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1、基于PLC的高炉上料自控系统设计摘 要本设计介绍了西门子S7-200 PLC在炼铁高炉上料料控制系统中的运用，通过西门子S7-200PLC与高炉上料系统的结合，设计出可编程序控制器的控制装置，基本上完成了120m高炉供料电气控制系统的硬件设计。实现了布料（槽上）和槽下卷扬的实时控制和生产过程自动化的目的。基于PLC的高炉上料自控系统的设计， 提高了高炉上料控制系统的自动化水平、可靠性,实现了上料系统的实时监控和灵活方便。具有一定的参考应用价值。关键词：可编程序控制器 高炉 上料系统 自动控制目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 高炉上料系统的作用与地位11.2 高炉上料系统的传统控制方
2、式11.3 高炉上料系统PLC控制方式22 总体方案设计32.1 炼铁工艺过程概述32.2 高炉上料设备及工艺简介32.3 操作方式52.4 控制方式52.5 设计概述63 PLC控制系统设计73.1 PLC简介73.1.1 可编程控制器的发展史73.1.2 PLC的硬件组成结构83.2 I/O点分配93.3 PLC控制电路的设计113.3.1 PLC 控制器选型及硬件配置113.3.2 料车上料系统113.3.3 高炉料钟装料系统133.3.4 探尺系统153.3.5 电气控制系统原理图164 PLC控制系统软件设计方案194.1 Step7软件介绍194.2 PLC控制程序的设计194.2
3、.1 程序的基本结构194.2.2 动作流程图194.2.3 梯形图设计215 模拟调试256 结论29致谢30参考文献311 绪论1.1 高炉上料系统的作用与地位高炉是炼铁或者炼钢生产的核心设备，是一种规模大、要素多、要求严格的冶炼过程，其良好的运行能为后续的生产过程提供充足而优质的原料保证，这对控制系统的可靠性提出了较高的要求。尤其是高炉的大型化趋势越来越明显的情况下，用人工执行是非常困难的，故其能稳定、有序、准确的工作是很重要的。这就要求高炉实现自动化的生产方式。高炉上料系统是炼铁高炉系统中最重要的一环，及时、准确的上料是保证高炉产量和产品质量的前提。高炉上料系统的整套动作过程包括料车上
4、料系统和炉顶布料系统。料车上料系统必须快速严谨，如果上料慢，赶不上料线，影响产量，而上错料，高炉将不能正常生产，甚至得拉风、休风。 高炉布料指高炉炼铁过程中，炉料(主要是矿石和焦炭)在高炉炉喉的分布。高炉布料的基本规律是高炉冶炼工艺理论的重要组成部分，控制高炉布料是高炉操作的一个重要手段。习惯上称之为“上部调剂”。通常高炉炉料是分批装入高炉炉喉的。根据经验确定一批料的矿石量与按焦炭负荷确定的批料焦炭量组成料批，通过布料设备双钟和旋转布料器装入炉喉。高炉是一种逆流反应器，煤气在高炉下部产生，而后上升穿过料层；炉料从上部下降与煤气作用，完成加热、还原、造渣、熔化等冶炼过程。炉料在炉内由上而下，温度
5、逐渐升高，直到熔化前，一直保持炉喉布料的层状结构。 焦炭多的地方煤气流较发展，因而炉料温度升高快，可见高炉布料对煤气分布以及软融带的形状和位置等是有重要影响的，这关系到煤气能量的充分利用，炉料的顺利下降以及高炉一代寿命的长短。正常的高炉行程在炉内圆周方向上煤气与炉料的分布都是均匀或基本均匀的。高炉上料装置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。1.2 高炉上料系统的传统控制方式 早期高炉上料控制系统多采用继电控制，主要存在两大缺陷，一是控制系统复杂，联锁环节多，外部连线多，故障频繁；二是工作模式只有手动和机旁两种操作方式，手动操作用于生产，机旁操作用于机构
6、调整，不能实现自动化产。 虽然说继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们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，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。1.3 高炉上料系统PLC控制方式随着电子技术的发展及普及应用,采
7、用PLC 作为主控制器实现高炉上料系统的自动控制成为技术进步的必然。它有效解决了传统继电控制的缺陷,提高高炉上料系统的稳定性、实全性、可靠性和自动化,为高炉的稳产、高产创造了技术和设备条件。 使用PLC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比，在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰，但是由于PLC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想。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
8、的联系，从而实现生产过程的自动控制。PLC可以通过通迅接口与显示终端和打印机等外设相连。显示器作为人机界面（HMI）是一种内含微处理芯片的智能化设备，它与PLC相结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯，及生产流程模拟屏和电控柜内大量的中间继电器和端子排。所有操作都可以在显示屏上的操作元件上进行。PLC可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理，并可对要显示的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII字符等方式进行显示。在显示画面上，通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态。PID回路控制用数据、棒图等综合方法反映生产过程中量的变化，操作人员通过参数设定可进行参数调整，通过
9、数据查询可查找任一时刻的数据记录，通过打印可保存相关的生产数据，为今后的生产管理和工艺参数的分析带来便利。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，从而更广泛地应用于众多行业。因此，近年来国内很多高炉的控制系统采用了PLC控制。2 总体方案设计2.1 炼铁工艺过程概述高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、
10、渣口放出。其生产工艺流程如图2-1所示： 图2-1 炼铁生产工艺流程2.2 高炉上料设备及工艺简介高炉上料系统是炼铁高炉重要组成部分, 图2-2为高炉上料系统示意图：图2-2 为高炉上料系统示意图 注：1配料仓2电振机3振动筛4称量斗5主皮带机6粉矿皮带机7碎焦皮带机 8中间仓9料车10小钟11大钟12布料器13均压阀14左右探尺上料系统以料车为界, 前部分是配料系统,后部分是上料系统。配料是高炉优质、高产、低耗的先决条件，所谓配料就是根据高炉对原燃料的产品质量要求及原料的化学性质，将各种原料、溶剂、燃料、代用品及时返矿等按一定比例进行配加的工序。配料的目的是根据炼铁过程的要求，将各种不同的含
11、铁原料、溶剂和燃料进行准确的配料，以获得较高的生产率和性能稳定的优质铁水，符合高炉冶炼生产的要求。配料系统有7个配料仓，其中2个焦仓、1个杂仓、1个熔仓、3个矿仓；5台电振机和5台振动筛，分别由一台电动机驱动；7台1. 3 m称量斗,称量斗料空、料满信号来自称量仪表，料空时，相应的电振机、振动筛起动，料仓下料,直到料满停止。自动配料时，称量斗开/ 闭由配料程序控制；手动配料时，根据配料单人工操作。主皮带机将配料送到中间仓等待料车, 粉矿皮带机和碎焦皮带机分别将筛除的粉矿和碎焦送走。因本文主要考虑的是高炉上料系统，配料部分不做过多考虑。上料料系统由料车、卷扬机、布料器、大小钟、均压阀、左右探尺等
12、设备组成。按流程可简单分为料车上料系统以及炉顶布料系统。料车上料系统是料车按生产要求将中间仓内已配好的物料送到炉顶的过程。炉顶布料指高炉炼铁过程中，炉料(主要是矿石和焦炭)在高炉炉喉的分布。高炉布料的基本规律是高炉冶炼工艺理论的重要组成部分，控制高炉布料是高炉操作的一个重要手段。习惯上称之为“上部调剂”。通常高炉炉料是分批装入高炉炉喉的。根据经验确定一批料的矿石量与按焦炭负荷确定的批料焦炭量组成料批，通过布料设备双钟和旋转布料器装入炉喉。高炉是一种逆流反应器，煤气在高炉下部产生，而后上升穿过料层；炉料从上部下降与煤气作用，完成加热、还原、造渣、熔化等冶炼过程。炉料在炉内由上而下，温度逐渐升高，
13、直到熔化前，一直保持炉喉布料的层状结构。 焦炭多的地方煤气流较发展，因而炉料温度升高快，可见高炉布料对煤气分布以及软融带的形状和位置等是有重要影响的，这关系到煤气能量的充分利用，炉料的顺利下降以及高炉一代寿命的长短。正常的高炉行程在炉内圆周方向上煤气与炉料的分布都是均匀或基本均匀的。其基本的动作顺序是：卷扬机将料车送到炉顶,配料倒入小钟斗。大、小钟严格互锁，不能同时打开，当大钟斗一批料未满，小钟开启，料投入大钟斗，一批料满且料线信号到，大钟开启，经布料器后,配料均匀倒入炉内。开大钟时同时打开均压阀,使大钟斗和炉压均压。左、右探尺用于探测炉内料位, 料线信号到, 才能开大钟。2.3 操作方式高炉
14、上料系统的操作方式根据工作状态可分为三种操作方式：(1) 点动操作点动操作方式下，操作人员必须长按按钮，系统才会进行相应动作，这种方式主要是由于设备的调试。(2) 手动操作手动操作方式下，操作人员每一次操作按钮，系统就会产生相应的动作，这种方式可以用于设备的调试，最主要的还是用于排除故障时的操作。当设备出现故障或物流不畅时,上料系统转入手动生产,直到排除故障,再切换到自动生产。(3) 半自动操作通过按钮实现上料、卸料的单步自动控制。(4) 全自动操作当检测到炉内缺料时，操作台通过按钮实现上料、开门、小车上下行的全部自动控制。通过计算机可实现生产过程的按步顺序的自动控制过程，是主要生产方式。2.
15、4 控制方式高炉上料系统控制方式先后采用继电器、电子电路顺序控制、可编程控制器（PLC）及计算机控制系统等 。现介绍高炉上料系统四种控制方式。(1) 继电器、接触器控制早期高炉上料控制工艺过程，一旦过程有变化就必须重新连接、安装，因而存在研制和调试时系统采用继电器、接触器进行控制，多数情况下为开环方式，由行程开关进行切换控制。这种控制方式由于采用导线连接，仅适用于某一个固定的间长、修改不方便、寿命短、可靠性差、故障检查困难、控制精度低等严重不足。 (2) 电子电路顺序控制电子电路顺序控制采用分立元件或部分采用集成电路，以门电路来代替继电器，用直流电磁阀代替交流电磁阀，用无触点行程开关及挡板实现动作程序的切换，具有感应快、体积小、成本低等优点。(3) 可编程控制器控制PLC是专为工业环境下应用而设计的工业计算机，由于它具有可靠性高、编程方便、抗干扰能力强、维修方便等特点，广泛用于各种类型的机械或生产过程的控制。近年来，PLC更是以其高可靠性、高性能的特点在高炉上料系统中得到了广泛应用。用PLC控制高炉上料系统的动作程序及过程参数，采用数字定
