基于PLC的高爐上料自控系統(tǒng)設計

基于PLC的高爐上料自控系統(tǒng)設計PAGE基于PLC的高爐上料自控系統(tǒng)設計PAGEI基于PLC的高爐上料自控系統(tǒng)設計摘要本設計介紹了西門子S7-200PLC在煉鐵高爐上料料控制系統(tǒng)中的運用，通過西門子S7-200PLC與高爐上料系統(tǒng)的結合，設計出可編程序控制器的控制裝置，基本上完成了120m3高爐供料電氣控制系統(tǒng)的硬件設計。實現(xiàn)了布料（槽上）和槽下卷揚的實時控制和生產(chǎn)過程自動化的目的?；赑LC的高爐上料自控系統(tǒng)的設計，提高了高爐上料控制系統(tǒng)的自動化水平、可靠性,實現(xiàn)了上料系統(tǒng)的實時監(jiān)控和靈活方便關鍵詞：可編程序控制器高爐上料系統(tǒng)自動控制PAGEII目錄中文摘要 I英文摘要 II1緒論 11.1高爐上料系統(tǒng)的作用與地位 11.2高爐上料系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制方式 11.3高爐上料系統(tǒng)PLC控制方式 22總體方案設計 32.1煉鐵工藝過程概述 32.2高爐上料設備及工藝簡介 32.3操作方式 52.4控制方式 52.5設計概述 63PLC控制系統(tǒng)設計 73.1PLC簡介 73.1.1可編程控制器的發(fā)展史 73.1.2PLC的硬件組成結構 83.2I/O點分配 93.3PLC控制電路的設計 113.3.1PLC控制器選型及硬件配置 113.3.2料車上料系統(tǒng) 113.3.3高爐料鐘裝料系統(tǒng) 133.3.4探尺系統(tǒng) 153.3.5電氣控制系統(tǒng)原理圖 164PLC控制系統(tǒng)軟件設計方案 194.1Step7軟件介紹 194.2PLC控制程序的設計 194.2.1程序的基本結構 194.2.2動作流程圖 194.2.3梯形圖設計 215模擬調(diào)試 256結論 29致謝 30參考文獻 31基于PLC的高爐上料自控系統(tǒng)設計PAGEPAGE331緒論1.1高爐上料系統(tǒng)的作用與地位高爐是煉鐵或者煉鋼生產(chǎn)的核心設備，是一種規(guī)模大、要素多、要求嚴格的冶煉過程，其良好的運行能為后續(xù)的生產(chǎn)過程提供充足而優(yōu)質的原料保證，這對控制系統(tǒng)的可靠性提出了較高的要求。尤其是高爐的大型化趨勢越來越明顯的情況下，用人工執(zhí)行是非常困難的，故其能穩(wěn)定、有序、準確的工作是很重要的。這就要求高爐實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)方式。高爐上料系統(tǒng)是煉鐵高爐系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，及時、準確的上料是保證高爐產(chǎn)量和產(chǎn)品質量的前提。高爐上料系統(tǒng)的整套動作過程包括料車上料系統(tǒng)和爐頂布料系統(tǒng)。料車上料系統(tǒng)必須快速嚴謹，如果上料慢，趕不上料線，影響產(chǎn)量，而上錯料，高爐將不能正常生產(chǎn)，甚至得拉風、休風。高爐布料指高爐煉鐵過程中，爐料(主要是礦石和焦炭)在高爐爐喉的分布。高爐布料的基本規(guī)律是高爐冶煉工藝理論的重要組成部分，控制高爐布料是高爐操作的一個重要手段。習慣上稱之為“上部調(diào)劑”。通常高爐爐料是分批裝入高爐爐喉的。根據(jù)經(jīng)驗確定一批料的礦石量與按焦炭負荷確定的批料焦炭量組成料批，通過布料設備雙鐘和旋轉布料器裝入爐喉。高爐是一種逆流反應器，煤氣在高爐下部產(chǎn)生，而后上升穿過料層；爐料從上部下降與煤氣作用，完成加熱、還原、造渣、熔化等冶煉過程。爐料在爐內(nèi)由上而下，溫度逐漸升高，直到熔化前，一直保持爐喉布料的層狀結構。焦炭多的地方煤氣流較發(fā)展，因而爐料溫度升高快，可見高爐布料對煤氣分布以及軟融帶的形狀和位置等是有重要影響的，這關系到煤氣能量的充分利用，爐料的順利下降以及高爐一代壽命的長短。正常的高爐行程在爐內(nèi)圓周方向上煤氣與爐料的分布都是均勻或基本均勻的。高爐上料裝置是生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，提高其自動化水平，可以大大減輕工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率。1.2高爐上料系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制方式早期高爐上料控制系統(tǒng)多采用繼電控制，主要存在兩大缺陷，一是控制系統(tǒng)復雜，聯(lián)鎖環(huán)節(jié)多，外部連線多，故障頻繁；二是工作模式只有手動和機旁兩種操作方式，手動操作用于生產(chǎn)，機旁操作用于機構調(diào)整，不能實現(xiàn)自動化產(chǎn)。雖然說繼電器已應用到家庭及工業(yè)控制的各個領域。他們比以往的產(chǎn)品具有更高的可靠性。但是，這也是隨之帶來的一些問題。如絕大多數(shù)控制繼電器都是長期磨損和疲勞工作條件下進行的，容易損壞。而且繼電器的觸點容易產(chǎn)生電弧，甚至會熔在一起產(chǎn)生誤操作，引起嚴重的后果。再者，對一個具體使用的裝有上百個繼電器的設備，其控制箱將是龐大而笨重的。在全負荷運載的情況下，大的繼電器將產(chǎn)生大量的熱及噪聲，同時也消耗了大量的電能。并且繼電器控制系統(tǒng)必須是手工接線、安裝，如果有簡單的改動，也需要花費大量時間及人力和物力去改制、安裝和調(diào)試。1.3高爐上料系統(tǒng)PLC控制方式隨著電子技術的發(fā)展及普及應用,采用PLC作為主控制器實現(xiàn)高爐上料系統(tǒng)的自動控制成為技術進步的必然。它有效解決了傳統(tǒng)繼電控制的缺陷,提高高爐上料系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實全性、可靠性和自動化,為高爐的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造了技術和設備條件。使用PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的用繼電器的工業(yè)控制系統(tǒng)相比，在操作、控制、效率和精度等各個方面都具有無法比擬的優(yōu)點。雖然在工業(yè)控制系統(tǒng)中所使用的繼電器控制設備不會被完全淘汰，但是由于PLC的出現(xiàn)已經(jīng)改變了工業(yè)控制設計者的設計思想。編程控制器以體積小功能強大所著稱，它不但可以很容易地完成順序邏輯、運動控制、定時控制、計數(shù)控制、數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制。PLC可以通過通迅接口與顯示終端和打印機等外設相連。顯示器作為人機界面（HMI）是一種內(nèi)含微處理芯片的智能化設備，它與PLC相結合可取代電控柜上眾多的控制按鈕、選擇開關、信號指示燈，及生產(chǎn)流程模擬屏和電控柜內(nèi)大量的中間繼電器和端子排。所有操作都可以在顯示屏上的操作元件上進行。PLC可以方便、快捷地對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進行采集、處理，并可對要顯示的參數(shù)以二進制、十進制、十六進制、ASCII字符等方式進行顯示。在顯示畫面上，通過圖標的顏色變化反應現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。PID回路控制用數(shù)據(jù)、棒圖等綜合方法反映生產(chǎn)過程中量的變化，操作人員通過參數(shù)設定可進行參數(shù)調(diào)整，通過數(shù)據(jù)查詢可查找任一時刻的數(shù)據(jù)記錄，通過打印可保存相關的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為今后的生產(chǎn)管理和工藝參數(shù)的分析帶來便利。特別是現(xiàn)在，由于信息、網(wǎng)絡時代的到來，擴展了PLC的功能，使它具有很強的聯(lián)網(wǎng)通訊能力，從而更廣泛地應用于眾多行業(yè)。因此，近年來國內(nèi)很多高爐的控制系統(tǒng)采用了PLC控制。2總體方案設計2.1煉鐵工藝過程概述高爐煉鐵生產(chǎn)是冶金(鋼鐵)工業(yè)最主要的環(huán)節(jié)。高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規(guī)定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內(nèi)形成交替分層結構。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。其生產(chǎn)工藝流程如圖2-1所示：圖2-1煉鐵生產(chǎn)工藝流程2.2高爐上料設備及工藝簡介高爐上料系統(tǒng)是煉鐵高爐重要組成部分,圖2-2為高爐上料系統(tǒng)示意圖：圖2-2為高爐上料系統(tǒng)示意圖注：1配料倉2電振機3振動篩4稱量斗5主皮帶機6粉礦皮帶機7碎焦皮帶機8中間倉9料車10小鐘11大鐘12布料器13均壓閥14左右探尺上料系統(tǒng)以料車為界,前部分是配料系統(tǒng),后部分是上料系統(tǒng)。配料是高爐優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗的先決條件，所謂配料就是根據(jù)高爐對原燃料的產(chǎn)品質量要求及原料的化學性質，將各種原料、溶劑、燃料、代用品及時返礦等按一定比例進行配加的工序。配料的目的是根據(jù)煉鐵過程的要求，將各種不同的含鐵原料、溶劑和燃料進行準確的配料，以獲得較高的生產(chǎn)率和性能穩(wěn)定的優(yōu)質鐵水，符合高爐冶煉生產(chǎn)的要求。配料系統(tǒng)有7個配料倉，其中2個焦倉、1個雜倉、1個熔倉、3個礦倉；5臺電振機和5臺振動篩，分別由一臺電動機驅動；7臺1.3m3稱量斗,稱量斗料空、料滿信號來自稱量儀表，料空時，相應的電振機、振動篩起動，料倉下料,直到料滿停止。自動配料時，稱量斗開/閉由配料程序控制；手動配料時，根據(jù)配料單人工操作。主皮帶機將配料送到中間倉等待料車,粉礦皮帶機和碎焦皮帶機分別將篩除的粉礦和碎焦送走。因本文主要考慮的是高爐上料系統(tǒng)，配料部分不做過多考慮。上料料系統(tǒng)由料車、卷揚機、布料器、大小鐘、均壓閥、左右探尺等設備組成。按流程可簡單分為料車上料系統(tǒng)以及爐頂布料系統(tǒng)。料車上料系統(tǒng)是料車按生產(chǎn)要求將中間倉內(nèi)已配好的物料送到爐頂?shù)倪^程。爐頂布料指高爐煉鐵過程中，爐料(主要是礦石和焦炭)在高爐爐喉的分布。高爐布料的基本規(guī)律是高爐冶煉工藝理論的重要組成部分，控制高爐布料是高爐操作的一個重要手段。習慣上稱之為“上部調(diào)劑”。通常高爐爐料是分批裝入高爐爐喉的。根據(jù)經(jīng)驗確定一批料的礦石量與按焦炭負荷確定的批料焦炭量組成料批，通過布料設備雙鐘和旋轉布料器裝入爐喉。高爐是一種逆流反應器，煤氣在高爐下部產(chǎn)生，而后上升穿過料層；爐料從上部下降與煤氣作用，完成加熱、還原、造渣、熔化等冶煉過程。爐料在爐內(nèi)由上而下，溫度逐漸升高，直到熔化前，一直保持爐喉布料的層狀結構。焦炭多的地方煤氣流較發(fā)展，因而爐料溫度升高快，可見高爐布料對煤氣分布以及軟融帶的形狀和位置等是有重要影響的，這關系到煤氣能量的充分利用，爐料的順利下降以及高爐一代壽命的長短。正常的高爐行程在爐內(nèi)圓周方向上煤氣與爐料的分布都是均勻或基本均勻的。其基本的動作順序是：卷揚機將料車送到爐頂,配料倒入小鐘斗。大、小鐘嚴格互鎖，不能同時打開，當大鐘斗一批料未滿，小鐘開啟，料投入大鐘斗，一批料滿且料線信號到，大鐘開啟，經(jīng)布料器后,配料均勻倒入爐內(nèi)。開大鐘時同時打開均壓閥,使大鐘斗和爐壓均壓。左、右探尺用于探測爐內(nèi)料位,料線信號到,才能開大鐘。2.3操作方式高爐上料系統(tǒng)的操作方式根據(jù)工作狀態(tài)可分為三種操作方式：點動操作點動操作方式下，操作人員必須長按按鈕，系統(tǒng)才會進行相應動作，這種方式主要是由于設備的調(diào)試。手動操作手動操作方式下，操作人員每一次操作按鈕，系統(tǒng)就會產(chǎn)生相應的動作，這種方式可以用于設備的調(diào)試，最主要的還是用于排除故障時的操作。當設備出現(xiàn)故障或物流不暢時,上料系統(tǒng)轉入手動生產(chǎn),直到排除故障,再切換到自動生產(chǎn)。半自動操作通過按鈕實現(xiàn)上料、卸料的單步自動控制。全自動操作當檢測到爐內(nèi)缺料時，操作臺通過按鈕實現(xiàn)上料、開門、小車上下行的全部自動控制。通過計算機可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的按步順序的自動控制過程，是主要生產(chǎn)方式。2.4控制方式高爐上料系統(tǒng)控制方式先后采用繼電器、電子電路順序控制、可編程控制器（PLC）及計算機控制系統(tǒng)等。現(xiàn)介紹高爐上料系統(tǒng)四種控制方式。繼電器、接觸器控制早期高爐上料控制工藝過程，一旦過程有變化就必須重新連接、安裝，因而存在研制和調(diào)試時系統(tǒng)采用繼電器、接觸器進行控制，多數(shù)情況下為開環(huán)方式，由行程開關進行切換控制。這種控制方式由于采用導線連接，僅適用于某一個固定的間長、修改不方便、壽命短、可靠性差、故障檢查困難、控制精度低等嚴重不足。電子電路順序控制電子電路順序控制采用分立元件或部分采用集成電路，以門電路來代替繼電器，用直流電磁閥代替交流電磁閥，用無觸點行程開關及擋板實現(xiàn)動作程序的切換，具有感應快、體積小、成本低等優(yōu)點?？删幊炭刂破骺刂芇LC是專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的工業(yè)計算機，由于它具有可靠性高、編程方便、抗干擾能力強、維修方便等特點，廣泛用于各種類型的機械或生產(chǎn)過程的控制。近年來，PLC更是以其高可靠性、高性能的特點在高爐上料系統(tǒng)中得到了廣泛應用。用PLC控制高爐上料系統(tǒng)的動作程序及過程參數(shù)，采用數(shù)字定時器代替時間繼電器、中間繼電器。該控制系統(tǒng)能產(chǎn)生24V直流電壓，提供給直流電磁閥。用位移傳感器等來實現(xiàn)動作程序和過程程序的切換，并進行比例壓力和比例流量控制。采用程序存儲方式，具有修改程序方便、結構小巧、可靠、反映靈敏、運行速度快等優(yōu)點，并且可以進行開關量邏輯控制；同時，其兼有模擬量（例如，溫度、壓力、流量、轉速等）閉環(huán)控制等功能。借助液晶或數(shù)碼顯示和鍵盤設定，生產(chǎn)者可以修改工藝過程參數(shù)、檢測生產(chǎn)過程，從而大大提高了精度與效率。計算機控制系統(tǒng)利用液晶（LCD）來顯示設定參數(shù)和過程參數(shù)及過程變化曲線，通過圖形動畫及菜單，使得成型過程可視化，具有信息量大、操作直觀方便等特點。同時，還具有較強的計算能力和自診斷、故障報警、模具參數(shù)存儲、壓力和流量無級可調(diào)、在線設定修改參數(shù)、人機會話方式、在線監(jiān)測動作狀態(tài)、中文提示等功能，具有中、英文等多種語言，可自由進行選擇切換。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)成型過程開環(huán)及閉環(huán)控制，提高了注塑機的性能，能夠成型極高質量的塑料制品，并可對若干種故障進行報警。2.5設計概述早期高爐上料控制系統(tǒng)多采用繼電控制，主要存在兩大缺陷；一是控制系統(tǒng)復雜，連鎖環(huán)節(jié)多，外部連線多，故障頻繁；二是工作模式只有手動和機旁兩種操作方式，手動操作用于生產(chǎn)，機旁操作用于機構調(diào)整，不能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。隨著電子技術的發(fā)展及普及應用，采用PLC作為主控制實現(xiàn)高爐上料系統(tǒng)的自動控制成為技術進步的必然。它有效解決了傳統(tǒng)繼電控制的缺陷，提高高爐上料系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性、可靠性和自動化，為高爐的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造了技術和設備條件。高爐生產(chǎn)對可靠性要求極高，當上料系統(tǒng)故障或物流不暢通時，高爐不能長時間停止生產(chǎn)，必須及時排除故障，使生產(chǎn)得以進行。自動工作方式是以上料系統(tǒng)無故障、PLC控制器完好為前提，因此，上料系統(tǒng)除了具備自動方式外，還要保留手動、機旁、調(diào)試方式。PLC主要實現(xiàn)自動控制，是主要生產(chǎn)方式，手動方式是輔助生產(chǎn)方式，機旁和調(diào)試方式用于單機操作和試機。當設備出現(xiàn)故障或物流不暢時，上料系統(tǒng)轉入手動生產(chǎn)，直到排除故障，再切換到自動生產(chǎn)。特別強調(diào)的是，在手動工作時，PLC也要處于運行狀態(tài)，實時監(jiān)測并跟蹤物料信息，對物料信息采取掉電記憶，以便轉入自動時，真實再現(xiàn)物料信息，使自動生產(chǎn)得到以順利進行。本次設計主要是針對槽下卷揚上料部分設計，高爐料鐘裝料系統(tǒng)。3PLC控制系統(tǒng)設計3.1PLC簡介3.1.1可編程控制器的發(fā)展史隨著微處理器、計算機和數(shù)字通訊技術的飛速發(fā)展、計算機控制已擴展到了幾乎所有的工業(yè)領域?？删幊炭刂破魇菓妹孀顝V、功能最強大、使用最方便的通用工業(yè)控制裝置、它已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一?？删幊炭刂破鳎≒rogammableController）本來應簡稱為PC，為了與個人計算機（PersonalComputer）的簡稱PC相區(qū)別，一般將它簡稱為PLC（ProgrammerableLogicController）。可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破魇且环N用程序來改變控制功能的工業(yè)控制的計算機，除了能完成各種各樣的控制功能外，還有與其他計算機通信聯(lián)網(wǎng)的功能。可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統(tǒng)有很大的關系。繼電器控制系統(tǒng)已有上百年的應用歷史，它是一種用弱點電信號控制強電的電力控制系統(tǒng)。在復雜的繼電器控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除是非常困難的，可能會花費大量的時間，嚴重地影響生產(chǎn)。如果工藝要求發(fā)生變化，控制柜內(nèi)的元件和接線需要作相應的變動，這種改造的工期長、費用高，以至于有的用戶寧愿扔掉舊的控制柜，另外制作一臺新的控制柜?，F(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求做出迅速的反映，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質量的產(chǎn)品。為了滿足這一要求，生產(chǎn)設備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，這就需要尋求一種新的控制裝置來取代老式的繼電器控制系統(tǒng)，使電氣控制系統(tǒng)的工作更加可靠、更容易維修、更能適應經(jīng)常變動的工藝條件，可編程序控制器正是順應這一要求出現(xiàn)的?？删幊炭刂破鞯耐茝V應用在我國得到了迅猛的發(fā)展，它已經(jīng)大量地應用在各種新設備中，各行各業(yè)也涌現(xiàn)出大批應用可編程控制器改造設備的成果。了解可編程控制器的工作原理，設備設計，調(diào)試和維護可編程控制器控制系統(tǒng)的能力，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)對電氣技術人員和工科學生的基本要求。3.1.2PLC的硬件組成結構基本結構可編程序控制其主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成如圖3-1所示：圖3-1PLC硬件組成結構圖CPU模塊在可編程控制器控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當于人的電腦，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。I/O模塊輸入模塊和輸出模塊簡稱為I/O模塊，他們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號。數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、數(shù)字撥碼開關、限位開關、接近開關、光電開關、壓力繼電器等來的數(shù)字量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接受電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行機構。編程裝置編程軟件用來生成用戶程序，并對它進行編輯、檢查和修改。使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能圖塊和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的相互轉換。程序被編譯后下載到可編程控制器，也可以將可編程控制器中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡，還可以實現(xiàn)遠程編程和傳送。給S7-200編程時，應配備一臺安裝有STEP7-MICRO/WIN32編程軟件的計算機和一根連接計算機和可編程控制器的PC/PPI通信電纜。電源可編程控制器使用220V交流電源或24V直流電源。內(nèi)部開關電源為各模塊提供DC5V、±12V、±24V等直流電源。小型可編程控制器一般都可以為輸入電路和外部的電子傳感器提供24V直流電源，驅動可編程控制器負載的直流電源一般由用戶提供。工作原理PLC是一種工業(yè)控制計算機，其工作原理是建立在計算機工作原理基礎之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。CPU是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行時按程序順序依次完成相應各電器的動作，所以它屬于串行工作方式。PLC按集中采樣、集中輸出，按順序周期性循環(huán)掃描用戶程序的方式工作。當PLC處于正常運行時，它將不斷重復掃描過程，其工作過程的中心內(nèi)容由輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段組成。3.2I/O點分配輸入信號有設備位置信號、設備運行狀態(tài)信號、各種主令和工作方式選擇信號、自動配料信號等,輸入點約19點。輸出信號有設備運行信號、設備聯(lián)鎖信號、自動配料程序輸出信號、指示燈信號等,輸出點約17點。詳細分配點見表3-2所示：表3-2PLC的I/O詳細分配點名稱地址編號代碼名稱地址編號代碼探尺I0.0SB1布料器Q0.0Q0.1QA1大鐘開啟I0.1SB2均壓閥Q0.2YA1大鐘停止I0.2SB3大鐘Q0.4QA2小鐘開啟I0.3SB4小鐘Q0.5QA3小鐘停止I0.4SB5小車上行Q0.6QA4小車開啟I0.5SB6小車下行Q0.7QA5小車停止I0.6SB7小車上行指示燈Q1.0PG1小車上行I0.7SB8小車下行指示燈Q1.1PG2小車下行I1.0SB9中間倉開Q2.0QA6小車上行限位I1.1BG1中間倉關Q2.1小車下行限位I1.2BG2大鐘開指示Q2.2PG3中間倉開啟I1.3SB10小鐘開指示Q2.3PG4中間倉停止I1.4SB11報警電鈴Q2.4PB中間倉開啟限位I1.5BG3中間倉未開到位報警燈Q2.5PG5中間倉停止限位I2.0BG4中間倉未關到位報警燈Q2.6PG6消鈴按鈕I2.1SB12缺料指示Q2.7PG7自動/手動I2.2/I2.3SF13.3PLC控制電路的設計3.3.1PLC控制器選型及硬件配置120m3高爐是煉鐵的大型裝備,一般地處偏僻地區(qū),控制特點如下:電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定,電壓波動達±15%,灰塵多,工業(yè)環(huán)境差;系統(tǒng)工藝復雜,輸入輸出點數(shù)多,安全性、可靠性要求特別高;控制信號有開關、數(shù)字和模擬信號;控制器應具有順序控制、定時、計數(shù)、邏輯判斷、算術運算等功能;工藝配方程序要求自動控制、靈活設定;為防止自動系統(tǒng)失效,保留手動控制?？紤]到工業(yè)環(huán)境差,灰塵多,為確保I/O接點的可靠接通,室內(nèi)設備采用電壓類型為DC24V的I/O接點,室外設備采用AC220V的I/O接點。根據(jù)控制要求,I/O點數(shù)以及電壓類型,必須選用性能卓越,高可靠性,配置靈活的PLC控制器,考慮供貨和備件情況,選擇德國西門子公司的S7-200系列中CPU224型PLC，其本機I/O點數(shù)為14入/10出，可擴展7個模塊數(shù)量。再擴展一個EM223（8入/8出），可滿足系統(tǒng)要求，如需增加點數(shù)可自行擴展。其控制系統(tǒng)構成如圖3-3所示：圖3-3控制系統(tǒng)構成框圖3.3.2料車上料系統(tǒng)高爐料車上料系統(tǒng)是料車按生產(chǎn)要求將槽下各種物料，由料車卷揚機提升到爐頂。高爐上料主要有上料小車和上料皮帶兩種方式；由于小車的上料能力有限，大型高爐一般使用上料皮帶的方式上料。下面簡單談一下上料小車和上料皮帶的優(yōu)缺點：上料小車的優(yōu)點是適合料倉與高爐距離較近，占地面積小，節(jié)省廠區(qū)面積，適于中小型高爐；缺點是上料能力有限。上料大皮帶優(yōu)點是適合料倉與高爐距離較遠，能連續(xù)供料，適于大型高爐；缺點是占地面積較大。本設計主要考慮的是小型高爐的自動上料系統(tǒng)，為節(jié)約成本，采用上料小車的上料方式。料車的主要控制步驟料制由操作人員編制完成；槽下中間倉料滿；卷揚機開動料車到料坑底；開啟中間倉閘門；中間倉放料至料車顯示料滿信號；關閉中間倉閘門；卷揚機開動料車到爐頂；料車到爐頂后延時5秒顯示料車料空，并下行；上料過程中可加入“焦碳越位”、“空車”調(diào)整料制，但不記入上料料制中。循環(huán)執(zhí)行以上步驟。其主電路如圖3-4所示：圖3-4主電路原理圖3.3.3高爐料鐘裝料系統(tǒng)爐頂裝料系統(tǒng)，它由旋轉布料器、小鐘、大鐘以及探尺組成。原料由料車送上爐頂后，先裝入小鐘。小鐘下降時，原料裝入大鐘內(nèi)，大鐘每下降一次，布料器即旋轉一次，布料器旋轉一定角度（一般采用六點布料，間隔六十度），這樣可使進入爐內(nèi)的料分布均勻。小料鐘經(jīng)過幾次下降一批料裝入大料斗后，關閉小鐘，然后打開大鐘，經(jīng)布料器原料便裝入爐內(nèi)，采用雙鐘的目的在于裝料時交替關閉，以防煤氣逸出。而雙鐘的控制如圖3-5所示：圖3-5雙鐘的控制原理圖為使爐內(nèi)物料均勻的分布，旋轉布料器采用步進電機控制，步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制,并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的執(zhí)行機構。由于受脈沖的控制,其轉子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比,通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調(diào)速的目的;通過改變通電順序,從而達到改變電機旋轉方向的目的。設計中,步進電機PLC控制方案其系統(tǒng)結構如圖3-6所示。系統(tǒng)硬件部分由PLC控制器、驅動器、步進電機等組成?？刂破鱌LC發(fā)出脈沖、方向信號,通過驅動器控制步進電機的運行狀態(tài)。因為設計的步進電機控制系統(tǒng)中要求手動盤車功能,在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸,這時要利用驅動器的脫機信號功能,使電機脫機,進行手動操作或調(diào)節(jié);手動完成后,再將脫機信號去除,以繼續(xù)自動控制。圖3-6步進電機PLC控制系統(tǒng)機構步進電機的選擇步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。靜力矩的選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）。力矩與功率換算步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P=Ω?MΩ=2π?n/60P=2πnM/60其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓?米P=2πfM/400(半步工作）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS)步進電動機的驅動電源基本上由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成，如圖3-7所示。驅動器選型原則遵循先選電機后選驅動的原則,電機的相數(shù)、電流大小是驅動器選擇的決定性因素;在選型中,還要根據(jù)PLC輸出信號的極性來決定驅動器輸入信號是共陽極或共陰極。為了改善電機的運行性能和提高控制精度,通常通過選擇帶細分功能的驅動器來實現(xiàn),目前驅動器的細分等級有8倍、16倍、32倍、64倍等,最高可達256倍細分。在實際應用中,應根據(jù)控制要和步進電機的特性選擇合適的細分倍數(shù),以達到更高的速度和更大的高速轉矩,使電機運轉精度更高,振動更小。圖3-7步進電機驅動電源方框圖在設計中，有PLC的CPU產(chǎn)生脈沖，通過驅動器來控制步進電機，步進電機的工作方式為二相八拍，步距角為0.9度。其控制原理圖如圖3-8所示：圖3-8步進電機PLC控制原理圖3.3.4探尺系統(tǒng)高爐在冶煉的過程中，利用探尺探明爐內(nèi)料面高低的情況。探尺是一個鑄鋼圓柱體重錘，由卷揚機通過鋼繩牽引經(jīng)滑輪和鏈條將探尺伸入高爐爐膛內(nèi)。值班室根據(jù)爐內(nèi)冶煉要求，例如定出料線2.0米，即料長下降到2.0米時就要往爐內(nèi)裝料。假如由于裝料機械故障或者其它環(huán)節(jié)出毛病沒有及時裝料而使實際料面繼續(xù)下降，出現(xiàn)“虧料”現(xiàn)象，當實際料虧低于選擇的料線0.5米時發(fā)出虧料警告信號，同時發(fā)出閃光信號。探尺分為連續(xù)工作制和點測工作制，一般情況按連續(xù)工作制工作，即探尺在任何時間均隨料面的下降而下降，根據(jù)自整角機反饋信號隨時監(jiān)測料面位置,只有當向高爐內(nèi)裝料時，才自動提升到上極限位，待裝料完畢、小鐘關閉后又自動下降。在某些情況下，需要用點測工作制，探尺在裝料過后即下降，待左右兩個探尺都下降到規(guī)定料面時，延時大約3分鐘就自動提升到上極限位。左右探尺可同時工作，也可單獨工作，任一探尺降到工作料面，即兩個探尺同時自動提升。探尺在裝料完畢,下密封閥關閉后才允許下降。探尺提升后才能向高爐內(nèi)裝料。發(fā)出坐料信號后，探尺自動上升。本高爐料線與料面檢測的設計裝有一左一右兩根探尺。裝料時由卷揚機把探尺提起放料，檢測時下放探尺。探尺裝置裝有自整角發(fā)送器，探尺下降的位移信號經(jīng)自整角機發(fā)送器，發(fā)送給控制室內(nèi)的自整角接受器，自整角接受器帶動記錄儀表指針，記錄探尺下降的位移，由位移可以估計料面形狀和爐內(nèi)料的多少。在本實驗中將其設計成一開關輸入量I0.0。當I0.0閉合時，相當于左右兩根探尺下降，探測到爐內(nèi)缺料。3.3.5電氣控制系統(tǒng)原理圖有以上設計可知其電氣控制系統(tǒng)原理圖如圖3-9所示：圖3-9（a）主電路原理圖圖3-9(b)PLC接線圖4PLC控制系統(tǒng)軟件設計方案4.1Step7軟件介紹軟件需要Windows2000/SP3或WindowsXP(Home或Professional)操作系統(tǒng)。軟件可選擇安裝6種語言(英語，德語，意大利語，法語，西班牙語，中文)。STEP7-Micro/WINV4.0SP3支持當前所有S7-200CNCPU22X系列產(chǎn)品。例如CPU222CN，CPU224CN，CPU224XPCN，CPU226CN。在STEP7-Micro/WINV2.X或早期版本中創(chuàng)建的項目中，在STEP7-Micro/WINV3.X或V4.X打開前，必須以STL形式保存。因此，安裝CD的文件夾中會包含STEP7-Micro/WINV2.1軟件。4.2PLC控制程序的設計系統(tǒng)涉及到全自動程序和手動程序。為了方便程序，便于讀者閱讀，程序清晰。程序中用到內(nèi)部標志位M，它們并不直接驅動外部負載，只起中間狀態(tài)的暫存作用，類似與繼電器系統(tǒng)中的中間繼電器。用計數(shù)器計算小車的次數(shù)，定時器使小車準確停車。4.2.1程序的基本結構高爐上料系統(tǒng)的控制是典型的順序控制，它的工作循環(huán)是從探尺開始，一步一步有條不紊地進行，每一個工步的執(zhí)行都會使相應的電磁鐵通電使得電磁閥動作，用行程開關和定時器來判斷每一步是否完成，并決定是否啟動下一個工步，采用順序梯形圖可以方便地完成相應的控制過程。4.2.2動作流程圖高爐上料系統(tǒng)順序控制動作流程圖如圖4-1所示。初始狀態(tài)為：大鐘，小鐘與料車內(nèi)均有料，中間倉無料且關到位。