畢業(yè)設(shè)計(jì)-高爐上料plc自動控制(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 he instrument and control system, electric control system and process and management with puter. The blast furnace San Dian integration. This system main design content includes: use STEP7 programming software of S7200 PLC programming, programming software, is a powerful support for ladder diagram, the statement table, function block diagram programming language, and use similar to the advanced language programming mode, the main program and subroutine has carried on the modularization and interrupt program, increases the readability of programs, programming and missioning personnel be clear at a glance. In addition STEP7 support scale debugging, can use after the program downloaded to the PLC and scale think assignment method to simulate the field data input. PLC as the controller has the following characteristics, is especially suitable for industrial control, 1. Easy to use , simple programming. 2. The function is strong, high cost . The hardware is plete, the user use convenient, strong adaptability. To achieve control requirements, the PLC builtin AD conversion and matching PID arithmetic can achieve high control requirements. Key words： The blast furnace feeding, PLC control, PLC programming, automatic cont 1 緒論 高爐上料 PLC 自動控制的研究目的、意義 高爐上料裝置是生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié) ， 提高其自動化水平 ， 可以大大減輕工人勞動強(qiáng)度 ， 提高生產(chǎn)效率 ， 同時通過原料的精確配比 ， 又可提升產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量。本文簡要介紹了 PLC 系統(tǒng)在高爐上料自動控制中的應(yīng)用。該系統(tǒng)用 PLC 完成所有的過程控制、數(shù)據(jù)采集、自動調(diào)節(jié)、事故處理及報(bào)警等工作。工控機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控和人機(jī)對話 ， PLC 和工控 機(jī)通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換 ， 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通訊 ， 控制與監(jiān)控分開 ， 可靠性高 。 高爐上料為煉鐵高爐提供原料 ，其將來自料倉的各種原料按一定的配料比送到高爐內(nèi)進(jìn)行冶煉。整個上料過程大部分是順序邏輯控制，涉及到一些模擬量控制，但沒有反饋，不構(gòu)成閉環(huán)過程控制，故而多采用可編程控制器（ PLC）進(jìn)行控制。 主要作用是將煉鐵所需的各種原料源源不斷地送到高爐內(nèi)，保證高爐煉鐵的正常需要，而整個高爐上料卷揚(yáng)系統(tǒng)的核心就是料車的主提升設(shè)備。早期的傳動調(diào)速控制方法多采用串極、直流或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制方式，設(shè)備簡單，造價(jià)低，維護(hù)方便等特點(diǎn)。高爐自動上 料應(yīng)用非常普遍，長度是有限的，為把物料從槽下料倉搬運(yùn)到爐頂上，采用料車升降機(jī)，以提高生產(chǎn)效率。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)思路正確，運(yùn)行可靠，能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的要求。中小型高爐上料主要是卷揚(yáng)料車上料，由于料車上料占地面積小，在中小高爐中得到廣泛的應(yīng)用，如中型高爐卷揚(yáng)系統(tǒng)采用雙電機(jī)控制，小高爐采用單電機(jī)控制。卷揚(yáng)上料系統(tǒng)的主要過程是：各種原料經(jīng)過槽下配料后放入中間料斗，料車到料坑后，料斗把料放入料車，料斗閘門關(guān)到位后，料車啟動，到達(dá)爐頂。 PLC 在自動控制中的現(xiàn)狀 目前，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電 子技術(shù)的發(fā)展， PLC 已由最初一位機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的以 16 位和 32 位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化 PC，而且實(shí)現(xiàn)了多處理器的多通道處理。如今， PLC 技術(shù)已非常成熟，不僅控制功能增強(qiáng)，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠(yuǎn)程 I/O 和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及圖象顯示的發(fā)展，使 PLC 向用于連續(xù)生產(chǎn)過程控制的方向發(fā)展，成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一大支柱。 現(xiàn)在，世界上有 200 多家 PLC 生產(chǎn)廠家， 400 多品種的 PLC 產(chǎn)品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產(chǎn)品，各流派 PLC 產(chǎn)品都各具特色。其中 ，美國是 PLC 生產(chǎn)大國，有 100 多家 PLC 廠商，著名的有 AB 公司、通用電氣（ GE）公司、莫迪康（ MODICON）公司。歐洲 PLC 產(chǎn)品主要制造商有德國的西門子（ SIEMENS）公司、 AEG 公司、法國的 TE 公司。日本有許多 PLC 制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士等，韓國的三星（ SAMSUNG）、 LG 等，這些生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品占有 80%以上的 PLC 市場份額。 經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi) PLC 生產(chǎn)廠家約有三十家，國內(nèi) PLC 應(yīng)用市場仍然以國外產(chǎn)品為主。國內(nèi)公司在開展 PLC 業(yè)務(wù)時有較大的競爭優(yōu)勢，如：需求優(yōu)勢、產(chǎn)品定制優(yōu)勢、 成本優(yōu)勢、服務(wù)優(yōu)勢、響應(yīng)速度優(yōu)勢。 而可編程邏輯控制（ PLC）器具有以下鮮明的特點(diǎn)。非常適合工業(yè)用 高爐上料自動 控制系統(tǒng)。所以本系統(tǒng)選擇此控制器。 PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 1） 使用方便，編程簡單 采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計(jì)算機(jī)知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。 2） 功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高 一臺小型 PLC 內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強(qiáng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。它與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能 價(jià)格比。 PLC 可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。 3） 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) PLC 產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC 有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和小型交流接觸器。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。 4） 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器、時間繼電 器，由于觸點(diǎn)接 觸不良，容易出現(xiàn)故障。 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/101/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無故障時間達(dá)到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場， PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 5） 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少 PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控 制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖的時間比設(shè)計(jì)相同功能的繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 PLC 的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通過PLC 上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。 6） 維修工作量小，維修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。 PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù) PLC 上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故 。 PLC 的發(fā)展 以及對高爐上料的進(jìn)一步革新 隨著 PLC 應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大， PLC 技術(shù)及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都在不斷改進(jìn)，功能日益強(qiáng)大，性價(jià)比越來越高。 1） 在產(chǎn)品規(guī)模方面，向兩極發(fā)展。 一方面，大力發(fā)展速度更快、性價(jià)比更高的小型和超小型 PLC。以適應(yīng)單機(jī)及小型自動控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技術(shù)完善的大型 PLC方向發(fā)展。隨著復(fù)雜系統(tǒng)控制的要求越來越高和微處理器 與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對 PLC 的信息處理速度要求也越來越高，要求用戶存儲器容量也越來越大。 2） 向通信網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 PLC 網(wǎng)絡(luò)控制是當(dāng)前控制系統(tǒng)和 PLC 技術(shù)發(fā)展的潮流。 PLC 與 PLC 之間的聯(lián)網(wǎng)通信、 PLC 與上位計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信已得到廣泛應(yīng)用。目前， PLC 制造商都在發(fā)展自己專用的通信模塊和通信軟件以加強(qiáng) PLC 的聯(lián)網(wǎng)能力。各 PLC 制造商之間也在協(xié)商指定通用的通信標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 PLC 已成為集散控制系統(tǒng)（ DCS）不可缺少的組成部分。 3） 向模塊化、智能化發(fā)展 為滿足工業(yè)自動化各種控制系統(tǒng)的需要，近 年來， PLC 廠家先后開發(fā)了不少新器件和模塊，如智能 I/O 模塊、溫度控制模塊和專門用于檢測 PLC 外部故障的專用智能模塊等，這些模塊的開發(fā)和應(yīng)用不僅增強(qiáng)了功能，擴(kuò)展了 PLC 的應(yīng)用范圍，還提高了系統(tǒng)的可靠性。 4） 編程語言和編程工具的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化 多種編程語言的并存、互補(bǔ)與發(fā)展是 PLC 軟件進(jìn)步的一種趨勢。 PLC 廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時，日益向 MAP(制造自動化協(xié)議 )靠攏，使 PLC 的基本部件，包括輸入輸出模塊、通信協(xié)議、編程語言和編程工具等方面的技術(shù)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。 PLC 的每一 步發(fā)展都將對高爐上料自動控制做出新的進(jìn)一步的革新，將使我國高爐煉鐵技術(shù)往更好的，更先進(jìn)的方面發(fā)展，我們將看到擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國的 PLC 自動控制生產(chǎn)線出現(xiàn)在我們自己的沃土上。但是這將會耗費(fèi)數(shù)以萬計(jì)的高端知識人才的畢生努力。但是這是具有預(yù)見性的未來。革新，發(fā)展。 2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 煉鐵工藝過程介紹 煉鐵方法主要有高爐法、直接還原法、熔融還原法等，其原理是礦石在特定的氣氛中（還原物質(zhì) CO、 H C；適宜溫度等）通過物化反應(yīng)獲取還原后的生鐵。本評價(jià)項(xiàng)目采用高爐還原法工藝。 高爐 冶煉用的焦炭、礦石、燒結(jié)礦、球團(tuán)在原料場加工處理合格后，用皮帶機(jī)運(yùn)至高爐料倉貯存使用；各種原料在槽下經(jīng)篩分、計(jì)量后，按程序用皮帶機(jī)輸送到高爐料車中，再由料車?yán)綘t頂加入爐內(nèi)；從高爐下部風(fēng)口鼓入熱風(fēng) (1150－ 1200℃ )，高爐中的物料中的炭素在熱風(fēng)中發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生具有高溫的還原性氣體 (CO、 H2)。熾熱的氣流在上升過程中將下降的爐料加熱，并與礦石發(fā)生還原反應(yīng)。高溫氣流中的 CO、 H2 和部分熾熱的固定碳奪取礦石中的氧，將鐵還原出來。還原出來的還原鐵進(jìn)一步熔化和滲碳，最后形成鐵水。鐵水定期從鐵口放出。礦石中的 脈石變成爐渣浮在液態(tài)的鐵面上，定期從渣口排出。反應(yīng)的氣態(tài)物質(zhì)為煤氣，從爐頂排出。 高爐煤氣經(jīng)重力除塵器粗除塵后，經(jīng)降溫裝置降溫后進(jìn)入布袋除塵器精除塵，凈化后的煤氣經(jīng)煤氣主管、調(diào)壓閥組送往燒結(jié)、煉鋼廠烤包等。 高爐冶煉的熱源主要來自于焦炭燃燒。各種原料在爐內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)。高爐冶煉用風(fēng)由高爐鼓風(fēng)機(jī)供給，冷風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)爐加熱后送給高爐。高爐冶煉主產(chǎn)品為鐵水，副產(chǎn)品為煤氣、爐渣等；高爐鐵水用鐵水罐運(yùn)往煉鋼廠，煉鋼停減產(chǎn)時富余的鐵水由鑄鐵機(jī)澆鑄成面包鐵。高爐煤氣經(jīng)兩級除塵凈化后，一部分用于熱風(fēng)爐，余下部分去燒結(jié) 廠和煉鋼廠烤包等。 下面給出工藝流程示意圖 1： 燒 結(jié) 料 石 灰 石 焦 炭高 爐鐵 水 爐 渣 高 爐 煤 氣熱 風(fēng) 爐 鼓 風(fēng) 機(jī)鑄 鐵 機(jī) 轉(zhuǎn) 爐溶 劑圖 1 高爐 工藝流程 高爐內(nèi)爐料還原反應(yīng)原理簡介 高爐是一種豎爐型逆流反應(yīng)器。在爐內(nèi)堆積成柱狀的爐料，受逆流而上的高溫還原氣流的作用，不斷的被加熱、分解、還原、軟化、熔融、滴落，并形成渣鐵融體而被分解。冶煉過程中爐內(nèi)料柱基本上是整體下降的，成為層狀下降和活塞流。 1）塊狀帶：爐料軟融前的區(qū)域，主要進(jìn)行氧化物的熱分解和氣體還原劑的間接還原反應(yīng)。 2）軟融帶：爐料從軟化到熔融過程的區(qū)域，在軟融過程中， 使間接還原反應(yīng)充分進(jìn)行，提高煤氣的利用率，減少了高爐下部耗熱量很大的直接還原量。 3）滴落帶：渣鐵完全溶化后呈液滴落下，穿過焦炭層進(jìn)入爐缸之前的區(qū)域。渣鐵液滴在焦炭空隙間滴落的同時，繼續(xù)進(jìn)行還原、滲碳等高溫物料化學(xué)反應(yīng)，特別是非鐵元素的還原反應(yīng)。 4）風(fēng)口燃燒帶：是燃料燃燒產(chǎn)出高溫?zé)崮芎蜌怏w還原劑的區(qū)域。這里還有一定數(shù)量的液體渣鐵與焦炭間的直接還原反應(yīng)在進(jìn)行。 5）渣鐵儲存 區(qū)：由滴落帶落下的渣鐵融體存放的區(qū)域。渣 — 鐵間的反應(yīng)主要是脫硫、 硅氧化的耦合反應(yīng)。 6）高爐內(nèi)的還原反應(yīng)和分布：按不同溫度分布區(qū)間和還原 的主要反應(yīng)劃分，≦800℃為間接還原區(qū)；≧ 1000℃為直接還原區(qū)； 800～ 1000℃為兩種還原共存區(qū)。 控制方式的確定 兩種控制方式：開環(huán)控制，閉環(huán)控制。 如果系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋，也就是控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱開環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路， 也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，比較經(jīng)濟(jì)。 缺點(diǎn)是無法消除干擾所帶來的誤差。 同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾 動變量可以測量時，也常同時采用按擾動的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)采用開環(huán)控制，由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能簡單實(shí)用，所以在當(dāng)今中國非常經(jīng)常的應(yīng)用。 操作方式 高爐上料系統(tǒng)的操作方式根據(jù)工作狀態(tài)可分為三種操作方式： (1)點(diǎn)動操作 點(diǎn)動操作方式下，操作人員必須長按按鈕，系統(tǒng)才會進(jìn)行相應(yīng)動作，這種方式主要是由于設(shè)備的調(diào)試。 (2)手動操作 手動操作方式下，操作人員每一次操作按鈕，系統(tǒng)就會產(chǎn)生相應(yīng)的動作，這種方式可以用于設(shè)備的調(diào)試，最主要的還是用于排除故障時的操作。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn) 故障或 物流不暢時 ， 上料系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動生產(chǎn) ， 直到排除故障 ， 再切換到自動生產(chǎn)。 (3)半自動操作 通過按鈕實(shí)現(xiàn)上料、卸料的單步自動控制。 (4)全自動操作 當(dāng)檢測到爐內(nèi)缺料時，操作臺通過按鈕實(shí)現(xiàn)上料、開門、小車上下行的全部自動控制。通過計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的按步順序的自動控制過程，是主要生產(chǎn)方式。 設(shè)計(jì)概述 傳統(tǒng)控制方式 在煉鐵高爐的生產(chǎn)中，主令控制器是卷揚(yáng)最為關(guān)鍵的核心控制設(shè)備，一旦上料的主卷揚(yáng)發(fā)生故障維護(hù)及調(diào)整非常麻煩，將直接導(dǎo)致整個煉鐵高爐生產(chǎn)的停滯，造成高爐上料中斷，給煉鐵生產(chǎn)帶來重大經(jīng)濟(jì)損失 。目前，國內(nèi)煉鐵高爐主卷揚(yáng)控制方式還普遍采用傳統(tǒng)的 LK 系列機(jī)械觸點(diǎn)工作模式，在實(shí)際使用過程中存在著許多先天性的缺限和不足，如故障率高、精確度差、調(diào)整費(fèi)時、不適應(yīng)自動化生產(chǎn)需要等等弊端。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化控制技術(shù)迅猛發(fā)展，越來越多現(xiàn) 。 高爐生產(chǎn)對可靠性要求極高，當(dāng)上料系統(tǒng)故障或物流不暢通時，高爐不能長時間停止生產(chǎn)，必須及時排除故障，使生產(chǎn)得以進(jìn)行。自動工作方式是以上料系統(tǒng)無故障、 PLC 控制器完好為前提，因此，上料系統(tǒng)除了具備自動方式外，還要保留手動、機(jī)旁、調(diào)試方式。 PLC 的控制方式 PLC 主要 實(shí)現(xiàn)自動控制，是主要生產(chǎn)方式，手動方式是輔助生產(chǎn)方式，機(jī)旁和調(diào)試方式用于單機(jī)操作和試機(jī)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或物流不暢時，上料系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動生產(chǎn)，直到排除故障，再切換到自動生產(chǎn)。特別強(qiáng)調(diào)的是，在手動工作時，PLC 也要處于運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測并跟蹤物料信息，對物料信息采取掉電記憶，以便轉(zhuǎn)入自動時，真實(shí)再現(xiàn)物料信息，使自動生產(chǎn)得到以順利進(jìn)行。本次設(shè)計(jì)主要