毕业设计71南京工学院电弧炉碳仓控制系统设计

南京 工 学 院 毕业设计 (论文 )说明书 作 者： 赵亚林 学 号： 10212133 系 ： 电子信息工程系 专 业： 电气工程及其自动化 题 目： 电弧炉碳仓控制系统设计 下位机部分 指导者： 刘斌（副教授）、蔡冬林（高工） (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2006 年 6 月 南京 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 2 页 共 59 页 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 我国是钢铁生产大国，电弧炉冶炼是当今世界钢铁行业的主流。电弧炉冶炼时，碳氧枪的控制非常关键。本课题以淮钢集团电弧炉碳仓为研究对象提出并设计了电弧炉碳仓 PLC 控制系统，系统采用西门子 S7-300PLC，使用标准编程软件 STEP 7 编程，通过与设计的 PLC 程序配合，实现对碳 仓内碳粉的加压、充填及放气阀、两个加碳粉阀和炉壁三支碳枪的载气阀、喷碳阀以及三种碳粉喷入量的控制，满足冶炼过程中电炉造渣的要求。本文内容上首先对电弧炉和 PTI枪作了概述，其次介绍了西门子 S7-300PLC 和 STEP 7 编程软件，最后着重介绍了系统程序部分的设计。 编写的程序经过调试后与上位机部分（ WinCC）相连接可以设计出相应的演示界面和监控界面。 关键词 PLC 电弧炉 碳仓 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 3 页 共 59 页 目 录 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 4 页 共 59 页 1 绪论 1 1.1 系统设计背景 1 1.2 设计要求与设计思路 2 2 电弧炉与 PTI 枪 2 2.1 电弧炉炼钢工作原理 2 2.2 电 弧 炉炼钢的发展 现状 3 2.3 PTI枪系统组成 3 3 可编程控制器（ PLC）简介 7 3.1 可编程序控制器的概述 7 3.2 PLC 的工作原理 7 3.3 PLC 发展现状与趋势 8 3.4 西门子 S7-300PLC 8 3.5 西门子 STEP-7 编程软件 10 4 碳仓系统总体设计要求 13 4.1 设计要求 13 4.2 功能要求 15 5 硬件设计 16 5.1 硬件组态 16 5.2 上载硬件实际组态到编程器 16 6 软件设计 19 6.1 料仓 部分的程序设计 19 6.2 运行仓部分的程序设计 21 6.3 三路碳粉分配器部分的程序设计 28 7 程序调试 35 结论 36 致谢 37 参考文献 38 附录 A 碳仓控制系统源程序 39 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 5 页 共 59 页 1 绪论 据统计，目前全世界粗钢产量的 30%由电炉生产，我国电炉钢也约占总钢产量的 20%左右。电弧炉电气运行是电炉冶炼生产最基本的保障，它关系到冶炼工艺、 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 6 页 共 59 页 原料、电气、设备等诸多方面的问题，直接影响电炉炼钢生产的各项技术和经济指标，因此对其进行最佳化的研究意义重大，不但可保障冶炼工艺的顺行和 充分 发挥设备资源 的作用 ，还能提高生产率，节能降耗。 可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的 基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术，计算机技术，通讯技术 融 为一体的新型工业自动控制装置。 随着微处理器、计算机、网络和数字通信技术的飞速发展，工业生产自动化控制技术已扩展到了几乎所有的工业领域。应用计算机网络技术来解决工业自动化任务已逐渐成为普通的技术。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化的主要实现工具，无论是国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，普遍把可编程序控制器作为控制系统的核心器件。可编程序控制器在取代传统电 气控制方面有着不可比拟的优点，在自动化领域已形成了一种工业控制趋势。电气设备能否方便可靠的实现自动化，很大程度上取决于我们对可编程序控制器的应用水平。 可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作功能，并通过开关量，模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制 。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要来选配，其软件则需根据控制要求进行设计。 各种氧枪和碳枪的开发和应用 是电弧炉炼钢技术进步的重要组成部分。本次设计的课题是：电弧炉碳仓控制系统设计 下位机部分， 系统采用西门子 S7-300 PLC编程，实现对电弧炉碳仓的自动控制。 1.1 系统设计背景 超高功率电弧炉作为电弧炉发展的基本方向，为实现其高产、低耗、优质的目标，就必须具备快速而准确的生产控制，全面而优化的综合管理。电弧炉电气运行是电炉冶炼生产中最基本的保障，它关系到冶炼工艺、原料、电气、设备等诸多方面的问题，直接影响电炉炼钢生产的各项技术经济指标，因此对其进行最佳化的研究意义重大，不但可保障冶炼工艺的顺行、充分 有效的利用设备资源，还能提高生产率，节能降耗。 各种碳枪和氧枪的开发和应用是电弧炉炼钢技术进步的重要组成部分， 电弧炉冶炼过程中，需要向炉内喷入适量碳粉，造泡沫渣实现埋弧冶炼。 此次课题源于淮钢集团电炉厂 70T 超高功率电弧炉 精练炉 连铸生产线，针 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 7 页 共 59 页 对原控制系统故障率高、维护量大等一系列问题 ,设计出了利用 西门子公司的SIMATIC S7-300 控制的碳仓控制系统。 1.2 设计要求 与设计 思路 在设计时 应该 按照要求、安全可靠、经济实用、适应发展等几个原则。根据所学 STEP 7 软件的知识，再结合现有的资料完成课 题。 1本课题的设计要求 运用西门子 S7-300 PLC 软件编写程序实现对碳仓内碳粉的加压、充填及放气阀、两个加碳粉阀和炉壁三支碳枪的载气阀、喷碳阀以及三种碳粉喷入量的控制，使其满足冶炼过程中电炉造渣的要求。 2设计思路 凭借工控实验室西门子 S7-300 PLC 软件编程与现有实验台相结合进行研究、调试。 分三个阶段步骤： 第一阶段：大体写出总的模块设计方案。 第二阶段：编写各模块程序，并对各模块程序进行调试、矫正。 第二阶段：把各模块程序连接起来进行总体研究调试、矫正。 2 电弧炉与 PTI 枪 2.1 电弧炉炼钢工作原理 交流电弧炉炼钢采用三相电极与待冶炼炉废料 (废钢铁 )间引起电弧产生的热能熔化废钢铁， 通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源 并熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种 炼 钢方法。控制电极升降实现控制电极与炉料的电弧距离，就控制了电弧产生电流的大小，达到控制冶炼功率的目的。 2.2 电 弧 炉炼钢的发展 现状 在过去的 20年中 ,我国电炉炼钢得以迅速增长，至 2000年底已有 19座 70t超高功率电弧炉投入运行。电炉钢的迅速增长已成了第二位的炼钢方法。在工业发达国家大部分电弧炉钢是一般钢种，电弧炉炼钢已成为重要的常规生产技术，而不仅仅是生产特殊钢、合金钢的特殊生产技术。这项技术之所以能迅速发展得宜于以下几个 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 8 页 共 59 页 主要条件： (1) 冶炼周期缩短为 60 100min。 (2) 电能充足、电价稳定，吨钢电耗不大于 375kWh 。 (3) 电炉趋向大型化 ,超高功率化 ,与炉外精炼配合 ,冶炼工艺强化 ,生产率大大提高。 (4) 钢液温度和成分容易控制，品种适应性广。 在过去 20年中，电弧炉炼钢的用氧技术取得了瞩目的发展。氧气的利用已由最初的脱碳反应跃居为电弧炉的第二热源，部分取代了相对昂贵的电源。现代电弧炉炼钢的供氧量为 20 40m3/t，甚至更高。其向熔池提供的化学能占总输入能量 30%40%。先进的电弧炉广泛采用强化供氧和泡沫渣冶炼、废钢预热等技术，因而电弧炉的冶 炼时间大大缩短，即使 100t以上的大型电炉，全炉的冶炼时间也只有 6070min，吨钢电耗不大于 375kWh ，吨钢电极消耗不大于 1.5kg。 世界各国的电炉大都向 50 150t的大中型超高功率发展， 200t以上的特大型电炉为数不多，这主要是受到电极质量的限制。 30t以下的小型电炉一般也都不建设，主要与其技术经济效果差，同时又不利于与炉外精炼匹配有关。从日、美、德等工业发达国家看，使用比较广泛，技术经济效果较为突出的是 50 100t的超高功率电炉。特别是 100t左右的超高功率电炉与连铸机配合实现多炉连浇更为 有效。 19981999年，国内电弧炉炼钢生产率超过 50万 t/a的仅有上海宝钢、天津钢管公司和江苏沙钢 (90t炉 )三座，大多数 50t以下的电弧炉年生产率仅为 10 20万 t级以下。应该说我国近年来在电炉大型化、装备现代化上花了很多钱，但是在生产率提高方面效果尚有较大差距。 2.3 PTI枪系统组成 2.3.1 工艺设备系统构成 PTI 枪俗名双氧枪， PTI 枪设备系统由氧气阀架、碳仓系统、水冷枪座及枪头、砟自动控制系统（ S7-400PLC 系统）、人机对话系统（ HMI）画面系统、 S5 PLC 系统等部分组 成。其系统结构框图如下： 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 9 页 共 59 页 碳仓及碳仓阀架氧枪阀架炉壁氧枪图 2.1 工艺系统简图 氧气通过氧气阀架控制输送到炉壁氧枪，通过超音速氧枪把氧气射入炉内。 碳粉通过三路碳粉分配器及喷吹控制系统输送到炉壁碳枪，射入炉内。 2.3.2 氧气 /燃气（预留）阀站 功能：阀站分别控制每个 Jetbox 上的集束氧箱所需的氧气和天然气。由 PLC全自动控制，每一路集束氧箱的氧气 /天然气流量可独立控制。 主要部件：压力调节器、压力表、高压 /低压开关 、带压差转换器的流量计、电动控制阀、电磁阀、自动切断阀门、双重切断阀、泄压管。 图 2.2 氧气 /燃气阀站 2.3.3 多功能燃氧喷枪 功能： 3 个安装于 Jetbox 内，在多个位置，将氧气高效的喷入电炉之中。多功能喷枪具有废钢预热，切割熔化，二次燃烧和升温脱碳的多种功能。 主要结构特征： 氧枪由拉瓦尔烧嘴、枪套两部分组成。 每个喷射氧枪枪体材质为钢，枪套为纯铜。 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 10 页 共 59 页 有氧气和燃气两个入口。 集束氧枪内超音速氧流通道和环流氧气通道，枪体的专利设计使氧 气从一个入口进入后自动分成超音速氧流和环绕 氧流。 枪体有内置冷却水管道。 每套 Jetbox 系统中安装有一支超音速氧枪，其在超音速吹氧状态下，额定能力为25Nm3/每分钟。喷嘴在每次装料后的前 2 3 分钟内喷入天然气与氧气，氧气 /燃气比例为 2:1，用于废钢预热。等到废钢变热，此时减少天然气的用量，氧气与天然气比达到 40:1。 图 2.3 多功能燃氧喷枪 2.3.4 三路碳粉分配器及喷吹控制系统 根据用户提供的碳粉输送界面， PTI 负责实现电炉熔池圆周多点喷碳。系统采用脉 冲式蝶阀流量控制装置，按照电能输入量和电炉冶炼的要求，实时控制碳粉喷入速度。 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 11 页 共 59 页 图 2.4 三路碳粉分配器 分配器总顶部有一个法兰和喷碳罐下部出口处的关闭阀相连接，碳粉从主体管下来后被成三路，分别被喷到三个地方，每个喷碳管路有一个手动压力调节器、压缩空气电磁阀、压力表、止回阀、滤网、助吹器、带执行器和电磁阀的蝶阀。该系统由 PLC 控制，与碳粉准备单元的工作状况相连锁，通过碳粉分配器将碳粉分成两路输往安装在箱体内的碳粉喷嘴。计算机负责实 时喷碳流量的检测和控制，确保炉内形成良好的泡沫渣操作。 2.3.5 水冷箱及碳氧复合枪 用于固定和保护集束氧枪， 上有氧枪孔和三个碳枪孔，可通 过此箱体将氧枪和碳枪以最好的 组合安装于最合适的位置上，可 以使嵌入在箱体中的喷碳管和超 音速氧枪更靠近炉中心以及熔池。 图 2.5 水冷箱及复合枪示意 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 12 页 共 59 页 3 可编程控制器（ PLC）简介 3.1 可编程序控制器的概述 可编程序控制器 (Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程序控制器称作可编程 逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程序控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机 (Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称 PLC, tel 9l 7 Ua1987 年，国际电工委员会 (IEC)颁布了新的 PLC标准及其标准定义 :可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用 一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入 /输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 3.2 PLC 的工作原理 PLC 的工作过程一般可分为三个主要阶段：输入采样阶段 ,程序执行阶段和输出刷新阶段： 输入采样阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 图 3.1 PLC 工作过程示意图 PLC 重复执行上述三个阶段 ,每重复一次的时间称为一个扫描周期 。 PLC 在一个执 行 用 户 程 序 输出映像区 输出模板 输出装置 现场输入 输入模板 输入映像区 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 13 页 共 59 页 工作周期中 ,输入采样和输出刷新的时间一般为毫秒级 ,而程序执行时间因程序的长度不同而不同 。 PLC 一个扫描周期因 CPU 模板的运算速度差别很大。 3.3 PLC 发展现状与趋势 众所周知， PLC（可编程序控制器）是为自动化服务的，自动化的要求和发展导致了 PLC 的产生和发展。因此自动化的现状和发展方向就是 PLC 的现状和发展方向。 现代可编程序控制器不仅能实现对数字量的逻辑控制，还具有数字运算、数据处理、运动控制、模拟量 PID 控制、通信联网等功能。在发达的工业化国家，可编程序控制器已经广泛地应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业部门、公用事业、测试设备和农业等领域。可编程序控制器 的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经大量地应用在各种新设备中，各行各业也涌现出大批应用可编程序控制改造设备的成果。 近年 ,工业计算机技术（ IPC）和现场总线技术（ FCS）发展迅速，挤占了一部分 PLC 市场， PLC 增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。目前，国外 PLC 制造商不断推出新产品。大趋势是功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强。 当前，在所有过程控制领域，最大的发展趋势之一就是 Internet 技术的扩展。 PLC 也不例外，现在，越来越多 的 PLC 供应商开始提供 Internet 接口部件。在最近的几年间，我们已经看到， 目前，国外 PLC 制造商不断推出新产品。大趋势是功能越来越多 、 集成度越来越高 、体积越来越小、 网络功能越来越强。 3.4 西门子 S7-300 PLC SIMATIC S7-300 是一种通用型的 PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。 模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得 S7-300 在生产制造工程、汽车工业、通用机械制造、专用机械制造、各种类型的专用机床、塑料加工、包装工业、食 品和饮料工业、工艺过程中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。 S7-300 具有循环周期 短、处理速度高、指令集功能强大，可用于复杂功能，产品设计紧凑可用于空间有限的场合，模块化设计 适合密集安装，有不同档次的 CPU，各种各样的功能，模块和 I/O 模块可供选择，无需电池备份免维修，可在恶劣条件 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 14 页 共 59 页 下露天使用的模块类型（ SIPLUS）等显著特点。 S7-300 由多种模块部件所组成，各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。它的主要组成部分有导轨 （ RACK） 、电源模块（ PS）、中央处理单元（ CPU）模块、接口模块（ IM）、信号模块（ SM）、功能模块（ FM）等。通过 MPI 网络的接口直接与编程器 PG、操作员面板 OP 和其它 S7系列 PLC 相连 。各模块安装在 DIN 标准导轨上，并用螺丝固定。这种结构形式既可靠，又能满足电磁兼容要求。背板总线集成在各个模块上，通过将总线连接器插在模块的背后，使背板总线连成一体。在一个机架上最多可并排安装 8 个模块（不包括 CPU 模块和电源模块）。 S7-300 有各种不同性能档次的 CPU 模块可供使用。标准 CPU 提供范围广泛的基本功能，如指令执行 、 I/O 读写、通过 MPI 和 PC 模块的通讯，紧凑型 CPU 本机集成I/O，并带有高速计数、频率测量、定位和 PID 调节等技术功能。部分 CPU 还集成了点到点或 PROFIBUS 通讯接口。 S7-300 的指令集包含 350 多条指令，还包括了位指令、定时指令、计数指令、整数和浮点数的运算指令等。 CPU 的集成系统功能提供了例如中断处理和诊断信息等这样一类系统功能，由于它们是集成在 CPU 的操作系统中，因此也节省了很多 RAM空间。 S7-300的模板之间用 U型连接器连接 ,可利用 MPI,PROFIBUS和工业以太网组成网络 ,使用 S7组态工具可以对硬件进行组态和设置 ,CPU的智能化诊断系统可连续监控系统功能并记录错误和特定的系统事件 ,多级口令保护可使用户有效保护其专用技术 ,防止未经允许的拷贝和修改。 S7-300PLC 构成框图如下： 图 3.2 S7-300PLC 构成框图 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 15 页 共 59 页 3.5 西门子 STEP-7 编程软件 STEP7 是用于 SIMATIC PLC 组态和编程的软件包，它功能强大、能适用于各种自动化项目。使用 STEP7 软件可对 S7-300 进行编程，而且能简单方便 地将 S7-300全部功能加以利用。 STEP7 包含了自动化项目中从项目的启动、实施到测试以及服务等每一阶段所需的全部功能。 STEP7 主要包括以下组件： （ 1） SIMATIC 管理器，用于集中管理所有工具以及自动化项目数据 （ 2）编程编辑器，用于以 LAD、 FBD 和 STL 语言生成用户程序 （ 3）符号编程器，用于管理全局变量 （ 4）硬件组态，用于组态和参数化硬件 （ 5）硬件诊断，用于诊断自动化系统的状态 （ 6） NetPro，用于组态 MPI 和 PROFIBUS 等网络连接 S7 系列 PLC 的编程语言非常丰富，有 LAD（ 梯形图）、 STL（语句表）、 SCL（标准控制语言）、 GRAPH（顺序控制）、 HiGraph（状态图）、 CFC（连续功能图）、 C for S7（ C 语言）等，用户可以选择一种语言，如果需要，也可混合几种语言编程。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的编程工作大大简化，对用户来说，开发、输入、调试和修改极为方便。 利用 STEP 7 编制一个简单的 PLC 程序的步骤如下： 首先在桌面开始程序中打开编程软件 SIMATIC Manager， 出现如下界面： 点击 下一步按钮，进入如下界面： 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 16 页 共 59 页 选择 CPU313，点击 ，建立一个新的工程 选择 SIMATIC 300 Station，鼠标左键双击 HardWare 标志，根据 PLC 实际状况对硬件进行配置。 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 17 页 共 59 页 硬件配置完之后，按 编译保存按钮对硬件编译保存，或者按 下载按钮直接把硬件下 载到 S7-300 PLC 中，完毕后关闭硬件配置窗口。 选择 Blocks 标志，鼠标左键双击 OB1，可以打开编程窗口。根据要求输入梯形图或语句表，两者可以互相转换。 利用 常开触点、 常闭触点和 输出点可以构成程序的梯形图。如：输入如下一段梯形图程序 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 18 页 共 59 页 转换成语句表如下： 程序编制完之后，按 保存按钮对程序保存，按 下载按钮把程序下载到西门子 PLC 中。在硬件与程序下载完后，再选择 SIMATIC 300 Station 进行整体下载。这样一个工程就做好了，然后在数字量给定板按对应的按钮，看数字量显示板上对应的指示灯是否有显示。 4 碳仓系统设计功能要求 4.1 设计要求 运用西门子 S7-300 PLC 软件编写程序实现对碳仓内碳粉的加压、充填及放气阀、两个加碳粉阀和炉壁三支碳枪的载气阀、喷碳阀以及三种碳粉喷入量的控制，使其满足冶炼过程中电炉造渣的要求。 系 统启动后，风扇过滤器启动，此时压力阀关闭，通风阀打开，碳料通过风扇过滤器进入料仓。接到碳粉填充指令后，料仓吹气阀打开， 2 阀延迟打开， 2 阀打开后 1 阀延迟打开并定时，时间到后 1 阀延迟关闭， 1 阀关闭后 2 阀再延迟关闭，这样就完成了一个碳粉填充过程，如果要循环填充，按 2 阀循环执行按钮即可。碳粉进入运行仓时要求通风阀关闭，同时要求压力仓关闭，运行仓有最大量和最小量的设置。碳料进入运行仓后， 2 阀关闭，压力阀打开，并定时，时间到后关闭压力阀，当接到喷碳指令时，运行仓吹气阀打开，载气延迟打开，载气打开后喷碳阀延迟打开并定时， 时间到后关闭喷碳阀，这样一个完整的喷碳过程就结束了。根据喷碳要求选择高、中、低三支喷枪，三支喷枪可同时喷射，高、中、低三支喷枪实际上是由设定的喷碳时间来决定的。 步骤流程图如下： 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 19 页 共 59 页 0123456789建 立 启 动 条 件待 机风 扇 启 动 ， 并 定 时2 阀 开 ， 并 定 时1 阀 开 ， 并 定 时1 阀 关 ， 并 定 时2 阀 关 ， 并 定 时吹 气 阀 1 开排 气 阀 关 ， 压力 阀 ， 并 定 时压 力 阀 关 吹 气 阀 2开 ， 载 气阀 开 ， 并 定 时喷 碳 阀 开 ， 并 定 时喷 碳 阀 关 ， 并 定 时载 气 阀 关 ， 吹气 阀 关1 0启 动定 时 到定 时 到定 时 到定 时 到定 时 到定 时 到定 时 到运 行 仓 循 环 执 行结 束定 时 到图 4.1 碳仓的 SFC 图 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 20 页 共 59 页 4.2 功能要求 碳仓的设备示意图如图所示： M I NM A XP T6 . 8 1 b a rP R E S . M A XP R E S . M I N料 仓运 行 仓F L A P 3F L A P 4F L A P 5L I N E 1L I N E 2L I N E 33 线 载 气 阀1 线 载 气 阀2 线 载 气 阀F L A P 1F L A P 2 吹 气 阀 1吹 气 阀 2排 气 阀 7压 力 阀 8排 气 减 压风 扇 过 滤 器图 4.2 碳仓的设备示意图 碳仓系统由风扇过滤器、料仓、运行仓、压力阀、填充碳粉用的阀 1 和阀 2、通风阀、两个吹气阀、三个载气阀以及三个喷碳阀等构成。 各部件功能如下： 风扇过滤器：开动风扇过滤器使碳粉进入料仓并且对碳粉进行过滤。 料仓：储存碳粉以备随时装填碳粉。 压力阀：对运行仓加压使其和外界形成一定压力差。 阀 1 和阀 2：控制向运行仓填充碳粉的时间和碳粉的量。 通风阀：填充碳粉时需要对运行仓减压以利于料仓碳粉下落。 吹气阀：吹气使碳粉更容易下落。 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 21 页 共 59 页 载气阀：使管道内形成一定方向的气流，帮助碳粉喷出。 喷碳阀：控制碳粉喷射。 5 硬件组态和参数分配 5.1 硬件组态 硬件组态 出厂的模块带有预置参数或模块，如果这些的缺省设置正常，就不需要硬件组态。下面的 情况需要硬件组态： 如果要改变预置参数或模块地址 如果要组态通讯连接 把分布式外设连接到主站（ PROFIBUS DP） 带有几个 CPU 或扩展机架的 S7-300 站 使用容错可编程控制器（可选包） 设定组态 当 打开 组态系统时，就建立了一个设定组 态。它包括带有需要模块和相关参数的硬件站。根据设定组态 PLC 系统被装配起来，在调试的时候，把设定的组态下载到 CPU 中。 实际组态 1、在装配起来的系统中，可以从 CPU 中读出实际的组态和参数。如果在编程器上项目结构不存在，就需要在项目下建立一个新站。实际组态读出后，可以检查设定的参数，然后存放到项目中。 2、当设定的组态和实际的组态不太相同时，就中断 CPU 的启动，调用硬件组态工具，必须在 SIMATIC 管理器下存在硬件站。 3、本设计的组态为： PS 307 10A 电源一块，处理器 CPU315-2DP。接口模块为：数字输入模块 32 点 8 块，数字输出模块 32 点 8块，模拟量输入点 16 点 13 位两块。 启动硬件组态 启动硬件工具：在 SIMATIC 管理器下选择硬件站，并选择菜单EDIT-OPEN OBJECT 或双击硬件对象图标。 5.2 上载硬件实际组态到编程器 介绍 在下面的情况下需要组态： 如果需要修改模块的基本地址 。 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 22 页 共 59 页 带分布式 I/O 的站 。 对带有几个 CPU 或扩展机架的 S7-300。 可以从 CPU 读出实际的组态，查看实际系统的参数设置。 实际组态 在启动过程中， CPU 产生一个实际组态，也就是说，保存模块的设置和根据固定算法分配的地址。如果不分配参数，就使用出厂的缺省参数。 系统把该实际的组态存放在系统数据块中。 上载到 PG 有两个方 法把实际的组态上载到编程器 PG： 1 在 SIMATIC 管理器中 通过选择菜单 PLC-Upload station 2 在硬件组态工具中 通过选择菜单 PLC-Upload 或单击图标 保存在 PG 上 从硬件读出的实际组态插入到所选择的一个新站中 本设计的地址分配表如下： I4.4 喷枪停止 I9.2 3 阀关 I4.5 喷枪紧急停止 I9.3 4 阀开 I6.6 风扇过滤器注入 MCC 就绪 I9.4 4 阀关 I6.7 风扇过滤器注入确认 I9.5 碳粉注入 1 线最小压力 I7.0 料仓一般最小量 I9.6 碳粉注入 1 线最大压力 I7.1 料仓最小量 I10.0 6 阀开 I7.2 料仓最大量 I10.1 6 阀关 I7.3 料仓 1 阀开 I10.2 喷枪暂停 I7.4 料仓 1 阀关 I10.3 运行中的喷枪 I7.5 运行仓最小量 I10.4 正在喷碳的喷枪 I7.6 运行仓最大量 I29.0 风扇过滤器手动启停 I7.7 运行仓 2 阀开 I29.1 1 线自动运行 I8.0 运行仓 2 阀关 I29.2 手动装填碳粉启停 I8.1 通风阀开 I29.3 2 线手动运行启停 I8.2 通风阀关 I29.4 1 线手动运行启停 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 23 页 共 59 页 I8.5 进气口最小压力 I29.5 碳注入 1 线启停 I8.7 碳粉注入 2 线最小压力 I29.6 2 线手动运行启停 I9.0 碳粉注入 2 线最大压力 I29.7 碳注入 2 线启停 I9.1 3 阀开 I30.0 3 线手动运行启停 Q10.7 料仓吹气阀 Q27.5 手动停止时的喷枪 Q11.0 料仓 1 阀开 Q29.0 3 线载气自动运行 Q11.1 运行仓 2 阀开 Q29.1 1 线载气自动运行 Q11.2 运行仓通风阀 Q29.2 运行仓 2 阀循环执行 Q11.3 运行 仓压力阀 Q29.3 2 线载气自动运行 Q11.4 运行仓吹气阀 Q29.4 1 线载气手动运行 Q12.0 2 线载气运行 Q29.5 1 线碳粉注入 Q12.1 3 阀打开 2 线运行 Q29.6 2 线载气手动运行 Q12.2 1 线载气运行 Q29.7 2 线碳粉注入 Q12.3 4 阀打开 1 线运行 Q30.1 3 线载气自动运行 Q12.4 3 线载气运行 Q30.2 3 线载气手动运行 Q27.4 手动运行时的喷枪 Q30.0 5 阀开 3 线运行 T79 碳粉填充后 2 阀延迟关 T93 碳粉注入后 2 线延迟关 闭 T81 2 阀延迟打开 T94 碳粉注入后 1 线延迟关闭 T82 2 阀延迟关闭 T208 2 线载气通后碳粉延迟注入 T83 1 阀延迟打开 T210 3 阀打开延迟 T84 1 阀延迟关闭 T211 4 阀打开延迟 T85 重装碳粉后 2 阀延迟打开 T213 4 阀关闭延迟 T86 2 阀打开后 1 阀延迟打开 T216 风扇过滤器运行确认 T87 装填碳粉循环 T217 5 阀打开延迟 T88 1 线载气通后碳粉延迟注入 T218 5 阀关闭延迟 T89 3 阀延迟关闭 T256 3 线喷碳后载气延迟关闭 T91 通风阀延迟打开 T264 碳粉注入 3 线延迟 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 24 页 共 59 页 T92 通风阀延迟关闭 M134.0 停止辅助指令工作时的喷枪 M247.3 2 线载气自动辅助指令 M243.0 风扇过滤器手动启停 M247.5 1 线载气手动辅助系统 M243.2 风扇过滤器手动辅助指令 M247.6 1 线载气手动辅助指令 M244.4 喷枪自动提取辅助操作系统 M248.1 运行中的喷枪 M244.5 喷枪自动提取辅助指令 M250.1 重新装填碳粉 M245.1 3 线接到指令 M250.2 2 阀手动循环辅助操作系统 M245.3 碳粉注入 3 线辅助指令 M250.3 2 阀循环辅助指令 M246.0 2 线接到指令 M250.5 2 线载气手动辅助系统 M246.1 碳粉注入 2 线辅助操作系统 M250.6 2 线载气自动辅助指令 M246.2 碳粉注入 2 线辅助指令 M250.7 3 线载气手动辅助指令 M246.3 1 线接到指令 M251.6 1 线载气自动辅助系统 M246.4 碳粉注入 1 线辅助操作系统 M251.7 1 线载气自动辅助指令 M246.5 碳粉注入 1 线辅助指令 M260.6 3 线载气手动辅助指令 M247.0 风扇过滤器自动辅助指令 M290.1 3 线载气自动辅助指令 M247.2 2 线载气自动辅助操作系统 6 软件设计 6.1 料仓部分的程序设计 6.1.1 风扇过滤器的控制 启动碳仓系统后，第一步就是启动风扇过滤器，工业控制中一般都设有手动控制和自动控制两种方式。风扇过滤器一般情况下是自动控制的，当遇到故障或有手动控制需要时，切换到手动控制。 在按下风扇过滤器碳粉注入准备就绪按钮 I6.6 后，无论是在自控 M247.0 还是手控 M243.2 方式下，风扇过滤器都将启动。程序如下： 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 25 页 共 59 页 ( )M 2 4 7 . 0 I 6 . 6 T 2 1 6M 2 4 3 . 2Q 4 . 4风 扇 过 滤 器 控 制 在运行仓 2 阀执行循环指令时即 M250.3 闭合情况下，在没有达到运行仓最大量即 I7.6 闭合和不需要在一定时间内注满运行仓即 M250.1 闭合情况下，按下喷枪停止按钮时，中间继电器 M247.0 导通，风扇过滤器进入自动控制状态。程序如下： ( )M 2 5 0 . 3I 7 . 6M 2 5 0 . 1 I 4 . 5 M 2 4 7 . 0风 扇 过 滤 器 自 动 辅 助 控 制 在需要的情况下，启动手控方式。按下风扇过滤器手动控制按钮 I29.0，触发器 M243.1 置位，当再次按下 I29.0 后，触发器 M243.1 复位，风扇停止。程序如下： 风 扇 过 滤 器 手 动 启 / 停I 2 9 . 0I 2 9 . 0M 2 4 3 . 1S QR( # )M 2 0 0 . 0 M 2 4 3 . 1S R触发器 M243.1 置位后，中间继电器 M243.2 动作， M200.0 和 M243.2 都闭合，风扇过滤器手动启动开始。程序如下 ： M 2 0 0 . 0 M 2 4 3 . 2风 扇 过 滤 器 手 动 辅 助 启( )M 2 0 0 . 1当风扇过滤器手动辅助控制指令系统关闭即 M243.2 动作时，风扇过滤器手动辅助指令停止， M200.2 闭合，与 M243.2 形成互锁。程序如下： 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 26 页 共 59 页 ( )M 2 0 0 . 0 M 2 4 3 . 2 M 2 0 0 . 2风 扇 过 滤 器 手 动 辅 助 指 令 停当按下风扇过滤器碳粉注入就绪 I6.6 后并且在风扇过滤器手动启动后即M200.1 闭 合后，风扇过滤器手动辅助指令系统启动闭合并且自锁，自控方式与手控方式不能同时运行，所以风扇过滤器手动辅助指令系统 M243.2 与风扇过滤器自动辅助指令系统 M247.0 必须形成互锁。程序如下： ( )M 2 0 0 . 1M 2 0 0 . 2M 4 . 4 I 6 . 6M 2 4 3 . 2M 2 4 7 . 0 M 2 4 3 . 2风 扇 过 滤 器 手 动 辅 助 指 令 6.1.2 料仓吹气阀的控制 在给运行仓填充碳粉前，料仓的吹气阀 Q10.7 必须先打开吹气，使碳粉松散更容易下落，同时必须与运行仓的吹气阀 Q11.4 形成互锁，防止运行仓气体向上冲。在运行仓 2 阀执行循环填充碳粉指令时即 M250.3 闭合时，在运行仓吹气阀 Q11.4关 闭情况下，料仓吹气阀 Q10.7 开启。程序如下： M 2 5 0 . 3( )Q 1 0 . 7Q 1 1 . 4料 仓 吹 气 阀 开 关 控 制6 2 运行仓部分的程序设计 6.2.1 碳粉填充时运行仓的控制 添装碳粉过程有自动控制和手动控制两种方式，在需要手动控制或是自动控制出现故障时，可通过选择手动控制按钮进行手动操作。当按下手动填充按钮 I29.2时，因为辅助线圈 M250.2 和 M200.0 闭合，所以 M250.2 置位，此时重新填充运行 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 27 页 共 59 页 仓启动，当再次按按钮 I29.2 时， M250.2 复位，运行仓填充碳粉停止，辅助线圈M250.3 是运行仓 2 阀循环辅助 指令，在当运行仓 2 阀循环辅助指令开始时或是按下喷枪停止按钮时，手动辅助重填碳粉指令开，当运行仓 2 阀循环辅助指令停止时，手动辅助重填碳粉指令关闭，此时手动辅助指令无效。 启动运行仓重新装填按钮即 I29.2 闭合后，触发器 M250.2 置位，进入下一步操作，当再次按下 I29.2 后，触发器 M250.2 复位，碳仓停止装填。程序如下： ( # )I 2 9 . 2 M 2 5 0 . 2I 2 9 . 2SRQM 2 0 0 . 0运 行 仓 重 新 填 装 启 / 停M 2 5 0 . 2S R触发器 M250.2.置位后，中间继电器 M250.3 动作，在 M200.0 和 M250.3 都闭合或是在按下喷枪暂停按钮 I10.2 时，运 行仓重新装填手动启动开始。程序如下 ： M 2 0 0 . 0运 行 仓 重 新 填 装 手 动 辅 助 启( )M 2 0 0 . 1M 2 5 0 . 3I 1 0 . 2M 1 3 0 . 4当运行仓手动重装碳粉辅助控制指令系统关闭即 M250.3 动作时，运行仓手动重装碳粉停止， M200.2 闭合，与 M250.3 形成互锁。程序如下： M 2 0 0 . 0运 行 仓 重 新 填 装 手 动 辅 助 停( )M 2 0 0 . 2M 2 5 0 . 3在运行仓重新装填手动启动时 M200.1 闭合，碳粉进气口没有达到最小压力时和运行仓没有达到最大量时即 T108 和 I7.6 没有动作时，按下喷碳阀关闭按钮 I9.2和 I9.4 时，运行仓重新装填手动辅助指令系统运行即 M250.3 动作。程序如下： 2002 级 本 科 毕 业 设 计 论 文 第 28 页 共 59 页 M 2 0 0 . 1运 行 仓 重 新 填 装 手 动 辅 助 控 制( )M 2 5 0 . 3M 2 0 0 . 2M 2 5 0 . 3T 1 0 8 I 9 . 2 M 2 5 0 . 1I 9 . 4 I 7 . 66.2.2 2 阀的控制 执行完碳粉填充指令后即中间继电器 M250.3 不动作时 2 阀延迟 3 秒关闭， T79为， S5 脉冲断开延迟型定时器。程序如下 ： 重 新 填 充 碳 粉 后 2 阀 延 迟 关 闭T 7 9ST VR B C DB IQS 5 T # 3 sM 2 5 0 . 3 S - O F F D T2 阀执行碳粉填充循环指令时 2 阀延迟打开，即 M250.3 导通后， T85 定时器开始定时， T85 为 S5 脉冲接通延迟定时器。程序如下： 重 新 填 充 碳 粉 时 2 阀 延 迟 开T 8 5ST VR B C DB IQS 5 T # 1 0 sM 2 5 0 . 3 S - O D T当 T85 定时时间到后， T85 接通，当运行仓 2 阀打开后即 I7.7 导通后 T86 导通并定时，时间到后 1 阀打开。程序如下： 2002 级