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自动布料控制系统的设计毕业设计论文

毕业设计（论文）自动布料控制系统的设计

摘要

自动布料控制系统主要包括矿仓料位检测与控制；布料小车位置检测与控制；以及对相关设备实施逻辑连锁与保护控制，确保整个系统安全、稳定、高效的运行。

在焦化配料过程中，配煤仓出现混煤对产品质量有着直接的影响。

目前大多数焦化厂配煤布料系统中布料方式都是布料工人实现布料，极易造成混煤和堵料斗等质量事故。

针对传统的布料形式的弊端，设计出高效稳定的自动布料控制系统显得尤为的重要。

本自动布料控制系统以炼焦厂煤的自动布料为主体工艺，采用PLC为核心处理器，结合电气控制技术、检测技术将现场所有控制设备构建为分布式系统，通过软件编程和软硬件组态技术实现自动布料的现代化监控与管理。

开发出性能优良的、适用于各型焦炉的PLC控制系统；控制系统包括布料小车位置检测系统、料仓料位检测系统、信号的处理及传输和布料小车连锁控制系统。

关键字料位检测，可逆皮带，PLC，电气控制

ABSTRACT

Automaticdistributingcontrolsystemmainlyincludesthemateriallevelinorebinsdetectionandcontrol;Clothcarpositiondetectionandcontrol;Andtherelatedequipmentimplementationlogicchaincontrolandprotection,toensurethesystemsafe,stableandefficientoperation.Appearedintheprocessofcokingingredients,withcoalblendedcoalhasadirectaffectthequalityofproduct.Currentlymostcokingplantblendingclothfabricinformationinthesystemareworkersachievecloth,clothiseasilymixedcoalandqualityaccidentssuchaswallhopper.Aimedatthedisadvantagesoftraditionalformsofmaterial,designofefficientandstableautomaticdistributingcontrolsystemisparticularlyimportant.

Thisautomaticcontrolsystemtocokingplantcoalautomaticfabricclothasthemainbodycraft,USESthePLCasthecoreprocessor,combinedwithelectriccontroltechnology,detectiontechnologywillbuildfieldallcontrolequipmentforthedistributedsystem,throughthesoftwareprogrammingandhardwareandsoftwareconfigurationtechnologytorealizethemodernizationoftheautomaticclothmonitoringandmanagement.Developexcellentperformance,suitableforvarioustypesofcokeovenofPLCcontrolsystem;Controlsystemincludingclothcarpositiondetectionsystem,binmaterialleveldetectionsystem,signalprocessingandtransmissionandclothcarchaincontrolsystem.

KeywordsMaterialpositiondetection,reversiblebelt,PLC,electriccontrol

1绪论

1.1课题背景

自动布料控制系统通过对矿仓料位的检测，实现矿仓的优先布料和均匀布料，以达到煤料合理分布的目的。

自动布料控制系统主要包括：

矿仓料位检测与控制；布料小车检测与控制；以及对相关设备实施逻辑连锁与保护控制，确保整个系统安全、稳定、高效的运行。

目前先进的自动布料控制系统特点：

采用了先进的控制系统；自动、手动的切换功能使控制系统更加方便管理；高可靠的仪表配置使系统运行更持久；优秀的控制软件使系统更具智能化；高效的控制使操作更简单方便也节约了生产成本。

在我国国民经济中钢铁行业是占有十分重要地位的基础性行业，国民经济的整体发展离不开钢铁行业的生产发展。

就现在钢铁行业而言，钢铁行业发展的主要矛盾已经不是钢铁产品数量，目前钢铁行业面临的紧迫任务是加速结构调整、转变增长方式、提高综合竞争力。

由近年来世界经济的影响，钢铁行业发展受到了很大影响，行业内的设备技术更新已经成为制约钢铁行业发展的瓶颈。

在冶炼钢铁的过程中，钢铁冶炼的原料焦炭是不可缺少的。

冶炼的效率与焦炭质量的高低有着密不可分的联系。

而在焦炭的生成过程中，导致燃煤燃烧不充分的原因很多，比如，煤层高低不平，分配不均等问题。

这极大的影响了焦炭燃烧的效率，也增加了能源损耗。

在焦化配煤布料的过程中，如果配煤仓出现了混煤的事故，这会对产品的质量有直接的影响。

目前大多数焦化厂配煤布料系统中布料方式都是布料工人实现布料，极易造成混煤和堵料斗等质量事故。

针对传统的布料形式的弊端，设计出高效稳定的自动布料控制系统显得尤为的重要。

1.2课题综述

1.2.1本课题研究的意义

在炼焦厂生产过程中，设备出现故障导致的生产停产会造成巨大的经济损失，因此，有一套操作维修方便、布料高效均匀、自动化程度高、性能稳定、故障率低的布料控制系统就尤为重要。

自动布料控制系统的研究，是过程控制与现代先进科学技术的有机结合，使得现代新技术在传统布料控制系统中得到推广和应用。

极大的提高了布料的生产自动化程度和可靠性，是自动布料控制系统革命性的进步，此系统还可用于混泥土布料，石灰窑布料等场合，具有很大的实用价值和推广意义。

1.2.2自动布料控制系统的发展现状

目前大多数焦化厂配煤工艺中煤的自动布料都是由操作工来完成。

在布料的过程中，布料车的控制都是有操作工手动完成，缺乏有效的自动布料控制系统。

其现场的环境恶劣，粉尘噪音也很污染严重，对工人的身体健康有极坏的影响，工作人员作业时的情绪和心态很容易受到影响，同时工人的专业素质和技术水平高低，与其同时工作的堆取料机的工人的配合默契度等都会影响配煤中煤的布料操作，这样就容易操作混煤错仓的严重事故。

传统的布料方式故障率较高，操作界面和程度复杂，现场需人值守操作，自动化程度不高，也增加了生产成本，维修也不方便。

当今世界正进入一个新的发展时期，在国际竞争中，我国钢铁企业的生产规棋、成本、质、环保和效益等方面与发达国家相差太大，这让我们面临着极大危机，因此采用高新技术改造传统工业，降低成本，稳定优化生产，提高市场竞争力将成为我国切铁企业追求的目标。

随着自动化技术的发展，应用的工厂的自动化技术日趋成熟，工厂自动化程度也越来越高，全自动化控制煤的布料定会取代传统的布料方式。

同时改善企业生产、经营环境，将成为刚铁企业未来发展的趋势。

2自动布料控制系统的工艺流程

本自动布料控制系统以炼焦厂煤的自动布料为主体工艺，采用PLC为核心处理器，结合电气控制技术、检测技术将现场所有控制设备构建为分布式系统，通过软件编程和软硬件组态技术实现自动布料的现代化监控与管理。

开发出性能优良的、适用于各型焦炉的PLC控制系统；控制系统包括布料小车位置检测系统、料仓料位检测系统、信号的处理及传输和布料小车连锁控制系统。

料仓料位传感器通过线路将信号传给PLC，PLC经过运算处理将行动指令通过线路传给小车，小车通过可逆皮带电机运动到达指定位置并将料放到指定斗槽中。

集控室通过设定相应的参数，实现了整个布料系统设备的自动连锁和料仓上的可逆小车的自动行走控制，杜绝了人为因素造成的混料、错仓等质量事故的发生。

有效的实现了自动布料控制，焦炭的质量也得到了提高，降低了能源损耗，提高了生产效率和经济效益。

通过编程，小车会自动判断当前所处仓位和具体位置坐标，选定目标料仓可让小车自动运行到指定位置进行布料。

图2.1自动布料控制系统流程图

图2.2某工厂现场生产的示意图

根据现场工艺流程，我们可实现：

1.布料小车的位置检测

2.布料小车连锁控制

3.布料小车的自动控制

系统是集成计算机技术、网络通讯技术、PLC控制技术和感应无线技术为一体的自动化生产控制及管理系统，布料小车控制管理系统由三大部分构成：

中央控制部分、料车定位控制部分、布料小车连锁控制部分。

采用无线编码电缆技术进行料车的走行精确定位，实时监控料车走行、料车卸料过程，实现移动机车的无人作业，降低现场作业人员的劳动强度，提高工作效率，实现安全高效、自动化生产。

3自动布料控制系统的选择

3.1继电器-接触器控制

该系统由接触器、继电器、主令电器和保护电器等元件组成，按照一定的控制逻辑接线组成的控制系统。

它包含控制线路、主电路、照明电路及辅助电路组成。

其工作原理就是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组成控制逻辑，从而实现对电动机、皮带机机械设备的起动、停止、反向、调速的顺序控制和自动保护功能。

采用继电器——接触器控制系统实现煤的自动布料控制，线路成本低廉，控制方式直观、操作简单、维护调整方便，现场人员容易掌握，但它体积较大，控制速度慢，改变控制功能必须通过改变接线来完成，适合简单控制的部分。

3.2PLC控制

3.2.1PLC的发展历程

从1969年到现在，PLC的发展过程可分为四个阶段：

第一阶段PLC功能简单，机种单一，只有逻辑控制功能，采用的是磁芯存储器存储，没有形成系列。

第二阶段PLC增加了数字运算、传递、比较等功能，产品也替换成了8位的微处理器和半导体存储器，能完成模拟量控制，初步形成系列。

第三阶段PLC的功能和处理速度大大增加，向多微处理器方向发展，增加了多种特殊功能，如浮点数运算、平方、三角函数等自诊断功能，容错技术迅速发展。

第四阶段该阶段PLC能完成对整个车间（或整个工厂）的监控，可在CRT上显示多种多样的现场图像，CRT的画面可代替仪表盘的控制，可做各种控制和管理工作，十分灵活方便；可以将多台PLC连接起来与大系统连成一体，网络资源也能共享；除了有传统的梯形图、流程图、语句表编程语言，还有用于机床控制的数控语言等。

虽然PLC发展至今只有四十多年的历史，但随着微处理器技术的发展，可编程序逻辑控制器也得到了迅猛发展，并以其良好的性能满足了生产的需要。

PLC正由整体结构向小型模块化结构发展。

小型的PLC配置更加灵活，功能不断增强，并将以前大、中型PLC才有的功能部分移植到其上，如模拟量处理等。

为了满足大规模控制系统的需要，PLC的I/O点数、微处理器的位数都将增加，也将采取多CPU并行工作和增加存储器容量来提升PLC的功能。

PLC控制系统将与智能控制系统进一步相互渗透和结合，近年来出现了很多智能模块，如通信模块、快速响应模块、模拟量I/O模块、高速计数模块等，这些带CPU和存储器的智能模块扩展了PLC功能，提高了PLC的适应性和可靠性，扩大了PLC的应用范围。

3.2.2PLC的特点

1　高可靠性，很好的抗干扰能力

在硬件方便，PLC才用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，宁武还采取了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施；在软件方面，PLC采用了故障检测自动恢复等措施，所以PLC能在一个具有很强的电磁干扰、电噪声、极端温度、过电压、欠电压、震动和湿度很大的工业环境中可靠地工作，因此其平均无故障时间可以达几十万小时。

2　配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3　易学易用，深受工程技术人员的欢迎

PLC没有采用计算机控制中所使用的汇编语言来编程，而是采用“梯形图”语言来进行编程。

这种梯形图语言与继电器控制电路类似，形式简练，容易掌握，不需要专业的计算机知识。

广大电气工作人员都可以在比较短的时间内学会用梯形图编制控制程序。

PLC还提供了功能表图、语句表等编程语言，梯形图功能表图、语句表之间还可以相互转换，只用起来非常灵活方便。

3.2.3PLC的主要构成和各主要部分的功能

PLC由中央处理器CPU，存储器，输入输出接口，编程器组成。

中央处理器CPU是PLC核心，它的作用是接受输入的程序并存储程序。

扫描现场的输入状态，执行用户程序，并自诊断。

存储器用来存放程序和数据。

输入接口采集现场各种开关接点的信号状态，并将其转化成标准的逻辑电平，输出接口用于输出电信号来控制对象。

编程器用于用户程序的编制，编辑，调试，检查和监视。

还可以显示PLC的各种状态。

PLC的扫描工作方式与电气控制的工作原理明显不同。

当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，这需要执行很多的操作，但是CPU是不可能同时执行多个操作的，CPU只有按分时操作的（串行工作）方式，每次只执行一个操作，按照顺序逐一执行。

因为CPU的运算处理速度非常快，所以从整体上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。

这就是PLC的串行扫描工作方式。

用这种扫描工作方式来执行用户程序的时候，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。

然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成一次上述三个阶段称为一个扫描周期。

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应单元内。

在用户执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间,CPU按I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外围设备。

3.2.4PLC控制系统的设计基本原则

不管何种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，来提高生产的效率和产品的质量。

因此，在PLC控制系统的设计时，应遵守以下基本的原则：

1　最大限度地满足被控对象的工艺要求

充分的发挥PLC控制系统的功能特点，最大程度地满足被控对象的工艺要求，这是PLC控制系统设计的首要前提，也是设计过程中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在设计前就要去现场做好调查研究，收集被控对象的现场资料，收集有关的国内、国外先进资料。

2　保证PLC控制系统安全可靠

控制系统设计的重要原则之一就是，保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行。

这会要求设计人员在系统设计、软件编程、元器件选择上要考虑全面，以确保控制系统的安全可靠。

3　力求简单、经济、使用及维修方便

一个先进的控制系统必然能对产品的质量和数量有所提高，会带来更大的经济效益和社会效益，但是新工程的投入、技术培训和设备的维护也将导致运行成本的增加。

因此，在满足控制工艺要求的前提下，一是要不断地提高工程的效益，另一方面也要注意尽可能降低工程的成本。

4　适应发展的需要

随着技术的持续发展，控制系统的工艺要求也将会不断地提高，在控制系统设计时要适当的考虑到以后控制系统的发展和完善的需要。

这就要求在PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量的选择时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的完善。

3.3继电器-接触器控制与PLC控制结合

料仓料位传感器通过线路将信号传给PLC，PLC经过运算处理将行动指令通过线路传给小车，小车通过可逆皮带电机运动到达指定位置并将料放到指定斗槽中。

传感器从现场检测到实际值，通过电缆传输到PLC中，PLC里面有程序，目的就是通过传感器传进入的信号在结合自己里面的程序控制接在PLC后面的继电器，继电器的带电与否会是继电器里面的触电关闭或断开，犹如一个开关断开阖上一样，定时器接在继电器后面，犹如闹钟确定在你需要的时间内使继电器带电或停电。

触点在连上后面的电源、开关、布料小车。

通过前面触点的断开和合并来控制后面布料小车的开启和停止。

通过编程，小车会自动判断当前所处仓位和具体位置坐标，选定目标料仓可让小车自动运行到指定位置进行配卸。

实现系统的高效稳定布料。

3.4控制方案的比较和选择

随着微机技术与传统的继电接触控制技术的发展，逐渐形成了可编程序控制器PLC，PLC克服了传统的继电接触控制系统的机械触点接线麻烦、可靠性低、功耗高、灵活性和通用性差的缺点，这充分的利用到了微处理器的优点，同时又能考虑到现场的电气操作维修工人的技能特点与习惯，尤其是PLC程序的编制，不需要工作人员有专业的计算机编程语言方面的知识，而是采用一套以传统继电器梯形图为基础简单编程语言的指令形式，使用户在程序编制时方便易学、形象、直观的进行编制；调试、检查和改错也很方便。

使用PLC控制，用户只需按照PLC给的说明书简单的提示，做简单的用户程序编制和少量的接线工作，就可方便灵活的将PLC用于生产实践当中。

PLC主要是程序控制，而继电器为机械控制，通常小型简单、逻辑性单一的线路控制可以采用机械控制，这样会比较节约成本。

大中型线路控制，以及逻辑性复杂的工程，采用PLC控制，这样就可以根据不同的逻辑控制输出不同的控制模式，并且采用PLC控制，它的可扩展性强，而继电器控制扩展比较麻烦。

现在大多数的控制线路都是采用PLC控制，以及继电器隔离的方式进行工作，在程序和机械上行程双层互锁，很好的保证了控制效果以及末端的设备。

本自动布料控制系统是采用继电器-接触器控制与PLC控制结合。

装料信号通过线路将信号传给PLC，PLC经过运算处理将行动指令通过线路传给小车，小车通过可逆皮带电机运动到达指定位置并将料放到指定斗槽中。

4自动布料原理的设计

本自动布料控制系统的组成包括布料小车检测检测系统、布料小车行走控制系统、料仓料位检测系统、PLC控制系统的控制中心等。

布料小车位置检测系统将小车位置信号传给PLC系统，PLC通过编程将接收到的信号指令发给布料小车控制系统，布料小车由一三相异步电动机控制，装料检测系统将装料信号再传给PLC系统，经过PLC系统的处理发出相应的信号指令，如此顺序的逻辑控制。

系统的原理图如下图。

5设备的选择

5.1检测及电气设备的选择

小车控制系统信号的处理包括工作状态信号、启停信号、故障信号、操作模式的选择信号等，将这些信号实时的传给系统才能实现小车行走的准确控制。

一般的传统方法是通过数据通讯电缆，但本系统中小车的移动的距离较远，敷设电缆，难度较大，因此系统选择了低功率、全数字、高频无线收发器用于小车和控制系统之间的数据通讯。

系统检测小车位置，传统检测的方式是编码器位置检测、采用声波检测等方法，通过现场使用的检测效果比较，传统检测方法会存在测量不稳定、误差较大的严重缺陷，这就影响到系统的稳定性和可靠性。

此系统采用的是工业级激光测距仪，这样检测小车的位置，它有标准的信号接口，具有耐高温、防尘、运行稳定、精确度高等优点。

在PLC控制系统获得小车位置信号以后，通过PLC处理成相应的槽位信号，并根据小车位置和装料斗槽位置的关系，控制布料小车的自动行走和相应斗槽的下料位置，通过皮带的正反转控制，使物料能准确的下到相对应的料仓。

5.2PLC的选型

5.2.1选型分析

在系统设计中主要根据被控对象的工艺要求和用户需要等方面选择适当的PLC，通过对比使用性能价格比最佳的类型。

对于一个控制系统而言，PLC的选型考虑因素和原则如下:

1　一般以开关量控制为主和兼有模拟量控制的系统大多使用PLC，这尤其适用于逻辑关系复杂、程序多变、动作频繁的系统。

使用在这样的系统，会使技术经济效果发挥到最佳。

2　是否需要双机热备、中断输入、高速计数器、位置控制等智能模块和特殊模块。

是否要求构成网络信息系统，是否与计算机连接，以及对远程站的设置要求。

3　开关量I/O点数、模拟量1/0路数、内存容量、电压等级及输出功率。

1/0点数会直接影响到PLC输入/输出模块的选择，I/0点数一般要考虑1件到2件的余量，尤其是开关量的输入更应该考虑多些余量;选择适当的电压等级可提高PLC的抗干扰能力，主机用户内存容量的大小对设备的影响不是很大，因此会建议主机用户内存容量可以选择大一些。

4　选择PLC的其他因素有：

对其结构、系统组成、外型、技术服务、价格、应用业绩、设置条件等多项指标进行综合分析比较，然后选择理想的PLC产品。

5.2.2系统的安装

有无远程功能的PLC适用的控制系统也肯定不同，大范围的控制系统一般使用有远程的PLC。

单机或控制范围不大的系统一般使用无远程功能的PLC。

在远程控制系统中，集中控制室一般会设有本地站，而低压配电室或仪表室一般用于远程站，这样也是为了使PLC的外部接线尽可能短。

PLC尽量不安装在结凝、高温、特别是震动强烈的场所。

5.2.3PLC选型的确定

本自动布料控制系统在PLC选择上采用三菱FX系列PLC，三菱FX系列PLC软继电器编号由字母和数字组成。

其中：

输入继电器和输出继电器用八进制数字编制，其他均采用十进制数字编制。

三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

三菱PLC的特点：

系统配置即固定又灵活；编程简单，丰富的品种；令人放心的高性能；高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化；共同的外部设备。

自动布料小车控制系统利用了三菱FX系列PLC的特点，对电动机、行程开关及其他一些输入/输出点进行控制，实现了布料的自动化。

5.2.4输入/输出模块的选择

1　开关量输入模块的选择

开关量输入模块的种类很多，按每块模块的输入点数分：

常用的有8点、12点、16点、32点等；按工作电压分：

常用的有直流5V、12V、24V、48V等，交流110V、220V等；按外部接线方式分：

有汇点输入、分隔输入等。

开关输入模块选型时主要应注意一下几点：

工作电压等级，门槛电平，模块密度，输入端漏电流。

2　开关量输出模块的选择

与开关量输入模块一样，也有很多种类，在选用时需要考虑以下几个方面：

输出方式，输出电流。

为了防止因负载短路等原因而损坏输出模块，输出回路必须外加熔断器作为短路保护。

继电器输出方式的模块可选用普通熔断器；晶体管输出方式的模块选用快速熔断器。

3　模拟量输入模块的选择

输入信号的种类及输入值的范围。

输入信号有电压、电流、热电阻、热电偶等不同种类。

在选用模块时一定要注意现场信号的种类及输入值的范围。

模拟量输入模块的分辨率、精度、转换时间等参数要符合具体的系统