题目转炉副原料称重配料控制系统.docx

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题目转炉副原料称重配料控制系统

转炉副原料称重配料控制系统

摘要

转炉副原料称重配料控制系统，主要是对电磁振动给料机、称量斗、汇总斗及其各自阀门开关状态的逻辑联锁控制。

本设计采用的控制系统主要是西门子公司的PCS7过程控制系统，此系统利用S7-400PLC做主站，ET-200分布式I/O作为从站，结合STEP7编程软件、WinCC画面控制、PROFIBUS现场总线以及工业以太网来实现转炉副原料称重配料自动控制的。

从站ET-200主要是用来接收现场传感器检测到的信号，通过PROFIBUS现场总线被送至S7-400PLC。

而STEP7编程软件主要是用来编写程序，编写好的程序将被下载到主站PLC的CPU模块，从而通过PLC来控制系统的称量、配料过程。

组态软件WinCC是一个集成的人机界面系统和监控管理系统，它具有强大的编辑、组态及方便、简单的通讯实现功能，通过WinCC人机画面我们可以实现实时监视现场称配料过程、参数设定、指令发出和故障报警等功能。

关键词：

转炉；PCS7；PLC；

Theconvertervice-rawmaterialcallstheheavyingredient

controlsystem

Abstract

Theconvertervice-rawmaterialcallstheheavyingredientcontrolsystem,mainlyistotheelectromagnetismvibrationforthematerialmachine,weighingstruggle,compilesfightsanditsrespectivevalveswitchconditionlogicalinterconnectioncontrol.

Thisdesignusesthecontrolsystemmainlyissiemens'sPCS7controlsystem,thissystemmakesthemasterstationusingS7-400PLC,ET-200distributionalI/Otookfromthestation,unifiesSTEP7toprogrammingsoftware,theWinCCpicturecontrol,thePROFIBUSfieldbusaswellastheindustryethernetrealizestheconvertervice-rawmaterialtocalltheheavyingredientautomaticcontrol.

FromstandsET-200mainlyusesforthesignalwhichreceivesthescenesensortoexamine,isdeliveredthroughthePROFIBUSfieldbustoS7-400PLC,butSTEP7programmingsoftwaremainlyisusesfortocompiletheprocedure,compilestheprocedureisdownloadedtothemasterstationPLCCPUmodule,thusthroughPLCcontrolsystemweighing、ingredientprocess.

ConfigurationsoftwareWinCCisanintegratedman-machinecontactsurfaceprocesssupervisorysystem,ithastheformidableedition,theconfigurationandconvenient,thesimplecommunicationrealizationfunction,wemayrealizethereal-timesurveillancescenethroughtheWinCCman-machinepicturetocalltheingredientprocess,theparameterhypothesis,theinstructionsendoutwiththebreakdownreportstothepoliceandsoonthefunction.

Keyword:

converter;PCS7;PLC;

目录

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

第一章前言1

第二章转炉副原料称重配料系统工艺概述2

2.1副原料配料工艺简介2

2.1.1转炉炼钢副原料…….……………………………………………………...2

2.1.2转炉炼钢工艺设备……….………………………………………………...2

2.1.3转炉配料物料流程………………….……………………………………...2

2.2副原料称重配料原理3

2.2.1副原料称重原理………….………………………….……………………...3

2.2.2料重控制原理………………………………………………………………4

第三章系统硬件6

3.1PLC介绍6

3.1.1PLC的基本概念6

3.1.2PLC的特点6

3.1.3PLC的工作原理.............................................................................................7

3.2系统选型及结构9

3.2.1控制系统选型..................................................................................................9

3.2.2控制系统结构……………………………………………………………….9

3.2.3S7-400主站………………………………………………………………10

3.2.4ET-200从站………………………………………………….……….……11

3.3硬件配置的选型与组态…………………………..………………….………….11

3.3.1I/O点分布……………………………………………….…………………11

3.3.2硬件配置选型………………………………………….……….………….12

3.3.3硬件组态……………………………………………………….….……….12

3.4网络结构及组态………………………………..………………………..………13

3.4.1网络结构………………………………………………………...…………13

3.4.2网络组态………………………………………….………………..………14

第四章系统软件15

4.1控制系统软件介绍15

4.1.1STEP7编程软件15

4.1.2SIMATICWINCC16

4.2控制系统软件设计.19

4.2.1控制逻辑关系.19

4.2.2操作方式19

4.2.3称量配料过程及程序流程图………………………………………...……20

4.2.4自动称量配料的块结构……………………………………………...……24

结束语26

参考文献27

附录A转炉配料I/O分配表28

附录B称配料控制系统部分程序36

附录C转炉配料控制程序符号表……………………………………………...…………...51

致谢53

第一章前言

转炉炼钢系统主要包括氧枪系统、锅炉及水系统、底吹系统和副原料配、下料控制系统等四个大系统。

在副原料配下料控制系统中副原料的称重误差、成分误差对钢的纯度、硬度、质量以及造渣的顺利进行有着重要的作用，所以在转炉炼钢中副原料称重配料控制系统是我们研究的重要对象。

在本设计中主要采用的是西门子公司的PCS7过程控制系统，利用S7-400PLC做主站，ET-200分布式I/O作为从站，结合STEP7软件编程和工控组态软件WinCC，来实现转炉副原料称重配料自动控制的。

SIMATICPCS7是西门子公司在TELEPERM系列集散控制系统和S5、S7系列可编程控制器的基础上，结合最先进的电子制造技术、网络通讯技术、图像及图形处理技术、现场总线技术、计算机技术和先进自动化控制理论，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。

由于西门子公司的PCS7控制系统具有工作性能稳定、节省人力、节约材料、直观的控制画面、维护简便等优点，从而使其在各个工业生产领域得到了广泛的应用。

在以往的转炉炼钢过程中，转炉炼钢主要是采用仪表控制系统，但是仪表控制系统在经过多年的运行后，设备逐渐老化，在出现故障时难以查找，这样给生产调试、编程组态、生产维护带来了许多不便，本设计中将原来转炉炼钢所采用的仪控系统改造成为PCS7控制系统；将原来的直流传动中模拟控制升级为全数字控制，就很好的解决了上述问题。

从而大大提高转炉自动化程度、减低了劳动强度、降低了能耗和成本、提高了产品质量，同时也为实现操作标准化、程序化、提高现代综合管理水平及生产调度水平提供了良好的条件。

第二章转炉副原料称重配料系统工艺概述

二.1副原料配料工艺简介

二.1.1转炉炼钢副原料

转炉炼钢的原料主要有主原料、副原料以及各种铁合金，而本设计主要是对副原料配料过程进行控制。

转炉炼钢的副原料主要有石灰石、铁矿石、萤石、石灰、白云石、铁皮、锰矿石等。

它们主要是作为造渣材料和冷却剂来使用。

这些副原料根据工艺要求分批次分时间的被加入到转炉之中。

二.1.2转炉炼钢工艺设备

副原料配料的工艺设备主要包括存储原料的八个高位料仓、七个称量斗和三个汇总斗，原料从高位料仓下到称量斗靠电磁振动给料机给料，称量斗、汇总斗均由插板阀控制，插板阀是双电控气动阀。

二.1.3转炉配料工艺流程

副原料被送到高位料仓中，经过电磁振动给料机将高位料仓中的副原料下到称量斗中，并在称量斗中称重计量，当称量斗中的物料重量达到规定重量之后再打开插板阀将原料下放到汇总斗中，最后当需要副原料下到转炉中时，汇总斗的插板阀就被打开完成下料，这就完成了一次配料下料的过程。

其工艺流程图如图2.1所示。

图2.1转炉副原料配料工艺流程图

二.2副原料称重配料原理

二.2.1副原料称重原理

料重检测

对副物料的称量，在整个配料系统是非常重要的。

副原料在下到汇总斗之前，副原料的重量由称量斗称量。

每个称量斗由三个四线制称重传感器支撑，由传感器传来的模拟信号经A/D转换后相加再进行相应的量纲变换就成为某一称量斗的称量值。

在本设计中传感器选用电阻应变式称重传感器作为副原料重量称量的检测原件。

电阻应变式传感器具有悠久的历史，由于它具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高、动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等诸多优点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。

电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成。

当弹性元件感受被测物理量时，其表面产生应变，弹性元件发生形变（伸长或缩短），是一个非电量。

与此同时粘贴在弹性原件上的电阻应变片随着弹性元件的形变而产生了应变---电阻应变片的电阻变化了ΔR。

由于贴在传感器元件上的电阻应变片原构成了一个平衡电桥，当电阻应变片将变形非电量转变为电量时，便破坏了电桥平衡，因而产生了微弱的毫伏级电压信号。

此信号经过放大器放大等过程处理后，最终副原料的重量在画面上显示出来。

电阻应变式传感器的工作原理如2.2图所示。

图2.2电阻应变式传感器工作原理图

电桥电路的工作原理

由于应变片电桥电路的输出信号一般比较微弱，所以目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出与直流放大器相连。

电桥电路的工作原理如图2.3所示。

图2.3电桥电路原理图

设电桥隔壁的电阻分别为

，

，

，

，它们可以全部或部分是应变片。

由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大得多，因此可将电桥的输出端看成开路，这种电桥称为“电压输出桥”，输出电压

见式2.1：

（2.1）

然后根据电路中各电阻的电阻增量Δ

，Δ

，Δ

，Δ

及一系列的公式变换和化简，我们把用电阻值表示的公式转换成为用应变表示的的公式,从而实现了前面所说的控制思想。

公式见式2.2：

（2.2）

公式中K为应变片的灵敏系数，

、

、

、

分别是

、

、

、

四个电阻感受应变的大小。

二.2.2料重控制原理

对副原料的称量，是通过称量斗上的传感器将副原料的重量转换成1～5V直流电压信号或4～20mA直流电流信号。

通过变送器将所得的测量值与给定值相比较，如果有偏差信号产生，调节器则发出调节信号，通过调节执行器改变电磁振动给料机的振料频率，从而实现了对料重的控制，保证了副原料的重量等于给定值。

料重控制原理如图2.4所示。

图2.4料重控制原理方框图

我们来分析一下上图。

物料重量为上图中的被控对象，输出是一个工程变量，这个工程变量经过测量变送器后被转换成电信号（4-20mA），被转换成电信号后所得到的为测量值，测量值与给定值相比较，如果有偏差信号产生，则调节器（PLC）输出的电信号对执行器（电磁振动给料机）进行控制，从而达到对物料重量的调节与称量。

如果没有偏差信号产生，则维持原动作。

在上述控制原理图中，我们知道它是一个单回路反馈控制系统，对于一个反馈控制系统来说，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的。

但系统受到干扰时，其过渡过程将会是衰减的；反之，如果系统是正反馈，那么系统是不稳定的，一但遇到到干扰作用，过渡过程将会发散。

因此，对于反馈控制系统来说，要使系统稳定地工作，必须要构成负反馈。

第三章系统硬件

三.1PLC介绍

三.1.1PLC的基本概念

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在几乎所有的工业领域。

现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，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，可编程序控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称为PLC，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。

它采用可编程序的存储器，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。

它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。

三.1.2PLC的特点

PLC的基本特点有：

可靠性高，抗干扰能力强。

这往往是用户选择控制装置的首要条件。

PLC生产厂家在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使它可以直接按装于工业现场而稳定可靠的工作。

它的无故障时间得到了大大的提高，平均无故障时间达到数十万小时以上，而且为了适应特殊场合的需要，PLC还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。

编程方便，易于使用。

PLC的编程采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎，近年来又发展了顺控流程图语言，也称功能图，使编程更简单方便。

适应性强，应用灵活。

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求

维修方便、维修工作量小。

PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。

PLC对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。

工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。

控制系统设计、安装、调试方便。

PLC中含有大量的相当于中间继电器、时间继电器、计数器等的“软元件”。

又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少。

设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。

功能完善。

除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方的设备。

由于具有上述特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。

三.1.3PLC的工作原理

PLC的工作原理是采用不断循环的顺序扫描工作方式，包括内部处理、通讯操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。

CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。

PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

PLC的扫描过程如图3.1所示。

由图3.1我们知道整个运行过程可分为三部分：

第一部分是上电处理。

机器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。

PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。

先完成输入处理，其次完成于其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。

当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。

当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。

第三部分是出错处理。

PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。

当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。

图3.1PLC的扫描过程

三.2系统选型及结构

三.2.1控制系统选型

作为现代化的过程控制系统，SIMATICPCS7有着：

简单安全的过程控制、直观的操作和可视化、强大快速统一的工程规划、在线修改、较好开放性、灵活性和可扩展性、故障安全自动化解决方案、全面的现场总线集成等特点。

同时，SIMATICPCS7还采用了基于Windows操作系统的人机界面监控软件WinCC,利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息传输和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感器检测到的信号。

随着竞争和价格压力的日益增强，对生产设备灵活性要求的不断加大，以及越来越高的生产率要求，用户对于无缝和统一自动化技术的需求也越来越高，因此，SIMATICPCS7系统的优势也日益彰显，它的高性能和非凡的系统特性，以及通用的数据管理、通讯和组态，符合转炉副原料称重配料过程对PCS7过程控制系统的要求，所以我们选定PCS7作为本设计的基本控制系统。

全集成自动化理念下的SIMATICPCS7控制系统集PLC和DCS功能于一身，所有控制组态程序、数字量和模拟量信号处理及生产故障诊断都在一个控制系统中实现，PLC和DCS的双重功能对于转炉的生产控制特别适用。

PLC功能主要完成各种控制阀的开/关、配料等逻辑联锁控制和数据比较运算、各种工作状态判断及报警等功能；DCS主要完成各种模拟量的运算、显示和上下限报警等功能。

三.2.2控制系统结构

控制系统采用典型的两级监控方式。

上位机为管理级，具有对下位机的监控、操作等管理功能。

上位机装有Windows操作系统和人机界面监控软件WinCC，通过工业以太网可实现其与PLC的通讯连接。

PLC作为基础控制机，完成现场数据采集及加工处理，并通过数字量输出模块实现对现场设备的控制。

同时，本系统还采用了远程I/O分布式结构，整个系统按空间分为16米平台、低压室、操作室。

操作室配置两套操作站，16米平台、低压室各配置一套ET-200从站。

此次设计的控制系统结构的优点在于：

控制系统主站和一套工程师站配置在低压室，各控制信号就近接入相应的ET-200从站，这样就节省了大量的信号电缆。

各控制子系统的供电采用了优化的分组供电方式，各供电开关状态进入操作站画面监视，提高了判断、查找和处理故障的速度。

原来的操作开关、选择开关、按扭及指示灯全部取消直接进入计算机操作、显示，减少了外部故障点，提高了系统的可靠性，给生产维护带来了极大的方便。

系统的结构示意图如图3.2所示。

图3.2系统结构示意图

三.2.3S7-400主站

通过上面的介绍我们了解到PLC有许多的优点。

在本设计中，由于转炉控制系统的I/O点数较多，控制难度较高，控制内容在生产中重要性突出，所以在转炉炼钢中对PLC有着较高的要求。

同时，S7-400系列PLC的功能特点在转炉控制中很适用，并且也符合PCS7系统对S7-400系列PLC的要求,因此在本设计中我们选用性能较高的S7-400系列PLC。

S7-400系列PLC采用模块化设计，它所具有的模板的扩展和配置功能使其能够按照每个不同的需求灵活组合，是用于中高档性能范围的可编程控制器。

可以扩展300多个模块。

S7-400可以组成MPI（多点接口）、PROFIBUS网络和工业以太网。

S7-400主要由电源模块、中央处理单元（CPU）、信号模块（SM）、通信处理器模块（CP）、接口模块（IM）等模块构成。

CPU模块主要由微处理器和存储器组成，它在PLC控制系统中的作用类似于人的大脑。

信号模块用于数字（DI/DO）模拟（AI/AO）输入输出，是SIMATICS7-400和过程之间的接口。

通信处理器模块是用于PLC与PLC之间、PLC与远程I/O等之间的通信，它可以将PLC接入MPI、PROFIBUS—DP及工业以太网。

接口模块主要是用来实现中央机架与扩展机架之间的通信。

S7-400的主要功能有：

高速指令处理；用户友好的参数设置；口令保护；系统功能；用户友好的操作员控制和监视功能已集成在SIMATIC的操作系统中；CPU的诊断功能和自测试智能诊断系统连续地监视系统功能并记录错误和系统的特殊事件；模式选择开关。

三.2.4ET-200从站

西门子的ET-200是基于PROFIBUS-DP现场总线的分布式I/O，可以与经过认证的非西门子公司生产的PROFIBUS-DP主站协同运行。

ET-200作为分布式I/O代替了过去密密麻麻杂乱无章的电缆，加快了安装过程，降低了接线成本，维护起来更为方便，同时也提高了数据安全性，增加了系统灵活性，能够在酷热、严寒、强压、潮湿等严酷的环境中使用。

ET-200主要由电源模块、接口模块、模拟输入模块、模拟输出模块、数字输入模块、数字输出模块等组成。

它主要有以下功能：

电动机启动器；气动系统；变频器；智能传感器；安全技术；分步式智能。

三.3硬件配置的选型与组态

三.3.1I/O点分布

在转炉副原料称重配料控制系统中的I/O控制点主要集中在低压室和16米平台，在这两个区域各配置一套ET-200M从站，从而可以完成自动称量、配料的控制。

副原料称量配料控制系统中的控制点主要是分布在高位料仓、称量斗、插板阀以及配料方式选择上。

高位料仓部分：

称量配料控制系统中有八个高位料仓，每个高位料仓各有一套由变频器