西门子PLC在高炉上料的应用毕业论文.doc

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 2.2.2I/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 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 西门子 PLC 高炉上料上的应用 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 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 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 14004600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 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。 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 这就要求高炉实现自动化的生产方式。 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 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。 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 高炉上料的控制方式： (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； 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。 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 : (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: 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I0.0SB1布料器Q0.0 Q0.1 QA1 大钟开启I0.1SB2均压阀YA 大钟停止I0.2SB3大钟Q0.4KM6 小钟开启I0.3SB4小钟Q0.5KM5 小钟停止I0.4SB5小车上行Q0.6KM3 小车开启I0.5SB6小车下行Q0.7KM4 小车停止I0.6SB7小车上行指示灯Q1.0HL1 小车上行I0.7SB8小车下行指示灯Q1.1HL2 小车下行I1.0SB9中间仓开Q2.0KM1 小车上行限位I1.1SQ1中间仓关Q2.1KM2 小车下行限位I1.2SQ2大钟开指示灯Q2.2HL3 中间仓开启I1.3SB10小钟开指示灯Q2.3HL4 中间仓停止I1.4SB11报警电铃Q2.4HA 中间仓开启限位I1.5SQ3中间仓未开到位报警灯Q2.5HL5 中间仓停止限位I2.0SQ4中间仓未关到位报警灯Q2.6HL6 消铃按钮I2.1SB12缺料指示Q2.7HL7 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， 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 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 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 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。 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 2.2.5 步进电机的选择 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 =2n/60 P=2nM/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=2fM、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 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。 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 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 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。 L1 N QS4 SB12 QS1 QS2 SB10 SA QS3 SB11 SB9 DC 0V L1 N SB8 SB7 SB6 SB5 SB4 DC 24V SB3 SB2 SB1 DC 0V DC 24V + + M A+ 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 第 3 章 高炉上料自动监控系统的程序设计 3.1 高炉上料自动监控系统的流程图设计 系统程序由 PLC 制造厂商设计编写的，并存入 PLC 的系统存储器中，用户不 能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、 信息传送程序、监控程序等 。 系统涉及到全自动程序和手动程序。为了方便程序，便于读者阅读，程序清 晰。程序中用到内部标志位 M，它们并不直接驱动外部负载，只起中间状态的暂 存作用，类似与继电器系统中的中间继电器。用计数器计算小车的次数，定时器 使小车准确停车。 1.程序的基本结构 高炉上料系统的控制是典型的顺序控制，它的工作循环是从探尺开始，一步 一步有条不紊地进行，每一个工步的执行都会使相应的电磁铁通电使得电磁阀动 作，用行程开关和定时器来判断每一步是否完成，并决定是否启动下一个工步， 采用顺序梯形图可以方便地完成相应的控制过程。 2.动作流程图 高炉上料系统顺序控制动作流程图如图 3-1 所示。初始状态为 :大钟，小钟 与料车内均有料，中间仓无料且关到位。 3.2 高炉上料自动监控系统的梯形图设计 梯形图是使用最多的可编程序控制器的编程语言，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 器技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。系统 的梯形图如图 3.2 所示。 小车上行，到位停止，延时 小车下行，到位停止，延时 中间仓开 闸门开到位 开报警 延时 25S 料空，中间仓 关，延时 开报警 闸门关到位 布料槽布料，延时，炉料布完 关均压阀、关大钟、到位停止 开小钟，到位停止，延时 关小钟，到位停止 初始状态 两探尺从 0 下探，下降高度到给 定值，炉内缺料 开均压阀、开大钟，开到位停止， 延时 图 3-1 高炉上料系统顺序控制动作流程图 是 是否 否 M0.1I0.3 Q0.5 Q0.4T40Q0.5 Q2.3 I0.4 M1.0 I0.6I0.7I0.5M1.0 I0.3T40 INTON 100msPT100 I1.5T41 INTON 100msPT250 I0.0 I1.1T38 INTON 100msPT100 I1.4T39 INTON 100msPT100 M0.1 S 1 Q2.7 Q2.2Q2.2 Q0.1 M0.1I0.2I0.1 Q0.2 Q0.5Q0.4 Q0.2 Q1.1 M1.1I1.4T40 Q0.7 Q1.1Q0.7 Q1.1 I0.5I1.0 M1.1 I0.6M1.1 I1.4I1.3Q2.0 Q2.0 I1.5Q2.1 I1.4T39Q2.1 Q2.1 I2.0Q2.0 M1.2 T39 INTON 100msPT100 Q0.4C10T34 M1.2 T33T34 INTON 10msPT10 Q0.5M1.0 Q0.6 Q1.0 Q0.6Q0.7Q2.1I1.1T41 Q1.0 T46T45 INTON 100msPT10 T45T46 INTON 100msPT10 I2.1T39M1.3 M1.3 I2.2T40M1.4 M1.4 T45 Q0.7 M0.5 M1.5Q2.5 T45 Q2.4 M0.4 M1.4Q2.6 I2.3M0.3 M0.3 M1.3 I2.5M0.4 M0.4 M1.4 Q2.4M0.3M1.3 M1.4M0.4 图 3-2系统梯形图 第 4 章 高炉上料自动控制系统的仿真 先使用 STEP7-Micro/WIN 软件（西门子 S7-200 系列 PLC 的编程软件）编程，将 程序输入并编译，修改语法错误。直到编译结果出现 “0 个错误”字样说明程序无语 法错误。然后在 Simulation S7-200（西门子 S7-200 系列 PLC 的程序仿真软件）在 计算机中进行模拟调试，修正逻辑错误。 图 4-1 STEP7-Micro/WIN 软件界面 （经编译右下角提示 0 个错误） 图 4-2 Simulation S7-200 仿真软件界面 4.1 生成 ASCII 文本文件 真软件不能直接接收 S7200 的程序代码，S7200 的用户程序必须用 “导出” 功能转换为 ASCII 文本文件后，再下载到仿真软件中去。 在编程软件中打开编译成功的高炉上料控制系统的程序，执行菜单命令“文件” 下的“导出” ，或用鼠标右键点击某一程序块，在弹出的菜单中执行 “导出”命令， 在出现的对话框中输入文件名 “高炉上料” ，生成并保存 ASCII 码文件。 4.2 仿真软件配置设置 执行菜单命令“配置”选择“CPU”型号，在对话框的下拉列表中选择 CPU224 型号。用户还可以修改 CPU 的网络地址，本文取为默认的地址。 CPU 模块右边空的方 框是扩展模块的位置，双击仅靠已配置的模块右侧的方框，在出现的 “配置扩展模 块”对话框中选择扩展模块。双击已存在的扩展模块，在 “配置扩展模块”对话框 中选择“无” ，可以取消模块。本文取 EM223（8I/8Q）扩展模块。 图 4-3 CPU 型号选择 4.3 下载程序并仿真 设置好仿真软件后，点击仿真软件工具条中左边的第2 个按钮可以下载程序，一 般选择下载全部块，按 “确定”按钮后，在“打开”对话框中选择下载的 “高炉上 料.awl”文件，下载成功后，同时出现下载的程序代码文本框。 如果用户程序中有仿真软件不支持的指令或功能，点击工具条内三角形的“运 行”按钮后，不能切换到 RUN 模式，CPU 模块左侧的“RUN”LED 的状态不会变化。 如果仿真软件支持用户程序中的全部指令和功能，点击工具条内的 “运行”按 钮和正方形的“停止”按钮，从“STOP”模式切换到“RUN”模式,CPU 模块左侧 “RUN”和“STOP”LED 的状态随之变化。 图 4-5 下载程序并打开程序状态监视图 图 4-4 扩展模块选择 按照系统的操作和控制要求操作仿真软件的输入按钮，观察程序是否按照所期 望的状态运行。观察输出状态，查找错误并修改程序到达期望值。 图 4-6 全自动方式运行程序状态监视图（部分） 图 4-7 全自动方式运行的 I/O 点状态图（缺料） 图 4-8 全自动方式运行的 I/O 点状态图（不缺料） 根据图 4-7、图 4-8，由 I/O 点分配表可知，炉内缺料时 Q0.1（表示布料器） ，Q0.2（表示均压阀） ， （Q0.4 和 Q2.2 表示大钟和大钟开启指示），Q0.6 和 Q1.0（表示小车上行和小车上行指示），Q2.7（表示缺料指示）均按照控制要求 运行。 结论 本文通过对高炉的介绍及控制要求的说明及分析，采用西门子S7-200 系列 PLC 软件进行编程实现高炉上料的自动控制。 高炉生产是一种规模大、要素多、要求严格的冶炼过程。上料必须准确，设备 之间要有严密的连锁控制关系，如果出现控制失调出现槽下跑料，轻者浪费原料 种着将导致料车不能正常装料，迫使高炉停产。本文首先介绍高炉的构造，炼铁 工艺然后就高炉上料的控制进行详细剖析，然后针对西门子S7-200 系列 PLC 的 特点结合高炉上料系统的控制要求进行程序编辑，用以实现高炉上料的PLC 自 动控制。 PLC 技术可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算