基于plc水泥工艺煤磨控制系统.docx
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基于plc水泥工艺煤磨控制系统
基于PLC的水泥工艺煤磨段自动控制系统设计
设计总说明
可编程控制器（PLC）是一种重要的、应用场合广泛的工业控制器,它通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。
组态软件是数据采集监控系统SCADA的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。
使人们在异地也可以实现对现场设备进行监控和操作。
煤粉制备在工业生产中有重要作用，被广泛应用于冶金、矿山、电力、水泥等行业。
传统煤粉制备控制系统，具有控制点少、靠人工测量、手动操作等特点，随着生产规模的不断扩大和产量的提高，控制系统的处理量不断增大，以往人工现场控制手段己很难满足生产的要求，同时由于人工检测误差大，控制设备落后、安全性低，给整个系统的生产操作和管理带来了很大的困难。
基于上述原因，对煤粉制备控制系统的进行了开发和研究。
本文介绍了PLC在水泥工艺煤磨段自动控制系统中的应用,以及该系统的硬件配置和功能。
同时着重讲述了PLC在煤磨段工艺的煤粉收尘仓温度控制系统中对温度的控制，再结合先进的PID算法完善系统，达到运行可靠、节能的目的。
使用WINCC软件做出上位监控画面，对下位系统进行实时监控，实现数据监控、故障报警和记录功能。
关键词：
煤磨段；PLC；PID；WINCC
RubsthesectionautomaticcontrolsystemdesignbasedonthePLCcementcraftcoal
DesignDescription
Coalpowderpreparationsystemisusedwidelyinmetallurgy，mine，electricpower,cementandSOon，whichisimportantinindustryproduction．TraditionalcontrolsystemhascharacteristicsofafewI/Opoints，manualmeasure，manualoperation．Withtheenlargementofproductionscaleandenhancementofproductunceasingly,theoperationandmanagementofcontrolsystemhavedifficultiesbecauseofthequickerprocessingspeedneeded，manualoperationnotsatisfyingcomplexcontroldemand，bigerrorofmanualmeasure，backwardnessequipmentsandlowsafetyoftraditionalsystem．Therefore，thispaper，frombothpracticalandexperimentalperspectives，developsandsimulatescoalpowderpreparationcontrolsystem．
ProgrammableLogicalController（PLC）isanimportantandwidelyusedindustrialcontroller,whichcancontrolvariousmachinesandproductionprocessesbybinaryoranaloginputandoutput.TheconfigurationsoftwareistheSCADAsoftwareplatformtoolofdataacquisitionsupervisorysystem,apartofindustrialapplicationsoftware'sconstituent.Theusercanbepossibletomonitorandoperatethescenefromremotelocation.
ThisarticlehasintroducedPLCinthesectionofautomaticcontrolsystem'sapplicationofthecementcraftcoalrubs,aswellasthehardwareandfunctioninthissystem.SimultaneouslyemphaticallynarratedachievecontrollingtemperatureinthecoalrubsthesectioncraftthepowderedcoaltoreceivewarehousetemperaturecontrolsystemwithPLC,combinedadvancedPIDalgorithmtoconsummatethesystem.Itachievesreliableoperationandenergysaving.AndusingtheWINCCsoftwaretomakethemonitoringpicturesofcentralcontroller,toachievethereal-timemonitoringtothemonitoringterminalrealizemonitorthedataandthemalfunctionalertandtherecord.
KeyWords:
cementcraftcoalrubs；PLC；PID；WINC
目录
1绪论7
1.1系统简介7
1.2水泥行业介绍7
1.2.1国内水泥工业发展现状7
1.2.2水泥煤磨段工艺8
1.3系统的技术特点及应用前景9
1.4系统的技术要求及研究内容9
2控制器的选择及控制计算法介绍10
2.1PLC控制概述10
2.2PLC工作原理11
2.2.1PLC的组成11
2.2.2PLC模块11
2.2.3PLC的工作原理11
2.3PLC控制系统的应用特点12
2.4西门子PLC13
2.4.1西门子S7-30013
2.4.2西门子STEP713
2.5控制算法—PID14
2.6S7-300实现PID闭环控制的原理15
3下位控制系统设计16
3.1系统分析16
3.2系统输入输出的统计16
3.3硬件的选型17
3.4下位系统程序的设计18
3.4.1系统流程图18
3.4.2系统程序18
4上位监控系统设计24
4.1WINCC的简介24
4.2WINCC软件的性能特点24
4.3WINCC的系统结构26
4.4主监控画面和报警画面27
5上下位通讯与仿真31
5.1上下位通讯31
5.2报警的制作35
5.3上下位的仿真调试36
6结论42
6.1总结42
6.2展望42
7致谢43
参考文献44
附页45
1绪论
1.1系统简介
现代水泥生产过程中，自动化占据着重要地位。
它在保证生产安全可靠、提高产品质量及产量、降低能耗及成本、控制环境污染、降低工人劳动强度、提高设备的运转率及劳动生产率、实现科学的生产控制管理等方面都起着重要的作用[2]。
水泥工业自动化水平的提高，也为水泥生产新工艺的推广和完善创造了条件。
水泥生产工艺复杂，设备连锁众多，各种检测信号相互影响，采用传统的人工控制或继电器仪表控制很难达到控制要求。
如果生产线上的任何一台设备出现故障停机，将影响整个生产线的运行，严重时会发生压料、堵料，给生产带来很大的损失。
采用PLC控制后，真正做到了自动控制，实时监控。
设备出现故障后系统能够按照预先编制好的程序自动停止相关设备，并发出声光报警，提醒操作人员及时处理以免影响生产[1]。
对一些重要的参数和报表系统能够自动生成历史记录和历史趋势，操作人员和技术人员可以随时查询历史数据了解生产情况。
通过对数据的统计和分析提出新工艺，新方法，不断提高水泥的产量和质量。
煤磨段是水泥生产中的核心工艺之一，在煤磨段工艺中进行原煤的粉碎、混合，经过机械加工，最终形成粉状的水泥燃料[4]。
煤磨段是水泥生产中的核心工艺之一，在煤磨段工艺中进行原煤的粉碎、混合，经过机械加工，最终形成粉状的水泥燃料。
目前在国内大多数的水泥厂中的水泥煤磨的控制均采用继电器控制电路完成，这种控制方式虽然工艺简单，成本较低，但工人劳动强度较大，稍有操作疏漏就有可能发生事故。
而且在水泥煤磨的实际过程中，由于现场机械振动、粉尘污染、物料颗粒不均、工艺过程的种种原因，造成水泥煤磨故障率较高，从而导致不必要的经济损失。
因此设计一种基于PLC的水泥煤磨自动控制系统，采用性价比较高、抗干扰能力较强的PLC作为中央处理单元，配合控制软件实现水泥磨煤的自动控制，不仅能使整个粉磨系统、高效地运转，而且真正达到节能、安全、提高产量的目的[6]。
1.2水泥行业介绍
1.2.1国内水泥工业发展现状
中国水泥工业历经百年沧桑，只有在建国后，特别是在改革开放20年中，才获得了真正的大发展。
世界水泥产量1999年达到1542亿吨，其中中国就占了5.6亿吨，而且连续15年居世界首位，绝对量不可谓不高，人均消费量也远远超出世界人均水平，甚至达到了一些发达国家目前的年度消费水平。
从生产工艺和装备制造等工业技术方面看，我国己基本上掌握了从1000/10000td的全套新型技术。
通过改革开放20多年的实践，中国的现代化水泥工业己初见端倪[7]。
但是，目前我国水泥工业面临的主要问题是，代表当代的新型技术在整个工业中的比例太低，还不到20%。
80%以上的还属于20、30年代，40、50年代和50、60年代的工艺技术，尽管做了些大的改进，但本质上无法脱胎换骨。
如何把这个比例倒过来，是一项大的结构调整问题，这将是中国水泥工业今后10~20年内一项艰巨的历史任务。
此外，我国的人均水泥累积消费量还不高，不到发达国家的一半，质量、环保、能源和劳动生产率等主要技术经济指标也与发达国家有相当大的差距[8]。
1.2.2水泥煤磨段工艺
图1-1系统图
原煤从堆煤场经提升机提升后送入原煤仓，通过原煤仓内部的荷重传感器计量后由圆盘喂料机送入煤磨。
原煤在磨内借助热风机送来的热风进行烘干和粉磨，然后送入动态选粉机，不合格的粗粉送回磨头重新粉磨，细粉进入煤粉收尘器。
收尘器收下的煤粉经双向螺旋输送机送至带荷重传感器的煤粉仓中，最后经过转子计量秤计量后送入窑头。
1.3系统的技术特点及应用前景
目前，煤磨段大都采用继电器控制电路完成。
但是工人劳动强度较大，稍有操作疏漏就有可能发生事故。
而且在水泥煤磨的实际过程中，由于现场机械振动、粉尘污染、物料颗粒不均、工艺过程的种种原因，造成水泥煤磨故障率较高，从而导致不必要的经济损失。
采用性价比较高、抗干扰能力较强的PLC作为中央处理单元，配合控制软件实现水泥磨煤的自动控制，使整个粉磨系统、高效地运转，真正达到高效、节能、安全。
现代水泥生产企业一般采用PLC为主体的计算机集散控制系统（DCS），实现全厂自动化控制要求，以降低成本，提高运行可靠性，保证水泥生产设备的安全，增加直接经济效益[11]。
1.4系统的技术要求及研究内容
对煤磨段温度控制系统进行比较全面的分析,并把传统的控制算法和PLC可编程序控制器应用于煤磨段控制系统，完成煤磨段温度控制系统的硬件设计和软件设计。
通过对西门子STEP-7和WINCC的学习，完成煤磨段温度控制系统的程序设计和上位监控画面的设计，由PLCsim软件进行仿真，并进行上下连接，确定系统的可实施性。
2控制器的选择及控制计算法介绍
2.1PLC控制概述
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
PLC是模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作[7]。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适[10]。
2.2PLC工作原理
2.2.1PLC的组成
图2-1PLC组成框图
2.2.2PLC模块
（1）中央处理单元CPU
CPU是PLC的核心部件，由运算器和控制器组成。
主要用于：
接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。
（2）PLC的I/O模块
输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。
输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。
另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。
输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。
2.2.3PLC的工作原理
PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段，如图2-2所示。
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
图2-2PLC运行原理图
2.3PLC控制系统的应用特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统将极高的可靠性。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了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，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。
多种多样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，深受工程技术人员欢迎
PLC是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造。
2.4西门子PLC
SIEMENS PLC在中国的产品，根据规模和性能的大小，主要有 S7-200、S7-300 和S7-400等，本次设计主要应用的是S7-300。
2.4.1西门子S7-300
S7-300针对的是中小系统，他的模块可以扩展多达32个模块，背板总线也在模块内集成，它的网络连接已比较成熟和流行，有MPI（多点接口）、Profibus和工业以太网，使通讯和编程变的简单和多选性，并可以借助于HWConfig工具可以进行组态和设置参数。
S7-300的模块稍微多一点，除了信号模块（SM）之外，它还有：
接口模块（IM）——用来进行多层组态，把总线从一层传到另一层；
占位模块（DM）——为没有设置参数的信号模块保留一个插槽或为以后安装的接口模块保留一个插槽；
功能模块（FM）——执行特殊功能，如计数、定位、闭环控制相当于对CPU功能的一个扩展或补充；
通讯处理器（CP）——提供点对点连接、Profibus和工业以太网。
MPI接口用来连接到编程设备或其他设备，DP接口用来直接连接到分布式I/O。
2.4.2西门子STEP7
每个自动化过程都是由许多较小的部分和子过程组成，所以工程建立的第一个任务是分解子任务。
而每个子任务定义了自动化系统要完成的硬件和软件要求。
其中硬件包括输入/输出数目和类型，对应模块序号和类型，所用机架号，CPU型号和容量，HMI（人机界面）系统，网络系统。
软件方面主要是程序结构，自动化过程中的数据管理，组态数据、通讯数据及程序和项目文档。
在SIEMENS的S7中，上述工作都在项目管理（SIMATIC 管理器），包括必须的硬件（+组态），网络（+组态），所有程序和自动化解决方案的数据管理。
F1在线帮助。
图2-3西门子组合硬件和软件
2.5控制算法—PID
PID控制问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
PID参数的整定方法：
PID参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程整定法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
控制器参数经验方法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。
它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行通过观察认为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数制，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。
本次设计就是使用的是经验法，根据工艺和实际经验获取PID参数。
2.6S7-300实现PID闭环控制的原理
以PLC作为控制器构成的闭环控制系统，如图2-1所示。
图中的虚线部分由PLC来实现。
检测元件将被控量实际值pv测量转换为1V～5V电压信号或4mA～20mA电流信号，该模拟信号接至PLC的AI模块，进行A/D转换，根据用户编写的PID控制程序，将测量值与给定值sp比较，通过二者的偏差e（t）进行PID算法的运算得到输出操作信号u（t），经PLC的AO模块进行D/A转换，转换后的信号（1V～5V电压信号或4mA～20mA电流信号）用于驱动执行结构，实现对被控对象的控制。
-
图2-1PLC闭环控制系统
3下位控制系统设计
3.1系统分析
根据水泥煤磨收尘仓控制原理，收尘仓有三个温度经传感器检测变送到PLC，与设定值比较，大于该值送至PID中进行运算，运算完成后输出，调节电磁阀开度进行温度调节使其达到温度设定值；小于设定值则不运算。
3.2系统输入输出的统计
输入输出量有数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出四种。
根据分析煤磨段的工艺，其输入输出情况如表3-1：
设备名称
采样信号
信号类型
1
斗式提升机过载电流
PIW256
模拟量
2
原煤仓料位
PIW258
模拟量
3
磨机1轴前温度
PIW260
模拟量
4
磨机2轴前温度
PIW262
模拟量
5
磨机1轴后温度
PIW264
模拟量
6
磨机2轴后温度
PIW266
模拟量
7
热风机转速
PIW268
模拟量
8
煤粉收尘仓压力
PIW270
模拟量
9
煤粉收尘仓温度1
PIW272
模拟量
10
煤粉收尘仓温度2
PIW274
模拟量
11
煤粉收尘仓温度3
PIW276
模拟量
12
煤粉仓料位
PIW278
模拟量
13
计量称重量
PIW280
模拟量
14
电磁阀开度
PQW288
模拟量
15
起始信号
I12.0
数字量
16
提升电机
I12.1
数字量
17
磨机电机
I12.2
数字量
18
螺旋输送机1皮带
I12.3
数字量
19
离心风机电机
I12.4
数字量
20
螺旋输送机2皮带
I12.5
数字量
3.3硬件的选型
根据实际工艺和冗余考虑。
这就要求在选择CPU、I/O模块等时要适当留有约10%的裕量。
如图3-2
图3-2硬件选型
设备型号：
电源模块：
CP307-5A
CPU模块：
CPU315-DP
输入输出模块：
AI8*12bit2个，AO4*12bit1个，DI16*DC24V1个。
3.4下位系统程序的设计
3.4.1系统流程图
图3-3系统流程图
信号经传感器采集检测变送到PLC，与设定值比较，大于设定值送
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