毕业论文---西门子PLC高炉上料上的应用.doc

河北师范大学本科生毕业论文 目 录 中 文 摘 要 、 关 键 词 .i 英 文 摘 要 、 关 键 词 .ii 第 1 章 引 言 1 1.1 课题研究的背景 1 1.2 高炉上料国内外发展状况 1 1.2.1 高炉介绍 .1 1.2.2 上料系统介绍 .2 1.3 课 题 研 究 的 主 要 内 容 .5 第 2 章 高 炉 上 料 自 动 监 控 系 统 的 硬 件 设 计 .7 2.1 控 制 方 案 的 选 择 7 2.2.1 plc 控 制 器 选 型 及 硬 件 配 置 .7 2.2.2 i/o 点 分 配 8 2.2.3 料 车 上 料 系 统 .9 2.2.4 高 炉 料 钟 装 料 系 统 10 2.2.5 步 进 电 机 的 选 择 11 2.2.6 探 尺 系 统 .13 2.2.7 系 统 的 总 体 结 构 图 14 第 3 章 高 炉 上 料 自 动 监 控 系 统 的 程 序 设 计 16 3.1 高 炉 上 料 自 动 监 控 系 统 的 流 程 图 设 计 .16 河北师范大学本科生毕业论文 3.2 高 炉 上 料 自 动 监 控 系 统 的 梯 形 图 设 计 .17 第 4 章 高 炉 上 料 自 动 控 制 系 统 的 仿 真 22 4.1 生成 ascii 文本文件 .23 4.2 仿真软件配置设置 .23 4.3 下载程序并仿真 .24 结 论 .27 致 谢 .28 参 考 文 献 .29 河北师范大学本科生毕业论文 i 西 门 子 plc 高 炉 上 料 上 的 应 用 职业技术学院应用电子技术教育专业 指导教师 作 者 摘 要 ： 高 炉 是 炼 铁 或 者 炼 钢 生 产 的 核 心 设 备 ， 是 一 种 规 模 大 、 要 素 多 、 要 求 严 格 的 冶 炼 过 程 ， 其 良 好 的 运 行 能 为 后 续 的 生 产 过 程 提 供 充 足 而 优 质 的 原 量 保 证 ， 本 文 对 西 门 子 s7-200 系 列 可 编 程 序 控 制 器 应 用 于 高 炉 上 料 电 气 控 制 系 统 的 设 计 思 想 作 了 介 绍 ， 对 系 统 的 硬 件 组 成 和 软 件 设 计 作 了 较 为 详 细 的 阐 述 ， 设 计 出 的 可 编 程 程 序 控 制 装 置 基 本 上 完 成 了 120m小 型 高 炉 供 料 电 气 控 制 系 统 的 硬 件 设 计 。 实 现 了 布 料 （ 槽 上 ） 和 槽 下 卷 扬 的 实 时 控 制 和 生 产 过 程 自 动 化 的 目 的 。 本 文 最 后 采 用 程 序 以 及 组 态 对 文 中 程 序 进 行 了 仿 真 实 验 ， 确 保 程 序 的 可 行 性 。 关 键 词 ： 可 编 程 序 控 制 器 高 炉 上 料 系 统 自 动 控 制 仿 真 河北师范大学本科生毕业论文 ii abstract： steelmaking furnace is the core of iron or equipment, is a large scale and elements, demanding smelting process, and its good operation can provide adequate follow-up production process and the high quality raw material guarantee. this text is applied to the siemens s7-200 series programmable preface controller shaft furnace up anticipated the design thought of electricity control system to make introduction, made to elaborate a little bit in detail hardware composition and software design of system, designed the programmable process control device of to basically complete 2 shaft furnaces: 120 m to provide the hardware design of anticipating the electricity control system. carry out the cloth (slot up) automates with real time control and procedure in production of slot next winding of purpose. this text finally adopted procedure and configuration to carry on imitating reality to check to the procedure in text and ensure the feasibility of procedure. keywords： programmable controller blast furnace feeding system automatic control simulation 河北师范大学本科生毕业论文 1 第 1 章 引 言 1.1 课 题 研 究 的 背 景 高 炉 上 料 装 置 是 生 产 中 的 重 要 环 节 ， 提 高 其 自 动 化 水 平 ， 可 以 大 大 减 轻 工 人 劳 动 强 度 ， 提 高 生 产 效 率 ， 同 时 通 过 原 料 的 精 确 配 比 ， 又 可 提 升 产 品 的 品 质 和 质 量 。 本 文 简 要 介 绍 了 plc 系 统 在 高 炉 上 料 自 动 监 控 中 的 应 用 。 该 系 统 用 plc 完 成 所 有 的 过 程 控 制 、 数 据 采 集 、 自 动 调 节 、 事 故 处 理 及 报 警 等 工 作 。 1.2 高 炉 上 料 国 内 外 发 展 状 况 1.2.1 高 炉 介 绍 高 炉 ： 用 于 冶 炼 液 态 铁 水 的 主 要 设 备 ， 其 横 断 面 为 圆 形 的 炼 铁 竖 炉 ， 用 钢 铁 作 炉 壳 ， 里 面 砌 耐 火 砖 内 衬 。 高 炉 本 体 自 上 而 下 分 为 炉 喉 、 炉 身 、 炉 腰 、 炉 腹 、 炉 缸 五 部 分 ， 护 喉 之 上 设 置 装 料 设 备 ； 炉 缸 上 部 沿 圆 周 均 匀 设 风 口 ， 热 风 通 过 热 风 围 管 、 支 管 和 弯 头 、 直 吹 管 ， 由 风 口 鼓 入 炉 内 ； 风 口 平 面 之 下 有 出 渣 口 和 出 铁 口 。 近 代 巨 型 高 炉 由 于 渣 量 少 ， 不 设 出 渣 口 。 高 炉 的 主 要 组 成 部 分 。 高 炉 炉 壳 ： 现 代 化 高 炉 广 泛 使 用 焊 接 的 钢 板 炉 壳 ， 只 有 极 少 数 最 小 的 土 高 炉 才 用 钢 箍 加 固 的 砖 壳 ， 炉 壳 的 作 用 是 固 定 冷 却 设 备 ， 保 证 高 炉 砌 体 牢 固 ， 密 封 炉 体 ， 有 的 还 承 受 炉 顶 载 荷 ； 炉 喉 ： 高 炉 本 体 的 最 上 部 分 ， 呈 圆 筒 形 ； 炉 身 ： 高 炉 铁 矿 石 间 接 还 原 的 主 要 区 域 ， 呈 圆 锥 台 简 称 圆 台 形 ， 由 上 向 下 逐 渐 扩 大 ， 用 以 使 炉 料 在 遇 热 发 生 体 积 膨 胀 后 不 致 形 成 料 拱 ， 并 减 小 炉 料 下 降 阻 力 ； 炉 腰 ： 高 炉 直 径 最 大 的 部 位 ； 炉 腹 ： 高 炉 熔 化 后 造 渣 的 主 要 区 段 ， 呈 倒 锥 台 形 ， 为 适 应 炉 料 熔 化 后 体 积 收 缩 的 特 点 ， 其 直 径 自 上 而 下 逐 渐 缩 小 ， 形 成 一 定 的 炉 腹 角 ； 炉 缸 ： 高 炉 燃 料 燃 烧 、 渣 铁 反 应 和 贮 存 及 排 放 区 域 ， 呈 圆 筒 形 ； 炉 底 ： 高 炉 炉 底 砌 体 不 仅 要 承 受 炉 料 、 渣 液 及 铁 水 的 静 压 力 ， 而 且 受 到 1400 4600 的 高 温 、 机 械 和 化 学 侵 蚀 、 其 侵 蚀 程 度 决 定 着 高 炉 的 一 代 寿 命 ， 目 前 我 国 大 中 型 高 炉 大 都 采 用 全 碳 砖 炉 底 或 碳 砖 和 高 铝 砖 综 合 炉 底 ， 大 大 改 善 了 炉 底 的 散 热 能 力 ； 炉 基 ： 它 的 作 用 是 将 所 集 中 承 担 的 重 量 按 照 地 层 承 载 能 力 均 匀 地 传 给 地 层 ， 因 而 其 形 状 都 是 向 下 扩 大 的 ； 炉 衬 ： 高 河北师范大学本科生毕业论文 2 炉 炉 衬 组 成 高 炉 的 工 作 空 间 ， 并 起 到 减 少 高 炉 热 损 失 、 保 护 炉 壳 和 其 它 金 属 结 构 免 受 热 应 力 和 化 学 侵 蚀 的 作 用 ； 炉 喉 护 板 ： 炉 喉 在 炉 料 频 繁 撞 击 和 高 温 的 煤 气 流 冲 刷 下 ， 工 作 条 件 十 分 恶 劣 ， 维 护 其 圆 筒 形 状 不 被 破 坏 是 高 炉 上 部 调 节 的 先 决 条 件 。 高 炉 炼 铁 生 产 是 冶 金 (钢 铁 )工 业 最 主 要 的 环 节 。 高 炉 冶 炼 是 把 铁 矿 石 还 原 成 生 铁 的 连 续 生 产 过 程 。 铁 矿 石 、 焦 炭 和 熔 剂 等 固 体 原 料 按 规 定 配 料 比 由 炉 顶 装 料 装 置 分 批 送 入 高 炉 ， 并 使 炉 喉 料 面 保 持 一 定 的 高 度 。 焦 炭 和 矿 石 在 炉 内 形 成 交 替 分 层 结 构 。 矿 石 料 在 下 降 过 程 中 逐 步 被 还 原 、 熔 化 成 铁 和 渣 ， 聚 集 在 炉 缸 中 ， 定 期 从 铁 口 、 渣 口 放 出 。 其 生 产 工 艺 流 程 如 图 1-1 所 示 : 1.2.2 上 料 系 统 介 绍 高 炉 是 炼 铁 或 者 炼 钢 生 产 的 核 心 设 备 ， 是 一 种 规 模 大 、 要 素 多 、 要 求 严 格 的 冶 炼 过 程 ， 其 良 好 的 运 行 能 为 后 续 的 生 产 过 程 提 供 充 足 而 优 质 的 原 料 保 证 ， 这 对 控 制 系 统 的 可 靠 性 提 出 了 较 高 的 要 求 。 尤 其 是 高 炉 的 大 型 化 趋 势 越 来 越 明 显 的 情 况 下 ， 用 人 工 执 行 是 非 常 困 难 的 ， 故 其 能 稳 定 、 有 序 、 准 确 的 工 作 是 很 重 要 的 。 这 就 要 求 高 炉 实 现 自 动 化 的 生 产 方 式 。 烧结料 石灰石 焦炭 铸铁机 溶剂 高炉 热风炉 鼓风机 铁水 炉渣 转炉 图 1-1 炼铁生产工艺流程 河北师范大学本科生毕业论文 3 高 炉 上 料 系 统 是 炼 铁 高 炉 系 统 中 最 重 要 的 一 环 ， 及 时 、 准 确 的 上 料 是 保 证 高 炉 产 量 和 产 品 质 量 的 前 提 。 高 炉 上 料 系 统 的 整 套 动 作 过 程 包 括 料 车 上 料 系 统 和 炉 顶 布 料 系 统 。 料 车 上 料 系 统 必 须 快 速 严 谨 ， 如 果 上 料 慢 ， 赶 不 上 料 线 ， 影 响 产 量 ， 而 上 错 料 ， 高 炉 将 不 能 正 常 生 产 ， 甚 至 得 拉 风 、 休 风 . 高 炉 布 料 指 高 炉 炼 铁 过 程 中 ， 炉 料 (主 要 是 矿 石 和 焦 炭 )在 高 炉 炉 喉 的 分 布 。 高 炉 布 料 的 基 本 规 律 是 高 炉 冶 炼 工 艺 理 论 的 重 要 组 成 部 分 ， 控 制 高 炉 布 料 是 高 炉 操 作 的 一 个 重 要 手 段 。 习 惯 上 称 之 为 “上 部 调 剂 ”。 通 常 高 炉 炉 料 是 分 批 装 入 高 炉 炉 喉 的 。 根 据 经 验 确 定 一 批 料 的 矿 石 量 与 按 焦 炭 负 荷 确 定 的 批 料 焦 炭 量 组 成 料 批 ， 通 过 布 料 设 备 双 钟 和 旋 转 布 料 器 装 入 炉 喉 。 高 炉 是 一 种 逆 流 反 应 器 ， 煤 气 在 高 炉 下 部 产 生 ， 而 后 上 升 穿 过 料 层 ;炉 料 从 上 部 下 降 与 煤 气 作 用 ， 完 成 加 热 、 还 原 、 造 渣 、 熔 化 等 冶 炼 过 程 。 炉 料 在 炉 内 由 上 而 下 ， 温 度 逐 渐 升 高 ， 直 到 熔 化 前 ， 一 直 保 持 炉 喉 布 料 的 层 状 结 构 口 焦 炭 多 的 地 方 煤 气 流 较 发 展 ， 因 而 炉 料 温 度 升 高 快 ， 可 见 高 炉 布 料 对 煤 气 分 布 以 及 软 融 带 的 形 状 和 位 置 等 是 有 重 要 影 响 的 ， 这 关 系 到 煤 气 能 量 的 充 分 利 用 ， 炉 料 的 顺 利 下 降 以 及 高 炉 一 代 寿 命 的 长 短 。 正 常 的 高 炉 行 程 在 炉 内 圆 周 方 向 上 煤 气 与 炉 料 的 分 布 都 是 均 匀 或 基 本 均 匀 的 。 上 料 系 统 由 料 车 、 卷 扬 机 、 布 料 器 、 大 小 钟 、 均 压 阀 、 左 右 探 尺 等 设 备 组 成 。 按 流 程 可 简 单 分 为 料 车 上 料 系 统 以 及 炉 顶 布 料 系 统 。 料 车 上 料 系 统 是 料 车 按 生 产 要 求 将 中 间 仓 内 已 配 好 的 物 料 送 到 炉 顶 的 过 程 。 炉 顶 布 料 指 高 炉 炼 铁 过 程 中 ， 炉 料 (主 要 是 矿 石 和 焦 炭 )在 高 炉 炉 喉 的 分 布 。 高 炉 布 料 的 基 本 规 律 是 高 炉 冶 炼 工 艺 理 论 的 重 要 组 成 部 分 ， 控 制 高 炉 布 料 是 高 炉 操 作 的 一 个 重 要 手 段 。 习 惯 上 称 之 为 “上 部 调 剂 ”。 通 常 高 炉 炉 料 是 分 批 装 入 高 炉 炉 喉 的 。 根 据 经 验 确 定 一 批 料 的 矿 石 量 与 按 焦 炭 负 荷 确 定 的 批 料 焦 炭 量 组 成 料 批 ， 通 过 布 料 设 备 双 钟 和 旋 转 布 料 器 装 入 炉 喉 。 高 炉 是 一 种 逆 流 反 应 器 ， 煤 气 在 高 炉 下 部 产 生 ， 而 后 上 升 穿 过 料 层 :炉 料 从 上 部 下 降 与 煤 气 作 用 ， 完 成 加 热 、 还 原 、 造 渣 、 熔 化 等 冶 炼 过 程 。 炉 料 在 炉 内 由 上 而 下 ， 温 度 逐 渐 升 高 ， 直 到 熔 化 前 ， 一 直 保 持 炉 喉 布 料 的 层 状 结 构 。 焦 炭 多 的 地 方 煤 气 流 较 发 达 ， 因 而 炉 料 温 度 升 高 快 ， 可 见 高 炉 布 料 对 煤 气 分 布 以 及 软 融 带 的 形 状 和 位 置 等 是 有 重 要 影 响 的 ， 这 关 河北师范大学本科生毕业论文 4 系 到 煤 气 能 量 的 充 分 利 用 ， 炉 料 的 顺 利 下 降 以 及 高 炉 一 代 寿 命 的 长 短 。 正 常 的 高 炉 行 程 在 炉 内 圆 周 方 向 上 煤 气 与 炉 料 的 分 布 都 是 均 匀 或 基 本 均 匀 的 。 其 基 本 的 动 作 顺 序 是 :卷 扬 机 将 料 车 送 到 炉 顶 ， 配 料 倒 入 小 钟 斗 。 大 、 小 钟 严 格 互 锁 ， 不 能 同 时 打 开 ， 当 大 钟 斗 一 批 料 未 满 ， 小 钟 开 启 ， 料 投 入 大 钟 斗 ， 一 批 料 满 且 料 线 信 号 到 ， 大 钟 开 启 ， 经 布 料 器 后 ， 配 料 均 匀 倒 入 炉 内 。 开 大 钟 时 同 时 打 开 均 压 阀 ， 使 大 钟 斗 和 炉 压 均 压 。 左 、 右 探 尺 用 于 探 测 炉 内 料 位 ， 料 线 信 号 到 ， 才 能 开 大 钟 。 高 炉 上 料 的 控 制 方 式 ： 图 1-2 高炉上料系统示意图 注：1 中间仓 2 料车 3 小钟 4 大钟 5 布料器 6 均压阀 7 左右探尺 3 4 5 6 7 1 2 河北师范大学本科生毕业论文 5 (1)点 动 操 作 点 动 操 作 方 式 下 ， 操 作 人 员 必 须 长 按 按 钮 ， 系 统 才 会 进 行 相 应 动 作 ， 这 种 方 式 主 要 是 用 于 设 备 的 调 试 。 (2)手 动 操 作 手 动 操 作 方 式 下 ， 操 作 人 员 每 一 次 操 作 按 钮 ， 系 统 就 会 产 生 相 应 的 动 作 ， 这 种 力 式 可 以 用 于 设 备 的 调 试 ， 最 主 要 的 还 是 用 于 排 除 故 障 时 的 操 作 。 当 设 备 出 现 故 障 或 物 流 不 畅 时 ， 上 料 系 统 转 入 手 动 生 产 ， 直 到 排 除 故 障 ， 再 切 换 到 自 动 生 产 。 (3)半 自 动 操 作 通 过 按 钮 实 现 上 料 、 卸 料 的 单 步 自 动 控 制 。 (4)全 自 动 操 作 （ 本 文 主 要 研 究 课 题 ） 当 检 测 到 炉 内 缺 料 时 ， 操 作 台 通 过 按 钮 实 现 上 料 、 开 门 、 小 车 上 下 行 的 全 部 自 动 控 制 。 通 过 计 算 机 可 实 现 生 产 过 程 的 按 步 顺 序 的 自 动 控 制 过 程 ， 是 主 要 生 产 方 式 。 高 炉 自 动 上 料 系 统 是 高 炉 冶 炼 系 统 中 一 个 重 要 组 成 部 分 ， 对 高 炉 冶 炼 的 各 项 指 标 有 着 极 大 的 影 响 。 一 个 良 好 的 系 统 必 须 保 证 其 工 作 的 可 靠 性 和 准 确 性 。 因 为 高 炉 生 产 的 特 殊 性 ， 这 一 系 统 必 须 在 长 时 间 高 强 度 工 作 的 情 况 下 保 证 其 可 靠 性 ， 确 保 高 炉 正 常 生 产 ， 同 时 又 必 须 对 各 种 入 炉 物 料 进 行 准 确 计 量 ， 按 规 定 的 装 料 制 度 进 行 顺 序 装 料 。 由 于 工 厂 的 特 殊 工 作 环 境 ， 这 一 自 动 上 料 系 统 还 必 须 易 学 好 用 ， 易 于 维 修 ， 适 合 于 工 厂 的 实 际 情 况 。 1.3 课 题 研 究 的 主 要 内 容 设 计 一 个 高 炉 上 料 自 动 控 制 系 统 ， 能 够 实 现 手 动 和 自 动 两 种 方 式 控 制 ， 并 且 使 用 仿 真 软 件 进 行 程 序 仿 真 。 指 标 要 求 ： 1. 在 手 动 控 制 方 式 下 ， 按 下 相 应 的 控 制 按 钮 ， 可 以 实 现 配 料 小 车 上 行 、 小 车 下 行 控 制 ； 河北师范大学本科生毕业论文 6 2. 在 自 动 控 制 方 式 下 ， 动 作 顺 序 是 ： 小 钟 内 无 料 时 ， 小 车 在 下 限 位 置 ， 开 启 中 间 仓 闸 门 ， 中 间 仓 放 料 至 料 车 显 示 料 满 信 号 时 ， 关 闭 中 间 仓 闸 门 ， 卷 扬 机 开 动 ， 小 车 上 行 ； 料 车 到 炉 顶 后 延 时 5 秒 显 示 料 车 料 空 ， 并 下 行 。 3. 在 自 动 控 制 方 式 下 ， 炉 内 缺 料 时 ， 开 均 压 阀 、 大 钟 ， 布 料 槽 布 料 ， 延 时 10 秒 炉 料 布 完 ， 关 均 压 阀 、 大 钟 。 4. 在 自 动 控 制 方 式 下 ， 大 钟 内 无 料 时 ， 开 小 钟 ， 延 时 10 秒 ， 大 钟 内 料 满 ， 关 小 钟 。 河北师范大学本科生毕业论文 7 第 2 章 高 炉 上 料 自 动 监 控 系 统 的 硬 件 设 计 2.1 控 制 方 案 的 选 择 随 着 微 电 子 技 术 尤 其 是 个 人 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 ， plc 和 dcs 的 性 能 都 有 了 较 大 的 改 进 ， plc 大 大 提 高 了 数 据 处 理 能 力 和 监 控 功 能 ， dcs 系 统 向 开 放 性 发 展 ， 操 作 站 采 用 工 控 机 ， 操 作 系 统 采 用 通 用 的 windows nt 或 windows2000 操 作 平 台 ， pc 机 丰 富 的 软 件 资 源 得 以 应 用 ， 因 而 大 大 降 低 了 系 统 的 繁 琐 程 度 和 价 格 ， 提 高 了 系 统 的 性 价 比 。 plc 和 dcs 在 抢 占 市 场 的 过 程 中 ， 两 者 相 互 借 鉴 、 渗 透 、 融 合 ， 极 大 地 增 加 了 用 户 在 设 计 和 使 用 中 的 选 择 性 。 同 时 ， 由 于 各 种 控 制 系 统 生 产 制 造 厂 较 多 ， 产 品 更 新 换 代 快 ， 也 给 系 统 选 择 带 来 了 一 定 的 困 难 。 而 走 向 实 用 化 的 fcs， 也 正 以 迅 猛 的 势 头 快 速 发 展 ， 是 目 前 世 界 上 最 新 型 的 控 制 系 统 。 下 面 依 据 plc、 dcs 和 fcs 的 不 同 特 点 ， 针 对 化 工 新 项 目 建 设 和 老 项 目 改 造 ， 对 控 制 系 统 的 设 计 选 型 和 应 用 总 结 以 下 原 则 进 行 选 择 。 按 过 程 控 制 系 统 的 控 制 规 模 及 复 杂 程 度 ： 不 同 的 化 工 生 产 过 程 ， 过 程 控 制 系 统 规 模 与 复 杂 程 度 不 同 ， 通 常 在 过 程 控 制 系 统 规 模 较 大 、 复 杂 程 度 较 高 时 优 先 选 择 dcs。 因 为 该 系 统 是 根 据 过 程 控 制 系 统 的 特 点 发 展 而 来 ， 它 对 大 量 的 模 拟 量 数 据 信 息 能 较 好 地 进 行 处 理 、 分 析 、 运 算 ， 能 完 成 各 种 复 杂 的 、 繁 琐 的 调 节 控 制 计 算 ， 因 此 能 完 成 规 模 大 、 复 杂 程 度 高 的 过 程 控 制 系 统 的 工 作 。 rs3 系 统 和 其 他 dcs 系 统 一 样 ， 包 括 以 下 几 个 部 分 ： 控 制 单 元 、 操 作 单 元 、 i/o 单 元 、 数 据 总 线 。 按 投 资 规 模 和 项 目 经 济 效 率 合 理 选 择 ： 在 一 些 小 型 化 工 项 目 中 ， 特 别 是 一 些 中 小 型 改 造 项 目 ， 投 资 较 少 ， 规 模 较 小 的 仪 控 系 统 应 优 先 选 择 价 格 相 对 低 廉 、 性 价 比 较 高 的 plc 系 统 。 2.2.1 plc 控 制 器 选 型 及 硬 件 配 置 120m 高 炉 是 炼 铁 的 大 型 装 备 ， 一 般 地 处 偏 僻 地 区 ， 控 制 特 点 如 下 : 河北师范大学本科生毕业论文 8 (1)电 网 电 压 不 稳 定 ， 电 压 波 动 达 15%， 灰 尘 多 ， 工 业 环 境 差 ; (2)系 统 工 艺 复 杂 ， 输 入 输 出 点 数 多 ， 安 全 性 、 可 靠 性 要 求 特 别 高 ; (3)控 制 信 号 有 开 关 、 数 字 和 模 拟 信 号 ; (4)控 制 器 应 具 有 顺 序 控 制 、 定 时 、 计 数 、 逻 辑 判 断 、 算 术 运 算 等 功 能 ; (5)工 艺 配 方 程 序 要 求 自 动 控 制 、 灵 活 设 定 ; (6)为 防 止 自 动 系 统 失 效 ， 保 留 手 动 控 制 。 考 虑 到 工 业 环 境 差 ， 灰 尘 多 ， 为 确 保 i/o 接 点 的 可 靠 接 通 ， 室 内 设 备 采 用 电 压 类 型 为 dc24v 的 i/o 接 点 ， 室 外 设 备 采 用 ac22ov 的 i/o 接 点 。 根 据 控 制 要 求 ， 以 及 电 压 类 型 ， 必 须 选 用 性 能 卓 越 ， 高 可 靠 性 ， 配 置 灵 活 的 plc 控 制 器 ， 考 虑 供 货 和 备 件 情 况 ， 选 用 德 国 西 门 子 公 司 的 s7-200 系 列 中 cpu224 型 plc， 其 本 机 i/o 点 数 为 14 入 /10 出 ， 可 扩 展 7 个 模 块 数 量 。 再 扩 展 一 个 em223（ 8 入 /8 出 ） ， 可 满 足 系 统 要 求 。 标 准 语 言 梯 形 图 语 言 是 最 常 用 的 一 种 语 言 ， 它 有 以 下 特 点 ： 它 是 一 种 图 形 语 言 ， 沿 用 传 统 控 制 图 中 的 继 电 器 触 点 、 线 圈 、 串 联 等 术 语 和 一 些 图 形 符 号 构 成 ， 左 右 的 竖 线 称 为 左 右 母 线 。 梯 形 图 中 接 点 （ 触 点 ） 只 有 常 开 和 常 闭 ， 接 点 可 以 是 plc 输 入 点 接 的 开 关 也 可 以 是 plc 内 部 继 电 器 的 接 点 或 内 部 寄 存 器 、 计 数 器 等 的 状 态 。 梯 形 图 中 的 接 点 可 以 任 意 串 、 并 联 ， 但 线 圈 只 能 并 联 不 能 串 联 。 内 部 继 电 器 、 计 数 器 、 寄 存 器 等 均 不 能 直 接 控 制 外 部 负 载 ， 只 能 做 中 间 结 果 供 cpu 内 部 使 用 。 plc 是 按 循 环 扫 描 事 件 ， 沿 梯 形 图 先 后 顺 序 执 行 ， 在 同 一 扫 描 周 期 中 的 结 果 留 在 输 出 状 态 暂 存 器 中 所 以 输 出 点 的 值 在 用 户 程 序 中 可 以 当 做 条 件 使 用 。 2.2.2 i/o 点 分 配 输 入 信 号 有 设 备 位 置 信 号 、 设 备 运 行 状 态 信 号 、 各 种 主 令 和 工 作 方 一 式 选 择 信 号 、 自 动 配 料 信 号 等 ， 输 入 点 约 19 点 。 输 出 信 号 有 设 备 运 行 信 号 、 设 备 联 锁 信 号 、 自 动 配 料 程 序 输 出 信 号 、 指 示 灯 信 号 等 ， 输 出 点 约 17 点 。 详 细 分 配 点 见 表 2-1 所 示 : 河北师范大学本科生毕业论文 9 表 2-1 plc 的 i/o 详 细 分 配 点 ： 名 称 地 址 编 号 代 码 名 称 地 址 编 号 代 码 探 尺 i0.0 sb1 布 料 器 q0.0 q0.1 qa1 大 钟 开 启 i0.1 sb2 均 压 阀 ya 大 钟 停 止 i0.2 sb3 大 钟 q0.4 km6 小 钟 开 启 i0.3 sb4 小 钟 q0.5 km5 小 钟 停 止 i0.4 sb5 小 车 上 行 q0.6 km3 小 车 开 启 i0.5 sb6 小 车 下 行 q0.7 km4 小 车 停 止 i0.6 sb7 小 车 上 行 指 示 灯 q1.0 hl1 小 车 上 行 i0.7 sb8 小 车 下 行 指 示 灯 q1.1 hl2 小 车 下 行 i1.0 sb9 中 间 仓 开 q2.0 km1 小 车 上 行 限 位 i1.1 sq1 中 间 仓 关 q2.1 km2 小 车 下 行 限 位 i1.2 sq2 大 钟 开 指 示 灯 q2.2 hl3 中 间 仓 开 启 i1.3 sb10 小 钟 开 指 示 灯 q2.3 hl4 中 间 仓 停 止 i1.4 sb11 报 警 电 铃 q2.4 ha 中 间 仓 开 启 限 位 i1.5 sq3 中 间 仓 未 开 到 位 报 警 灯 q2.5 hl5 中 间 仓 停 止 限 位 i2.0 sq4 中 间 仓 未 关 到 位 报 警 灯 q2.6 hl6 消 铃 按 钮 i2.1 sb12 缺 料 指 示 q2.7 hl7 自 动 /手 动 i2.2 i2.3 sa 2.2.3 料 车 上 料 系 统 高 炉 料 车 上 料 系 统 是 料 车 按 生 产 要 求 将 槽 下 各 种 物 料 ， 由 料 车 卷 扬 机 提 升 到 炉 顶 。 高 炉 上 料 主 要 有 上 料 小 车 和 上 料 皮 带 两 种 方 式 ;由 于 小 车 的 上 料 能 力 有 限 ， 河北师范大学本科生毕业论文 10 大 型 高 炉 一 般 使 用 上 料 皮 带 的 方 式 上 料 。 下 面 简 单 谈 一 下 上 料 小 车 和 上 料 皮 带 的 优 缺 点 : 上 料 小 车 的 优 点 是 适 合 料 仓 与 高 炉 距 离 较 近 ， 占 地 面 积 小 ， 节 省 厂 区 面 积 ， 适 于 中 小 型 高 炉 ;缺 点 是 上 料 能 力 有 限 。 上 料 大 皮 带 优 点 是 适 合 料 仓 与 高 炉 距 离 较 远 ， 能 连 续 供 料 ， 适 于 大 型 高 炉 ;缺 点 是 占 地 而 积 较 大 。 本 设 计 主 要 考 虑 的 是 小 型 高 炉 的 自 动 上 料 系 统 ， 为 节 约 成 本 ， 采 用 上 料 小 车 的 上 料 方 式 。 2.2.4 高 炉 料 钟 装 料 系 统 炉 顶 装 料 系 统 ， 它 由 旋 转 布 料 器 、 小 钟 、 大 钟 以 及 探 尺 组 成 。 原 料 由 料 车 送 上 炉 顶 后 ， 先 装 入 小 钟 。 小 钟 下 降 时 ， 原 料 装 入 大 钟 内 ， 大 钟 每 下 降 一 次 ， 布 料 器 即 旋 转 一 次 ， 布 料 器 旋 转 一 定 角 度 (一 般 采 用 六 点 布 料 ， 间 隔 六 十 度 )， 这 样 可 使 进 入 炉 内 的 料 分 布 均 匀 。 小 料 钟 经 过 几 次 下 降 一 批 料 装 入 大 料 斗 后 ， 关 闭 fr1 km1 qs1 fu1 m 3 km2 中间仓 fr2 km3 qs2 fu2 m 3 km4 上料小车 l1 l2 l3 图 2-1 上料系统主电路 河北师范大学本科生毕业论文 11 小 钟 ， 然 后 打 开 大 钟 ， 经 布 料 器 原 料 便 装 入 炉 内 ， 采 用 双 钟 的 目 的 在 于 装 料 时 交 替 关 闭 ， 以 防 煤 气 逸 出 。 而 双 钟 的 控 制 如 图 3-5 所 示 : 为 使 炉 内 物 料 均 匀 的 分 布 ， 旋 转 布 料 器 采 用 步 进 电 机 控 制 ， 步 进 电 动 机 是 一 种 用 电 脉 冲 信 号 进 行 控 制 ， 并 将 电 脉 冲 信 号 转 换 成 相 应 的 角 位 移 或 线 位 移 的 执 行 机 构 。 由 于 受 脉 冲 的 控 制 ， 其 转 子 的 角 位 移 量 和 速 度 严 格 地 与 输 入 脉 冲 的 数 量 和 脉 冲 频 率 成 正 比 ， 通 过 控 制 脉 冲 数 量 来 控 制 角 位 移 量 ， 从 而 达 到 准 确 定 位 的 目 的 ; 通 过 控 制 脉 冲 频 率 来 控 制 电 机 转 动 的 速 度 和 加 速 度 ， 从 而 达 到 调 速 的 目 的 ;通 过 改 变 通 电 顺 序 ， 从 而 达 到 改 变 电 机 旋 转 方 向 的 目 的 。 2.2.5 步 进 电 机 的 选 择 l1 l2 fr3 km5 qs3 fu3 m 3 小钟 fr4 km6 qs4 fu4 m 3 大钟 ya 均压阀 l3 图 2-2 双钟的控制原理图 河北师范大学本科生毕业论文 12 步 进 电 机 有 步 距 角 (涉 及 到 相 数 )、 静 转 矩 、 及 电 流 三 大 要 素 组 成 。 一 但 三 大 要 素 确 定 ， 步 进 电 机 的 型 号 便 确 定 下 来 了 。 (1)步 距 角 的 选 择 电 机 的 步 距 角 取 决 于 负 载 精 度 的 要 求 ， 将 负 载 的 最 小 分 辨 率 (当 量 )换 算 到 电 机 轴 上 ， 每 个 当 量 电 机 应 走 多 少 角 度 (包 括 减 速 )。 电 机 的 步 距 角 应 等 于 或 小 于 此 角 度 。 目 前 市 场 上 步 进 电 机 的 步 距 角 一 般 有 o.36 度 /0.72 度 (五 相 电 机 )、 0.9 度 /1.8 度 (二 、 四 相 电 机 )、 1.5 度 /3 度 (三 相 电 机 )等 。 (2)静 力 矩 的 选 择 步 进 电 机 的 动 态 力 矩 一 下 子 很 难 确 定 ， 我 们 往 往 先 确 定 电 机 的 静 力 矩 。 静 力 矩 选 择 的 依 据 是 电 机 工 作 的 负 载 ， 而 负 载 可 分 为 惯 性 负 载 和 摩 擦 负 载 二 种 。 单 一 的 惯 性 负 载 和 单 一 的 摩 擦 负 载 是 不 存 在 的 。 直 接 起 动 时 (一 般 由 低 速 )时 二 种 负 载 均 要 考 虑 ， 加 速 起 动 时 主 要 考 虑 惯 性 负 载 ， 恒 速 运 行 时 只 要 考 虑 摩 擦 负 载 。 一 般 情 况 下 ， 静 力 矩 应 为 摩 擦 负 载 的 2-3 倍 以 内 较 好 ， 静 力 矩 一 旦 选 定 ， 电 机 的 机 座 及 长 度 便 能 确 定 下 来 (几 何 尺 寸 )。 (3)电 流 的 选 择 静 力 矩 一 样 的 电 机 ， 由 于 电 流 参 数 不 同 ， 其 运 行 特 性 差 别 很 大 ， 可 依 据 矩 频 特 性 曲 线 图 ， 判 断 电 机 的 电 流 (参 考 驱 动 电 源 、 及 驱 动 电 压 )。 (4)力 矩 与 功 率 换 算 步 进 电 机 一 般 在 较 大 范 围 内 调 速 使 用 、 其 功 率 是 变 化 的 ， 一 般 只 用 力 矩 来 衡 量 。 力 矩 一 与 功 率 换 算 如 下 : p= m =2 n/60 p=2 nm/60 其 p 为 功 率 ,单 位 为 瓦 ， 为 每 秒 角 速 度 ， 单 位 为 弧 度 ， n 为 每 分 钟 转 速 ， m 为 力 矩 ， 单 位 为 牛 顿 米 p=2 fm、 400(半 步 工 作 ) 其 中 f 每 秒 脉 冲 数 (简 称 pps) 步 进 电 动 机 的 驱 动 电 源 基 本 上 由 脉 冲 发 生 器 、 脉 冲 分 配 器 和 脉 冲 放 大 器 (也 称 功 率 放 大 器 )三 部 分 组 成 ， 如 图 2-3 所 示 。 驱 动 器 选 型 原 则 遵 循 先 选 电 机 后 选 驱 动 的 原 则 ， 电 机 的 相 数 、 电 流 大 小 是 驱 动 器 选 择 的 决 定 性 因 素 ;在 选 型 中 ， 还 河北师范大学本科生毕业论文 13 要 根 据 plc 输 出 信 号 的 极 性 来 决 定 驱 动 器 输 入 信 号 是 共 阳 极 或 共 阴 极 。 为 了 改 善 电 机 的 运 行 性 能 和 提 高 控 制 精 度 ， 通 常 通 过 选 择 带 细 分 功 能 的 驱 动 器 来 实 现 ， 目 前 驱 动 器 的 细 分 等 级 有 8 倍 、 16 倍 、 32 倍 、 64 倍 等 ， 最 高 可 达 256 倍 细 分 。 在 实 际 应 用 中 ， 应 根 据 控 制 要 和 步 进 电 机 的 特 性 选 择 合 适 的 细 分 倍 数 ， 以 达 到 更 高 的 速 度 和 更 大 的 高 速 转 矩 ， 使 电 机 运 转 精 度 更 高 ， 振 动 更 小 。 在 设 计 中 ， 由 plc 的 cpu 产 生 脉 冲 ， 通 过 驱 动 器 来 控 制 步 进 电 机 ， 步 进 电 机 的 工 作 方 式 为 两 相 八 拍 ， 步 距 角 为 0.9 度 。 2.2.6 探 尺 系 统 高 炉 在 冶 炼 的 过 程 中 ， 利 用 探 尺 探 明 炉 内 料 面 高 低 的 情 况 。 探 尺 是 一 个 铸 钢 圆 柱 体 重 锤 ， 由 卷 扬 机 通 过 钢 绳 牵 引 经 滑 轮 和 链 条 将 探 尺 伸 入 高 炉 炉 膛 内 。 值 班 室 根 据 炉 内 冶 炼 要 求 ， 例 如 定 出 料 线 2.0 米 ， 即 料 长 下 降 到 2.0 米 时 就 要 往 炉 内 装 料 。 假 如 由 于 装 料 机 械 故 障 或 者 其 它 环 节 出 毛 病 没 有 及 时 装 料 而 实 际 料 面 继 续 下 降 ， 出 现 “亏 料 ”现 象 ， 当 实 际 料 亏 低 于 选 择 的 料 线 0.5 米 时 发 出 亏 料 警 告 信 号 ， 同 时 发 出 闪 光 信 号 。 探 尺 分 为 连 续 工 作 制 和 点 测 工 作 制 ， 一 般 情 况 按 连 续 工 作 制 工 作 ， 即 探 尺 在 任 何 时 间 均 随 料 面 的 下 降 而 下 降 ， 根 据 自 整 角 机 反 馈 信 号 随 时 监 测 料 面 位 置 ， 只 指令 脉冲发生器 脉冲分配器 脉冲放大器 步进电机 工作机构 图 2-3 步进电机驱动电源方框图 步 进 电 机 p l c com q0.0 q0.1 cp+ d+ cp- d- b- b+ a- a+ r1 r2 图 2-4 步进电机 plc 控制原理图 河北师范大学本科生毕业论文 14 有 当 向 高 炉 内 装 料 时 ， 才 自 动 提 升 到 上 极 限 位 ， 待 装 料 完 毕 、 小 钟 关 闭 后 又 自 动 下 降 。 在 某 些 情 况 下 ， 需 要 用 点 测 工 作 制 ， 探 尺 在 装 料 过 后 即 下 降 ， 待 左 右 两 个 探 尺 都 下 降 到 规 定 料 面 时 ， 延 时 约 3 分 钟 就 自 动 提 升 到 上 极 限 位 。 左 右 探 尺 可 同 时 工 作 ， 也 可 单 独 工 作 ， 任 一 探 尺 降 到 工 作 料 面 ， 即 两 个 探 尺 同 时 自 动 提 升 。 探 尺 在 装 料 完 毕 ， 下 密 封 阀 关 闭 后 才 允 许 下 降 。 探 尺 提 升 后 才 能 向 高 炉 内 装 料 。 发 出 上 料 信 号 后 ， 探 尺 自 动 上 升 。 本 高 炉 料 线 与 料 面 检 测 的 设 计 装 有 一 左 一 右 两 根 探 尺 。 装 料 时 由 卷 扬 机 把 探 尺 提 起 放 料 ， 检 测 时 一 下 放 探 尺 。 探 尺 装 置 装 有 自 整 角 发 送 器 ， 探 尺 下 降 的 位 移 信 号 经 自 整 角 机 发 送 器 ， 发 送 给 控 制 室 内 的 自 整 角 接 受 器 ， 自 整 角 接 受 器 带 动 记 录 仪 表 指 针 ， 记 录 探 尺 下 降 的 位 移 ， 由 位 移 可 以 估 计 料 面 形 状 和 炉 内 料 的 多 少 。 在 本 实 验 中 将 其 设 计 成 一 开 关 输 入 量 i0.0。 当 i0.0 闭 合 时 ， 相 于 于 左 右 两 根 探 尺 下 降 ， 探 测 到 炉 内 缺 料 。 2.2.7 系 统 的 总 体 结 构 图 根 据 本 设 计 的 内 容 要 求 ， 系 统 的 plc 接 线 图 如 图 2-4 所 示 。 河北师范大学本科生毕业论文 15 l1n qs4 sb12 qs1 qs2 sb10 sa qs3 sb11 sb9 dc 0v l1n sb8 sb7 sb6 sb5 sb4 dc 24v sb3 sb2 sb1 dc 0v dc 24v + + ma+ a- b+ d- cp-r1 r2 高 炉 煤 气 1m 高 炉 煤 气 i0.0 高 炉 煤 气 q0.0 高 炉 煤 气 d+ 1l 高 炉 煤 气q0.1 高 炉 煤 气 q0.2 高 炉 煤 气 q0.3 高 炉 煤 气 q0.4 高 炉 煤 气 q0.5 高 炉 煤 气i1.0高 炉 煤 气 q1.1 高炉 煤气 q1.0 高炉 煤气 q2.7 高 炉 煤 气 i2.3 高 炉 煤 气 cp+ i0.1 高 炉 煤 气 i0.2 高 炉 煤 气 i0.3 高 炉 煤 气 i0.4 高 炉 煤 气 i0.5 高 炉 煤 气 i0.6 高 炉 煤 气 i0.7 高 炉 煤 气 2m 高 炉 煤 气 2l 高 炉 煤 气 1l 高 炉 煤 气 q2.0 高 炉 煤 气 q2.2 高 炉 煤 气 i2.0 高 炉 煤 气 b- m 高 炉 煤 气 l 高 炉 煤 气 1m 高 炉 煤 气 q2.3 高 炉 煤 气 i2.2 高 炉 煤 气 i2.1 高 炉 煤 气 s7-200 cpu 224 em 223 ac 高 炉 煤 气 l1 高 炉 煤 气 q0.7 高炉 煤气 q2.6 高 炉 煤 气 2l 高 炉 煤 气 q2.4 高 炉 煤 气 q2.5 高 炉 煤 气 q0.6 高 炉 煤 气 3l 高 炉 煤 气 i1.1 高 炉 煤 气 i1.2 高 炉 煤 气 i1.3 高 炉 煤 气 i1.4 高 炉 煤 气 i1.5 高 炉 煤 气 3m 高 炉 煤 气 l+ 高 炉 煤 气 图 2-5 plc 接线图 q2.1 km6 km5 km5 km6 km3 km4 km4 km3 hl1 hl2 hl7 hl6 pg5 ha hl4 hl3 km2 km1 6 河北师范大学本科生毕业论文 16 第 3 章 高 炉 上 料 自 动 监 控 系 统 的 程 序 设 计 3.1 高 炉