电阻炉PLC_HMI系统设计方案

1台车式电阻炉自动化控制系统设计孙瑜马钢第三钢轧总厂H型钢点检室摘要：台车式电阻炉（下文中简称电阻炉）主要被应用于金属加工的热处理工艺当中，在轧钢厂中的主要用途为轧辊辊套的热装加热。其控制系统的主要控制对象是炉温，通过对电阻加热棒电源电压的控制达到控制炉温的目的。传统的电阻炉控制系统中普遍采用温度控制仪与继电器接触器控制线路相结合的控制方法。但是由于温度控制仪存在功能单一、操作繁琐、实际的炉温与加热时间信息不易读取等缺点，而继电器接触器控制方式存在隐患故障点多，工作不可靠，等缺点。所以目前国内已经有一些厂家在利用可编程序控制器(下文中简称PLC)以及人机界面设备（下文中简称HMI）来提升电阻炉的自动化程度。然而在温控方面他们任然在使用温度控制仪来进行炉温控制。本文所阐述的是一种利用西门子的S7-200PLC以及西门子的SMART700触摸屏所具有的特殊功能来具体实现电阻炉的包括温度控制在内的全自动化控制方法。关键词：可编程序控制器（PLC）、人机界面（HMI）、比例积分微分调节（PID）、脉宽调制(PWM)、静态继电器（SSR）一、前言目前H型钢厂使用的台车式工业电阻炉控制系统陈旧，故障率高，特别是温度控制仪工作可靠性差，曾多次出现炉温不受控故障。为此我才产生了对电阻炉的控制系统进行改造设计的想法。由于我对西门子的工控产品比较熟悉，所以就在西门子的小型自动控制设备中寻找合适的产品。在充分考察过后我发现运用S7-200PLC与西门子最新的SMART700触摸屏相配合就能够非常好的解决这个问题。二、正文1.电阻炉控制任务分析：电阻炉的控制过程：首先电阻炉操作员要根据工件的加热要求，在温控仪中编制加热程序，之后操作员要将工件放置在台车上并启动台车将工件送入炉中，在关闭炉门和启动风机之后操作员启动温控仪运行加热程序，在温控仪的控制下完成加热程序之后会自动停止加热。根据以上简述的对电阻炉的控制要求，可以看出电阻炉控制系统的任务大体上可以分成闭环炉温控制和对炉门、台车以及风机电动机的一般逻辑控制两部分。电阻炉的闭环温度控制和HMI操作画面的设计是本设计的重点任务，而对炉门、台车、循环风机的控制相2对比较简单。2.控制系统硬件构架：SIMATICHMISMART700触摸屏图1控制系统构架图*该系统由一台西门子S7-200PLC和一块SMART700触摸屏构成了自动化控制系统的主体。我选用的是CPU226型PLC该PLC有两个9针D型数据接口方便在设备运行时在线调试。CPU主机由DC24V供电，具有24个DC24V输入点和16个DC24V（固态MOSFET）输出点，每个输出点额定电流为0.75A,这些技术参数正合适直接驱动三相静态继电器。它具有8个PID回路，可以用于温度闭环控制。HMI设备选择的是西门子的SMART700触摸面板，该面板具有趋势视图、配方视图和报警视图功能，在该设计中能得到充分的运用。*为了读取炉温的实际值，我为PLC增加了一块四输入的EM231热电偶模块。该模块有专门的冷端补偿电路，用于补偿基准温度和模块处温度之间的温度差，该模块可以选择使用包括K型在内的多种热电偶、电压范围：+/-80mV输入分辨率为0.1℃(15位加符号位)、模块更新时间405ms、数字格式：-27648到+27648、需要外接DV24V电源。*使用交流三相静态继电器作为脉宽调制（下文简称PWM）的功率开关元件，它将根据PLC输出的脉宽调制信号通断电阻加热棒的供电。由于电加热器负载初始接通瞬间会出现的浪热电偶模块电阻加热棒K型热电偶炉门台车风机风机三相静态继电器三相静态继电器台车电阻炉本体电阻加热棒3涌电流可达3倍的稳态电流，因此，三相静态继电器降额20%-30%使用。根据我厂使用的电阻加热器的稳态电流为120A，可以选择额定输出电流为150A-170A的三相交流过零触发静态继电器作为开关功率元件。*温度传感器选用K型热电偶，K型热电偶在EM231热电偶模块中的适用范围为从-200℃到+1300℃，其对应的值是从-2000到+13000。对于我厂电阻炉的最高加热温度不会高于400℃，完全可以适用。3.系统设计所需软件：3.1S7-200PLC编程软件STEP7-Micro/WINv4.03.2Smart700触摸屏组态软件WinCCFlexible8.0sp43.3电气图绘图软件EPLANElectricP81.94.闭环温度控制的实现方法：放弃使用温度控制仪，而是利用S7-200PLC内部提供的PID-PWM控制指令来完成闭环温度控制。图2温度闭环控制流程图要实现以上控制就需要完成以下控制环节：4.1加热程序输入的实现方法:方法是利用HMI的配方功能。首先是在HMI触摸屏上组态一个配方画面，该画面可以让操作员根据工件的加热程序输入多段升温和保温参数，每段的参数都包括设定温度、温度升温时间和保温时间。在各段程序输入完毕后，经过检查无误，操作员便可以将整个加热程序传送到PLC中以备使用。4.2温度闭环控制的实现：在PLC中通过PID指令向导生成用于温度控制的PID调节子程序。在PID指令向导中将PID调节器的输出类型指定为“数字量”将占空比周期设为“10秒”。当PID调节器开始工作后，将当前段的加热温度设定值作为给定值，热电偶模块的采样值作为实际反馈值，然后进行PID运算，并输出脉宽调制控制信号给PLC的输出点，该输出可以直接控制三相静操作员将加热程序输入HMI并传送到PLC的专用数据区内。在PLC内进行PID调节并以PWM方式驱动三相静态继电器热电偶模块采样热电偶检测的温度值电加热器热电偶无触点接触器4态继电器的通断，从而实现对电阻加热棒的输出功率的调整。5.人机界面的组织与实现方法：对于电阻炉的所有操作都是在Smart700触摸屏上组态的6个操作画面上进行的。图3系统初始画面5.1一般操作：图4一般操作画面在该画面中可以对炉门、台车以及风扇进行手动操作。操作员可以通过该画面掌握实时的炉温、加热器的工作情况、炉内风机是否启动、台车及炉门是否触及限位的信息。55.2加热程序预设：加热程序预设是利用触摸屏的配方功能来实现的。首先用加热程序的三个数据要素：设定温度、升温时间、保温时间来组态配方数据的结构，然后再根据不同工件的加热要求建立他们的数据记录。在加热前要将该工件的配方数据记录以单步的方式从HMI完整的传送到PLC里专为加热程序开辟的数据区中，以备PLC程序调用。图5程序选择画面在该画面中可以进行程序的新建、删除、打开、传送到PLC的操作。图6程序录入画面在该画面中进行程序的参数录入和修改操作。6图7程序传送与保存画面在该画面中进行加热程序的保存和传送操作。操作员在这些画面中进行加热程序管理。根据对不同工件的加热要求，操作员可以同时建立并存储多个独立的加热程序以备使用。在工件加热前操作员需将对应的加热程序传入PLC以备PLC使用。5.3加热控制：图8加热控制画面操作员在该画面中进行加热程序的启动以及报警温度的设置。加热程序执行完毕时系统会自动的停止加热，但是出于安全以及灵活性的考虑操作员可以随时终止加热过程。报警温度的作用是限制最高的加热温度，只要炉温超过该温度，加热立即停止并报警。通过该画面可以让操作员全面的掌握当前温度的控制情况，画面分为三个组成部分：1显示当前执行程序的各段参数以及那一段正在运行。2显示加热过程的总时间、已经运行时间、加热完成前的剩余时间。3显示当前系统发出的实时温度设定值和实际当前炉温，用于比较温度控制的跟随性。75.4趋势图：图9加热趋势图该画面的上部曲线图用于显示加热程序运行过程中的历史加热情况，下部的表格则显示当前加热设定值与当前的炉温值。以便操作员更好的了解工件加热情况。5.5用户管理：图10用户管理画面该画面用于设定电阻炉的操作权限，只有在操作员正确的输入用户名与密码后方可对电炉的加热进行操作以及对报警温度值进行修改。85.6报警信息：图11报警信息画面在报警信息画面中操作员可以一目了然的了解到设备出现故障的原因，以及出现故障的时间。在排除故障后可以通过报警确认按钮删除报警信息。6PLC程序设计：图12PLC程序结构按照实现的功能区分，我将PLC程序分为6个子程序，分别是：初始化子程序、炉门台车风扇控制子程序、报警子程序、块传送子程序、工作时间计算子程序、加热控制子程序。还有一个用于温度采样的时间中断程序,和一个由向导生成的PID调节器程序文件夹。各程序的功能说明如下：96.1初始化子程序的功能是在PLC第一次上电后对程序中用到的数据指针、计时器、计数器赋初值，以便程序能够正常运行。6.2炉门台车风扇控制子程序用于控制炉门台车风扇电动机的启动与停止。6.3报警子程序用于组织报警信息的产生。6.4块传送子程序用于将PLC的过程值传送回HMI，以便HMI进行显示。6.5工作时间计算子程序专门用于计算整个加热程序执行的时间以及已经加热的时间和剩余时间。6.6加热控制子程序则是整个PLC程序的重点。它是专门用于将加热过程分解成四个工作步骤，并根据工件加热程序进行自动的循环来完成整个加热过程。其控制流程图如下：10图13加热子程序控制流程图初始化：将第一段的温度设定值、升温时间、保温时间设定为当前值。步1根据当前段温度的目标设定值与当前温度值之差ΔT以及升温时间t,来计算每分钟温度给定增量。再按每分钟累加温度增量作为给PID调节器的给定值。步3并将程序中下一段加热参数组赋值給当前参数组。步2保持温度给定值不变，并开始计时。判断给定值是否达到该段的温度目标值？判断计时时间是否到达保温时间？当前的温度给定值是否为0？否是否是否是步4整个加热过程结束，将PID给定值设为0。继续保温继续加热加热开始117三相交流调功电路设计：电阻炉的加热器采用Y形连接方式，主电路图如下：图14三相交流调功电路原理图因为电炉温度控制对象的时间常数很大，所以非常适合使用交流调功的方式来控制。图15通过脉宽调制信号控制过零触发的调功原理实现交流调功的控制方法：在该方案中，我将温度控制PID调节器的PWM调节周期T设定为10秒。由PID调节器根据温度给定值与温度反馈值来计算出在每10秒内使三相静态继电器导通的时间TC，从而进行对电阻加热器的输出功率的调整，最终达到对电炉炉温的控制。由于采用的是PWM控制方式，所以除了在快速升温阶段或降温阶段接触器可能会一直导通或关断，在其他的温度调节阶段，主回路接触器将会在每10秒内通断1次。这样的通断频率是一般电磁接触器无法长期承受的，因此我选用了三相静态继电器。三相静态继电器是由反并联的可控硅构成的，开关频率能够达到60次/分钟，驱动电源有直流24V控制的，驱动电流在几十毫安以内，完全能够使用PLC的输出点直接驱动，省去了中间继电器。我选择使用了过零触发静态继电器，每次触发后晶闸管从电压零点开始导通，在电流零点自然关断，这样使得负载正弦波波形完整，提高了功率因数，减少了对负载的冲击。128PID温度调节的在线调试为了能够达到理想的温度控制效果，必须要在电阻炉工作时对温度控制PID调节器进行在线调试，这也是为什么我选择S7-200CPU226的原因之一，因为S7-200系列CPU中只有CPU226有两个RS485接口，这样才能在连接HMI的同时再连接一台编程设备来进行PID调节器的在线调试。在Step7Micro/WinV4版本编程软件中有一个PID调节控制面板工具。利用该工具便可以方便的对PID调节器进行在线手动或自动调节。图16PID调节控制面板对于温度控制要求不太高的电阻炉，通常可以将微分时间设为0，而只采用比例积分调节器就可以满足控制要求了。但是对于温度控制要求较高的电阻炉就需要加入微分环节，来增强系统的快速响应性能。在为温度控制PID调节器做整定时，我们首先可以利用以上工具的自动调谐功能做自动整定。如果自动整定结果不理想，我们可以再使用经验法进行反复试凑，最终得到理想的整定值。13三、结束语该设计简单、合理、可靠、节能并且自动化程度高。在硬件方面，应用了西门子自动化设备中的经济型设备，价格便宜，