低压真空烧结炉自动控制系统研究与设计

摘要

低压真空烧结炉是硬质合金烧结的关键设备。目前我国是世界上最大的硬质合金生产与消费国,但生产所需的烧结炉仍主要依赖进口,自主研制低压真空烧结炉及配套的控制系统无疑具有重要的应用价值。在参与自贡硬质合金有限责任公司研制的DY-500型低压真空烧结炉自动控制系统设计和调试的基础上,本论文对实践工作进行了总结与提高。根据现场经验和深入分析,论文的主要内容有:针对低压真空烧结炉,分析脱蜡、真空烧结、低压热等静压工艺原理,并论述了温度、真空度、压力三个主要因素对生产过程的影响。然后,在工艺过程分析基础上设计了低压真空烧结炉自动控制工艺流程。根据低压真空烧结炉控制系统需求分析,选用了西门子公司的S7-300系列PLC作为主控制器对生产过程进行过程自动控制,以及研华工控机和Proface公司触摸屏作为监控计算机,构建了一个低压真空烧结炉两级计算机控制系统。根据低压真空烧结炉控制系统I/O的统计和传感器的选型,对控制系统硬件进行了配置和选型,并采用STEP7 V5.2软件编制了低压真空烧结炉PLC自动控制程序以及利用WinCC V6监控组态软件完成了监控计算机上的监控软件开发,大大改善炉子的整体性能。针对温度是影响低压真空烧结产品质量的主要因素,以低压真空烧结炉的温度为对象,采用阶跃响应法建立了低压真空烧结炉电压-温度关系模型。根据建立的温度实验模型,针对烧结过程中温度的非线性、滞后性、延迟性、参数不确定性等诸多不利特点,采用了积分分离PID控制算法与模糊推理进行PID参数在线自整定方法相结合的模糊自适应整定PID控制策略,并在实验室用MATLAB软件进行了算法仿真。结果证明模糊自适应整定PID控制较好地改善了烧结过程温度控制品质。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外低压真空烧结炉研制

1.3 存在的问题及研究现状

1.3.1 存在的问题

1.3.2 研究现状

1.4 本文研究的主要内容

2 低压真空烧结炉的相关工艺及控制要求

2.1 低压真空烧结原理

2.1.1 脱蜡

2.1.2 真空烧结

2.1.3 低压热等静压处理

2.2 影响低压真空烧结的主要因素

2.2.1 温度

2.2.2 真空度

2.2.3 压力

2.3 低压真空烧结炉简介

2.3.1 炉体结构

2.3.2 脱蜡系统

2.3.3 真空系统

2.3.4 电控系统

2.3.5 气控系统

2.3.6 液压系统

2.3.7 冷热水供给系统

2.4 低压真空烧结炉控制系统分析

2.4.1 工艺过程

2.4.2 控制系统自动控制工艺流程图

2.5 本章小结

3 低压真空烧结炉控制系统设计

3.1 低压真空烧结炉控制系统结构及选型

3.1.1 控制系统组成结构

3.1.2 低压真空烧结炉控制系统I/O 点统计

3.1.3 温度、真空度、压力传感器选型

3.1.4 控制系统硬件配置及选型

3.1.5 控制系统网络拓朴结构

3.2 技术指标及控制系统功能

3.2.1 基本参数

3.2.2 冷却水、电力、气体供应技术要求

3.2.3 控制系统功能

3.3 下位机软件设计

3.3.1 57-300 系列PLC 概况

3.3.2 57-300 PLC 硬件组态

3.3.3 PLC 程序结构

3.3.4 程序功能块

3.3.5 主程序工作流程

3.3.6 温度PID 控制程序功能块

3.3.7 真空度、压力控制

3.4 上位机监控软件设计

3.4.1 WinCC 监控组态软件

3.4.2 监控软件设计

3.5 控制系统的通信

3.5.1 PROFIBUS 现场总线

3.5.2 MPI 通信

3.5.3 控制系统两级通信实现

3.6 本章小结

4 低压真空烧结炉实验模型的研究

4.1 工业过程常用建模方法

4.2 阶跃响应测试法建模

4.3 烧结炉动态特性实验测定和识别

4.3.1 实验方案

4.3.2 试验注意事项

4.3.3 对象传递函数模型

4.3.4 实验数据处理

4.4 本章小结

5 低压真空烧结炉温度控制策略研究

5.1 温度控制系统基本方案

5.2 常规PID 控制算法

5.2.1 PID 控制原理

5.2.2 改进型PID 控制算法

5.2.3 PID 参数整定

5.2.4 低压真空烧结炉温度控制策略的选择

5.3 模糊控制原理

5.4 模糊自适应整定PID 控制

5.4.1 模糊自适应整定PID 控制概论

5.4.2 模糊自适应整定PID 控制系统结构

5.4.3 模糊控制器设计

5.5 MATLAB 仿真

5.6 本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

附录