【導讀】由于加熱過程、加熱裝置特殊結構等具體原因，使得過程對象經(jīng)常具有大時?，F(xiàn)了全自動化的控制。此種加熱爐可廣泛應用于鋁廠、鋼廠等金屬冶煉、金屬加。工行業(yè)以及化工行業(yè)。象，采用PID控制算法對其溫度進行控制。提出了一種適合電加熱爐對象特點。的控制算法，并以PLC為核心，組成電加熱爐自適應控制系統(tǒng)，其控制精度，可靠性，穩(wěn)定性指標均遠高于常規(guī)儀表組成的系統(tǒng)。

　　

【正文】 動化 ‖ 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術領域的解決方案。 WinCC 集生產(chǎn)自動化和過程自動化于一體，實現(xiàn)了相互之間的整合，這在大量應用和各種工業(yè)領域的應用實例中業(yè)已證明，包括：汽車工業(yè)、化工和制藥行業(yè)、印刷行業(yè)、能源供應和分配、貿(mào)易和服務行業(yè)、塑料和橡膠行業(yè)、機械和設備成套工程、金屬加工業(yè)、食品、飲 料和煙草行業(yè)、造紙和紙品加工、鋼鐵行業(yè)、運輸行業(yè)、水處理和污水凈化。 WinCC 是 SIMATIC PCS 7 過程控制系統(tǒng)及其它西門子控制系統(tǒng)中的人機界面組件。 WinCC 還為垂直市場解決方案提供有豐富的選件 (options)和附加件(addons)。 通過利用 ―FDA 選件 ‖，并在工程與組態(tài)時采取適當?shù)拇胧?— 這在白皮書中已闡明 — SIMATIC WinCC 符合制藥和食品行業(yè) FDA 21 CFR Part 11的要求 (FDA = 美國食品和藥物管理局 )。眾多的任選件，將使工廠認證更為容易，而這種認證為這 些工業(yè)領域的各種要求更是提供了非常有說服力的全面響應。 WinCC 提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到 S IMAT I C 南昌大學學士學位論文 24 S5/S7/505 控制器 (例如通過 S7 協(xié)議集 )的通訊，以及如 PROFIBUSDP/ FMS、DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換 )和 OPC(用于過程控制的 OLE)，等非專用通道；你亦能以附加件的形式獲得其它通訊通道。由于所有的控制器制造商都為其硬件提供了相應的 OPC 服務器，因而事實上可以不受限制地將各種硬件連接到WinCC。 監(jiān)控系統(tǒng)的設計 西門子公司的 WinCC 集成了 SCADA、 組態(tài)、腳本（ Script）語言和 OPC等先進技術 , 為用戶提供了 Windows 操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。用戶可以在 WinCC 友好的界面下進行過程組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理 , 很容易形成需要的操作畫面、監(jiān)視面面、實時趨勢曲線、歷史數(shù)據(jù)報表、越限報警等 [13]。 WinCC 提供了一個稱為“ SIMATIC S7 Protocol”的通訊驅(qū)動程序，這個通訊程序支持多種網(wǎng)絡協(xié)議和類型，通過它的通道單元可以實現(xiàn) WinCC 與各種SIMATIC S7 PLC 以及 WinAC 的通訊。 組態(tài)下載前要進行端口設置，在控制面板 中的“ SET PG/PC Interface”中選擇“ S7 Online（ STEP7）”，再選擇“ PC internal （ local）”實現(xiàn) PC 機與 WinAC SLOT 412 的本地連接。之后在“ Component Configurator”中指定 PC 站的名字（即：“ ZDH32”） 圖 系統(tǒng)硬件組態(tài) 南昌大學學士學位論文 25 然后打開 WinAC 控制面板。將之前硬件和軟件組態(tài)下載。如果組態(tài)沒問題，下載正確，則控制面板上的 RUN 指示燈會變?yōu)榫G色。這樣就可以通過 WinAC控 制面板對系統(tǒng)進行控制，同時可以利用 STEP7 在線調(diào)試程序，還可以通過設置變量表在線修改參數(shù)和監(jiān)視變量 [21]。 本系統(tǒng)在 WinCC 變量管理器中添加新的驅(qū)動程序，先選擇驅(qū)動程序類型為“ SIMATIC S7 Protocol ”，而后選擇通道單元“ SLOT PLC”， WinCC與 WinAC SLOT 412 的通訊連接。然后根據(jù)具體的過程對象，在“ SLOT PLC”中建立變量連接，添加控制過程中監(jiān)視和控制的過程變量。利用圖形編輯器、變量記錄組件來完成過程畫面設計、數(shù)據(jù)趨勢顯示和歸檔、越限報警等功 能。本系統(tǒng)是對一個雙輸入、雙輸出電加熱爐溫度進行控制。其中期望輸出值、輸入電流量、反饋值還有 P、 I、 D 控制參數(shù)為過程變量和系統(tǒng)控制量。加入這些變量后，根據(jù)本系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)顯示、變量調(diào)節(jié)、還有數(shù)據(jù)歸檔等要求對其進行圖形編輯。本系統(tǒng)的人機監(jiān)控具有以下功能：數(shù)據(jù)自動采集及歸檔 。過程的實時監(jiān)視 。參數(shù)的在線設置和調(diào)整 。手動 自動操作 。歷史趨勢 。數(shù)據(jù)歸檔查詢 。超限報警等。 南昌大學學士學位論文 26 第五章 儀器儀表的選型 現(xiàn)場儀表的選型 在電加熱爐控制系統(tǒng)中，包括用于檢測的現(xiàn)場儀表和用于控制的現(xiàn)場儀表。 現(xiàn)在，我 們開始對現(xiàn)場儀表的選型 [2]。 控制閥的選型 控制閥的選型內(nèi)容： 1）口徑大小的選擇； 2）開、閉形式的選擇； 3）流量特性的選擇； 4）結構形式的選擇。 口徑大小的的選擇尤其重要。根據(jù)控制閥流量系數(shù) C 值的計算值來確定閥座通徑。 a. 控制閥流量系數(shù) C值的計算： P1=250KPa； ?p=200KPa； t=20OC ； Q?6 3m h ； D 1??D2 ?15mm； 31gcm??； vp = Kpa； cp =?Kpa； v ?； LF =（氣動薄 膜單座控制閥壓力系數(shù)）。 1）臨界壓力系數(shù) FF 0 . . 9 6 0 . 2 8 2 . 3 3 9 2 1 9 9 6 . 5 = 0 . 9 5 7? 2）判斷是否為阻塞流： 22L 1 F VF ( p F p ) = 0 . 9 ( 2 5 0 0 . 9 5 7 2 . 3 3 9 ) = 2 0 0 . 6 9?? 2L 1 F VP F (P F P )?? 為 費阻塞流，所以流量系數(shù) C=10 12Q /(p p? ? ） = 3）管道雷諾數(shù)： Le QR 70700 3500vC?，不必做低雷諾數(shù)修正。 4）控制閥口徑的選定： 根據(jù)計算 C= 選控制閥公稱通徑： d=20mm、 100C =6 5) 管件形狀修正： 由于 D1=D2d，所以不需要管件形狀修正。 南昌大學學士學位論文 27 b 控制閥型號的確定： 參考選型樣本可得控制閥型號為： ZHA(B)2 型氣動薄膜單座調(diào) 節(jié)閥（浙江誠科閥門有限公司） 其主要技術參數(shù)如下： 1) 信號范圍： 20～ 100KPa 2) 公稱通徑： 20㎜ 3) 閥座直徑： 10㎜ 4) 公稱壓力： 5) 額定行程 L： 16㎜ 6) 固有流量特性：直線、等百分比 7) 額定流量系數(shù)：直線 ；等百分比 8) 固有可調(diào)比： 30 ： 1 9) 工作溫度 t（ ℃ ）： 15℃ ～ 200℃ 10) 作用方式：氣開式 節(jié)流裝置的計算 對應于節(jié)流法測量流量的原理 [2]，可取節(jié)流前流束未收縮處和節(jié)流后流束收縮 最小處兩點，對于不可壓縮流量 來說，應用伯努利方程可有： 221 1 2 211v p v p2g 2g??? ? ? (1) 對于流體流動有連續(xù)性方程成立，即 21 1 2 2 1 2 1Fv F v F v v F??， (2) 將（ 2）式代入（ 1）式，經(jīng)整理可得： 1212221pp2g )V= F1 ( )F??（ （ 3） 式中 1v —孔板前取壓處平均流速， m/s。 2v —孔板后取壓處平均流速， m/s。 南昌大學學士學位論文 28 1p —孔板前取壓處絕對壓力， kg/ 2m 2p —孔板后取壓處絕對壓力， kg / 2m 。 1F —管道橫截面積， 2m 。 2F — 孔板內(nèi)孔橫截面積， 2m 。 g—重力加速度 =流量 s 2 2Q v F? ，由此可見只要測得節(jié)流前后的壓力差就可得到 2 v ，從而就 可得到管道流量數(shù)值。 考慮到一些實際因素，需引入一個系數(shù) C，于是有： 121s2221pp2gQ C F F1)F????（ ）（ （ 4） 2C=1m? （ 5） 式中 2dm D?（ ） 為孔板開孔直徑與管道直徑之比 電氣閥門的定位器 電氣閥門定位器 (又稱：氣動閥門定位器）是調(diào)節(jié)閥的主要附件，通常與氣動調(diào)節(jié)閥配套使用，它接受調(diào)節(jié)器的輸出信號，然后以它的輸出信號去控制氣動調(diào)節(jié)閥，當調(diào)節(jié)閥動作后，閥桿的位移又通過機械裝置 反饋到閥門定位器，閥位狀況通過電信號傳給上位系統(tǒng)。 電氣閥門定位器的工作原理： 電氣閥門定位器是控制閥的主要附件 .它將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號 ,以控制器輸出信號作為設定信號，進行比較，當兩者有偏差時，改變其到執(zhí)行機構的輸出信號，使執(zhí)行機構動作，建立了閥桿位移倍與控制器輸出信號之間的一一對應關系。因此，閥門定位器組成以閥桿位移為測量信號，以控制器輸出為設定信號的反饋控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的操縱變量是閥門定位器去執(zhí)行機構的輸出信號。 由于本設計采用的儀表基本都必須帶有 ProfibusPA現(xiàn)場總線通信協(xié) 議，南昌大學學士學位論文 29 普通的定位器顯然達不到此要求，這里選用智能閥門定位器。 智能電氣閥門定位器可用于直行程和角行程的閥門 。本系統(tǒng)采用型號為 SIPART PS2的定位器。 它的操作非常簡單，可以在現(xiàn)場通過按鍵和 LCD進行操作，也可以通過 HART接口或 PROHBUS PA協(xié)議選用 SIMATIC PDM過程設備管理軟件對其進行操作。 技術 數(shù)據(jù) 及參考： 1) 當在 0176。C 以下調(diào)試時，請確認調(diào)節(jié)閥被介質(zhì)吹掃足夠長的時間 。 2) 在低于 10 176。C ，時 LCD 刷新率降低。當選用 Iy 模塊時，只允許 T4。 3) 對于 EEx d 型 (6DR5..5...) 此值減小約 20% SIPART PS2 ( 所有形式 )。 行程范圍 ( 直行程執(zhí)行構構 ) 3 ... 130 mm ( 反饋杠桿的轉角 16 ... 90176。) 轉角 ( 角行程執(zhí)行機構 ) 30 ... 100176。 壓力變送器的選型 本設計選用的 壓力變送器要采用能滿足 ProfibusPA 現(xiàn)場總線通信協(xié)議。一般的壓力變送器不符合要求，因此選用智能壓力變送器。智能壓力變送器的優(yōu)勢在于： ●超級的測量性能，用于 壓力、差壓、液位、流量測量 。 ●數(shù)字精度： +（ ） %。 ●模擬精度： +（ ） %+（ ） %。 ●全性能： +（ ） 。 ●穩(wěn)定性： % 60 個月 。 ●量程比： 100： 1。 ●測量速率： 。 ●小型化（ ）全不銹鋼法蘭，易于安裝 。 ●過程連接與其它產(chǎn)品兼容，實現(xiàn)最佳測量 。 ●世界上唯一采用 H 合金護套的傳感器（專利技術），實現(xiàn)了優(yōu)良的冷、熱穩(wěn)定性 。 ●采用 16 位計算機的智能變送器 。 ●標準 420mA，帶有基于 HART 協(xié)議的數(shù)字信號，遠程操控 。 ●支持向現(xiàn)場總線與基于現(xiàn)場控制的技術 的升級。 這里選用江蘇中儀自動化儀表有限公司的 ZYGP3851型差壓變送器 。 根據(jù)：水箱高度為 0～ ，所以液位的變化范圍也就是 0～ 。計算壓 力變送器量程： P=Hmaxpg=*1000*10Pa =3000Pa=3KPa 南昌大學學士學位論文 30 根據(jù)變送器的量程，選擇型號為 ZYGP1500。 其技術參數(shù)如下 : 1) 環(huán)境溫度寬 40℃ ～ +85℃ , 2) 測量精度高， %； 3) 量程設定靈活，最大量程比 100:1； 4) 長期漂移小于 %／年； 5) 量程： 030～ 180KPa； 6) 防護等 級可達到 NEMA 4X； 7) 可接受 ~32VDC的電源； 8) 提供 HART/4~20mA， ProfibusPA， Foundation Fieldbus或 Modbus通訊協(xié)議，滿足現(xiàn)場通信要求。 壓力表的選型 此壓力表安裝在現(xiàn)場，在該控制系統(tǒng)裝置中用來顯示控制系統(tǒng)附屬管道流量 的儀表。一般選用模擬儀表就可滿足要求。根據(jù)給定條件，閥前壓力 1p ??250KPa 和壓力儀表量程的選擇條件：最小應不小于量程的 1/3；在壓力波動較大時，最 大 不應超過量程的 2 /3；在壓力較為穩(wěn)定的情況下，最大不應超過量程的 4/5。所 以此處壓力表的量程大致在 。 結合所測壓力范圍和儀表量程選型相關條件，本系統(tǒng)選用型號為 Y100 (真空壓力表 )。其技術參數(shù)如下： 1) 公稱直徑： 100mm 2) 精度等級： 3) 測量范圍：－ ～ 4) 使用環(huán)境條件：－ 40℃ ～＋ 70℃ 5) 相對濕度： ?85 流量計的選擇 用以測量管路中流體流量 (單位時間內(nèi)通過的流體體積 )的儀表，有轉子流量計、節(jié)流式 流量計、細縫流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計和堰等。 流量測量方法和儀表的種類繁多 ,分類方法也很多。至今為止 ,可供工業(yè)用的流量儀表種類達 60種之多。品種如此之多