基于PLC的推焦车监控系统设计.docx

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基于PLC的推焦车监控系统设计

摘要

随着科技的不断进步和发展，现代化的管理方式越来越广泛地应用于各个领域。

而在冶金炼焦行业中，由于其工艺过程的特性加上十几年来生产管理的习惯方式，使其在自动化控制管理方面，无论是生产设备还是控制方式，均落后于其他行业。

因此根据我国的实际情况，研究推焦车的PLC控制系统十分必要。

本论文是以西门子S7-300PLC可编程控制器为基础，利用STEP7软件实现PLC程序的编译调试，从而实现了推焦车的PLC控制。

论文重点详解了推焦车运行的流程以及各段流程的PLC控制过程，并且设计了使用西门子PLCS7-300控制推焦车的程序。

该程序实现了：

推焦车走行的前行、后退和速度变化的控制；炉门的移门、提门和举门运动的顺序控制；推焦车推焦的前行、后行和速度变化的控制。

本程序将PLC控制与变频调速应用于推焦车控制系统中，保证推焦车的安全稳定运行，保证推焦工作人员的安全，提高生产运行安全可靠性，降低操作管理人员的劳动强度，减少生产人员提高劳动价值，实现设备控制的现代化发挥了积极作用。

关键词：

推焦车；PLC控制；程序设计

Abstract

Alongwiththescienceandtechnologyprogressanddevelopment,modernmanagementmodearewidelyappliedinvariousfields,butthecokingindustryinmetallurgyduetothecharacteristicsofprocessandproductionmanagementalwaysmakeitswayinthehabitofautomationmanagement,productionequipmentorcontrolmodeindecades,soitsarebehindsotherindustries.Therefore,accordingtotheactualconditionsofourcountry,itisverynecessaryfortheresearchofpushingcarofPLCcontrolsystem.

ThispaperbasedonSiemensS7-300PLCprogrammablecontroller,andusingtheMicrosoftwareSTEP7-PLCprogramcompilesanddebuggingtorealizesthecontrolofpushingcarbyPLC.ThekeypointofthispapersisthepushingcarrunningprocessandtheprocessofeachprocessanddesignofPLCcontrol,anddevisethecontrolofpushingcarprogrambuySiemensS7-300PLC.Thisprogramhavemanyfunctions.Firstpushingcargobackanddo,thespeedcontrol.Second,thesequencecontrolofdoormovement.Thelast,pushingcarpushinggobackanddo,thespeedcontrol.

ThisprogramwillbecontrolledbyPLCandinverterapplicationinpushingvehiclecontrolsystem,ensurepushingcarsforthesafeandstableoperation,ensurethesafetyofworkersatpushing,improvetheproductionsafetyofoperationreliabilityandoperationmanagement,reducethelaborintensityofproductionpersonneltoimprovelaborvalue,realizeplayapositiveroleinthemodernequipmentcontrol.

Keywords：

PushingCar;theControlofPLC;ProgramDesign

附录

第一章绪论

1.1推焦车的定义

推焦车是绝大多数焦化厂和冶金行业中重要的一个组成部分，负责煤饼在焦炉内烧成焦炭后，把其从焦炉内推出。

1.2选题的背景与意义

炼焦煤在隔绝空气条件下加热到1000℃左右（高温干馏），通过热分解和结焦产生焦炭、焦炉煤气和炼焦化学产品的工艺过程。

冶金焦炭含碳量高，气孔率高，强度大（特别是高温强度），是高炉炼铁的重要燃料和还原剂，也是整个高炉料柱的支撑剂和疏松剂。

炼焦副产的焦炉煤气发热值高，是平炉和加热炉的优良气体燃料，在钢铁联合企业中是重要的能源组分。

炼焦化学产品是重要的化工原料。

因此炼焦生产是现代钢铁工业的一个重要环节。

炼焦行业是一个特殊的行业。

由于现场环境恶劣、连续作业、劳动密集型强、事故的突发性大等因素，使炼焦装备技术的自动化显得尤为重要。

过去我国焦化工业所采用的粗放型生产控制模式己经无法满足当前的生产需要，而且生产中隐藏着许多不安全因素。

如果焦车定位精度不够高，不仅影响生产的效率，在推焦的过程中也容易造成红焦落地的重大事故。

所以采用精确可靠的节约型生产模式是我国焦化工业的发展方向，也是摆在科研工作者面前的一个重要课题。

之前，国内大部分冶金企业推焦车的推焦机和平煤机构还在延用传统的LK主令手动控制，这样的控制方法为人工操作、受人为影响较大、精度低，推焦存在一些不可克服的缺点，已越来越不能满足炼焦工艺的要求。

而随着可编程控制器（PLC）的不断发展，PLC已经越来越多地应用到大中型工业自动化控制当中，并起到了不可替代的作用。

1.3推焦车行业的发展趋势

推焦车采用PLC控制、液压传动，并且增加了头尾焦处理、余煤回送、炉门炉框清扫等。

该系统的结构主要包括两部分：

定位与连锁系统和通讯系统。

其数字定位系统是通过数据网络并行交互来控制焦炉机车变频器，从而控制机车以一定的速度运行；无线通信采用频率范围为420～470MHz的高频无线通讯。

现在，国内四大焦车的装备水平有了很大的改进，大型焦炉四大焦车的机械自动化和电气自动化已相当完善，实现四大车炉号识别和精确定位的技术手段也基本成熟。

但是，由于工业现场的特殊环境和机械设备的制约，炉号识别存在的主要问题是某些方法的可靠性有待进一步提高，在实现该技术的同时还应该尽量降低设计成本；而停车精确定位的自动化控制并不十分理想，主要体现在对正精度不高，仍需机车司机手动进行位置的多次调整，人工的参与大大降低了自动控制的效率；并且国内设备的改造投资高，运行成本高、总体水平低，从而导致系统的稳定性差。

近几年随着无线数据传输技术、计算机技术、控制技术、安全保障技术的不断发展，焦车生产的无人化已经被越来越多的研究学者所关注。

焦车今后的重要发展趋势，不仅要求车辆具有精确和快速的定位设备，还需要满足其他要求。

譬如焦车本身要具有安全可靠的自动控制技术，高度安全的四车连锁，稳定可靠的无线传输保障，人身和设备的保障措施，自动安全的信息管理系统作为支撑。

有些国家在熄焦车上已经实现了无人驾驶技术。

1.4本论文的主要内容

本课题的主要内容是通过PLC的控制来实现工业过程中的推焦自动化。

本文主要内容包括以下三个方面:

第一、推焦车运行是四大焦车运行控制中最重要的一个环节，它是精确定位系统的基础，也是推焦、拦焦的必要前提。

本文采用的是互锁来实现电机的安全正常运行。

第二、推焦电机的转速是通过变频器MM440实现的。

它使电机的速度调节更快速和节能，同时也保证了电机的安全运行。

第三、推焦炉门的控制是通过液压泵来控制其运动，电磁阀控制控制液压油的运动方向，行程开关保证炉门运动可靠性，使得门的运行更加安全可靠。

第二章可编程序控制器及其编辑语言

2.1可编程序控制器

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

2.1.1PLC的定义

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。

为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：

“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。

用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。

一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能看，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。

”

以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”

2.1.2PLC的分类

1.小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。

它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。

2.中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。

I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。

它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

3.大型PLC

一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。

大型PLC的软、硬件功能极强，具有极强的自诊断能力。

通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。

大型PLC还可以采用CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。

2.1.3PLC的特点

1.编程方法简单易学

梯形图是使用最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制数字量控制系统的用户程序。

2.功能强，性能价格比高

一台PLC内有成千上万个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。

与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动大多数电磁阀和中小型交流接触器。

硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。

4.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。

PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

5.系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。

这种设计方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，用这种方法设计程序的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

可以用仿真软件PLCSIM来模拟S7—300/400的CPU模块的功能，用它来调试用户程序。

在现场调试过程中，一般通过修改程序就可以解决发现的问题，系统的调试时间比继电器系统少得多。

6.维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据信号模块上的发光二极管或编程软件提供的信息，方便快速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

7.体积小，能耗低

复杂的控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。

PLC控制系统与继电器控制系统相比，配线用量少，安装接线工时短，加上开关柜体积的缩小，因此可以节省大量的费用。

2.2PLC的基本结构和工作方式

2.2.1PLC的基本结构

可编程控制器是以微处理器为核心的用作数字控制的专用计算机，因此无论何种形式的可编程控制器，其系统构成、工作方式均有相似之处。

PLC专为工业场合设计，采用了典型计算机结构，主要由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。

图2.2.1为可编程控制器的结构示意图。

图2.2.1可编程序控制器

2.2.2PLC的工作方式

可编程控制器是在系统程序的控制下按扫描的方式工作，即顺序循环工作方式。

每一个循环为扫描周期，每一个扫描周期包括自诊断、输入处理、程序处理、输出处理和通信等5个阶段，如图2.2.2所示。

图2.2.2PLC的扫描工作程序

PLC在加电后和每一个扫描周期之初都要执行自诊断程序。

自诊断程序包括系统软件和应用程序的检验，存储器和CPU的测试，总线检测等。

如出现异常，PLC将作出相应的处理并停止运行。

在一个周期结束之前，PLC进入与编程器及上位机或下位机的通讯阶段。

在与编程器通讯过程中，编程器把编程和修改的参数发给PLC，把要显示的状态、数据、错误码等发送给编程器进行相应显示。

若有与上位机或下位机的通讯请求的话，PLC将接收上位机发送来的指令并进入相应的操作，并将PLC和现场输入输出接点状态、各种数据参数发送给上位机或下位机。

2.3PLC的编程语言

在PLC中有多种程序设计语言，它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述等。

梯形图语言和布尔助记符语言是基本的程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的程序控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其他的基本操作。

功能表图语言和语句表述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的打印和其他基本程序设计语言无法完成的操作。

功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。

2.3.1梯形图（LadderDiagram）

梯形图是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。

梯形图采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每一个梯级是一个因果关系。

在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。

梯形图语言是由继电器-接触器控制电路演变过来的。

梯形图中所绘的图形符号和继电器-接触器电路图中的符号十分相似。

例如图2.3.1（a）所示的继电器控制电路，用PLC完成其功能的梯形图如2.3.1（b）图。

图2.3.1继电器控制电路图和梯形图

与继电器-接触器电路比较，梯形图程序有以下特征：

1.梯形图虽然沿用了继电器-接触器电路的一些名称，如输入继电器、输出继电器、辅助继电器等。

但这些继电器不是真实的物理继电器，而是用户程序存储器中数据存储单元，是“软继电器”。

通过存储单元的状态变化（“1”或“0”）来表示相应继电器的“通”或“断”。

2.梯形图中的触点仍然使用继电器-接触器电路的动合触点和动断触点，这些触点的通断状态，由相应的继电器线圈是否得电或断电决定，即由相应的存储单元的状态决定。

3.在梯形图中，左侧的垂线为逻辑母线，每个支路从母线开始，经过触点到线圈或其他输出元件结束。

4.梯形图中各触点的数量是没有限制的，因为它们是对元件映像寄存器中各个基本单元状态，按照程序逻辑关系，依次读取出来，进行逻辑运算的。

5.梯形图中程序的执行顺序是逐行逐句顺序执行的，与继电器-接触器控制电路的并行工作方式不同。

2.3.3布尔助记符（BooleanMnemonic）

布尔助记符是用布尔助记符来描述程序的一种程序语言设计语言。

布尔助记符与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。

2.3.4顺序功能图（SequentialFunctionChart）

顺序功能图是用顺序功能图来描述程序的一种程序设计语言。

它是近年来发展起来的一种程序设计语言。

采用顺序功能图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入手，是系统的操作具有明确的含义，便于设计人员设计思想的沟通，便于程序的分工设计和检查调试。

2.2.5功能图块（FunctionBlock）

功能图块是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能块有不同的功能。

它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其他端子，完成所需的控制运算或控制功能。

功能模块可以分为不同的类型，在同一类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量，输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。

由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的更改、信号连接的替换等操作可以很方便实现。

2.2.6结构化语句（StructuredText）描述

结构化语句描述是用结构化的描述语句来描述程序的一种程序设计语言。

它是一种类似于高级语言的程序设计语言。

在大中型的PLC系统中，常采用结构化语句描述来描述控制系统中各个变量的关系。

它也被用于集散控制系统的编程和组态。

结构化语句描述采用计算机的描述语句来描述系统中各个变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。

大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。

第三章基于PLC推焦车的监控系统

3.1系统简介

3.1.1系统的组成

推焦车PLC控制系统由计算机、可编程控制器（PLC）、行程开关、变频器MM440、液压泵、液压阀、PLC扩展模块、制动电机和风机等组成。

系统通过操作台、行程开关上的开合实现PLC的信号输入，通过PLC的信号输出实现对变频器的控制和液压阀的控制，通过变频器的输出信号控制电机运行。

整个系统在各个部分的紧密结合下实现对推焦电机的安全有效控制。

3.1.2控制方式

设计上从安全、可靠、方便简洁原则出发系统控制分2个层次：

1.操作台控制

在工作人员的控制操作台上，有控制推焦车所有运行状态的按钮和各个运行状态提示灯。

操作台控制为工作人员提供了简单、快捷、安全的操作平台，使推焦车的控制更方便、安全的运行。

2.配电柜中心控制

在配电柜里，也有推焦车运行状态的提示灯和控制按钮。

配电柜控制为工作人员的检修、维护、调试提供了方便快捷的操作平台，使推焦车的检修、维护更加方便。

3.1.3PLC系统的特点

PLC控制系统采用优秀的上位机软件作为操作和监控的人机界面，利用开放的工业以太网或PROFIBUS现场总线实现现场信息采集和系统通信，采用控制站来实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。

PLC系统具有以下特点：

一是高度的可靠性和稳定性；二是高速度、大容量的控制站；三是集中的、从上到下的组态方式；四是集中的、友好的人机界面；五是开放的结构，可以同管理级进行通信；六是同现场总线技术融为一体。

3.1.4PLC在焦炉车辆上的应用

1．PLC系统联锁动作的控制

PLC在焦炉车辆联锁控制中是保障机车安全操作的必要条件，通过PLC联锁，大大降低了工人的劳动强度。

其主要联锁工艺如下：

摘门联锁：

允许推焦车摘门=推焦车摘门机构对准计划推焦炭化室的中心位置（在规定允许范围内）+当前时间离计划时间在规定允许范围内。

允许拦焦车摘门=拦焦车摘门机构对准计划推焦炭化室的中心位置（在规定允许范围内）+当前时间离计划时间在规定允许范围内。

推焦联锁：

一级允推=推焦车、拦焦车、熄焦车对准计划推焦炭化室的中心位置（在规定允许范围内）+拦焦车导焦栅到位（闭锁）+熄焦车卸焦门关闭+当前时间离计划时间在规定允许范围内。

二级允推=一级允推+拦焦车确认+熄焦车确认。

平煤联锁：

允许平煤=推焦车对准平煤中心位置（在规定允许范围内）+装煤车允许平煤+小炉门打开。

装煤联锁：

允许开盖=装煤车对准计划推焦炭化室（已推完焦）的中心位置（在规定允许范围内）+机、焦侧炭化室炉门关闭。

允许装煤=装煤车对准计划推焦炭化室（已推完焦）的中心位置（在规定允许范围内）+已开盖+机、焦侧炭化室炉门关闭。

允许取煤=装煤车对准任一取煤口的中心位置（在规定允许范围内）。

2．PLC系统对焦炉车辆动作的控制

推焦车、拦焦车、推焦动作和平煤动作在接焦操作完毕后，根据实际设定的工艺流程和串序方式（或计划炉号），由PLC控制机车自动行走到下一计划炉号，并一次定位在规定允许范围内的位置。

装煤车：

装煤操作完毕后，装煤车自动行走并定位到电子秤位置（规定允许范围，此时向网关PLC发送称重信号）；称皮重完毕后，装煤车自动行走并定位到取煤位置（规定允许范围），取煤完毕后，装煤车自动行走并定位到电子秤位置（规定允许范围，此时向网关PLC发送称重信号）；称毛重完毕后，根据实际设定的工艺流程和串序方式（或计划炉号），机车自动行走到下一计划炉号，并一次定位在规定允许范围内的位置。

熄焦车：

位置判断是否熄焦（行程开关），定位熄焦、定位接焦。

接焦完毕后，熄焦车自动行走并定位到熄焦位置（规定允许范围）；熄焦完毕后，熄焦车自动行走并定位到计划卸焦位置（规定允许范围）；卸焦完毕。