自动化专业毕业设计论文球团生产线的PLC控制系统设计供料系统.docx

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自动化专业毕业设计论文球团生产线的PLC控制系统设计供料系统

摘要

球团生产主要是提炼球团矿，球团与烧结是钢铁冶炼行业中作为提炼铁矿石的两种常用工艺。

球团矿就是把细磨铁精矿粉或其他含铁粉料添加少量添加剂混合后，在加水润湿的条件下，通过造球机滚动成球，再经过干燥焙烧，固结成为具有一定强度和冶金性能的球型含铁原料。

本文介绍了PLC的基本结构和工作原理，西门子S7-300/400系列PLC的硬件结构、指令系统、编程方式以及STEP7软件的使用。

通过这些知识，对球团生产工艺中的供料系统进行PLC控制系统设计，介绍了PLC硬件组态及软件编程的过程，最后应用仿真软件PLCSIM，对程序进行调试。

关键词：

球团生产工艺、PLC、编程

Abstract

Pelletproductionmainrefinepellets,pelletsandsinteringarethetwocommonlyusedtechnologiesforrefiningironoreinthesteelsmeltingindustry.Pelletsisthatthefinegrindingessenceofironoreorotherironpowdermixesafewadditives,intheconditionofwatertowet,throughPelletierrollingintotheball,againafterdryingroasting,thenitbecomethesphericalironmaterialswithstrengthandmetallurgicalproperties.ThispaperintroducesthebasicstructureofPLCandworkingprinciple,thehardwarestructure,instructionsystem,programmingmethodofSiemenss7-300300/400seriesPLC,andtheuseofSTEP7software.Throughtheseknowledge,wedesignthefeedingsystemofPLCcontrolsystemintheproductiontechnologyofpelletsmaterialintroducesthePLChardwareconfigurationandsoftwareprogrammingprocess,finallyapplicationsimulationsoftwarePLCSIMtodebugprogram.

Keywords：

Pelletproductionprocess、PLC、programming

1绪论

1.1球团工艺的发展状况

由于天然富矿日趋减少，大量贫矿被采用；而铁矿石经细磨、选矿后的精矿粉，品位易于提高；过细精矿粉用于烧结生产会影响透气性，降低产量和质量；细磨精矿粉易于造球，粒度越细，成球率越高，球团矿强度也越高。

综上所述原因，球团生产工艺在进入21世纪后得到全面发展与推广　

如今球团工艺的发展从单一处理铁精矿粉扩展到多种含铁原料。

球团产品也已用于炼钢和直接还原炼铁等。

球团矿具有良好的冶金性能：

粒度均匀、微气孔多、还原性好、强度高，有利于强化高炉冶炼。

目前主要的几种球团焙烧方法：

竖炉焙烧球团、带式焙烧机焙烧球团、链箅机——回转窑焙烧球团。

竖炉焙烧法采用最早，但由于这种方法本身固有的缺点而发展缓慢。

目前采用最多的是带式焙烧机法，60％以上的球团矿是用带式焙烧机法焙烧的。

链箅机——回转窑法出现较晚，但由于它具有一系列的优点，所以发展较快，今后很可能成为主要的球团矿焙烧法。

随着国际上直接还原炼铁技术的发展，其规模和产量迅速增加，都必须优先采用球团矿为入炉料。

纵观世界采矿业，细精矿的产量大幅增加，富块矿和粉矿的产量相应减少。

世界球团矿的产量和质量在迅速提升。

我国所产的炼铁原料几乎都是细精矿，用于生产烧结矿已是不合时宜的、不合理的加工方法，应将其用来生产球团矿才是一种先进的炉料加工方法。

另外我国目前钢铁生产所需铁矿粉大部分需要进口，其中细精矿的比例越来越高，这些细精矿都应采用球团法加工成炉料。

我国球团矿开始较大规模生产的时间不长，所以球团矿仅是高炉用自然碱度的酸性球团矿，产品质量还存在很多问题，竖炉工艺和小型工厂生产的球团数量超过一半以上。

我国球团矿生产存在的主要问题包括：

●铁精矿粒度粗、铁品位偏低，进口球团矿品位一般都在65%以上，而我国竖炉球团矿大多在60%左右；

●膨润土用量偏高，竖炉球团平均膨润土消耗量在40kg/t，高于国外2倍多；

●成品球团矿抗压强度比进口球团矿低；

●单台设备生产能力偏小。

总之，我国的球团生产仍处于低水平的发展阶段，但其发展前景十分广阔。

如今球团工艺的发展从单一处理铁精矿粉扩展到多种含铁原料，生产规模和操作也向大型化、机械化、自动化方向发展，技术经济指标显著提高，并要努力赶上世界先进水平。

1.2球团工艺简介

1.2.1球团基础知识

球团法是将细磨精矿制成能满足冶炼要求的块状物料的一个加工过程。

其过程为：

将准备好的原料（细磨精矿或其他细磨粉状物料，添加剂或粘结剂等），按一定的比例经过配料混匀，在造球机上经滚动而造成一定尺寸的生球，然后采用干燥和焙烧或其他方法使其发生一系例的物理化学变化而硬化固结。

这一过程就叫作球团过程，这种方法称为球团法。

它所得到的产品就叫作球团矿。

根据球团矿固结温度和气氛的差异，球团法所得到产品可分为氧化球团矿、冷固球团矿、金属化球团矿等。

按照球团矿的碱度一般分为酸性和自熔性两种。

酸性球团矿与自熔性球团矿相比，前者在生产上不会引起操作上的困难，而且其品位高、强度好，便于长途运输。

同时又由于大多数烧结厂生产高碱度烧结矿，需要酸性球团矿配合使用以满足高炉冶炼的要求。

所以，目前世界各国仍以生产酸性球团矿为主。

球团矿是一种高效的造块方法，球团矿无论是在高炉、转炉或电炉中都能使用。

其主要优点如下：

●适于进行大规模生产；

●球团矿呈球形，粒度均匀，从而保证了在高炉中料柱的良好透气性；

●球团矿的还原性好；

●球团矿在运输和多次转运和条件下破碎很少，可以露天存放。

根据高炉生产的理论和实践，对入炉原料的基本要求有如下几点：

●品位高、杂质少、化学成分稳定

●强度好、粉末少、粒度均匀

●易还原、粉化少、高温性能好

球团矿是一种理想的高炉精料，主要表现在：

●铁品位高、有害元素少

●生产球团矿能扩大冶炼含铁原料的来源

●生产球团矿能扩大冶炼燃料的来源

总之，生产球团矿可以根据各种矿石原料的性质，采用不同的球团法和各种技术措施，人为地改善入炉原料的各种性质，为高炉冶炼提供粒度均匀、成份稳定、物理化学特性以及冶金性能良好的精料，使其最大限度地满足冶炼的要求，大大地强化冶炼过程。

1.2.2球团生产工艺

原料系统把精矿粉和膨润土送入配料间和膨润土配料矿槽。

精矿粉和膨润土通过电子称在配料室按一定比例进行集中配料，由胶带运输机送至干燥机进行干燥混匀，将混合料充分混匀并控制其水份在8％以下，送入润磨系统，分料后由皮带机送至竖炉系统的圆盘造球机进行造球。

具有一定强度和粒径的生球由皮带机送至生球圆辊筛分机进行筛分，小于等于6mm、大于等于18mm粒径的小球和粉末由返矿皮带机送至造球机重新造球，筛上生球经皮带称计量后由皮带机送至竖炉间，由梭式布料小车均匀布入竖炉内。

生球在炉内经过干燥、预热、焙烧、均热和冷却等过程变成成品，由振动给料机排放到链板机上，然后通过成品筛分机进行筛分，粒径6mm的成品球团矿通过胶带运输机经计量后送入成品系统，粒径5mm以下的小球和碎块由皮带机送到返矿槽。

流程图详见下图：

图1.1球团生产工艺流程图

1.3本课题主要内容

本文共分为四章，主要介绍球团生产线中上料供料系统的PLC控制系统设计。

第一章主要介绍了球团的生产工艺；

第二章主要介绍了球团生产线供料系统PLC的硬件设计；

第三章简要介绍了STEP7及PLCSIM软件的应用；

第四章介绍了球团生产线供料系统PLC的软件设计包括控制流程、I/O表及具体的程序分析和调试过程；

最后对全文进行了总结。

2PLC控制系统设计

2.1可编程控制器简介

2.1.1可编程控制器的基本结构

PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU模块、编程器、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。

1．CPU模块

CPU模块是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU模块，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集现场输入装置的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

2．存储器

虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

（1）系统程序存储区；

（2）系统RAM存储区（包括I/O映像区和系统软件设备等）；（3）用户程序存储区。

3．输入/输出模块

I/O模块是PLC与外部电器回路的接口，I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入寄存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

PLC输入接口的输入设备一般是各种开关、按钮、传感器触点等；PLC的输出接口与被控对象相连，一般是接触器、电磁阀、指示灯等。

I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等模块。

4．电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源，同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

5．底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现个模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

6．可编程控制器系统的其它设备。

2.1.2可编程控制器的工作原理

其工作原理主要分为三个阶段：

输入采样阶段——用户程序执行阶段——输出刷新阶段。

第一阶段，PLC以扫描方式读入所有输入状态和数据，存入I/O印象区的相应单元；

第二阶段，PLC总是按照从上到下的顺序依次扫描用户程序。

在扫描每一条梯形图时，按照先左后右、先上后下的顺序对控制线路进行逻辑运算。

然后根据这个结果刷新I/O印象区的状态，排在下面的梯形图，被刷新的逻辑线圈在下个扫描周期才对排在上面的程序起作用；

第三阶段，输出印象寄存器中存放的是1，对应继电器的常开触点闭合，输出印象寄存器中存放的是0,对应继电器的常开触点断开。

第二阶段和第三阶段即使输入状态和数据发生变化，I/O印象区中对应单元的状态和数据不会改变。

2.2S7-300系列PLC简介

S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。

S7-300的CPU上带有一个编程接口，使用西门子的MPI（Multi-pointInterface）通信协议，因此S7-300不需要添加任何通信处理器就可以建立一个MPI网络或一个PROFIBUS-DP网络。

S7-300有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，可以使用多种编程语言。

所有模块和网络的参数都可用STEP7的软件工具来设置。

S7-300的CPU具有智能化的诊断系统，监控系统是否正常，记录故障和系统事件。

S7-300有看门狗中断、过程报警、定时中断等功能。

S7-300的模块都安装在导轨上。

电源模块总是安装在机架的最左边1号槽，紧靠电源的是CPU模块，机架的2号槽。

如果系统有本地扩展接口模块，安装CPU的右侧，机架的3号槽。

信号模块、功能模块和通信处理器使用机架的4至11号槽，可任意插放。

如果模块数量超过8个，则可以扩展机架，用本地扩展模块IM来实现。

除了带CPU的中央机架（CR），最多可以扩展3个扩展机架（ER），每个机架可以插8个模块（不包括电源、CPU和接口模块IM），4个机架最多可插32个模块。

2.2.1S7-300的CPU模块

S7-300有20种不同型号的CPU，分别用于不同规模及不同控制要求的项目：

1．紧凑型CPU：

CPU312C，313C，313C-PtP,313C-2DP,314C-PtP和314C-2DP。

其中有的有集成数字量I/O和模拟量I/O。

各CPU均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能，有的有定位功能，有的带有I/O。

2．标准型CPU：

CPU312，CPU313，314，315，315-2DP和316-2DP。

3．户外型CPU：

CPU312IFM，314IFM，314户外型和316-2DP。

4．高端CPU：

317-2DP和318-2DP。

5．故障安全型CPU：

CPU315F。

CPU有四种操作模式：

STOP（停机）、STARTUP（启动）、RUN（运行）、及HOLD（保持）。

所有的CPU模块都有一个多点接口MPI，有的CPU模块有一个MPI和一个PROFIBUS-DP接口。

MPI用于PLC与PLC之间、PLC与PG/PC（编程器或个人计算机）之间、PLC与OP（操作员接口）之间的MPI网络通行。

MPI是多点接口（MultiPointInterface）的简称，是一种适用于小范围、少数站点间通信的网络。

MPI网络能同时连接运行STEP7的编程器、计算机、人机界面和其他的SIMATICS7，M7,C7，并且可以用全局通信的方式实现网上CPU之间少量数据的交换。

在MPI网上实现全局数据共享至少一个是数据的发送方，有一个或多个是数据的接收方。

PROFIBUS-DP是自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信协议，最高传输速率为12Mbit/s，通过CPU上PROFIBUS-DP接口，可实现与其它带DP接口的PLC、PG/PC、OP及其它DP主站和从站的通信。

2.2.2S7-300的输入/输出模块

输入/输出模块系统称为信号模块（SM），包括数字量（或称开关量）输入/输出模块，模拟量输入/输出模块。

输入/输出信号线连接到前连接器上，前连接器插在SM前盖后面的凹槽内，不需要断开前连接器的接线就可迅速更换模块。

1.数字量输入模块

数字量输入模块接受外部开关信号，开关信号主要来自按钮、二线式光电开关、接近开关、低压电器的触点等。

数字量输入模块现场的开关信号的电平转换成PLC内部的信号电平。

直流输入模块操作电压一般是DC24V，交流输入模块的操作电压为AC120V或AC230V。

用电容隔离掉输入信号中的直流成分，交流信号经桥式整流电路转换成直流电流。

SM321是S7-300的数字量输入模块。

2.数字量输出模块

数字量输出模块将PLC内部信号电平转换为控制过程所需要的外部信号电平，同时有隔离和功率放大作用。

可直接用于驱动电磁阀、接触器、继电器、灯和电动机启动器等负载。

按负载回路的电源不同分为：

直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块。

按输出量开关器件的种类又可分为：

晶体管输出方式、双向晶闸管输出方式和继电器输出方式。

晶体管方式的模块，只能带直流负载，属于直流输出模块；双向晶闸管输出模块属于交流输出模块；继电器触点输出模块属于交直流输出模块。

三种输出形式中，晶体管型输出响应速度最快，继电器输出响应速度最慢。

继电器输出模块的负载电压范围宽，承受瞬时过电压和过电流的能力强，但开关频率不能太快，适用于动作频率不高（低于20HZ）的负载。

SM322是S7-300的数字输出模块，SM323是数字量输入/输出模块，即输入和输出集成在一个模块上，有两种型号可选择：

DC24V，8输入/8输出及DC24V，16输入/16输出，输出未晶体管型，输出电流为0.5A。

3.模拟量输入模块

模拟量输入模块用于接受来自生产过程的连续变化的模拟量信号。

如温度、压力、流量、液位及频率等非电量；电压、电流、有功功率、无功功率等电量。

传感器检测的模拟量信号通过相应的变送器转换成标准的直流电压和电流信号。

模拟量输入模块将来自变送器的模拟信号转换成CPU处理的数字信号，即A/D转换。

模拟量输入模块SM331中也有直接不带附加放大器的温度传感器，如热电偶或热电阻。

SM331是S7-300的模拟量输入模块。

4.模拟量输出模块

模拟量输出模块的作用将PLC输出的数字量转换为模拟量信号（电压、电流）区别控制执行机构，其主要组成部分是D/A转换器。

S7-300的模拟量输出模块是SM332有4种输出模块，都有诊断功能。

模拟信号应使用屏蔽电缆或双绞线电缆传送。

2.2.3S7-300的其他模块

S7-300的其他模块包括电源模块，前连接器，闭环控制模块，计数器模块，模拟器模块。

2.3供料系统硬件设计

2.3.1系统硬件选型

球团生产线所需的点数较多，DI点总计826点，DO点总计210点，AI点总计151点，AO点总计10点。

设计使用当前国内流行的操作站+控制站+分布式现场网络，PLC采用西门子S7-400系列可编程控制器，使用现场总线分布式控制，在现场设置从站I/O，变频器亦属于从站并用Profibus现场总线相接，上级通信网络结构为工业局域网，使用标准TCP/IPEthernet协议，速率10M/100Mbps。

上位机监控组态软件使用WINCC。

整个生产线控制系统共有18个ET200M站及12台变频器。

系统所需硬件为：

●主机架：

UR2（6ES7400-1JA01-0AA0）

●电源模块：

PS40710A（6ES7407-0KA02-0AA0）

●CPU模块：

CPU416-2DP（6ES7416-2XN05-0AB0）

●以太网通讯模块：

CP443-1（6GK7443-1EX20-0XE0）

●485通讯模块：

CP441-2（6ES7441-2AA03-0AE0）

●ET200M模块：

IM153-1（6ES7153-1AA03-0XB0）

●DI模块：

SM321（6ES7321-1BH02-0AA0）

●DO模块：

SM322（6ES7322-1BH01-0AA0）

●AI模块：

SM331（6ES7331-7KF02-0AB0）

●A0模块：

SM332（6ES7332-5HF00-0AB0）

本课题主要针对供料系统部分进行设计，相关I/O点位于DP地址为3、4的两个ET200M站，DP地址为3的ET200M站内配置了5块DI模块和2块DO模块；DP地址为4的ET200M站内配置了3块DI模块和1块DO模块。

2.3.2球团生产线在STEP7中的硬件配置

在STEP7中新建一个工程项目，命名为“球团项目”，在项目文件中插入一个SIMATIC400站，完成后点击Hardware，进入硬件组态界面，在打开的界面中根据前面的硬件选型，分别加入主机架、电源模块、CPU模块、CP模块，并将CPU416-2链接到新建的Profibus-DP网络中，在Profibus-DP中添加ET200M模块，按照设计将站地址以及站内I/O模块全部配置好并设置好其地址，在STEP7中的硬件则组态完毕，组态后的硬件配置如图2.1所示：

图2.1系统硬件组态配置

2.3.3供料系统I/O典型连接图

系统选用的DI与DO模块均为24VDC的操作电平，为了确保系统运行的可靠性，输出信号采用了中间继电器隔离方式，由于系统中模块较多，分别画出一张DI和DO典型连接图，其他的在这里就不重复画出了。

DI典型连接图如图2.2所示：

图2.2DI连接图

DO典型连接图如图2.3所示：

图2.3DO连接图

3西门子STEP7编程软件

3.1西门子STEP7编程软件简介

STEP7编程软件是用于SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC编程、监控、参数设置的标准软件包。

它是SIMATIC工业软件的组成部分，可提供下列STEP7标准软件包。

●STEP7Micro/DOS和STEP7Micro/WIN，适用于SIMATICS7-200系列PLC的编程、组态。

利用该软件通过语句表或图形化的梯形图来优化的创建在S7-200系列PLC中处理的用户程序。

用户程序由单一模块组成，它可以包含子程序。

●STEP7，适用于SIMATICM7-300/400、SIMATICC7和SIMATICWinACPLC的标准软件。

其中核心工具SIMATICManager用于管理所有生成的自动化数据以及处理这些数据所需的必备工具。

使用STEP7可以组态SIMATIC控制器硬件、选择模块地址和模块参数，并进行组态网络连接。

●STEP7Lite，适用于SIMATICS7-300、SIMATICC7、ET200S和ET200X系列分布式I/O的编程、组态软件包。

使用STEP7Lite可以组态SIMATICS7-300、SIMATICC7以及分布式外设。

STEP7Lite完全支持LAD、FBD、STL，它不支持选项包和其他SIMATIC站点的通信。

使用STEP7Lite创建的用户程序还可以在STEP7下作进一步管理。

●STEPProfessional，它是由STEP7Basic版本中的标准组件和可选软件包S7-Graph、S7-SCL、S7-PLCSIM组成。

所以，除了STEP7中熟识的LAD、FBD和STL编程语言外，STEPProfessional还支持现存的IEC语言SFC（顺序功能流程图）和ST（结构文本），并支持用户程序的离线仿真。

到目前为止，STEP7Basic的最新版本为STEP7V5.4。

STEP7不是单一的应用程序，而是由一系列应用程序（工具）构成的标准软件包。

其主要应用工具如下：

●SIMATIC管理器：

用于集中管理一个自动化控制项目，提供STEP7标准软件包的集成、统一界面。

在SIMATIC管理器环境中进行项目的编程和组态，每一个操作所需要的工具均由SIMATIC管理器自动运行，因此用户无需分别启动各个不同的工具。

●符号编辑器：

用于定义符号名称、数据类型和注释全局变量，管理所有共享符号。

使用这个工具生成的符号表是全局有效的，可以被其它所有工具使用。

●硬件组态工具：

可以利用这个工具对PLC机架上的各种硬件模块进行配置，设置各种硬件模块的参数，例如CPU参数和分布式I/O参数等。

●通信组态：

该工具用于组态通信网络连接，包括网络连接的参数设置和网络中各个通信设备的参数设置。

●硬件诊断：

用于提供PLC的工作状态概况，快速浏览CPU数据和用户程序在运行中的故障原因。

●编程工具：

该工具集成了梯形图LAD、语句表STL和功能块FBD三种编程语言的编辑、编译和调试功能。

3.2S7-300用户程序的模块化结构

西门子公司S5、S7系列PLC采用的是“块式程序结构”，用“块”的形式来管理用户编写的程序及程序运行所需要的数据，组成完整的PLC应用程序系统。

“块”分为数据块和逻辑块。

●数据块：

在生产控制过程中，常常会遇到很多过程数据、基准值、预置值，有些经常需要修改，把他们分类放在不同的数据块中，有利于进行数据管理；其次，数据块也是各逻辑块之间交换、传递和共享数据的重要途径；数据块有丰富的数据结构，有助于高效管理复杂的