机械本科论文马钢一烧结厂竖炉生产自动控制系统.docx
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机械本科论文马钢一烧结厂竖炉生产自动控制系统
人才培养模式改革和开放教育试点理工类毕业设计（论文）
安徽广播电视大学
毕业设计（论文）
分校名称马鞍山电视（广播）大学
年级名称04春开放（本科）
专业名称计算机科学与技术
课题名称马钢一烧结厂竖炉基础
自动化系统的设计和实现
学生姓名包士伟
学生姓名陆明强
2006年6月10日
摘要
介绍了马钢一烧结厂竖炉自动控制系统的设计思想、系统控制方案、系统组成及功能，给出了系统的硬件配置、软件配置及实践。
自动控制系统的实现大大降低了工人的劳动强度，提供了生产效率，降低了生产成本，提高了球团矿的产量和质量。
论文详尽论述了从需求分析、系统分析、概要设计、详细设计、以及测试与调试的整个开发过程，总结了开发过程中的经验及本系统今后的改进方向。
遵循软件工程的方法。
论文从软件工程的角度描述了系统的开发过程，从计划期的问题定义一直到开发期的编码调试都进行了比较详细的介绍。
这将为系统今后修改、维护以及进一步开发提供重要的参考资料。
关键词:
竖炉球团;自动控制;组态软件
Abstract
Abstract:
Thispaperintroduceddesignidea,schemeandfunctionsoftheautomaticcontrolsystemoftheshaftfurnaceofthefirstsinteringfactorypelletizingplant.Andtheconfigurationsofhardwareandsoftwareofthesystemareputforward.Afterthecompletionofthesystem,thelabourintensityisdecreased;theproductivityisraised;andtheproducecostisdown.Atthesametime,thepelletoutputisincreased;andqualityisimproved.
Thethesisdiscussedindetailsanalyticalfromtheneed,systemanalysis,essentialsdesign,detaileddesign,andtestandthewholedevelopmentprocessthatadjusttotry,tallieduptodeveloptheimprovementdirectionoftheexperienceandthissystemwithinprocessaftertime.Followthemethodofthesoftwareengineering.
Thispaperhasdescribedthedevelopmentcourseofthesoftwarefromtheangleofsoftwareproject.Fromtheproblemdefiningofplanningperiodtosoftwaretestofdevelopingperiodareallintroducedinthedetailedchapter.Itwillbeanimportantreferencematerialforupdate、maintenanceandthefuturedesigning.
Keywords:
shaftfurnacepalletizing;automaticcontrol;configurationsoftware.
目录
1.绪论1
2.问题分析2
2.1引言2
2.2改造背景2
2.3存在问题2
3.生产流程4
3.1系统现状4
3.2工业流程4
4.系统设计6
4.1设计思想6
4.2电控系统概述8
4.2.1控制的基本原则8
4.2.2电气传动方式9
4.2.3运行方式和操作模式10
4.3系统详细设计10
4.3.1原料系统10
4.3.2竖炉系统12
4.3.3成品系统14
4.3.4除尘系统15
5.系统编程17
5.1PLC编程17
5.1.1电控程序17
5.1.2仪控程序19
5.2WINCC组态20
5.3报表23
6.系统调试结论24
总结25
致谢26
参考文献27
附录:
部分原程序代码28
1.绪论
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反映，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（ProgrammableLogicController,PLC）正是顺应这一要求出现的，它是一种以计算机技术为基础的，专为工业环境设计的数字运算控制装置。
具有功能齐全、使用方便灵活、可靠性高、抗干扰能力强及易于维护维修等优点。
它不仅可替代传统的继电器控制系统，还可以构成复杂的工业过程控制网络，已成为现代工业自动化的主流。
随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。
当前用于工业控制的计算机可分为几类。
例如可编程序控制器、基于PC总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用于模拟量闭路环控制的可编程调节器、集散控制系统和现场总线控制系统工等。
本课题控制系统使用的开发工具是Step75.2，它是西门子公司专为SIMATICS7-400系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。
它的主要编程语言是梯形图，是目前使用的最多的PLC的编程语言，它实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言后再去执行，因为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，简单易学，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉并且用来编制用户程序，深受广大工程技术人员的支持！
画面监控系统的开发工具是采用西门子公司的WINCC6.0,它是WindwosControlCenter（视窗控制中心）的简称。
它集成了SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统（Windows2000或XP）环境下使用各种通用软件的功能。
它具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。
用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监控画面、报警画面、实时趋缓曲线、历史趋势曲线和打印报表等。
它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。
WINCC的整体开放性，使得用户可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立了友好地人机界面，满足了实际要求。
本文首先简要地描述了系统的控制对象和控制任务；然后介绍了一烧结厂竖炉自动控制系统的设计思想；并根据生产过程的工艺流程和要求，讨论系统的体系结构以及硬件、软件地设计方案和实现。
2.问题分析
2.1引言
工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工业控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化；工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。
虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。
从20世纪60年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。
20世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。
全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快新产品投放市场时间、改善质量、降低成本以及完善服务体系，这就是企业的T.Q.C.S.。
虽然计算机集成制造系统（CIMS）结合信息集成和系统集成，追求更完善的T.Q.C.S.，使企业实现“在正确的时间，将正确的信息以正确的方式传给正确的人，以便作出正确的决策”，即“五个正确”。
然而这种自动化需要投入大量的资金，是一种高投资、高效益同时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。
在我国，中小型企业以及准大型企业走的还是低成本工业控制自动化的道路。
2.2改造背景
马钢第一烧结厂竖炉球团生产是一个配料、烘干、润磨、造球、布料、高温焙烧、出料于一体的复杂过程。
首先将来自原料厂粉末状铁精矿与膨润土，按照一定的配比，经过配料系统后形成混合物料，经过烘干混合均匀后送入圆盘造球机形成一定大小的圆球，称为生球。
然后，生球经过布料车布料后进入竖炉炉体，对生球按照一定的规律进行高温焙烧，形成的成品球输出到成品球料场，作为高炉炼铁的炉料。
目前，马钢第一烧结厂原有1#、2#竖炉，年产球团矿80万吨。
为了配合完成马钢“十五”结构调整，实现1000万吨钢的目标，马钢一烧结厂决定新建年产球团矿60万吨的3#竖炉。
并借新建3#竖炉的时机，对1#、2#竖炉的设备老化的电控仪控系统作整体改造。
2.3存在问题
原有的1#、2#竖炉的电控系统和仪控系统是各自独立的；电控系统采用的是国产华光PLC，按系统功能设置了烘干混匀、1#竖炉、2#竖炉、成品四个主站。
仪控部分采用西门子S7400PLC，每个竖炉各设一个主站，配有以太网通讯卡，通过TCP/IP协议连接到上位机系统。
其中1#、2#竖炉的电控PLC抗干扰能力较弱，加上现场电气条件复杂，又没有良好的接地系统，经常导致信号误动作和从站通讯故障，影响了正常的生产节奏；同时程序设计方面也不能满足目前的工艺要求。
原系统仅在必要的地方采用硬接线的方式完成PLC之间的联锁，而且各子系统之间功能也相对独立，步骤之间的衔接完全靠中控室调度，由于自动化程度不是非常高，事故停机率一直居高不下：
在竖炉岗位不时出现过烧和欠烧的情况，布料排料岗位也不时因给料设备原因会有布料不均，卸料不匀的情况，使得产品质量不稳定，炉体寿命受到严重影响。
同时，设备利用率低，生产工艺和生产管理不完善，也造成了生产原料的浪费，增加了生产成本。
3.生产流程
3.1系统现状
竖炉工段现有竖炉三座，分别是一期工程年产球团矿40万吨的8m2竖炉各两座和二期工程年产球团矿60万吨的10m2竖炉。
电控和仪控系统主站均采用西门子公司的S7系列可编程控制器，用来完成电控和仪控的任务。
所有从站采用ET200M。
CPU选用西门子S7400系列的414-2DP，该CPU提供了大量的内存变量（M）、定时器（T）、计数器（C），而且运算速度快能够保证复杂控制程序的运行。
现场开关量模板使用220v的信号，大大的提高了抗干扰能力。
开关量输出采用DO322-1HF10模板，该模块为每个信号提供单独电源，比两个信号公用电源的模板配置灵活性更高。
模拟量输入模板采用AI331-7KF01，该模块可以采集标准的4-20mA、0-20mA、10v、Pt100，K电耦、E电耦等信号，主要用于采集温度、压力、流量等数据；上位机系统采用西门子的WinCC开发。
加强上位机系统的操控功能，取代操作台，仅保留现场操作箱。
设备及子系统等主要操作都在上位机系统上实现，可以减少了大量电气元件间连接造成的故障点。
由于操作地点分散，需要设置14个上位机系统工作站，为保证系统协调和减少网络负担，采用客户机/服务器模式，仅服务器连接到PLC网络上，客户机与服务器连接采用另一条以太网，服务器实际上充当网关作用。
为克服这种结构一旦服务器死机全系统瘫痪的问题，采用双主机热冗余的方案，当主服务器故障，客户机可以切换到备用服务器上继续工作。
加强用户管理，对不同区域用户的权限加以限制。
在紧急情况下，可以更换登陆用户身份，接管故障区域的操作。
增加报表管理功能，可以对温度、压力、流量等工艺参数定时记录，并提供查询功能。
3.2工业流程
首先将来自原料厂粉末状铁精矿与膨润土，按照一定的配比，经过配料系统以形成混合物料，经过烘干筒烘干混合均匀后经转运皮带运到润磨间，用润磨皮带向润磨机供料，润磨机将矿粉进一步细磨；混匀料不需要全部润磨或在润磨机检修时，可以将混匀料直接送到混合料仓。
润磨后的料经配送皮带送入混合料仓，落入圆盘给料机上，其下对应给料皮带，向造球圆盘供料，造球圆盘将造好的小球通过接料板落入输送皮带，然后进入圆辊筛筛分，分级后不合格的小球和粉末返回到返料皮带机返回到配料槽。
合格的生球通过设有电子称的输送皮带机转运至梭式布料机，生球通过梭式布料器布到炉内生球干燥蓖上。
在生球干燥蓖的生球被向上流动的热废气烘干之后进行高温焙烧实现固结反应。
从竖炉下两侧鼓入的冷却风，通过冷却段，与热球团矿充分交换热量，初步冷却球团。
成品球团经过竖炉下齿辊卸料机的破碎，通过振动给料机被连续均匀排出炉体并卸入到链板输送机上。
再经链板输送机进入鼓风带冷风机进一步冷却，冷却后的球团从带冷机头部卸下，均匀布到悬臂振动筛（冷筛）筛分，合格成品落入成品皮带运到成品矿槽；不合格的球团进入筛下矿槽进入返矿皮带。
图3.1工艺流程
4.系统设计
4.1设计思想
为解决原来老式控制系统存在的问题，增强系统稳定性，提高自动化程度，有必要将1#、2#炉的改造纳入3#竖炉电气系统作统一考虑。
因为在这次改造中3#炉采用西门子公司的S7系列可编程控制器，所以也将烘干混匀、成品的控制系统硬件更换为SIEMENS公司的S7系列可编程控制器。
1#、2#竖炉可利用已有的仪控S7PLC，完成电控和仪控的任务。
所有从站均采用ET200M。
CPU选用西门子S7400系列的414-2DP，其提供了大量的内存变量（M）、定时器（T）、计数器（C），而且运算速度快能保证复杂控制程序的运行。
现场开关量模板使用220v信号提高抗干扰能力。
开关量输出采用DO322-1HF10模板，该模块为每个信号提供单独电源，比两个信号公用电源的模板配置灵活性更高。
模拟量输入模板采用AI331-7KF01，该模块可以采集标准的4-20mA、0-20mA、10v、Pt100，K电耦、E电耦等信号。
对于高分度的S电耦可以通过配电器转换成4-20mA信号。
为提高系统的抗干扰能力，同时为电控网络安装单独的电子接地系统。
每个主站设CP443-1通讯处理器，将所有主站连接在以太网上。
一方面，可以实现主站之间的信号交换，取代原先的硬接线联锁信号。
由于从网上交换数据，可以实现更复杂的联锁控制。
另一方面可以将所有的控制信号、状态、过程数据传送到上位机系统系统上，使电气设备的运行状况可视化，加快对故障的判断和处理。
图4.1系统配置
上位机系统采用西门子的WinCC开发。
加强上位机系统的操控功能，取代操作台，仅保留现场操作箱。
主要操作都在上位机系统上实现，可以减少了大量电气元件间连接造成的故障点。
由于操作地点分散，需要设置14个上位机系统工作站，为保证系统协调和减少网络负担，采用客户机/服务器形式。
仅服务器连接到PLC网络上，客户机与服务器连接采用另一条以太网，服务器实际上充当网关作用。
为克服这种结构一旦服务器死机全系统瘫痪的问题，采用双主机热冗余的方案。
当主服务器故障，客户机可以切换到备用服务器上继续工作。
图4.2网络结构图
加强用户管理，对不同区域用户的权限加以限制。
在紧急情况下，可以更换登陆用户身份，接管故障区域的操作。
增加报表管理功能，可以对温度、压力、流量等工艺参数定时记录，并提供查询功能。
计算机使用pcAnywhere远程管理软件进行管理，在网络畅通的情况下在服务器上可以监控客户机的运行，并处理其故障或重新启动客户机。
提高维护效率，减少维护时间和降低工作量。
4.2电控系统概述
4.2.1控制的基本原则
从工艺的流程角度，一个完整的竖炉球团生产分为配料、烘干、造球、焙烧、成品（冷却）、除尘等6个环节。
由于配料部分有南京三埃公司承接，故不在本文的讨论范围内。
每个环节基本上都自成系统，在联动（集中操作）运行方式下，相互之间也存在连锁关系。
而且每个系统又根据内在联系的紧密和控制方式的不同划分为相应的子系统。
每个子系统均设有自身的起停控制功能。
主要包括单动/联动模式的选择、启动预告、启动、停止和急停。
其中启动预告、启动、停止属于联动模式的操作，当选择单动时，这些操作是无效的。
启动预告是用来在系统启动之前向现场发出预告信号，现场操作人员可以对设备进行确认，并做好启动前的准备。
对启动预告的处理方式一般有两种：
一种是等待现场的应答信号，当接收所有应答信号，预告结束，允许启动；另一种是设置一个预告延时，延时时间到，允许启动。
本系统采用第二种方式。
使用停止命令后，只有当所有设备停止以后才允许再次发出启动预告。
联动启动的原则是下游先启动（按物流方向分成上下游），上游后启动。
停止的顺序正好相反。
单动（机旁操作）时，只能通过各设备机旁启动/停止按钮进行操作，各设备单机运行，没有任何联锁关系。
急停按钮按下，该系统及上游系统所有设备立即停机。
本系统中，运行模式选择和联动操作均在中控室的HMI上完成（有的系统会单独设置操作台），单动时，HMI上不能操作。
上游子系统要选择联动启动，其相邻下游子系统必须有一个在联动运行状态。
正常启动方式是由下游到上游的各个子系统单独启动。
但也提供了另一种选择，即启动某个下游子系统时同时检查其上游子系统，若上游子系统处于联动状态，则本子系统启动完毕自动启动其上游子系统。
这种方式仅在发出启动预告时检查，启动预告后再将上游子系统转入联动是无效。
同样停止也有两种方案。
第二种方案增加了控制的复杂性，只有原料烘干和冷却成品中采用了这种方案。
子系统间的连锁有两重含义。
一是顺序起停的连锁，下游不启动上游则不允许启动，上游不停止则下游不允许停止；二是故障跳车连锁，下游设备故障引起上游系统跳车。
子系统之间的连锁关系可以在HMI上选择投入与否。
如在烘干和成品就有这方面的要求。
正常生产均采用联动的运行方式。
只有检修设备的时候才使用单动的方式。
但在联动方式下，机旁停止信号，被视为联动时故障处理的一部分，是可以干预的。
联动情况下的故障主要指现场的事故开关、热保护继电器、机旁停止按钮的动作。
当某一个设备的上述三个信号之一动作后，本台设备立即停止，而且本子系统内相应的上游设备也立即停止，甚至上一个子系统的设备也要停止（要看子系统间连锁是否投入）。
当故障恢复后可以用停止点（设备）的机旁启动按钮从重新启动，相应的上游设备也会自动依次启动。
同时也允许在HMI上重新启动之。
4.2.2电气传动方式
电气控制的主要对象的传动控制方式，一般有直接启动、软启动、变频调速三种方式。
大部分皮带都是恒速的，而且功率不大，一般采取直接启动的方式。
对于功率较大的烘干筒、润磨机就需要采用软启动了。
通常需要调速的设备有配料皮带、给料圆盘、振动给料机。
直接启动的设备的起停控制全部参加PLC的控制。
软启动的设备不参加PLC控制，但和PLC之间有连锁信号，通常PLC发出允许启动到设备自身的控制回路中，PLC等待设备的运行反馈信号，再完成与其他设备的连锁控制。
变频器的调速，首先分为闭环和开环两种方案，如配料皮带就属于闭环；其他的基本上都是开环，针对配料皮带的情况将在配料系统中详细描述。
另外，变化比较多的是速度的给定方式。
通常这类变频器都不上ProFiBus网，信号全部通过硬接线完成。
第一种方案是由电位器调速（直接到变频器），PLC只采集实际频率；第二种方案是实现由本地（电位器）和远程（HMI）的互备调速，要增加一个选择本地或远程的控制。
直接启动设备通常需要有以下信号：
信号名称
信号类型
信号描述
位置
电源合闸
DI
自动开关辅助常开点
配电柜
运行反馈
DI
接触器辅助常开点
配电柜
热保护
DI
热继电器常闭点
配电柜
机旁启动
DI
启动按钮常开点
机旁操作箱
机旁停止
DI
停止按钮常闭点
机旁操作箱
事故开关
DI
事故开关常闭点
现场
设备启动
DO
接触器线圈
配电柜
表4.1直接启动设备信号表
软启动设备通常需要以下信号：
信号名称
信号类型
信号描述
位置
允许启动
DO
中间继电器线圈
配电柜
运行反馈
DI
中间继电器常开点
配电柜
表4.2软启动设备信号表
是否采用中间继电器要根据实际选用的模板而定，如果是220V的模板就可以不用。
变频器控制设备通常需要下列信号：
信号名称
信号类型
信号描述
位置
电源合闸
DI
自动开关辅助常开点
配电柜
运行反馈
DI
变频器辅助常开点
配电柜
变频器故障
DI
变频器辅助常开点
配电柜
机旁启动
DI
启动按钮常开点
机旁操作箱
机旁停止
DI
停止按钮常闭点
机旁操作箱
本地给定
DI
选择开关常开点
机旁操作箱
远程给定
DI
选择开关常开点
机旁操作箱
给定频率
AO
变频器
配电柜
表4.3变频器启动设备信号表
系统的本地远程的选择也有在HMI上进行的。
4.2.3运行方式和操作模式
手动、自动着眼于设备的运行方式，指启动时是否需要人为的干预；单动、联动着眼于设备之间是否存在连锁关系，一个设备故障是否会影响其他设备的运行。
在本系统中，大部分情况下手动和单动是对应的，自动和联动是对应的。
也有不对应的时候，如齿辊的自动运行就没有和其他设备的连锁，起停靠预先设置的时间决定。
本地、远程着眼于操作地点。
远程指从HMI上操作，本地指机旁操作箱或手操器等现场操作。
有时也将远程操作成为集中操作，本地操作称为机旁操作。
远程操作并不等同于联动或自动。
如风机的启动，虽然处于集中操作，但也是由HMI手动启动的。
4.3系统详细设计
4.3.1原料系统
1、原料系统工艺流程
图4.3原料系统工艺流程图
根据工艺流程划分为5个子系统：
●1#烘干系统：
P1、S1、1#烘干混匀机、Z1；
●2#烘干系统：
P2、S2、Z3、2#烘干混匀机、Z4、Z5；
●润磨系统：
Z2、R1、R2、1#润磨机、2#润磨机、R3；
●1#转运系统：
S3、G1；
●2#转运系统：
Z6、Z7、Z8、Z9、Z10；
精矿粉、膨润土经皮带送到配料室矿槽，经圆盘给料机到电子皮带称，称重后配加到配料皮带P1、P2上，向两个烘干子系统供料。
烘干子系统的烘干炉和烘干混匀筒用于将含水的精矿脱水，并将造球混合料混匀至成分均匀。
烘干混匀料经Z2皮带运到润磨间，润磨机将矿粉进一步细磨。
用R1皮带向润磨机供料，当混匀料不需要全部润磨或在润磨机检修时，R1反转将混匀料直接送到S3皮带上运走。
1#转运系统主要负责向1#、2#竖炉提供造球的原料；2#转运系统负责向3#竖炉供料。
2、原料系统电气控制（系统启动）
系统的启动分为各个子系统的单独启动和系统连锁启动两种情况。
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