真空热处理炉智能控制技术的研究及应用

摘要

热处理是产品获得所要求的强韧化性能、耐磨性、抗疲劳性能的主要技术手段。热处理质量则是产品实现性能的可靠性、耐久性、安全性的重要保障。研究开发真空热处理控制技术、提高其性能，有助于推动珠三角地区热处理行业设备的更新换代，提高热加工工件的综合力学性能，提升上游产品的市场竞争力，实现节能降耗减排的目的，以缓解能源问题，为打造珠三角绿色热处理产业群提供了强有力的技术支持。真空热处理智能控制是当今珠三角真空热处理设备技术改造及新设备强附加值的重要保障，是满足我国热处理设备工业自动化需要的必由之路，是实现热处理效率转化为效益的核心。 本课题来自佛山扬戈炉业有限公司的粤港招标项目。为了满足真空热处理设备的市场需求，迎合现代化生产的智能化、自动化发展趋势，以能全面提升热处理设备的生产性能，本文进行基于IPC及PLC的真空热处理炉智能控制系统的研究。通过研究真空热处理设备温度控制系统控制技术的发展状况并剖解现有的各个温度控制算法，分析真空热处理炉温度场的影响因素，深刻了解真空热处理炉温度控制系统存在的问题与不足，本文提出了一种基于IPC及PLC的模糊PID自整定温度控制算法；通过熟悉真空热处理设备气体流量及真空压力的控制模式和控制技术，研究真空热处理设备气体流量及真空压力对炉内温度场、气氛场的影响，总结出温度、流量及压力三者之间的控与被控关系模型，以控与被控的主次强度为核心，筛选出适用于PLC控制的条件关系，建立起温度、流量及压力的多变量耦合概念，并提取耦合条件关系式，最终构建基于IPC及PLC的多变量控制流程。 260KW真空5m深炉是真空热处理设备的一种类型，由于该炉炉罐深度为5m，因此炉内温度场及气氛场的均匀度是设计的重要参数。基于IPC及PLC的真空热处理炉智能控制能够有效解决炉内温度场及气氛场的均匀性问题。本文通过基于IPC及PLC对260KW真空5m深炉的温度控制系统、流量及压力控制系统的设计、开发，通过IPC组态监控环境与PLC进行数据的人机交互，在线参数设计及调整，经由PLC梯形图程序实现温度的模糊PID自整定控制及温度、流量和真空压力的多变量耦合控制，解决了基于多区同时控温、大温度场蕴含小温度场的温度特性问题，缓解了气体流量及压力的变化对温度场的干扰波动，从而获得温度过程控制获得升温快、超调小，到达稳态时间短的良好动静态控制性能，使得炉内温度场、气氛场均匀性高，炉内气体分子扩散度佳，气体分子活性优良的综合性能，实现了工件无畸变、无热应力集中、无氧化脱碳现象的热加工性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.1.1珠三角热处理行业概况

1.1.2过程智能控制的发展

1.2课题的意义

1.2.1提升地区热处理产业群综合竞争力

1.2.2节能降耗减排

1.2.3促进热处理工业炉生产基地发展

1.3真空热处理炉控制系统现状分析

1.3.1温度PID控制技术的现状分析

1.3.2基于PLC的流量压力控制技术的现状分析

1.4真空热处理炉控制系统存在的问题

1.4.1温度控制系统

1.4.2流量及压力控制系统

1.4.3热炉冷却系统

第二章真空热处理炉智能控制系统

2.1真空热处理炉智能控制系统的基本组成

2.1.1工业控制计算机及组态

2.1.2可编程控制器

2.1.3过程数据的采集传递及输出

2.1.4传感器及相应执行机构

2.1.5变频器

2.2真空热处理炉智能控制系统的研究内容及难点

2.3真空热处理炉智能控制系统研究所涉及的关键技术

第三章基于PLC温度智能控制的理论分析研究

3.1纯滞后变量——温度特性研究

3.2温度PID智能控制算法研究

3.2.1 PID控制

3.2.2智能控制

3.3基于PLC的温度模糊PID自整定控制

3.4本章小结

第四章基于PLC的多变量耦合的理论分析研究

4.1多变量控制特性研究

4.2基于PLC多变量耦合法则的研究

4.3基于热工过程的耦合强度

4.4本章小结

第五章真空5m深炉智能控制系统的开发与应用

5.1 260KW真空5m深炉智能控制系统基本组成

5.2基于组态的IPC计算机监控系统

5.3西门子S7-200系列PLC智能控制系统

5.3.1基于PLC的温度智能控制系统

5.3.2基于PLC的多变量控制系统

5.4工程应用

5.5本章小结

总结及展望

研究工作总结

今后工作展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间发表的论文