基于PLC的鑄造熔爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董麗梅

摘 要： 鑄造熔爐是鑄造過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，并且鑄造熔爐燃燒過(guò)程的完全與否將決定著鑄造質(zhì)量的好壞。基于PLC可編程序控制器設(shè)計(jì)了鍋爐燃燒過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮蒸汽壓力、燃燒過(guò)程含氧量和爐膛負(fù)壓三個(gè)變量，并分別基于以上三個(gè)變量進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，并且給出具體的控制方案，對(duì)鑄造熔爐燃燒的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究起著重要作用。

關(guān)鍵詞： 鑄造熔爐； 燃燒自動(dòng)控制； 硬件設(shè)計(jì)； 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN876?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）17?0138?03

Design of PLC?based combustion automatic control system of casting furnace

DONG Limei

（College of Electronic Information Engineering， Hebei University， Baoding 071002， China）

Abstract： Casting furnace is one of the key equipments in casting process， and its combustion process determines the quality of the casting. A PLC?based automatic control system of boiler combustion process was designed. Steam pressure， oxygen content and combustion chamber negative pressure in combustion process are considered in design process. On the basis of the above three variables， the hardware and software of the control system were designed. The specific control scheme is given， which plays an important guiding significance for the design and research of the combustion automatic control system of casting furnace.

Keywords： casting furnace； combustion automatic control； hardware design； software design

0 引 言

鑄造屬于液態(tài)金屬材料成形的典型工藝，鑄造工藝的首要過(guò)程為將固態(tài)金屬熔煉成液態(tài)金屬，鑄造熔爐是鑄造中必不可少的試驗(yàn)設(shè)備之一[1]。鑄造熔爐是利用煤炭燃燒或其他能量轉(zhuǎn)化所得的熱能把固態(tài)金屬加熱融化成為液態(tài)金屬，使其具有一定的液態(tài)流動(dòng)性的機(jī)械設(shè)備，是機(jī)械、能源等工業(yè)裝備過(guò)程必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備[2]。隨著鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展，鑄造熔爐設(shè)備也隨之得到了快速發(fā)展，并逐漸受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的青睞，對(duì)其研究也逐年增多。在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[3]對(duì)鑄造鎂合金熔爐內(nèi)保護(hù)氣體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；文獻(xiàn)[4]對(duì)鎂合金壓鑄機(jī)熔化保溫系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究；文獻(xiàn)[5]研究了鎂合金介質(zhì)保護(hù)熔煉技術(shù)，在國(guó)外也有諸多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)鑄造熔爐設(shè)備進(jìn)行了一系列研究。雖然，鑄造熔爐設(shè)備的研究逐年增多，但是大都集中在對(duì)某種材料的熔化保溫等設(shè)計(jì)與研究，對(duì)熔爐燃燒的自動(dòng)控制的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文基于PLC的鑄造熔爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)可以有效地解決熔爐燃燒自動(dòng)控制的問(wèn)題，對(duì)其發(fā)展有著重要的推動(dòng)意義。

1 工藝流程的描述

圖1為熔爐燃燒自動(dòng)控制系統(tǒng)的工藝流程圖。本文設(shè)計(jì)的熔爐燃燒主要利用蒸汽余熱對(duì)鑄造熔爐進(jìn)行加熱[6]。具體加熱過(guò)程如下：首先將定量的水經(jīng)過(guò)水泵、控制閥開(kāi)關(guān)注入鍋爐；其次，將煤炭燃料或其他燃料和受熱空氣按照一定的比例進(jìn)行混合，混合后通過(guò)燃燒設(shè)備對(duì)其燃燒，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量被蒸汽發(fā)生系統(tǒng)接收，并產(chǎn)生飽和蒸汽。經(jīng)過(guò)換熱器發(fā)生器后形成過(guò)熱蒸汽最終儲(chǔ)存在蒸汽母管。所儲(chǔ)存的過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)傳遞系統(tǒng)供給外界負(fù)載熔爐燃燒使用[7]。

如圖1所示的燃燒過(guò)程中，蒸汽壓力、產(chǎn)生的煙氣成份以及爐膛的負(fù)壓是整個(gè)過(guò)程中的關(guān)鍵控制變量，其中煤炭及其他燃料使用量、送風(fēng)速度及時(shí)間和引風(fēng)速度為三個(gè)自變量[8]。根據(jù)以上控制變量及其對(duì)應(yīng)的自變量設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)，保證滿(mǎn)足負(fù)載使用，并且保證燃燒的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

鑄造熔爐燃燒的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括蒸汽壓力、燃燒過(guò)程含氧量和爐膛負(fù)壓自動(dòng)控制系統(tǒng)等三個(gè)子系統(tǒng)。以上三個(gè)子系統(tǒng)的控制方案均為前反饋系統(tǒng)控制+PID反饋控制，蒸汽壓力子系統(tǒng)自動(dòng)控制方案如圖2所示，含氧量子系統(tǒng)控制方案如圖3所示，爐膛負(fù)壓子系統(tǒng)控制方案如圖4所示。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的鑄造熔爐燃燒供能的控制系統(tǒng)主要采取PLC控制方式。主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制和連續(xù)控制兩種常規(guī)功能，與此同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程各變量及控制關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢測(cè)、系統(tǒng)報(bào)警和反饋信息的傳送等功能。整個(gè)控制系統(tǒng)包含四個(gè)主要控制模塊，分別為一個(gè)輸入模塊、兩個(gè)輸出模塊、一個(gè)輸入輸出混合模塊。其中，EM231為輸入模塊、EM232為輸出模塊、EM235為輸入輸出混合模塊。具體控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，本控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)也有三個(gè)子系統(tǒng)，其系統(tǒng)軟件分別為蒸汽壓力、燃燒過(guò)程含氧量和爐膛負(fù)壓自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件。

（1） 蒸汽壓力子系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

圖6為蒸汽壓力子系統(tǒng)控制軟件的控制方案流程圖。控制方式主要為前饋+PID反饋控制，表1為PID反饋回路表。

（2） 燃燒含氧量控制軟件設(shè)計(jì)

圖7為燃燒過(guò)程含氧量系統(tǒng)控制軟件控制方案流程圖。控制方式與蒸汽壓力控制方式一致，表2為含氧量控制系統(tǒng)PID反饋回路表。。

（3） 爐膛負(fù)壓系統(tǒng)控制軟件

圖8為爐膛負(fù)壓系統(tǒng)控制軟件控制方案流程圖。控制方式與蒸汽壓力及燃燒過(guò)程含氧量控制方式一致，表3為爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)PID反饋回路表

3 結(jié) 論

本文以鑄造熔爐燃燒室為控制對(duì)象，基于PLC對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程主要考慮蒸汽壓力、燃燒過(guò)程含氧量和爐膛負(fù)壓三個(gè)變量，并分別基于以上三個(gè)變量進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，給出具體的控制方案，對(duì)鑄造熔爐燃燒的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究具有重要意義。

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