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1、天津理工大学中环信息学院 2010 届本科毕业设计说明书1目录第一章引言.11.1 课题研究的背景1 1.2 高炉上料国内外发展状况1 1.2.1 高炉介绍.1 1.2.2 上料系统介绍.2 1.3 PLC 技术的介绍.2 1.3.1 PLC 的现状及发展2 1.3.2 PLC 软件的强化3 1.4 课题的提出4 1.5 课题研究的意义、价值、可行性4 1.6 课题研究的主要内容5 1.7 小结5第二章高炉上料自动监控系统的硬件设计72.1 系统的总体设计7 2.1.1 各种控制系统的特点.7 2.1.2 控制方案的选择.7 2.1.3 PLC 控制与微机控制的比较优势8 2.1.4 PLC
2、控制与继电器控制的比较优势10 2.1.5 系统的总体结构图.12 2.2 系统的主电路设计13 2.3 系统的控制电路设计13 2.3.1 PLC 的选型设计13 2.3.2 PLC 的 I/O 编址15 2.3.3 PLC 的输入/输出接线图17 2.4 元件明细表19 2.5 小结20第三章高炉上料自动监控系统的程序设计213.1 软件开发平台和编程语言的选择21 3.1.1 PLC 软件系统及常用编程语言21 3.1.2 软件开发平台.22 3.2 高炉上料自动监控系统流程图的设计23 3.3 高炉上料自动监控系统的梯形图的设计26 3.4 小结29第四章高炉上料自动监控系统的组态监控
3、304.1 组态软件简介30 4.2 组态监控系统的设计31 4.2.1 MCGS 工程建立31天津理工大学中环信息学院 2010 届本科毕业设计说明书24.2.2 建立动画图形窗口.32 4.2.3 动画的连接32 4.2.4 运行策略组态.33 4.3 脚本程序的编写33 4.3 小结34第五章高炉上料自动监控系统的仿真.355.1 硬件设置35 5.2 生成 ASCII 文本文件35 5.3 下载程序35 5.4 系统仿真36 5.5 小结39第六章 结束语40参考文献 .42致谢.43天津理工大学中环信息学院 2010 届本科毕业设计说明书1第一章引言1.1 课题研究的背景高炉上料装置
4、是生产中的重要环节，提高其自动化水平，可以大大减轻工人劳动强度，提高生产效率， 同时通过原料的精确配比，又可提升产品的品质和质量。本文简要介绍了 PLC系统在高炉上料自动监控中的应用。该系统用 PLC 完成所有的过程控制、数据采集、自动调节、事故处理及报警等工作。工控机负责监控和人机对话，PLC 和工控机通过动态数据交换，实现点对点通讯，控制和控制分开，可靠性高。该系统于 2008 年 1 月在建源钢铁公司 450m高炉正式投入使用以来，运行良好，稳定可靠，以低成本、完善的功能赢得了高炉操作人员的好平。1.2 高炉上料国内外发展状况1.2.1 高炉介绍高炉：用于冶炼液态铁水的主要设备，其横断面
5、为圆形的炼铁竖炉，用钢铁作炉壳，里面砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五部分，护喉之上设置装料设备；炉缸上部沿圆周均匀设风口，热风通过热风围管、支管和弯头、直吹管，由风口鼓入炉内；风口平面之下有出渣口和出铁口。近代巨型高炉由于渣量少，不设出渣口。高炉的主要组成部分。高炉炉壳：现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉才用钢箍加固的砖壳，炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉体，有的还承受炉顶载荷；炉喉：高炉本体的最上部分，呈圆筒形；炉身：高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形
6、成料拱，并减小炉料下降阻力；炉腰：高炉直径最大的部位；炉腹：高炉熔化后造渣的主要区段，呈倒锥台形，为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径自上而下逐渐缩小，形成一定的炉腹角；炉缸：高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形；炉底：高炉炉底砌体不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到 14004600的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命，目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散热能力；炉基：它的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层，因而其形状都是向下扩大的；炉衬：高炉炉衬组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保
7、护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用；炉喉护板：炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件十分恶劣，维护天津理工大学中环信息学院 2010 届本科毕业设计说明书2其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件5。1.2.2 上料系统介绍包括皮带输送机、多个料仓和电子秤及向上开启的熔炉，各电子秤的出料口排列在所述皮带输送机的上方，料仓和电子秤的出料口上装有震动给料器，其特点是：还包括一料罐，具有一活动底板，该底板上表面形成有向边缘延伸的斜面并与一中柱固连；一输送轨道，两端分别位于所述皮带输送机前端上方和所述熔炉的上方；一提升装置，在所述输送轨道上移动，其升降端与所述中柱连接；在所述皮
8、带输送机的前端下方还设有一转盘，带动料罐旋转。高炉自动上料系统是高炉冶炼系统中一个重要组成部分，对高炉冶炼的各项指标有着极大的影响。一个良好的系统必须保证其工作的可靠性和准确性。因为高炉生产的特殊性，这一系统必须在长时间高强度工作的情况下保证其可靠性，确保高炉正常生产，同时又必须对各种入炉物料进行准确计量，按规定的装料制度进行顺序装料。由于工厂的特殊工作环境，这一自动上料系统还必须易学好用，易于维修，适合于工厂的实际情况2。1.3 PLC 技术的介绍1.3.1 PLC 的现状及发展国际电工委员会（IEC）对 PLC 标准的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而
9、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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。自 1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程控制器 PDP-14
10、，用它取代传统的继电器控制系统在美国通用汽车公司的汽车自动装配线上使用，取得成功以来，这种新型的工业控制装置以简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列有点，很快成功的应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。经过上世界七十年代日本、西德、法国等西欧国家对其进一步开发和研制，此项技术得到不断发展与提高。数字、信息化二十一世纪，PLC 技术应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。中国工控网市场研究部在 2003 年底发展到 2004 年初做了一个中国 PLC 的市场调查，下图 1.1 是在本次调查最终用户反馈的关于产品结构的结果。工控网根据业内的划分习惯和运用
11、领域的不同将 PLC 划分为 4 个范围，主要是根据 IO 点数1。天津理工大学中环信息学院 2010 届本科毕业设计说明书3图 1.1 2003 年中国按产品规格划分的 PLC 市场Fig 1.1 In 2003, according to the product specification of PLC market大型：不少于 1，024 个 IO 点这一类 OLC 主要用于冶金，自动化生产线和电厂。所有的大型 PLC 都是由系统集成商完成的，这一类的系统的附加值比较高。目前有超过 8，000 个点的巨型 PLC 系统在电厂运用，由于在钢铁行业的大幅度增长，大型 PLC 增幅巨大.中型：
12、256-1，203 点这一类 PLC 主要也是用作控制系统，运用于冶金，电力，造纸，化工， 加工/组装生产流水线， 包装流水线等领域。 这一类的系统主要也是由系统集成商来完成，也有个别用户会由自己来完成项目。小型:64-255 点主要用于设备控制，也有用作小型系统控制器的。微型：少于 64 点这一类 PLC 主要用于单台设备的监控，在纺织机械，数控机床，塑料加工机械，小型包装机械上运用广泛。由于 PLC 能够为自动化控制设备提供安全可靠和比较完善的解决方案，因此长期以来，PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。但 PLC 也必须依靠采用其
13、他新技术来应对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，特别是 IPC（工控机）所带来的冲击。1.3.2 PLC 软件的强化在全球 IPC 领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议， 已经发生了巨大变革， 几乎到处都有 PLC， 但这种趋势不会发展下去。 随着 Soft PLC（软 PLC）控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有 Soft PLC 组态软件和基于IPC 过程控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统 PLC 供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统 PLC 的技术发展与提高方便做出更加开放的姿态。对于控制软件来讲，这
14、是 PLC 控制器的核心，PLC 供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现的非常积极。此外，开放式通信网络技术也天津理工大学中环信息学院 2010 届本科毕业设计说明书4得到了突破，其结果是将 PLC 融入更加开放的工业控制行业2。1.4 课题的提出在我国，PLC 自动控制主要应用于钢铁工业和化工工业等大型工业生产。而在早期 PLC没有出现时，我国的钢铁生产主要是平炉生产技术。由于平炉技术的燃料耗损大、冶炼时间长、基建投资和生产费用高，慢慢的在钢铁生产中失去主导作用，被 PLC 取代。1.5 课题研究的意义、价值、可行性PLC 以其可靠性高、抗干扰能力强、功能完善
15、、适用性强、系统的设计，建造工作量小、维护方便、容易改造等优点，以及产品的规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。因此，采用 PLC 控制符合要求。符合研究的意义及价值、技术可行性。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
16、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。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。PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。现代 PLC
