烧结炉温度场的研究与控制系统的设计

摘要

目前我国是世界上最大的粉末合金消费与生产国，但目前生产粉末合金的烧结炉主要依赖于进口。因此，我国致力于研究高性能烧结炉及配套的控制系统具有非常重要的应用价值。为了更好的提升烧结炉的性能，本文从温度场的研究与控制系统的设计两部分进行介绍。结合实际工程项目，设计了基于PLC的烧结炉控制系统，在此基础上，进行了嵌入式烧结炉温度控制系统的研究。为此，本课题主要从三方面进行论述。 烧结炉温度场仿真；首先介绍了烧结炉的结构以及内部热传导的方式，为了研究烧结炉内动态温度场的分布规律，运用有限元的思想，作为建模研究的理论基础。利用ANSYS软件对烧结炉建立仿真模型，通过改变加热体形状、炉衬结构等建立新的仿真模型进行温度场仿真，模拟出接近真实的温度分布。观察不同结构下烧结炉温度场的变化情况，从而对现实中工业加热石墨体的设计提供有效的优化指导。 基于烧结炉控制系统的设计：设计了基于PLC的烧结炉控制系统。控制系统从温度，压力，真空度三方面进行设计。温度方面考虑到炉门、顶面和底面散热的问题，控制系统采用多路温区控制，对各个温区进行单独控制。控制器采用FP93仪表，其具有参数自正定功能，能根据实际温度跟设定温度差值进行常规PID与Fuzzy自整定PID模式的切换，调节电力调整器的加热功率，FP93仪表输出的4-20MA的电流信号作为电力调整器的控制信号；液压系统可以进行两种控制，压力控制和位移控制，压力方面采用压力传感器将采集到的压力信号经过压力变送器传送到PLC中进行闭环PID控制。真空度方面采用抽真空系统和PLC进行控制，抽真空系统是一个两级系统，先进行烧结炉粗抽，加热加压到一定要求后可进行精抽；同时，加入了MCGS触摸屏，使系统更加趋于完善。 嵌入式烧结炉温度控制系统的设计：由于PLC和仪表成本较高，为了提高系统的性价比，设计出更优化的人机界面，对温度控制进行了嵌入式的设计研究。采用ARM Cortex-M3架构的微控制器LPC1788作为主控单元，完成了软件和硬件的设计，嵌入式μC/OS-Ⅱ系统的任务调度机制，以及嵌入式开发环境的构建及底层驱动编写。人机界面使用LCD液晶触摸屏，成功移植了μC/GUI图形用户开发软件，完成了丰富的人机交互功能。设计的嵌入式烧结炉温度控制系统，达到了预期效果。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究进展

1.3 研究内容

1.4 论文的结构

2 烧结炉温度场的研究

2.1 烧结炉模型建立

2.1.1 烧结炉结构

2.1.2 均匀温度场仿真模型

2.1.3 梯度温度场仿真模型

2.2 温度场热分析

2.2.1 传热基本方式

2.2.2 烧结炉内传热方式

2.3 温度场仿真项目概况

2.4 温度场仿真前处理

2.4.1 烧结炉材料属性设置

2.4.2 温度场仿真策略分析

2.4.3 施加电荷过程

2.4.4 仿真步长分析

2.4.5 设置求解选项

2.5 温度场仿真

2.5.1 静电场仿真结果

2.5.2 温度分布云图

2.5.3 升温曲线

2.6 仿真结果分析

2.6.1 横向温度分布分析

2.6.2 纵向温度分布分析

2.7 本章小结

3 基于PLC烧结炉控制系统的设计与实现

3.1 控制系统的需求分析

3.2 基于PLC烧结炉控制系统的总体设计

a. 控制柜

b. 加热柜

c. 变压器柜

3.3 控制策略分析

3.3.1 常规PID控制

3.3.2 模糊控制介绍

3.3.3 Fuzzy自整定PID控制器

3.4 人机交互界面设计

3.4.1 上位机选型

3.4.2 上位机功能实现

3.5 系统分析

3.5.1 PLC的硬件选型组态

3.5.2 触摸屏跟PLC的通信

3.5.3 触摸屏跟智能仪表的通信

3.5.4 执行机构单元

3.5.5 压力控制单元

3.5.6 液压系统

3.6 本章小结

4 嵌入式烧结炉温度控制系统的设计与实现

4.1 嵌入式烧结炉温度控制系统的设计需求

4.2 嵌入式烧结炉温度控制系统总体设计

4.3 各功能模块的硬件设计

4.3.1 LPC1788最小系统电路

4.3.2 存储模块

4.3.3 通信接口模块

4.3.4 触控接口模块

4.3.5 温度检测模块

4.3.6 温度控制模块

4.4 嵌入式操作系统

4.4.1 操作系统的选择

4.4.2 μC/OS-II的移植

4.4.3 任务调度

4.5 程序设计

4.5.1 底层驱动

4.5.2 应用程序设计

4.5.3 GUI终端显示

4.6 系统控制策略的实现

4.7 实验结果

4.8 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 设计的不足与展望

5.3 本章小结

致谢

参考文献