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1、 http:/ PLC 控制的焦化备煤系统设计11 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 焦化生产工艺简述焦化生产是联合炼钢企业的一个重要组成部分，前提是必须有一个完善的备煤系统，将各单种煤进行配合，配合后的煤料输送到煤塔作为炼焦的原料 1。出焦后需要筛焦系统将焦炭块筛分成不同用途规格的产品。如图 1-1 所示焦化生产的概略图。图 1.1 焦化生产过程该略图由图 1-1 可知，备煤系统的任务是将外来精煤进行卸车、贮存并加工配合成符合焦炉生产要求的煤料，包括输煤系统和配煤系统。备煤系统由以下设备组成：火车卸车场、煤场、临时煤槽、配煤室、粉碎机室、煤塔以及皮带运输系统。1.1.2 研究目的及意义备
2、煤、出焦过程属于典型的连续型流程生产自动控制系统，生产条件和生产环境十分恶劣，其主要特点为：(1)工艺流程复杂，设备繁多分散。且由于各个设备之间需要联锁，料线之间需要互锁，属于交叉复杂过程控制。而且采用继电器控制组成的控制系统虽能实现自动控制，但是维护困难，不适应粉尘大，湿度大的工作环境，所以寻求一种自动化程度高，工作可靠，能适应较差工作环境的自动控制系统势在必行。 http:/ PLC 控制的焦化备煤系统设计2(2)自动化控制水平遵循经济、实用、有效性、性价比高的原则。同时要有利于生产质量控制和生产安全，不片面追求高、精、尖配置。(3)控制过程中，对控制指令的反应要求比较灵敏，且需要采集的现
3、场信号较多，例如温度、压力、流量、电流、料量等。针对上述问题，一般采用集散控制的思想进行解决。近年来，集散控制（DCS）的思想越来越广泛地被应用于新建、扩建和技改项目中，然而传统的集散控制系统一般来讲其控制规模比较大，成本费用比较高，限制了在中小规模的自控系统项目中的推广应用，已经不能满足目前的自动化过程控制系统的设计标准和设计要求。因此，如何建立完善的生产监控管理系统，实现生产过程的参数全局化、网络化，使控制系统满足生产目标的要求，进而使整个生产经营运行于最佳状态，是本课题的研究重点，具有比较大的经济和社会意义。1.2 现状研究与研究方法炼焦工业是我国国民经济的重点行业，它跨越冶金、化工、城
4、建、煤炭等部门。随着钢铁生产的发展，城市煤气化的普及以及煤矿坑口焦炉的兴起，焦炉兴建的数目还在增加。但是我国焦化生产的自动化装备水平与国际相比差距甚大。采用电子技术，特别是计算机技术取代传统的人工操作，实现作业制度的在线管理，是当前炼焦生产过程急待解决的课题 2。但是我国备煤系统工艺落后，设备陈旧,能源消耗大,自动化装备水平与国际相比差距甚大。上述一系列问题严重制约了高炉的生产水平，因此建成一系列工程运行良好，效益明显，技术和管理等各方面趋于成熟的焦化工程一直是我国工业发展的重中之重。大型焦化厂生产过程的计算机控制一直是钢铁联合企业的薄弱环节，虽然国内外学者在这方面进行了不少研究工作，并取得了
5、一定成绩，但是因为焦化生产过程中的介质复杂，测量难度大，工艺流程复杂，各工序既独立又相互关联和影响。另外由于焦化生产过程的有毒污染物多，操作环境恶劣，所以具有一定的难度。为改善焦化生产过程的落后面貌，降低能耗，提高产品生产质量和减轻操作人员的劳动强度，计算机监控系统已经逐渐地进入焦化生产第一线。 http:/ PLC 控制的焦化备煤系统设计3以前，备煤系统多采用继电接触器控制方式，电气控制设备因大量使用机电式触点电器，从而存在接线多、接头多、触点转换频繁和故障可能性大、可靠性低、维修量增大、维护困难、不适应粉尘大、湿度大的工作环境等一系列问题。所以寻求一种自动化程度高，工作可靠，能适应较差工作
6、环境的自动控制系统势在必行。因此，采用电子技术，特别是计算机技术取代传统的人工操作，实现作业制度的在线管理，是当前焦化备煤过程中急待解决的课题。另一方面，随着工业的发展，焦炭的需求也越来越大，同时对备煤系统也提出了更高的要求。新技术的不断推广和应用，使得以提高质量为前提的降低生产成本，提高生产效率成为人们不断追求的目标。基于上述目标，本课题主要是采用了工业控制计算机(IPC)+可编程控制器(PLC)模式的两级分布式控制系统，建立一套完善的备煤过程控制系统以实现生产过程自动化，按工艺流程实现交叉复杂顺序控制及逻辑控制，解决各个子系统之间的衔接、系统内部的设备联锁和料线互锁问题，以提高生产效率。1
7、.3 论文主要内容本文设计并开发了一套基于 IPC+PLC 模式的过程控制系统，上位机采用工业控制计算机作为系统的监控级，下位机选用 PLC 控制现场设备，而本文主要介绍下位机的选型和实现。文章首先简要阐述焦化生产工艺及备煤系统介绍，从而提出研究对象现阶段所存在的问题，分析研究现状，提出总体的研究方法和设计方案。第二章在分析备煤系统工艺流程的基础上，进行了总体方案设计，给出了系统的结构框图、网络图和硬件配置清单。第三章是控制软件设计与实现，介绍了控制软件的设计方法与实现方法。第四章分别从硬件和软件两方面来阐述备煤控制系统的抗干扰措施。第五章是结论与展望，对整个系统的的设计与实施进行总结。 ht
8、tp:/ PLC 控制的焦化备煤系统设计42 控制系统总体设计2.1 备煤工艺流程描述备煤系统的任务是将外来精煤进行卸车、储存并加工配合成符合焦炉生产要求的煤料，它包括输煤系统和配煤系统。具体工艺流程是：原煤由火车运入厂区卸车场，卸车场采用门市螺旋卸车机将煤卸入两侧的导料槽，由皮带机送至煤场分类堆放起来；按生产需要，煤再由煤场经过堆取料机和皮带机送至配煤室，各种不同种类的煤在配煤室按一定比例配合后，由皮带机送至粉碎机室，粉碎后的粉煤由皮带机送至煤塔作为焦炉生产用煤 2。工艺流程如图 2.1 所示。图 2.1 备煤过程工艺流程图本次设计主要是针对煤由卸车场-煤场和煤场-配煤室这两条料线过程进行研
9、究。详细流程图如图 2.2 所示： http:/ PLC 控制的焦化备煤系统设计5图 2.2 系统总体流程图2.2 方案设计与论证传统的备煤系统应用继电器接触器控制方式。虽然继电器比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大
10、量时间及人力和物力去改制、安装和调试。所以寻求一种自动化程度高，工作可靠，能适应较差工作环境的自动控制系统势在必行。可编程控制器以体积小功能强大所著称，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是现在，由于信息、网络时代的到来，扩展了 PLC 的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而可以泛地应用于焦化行业中。在本项目中，主要基于 IPC+PLC 模式构建控制系统，组建计算机监控网络，火车卸料场 煤 场 配 煤 室M3M1 M2M4M6M5堆取料机 htt
11、p:/ PLC 控制的焦化备煤系统设计6其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。即将流程工业的自动控制过程与操作管理人员对自动控制过程的管理过程相对分离；流程工业的自动控制过程由各控制站相对独立地自动完成，而操作人员对自动控制过程的管理则由中央控制室的操作站来完成。中央操作站与各现场控制站一方面各自相对独立地运行，从而将各种故障限制在局部范围内，极大地提高了自动控制系统总体的安全性和可靠性；另一方面又相互进行实时数据通讯和信息交换，实现了操作人员在中央控制室的操作站对整个自动控制过程进行管理和调整。备煤系统的计算机网络控制系统主要由两级控制器构成：上位监控级和下位控制级
12、。(1)上位监控级包括网络操作站、打印机等,监控备煤过程中的所有信息，进行显示、操作、记录、数据处理、报表输出，并且可以按照一定权限进行控制回路的组态和参数修改等操作。其主要是监视系统各设备的运转状态、过程数据、报警及引导内容的显示、设备操作、参数设定、报表打印等。(2)下位控制级是通过控制单元所连接的检测和控制设备对生产过程实施控制，并通过通讯电缆与操作站相连，接受操作管理信息并传递实时数据。本文采用可编程序控制器组建 PLC 控制网络，对设备进行分散控制，集中管理。PLC控制网络的主要任务是实现对备煤生产过程的自动控制，因此它需要能够自动采集有关的各种工艺参数以及设备的运行状态生产信息，然
13、后按照事先编好的控制程序进行大量的数值计算，最后输出 420MA 标准模拟信号去驱动阀门、电机等执行机构，调节工艺参数，实现生产过程的自动控制；除此之外，还要通过通讯部件与操作站进行实时通讯，将采集到的各种生产信息传送到操作站供操作人员使用，同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方案、优化生产过程，因此 PLC 需要具有标准化的通讯接口 3。 http:/ PLC 控制的焦化备煤系统设计7图 2.3 备煤系统框图本课题主要完成的是下位机控制级的实现，系统具有良好的开放性和安全性。下位控制级以 PLC 为核心，完成对现场设备的控制与数据采集。备煤控制系统框图如图 2.3 所示。
14、备煤系统的工艺过程多以顺序控制为主，基于 PLC 对于顺序控制所具有的独特的优势，控制系统以遵循现场总线通讯协议的 PLC 为优选对象。PLC 的通信包括 PLC 各站点之间、PLC 与上位计算机之间以及 PLC 与其它智能设备间的通信。PLC 系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化(FA)系统发展的需要，各 PLC 系统或远程 I/O 模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式 http:/ PLC 控制的焦化备煤系统设计8网络系统 4。目前在工业现场
15、中，Profibus 是目前最成功的现场总线之一，已得到广泛地应用。它是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。Profibus 系列中的 Profibus-DP 是一种经过优化的高速和便宜的通信连接，它的设计是专门为自动控制系统与分散的 I/O 设备级之间进行通信使用的，使用 Profibus-DP 可取代 24 伏或 0-20 毫安的并行信号传输，Profibus 具体规定了串行现场总线的技术和功能特性，它可使分散式数字化控制器从现场底层到车间及网络化 5。2.3 系统硬件结构在本文中，控制级选由西门子的 S7-300 系列 PLC 控制器等构成。S7-300是
