PLC控制自动上料系统

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1、高炉冶炼第 1 页 共 47 页摘 要在 高 炉 冶 炼 中 ， 各 种 原 料 如 焦 碳 、 烧 结 矿 、 球 团 矿 和 石 灰 石 等 以一 定 比 例 经 过 准 确 称 量 后 ， 经 皮 带 运 输 到 上 料 小 车 ， 再 由 上 料 小 车 送至 高 炉 内 。 传 统 的 钢 厂 配 料 控 制 系 统 设 备 陈 旧 、 精 度 低 ， 不 仅 造 成 原材 料 的 浪 费 ， 更 为 严 重 的 是 导 致 许 多 工 程 质 量 不 合 格 ， 因 此 需 要 一 种高 精 度 动 态 配 料 控 制 系 统 。本设计是基于 PLC 控制、组态软件监控显示、变频器

2、调速的高炉配料自动控制系统，而系统以 PLC 控制为核心。本设计为 4 种原料的配料系统，PLC、变频器分别为西门子公司的 S7-300、 M440。投料系统的交流传动利用西门子公司的 6SE70 矢量型变频器和 PLC 结合来实现。PLC 程序的开发以西门子公司的 Step7 作为软件平台，采用了面向对象的程序设计技术，模块化的设计，从而使系统具有良好的可移植性和可维护性。在 系 统 中 ， 通 过 上 位 机 的 控 制 界 面 设 置 配 料 的 参 数 输 出 到 PLC， 然后 通 过 PLC 自 动 控 制 协 调 各 阀 门 的 开 关 和 变 频 器 的 输 出 变 化 对 配

3、 料 过程 进 行 控 制 ， 称 量 斗 上 的 传 感 器 通 过 变 送 器 将 重 量 信 号 送 回 到 PLC， 以达 到 闭 环 系 统 对 给 料 的 种 类 和 速 度 的 控 制 ， 并 且 对 配 料 过 程 进 行 数 据记 录 ， 使 配 料 过 程 有 数 可 依 ， 便 于 管 理 。关键词：自动配料，变频调速，自动补偿，可编程控制器 S7-300 高炉冶炼第 2 页 共 47 页引言研究背景随着课程的进度，我们开始了学业的最后部分毕业设计。经过了四年时间的学习，在老师的教导下，我们已经具备了一定基础，为了能够将所学联系起来，较好的应用到生产当中去, 我们就需要在

4、毕业设计中好好的锻炼自己。在毕业设计中，我选择了这样一个题目就是为了能较好的锻炼自己的应用能力以及分析问题、解决问题的能力。本设计的题目为高炉上料 PLC 控制系统，为工程类项目，是高炉冶炼中的一部分。在高炉冶炼中，为了能高质量地进行冶炼，需要将各种原料按照一定的重量和比例准确地添加到高炉中。传 统 的 钢 厂 配 料 控 制 系 统 设 备 陈 旧 、 精 度 低 ， 不 仅 造 成 原 材 料 的浪 费 ， 更 为 严 重 的 是 导 致 许 多 工 程 质 量 不 合 格 ， 因 此 需 要 一 种 高 精 度动 态 配 料 控 制 系 统 。 并 且 传 统 的 配 料 以 人 为 主

5、 体 ， 而 人 的 操 作 总 是 有失 误 的 ， 并 不 如 机 器 可 靠 。 对 机 器 来 说 ， 做 这 些 工 作 可 靠 ， 并 且 精 度高 ， 有 助 于 提 高 生 产 力 ， 大 大 优 于 人 工 配 料 系 统 ， 所 以 急 需 一 种 可 靠的 自 动 的 控 制 配 料 系 统 来 改 造 旧 的 传 统 的 配 料 模 式 。本设计中，高炉冶炼中所需要的原料有很多，但工艺要求它们要以准确的重量和配比添加到高炉中，才能确保高炉反应以高质量进行。配料过程是否准确完成在一定程度上从开始决定了高炉生产能否顺利进行。所以，准确、快速、灵活的进行配料，对高炉冶炼来说具

6、有重大的意义。本设计的第二部分为系统的概况与分析。介绍了，主要为工艺流程和工艺与系统的联系。其中包括了工艺的重要性，工艺要求，还有高炉冶炼第 3 页 共 47 页文献综述，列举了相关文献的内容以及参考资料等，这些资料对本设计的理论指导和模型的建立有着莫大的帮助。系统的控制模块，包括所用的 PLC 以及软件等的编程。系统完成的功能说明了该系统所能完成的功能，这些功能也是根据工艺的特点所需要的，为了更好的完成自动配料所需要的功能。系统的特点介绍了该系统在自动配料控制中的优点。第三部分介绍了配料系统和卷扬系统的工艺以及要求。第四部分介绍了整个设计的硬件设计。包括了各硬件的规格和它们之间的电路连接，以

7、及 PLC 的硬件组态。 第五部分是关于 PLC 程序的设计过程，本设计的 PLC 程序以块为结构，分为了若干的块，包括 FB 块,FC 块。这种结构是 S7-300 的一个特点，这样的结构对于编程本身非常有利。另外，这种结构的程序在运行的时候会非常的稳定。高炉冶炼第 4 页 共 47 页1 系统的概况与分析11 配料系统概况高炉上料系统一般由焦炭仓,球团矿/ 烧结矿仓,石灰石/ 白灰石仓以及原矿或废铁仓组成;每一个料仓下面设有一台电动给料机和一台料斗计量秤;料斗的下部装有电动或液压卸料机构;有 1 - 2 条皮带机组成的运料机构把料斗型计量秤卸下的物料送到上料料车中去;每当高炉内的料位下降到

8、一定程度时,启动卷扬机把料车提到炉顶 ;并分时打开小料钟和大料钟把物料送入炉内。12 料车卷扬系统概况高炉上料系统的主要任务是把炉料运送到高炉炉顶，装入炉顶受料斗中。高炉卷扬上料小车是高炉炼铁中的主要尘产设备之。卷扬上料小车在整个系统中起着至关重要的作用，该设备能否正常运行直接影响高炉炉况、产品的质量和产量。为了满足冶炼要求，必须合理确定控制方案。控制方案不仅与设计和选用设备有关，而且直接影响高炉的操作条件。1、料车卷扬机采用 SINMENS 6SE70 系列变频器实现交流变频调速控制。通过 RS-232 总线连接到主 PLC，由 PLC 控制料车卷扬机的启动、停止、高速、低速、加速、减速，并

9、把检测到料车卷扬机的系统故障信号传输给 PLC 进行处理。 12 、料车的主要控制步骤 料制由操作人员编制完成； 槽下矿石汇总斗、焦碳称量斗称量料满；高炉冶炼第 5 页 共 47 页 卷扬机开动料车到料坑底； 开启矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门； 矿石汇总斗或焦碳称量斗放料至料空； 关闭矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门； 料车显示料满信号； 卷扬机开动料车到炉顶； 料车到炉顶后延时 5 秒显示料车料空，与此同时异侧料车在料坑底装料； 上料过程中可加入“焦碳越位” 、 “空车”调整料制，但不记入上料料制中。13 文献综述高炉上料系统一般由焦炭仓,球团矿/ 烧结矿仓,石灰石/ 白灰石仓以及原矿或废铁仓组成;

10、每一个料仓下面设有一电动给料机和一台料斗计量秤;料斗的下部装有电动或液压卸料机构;有1 - 2 条皮带机组成的运料机构把料斗型计量秤卸下的物料送到上料料车中去;每当高炉内的料位下降到一定程度时,启动卷扬机把料车提到炉顶;并分时打开小料钟和大料钟把物料送入炉内。这就是高炉上料系统的流程。针对这个流程，要设计一个自动控制系统，智能的完成此配料过程。高炉炼铁生产是连续性作业,如果入炉料的矿石/ 焦炭比例波动大,则引起炉温产量的波动; ,从而对产品的质量和都带来不利的影响,因此入炉料重量的稳定是高炉炼铁生产稳定顺行的前提条件 1。所以，本设计应主要解决如下问题:1 物料准确计量和误差自动补偿,当配料过

11、程中由于机械设备的性能变动或物料的理化性能改变引起称量误差时自动找回误差值。高炉冶炼第 6 页 共 47 页2 按炼铁工艺要求自动完成顺序上料,根据本高炉的炉况编制上料制度并把该上料制度输入到控制系统后,控制系统自动完成上料操作。3 检测控制大小料钟和料尺,料线到规定值时发出允许上料讯号,把料车的料送到炉顶。4 打印记录生产数据和控制参数。5 检测并屏幕显示系统工作情况,当外部机械设备发生故障时及时发出报警信号和故障处理指令。对于误差的补偿可以采用积累误差补偿法 2,这种方法主要是对每一次的配料值都进行误差的计算，然后在下一次配料时进行补偿，这样一来，每一次的补偿都相当于是对以往配料的一个总的

12、补偿，那么经过N次上料后，相对差值就近于0了。这是一种比较好的补偿方法。对于传感器来说，它的输出也有误差，也以进行补偿。用零极点配置的方法 3,它的原理就是使动态补偿数字滤波器的传递函数是传感器传递函数的倒数, 则整个测量系统的传递函数为1, 这样便具有理想的频率响应特性。然而本设计中的传感器并不要求有太高的精度就能满足要求。所以无需补偿。电子秤- PLC - 微机控制上料系统具有较高的可靠性和稳定性,大大减少了高炉入炉料的重量和配比的波动,消除了电气控制时的人为误操作,为高炉炼铁生产过程连续稳定进行创造了条件 4。 在目前的自动配料控制系统中各个单位和不同环节的系统大同小异，基本组成分为三个

13、单元：控制单元，称重单元和上位机组态软件。那么对于本系统的设计来说，电子秤作为测量仪器实现系统的回路输入，PLC作为控制环节的核心，全面的进行控制、和计算输出，高炉冶炼第 7 页 共 47 页微机作为上位机主要实现各种参数的输入和输出。流程中的一些可操作控制等，并要求以友好、简洁明了的操作界面进行控制。这是一个比较稳定、可靠的系统模式。那么，本设计也将采用这种电子秤- PLC - 微机模式。对于称重有很多种传感器，一般使用压阻式。传感器将压力信号传至变送单元，由变送器将信号转换为420mA或1V标准信号再送至PLC的输入单元 5，这样便形成了一个闭环控制系统。电子秤方面实际上只要求有一个传感器

14、和一个变送器即可，因为对于显示和操作来说，都可以在友好的人机界面上完成。因为传感器的输出信号很弱，而实际环境又是十分复杂的 6。所以要求传感器要紧接着变送器进行连接。根据现场复杂的环境，可以选取西门子的S7-300这款PLC。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点 7。然而这只是控制方面，对于下料仓的速度变化控制应采用变频器控制。变频调速器本身的可靠性很高：一般情况下可连续使用10 万h 以上。而

15、且变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等各种保护功能 9。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，适应各种环境等等 10。高炉冶炼第 8 页 共 47 页对生产过程进行打印记录是一个必不可少的功能，这里对此功能提出以表重要。因为，及时记录和打印生产过程中的数据，使生产有数可依，管理更系统，强化了炼铁生产计量管理手段 11。本设计大致分为几个方面组态软件的设计，电路设计，P

16、LC程序设计等。在上位机组态软件的设计中，主要包括控制画面、数据显示画面以及上位机和 PLC 的通讯。在 PLC 设计中，主要包括 4种原料的顺序组合，阀门的顺序开关，模拟信号的采集，变频器的速度控制以及配料的补偿算法。根据系统工艺的要求和硬件的组成等因素完成之后进行一定的程序开发，程序的开发是以这两个为前提的，也是最后对系统的运行起决定性作用的一个重要环节。程序开发分为两个大的方面：PLC程序开发和组态软件程序开发。根据系统工艺的要求我们可将PLC程序分为三个大的方面：1、手动操作2、自动操作3、数据采集自动操作又分为三个大的方面：1、顺序控制2、加料控制3、自动补偿之所以这样划分一是根据系统的需要，另外，S7-300这款PLC的编程中可以以块为结构，称为用户程序结构。组态软件的编程主要是控制画面的设计，将组态程序做好就能有一个友好的界面来实现人与控制系统的结合，使配料在自动的情况下进行，但人又可以在控制界面中对控制过