基于PLC的水泥厂磨机自动控制系统设计.docx

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基于PLC的水泥厂磨机自动控制系统设计

XXXXXXXX

自动化学院

本科毕业设计（论文）

题目：

基于PLC的水泥厂磨机自动控制系统设计

专业：

自动化（数控技术应用）

班级：

学号：

学生：

指导教师：

教授

起迄日期：

2009.3～2009.6

设计地点：

实验楼_

GraduationDesign（Thesis）

DesignofAutomaticControlSystembasedonPLCforCementmill

By

Supervisedby

AssociateProf.

DepartmentofAutomationEngineering

June,2009

摘要

本课题主要采用西门子S7-200系列PLC进行水泥厂磨机自动控制系统的设计，用来实现水泥厂磨机的：

逆流程起车、顺流程停车、紧急情况下设备急停、设备集中逻辑闭锁控制、单台设备起停控制。

大多数中小型水泥厂在建厂初期或改造时资金都很紧缺，如何解决有限的资金与先进的自动化水平之间的矛盾一直是困扰水泥行业的头疼问题，PLC技术的低成本的特性恰恰满足了这一需求；水泥生产过程为连续过程，需要大量的顺序和联锁控制，开关量点数占总数的80％，这非常符合价格低廉的PLC的控制特点。

S7-200系列小型PLC（MicroPLC）可应用于各种自动化系统。

紧凑的结构、低廉的成本以与功能强大的指令集使得S7--200PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。

负荷控制方面采用的是模糊控制系统。

将模糊控制用于PLC水泥厂磨机自动控制系统，实现磨料的自动配比，以更好的完成水泥生产任务，提高生产质量。

关键词：

PLC；西门子S7-200；模糊控制

ABSTRACT

ThemaincontentofthesubjectisdesignaautomaticcontrolsystemforcementmillwithSiemensS7-200seriesPLC.Itincludesinverseprocessstart,processstop,breakingincaseofemergency,focuslogiccontroloftheequipment,singlemachinestartingandstoping.

Mostofthesmallandmedium-sizedcementplantareLackofmoneyatthebeginningoratthetimeoftransformation.TheS7-200seriesisalineofmicro-programmablelogiccontrollers（MicroPLCs）thatcancontrolavarietyofautomationapplications.Compactdesign,lowcost,andapowerfulinstructionsetmaketheS7-200aperfectsolutionforcontrollingsmallapplications.ThewidevarietyofS7-200modelsandtheWindows-basedprogrammingtoolgiveustheflexibilityweneedtosolveautomationproblems.

FuzzyControlhereisusedtomixmaterials,inordertofinishthemissionwell,andimproveproductionquality.

Keywords：

PLC;SiemensS7-200PLC;Fuzzycontrol

第一章绪论1

1.1引言1

1.2水泥磨改造原因2

1.3控制设计思路2

1.4系统主要功能3

1.5磨机主要检测参数与控制回路4

第二章PLC介绍8

2.1PLC的功能和应用8

2.2PLC的基本工作原理10

2.3S7-200概述13

第三章模糊控制认识18

3.1模糊控制由来18

3.2模糊控制系统的组成19

3.3模糊控制的基本原理20

3.4模糊控制系统的语言表示21

3.5几种主要的模糊推理方法22

第四章水泥磨机的负荷控制24

4.1水泥粉磨过程工艺24

4.2水泥磨模糊控制思想27

4.3模糊控制的实现29

4.4控制效果32

第五章下位机编程软件设计31

5.1STEP7V5.0简介31

5.2PLC控制系统设计34

5.3STEP7设计仿真37

本文结构38

第六章结论39

6.1结论39

6.2经济效益39

致41

参考文献42

附录A：

英文资料43

附录B：

英文资料翻译48

附录C:

下位机程序清单52

附录D:

以三台机为例的仿真图形60

第一章绪论

1.1引言

现如今，生产过程自动化在水泥行业的发展中有着极其重要的地位。

它不仅有效地保证了生产的高效和稳定，大大提高了水泥产品质量，降低了能耗和生产成本，同时提高了全员劳动生产率。

然而，除一些大型水泥厂投资额充足外，大多数中小型水泥厂在建厂初期或改造时资金都很紧缺。

解决资金问题成为自动化发展的重要目标之一。

随着计算机技术的迅猛发展，处理器计算能力的日益强大，网络技术的日臻成熟，计算机产品价格的不断降低，全面降低自动化控制系统的投资额已成为可能。

正是在这个背景下，我们引用计算机技术完成了水泥厂水泥磨系统的设计和安装调试运行。

水泥生产过程是一连续过程，需要大量的顺序和联锁控制，开关量点数占总数的80%，这非常符合价格低廉的PLC的控制特点。

目前，PLC技术有了很大的发展，它不仅加强了对连续量的控制功能，还提供了基本的PID运算与各种应用计算功能模块。

在操作员接口方面也不断推出新，开发出功能强大的通用组态软件，使整个系统在计算能力、响应速度、灵活性与可维护性方面得到了很大的提高，成为具有较高性能价格比，极富竞争力的PLC和IPC集成控制系统，它已成为中小型水泥厂的首选控制系统。

如Siemens公司的PCS7、S7系列、GE公司的90-30系列、AB公司的SLC系列、Modicon公司的Quantum系列等。

水泥粉磨是水泥生产过程中的一个重要环节，水泥配料与磨机负荷控制效果是影响水泥产量质量的关键，由于该生产现场环境比较恶劣，工人操作劳动强度大，一般控制手段难以达到要求，容易造成水泥质量不稳定，设备运行安全系数小，水泥产量低。

利用计算机控制实现磨机负荷自动控制、水泥配料自动控制以与机电设备启停和储库料位信息采集等综合管理控制，对改善工人劳动环境，保证水泥磨长期安全运转，提高产量，稳定质量，降低能耗等方面具有重要的意义，采用计算机控制可以取得很好的社会经济效益。

水泥配比和机电设备自动启停等方面的技术国已比较成熟，应用也比较广泛。

要实现磨机负荷自动控制，一般采用提升机功率、磨音、粗粉（或细粉）回粉量等能反映磨机负荷状态的控制方法。

国外对水泥磨机负荷控制，大多采用选粉机粗粉回粉量加新入磨料量，即设定常数的方法；国对水泥磨负荷的控制除采用设定常数方法外，一般选用以下几种方法：

①采用“电耳”检测磨音信号进行控制，如松江水泥厂和水泥厂。

②提升机功率和磨音（电耳）信号进行控制，如顺昌水泥厂和粉磨站。

③采用出磨料量或选粉机细粉量等于入磨料量进行控制。

我们的项目中采用的是提升机功率＋磨音信号＋粗粉回粉量的控制方法。

[8]

1.2水泥磨改造原因

老式的控制系统由于入磨物料配比不稳定和磨机负荷控制力度不够，设备台时产量偏低,不能有效实现产量质量达标。

由于配料手段落后，现场环境条件较差，工人操作困难以与磨机负荷控制的滞后性，造成“空磨”、“饱磨”频繁发生，研磨体的磨机衬板无功磨损较大，能耗高，噪声大，水泥质量不稳定。

鉴于以上原因，用户提出对系统进行改造并有如下控制要求：

1）系统全部采用微机控制；

2）保证系统运行可靠，维修、操作方便；

3）系统设备要有“就地”、“中控”两级控制，以中控操作为主；

4）工艺参数直观、齐全、准确。

1.3控制设计思路

鉴于以上控制要求，我们对系统的控制设计思路如下：

就一台设备而言，每台设备的电机设有两种启动方式：

机旁就地控制（手动a）和中控室集中控制（自动c），个别重要设备还设置了控制柜手动停止按钮，如磨机等。

正常情况下，控制柜的多节转换开关（SA）都是打在自动位置，设备都是集中由机控室的操作人员通过微机来操作的，只有在检修时才打在停止位。

说明，多节转换开关可以控制多台设备。

在手动状态下，由启动按钮启动设备，停止按钮停止设备；在自动状态下，由上位机发指令给PLC，PLC通过DO模块相应的通道给中间继电器K的线包一个高电平，继电器线包即吸合，其常开节点K1接通，对应的接触器KM线圈得电，主触头吸合，生产设备得电启动。

设备启动之后，交流接触器KM的常开节点返回给PLC的DI模块一个开关量信号，这样上位机就能看到设备启动了。

现场的模拟量（如温度、流量等）信号通过相应的转换，经信号变送器接入PLC的模拟量输入模块，模拟量输出模块用来控制变频器的频率输出信号，以控制电机的转速。

上位机的任务是：

对现场设备的操作、管理和监控，其中包括对每台设备的启动和停止操作；重要参数在工艺流程图中的位置显示；对工艺参数的调整；各种故障信号的显示和打印；故障和重要参数的历史记录；报表打印。

下位机的任务是：

接受上位机发出的各种指令，控制现场设备；对设备的各种状态进行循环扫描与处理，然后传给上位机；采集工艺参数供上位机使用。

1.4关键技术路线

1.4.1建立集散式计算机控制系统

水泥磨生产线采用以西门子PLC、工业控制计算机等为主,构成具有高可靠性、当今较先进的集散式计算机控制系统实现生产过程控制。

整条生产线自动化控制系统具有较高安全性和可靠性，同时具有先进性、完整性、高效性、易操作、可扩充性等主要特征。

生产线的主要流程操作如：

逆流程起车、顺流程停车、紧急情况下的急停、设备就地控制、设备集中逻辑闭锁控制、单台设备起停控制、水泥磨配料闭环控制参数监测与调整等，由一名操作员在集中控制室上位机的屏幕（触摸屏）上即可完成。

1.4.2生产流程启动、停止与预警

启动时先按起车键，再按执行键，流程方可启动。

流程中设备的启动顺序按逆物流方向进行，即：

处于下游的设备最先启动，之后依次向上顺序启动。

设备间启动间隔应略大于设备单机启动时间，避免因两台大功率设备同时启动，对电网产生过大冲击。

在启动过程中设备产生故障时，故障设备上游已启动的设备停止运行，故障设备下游的设备在系统未发出停止命令的情况下继续运行，待设备故障排除后可继续启动流程。

若故障无法在短时间排除，则由操作员发出流程停止命令，对已启动的设备全部停止，流程需要重新设定后才能启动。

流程结束发出停止命令后，设备按顺物流方向停机。

即：

上游设备最先停机，依次向下停止各设备，设备间停止间隔时间必须按工艺要求与设备运行特性调整，既可保证设备中的物料走空，又能与时停机，减少能源消耗。

若在流程运行过程中，某设备产生故障停机，按设备联锁关系，故障设备下游的输送设备，按设定延时依次停止，上游设备应根据逻辑闭锁关系立即停机。

流程在运行过程中，当系统出现紧急情况时，操作员按下上位机显示屏上的急停按钮后，正在运行的所有设备立即停止，故障情况立即显示在上位机上。

自动控制系统采用集中联锁控制与现