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1 绪论
1.1 温度控制概论
1.1.1 温度控制的意义
温度的测量和控制在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极为重要的实际意义。
在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。温度是工业对象中一个主要的被控参数[1]，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多机器的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，然后进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用PLC来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。 1.1.2 温度控制发展现状及趋势
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于2O世纪8O年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整
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定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。
国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
1.2 工业加热炉概论
1.2.1 加热炉在工业生产中的应用
加热炉在冶金、化工等工业生产过程中广泛地使用，是进行锻压，化工生产中不可缺少的重压设备。加热炉的温度[2]是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。热处理加热炉是一种能改善金属材料及其制品（如机器零件、工具等）性能的工艺。根据不同的要求，将材料及其制品加热到适宜的温度并保温，随后用不同方法冷却，改变其内部组织以获得所要求的性能。热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段之一。
热处理加热炉具有大惯性、纯滞后等非线性以及时变的特点[3]，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制例如PID控制[4]难以保证加热工艺曲线要求。作为非线性控制的一大分支，模糊控制在上述温度控制系统中可以得到较好的应用。 1.2.2 加热炉的发展现状及优缺点
目前国内已有数以百计的工业加热炉实现了计算机控制，取得了高产，优质，低耗和少污染的效果。工业加热炉进行计算控制的第一步：是实现给定炉温和给定空气系数的燃烧控制，其核心是燃烧流量控制和空燃比例的控制，其手段是在给定炉温的要求下，自动控制燃料的流量的多少和燃料流量与空气流量的比例的
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大小，其方法有：燃烧和空气流量测量法，烟气残氧分析反馈法，自寻优控制法和专家系统。进一步提高是用数学模型进行优化控制，优化工业里的温热制度，即找到最佳的炉温控制和供热制度。数学模型可以用理论方法确立，也可以根据实验数据或生产数据经过数学处理得到。
工业生产对工业加热炉总的要求是：高产，优质，低消耗和少污染，阻碍工业加热炉发展的原因是目前工业加热炉对上述要求存在着下列些矛盾新理论的产生和建立就是要解决这些矛盾工业加热炉才能快速地发展。
加热产量与质量的矛盾：要提高工业加热炉的产量就必须提高整个工业炉的温度水平，重点是炉子的加热段(对连续式炉为加热段,对间歇式炉为加热期)的温度水平，这就很容易产生质量问题，如氧化烧损增加，形成过热和过烧,，甚至烧化和烧毁而造成废品等，这就与加热质量产生矛盾。从另一方面来说，为了提高加热质量减小表面和中心的温差和提高整个的温度均匀性,必需延长连续式均热段的长度(对间歇炉为均热期的时间)，也就减少了炉子的产量造成与产量的矛盾。
加热产量与低消耗的矛盾：在提高整个工业炉的温度水平，增加产量的同时，必然要增大热负荷，导致提高烟气的排出温度，增加烟气带走的热损失。提高整个工业炉的温度水平后，也会使炉衬的蓄热和散热热损失的增加，这些结果都会使燃耗增加，这就与低消耗产生了矛盾。
加热质量与低消耗的矛盾：要提高工业加热炉产品的质量，减少加热材料的断面温差和提高整体温度的均匀性，就必须延长连续式的均热段的长度（对间歇炉为均热期的时间），这必然会增加工业加热炉的燃料消耗量和降低工业加热炉的生产量，也就使加热质量和低消耗产生了矛盾。
加热产量与污染的矛盾：提高工业加热炉的产量后，必然会过多的增加燃料供给量，导致燃烧器的超负荷运行，燃烧更加不完全，排出的烟气含量也随之增加，使温室气体二氧化碳，有毒气体一氧化碳，腐蚀性气体氧化氮，有害微粒碳黑和粉尘等排放量都增加了，造成产量提高对环境污染增加的矛盾。
这些矛盾都产生于目前工业加热炉采用的是：连续式加热炉的低温预热短（对间歇炉为低温预热期）实行慢速加热，或者用烟气的余热来慢速加热（连续式加热炉）。这是不合理的，因为低碳钢等材料，在低温时吸热能力很强，加热的温差可以很大，不会导致产生裂纹和变形等缺陷，所以可以快速加热。而在高温时，吸热能力很弱，加热的温差只能很小，如果采用过高的炉温很同意产生过热，过烧和烧毁等次品，所以只能慢速加热。而合理的是：在连续式加热炉低温预热段（对间歇炉为低温预热期）实行快速加热，或者将预热段也变成加热段（连续式加热炉），或者用提高炉温来快速加热（间歇式加热炉）；在连续式加热炉的均热段（对间歇式炉为均热期）实行慢速加热，或者延长均热段长度来慢速加热（连续式加热炉），或者用降低热负荷来慢速加热（间歇式加热炉）。这些原则就是“高炉温，高烟温，高余热回收和低炉子惰性”（三高一低理论）提出的根据，可以使工业加热炉实现：高产，优质，低消耗和少污染的要求。
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1.3 本章小结
本章的主要内容简述了工业加热炉温度控制的意义及发展状况。首先介绍了温度控制的意义，了解其在工业生产中的重要地位。并对温度控制的在工业生产中的发展状况进行了简要介绍，以及其在国内外工业生产中的发展方向趋势进行了分析了解。其次介绍了工业加热炉在工业生产中的应用，并详细说明了加热炉的发展现状及其优缺点特点。
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2 PLC简介及其特点
2.1 PLC定义及简介
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置[8]。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”[9]
2.2 PLC特点
(1)可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 (2)配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。