定值进行比较，得到偏差值，然后计算机按照设定的控制算法，如PID算法、最优化算法等进行控制决策计算，得出温度控制量，再经I/O接口输出到D/A转换器转换为模拟信号后，由执行机构去调节加热炉输入功率，使加热炉始终保持在温度设定值附近[9]。

1.2.2 PLC过程控制的特点

过程控制主要指，对一系列模拟量所实施的控制。模拟量为连续变化的物理量，如电压、电流、温度、压力、速度、流量等[10]。在现实世界中，特别是在连续型的生产，如化工生产中，常见到模拟量，并要求对其进行控制。此外，由于脉冲技术

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第1章 绪论

的进步，在过程控制中，有时也用到脉冲量。过程控制是基于信息采集和处理、使系统的状态与行为产生所希望的变化，而施加给系统的作用。这里的信息有3种[11]：一为被调节量，或称被控量，也称调节量，是反映的被控系统的状态、行为、性能或功能的信息；另一为控制量，也称控制，即施加给系统的作用，是经PLC处理后产生的控制信息[12]。此外，还有干扰量。它与控制相反，是使系统的状态与行为产生所不希望的变化[13]。干扰信息多不大好检测，而如采用闭环控制也可不检测。模拟量控制实质就是从数量上对这三个信息进行变换与处理，以确保调节量能按期望的要求变化[14]。

用PLC实现模拟量控制有3个基本特点[15]：一是有误差；二是断续的；三是有时延。在解析这3个特点前，以下先对物理量在时间上、取值上的特点作以下说明。

（1）误差

模拟量在时间上、取值上具有连续性。对模拟量按一定时间间隔取值，称为采样。所得到的模拟量即为离散量。很显然，在时间上是离散的，只代表采样当时的模拟量，其它时刻的模拟量值不代表。但取值上还是连续的。

用数值来求出与实际的离散量最接近的数字量，称为量化。量化后的离散量称为数字量[16]。它在时间上与取值上都是离散的。PLC控制只能处理数字量，要用它控制模拟量，就必须要先对这些模拟量进行采样与量化，量化后的值与模拟量的原值难免产生差异的，即误差。其误差具有可控性。可以选用合适的模入、模出模块的位数[17]。如用的是8位模入模块，其量化的值只能是0～255(十六进制FF)之间的整数。故其分辨率为1/256。如用的是12位模入模块，其量化的值只能是0～4095(十六进制FFF)之间的整数。故其分辨率为1/4096。如果选的位数多，分辨率高，精度也高。但位数多，模块也贵。高过16位时，还要用双字指令处理，将会增加资源的开销和处理时间。使误差可得到控制是一个重要的优点。历史上出现用数字计算机代替模拟计算机，正是前者的误差是可控的。只是这里也有一个合理的“度”，应在保证精度的要求下，力争减少位数[18]。

（2）断续

正是要采样，所以它是断续的。只是在PLC I/O刷新时，模人模块才把实际值读入PLC；模出模块或输出点才把控制信号输出给控制对象。只是在这时，才相当于它的采样开关合上，系统是闭合的。但这个闭合时间是很短暂的。而较长的时间

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是PLC运行程序及处理采集到的数据。而这期间系统闭环是断开的。可知，PLC模拟量控制系统使典型的采样控制系统[19]。

为了确保采样信号能较少失真为原来的连续信号，根据采样定理，采样频率一般应大或等于系统最大频率的两倍。由于PLC工作速度很快，一般讲，这个要求总是能够满足的。

（3）时延

实际系统本身的惯性以及动作传递也有个过程，有一定时延。用PLC进行控制，采样、信息处理及控制输出也有个过程，更有时延。在实施一个新一轮的控制作用之后，不能指望立即就会有所反应。所以，不能因一时未得到所期望的反应，就一味地改变控制作用[20]。那样，很可能使系统出现不稳定。再如，用PID控制，其运算间隔时间不能太短。如无特殊措施，其间隔起码要大于程序的扫描周期等。

以上3个特点，在确定控制算法、设计控制程序及选定控制参数时，必须考虑到的。

1.3 研究内容及思路

本文介绍了步进式加热炉的结构、工艺和控制要求，归纳了步进式炉的控制现状，分析了步进式加热炉炉温控制系统，并针对存在的问题进行以下几个方面的研究：

第一，针对步进式加热炉炉温控制过程中存在的滞后的特点，提出PLC过程控制的相关理论。

第二，通过对加热炉的温度控制进行传统 PID 过程控制和预测控制进行仿真比较，提出加热炉炉温控制系统的方案设计。

第三，系统的学习了 SIMATIC S7-300PLC控制系统，学习PLC 中先进过程控制库中的功能模块和使用方法，有了深层次的消化吸收，并学习了在PLC系统中如何创建工程项目的方法步骤，在对PLC系统下加热炉炉温控制的硬件和软件进行设计与研究。

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第2 章 步进式加热炉工艺和炉温控制原理

2.1 步进式加热炉工艺

步进式加热炉是机械化炉底加热炉中使用较为广泛的一种，是取代推钢式加热炉的主要炉型。70年代以来，国内外新建的许多大型加热炉大部分选用了步进式加热炉，还有一些中小型加热炉也运用此种炉。该炉底基本由活动部分和固定部分构成。按其构造不同又有步进梁式、步进底式和步进梁、底组合式加热炉之分。一般坯料断面大于（120×120）mm2多采用步进梁式加热炉，钢坯断面小于（100×100）mm2多采用步进底式加热炉[21]。

2.1.1 炉内坯料的运动

步进式加热炉主要是依靠其底部可动的步进梁作矩形轨迹的往返运动，坯料在固定梁上逐步地从进料端送到出料端，经过炉膛内不同的温度段后使坯料达到工艺要求的温度。图2.1所示为步进式加热炉内坯料运动的示意图。

步进式加热炉炉底由固定梁和移动梁两部分所组成。起先把料坯放到固定梁上，此时移动梁位于坯料下面的最低点1。开始动作时，移动梁便由1点垂直上升到2点的位置，在到达固定梁平面时把坯料托起，接着移动梁载着坯料沿水平方向移动一段距离从2点到3点，然后移动梁再垂直下降到4点的位置，当经过固定梁水平面时又把坯料放到固定梁上，这时坯料已经运动到一个新的位置，相当于在固定梁上移动了从2点到3点这样一段距离，最后移动梁再由4点退回到1点的位置。这样移动梁经过上升→前进→下降→后退四个动作完成一个周期，通过这样不断的循环方式使炉料一步步前进。移动梁往复一个周期所需要的时间和升降进退的距离，是按设计或操作规程的要求确定的。步进周期和行程可以根据坯料种类和断面尺寸确定坯料在炉内的加热时间进行调整。移动梁的运动是可逆的，当轧机故障要停炉检修，或因其他情况需要将坯料退出炉子时，移动梁可以逆向工作，把坯料由装料端退出炉外。移动梁还可以只作升降运动而没有前进或后退的动作，即在原地踏步，以此来延长坯料的加热时间。因此，步进式加热炉可以通过控制步进梁的运动灵活地控制坯料的加热。

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第2 章步进式加热炉工艺和炉温控制原理

图2.1 步进式加热炉内坯料运动的示意图

2.1.2 步进式加热炉的炉底结构

炉底可分为活动部分和固定部分，它们可以是钢梁，也可以是耐火砖砌筑的实底炉。按照炉底构造和所用材质具体可划分为：（1）由耐热钢铸件组成的步进梁和固定梁；（2）由耐火材料覆盖的步进梁（也称步进床）；（3）水冷的步进梁和固定梁。（1）和（2）采用单面加热，（3）采用双面加热。 A耐热钢步进梁和固定梁炉底

一般采用耐高温的合金钢作为步进梁及固定梁的材质，如Cr30Nil4、Cr26Nil4等，适用炉膛温度为1 150～1200℃。这种步进炉的优点是重量轻，而且可以做成锯齿状，适用于钢管的加热。缺点是炉温受耐热钢材质的限制，此外，要求耐热钢质量好，在高温下要有足够长的使用寿命（1～2年甚至更高），因此，用这种耐热钢供给工业炉使用尚有一定困难。为了节省耐热钢，可以只在步进梁顶面上用一层耐热钢外壳，下面用耐热混凝土代替。目前，用耐热钢做步进梁和固定梁的炉子主要用在钢管热扩及张力减径前的加热，将步进梁和固定梁做成锯齿状，以便于钢管放置，同时步进梁和固定梁锯齿在安装时有意错开一定角度，使钢管在步进运动过程中可以转动一个角度，使钢管加热更均匀。

B耐火材料覆盖的步进梁炉底

在步进梁上覆盖足够厚度的耐火材料就有可能提高炉膛温度，最上层耐火材料必须耐高温，并具有足够的强度，尤其砌筑在步进梁两侧边缘上的耐火材料，为防止受振动后掉落，可采用大块耐火混凝土砌筑。炉底耐火材料下面需要铺一层绝热砖和石棉板，这种步进炉炉底绝热和砌筑质量很重要，否则炉底温度升高，钢梁会发生变形，甚至不能正常工作。设计良好的步进炉能保证炉底下面钢板温度在150℃

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以下。当炉膛较宽或加热坯料长度有变化时可采用两个步进梁，应该保证它们动作同步以防止坯料在炉膛中间歪斜。这种耐火材料覆盖的步进梁炉底的优点是炉温高，节省大量耐热钢，缺点是比较笨重[22]。

和推钢式加热炉相比，步进式加热炉具有以下优点：（1）可以加热各种形状的坯料，特别适合推钢式加热炉不便加热的大板坯和异型坯；（2）生产能力大，炉底强度可以达到800～1000kg·（m2·h），与推送式炉相比，加热等量的坯料炉子长度可以缩短10％～15％；（3）炉子长度不受推送比的限制，不会产生拱料、粘连现象；（4）炉子灵活性好，在炉长不变的情况下，通过改变坯料间距就可以改变炉内料块数量，以适应产量变化的需要，而且步进周期也是可调的，如果加大每一周期前进的步距，就意味着坯料在炉内的时间缩短，从而可以适应不同金属加热的要求；（5）单面加热的步进式炉没有水管黑印，不需要均热床，双面加热的情况比较复杂，对黑印的影响要看水管绝热情况而定；（6）由于坯料在固定梁上，坯料下面没有划痕。推送式炉由于推力振动，使滑道及绝热材料经常损坏，而步进式加热炉不需要这些维修费用；（7）轧机故障或停轧时，能踏步或将物料退出炉膛，避免坯料长期停留炉内造成氧化和脱碳；（8）可以准确计算和控制加热时间，便于实现过程自动化[23]。

2.2 加热炉炉温控制原理

在钢坯加热过程中，加热炉炉内各段的温度值及其均匀性是十分重要的工艺参数。加热炉通常采用轴流式燃烧供热方式。在加热炉的上部和下部各有若干个加热区段，各加热区段配置有烧嘴，燃料由调节阀门经烧嘴进入炉内进行燃烧。每个加热区段设有热电偶，用于测量炉内温度，温度实测值作为反馈信号，各加热区段的预期温度通过温度设定值进行设定及调节，对于采用集散控制系统进行控制的加热炉，温度设定及调节可以通过上位机进行，也可以通过各个加热区段的控制仪表进行。在加热炉中，每个加热区段的控制是类似的。

通过控制系统，操作人员可以对炉内各段温度进行设定，控制系统的调节器根据温度设定值和炉内温度实测值的偏差，控制调节阀门的开度，从而改变燃料流量，使炉内温度实际值趋于温度设定值。

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第2 章步进式加热炉工艺和炉温控制原理

图2.2 加热炉炉温控制原理

在燃烧过程当中，投入加热炉的燃料必须与空气混合燃烧，因此，在向烧嘴输送燃料的同时，还要输送空气。能够使炉内的燃料充分燃烧，达到所要的热量，应使燃料流量和空气流量保持适当比例，过高或过低都会导致炉内的热量达不到标准量，引起温度波动，从而影响加热质量，还会造成燃料浪费和环境污染[24]。

系统中燃料流量用转子流量计进行测量，燃料流量实测值作为燃料流量反馈信号，空气流量用孔板进行测量，空气流量实测值作为空气流量反馈信号。温度调节器的输出并不直接控制燃料调节阀，而是作为燃料设定值，与燃料实测值进行对比后，利用偏差来控制燃料调节阀，使燃料流量控制在保持炉内温度所需的流量上。空燃比曲线是预先测定的燃料流量和空气流量的比例关系，在这个比例关系下，燃料可达到最佳燃烧效果，很少造成燃料浪费和环境污染。通过空燃比曲线将燃料设定值转换为空气设定值，它与空气实测值进行比较后，利用偏差来控制空气调节阀，使空气流量保持在最佳燃烧所需的流量上。应该注意的是，当加热炉的状态发生大的变化时(如大修或改造后)，应根据实际对空燃比曲线进行调整。

2.3 本章小结

本章主要通过分析加热炉温控制的原理，为后面对加热炉炉温折PLC控制提供理论支撑。

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第3章 加热炉炉温控制系统的方案设计

3.1 加热炉炉温控制系统的基本构成

加热炉温度控制系统基本结构如图3.1所示，它由PLC主控系统、PID控制器、加热炉、温度传感器等4部分组成[25][26][27]。

图3.1 加热炉温度控制系统基本组成

3.2 加热炉燃烧系统工艺流程

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计 图3.2加热炉全煤气燃烧工艺流程图

原油蒸馏装置有两台加热炉，一台为常压加热炉，另一台为减压加热炉。常压加热炉加热介质为初馏塔底油，加热后的初馏塔底油进入常压塔进行常压分馏；减压加热炉加热介质为常压塔底油，加热后的常压塔底油进入减压塔进行减压分馏。原油蒸馏装置的加热炉用本装置加工中自产的燃料油、燃料气，采用火焰加热炉管中流动油品的方法，提高了进入常压塔和减压塔的进料温度。

原油蒸馏装置的加热炉与其他装置的加热炉相比有着明显的特点，首先是加热炉的热负荷是炼油厂中最大的。因为进人加热炉被加热油品的流量大，在工程上采用了多流路并联的方式；其次是进入加热炉被加热油品的组成复杂、相对密度大、黏度大、含碳量高，由于要求油品在加热后的总出口温度高，因此被加热油品在炉管内容易引起结焦和裂化；此外排放到大气中的加热炉烟气温度高、排放量大。能否根据这些特点解决好加热炉系统的工程技术问题，建成技术先进、高效节能、安全环保、操作稳定的加热炉，是工艺、加热炉、仪表自动化及安全环保等专业共同面临的问题[28]。

加热炉燃烧过程中需要外界提供大量的空气，因而需设置专门的通风系统。通风系统有自然通风和强制通风两种操作方式。原油蒸馏装置为了有效地提高加热炉的热效率，一般都采用强制通风方式。同时，加热炉燃烧过程中必须向外界排放大量高温烟气，因而需要设置烟气能量回收系统，此能量回收是两炉联合的。利用热烟气预热常温空气，提高进入加热炉燃烧用空气的温度，进而提高加热炉热效率。所以，烟气能量回收系统的控制和安全联锁是加热炉系统自动控制的重要部分。减压加热炉的主要控制流程与常压加热炉控制流程基本上是相同的。

3.2.1 温度检测与控制 1．被加热油品温度

加热炉的功能就是提高被加热油品的温度，因此，必须在加热炉的相关部位正确设置温度测量点，严格控制关键温度，使加热炉在良好的工况下长周期运转。加热炉的关键温度是炉出口总管温度、炉入口总管温一度、每个支路的过渡段温度即辐射段至对流段之间的温度、每个支路的出口温度等。这些温度的检测位置和检测点数量应根据炉型和用途确定。加热炉采用热电偶作为测量元件，控制室内完成指示和控制。

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炉出口总管温度代表了被加热介质出加热炉的最终温度，是必须严格控制的生产操作关键指标。控制炉出口总管温度的常规方法是用炉出口总管温度与炉膛温度串级调节加热炉的燃料量。这种调节方法只能将加热炉总出口温度保持在规定的范围内。对于有多分支的和炉型结构比较复杂的常压炉及减压炉，因为各支路的出口温度有差异，致使总出口温度不稳定，不容易控制。由于各支路流量是相关耦合的关系，常常发生支路流量严重不平衡，甚至可能因为某一路炉管局部过热发生结焦等不良情况。为了防止这种情况，对于多流路、易结焦的常压炉及减压炉，出口总管温度采用了支路均衡的复杂控制。

加热炉出口总管温度控制应综合考虑所有操作工况，包括开工、停工和除焦等阶段的不同控制功能。对于加热炉出口总管温度，除了控制还设置了独立的用于高限报警、联锁的温度检测点，热电偶应单独设置。此热电偶在加热炉出口总管的安装位置与用于温度控制的热电偶的距离不应大于450 mm。高限报警、联锁热电偶还用于炉出口总管温度控制的校正[29]。

2．炉膛温度

炉膛温度包括炉膛辐射段和对流段的温度。加热炉辐射段的炉膛温度为串级的副回路，与炉出口总管温度组成了加热炉的关键温度控制回路，其调节参数是燃料油、燃料气的流量。炉膛温度的检测点应设置在炉膛辐射区灵敏段接近对流段的部位，应能综合反映炉膛的燃烧情况。与出口总管温度相比，炉膛温度反应更灵敏，调节滞后小。还可选择多点测量或取平均值的方法，更确切地反映炉膛实际情况。

根据加热炉的炉型不同，辐射区的温度可设置多方位、不同高度的测量点，以全面了解加热炉的燃烧状况，避免炉管和炉膛超温。测量点应设在烟气流动的温度灵敏位置，避开有烟气回流或有火焰的地方。测量高温的热电偶应采用耐高温、耐氧化、耐酸、抗氧化性能的套管。因为原油蒸馏装置两炉正常操作的炉膛温度不大于1000℃，因此，炉膛温度的热电偶套管材料一般选用耐高温耐轻腐蚀的Cr25Ti不锈钢。

对流段温度测量的目的是及时地了解炉膛排烟温度，有效监测加热炉的热效率，其热电偶套管必须能适应操作温度和操作环境。

3．烟道气温度

炉膛中的烟气经过对流段排出加热炉，烟道气温度对于评价整个加热炉的操作状态十分重要。若烟道气温度快速升高，表示加热炉的燃烧发生异常，可能是炉管

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计

破裂、对流室大量积灰或预热器效率下降等原因造成的。当烟道气温度低于露点时，烟气中的水蒸气结露，会使烟气中的酸性气体，如硫的二氧化物和三氧化物形成酸液，会对烟道造成严重的腐蚀。对于常压炉和减压炉，需要在多部位测量烟道气温度，一般在对流段尾部烟道处、与烟囱的连接处、排烟出口处都设烟道气温度测量。还应在烟道气取样分析点附近设置烟道气温度的检测点[30]。

4．炉管表面温度

炉管表面温度反映了加热炉炉管被加热的情况，当炉管内流动的被加热重油流量降低时会导致炉管超温。炉管表面热电偶的检测点设在易结焦区的炉管段上，一旦炉管局部过热而引起温度超高，及时提示操作人员采取措施防止炉管内结焦。炉管表面温度热电偶必须固定在炉管上，热电偶的安装应留有足够的伸缩量来适应炉管的膨胀，热电偶及引出导线和保护材料能适应炉内的高温环境。一般采用铠装型表面热电偶，铠装材料必须能耐高温、防腐蚀。

常压炉和减压炉一般采用底部燃烧的立管加热炉，炉管表面热电偶的数量和位置应根据需要确定。表面热电偶一般垂直固定安装在炉管距离辐射出口处1/3到1/2高度的位置上。

5．燃料温度

原油蒸馏装置采用燃料油和燃料气作为加热炉的燃料。燃料油的温度需根据燃烧器所要求的燃料油的黏度而定。油温过低燃料油黏度增大，致使火焰燃烧不好。油温过高会引起燃烧器火嘴结焦[32]。燃料气的温度测量用于对燃料气流量测量数据作温度补偿，从而得到更精确的燃料气流量[33]。

6．空气预热器温度

常压炉和减压炉产生大量的高温烟气，所以都设置了可以利用余热的烟气能量回收系统。用进入空气预热器的烟气作为热介质对供加热炉燃用的冷空气进行预热。测量空气和烟气在通过空气预热器热交换前后的进、出口温度，可以监测预热效果。对于空气预热器的有关温度还设置了安全联锁和报警。

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图3.3 加热炉综合控制系统方块图

3.2.2 压力检测与控制

加热炉设置压力测量的部位有：炉入口总管、各支路入口、炉出口总管。在加热炉每路分支出口炉管处设置就地压力表。炉膛压力控制系统要避免炉膛超压。每个炉膛最少设两个炉膛压力检测点。对于大处理量的常压炉和减压炉，一般都设四个炉膛压力检测点，其中两个的测量值采用高选方式参与控制。压力控制一般可通过调节烟道挡板的开度以改变烟气的排放量来实现。

对于设有余热回收系统的炉膛压力控制，则也可采用炉膛压力自动控制引风机的调节挡板，保持炉膛压力。对于采用了变频调速控制的引风机，炉膛压力自动控制可以通过直接调节引风机的转速来实现[34]。

热烟气出炉体的烟道挡板和余热回收后进引风机的入口挡板都可以作为调节炉膛压力的控制手段。可根据炉型、烟气量等因素确定自动控制方案。例如，选择其中一个挡板控制炉膛压力，另一个挡板采用远程手动控制等。从安全角度考虑，当预热器、引风机出现故障或停用时，炉膛压力控制应能自动或手动切换到调节烟道气挡板的方案。用强制通风还是自然通风来控制加热炉炉膛压力，这两种操作模式的选择和切换可通过烟道气调节挡板和能量回收调节挡板的不同开、关组合来实现。自然通风模式的加热炉，可用改变烟道气挡板开度来控制烟道气氧含量。因此设计时应设置限位，避免操作中将烟道气挡板全关[35]。

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计

3.2.3 流量检测与控制

1．进料流量

常压炉和减压炉入口需设总流量计量和分支流量自动控制。根据加热炉的不同炉型，进料流量可有四路、六路、八路等不同数量的分支。应该对每路流量都设自动控制和低流量报警、联锁。为防止被加热介质的流量过低而引起炉管超温结焦，每路上的流量调节阀都要有最小流量限位的保护措施。

2．空气流量

一般常压炉和减压炉共用一个强制通风系统。加热炉的燃烧空气流量通常不易测得，直接的测量方法是在强制通风的风道上设置测量元件，如文丘里管、均速管等。因为燃烧空气风道口径大、异形，测量元件往往是特殊加工的非标准元件，其安装要求的直管段也很难保证，因此，燃烧空气流量测量的精度和稳定性差。测量元件安装以后还需要在现场标定[36]。鉴于上述原因，在强制通风的风道上设置测量元件的方案很少采用。

3．燃烧控制系统的燃料流量/空气流量

进入加热炉的燃料流量/空气流量必须控制，以保证加热炉的安全、节能。保持适当的燃料/空气比例，是为了有足够的空气来保证完全燃烧，燃料组分变化时能安全操作。同时，也要限制过量空气以避免降低加热炉热效率。当燃料组分变化时，测量烟道气中的氧含量，对调节燃料/空气比例十分重要[37][38]。

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第4章 加热炉炉温 PLC软硬件设计

4.1 控制部分的硬件组态

4.1.1 主站组态

PC、CPU315-2DP与变频器的PROFIBUS连接如图4.1所示。其中主站为S7-300CPU315-2DP PLC，从站为MasterDrives CUVC变频器+CBP2通信模板，编程装置为Pc+STEP 7 V5．4+MPI接口(MPI Adapter或CP5611卡)。装有STEP 7 V5．4的PC用于S7 CPU315—2DP的硬件组态与编程，通过MPI电缆与CPU315—2DP的MPI接口连接，用于硬件组态数据及程序的下载。CPU315-2DP的DP接口通过PROBIBUS电缆与CUVC变频器的CBP2上的DP接口连接，用于S7-300 PCL与变频器的通信[39][40]。

图4.1 炉温控制系统 PLC 硬件主站组态

在S7 200系列P1．C的CPU中，CPU22X都可以通过增加EM277 PROFIBUS DP扩展模块的方法支持PROFIBUS DP网络协议。最高传输速率可达1 2Mbps。采用PROFIBUS的系统，对于不同厂家所生产的设备不需要对接口进行特别的处理和转换，就可以通信。PROFIBUS连接的系统由主站和从站组成，主站能够控制总线，当主站获得总线控制权后，可以主动发送信息。从站通常为传感器、执行器、驱动器和变送器。它们可以接收信号并给予响应，但没有控制总线的权力。当主站发出请求时，从站回送给主站相应的信息。PROFIBUS除了支持主从模式，还支持多主一多从的模式。对于多主站的模式，在主站之问按令牌传递顺序决定对总线的控制权。取得控制权的主站，可以向从站发送、获取信息，实现点对点的通信[41]。

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计

PROFIBUS由三个相互兼容的部分组成．即PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。①PROFIBUS-DP(Distributed Periphery，分布I/O系统)。PROFIBUS-DP是一种优化模板，是制造业自动化主要应用的协议内容，是满足用户快速通信的最佳方案，每秒可传输12M位。扫描1000个I/O点的时间少于1ms。它可以用于设备级的高速数据传输，远程I/O系统尤为适用。位于这一级的PLC或工业控制计算机可以通过PROFIBUS DP同分散的现场设备进行通信。②PROFIBUS—PA(Process Automation，过程自动化)。PROFIBUS-PA主要用于过程自动化的信号采集及控制，它是专为过程自动化所没计的协议，可用于安全性要求较高的场合及总线集中供电的站点。③PROFIBUS—FMS(Fieldbus Message Specification，现场总线信息规范)。FMS是为现场的通用通信功能所设计，主要用于非控制信息的传输，传输速度中等，可以用于车间级监控网络。FMS提供了大量的通信服务，用以完成以中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。对于FMS而言，它考虑的主要是系统功能而不是系统响应时间，应用过程中通常要求的是随机的信息交换，如改变设定参数。FMS服务向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，通常用于大范围、复杂的通信系统。

PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础。第一层为物理层，定义了物理的传输特性；第二层为数据链路层；第三～六层PROFIBUS未使用；第七层为应用层，定义了应用的功能。PROFIBUS—DP是高效、快速的通信协议，它使用了第一层、第二层及用户接口，第三～七层未使用。这样简化了的结构确保了DP高速的数据传输。 PROFIBUS对于不同的传输技术定义了唯一的介质存取协议。①RS-485。RS-485是PROFIBUS使用最频繁的传输技术，具体论述参见前面有关章节。②IECll58-2。根据IECll58-2在过程自动化中使用固定波特率31.25Kbps的同步传输，它可以满足化工和石化工业对安全的要求，采用双线技术通过总线供电，这样PROFIBUS就可以用于危险区域了[42]。③光纤。在电磁干扰强度很高的环境和高速、远距离传输数据时，PROFIBUS可使用光纤传输技术。使用光纤传输的PROFIBUS总线段可以设计成星形或环形结构。现在在市面上已经有RS-485传输链接与光纤传输链接之间的耦合器，这样就实现了系统内RS-485和光纤传输之间的转换。

以太无源光网络 (Ethernet Passive Optical Network，EPON) 是一种与被动光纤网路架构相似的技术，它可以利用以太网路的封包 (Ethernet Packet) 在存取

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网路上同时实现并支援多样化的服务[43]。 除了 EPON 外，还有另一种 PON 技术也被全球的电信业者与网际网路服务提供者 (ISPs) 广为使用，这种技术为 GPON (Gigabit Passive Optical Network)。它能提供 Gigabit 等级的频宽给网路终端的使用者，它也是基于被动式光纤网路 (PON) 技术下的另一种先进网路技术。GPON 与 EPON 最大的不同点在于，EPON 是将网路上的资讯包装成 Ethernet格式的封包，再透过 TCP/IP 的通讯协定来传输，而 GPON 则是以 ATM 的 Cell 封包格式来传输，如果以网路效能的观点来比较，GPON 的效能会比 EPON 来得好。就 ATM Cell 封包与 Ethernet 封包的 overhead 来作比较，ATM Cell 封包在相比之下会比 Ethernet 来得小。但是，GPON 网路的建置成本会比 EPON 来的高，如同我们在之前章节所提到的，目前全世界超过百分之七十的网路是建置于以太网路的基础上，若是利用 EPON 的架构，可以很轻易地与现有的以太网路作结合，不但可以节省系统建置时间，在成本上也可以获得很大的提升[44]。

在EPON 的实体层中，EPON 使用1000-BASE 以太的PHY，同时拥有一些新的 MAC 控制指令集可以去管理、控制和作最佳化的设定。IEEE 802.11ah 规范制定了一些控制命令集去管理、控制和最佳化 ONU 与 OLT 之间即时 TMD 的资讯传输和彼此间的大量通讯。根据规范中对于 Layer 2 的一些叙述， 很清楚的说明了 EPON 使用了如全双工和以太这种很成熟的机制去掌控 TDM 的传输，由于 ONU 会在自己所分配到的时间间隔中传送资料封包，所以碰撞的问题并不会发生，那就是为什么我们不需要去建制像 CDMA/CD 那样的机制去避免这个问题。除此之外，频宽的使用率也可以达到满载。此外， EPON 本身的 MAC layer 可以提供802.1p 的机制进而达成Quality of Service (QoS) 的服务，就如同 APON 一样。IEEE 802.3ah 的标准规范提出一种叫Multi-Point Control Protocal (MPCP) 的机制，此机制主要是为了解决 EPON 中频宽分配的问题， MPCP 通讯协订会根据GATE和REPORT信息去分配或管理传输所需要的时间间隔[46]。OLT 会传送GATE message 给ONU，通知ONU 会分配那一个时间间隔给它使用。REPORT message 包含很多的资讯如频宽的需求、缓冲暂存区的容量大小、时间间隔等等协助OLT 聪明地去分配频宽给 ONU。GATE 和REPORT 的功能被明文的定义在MAC control sublayer 中。802.1p 和 802.1q 对 EPON 来说是两个很重要的标准规范，EPON 对于优先权的控制是根据 802.1p 的规范来定义的，IEEE802.1p 利用Layer 2 交换的功能可以对流量的优先顺序及动态多点广播过滤作有效的管理。优先顺序排程是在MAC 层的framing layer 下运作的，802.1p 同

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计

时也提供多点广播流量过濾的防护机制确保这些广播资料流不会扩散到 Layer 2 的交换网路层无法处理的地步。IEEE 802.1p 是由IEEE 802.1q (VLANs tagging) 所延伸出来的一个规范，这兩种规范在EPON 中是同时运行的，802.1q 规范特别指名出802.1q 是附加在Ethernet MAC 的 frame 上，VLAN 的标签包含了VLAN ID (12-bit) 和 Prioritization (3-bit) 两部份。Prioritization 的栏位使用802.1q VLAN 的标准，而prioritization 栏位是用802.1p的规范所定义出来的。 OLT 会在每一个资料流上加上一个优先权的标签 (priority tag)，这个标签会标示出各个不同资料流本身所拥有的不同优先顺序，假设在OLT 端或是ONU 端的网路交通非常的繁忙，则拥有较高优先权的资料流会被优先传送并保证高优先权的资料流能被优先的处理

[47]

。

4.1.2 从站组态

将自动化任务划分为用多台PLC控制的若干个子任务，这些子任务分别采用不同的CPU独立有效地进行处理，处理子任务的这些CPU在DP网络中作为DP主站的智能从站。DP主站直接访问“标准”的DP从站(例如紧凑型DP从站ET 200B和模块式DP从站ET 200M)的分布式输入/输出地址区[48]。

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燕山大学工学硕士学位论文 图4.2 从站硬件组态

DP主站不是直接访问智能DP从站的输入/输出地址区，而是访问I从站CPU专门用于通信的输入/输出映像区，由智能从站的CPU处理该地址区与实际的输入/输出之间的数据交换。I从站的输入/输出映像区必须用STEP 7组态软件HW Config来定义。组态时，用于主站和从站之间交换数据而指定的输人/输出映像区不能占据I/O模块的物理地址区。主站与从站之间的数据交换是由PLC的操作系统周期性自动完成的，不需要用户编程，但是用户必须对主站和智能从站之间的通信连接和数据交换区组态。这种通信方式称为主从(Master Slave)方式，简称为MS方式。

温度传感器 STH11 测量子程序 SHTOWN：CLR EA

SETB SHTSCK ；启动传输时序 CLR SDATA ；DATA 下降沿启动传输 NOP

CLR SHTSCK NOP

SETB SHTSCK NOP

SETB SDATA ；DATA 上升沿启动结束 NOP

CLR SHTSCK ；SCK=0，准备传输命令 MOV A ， SHTWD ；发送测试温度/湿度命令 MOV R5 ， #8 WRITE8：RLC A

MOV SDATA， C ；移出一位，先高位，后低位 NOP

SETB SHTSCK ；时钟上升沿有效，写入一位数据 NOP

CLR SHTSCK DJNZ R5 ， WRITE8

SETB SDATA ；MCU 释放 DATA 总线，等待 SHT 应答

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计

NOP

MOV C ， SDATA ；读 SHT 的应答位 SETB SHTSCK ；结束应答位 MOV SHTACK， C ；保存

CLR SHTSCK ；第 9 个时钟结束，SHT 释放 DATA 总线 ；@R0 为保存测量结果地址指针，由主程序调用子程序时给出 SETB EA ；开中断，等待测试结束，应答

SETB CONVBT ；等待时间超过 234ms，说明无 SHT 传感器

MOV CONVER，#240 ；设置等待时间为 240ms，如果 CONVER 减为 0，则无 SHT11

WAITSH：MOV A ，CONVER JZ SHTEND

JNB SDATA ，ONSH11 ；等待测量结束，fosc=11.0592M，测量时间 =234ms SJMP WAITSH

SHTEND：CLR CONVBT ；未检测到 SHT11 传感器，清标志位返回 RET

ONSH11：NOP NOP CLR EA

CLR SHTSCK ；开始启动数据，测量结束不加时钟上升沿 READS3：MOV R5 ， #8 CLR A

READSH：SETB SHTSCK NOP

MOV C ， SDATA ；读一位 CLR SHTSCK RLC A

DJNZ R5 ， READSH

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CLR SDATA ；DATA=0，应答 ACK NOP

SETB SHTSCK NOP

CLR SHTSCK NOP

SETB SDATA ；应答结束，释放 DATA 线，应答位必须在 SCK=0 期间变化

MOV @R0 ， A ；保存结果 INC R0

DJNZ R6 ， READS3 SETB SDATA ；读结束 SETB EA RET

硬件电路是组成通信网络的物理基础，而通信协议是保证网络可靠通信的必要条件。因此，只有设计出严密、合理的通信协议，才能确保多主机通信网络的正常运行。

1）总线“忙”状态的检测

在编写软件时，要设置一个总线“忙”状态标志 BUS_BUSY，如前所说，当单片机接收到总线发送数据的起始位时，产生中断。在中断子程序中置位“忙”标志位，中服务子程序如下：

CLR EX0 ；检测到起始位后关中断，避免以后接收数据时，每个下降沿产生中断

SETB BUS_BUSY ；总线“忙”标志置位，在总线“忙”期间不允许占用总线 MOV BUSYT，#3 ；接收到起始位先延时 3ms，以后每接收到一个字节刷新延时为 2ms

MOV TH0 ，#0FCH ；用定时器定时 1ms，按 fosc=11.0592MHz 计算 MOV TLO ，#66H ；重写时间常数，保证计时准备 RETI

在串行中断子程序中，每接收一个字节后都刷新延时为 2ms，只要总线上有数

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计

据发送，延时就会不断被刷新。同时，用定时器 T0 定时 1ms，每当定时到，延时时间减 1ms，这样，当总线发送数据结束，延时不再被刷新。于是，总线停止发送 3ms 后，延时到，则清除总线“忙”状态，允许各终端设备使用总线，如果有数据即可以向总线发送了。同时，要重开中断，使 EX0=1，准备再次检测总线上的起始位。需注意的是，在开中断前要清除中断请求标志位，使 IE0=0，因接收数据时的下降沿已使 IE0 被置位。

2）终端设备发送数据的条件

当某个终端设备采集到数据需要向其它设备发送时，先置位待发送标志位 WAIT_SEND=1，然后检测总线“忙”标志位是否为 1，若总线忙则等待，否则便可以发送。发送后要等到接收端的回复确认“接收正确”才能清除待发送标志，表示本次发送成功。从本次发送结束开始计时 20ms，如果时间到而未收到回复，在总线空闲状态下应再次发送，直至收到回复确认信息方可清除发送标志，确保发送数据真正到达接收端。在 20ms 内收到回复后，在清除待发标志的同时也可取消延时。对于接收者，在收到数据后应立即回复，不需延时，以免总线被其它设备所抢占而延误回复。

3）避免多个终端设备同时抢占总线的解决方法

当终端设备需要发送数据时，总线处于空闲状态下，可允许占用总线发送数据。但是，当总线处于“忙”状态时，只能进入等待状态或设置等待标志而处理其它任务。在总线退出“忙”状态后，也不能立即进入发送状态。主要因为接收端需要向发送端回复，需要占用总线。还有就是一旦有 2 个或 2 个以上的设备进入等待状态后，会同时检测到总线退出忙状态，这样的结果会造成同时抢占总线进入发送状态，出现总线错误。为了避免这种现象发生，终端设备在进入等待状态，总线退出忙状态后，要再随机延时 8~16ms（给接收端留有回复的时间），才能进入发送状态。因各终端设备的随机延时是不同的，延时短的则先行抢占总线进入发送状态，未抢占总线的设备便再次进入等待状态。在实际运行中也有可能2 个设备同时抢占总线，造成发送错误。在收到回复错误信息或者回复无法识别时，很可能是因为总线出现错误。在这种情况下，发送端应再次随机延时 8~16ms，总线空闲时，才能进行再次发送，两次可随机延时，这样基本上可以消除多个终端同时抢占总线的现象了。

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4）收/发终端设备的确认与识别

在多主机网络模式中，由于每个终端均可以向任何一个终端发送数据或控制命令时，发送端需要发送接收端的地址，而接收端还要识别出发送端。所以，每个终端在发送数据时，应发送本机地址。因此，通信协议要设计每个报文的组成，即由多少帧组成，包括几组帧，每个报文可有固定帧或不限帧。如：同步字符（起始标志字节）、接收端地址、发送端地址、控制命令、数据帧、校验帧、结束帧等。如果不限帧，应有该报文的长度信息。每个报文应尽量减少帧数，以免发送端占用总线时间过长。接收端的回复要短，以能够确认接收正确和错误为原则。同时要根据网络的最远距离，在保证通信准确的基础上尽量提高通信波特率、通信速度、总线的使用率。最后还需强调一点，在这种通信模式中，单片机要工作在方式 1，而不能工作在方式 3，每个报文不能再发送带 TB8 位的地址帧，因每个终端设备要全程接收总线上所有数据，以监视总线的“忙”状态[49]。

4.2 S7-300 PLC的编程方法

4.2.1 Step7编程软件包构成与编程方式

西门子S7-300系列的PLC产品编程采用标准Step7软件包。软件包及其包含的应用工具如图4.3所示。

图4.3 Step7软件包组件示意图

SIMATIC管理器是软件包的管理系统，PLC控制系统的构建是在管理框架的基础上完成的，使用PLC编程软件包编程过程如图4.4所示。

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计

图4.4编制用户程序过程

使用标准Step 7编程软件包编程有如下5个步骤： ①建立和管理控制项目；

②PLC系统配置(模块等硬件配置、通信系统配置)； ③符号管理与编制控制程序； ④传送程序到PLC主机； ⑤控制系统测试。

由编程过程概况可知，②与③两步次序可以变换。 4.2.2 编程过程分析

（1）编程软件主窗口与项目文件系统

Step7软件包安装后，通过双击桌面软件图标成运行软件，打开SIMATIC Manager管理器窗口主界面。开始新设备控制程序编制时，首先需要建立新的项目文件系统，从管理器主窗口菜单文件项(File)的下拉菜单中选择新建项目向导，即进入建立新项目向导对话框。在对话框中选择PLC主机型号(例中选择主机CPU3121FM)，单击NEXT按钮，进入对话框，选择程序块类型与编程方式，选择

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完成后单击Finish按钮。

完成构建后，返回编程软件的主界面窗口。项目文件系统也可以通过菜单命令打开。在SIMATIC管理器主界面，使用结构树的方式显示控制项目的文件系统构成与所有组件，方便对控制项目文件的管理以及快捷的进入选择的工作界面。

(2)硬件配置窗口与硬件系统配置

硬件配置窗口用于对新建项目进行PLC系统配置(模块等硬件配置、通信系统配置)，确定编程是针对所选定的硬件设备进行。S7-300与400系列为模块组合式PLC，模块组件通过机架组装。组合式PLC模块组件型号多样，组合方式也因用户的工作需求千变万化，通过硬件配置过程，可以完成硬件模块的地址分配与属性设定。

进入硬件配置窗口，展开管理器窗口中的站文件夹，双击文件夹内硬件(Hardware)图标，硬件配置窗口分为两个部分，左边窗格为所有PLC模块列表，右边窗格为配置窗口。由于新建项目的CPU型号已选定，因此，初始配置窗口中主机模块位置已确定，后续配置是针对电源模块、输入/输出端口模块和其他应用模块展开的。

4.3 炉温控制系统软件设计

4.3.1 加热炉控制系统整体软件介绍

主要完成加热炉的起、停、基本定时、流量累计定时、引风机连锁及炉温操作的选择调节控制。共由 21 个网络组成，其中的 Network15~17 分别为预热段、加热段和均热段操作选择网络。由自定义功能块 FC31 完成。 FC7 为炉压自动调节功能块；FC8 为汽包水位自动调节及蒸汽出口压力自动调节功能块；FC9 为换向控制功能块；FC10 为报警功能块，包括轻故障报警和重故障报警的15 个网络；FC11 为带四了限报警的数据采集功能块；FC12 为 MAN 功能块；FC13 为带四限报警的热电偶温度数据采集功能块；FC14～FC16 分别为热电偶温度数据采集、带流量开方积算的数据采集和带流量开方的数据采集功能块；FC17 为自动—手动平滑切换功能块；FC18 为带流量开方积算的数据采集功能块；FC19～FC20 为操作允许、开停状态、启动停止延时及启动停止控制[50]。

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计

4.3.2 加热炉炉温自动调节程序设计

FC3～FC5 为加热炉炉温自动调节功能块，根据炉温自动调节要求，每个功能块都设计成由 13 个网络组成。分别为各段温度读入、给定读入、煤气流量读入、空气流量读入、总读入、温度主调模糊控制、煤气回路平滑切换、煤气回路 PID 调节、煤气回路手操、空气回路平滑切换及空/燃比优化、空气回路 PID 调节、空气回路手操和返回。

图4.5 炉温自动调节的自动调用结构

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图4.6 均热段温度、温度给定、煤气流量、空气流量读入

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图4.7 温度主调控制

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图4.8 回路平滑切换

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计 图4.9 空气回路平滑切换及空气/燃比优化

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燕山大学工学硕士学位论文 图4.10 空气回路 PID 调节

4.3.3 组织块OB150

组织块 OB1 是主程序循环块，在执行时要调用数据块 DB1 及 FC1~FC10 等实现不同功能的功能块，从而实现对加热炉的控制。

4.4 数字滤波程序

过程控制的输入模拟量，经 A/D 转换取入 PLC 的信号往往夹带各种干扰信号，它们影响着控制系统的稳定和控制质量。因此，在 PLC 本身有硬件滤波的同时，运用 PLC的计算能力对信号进行数字滤波，使得 PLC 里的信号尽可能是所要求的信号。

一阶惯性滤波法是一种动态的滤波法，其滤波算式是惯性环节的传递函数，连续的表达式为：

其中?为滤波器的时间常数。

4.5 FUZZY控制流程

增量式 PID 控制算法具有手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换；当计算机出现故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，仍能维持原值；算式中不需要累加，仅与最近次的采用值有关，所以占用内存少，计算速度快而实时性强，较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。在炉温控制系统中，采用增量式PID 控制算法，其增量公式为：

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计

n——采样序号，n?0,1,2?

p (n)——第 n次采样时刻的计算机输出值； e (n)——第 n次采样时刻输入的偏差值； e ( n?1)——第 ( n?1)次采样时刻输入的偏差值； T ——计算机的采用周期；

KI——积分系数，KI?KpT/TI； KD——微分系数，KD?KpTD/T；

?e(n)?e(n)?e(n?1)。

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第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计 图4.11 带专家控制的 FUZZY 控制流程图

4.6 本章小结

系统的学习了 SIMATIC S7-300PLC控制系统，学习PLC 中先进过程控制库中的功能模块和使用方法，有了深层次的消化吸收，并学习了在PLC系统中如何创建工程项目的方法步骤，在对PLC系统下加热炉炉温控制的硬件和软件进行设计与研究[50]。

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第5章 PLC加热炉炉温控制系统应用

由于PLC不具备过程现实功能，所以为了实现PLC控制的可视性，所以在实际使用过程中，利用到WinCC 显示画面和操作接口，从而实现完整的自动化[51]。

5.1 WinCC 简介

WinCC 是西门子视窗控制中心的简称，是目前应用较为广泛的人机界面和数据采集监控软件。通过与STEP7相互结合，缩短了开发周期，项目采用较心地V7.0版本。WinCC主要特点有以下几点：（1）开放性和稳定性。适合大脚本编程单位，并且系统相对稳定。（2）开放性的特点实现了脚本的编写，但是带来的危险是容易导致系统死锁和运行崩溃。（3）为了保证正确运行，必须保证计算机分配一个Netbios 名称。

5.2 WinCC工作流程

它主要是实现工业过程自动化，将其安装在计算机中，就能够保证正常的数据通信功能，从而完整显示各种生产报表。操作人员根据操作指令，对于过程中产生的变量通过通讯接口下传到PLC中，从而控制和改变相关参数，实现对生产工艺的操作。

图5.1 WinCC工作流程

5.3 加热炉流程及温度控制画面

加热炉流程画面见图5.2所示（蓄热式加热炉），其中包含整个加热炉的工艺设备的各项状态信息，并且为了做到主页面的简约，各种操作都采用了弹窗，通过点击鼠标输出相应的数据，在完成搜索时，关闭画面窗口就可以了[52][53]。

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第5 章 PLC加热炉炉温控制系统应用

5.2 加热炉流程画面

加热炉温度控制主要包括三段：均热段、加热一段、加热二段。按照相应的控制策略，三段温度采用了双交叉串级控制，以均热段炉温控制为例，具体的操作界面如下图所示：

图 5.3 均热段炉温控制画面

除了对炉温进行控制，对于排烟温度的控制在炉温控制系统中也具有非常重要的作用，在三段炉温控制中，每段包含空气侧和煤气侧两个炉温控制回路，以加热炉加一段排烟温度控制为例，如下图所示：

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5.4 加热炉加热一段排烟温度控制

5.4 变量记录

针对加热炉中的各种变量信息，WinCC 主要通过获取，处理和记录工业生产的各种变量数据，通过对于各种数据的记录，从而识别出错误数据并及时的进行检查和修正，从而优化维护的周期和效果[54]。并设立相应的报警和控制参数，一旦超过相应的预警值，就会对变量进行修正，提高整个加热炉的温度控制效果[55]。

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第6章 总结与展望

6.1 结论

加热炉上均热段、下均热段、第二上加热段、第二下加热段、第一上加热段、第一下加热段共6个炉温控制段，各段上部3支，下部2支S型热电偶，各段炉温测量采用2支热电偶作为炉温检测和控制使用，预热段测温二支S型热电偶，空气换热器前后两点温度测量则采用K型热电偶。煤气总管设一温度检测，所测量热电偶信号经补偿导线送PLC并作为被控信号，参与自动控制和显示。本文基于轧钢生产线上的主要设备加热炉为被控对象，研究在此类过程中不依赖其精确数学模型的条件下，利用模糊控制策略实现对温度参数的期望控制。用MATLAB/SIMULINK 对参数自适应 PID 控制算法和模糊控制算法进行了仿真试验，结果表明本文提出的控制算法在自适应性、鲁棒性和控制品质等方面较其它单纯算法有较显著的优点，系统的响应速度加快、调节精度提高；稳态性能变好，没有振荡且几乎没有超调，具有较强的鲁棒性[56]。一个显著特点就是在同样精度要求下，系统的过渡时间变短，这在实际的过程控制中将有重大的意义[57]。

在加热炉炉温控制系统中，炉子由电加热器加热，炉温用热电偶检测，与热电偶型温度传感器匹配的模拟量输入模块FX2N-4AD-TC将温度转换为数字输出，CPU将检测温度与温度设定值比较，通过PLC的PID控制改变加热时间，从而实现对炉温的闭环控制。自动调谐能够自动设定动作方向、比例增益、积分时间、微分时间这些重要参数，使用自动调谐功能能获得最佳的PID控制效果。在系统设计过程品引出了启动组织块OBl00、OB35的使用方法及用途。OBl00是S7-300系列PLC CPU的暖启动方式，使用该组织块可以完成用户程序初始值的设置。OB35是循环中断组织块，可以实现按固定时间间隔运行的程序，比如模拟量的采集[58]。

6.2 展望

将模糊控制技术和PLC技术结合起来是一种完成复杂控制任务既方便又经济的解决方案。本文针对实际工业中的复杂控制对象，及其具体的PLC工程实现的研究工作具有很大的应用价值。由于模糊控制策略的先进性及PLC技术的快速发展，

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第6 章 总结与展望

本文作者在理论研究中和工程实践方面经验有限，文章中提出的观点还存在很多不足之处，希望各位老师、同学和工控界的同仁给予批评指正。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yg3o.html