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烧结炉温度场的研究与控制工程系统的设计

时间:2018-10-06 22:00来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇控制工程论文,控制工程的应用范围早期主要是工业生产过程(如化工、冶金、电气、纺织等)和武器系统(如枪炮等常规兵器,以及火箭、导弹等),后来扩展到企业管理
本文是一篇控制工程论文,控制工程的应用范围早期主要是工业生产过程(如化工、冶金、电气、纺织等)和武器系统(如枪炮等常规兵器,以及火箭、导弹等),后来扩展到企业管理、城市规划、交通管制、生物控制、社会经济的计划和控制等领域。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇控制工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景及意义
粉末冶金材料起源于 20 世纪 50 年代末期,经过七十多年的发展,粉末冶金材料逐渐地从军事国防向民用等各个领域渗透,如今已经在医学、生物、运输、铁路、工业等诸多领域实现了商业化的应用。烧结炉是粉末冶金行业的主要设备,它在粉末冶金行业中扮演着非常重要的角色,它是一种高能耗设备,这就对烧结炉的研究与设计提高了要求。烧结炉是一种在高温下,使粉末材料颗粒相互键联,粒子间空隙(气孔)减少,其锻造的复合材料总体积收缩,合金密度增加,最后成为具有某种特定效用的复合材料的炉具。粉末冶金,顾名思义,将粉末状的原材料进行某种加工使其形成一种致密性的复合材料,并赋予复合材料特有的性能,其应用价值更高。我国是一个粉末合金生产大国,冶金行业经过二十多年的发展,在复合材料及其制品的研究开发与规模化生产等方面取得了重大成就,然而,我国粉末合金行业在降低能耗,实现可持续发展等方面还有大量的工作要做【1】。在粉末冶金的生产过程中,主要分为混料、成形、烧结、整形等基本工序,其中,烧结这一道工序耗能最大,约占总耗能的 60%。烧结炉在进行产品烧结时的温度分布会直接影响产品烧结的质量。因此,对烧结炉内温度的精确控制是保证粉末冶金烧结成功的重要前提。国内烧结炉的热效率不到40%,而国际水平已达到 60%以上。在烧结炉节能方面,我国具有相当大的提升空间。因此,我们对烧结炉温度场仿真进行了研究,再结合实际项目对烧结炉控制系统进行了设计,在此控制系统的基础上,引入了嵌入式思想,设计了嵌入式烧结炉温度控制系统,对温度进行控制。烧结炉温度场仿真方面,研究炉体结构和工艺参数对烧结炉内温度场分布规律的影响,从而对炉体设计结构和工艺参数的选用进行指导,可以大幅降低研制成本的同时提高烧结炉的研制效率【2】。
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1.2 国内外研究进展
 
1.2.1 国外研究进展
近代粉末冶金技术诞生迄今已届百年之久,早在 20 世纪初,通粉末冶金技术合成电灯钨丝,就标志着粉末冶金行业的开始【4】。在这一百多年的发展中,粉末冶金技术取得了令人瞩目的发展,许多难熔金属材料如钨、铌等都可通过粉末冶金工艺方法进行制备【5】。粉末冶金发展经历了三个阶段:20 世纪初,电灯钨丝的制备,标志着粉末冶金行业发展的开始。1923 年通过粉末冶金工艺方法烧结得到硬质合金,被誉为机械加工届的一次革命;20 世纪 30 年代,铜基轴承的诞生使得粉末冶金技术迅速发展,合成了许多铁基机械零件,渗透到汽车、办公设备、纺织等多种现代化制造领域;20 世纪 50 年代,随着工艺技术的进一步发展,粉末冶金技术渗透到化工、机械、生物等各个学科,更新型的材料和工艺进一步促进了粉末冶金工业的发展,并使得其应用于航天航空、军工、生物医学、节能环保等新领域【6】。北美和欧洲是世界上最大的两个粉末冶金生产工业区,北美为了促进粉末冶金行业的发展,于 2001 年 9 月金属粉末工业联合会与美国能源工业技术办公室联合制定了一系列跟粉末材料和粉末冶金工业相关的发展规划【7】。欧洲于 1990 年成立了粉末冶金协会,开设了多种冶金人才教育培养活动,进行了大量粉末冶金课题的研究;通过建立信息网等一系列措施加强了国际交流。半个世纪以来,欧美在粉末冶金行业取得了巨大的进步。与欧美相比,亚洲粉末冶金行业的整体水平较为落后,但从历史角度出发,也具有其优点,工业发展时间长,生产基础较好,发展速度快。近些年来,亚洲的粉末冶金制品有一部分已经流入欧美市场。对烧结炉内部温度场进行仿真研究,掌握烧结炉内任一点任意时刻的温度,对烧结成功有着重大的意义。最早,为了获取烧结炉内温度场分布云图曲线,需要在烧结炉内布置大量的测温探头,然后实时跟踪烧结炉的整个加热工程。根据实际测量得出的温度值,进行温度场的一个反向绘制,而且必须每隔一段时间校对一次,才能保证烧结的温度曲线正确,保证烧结工件的烧结质量。耗时耗力不说,也大大降低了烧结炉的研发效率。经过多年的技术创新,随着数值模拟工具的出现,可以通过建立模型对烧结炉的温度场进行仿真,解决更复杂的实际问题。引入有限元分析思想,对温度场做一定深度的数值模拟分析,得到所建模型的温度分布云图,此法在很大程度上提高了仿真的效率,目前得到了广泛的应用【8】。
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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
烧结炉的炉体结构主要包括炉顶、炉底、炉墙、炉壳以及加热元件等。其中加热元件采用石墨加热体,石墨可耐高温,一般在 2000~2500℃使用,在还原性气氛(即惰性气体)中可达 3000℃,而且其加工容易,价格便宜;炉墙及炉顶均为三层,选用相同的隔热层材料,从内至外分别为电极石墨(或硬质碳毡)、碳毡、硅酸铝纤维;炉壳为两层中间夹有循环水不锈钢钢板;隔热层(电极石墨层或硬质碳毡层)并未与加热元件直接接触,它们之间还隔有用于绝缘的氮气层;炉底为莫来石捣打层【16】。烧结炉实物图如图 2-1 所示:烧结炉结构图如图 2-2 所示,烧结炉的尺寸规格为:炉膛直径 320mm,石墨加热体厚度 10mm,氮气层厚度 10mm,电极石墨(或硬质碳毡)层厚度 20mm,碳毡层厚 80mm,硅酸铝纤维层厚 70mm,钢板厚度均为 8mm,循环水层厚 34mm,莫来石厚度 130mm,莫来石与石墨加热体下表面相距 130mm。
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2.2 温度场热分析
 
2.2.1 传热基本方式
物质系统内各个点上温度的集合称为温度场【17】,它反映了温度在时间和空间上的分布。物质间传热有三种基本的方式,分别是热传导、热对流和热辐射【18】。在加热炉中进行的各种传热过程,多种加热方式可以同时存在。一个复杂的传热问题可以采用这三种基本传热方式的任意两种或者三种同时进行热量传递。热辐射是指物体自身原因而向外发射电磁波来进行热量传递,与热传导、热对流不同的是热辐射的能量传递不需要介质。热辐射区别于热导热和热对流的是热辐射在能量传播的过程中,伴随着从内能转换为辐射能,再转换为内能的过程。一般来说,物体表面温度越高,发射辐射能就越多,但两者之间并不是呈正比例关系。
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3 基于 PLC 烧结炉控制系统的设计与实现.......21
3.1 控制系统的需求分析.......21
3.2 基于 PLC 烧结炉控制系统的总体设计...........21
3.3 控制策略分析........22
3.4 人机交互界面设计...........25
3.5 系统分析.....26
3.6 本章小结.....29
4 嵌入式烧结炉温度控制系统的设计与实现....31
4.1 嵌入式烧结炉温度控制系统的设计需求........31
4.2 嵌入式烧结炉温度控制系统总体设计............31
4.3 各功能模块的硬件设计..............33
4.4 嵌入式操作系统....36
4.5 程序设计.....39
4.6 系统控制策略的实现.......41
4.7 实验结果.....43
4.8 本章小结.....44
5 总结与展望............45
5.1 全文总结.....45
5.2 设计的不足与展望...........45
5.3 本章小结.....46
 
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
随着互联网技术的发展,嵌入式产品获得的巨大的发展契机,采用嵌入式思想与炉温控制相结合的方法,设计了嵌入式烧结炉温度控制系统,现已成为温度控制发展趋势【33】。本文研究了一种基于 ARM 和 μC/OS-II 的炉温控制系统,采用 LPC1788 微处理器作为控制核心设计控制系统,并对 μC/OS-II 操作系统进行裁剪移植,实现对炉温的精确控制。嵌入式烧结炉温控系统设计的功能如下:(1) 温度实时监测(2) 温度控制(3) 数据存储(4) 人机交互.微处理器通过温度检测模块 PT100 实时采集温度数据,将采集到的温度值与预先设定温度值进行差值处理,采集温度与预设温度的差值通过数字 PID 控制算法,输出4~20MA 电流信号作为温度控制电路的控制信号,通过调节电力调整器的功率大小来实现对电加热炉加热快慢的调节,从而进行精确控温。微处理器 LPC1788 模块会将当前的温度信息、系统状态、实时温度曲线等相关信息送入到人机界面进行显示,相应数据存储到存储模块,实现对炉温监测、采集、控制的目的。
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总结
 
本次课题主要是对烧结炉温度场的进行研究以及设计相应的温度控制系统,温度场的研究主要通过 ANSYS 软件设计多种烧结炉仿真模型对梯度温度场和均匀温度场进行了研究;控制系统的设计分为两部分,结合实际项目,设计了基于 PLC 的烧结炉控制系统,在此基础上,引入了嵌入式的思想,对烧结炉中温度的控制进行嵌入式控制,设计了基于嵌入式烧结炉温度控制系统的设计。主要完成工作如下:采用仿真软件 ANSYS,对烧结炉内温度场仿真进行了研究,在原有均匀温度场仿真的基础上,通过设计阶梯状的加热体,对烧结炉内梯度温度场进行了仿真研究。并且通过改变加热体形状和炉衬结构建立了新的烧结炉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,从而对现实的烧结炉石墨加热体的设计提供有效的优化指导。以实际烧结炉工程设计为背景,以 PLC 和 FP923 智能仪表为控制核心,设计出一套完整的控制系统。首先进行功能性需求分析,设计出整体的设计方案。此设计主要从三个方面进行控制,温度,压力,真空度。温度方面采用多路温区控制,控制器使用的是 FP93 仪表,具有 PID 自整定功能,能根据测量温度与设定温度差值大小进行自动调节;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;上位机方面采用 MCGS 触摸屏,mcgs TPC 带有专有的嵌入版组态软件,通讯方式采用 RS485 进行通讯,设计出整个系统的电气原理图,提出了设计的可行性。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。设计了基于嵌入式炉温控制系统的硬件结构框图,并根据实际需要选择芯片型号,设计出硬件电路图,并根据硬件电路图编写底层驱动程序。学习 μC/OS-Ⅱ操作系统的相关知识,掌握μC/OS-Ⅱ移植和调度的相关原理,并将μC/OS-Ⅱ移植到所设计的嵌入式炉温控制系统中。将所设计系统的功能封装为 μC/OS-Ⅱ中的所有任务,由操作系统进行任务的调度及管理,进而实现嵌入式操作系统的所有功能。选择 μC/GUI 设计人机交互界面,掌握各个模块的 API,并将其恰到好处的调用,很好的完成任务。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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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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