基于PLC的高炉上料自控系统设计毕业设计.docx
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基于PLC的高炉上料自控系统设计毕业设计
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S7-200PLC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0,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
PLC-BASEDAUTOMATICCONTROLSYSTEMOF
BLASTFURNACEDESIGN
ABSTRACT
TheS7-200PLCofSIMATICCompanywassuccessfullyappliedinthecontrolsystemofthefeed-intherawmaterialsoftheblastfurnace.SiemensS7-200PLCcombinewithblastfurnacechargingsystem,fromaschemeofcontroldeviceofprogrammablecontroller,finishthehardwaredesignofelectricalcontrolsystemof120m³blastfurnacematerialloading.Haverealizedthepurposeoftherealtimecontrolofmaterialprovidingandproductionprocessautomationunderthethroughandrise.HaveusedPLCinthedesign,ThereisagrowinginterestfortheapplicationofPLCanditsnetworksinthefieldofindustrialautomation.Theautomaticfunctionandreliabilityofthefeedingsysteminblastfurnaceareimprovedbytheapplication.Therealtimemonitoringisrealizedandthetechnologicalcompositioncanbeeasilymade.
KEYWORDSplcblastfurnacechargingsystemautomaticcontrol
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1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、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1.3m³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，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。
2.4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，采用数字定时器代替时间继电器、中间继电器。
该控制系统能产生24V直流电压，提供给直流电磁阀。
用位移传感器等来实现动作程序和过程程序的切换，并进行比例压力和比例流量控制。
采用程序存储方式，具有修改程序方便、结构小巧、可靠、反映灵敏、运行速度快等优点，并且可以进行开关量逻辑控制；同时，其兼有模拟量（例如，温度、压力、流量、转速等）闭环控制等功能。
借助液晶或数码显示和键盘设定，生产者可以修改工艺过程参数、检测生产过程，从而大大提高了精度与效率。
（4）计算机控制系统
利用液晶（LCD）来显示设定参数和过程参数及过程变化曲线，通过图形动画及菜单，使得成型过程可视化，具有信息量大、操作直观方便等特点。
同时，还具有较强的计算能力和自诊断、故障报警、模具参数存储、压力和流量无级可调、在线设定修改参数、人机会话方式、在线监测动作状态、中文提示等功能，具有中、英文等多种语言，可自由进行选择切换。
该系统能够实现成型过程开环及闭环控制，提高了注塑机的性能，能够成型极高质量的塑料制品，并可对若干种故障进行报警。
2.5设计概述
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，连锁环节多，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，机旁操作用于机构调整，不能实现自动化生产。
随着电子技术的发展及普及应用，采用PLC作为主控制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、实用性、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。
高炉生产对可靠性要求极高，当上料系统故障或物流不畅通时，高炉不能长时间停止生产，必须及时排除故障，使生产得以进行。
自动工作方式是以上料系统无故障、PLC控制器完好为前提，因此，上料系统除了具备自动方式外，还要保留手动、机旁、调试方式。
PLC主要实现自动控制，是主要生产方式，手动方式是辅助生产方式，机旁和调试方式用于单机操作和试机。
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。
特别强调的是，在手动工作时，PLC也要处于运行状态，实时监测并跟踪物料信息，对物料信息采取掉电记忆，以便转入自动时，真实再现物料信息，使自动生产得到以顺利进行。
本次设计主要是针对槽下卷扬上料部分设计，高炉料钟装料系统。
3PLC控制系统设计
3.1PLC简介
3.1.1可编程控制器的发展史
随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展、计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。
可编程控制器是应用面最广、功能最强大、使用最方便的通用工业控制装置、它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
可编程控制器（ProgammableController）本来应简称为PC，为了与个人计算机（PersonalComputer）的简称PC相区别，一般将它简称为PLC（ProgrammerableLogicController）。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器是一种用程序来改变控制功能的工业控制的计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。
可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。
继电器控制系统已有上百年的应用历史，它是一种用弱点电信号控制强电的电力控制系统。
在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花费大量的时间，严重地影响生产。
如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，这种改造的工期长、费用高，以至于有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外制作一台新的控制柜。
现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反映，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，这就需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更加可靠、更容易维修、更能适应经常变动的工艺条件，可编程序控制器正是顺应这一要求出现的。
可编程控制器的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经大量地应用在各种新设备中，各行各业也涌现出大批应用可编程控制器改造设备的成果。
了解可编程控制器的工作原理，设备设计，调试和维护可编程控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。
3.1.2PLC的硬件组成结构
（1）基本结构
可编程序控制其主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成如图3-1所示：
图3-1PLC硬件组成结构图
（2）CPU模块
在可编程控制器控制系统中，CPU模块相当于人的电脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。
（3）I/O模块
输入模块和输出模块简称为I/O模块，他们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接受电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。
数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行机构。
（4）编程装置
编程软件用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。
使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能图块和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。
程序被编译后下载到可编程控制器，也可以将可编程控制器中的程序上传到计算机。
程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。
给S7-200编程时，应配备一台安装有STEP7-MICRO/WIN32编程软件的计算机和一根连接计算机和可编程控制器的PC/PPI通信电缆。
（5）电源
可编程控制器使用220V交流电源或24V直流电源。
内部开关电源为各模块提供DC5V、±12V、±24V等直流电源。
小型可编程控制器一般都可以为输入电路和外部的电子传感器提供24V直流电源，驱动可编程控制器负载的直流电源一般由用户提供。
（6）工作原理
PLC是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。
CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行时按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。
PLC按集中采样、集中输出，按顺序周期性循环扫描用户程序的方式工作。
当PLC处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，其工作过程的中心内容由输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段组成。
3.2I/O点分配
输入信号有设备位置信号、设备运行状态信号、各种主令和工作方式选择信号、自动配料信号等,输入点约19点。
输出信号有设备运行信号、设备联锁信号、自动配料程序输出信号、指示灯信号等,输出点约17点。
详细分配点见表3-2所示：
表3-2PLC的I/O详细分配点
名称
地址编号
代码
名称
地址编号
代码
探尺
I0.0
SB1
布料器
Q0.0
Q0.1
QA1
大钟开启
I0.1
SB2
均压阀
Q0.2
YA1
大钟停止
I0.2
SB3
大钟
Q0.4
QA2
小钟开启
I0.3
SB4
小钟
Q0.5
QA3
小钟停止
I0.4
SB5
小车上行
Q0.6
QA4
小车开启
I0.5
SB6
小车下行
Q0.7
QA5
小车停止
I0.6
SB7
小车上行指示灯
Q1.0
PG1
小车上行
I0.7
SB8
小车下行指示灯
Q1.1
PG2
小车下行
I1.0
SB9
中间仓开
Q2.0
QA6
小车上行限位
I1.1
BG1
中间仓关
Q2.1
小车下行限位
I1.2
BG2
大钟开指示
Q2.2
PG3
中间仓开启
I1.3
SB10
小钟开指示
Q2.3
PG4
中间仓停止
I1.4
SB11
报警电铃
Q2.4
PB
中间仓开启限位
I1.5
BG3
中间仓未开到位报警灯
Q2.5
PG5
中间仓停止限位
I2.0
BG4
中间仓未关到位报警灯
Q2.6
PG6
消铃按钮
I2.1
SB12
缺料指示
Q2.7
PG7
自动/手动
I2.2/I2.3
SF1
3.3PLC控制电路的设计
3.3.1PLC控制器选型及硬件配置
120m³高炉是炼铁的大型装备,一般地处偏僻地区,控制特点如下:
（1）电网电压不稳定,电压波动达±15%,灰尘多,工业环境差;
（2）系统工艺复杂,输入输出点数多,安全性、可靠性要求特别高;
（3）控制信号有开关、数字和模拟信号;
（4）控制器应具有顺序控制、定时、计数、逻辑判断、算术运算等功能;
（5）工艺配方程序要求自动控制、灵活设定;
（6）为防止自动系统失效,保留手动控制。
考虑到工业环境差,灰尘多,为确保I/O接点的可靠接通,室内设备采用电压类型为DC24V的I/O接点,室外设备采用AC220V的I/O接点。
根据控制要求,I/O点数以及电压类型,必须选用性能卓越,高可靠性,配置灵活的PLC控制器,考虑供货和备件情况,选择德国西门子公司的S7-200系列中CPU224型PLC，其本机I/O点数为14入/10出，可扩展7个模块数量。
再扩展一个EM223（8入/8出），可满足系统要求，如需增加点数可自行扩展。
其控制系统构成如图3-3所示：
图3-3控制系统构成框图
3.3.2料车上料系统
高炉料车上料系统是料车按生产要求将槽下各种物料，由料车卷扬机提升到炉顶。
高炉上料主要有上料小车和上料皮带两种方式；由于小车的上
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