高炉料车上料自动控制系统毕业设计.docx
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高炉料车上料自动控制系统毕业设计
学号：
HEBEIUNITEDUNIVERSITY
毕业设计说明书
GRADUATEDESIGN
设计题目：
高炉上料料车自动控制系统
摘要
目前高炉上料的形式主要有两种：
一是卷扬料车上料，二是皮带上料，由于料车上料占地面积小，在中小高炉中得到广泛的应用。
本设计采用双料车交替上料方式，由卷扬机牵引料车在轨道上行进，到达高炉炉顶后料车自动将原料卸入高炉内。
当前多数的高炉卷扬机的调速方式是串电阻调速，但电阻容易烧毁，加上卷扬机钢丝绳松紧程度不一，有时出现料车“挂顶”事故，严重影响了生产效率，因此需要此系统进行改造。
本设计通过PLC程序给变频器发送信号，改变频率大小，从而改变电机的速度，实现料车的加减速控制，并采用组态软件WinCC对整个运行过程进行实时监控，保证了系统控制的可靠性和安全性。
关键词料车上料；PLC；变频器；WinCC
Abstract
Theblastfurnacefeedingatpresentbasicallyhastwokinds:
oneisliftingskipfeeding，theotheroneisbeltfeeding，duetotheskipfeedingcoveranareaofanareasmall，widelyusedinthemiddleandsmallblastfurnace.Alternatingfeedingway，thisdesignusesdoublecarbytractionskiphoist，marchingtotheblastfurnacetopskipautomaticallyaftertherawmaterialofdischargingintotheblastfurnace.Currentlymostoftheblastfurnaceofthehoistspeedcontrolmodeisseriesresistancespeedgoverning，butresistancetoburn，tightnessandhoistwireropeisdiffer，sometimesskip"hangingroofaccident，seriouslyaffectedtheproductionefficiency，soneedtomodifythesystem.ThisdesignthroughthePLCprogramdesignsize，sendasignaltofrequencyconvertertochangefrequencytochangethespeedofthemotor，tocontrolthedecelerationoftheskip，andusestheconfigurationsoftwareWinCCreal-timemonitoringofthewholeoperationprocess，ensurethereliabilityandsecurityofthesystemcontrol.
KeywordsTheskiploading;PLC;Frequencyconverter;WinCC
第1章绪论
1.1高炉上料系统
1.1.1高炉上料系统简介
高炉上料是整个高炉冶炼生产的关键环节，担负着为炼铁高炉提供原料的功能。
高炉上料系统将来自料仓的各种原料按一定的配料比送到高炉内进行冶炼，整个上料过程大部分是顺序逻辑控制，涉及到一些模拟量控制，但没有反馈，不构成闭环过程控制，故而多采用可编程控制器（PLC）进行控制。
目前高炉上料的形式主要有两种：
一是卷扬料车上料，二是皮带上料。
高炉上料方式应以满足总图布置要求和满足上料能力为前提来选择合理的上料方式，对750
至1500
级高炉来说，料车上料与皮带上料均能满足上料能力的要求，在这种情况下，若在总图布置与工艺布置上无优势，如无地形高差优势，无物料输送短捷优势，则宜采用料车上料方式。
因此，在《高炉炼铁工艺设计技术规定》中也明确750
级高炉应采用料车上料，1200
级至2000
级高炉可采用料车上料方式，也可采用皮带上料方式。
1.1.2国内外高炉上料方式比较
表1-1列出了国内外750～1500
级高炉上料方式的部分实例，从表中可看出，大部分为料车上料，其中攀钢4BF和重钢5BF，水钢1BF和2BF，均因利用了地形高差而采用皮带上料，其余高炉的皮带上料为无地形高差，矿槽地平面与高炉地平面处于同一水平。
表1-1国内外750～1500
高炉上料方式
厂名
炉号
炉容
出铁厂及铁口个数
上料方式
攀钢
1
1200
1
料车上料
攀钢
4
1350
2
皮带上料
重钢
5
1200
1
皮带上料
宣钢
8
1260
2
皮带上料
首钢
5
1036
1
料车上料
梅钢
1
1080
1
料车上料
梅钢
2
1250
1
料车上料
水钢
1
788
1
皮带上料
水钢
2
1200
1
皮带上料
本钢
5
2000
1
料车上料
酒钢
2
1000
1
料车上料
武钢
1
1386
1
料车上料
武钢
2
1536
1
料车上料
武钢
3
1513
1
料车上料
邯钢
5
1260
2
皮带上料
日本新日铁室兰
1
1249
1
皮带上料
日本新日铁釜石
1
1150
1
料车上料
德国蒂森公司
4
1445
1
料车上料
法国索拉克帕塔拉尔
6
1275
1
料车上料
英国雷文斯克雷格
1
1414
1
料车上料
巴西沃尔塔雷东达
1
1160
1
皮带上料
巴西沃尔塔雷东达
2
1378
1
皮带上料
澳大利亚纽卡斯尔
3
1075
1/2
料车上料
澳大利亚纽卡斯尔
4
1288
1/2
料车上料
1.1.3皮带上料与料车上料投资比较
采用皮带上料时，由于矿槽布置远离高炉，当球团矿用量高于10%，皮带机倾角不应超过12°，因此在无地形高差优势条件下，750～1500
级高炉炉顶皮带机头轮标高分别为50m和56m，则上料主皮带机水平长度分别为245m和275m。
采用料车上料时，矿槽布置紧靠高炉，750
和1500
高炉矿槽中心距高炉中心分别为48m和55m，因此750
和1500
高炉皮带上料与料车上料相比，矿槽距高炉中心要远197m和220m，折合成占地，则要多占1180
和1400
。
由于皮带上料方式与料车上料方式相比，矿槽距高炉中心更远，因此，皮带上料方式的钢结构量和设备质量更重。
以某厂750
高炉为例:
在矿槽地坪比高炉地坪高12m，主皮带机尾轮距高炉中心约200m的前提下，皮带上料方案比料车上料仍要多685万元投资。
1.1.4皮带上料与料车上料运行费用比较
皮带上料与料车上料相比，电机功率大，运行时间长，因此，运行费较高。
皮带为连续运转，而料车运行时间正常只有60%左右，因此即使在功率相同情况下，皮带上料运行费也比料车上料高40%。
以750
高炉为例：
皮带上料传动装置为4×110kW，料车上料传动装置为2×190kW，电价按0153元/kWh计，料车上料每天142批，每批上料时间为4×41秒，则皮带上料年运行费要比料车上料高出10517万元/a，电耗高出19914万kWh。
按高炉利用系数214t/m3∙d计算，则皮带上料比料车上料吨铁耗电要高出3104kWh。
以上比较仅仅是对上料主皮带机与料车运行的比较，由于皮带上料矿槽布置远离高炉，因此一般情况下，上高炉矿槽的运料皮带要比料车上料方式的长，若加上这些皮带的运行费，则总运行费还要增加。
首钢2号高炉（1327
）采用皮带上料，而4号高炉（1200
）采用料车上料，实测耗电结果是2号高炉比4号高炉每吨铁多耗电815kWh。
1.2料车上料简介
本设计采用料车上料方式。
在工作过程中，采用两个料车交替上料。
两个料车由同一台卷扬机牵引，料车的运动由卷扬机通过钢绳传动，当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的车厢自重。
电动机始终处于电动状态运行，免去了电动机处于发电运行状态所带来的种种问题。
其中料车卷扬机作为一种高速、重型的特种起重机械，是高炉生产的关键设备，它构成主要包括料坑、料车、斜桥、卷扬机，结构如图1-1所示。
图1-1料车上料系统简图
在实际生产过程中，当炉顶布料器料空时请求上料，由主控PLC发出信号，使抱闸打开，实现料车的平稳启动。
料车启动时电机先以高速运行，在运行至第一减速点时，由行程开关返回位置信号至PLC，信号在PLC中进行处理，然后输出低速信号至变频器开关量输入端子，变频器选择低速给定，电机开始低速运行拉动负载。
同样，料车到达第二减速点时再次减速。
最后料车运行到停车点，行程开关发送停车信号给PLC，PLC控制变频器停车和抱闸闭合，料车开始卸料。
料车运行速度的改变由变频器控制实现。
根据料车的运行速度，可画出变频器频率曲线，如图1-2所示。
图中OA为重料车启动加速段，加速时间为3s；AB为料车高速运行段，频率为50Hz，电动机转速为740r/min，钢绳速度1.5m/s；BC为料车的第一次减速段，由行程开关发出第一次减速信号给PLC，PLC控制变频器MM440使频率从50Hz下降到20Hz，电动机转速从740r/min下降到296r/min，钢绳速度从1.5m/s下降到0.6m/s；DE为第二次减速段，频率为6Hz，钢绳速度由由0.6m/s下降到0.18m/s。
当料车运行至高炉顶时，限位开关发出停车命令，由PLC控制MM440完成停车。
左右料车运行速度曲线一致。
图1-2变频器频率曲线
第2章整体设计方案
本设计利用PLC与变频器对上料料车的运行进行加、减速控制。
左右两个料车由同一根钢绳牵引，运动速度大小相同，方向相反，以左料车为例进行说明：
左料车斜桥上面依次装有四个行程开关，料车在斜桥桥底时触碰到“高速上行行程开关”，行程开关通过数字量输入模块将信号送入PLC中，经过PLC运算处理后又将输出量信号通过数字量输出模块送入变频器中，变频器与电动机直接相连，通过对其设定不同的频率值，可以改变电动机的运行转速。
左料车高速上行至“中速上行行程开关”处，PLC再次将中速上行信号送入变频器中，变频器通过降低频率值进而降低电动机转速，实现料车第一次减速。
当料车将要到达高炉炉顶时，料车触碰“低速上行行程开关”进行最后一次减速。
左料车以低速上行到炉顶后撞击到“上行极限开关”，极限开关将停车信号送入PLC中，随后PLC向变频器发出停车信号，变频器将电动机转速降低为零，同时PLC向抱闸继电器发出抱闸信号，左料车停车并自动开始向高炉上料。
上料持续10s，然后PLC向变频器发出电机反转信号同时打开抱闸，开始右车上料。
为方便设备维修，需要设计料车手动运行方案。
手动运行时，点击相应运行状态按钮，料车会按程序设定的相应的的动作运行。
除此之外，还需要设计当出现“松绳故障”，“变频器故障”时上料系统自动抱闸，防止生产事故的出现。
除了在生产现场可以通过操作面板上的按钮对上料系统进行操控外，本设计添加了上位机监控模式。
上位机与PLC进行实时通讯，通过在个人电脑中安装上位机监控软件可以监控现场情况，并可以通过监控界面上的虚拟按钮操控整个上料系。
高炉上料系统结构框见图2-1。
图2-1料车上料系统系统框图
第3章PLC程序设计
3.1PLC简介
3.1.1PLC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应用于几乎所有工业领域。
现代社会要求对市场需求做出迅速反应，生产出多批量、多批种、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控制装置。
可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，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，应经成为当代工业自动化的支柱产业之一，在工业生产领域得到了广泛使用。
国际电工委员会（IEC）对PLC做了如下定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程的存储器，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。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
3.1.2西门子PLC（S7-300）的基本结构
本设计采用西门子S7-300系列PLC。
西门子的PLC以其极高的性价比，在国际国内市场占有很大的份额，在我国的各行各业得到广泛的应用。
S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信息模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程计算机组成。
各种模块安装在机架上，通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络，可以与计算机、其他PLC或其他设备通信。
（1）CPU模块
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在PLC控制系统中CPU模块相当于人的大脑和心脏，他不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。
S7-300将CPU模块简称为CPU。
（2）信号模块
输入模块和输出模块简称为I/O模块，开关量输入、开关量输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、模拟量输出模块简称为AI模块和AO模块，他们统称为信号模块。
信号模块是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信息，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关光、灯开关、压力继电器等来的开关量输入信号。
模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号或者直接接收热电阻、热电偶提供的温度信号。
开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。
模拟量输出模块用来控制电动调节阀，变频器等执行器。
CPU模块内部的工作电压一般是DC5V，而PLC的外部输入输出信号电压一般较高，例如DC24V或AC220V。
从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。
在信号模块中，用光耦合器和小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部输入输出电路。
信号模块除了传递信号外还有电平转换与隔离的作用。
（3）功能模块
为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，plc厂家开发了各种各样的功能模块。
他们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务，例如高速计数、位置控制和闭环控制等。
（4）接口模块，
CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可增设一个或多个扩展机架。
接口模块（简称为IM）用来实现中央机架与扩展机架之间的通信。
（5）通信处理器
通信处理器（简称为CP）用于PLC之间，PLC与远程PLC之间，PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将S7-300接入各种通信网络，CP也用于实现点对点通信等。
CPU模块集成有MPI通信接口，有的CPU模块还集成了其他通信接口。
（6）电源模块
电源模块（简称为PS）用于将输入的AC220V电源或DC24V电压转换为稳定的DC24V和DC5V电压，供其他模块和输出模块的负载使用。
（7）编程设备
S7-300般使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，可以生成和编辑各种文本程序或图形程序。
程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。
编程软件还有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。
3.1.3S7-300的特点
（1）编程方法简单易学
梯形图是使用的最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达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要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，性价比高
一台小型PLC内有成百上千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。
（4）可靠性强，抗干扰能力强
传统的的继电器控制系统，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倒少量外部硬件元件，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及电气系统电路图的时间要少得多。
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。
可以用仿真软件PLCSIM来模拟S7-300的CPU模块的功能，用它来调试用户程序。
（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。
S7-300/400提供了多种多样的故障诊断和显示的方法，使用户能方便快速的查明故障的原因，迅速的排除故障。
（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。
PLC控制系统与继电器控制系统相比，配线用量和安装接线所需工时间少，加上开关柜体的缩小，可以节省大量的费用。
3.1.4S7-300的应用领域
在发达的工业国家，PLC已经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：
（1）开关量逻辑控制
PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现梯形图中触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。
开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动化生产线，其应用领域已遍及各个行业，甚至深入到民用和家庭。
（2）运动控制
PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴和多轴联动的位置控制，是运动控制与顺序控制功能有机的的结合在一起，PLC的运动控制功能广泛的用于各种机械，例如金属切削机床、金属成型机械、装配机械、机器人、电梯等场合。
（3）闭环过程控制
闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制，PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量和数字量之间的A/D转换与D/A转换，并对模拟量实行闭环PID控制，S7-300有闭环控制模块、用于闭环控制的功能块和闭环控制软件包供用户选用。
其闭环控制功能广泛地应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。
（4）数据处理
现代的PLC具有整数四则运算、浮点数运算、函数运算、逻辑运算、求反码和补码、循环、移位等运算功能，以及数据传送、转换、排序、查表等操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可以与存储器中的参考值比较，也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。
（5）通信联网
PLC的通信包括PLC与远程I/O之间的通信，多台PLC之间的通信、PLC与其他智能设备（例如计算机、变频器、数控设备）之间的通信。
PLC与其它智能控制设备一起，一组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。
3.2创建项目与硬件组态
3.2.1STEP7简介
习惯上将STEP7称为编程软件，西门子称之为标准工具。
实际上STEP7的功能已远远地超出了编程软解的范畴。
STEP7对于整个控制系统（包括PLC、远程I/O、HMI驱动装置和通信等）进行组态、编程和监控。
STEP7主要有以下功能：
（1）组态硬件，即在机架中放置模块，为模块分配地址和设置模块参数。
（2）组态通信连接，定义通信伙伴和连接特性。
（3）使用编程语言编写用用户程序。
（4）下载和调试用户程序，启动、维护、文档建立、运行和故障诊断等功能。
3.2.2创建项目
在SIMATIC管理器中执行菜单命令“文件”→“新建”，在出现的“新建项目”对话框中（见图3-1）创建一个用户项目。
图3-1“新建项目“对话框
在“命名”文本框中输入新项目名称，“存储位置”可以自由选择，点击“浏览”按钮，可以修改保存新项目的文件夹。
点击“确定”按钮后返回SIMATIC管理器，生成一个空的新项目。
3.2.3硬件组态
集成在STEP7中的硬件组态工具HWConfig用于对自动化工程使用的硬件进行配置和参数设置。
在PLC控制系统设计的初期，首先应根据系统的输入、输出信号的性质和点数，以及对控制系统的功能要求，确定系统的硬件配置，例如CPU模块与电源模块的型号，需要哪些输入/输出模块，（即通信模块SM）、功能模块（FM）和通信处理模块（CP），各种型号的模块和每种型号的块数等。
如果S7-300的SM、FM和CP的块数超过八块，除了中央机架外还需要配置扩展机架和接口模块IM。
确定了系统的硬件组成后需要在STEP7其中完成硬件组态工作，并将组态信息下载到CPU。
硬件组态包括下列内容：
（1）系统组态：
从硬件目录中选择机架，将模块分配给机架中的插槽。
用接口模块连接多机架系统的各个机架。
对于网络控制系统，需要生成网络和网络上的站点。
（2）CPU的参数设置：
设置CPU模块的多种属性，例如启动特性、扫描件监视时间等，设置的数据存储在CPU的系统数据中。
如果没有特殊要求可以使用默认的参数。
（3）模块的参数设置：
定义模块所有的可调整参数。
组态的参数下载后，CPU之外的其他模块的参数一般保存在CPU中。
在PLC启动时，CPU自动向其他模块传送设置的参数，因此在更换CPU之外的模块后不需要重新对他们组态和下载组态信息。
对于已经安装好硬件的系统，用STEP7建立网络中的各个站对象后，可以通过通信从CPU上载实际组态和参数。
在硬件组态工具HWConfig中，双击S7-300的导轨（Rail）生成一个机架。
在机架中，各模块的插入位置是固定的。
第一个槽中应该
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