炼钢自动配料系统

毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写发给学生）学院（直属系）电子信息工程学院时间2012年4月17日学生姓名指导教师设计（论文）题目炼钢自动配料系统主要研究内容应用PLC技术经行数据采集及控制。使自动控制、手动操作相结合，实现生产过程动态模拟及人机对话模式，可随时进行监督、查阅、修改。通过控制下料小车精确定位，下料速率，提高下料的速度和精度。研究方法通过对相关文献的查阅和实地考察，设计整体控制方案。使用STEP7软件进行PLC程序设计。主要技术指标或研究目标通过上料系统自动化及易操作处理，增强了系统的可靠性、安全性、可扩展性，提高了生产速率和质量，最终达到提高经济效益的目的。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字年月日说明一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。目录目录I摘要III第1章绪论111中国钢铁工业的发展及问题112PLC在冶金工业领域的应用现状113本文的主要工作314本章小结4第2章控制系统总体方案521生产工艺过程概况522自动配料系统523转炉副原料系统6231副原料上料系统的控制7232副原料振动给料的变频控制8233副原料称量系统9234转炉副原料加料的连锁控制10235副原料加料系统的的控制方式1124合金配料系统12241合金上料皮带及合金系统的控制12242铁合金振动给料机的控制1625本章小结18第3章PLC软件设计1931上料控制程序的设计19311上料、卸料综合运行系统基本设计思想19312上料、卸料综合系统的实现方法19313PLC技术的控制原理2032下料控制程序的设计22321振动给料器工作原理及控制方式23322PLC控制程序2733本章小结28第4章系统通讯2941现场总线技术概述29411现场总线技术产生的意义3042工业以太网30421工业以太网简介30422工业现场对工业以太网的产品要求3143通讯网络31431工业以太网网络的构成32432网络特点32433工业以太网重要性能3344本章小结34第5章结论35炼钢自动配料系统摘要在电炉炼钢生产中，合金料主要用来调节钢水的成分和温度，这二者决定了钢水的品种和质量。合金料加的过多或过少都会造成整炉钢报废的巨大损失。随着工业计算机技术的飞速发展，开发、应用一套炼钢自动化下料控制系统，对促进炼钢工业的发展具有重要意义。本论文主要研究炼钢下料控制系统的设计，在设计该控制系统时，查阅了大量国内外文献，结合国内外现代化电炉先进技术和发展趋势，以及企业的工程实际和用户的要求来设计合理的控制系统方案。同时，考虑到国内钢铁企业的实际情况，在跟踪国际先进技术的前提下，保持了符合国情的适度先进性，从而获得较好的性能价格比。该项目采用德国西门子公司的S7200系列PLC，运用与之相匹配的STEP7V53编程软件，通过STL和LAD两种编程语言编制了下位机的控制程序，从而使该下料系统可以按要求自动完成配料、称重、装料全过程。采用了同是西门子公司的WINCCV51工控组态软件对上位机监控软件组态，实现现场数据实时记录和监控，设计了实时称重、记录查询、报警记录、实时模拟等具有WINDOWS风格的动态操作画面。PLC和设置在主控室的上位机组通过工业以太网组成一个工业控制系统，发挥上位工控机和PLC各自的优势。在设计过程中根据生产和设备要求，充分考虑了系统的成本、可靠性、先进性、可扩展性以及日后的维修方便等诸多因素。本系统自动化程度高，节约了人力资源。工艺人员操作方便，维护及检修方便。下料精度高，速度快，具有很好的经济和社会效益。关键词配料系统，PLC，WINCC，工业以太网OUTOMATICBATCHINGSYSTEMOFSTEELMAKINGABSTRACTINTHEPROCESSOFSTEELMAKING,COMPOSITIONANDTEMPERATUREOFMOLTENSTEELAREREGULATEDBYALLOY,ANDTHETWOFACTORSDETERMINETHETYPEANDQUALITYOFMOLTENSTEELALLOYISCHARGEDTOOMOREORTOOLESSWILLLEADTOGREATLOSSTHATISMOLTENSTEELINFURNACEWASTEDWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFINDUSTRIALCOMPUTERSTECHNIQUE,ITWILLBEMEANINGFULFORTHEDEVELOPMENTOFSTEELMAKINGINDUSTRYTODEVELOPANDAPPLYAHIGHAUTOMATICSETOFCHARGINGSYSTEMINSTEELMAKINGTHEPAPERRESEARCHESTHEDESIGNOFCHARGINGSYSTEMINTHETIMEOFDESIGNEDTHECONTROLSYSTEM,REFERRINGTOALARGENUMBEROFCORRELATEDLITERATUREDOMESTICANDOVERSEASWECOMBINEMODERNELECTRICALFURNACESCONTROLTECHNICALANDDEVELOPINGTREND,ASWELLASTHEENTERPRISESACTUALSTATUSINTHEPRECONDITIONOFTRAILINGTHEINTERNATIONALMODERNTECHNICAL,WEPRESERVEDMODERATEADVANCEDTECHNIQUEANDFITOURCOUNTRYSSTATUSTHEREBYITOBTAINSTHEBETTERPERCENTAGEOFPERFORMANCEANDPRICEWEUSEGERMANSIEMENSS7200SERIESPLCANDTHECORRESPONDINGPROGRAMMINGSOFTWARESTEP7V53WEPROGRAMINTWOPROGRAMMINGLANGUAGESSTLANDLADFORLOWERCOMPUTERSTHECHARGINGSYSTEMMEETSTHEREQUIREMENTSOFAUTOMATICMATCHING,WEIGHING,ANDLOADINGTHEDESIGNWORKUSESWINCCV51,THATISALSOAPRODUCTFROMSIEMENS,TOCONFIGURETHESUPERVISORYSOFTWARE,REALIZINGTHEREALTIMEDATALOGGING,SUPERVISINGANDCONTROLLING,ASWELLASVARIOUSHMIWITHWINDOWSFEATURESSUCHASREALTIMEWEIGHING,RECORDCHECKING,ALARMING,DYNAMICSIMULATIONPLCANDUPPERCOMPUTERSINCONTROLROOMARELINKEDTOGETHERVIAINDUSTRIALETHERNETTOFORMAHYBRIDINDUSTRYCONTROLSYSTEM,INORDERTOMAKEPROFITOFTHEUNIQUEMERITSOFPLCANDUPPERCOMPUTERSACCORDINGTOTHEREQUESTSOFPRODUCESANDEQUIPMENTS,WEFULLYCONSIDERTHECOSTOFSYSTEM,RELIABILITY,ADVANCING,EXPANSIBILITYANDCONVENIENTLYMAINTAININGTHESYSTEMHASHIGHAUTOMATIONSDEGREE,SAVESLABORRESOURCE,OPERATESSIMPLE,MAINTAINSANDREPAIRSCONVENIENTPRECISIONHIGHANDSPEEDFASTTHEREISGOODECONOMICANDSOCIETALBENEFITKEYWORDSCHARGINGSYSTEM,PLC,WINCC,INDUSTRIALETHERNET第1章绪论11中国钢铁工业的发展及问题建国以来，冶金工业在我国国民经济的发展中一直占据很重要的位置，1949年我国粗钢产量占世界第26位，到1996年粗钢产量为一亿零一百万吨，上升到世界第1位。2008年我国钢产量超过世界排名第二至第八位的日本、美国、俄罗斯、印度、韩国、德国、乌克兰之和。此后年产量不断增加，一直稳居世界第1位。我国已经成为世界的钢铁大国，但不是钢铁强国，有许多技术经济指标还落后与技术发达国家。如我国平均吨钢综合能耗，在2003年为778KG/T，2010年降低为663KG/T，而日本在2003年为658KG/T。很显然是有差距的，要缩小这些差距，除了进行产品结构的调整，新工艺流程的研究与开发，建立现代企业管理制度外，很重要的一条，就是重视自动化、信息化工业的建设。众所周知，自从电子计算机诞生以来，尤其是近几年来信息技术和自动化技术的迅猛发展，为提高冶金企业的市场竞争力，缩短技术更新周期与提高企业科学管理水平提供了强有力的手段，也是的冶金企业得以从产业革命的高度来认识信息技术和自动化技术所带来的影响。各冶金企业，谁对信息技术、自动化技术应用的好，谁的产品质量就稳定，谁的竞争优势就增强，谁的市场信誉就提高，谁就能在激烈的市场竞争之生存、发展。因此这种“应用”就成了一种不可阻挡的趋势。普及、提高基础自动化，大力发展生产过程自动化，重视制造执行系统（MES）建设，加快企业信息化、自动化的建设进程，早日实现我国冶金工业企业信息化、自动化及管控一体化，是日后很长一段时间内提升冶金工业这一传统产业，走新型工业化道路的重要目标和艰巨任务。1212PLC在冶金工业领域的应用现状可编程序控制器的英文为PROGRAMMABLECONTROLLER，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）。国际电工委员会（IEC）于1985年1月对可编程控制器作了具有权威性的如下定义“可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械加工或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体，易于扩充功能的原则设计。”345在冶金行业，PLC是主流控制器。除了早期生产线，以及锅炉中仍在使用的小型DCS系统外（也存在较多使用简单仪表控制的锅炉系统），其它设备的主控都是PLC。在钢铁生产中，从采选矿、烧结、高炉、转炉、铸造、轧钢及相关的辅助设施如物料输送及提升、灰渣处理、除尘、水处理等环节都在使用PLC。中国冶金行业由于自身的产业规模非常庞大，加之行业的自动化程度和对PLC的需求较高，2004年PLC应用规模在55亿元。在众多应用行业中居第二位。而到了2006年PLC应用规模达到582亿元，位居PLC最终用户第一大应用行业。由于控制点数较多，控制要求较高，本行业使用的大型PLC（1024IO以上）较多，大型PLC占据本行业市场的63。因此冶金行业也就成为了大型PLC最重要的市场，其占据了整个大型PLC市场的三分之一左右。如图11所示。图112004年冶金行业PLC市场产品规模（亿元人民币）由于冶金企业涉及多个工序，并且多数冶金厂都有改扩建的经历，因此，其大多都使用过超过1种的PLC品牌。目前使用最多的品牌是西门子，尤其在下游工序，S7300和400表现出强大的统治力。在工控网2004年度进行的PLC调查，采访到的58家冶金企业中，有9成以上的用户都使用过SIEMENS的产品。SCHNEIDER、OMRON、ABB、ROCKWELL、MITSUBISHI和GE的PLC也有较多的用户，如图12所示。由于冶金行业的要求较高，其它品牌的应用就非常少了。需要注意的是，ABB作为一家DCS供应商，仍然在冶金行业占有相当的份额。实际上，其在冶金行业的产品是更偏向于PLC的混合控制器，这也反映了不同控制系统向混合控制靠拢的一个趋势。图12冶金行业PLC品牌分布包括冶金行业在内的中国基础工业非常落后，装备技术水平较低。随着下游市场要求的提高和竞争的加剧，提高生产设施水平势在必行，这将带来大量的技术改造项目和高端生产线的投资。中国已经存在超过6000家冶金企业，存在大量的在用PLC产品，存在众多的升级换代和备品备件市场。在冶金行业主控制器市场，PLC是主流，短期内无竞争性产品。813本文的主要工作在炼钢炉炼钢生产中，副原料和合金料主要用来调节钢水的成分和温度，这二者决定了钢水的品种和质量。副原料加的过多或过少都会造成整炉钢报废的巨大损失。有些炼钢厂为了保证生产质量，一直采用人工称量合金料的方法，且仍使用单斗上料。其效率低、速度慢，严重影响生产，而且恶劣的工作环境也给操作工人带来很多不安全因素。随着工业计算机技术的飞速发展，开发、应用一套炼钢高自动化下料控制系统，对促进炼钢工业的发展具有重要意义。其合金料下料采用了自动下料技术，炼钢主控人员只须在控制室通过对电脑画面的简单操作就能完成。自动下料控制系统主要通过现场称重料斗称重，通过PLC技术进行数据采集及控制，调节振动给料器的振动速度。另外通过调整相关软件控制参数，最终达到合金料的设定值和实际称量值基本相等的目的。本论文的主要工作如下1、在对类似系统的分析和现场调研的基础上，给出下料控制系统总体构成方案。使得系统具有精准上、下料的特点。2、结合PLC、变频器与网络使用，减少现场电缆敷设，提高设备的可靠运行和自动化程度，降低设备维护量，且在生产过程中节省人力、减少中间环节，有效提高生产效率。3、根据整个系统的工艺流程和控制要求，使用STEP7编程软件，编写本系统的下位机控制程序。以实现对高位料仓下料，称重料斗称量，皮带机和送料小车的运行等的控制。4、上位机采用WINCC工控组态软件，设计一组动静结合的HMI画面，以完成高位料仓料位显示，称重料斗的称重显示，现场设备的工作模拟显示、报警、数据保存，各料仓下料重量的设定，下料顺序的控制，电磁振动给料器控制参数的设置等。5、采用适用于工业现场环境的现场总线通讯，实现上下位机之间的信息传递。在设计过程中根据生产和设备要求，充分考虑了系统的成本、可靠性、先进性、可扩展性以及日后的维修方便等诸多因素。本系统自动化程度很高，节约了人力资源。工艺人员操作方便，维护及检修方便。下料精度高，速度快，具有很好的经济和社会效益。14本章小结本章在查阅大量相关文献的基础上阐述了冶金工业发展现状，PLC发展现状，以及PLC在冶金业的应用现状，并对本论文的选题背景与主要工作做了简单介绍。第2章控制系统总体方案21生产工艺过程概况高炉铁水先经铁水罐，然后将铁水罐内的铁水经铁水吊车兑入转炉；废钢经加料吊车加入转炉。转炉加入铁水、加入废钢后即摇正转炉，进行冶炼操作。转炉冶炼采用顶吹工艺，从炉口插入氧枪供氧吹炼。转炉在吹炼过程，造渣的各种散状料（活性石灰、轻烧白云石、降温剂和辅助渣料等）经炉顶料仓下料口振动机送入称量漏斗，配料后经溜管送入汇总漏斗存放，加料时经溜管从汽化冷却烟道垂直段的两侧开孔加入转炉。出钢过程将配制好的铁合金料从炉后旋转溜槽加入钢包，完成钢水脱氧和成分调整，同时从炉后加入顶料渣，防止钢水回磷、回硫。转炉烟气经烟气OG净化后回收煤气，炉渣经外运处理。钢包受钢后运回钢水接收跨，进行钢水吹氩、喂丝处理，完成钢水调温，进一步脱氧和改变杂物形态、分布，提高钢水质量。22自动配料系统转炉自动配料系统有副原料加料系统和铁合金投料系统两部分组成。而这两部分又各由上料、下料两部组成。原料成分（1）各种废钢重型高碳、重型中低碳、轻型高碳和轻型低碳。（2）各类矿石铁矿石、氧化铁皮、烧结球团矿、锰矿。（3）副原料石灰、石灰石、萤石、白云石、铁矾土等。（4）其他铁料生铁块、含SI废钢、提温剂、增碳剂。（5）合金原料厂方提供的合金原料。图21炼钢生产工艺流程图23转炉副原料系统转炉副原料系统包括副原料上料控制和副原料下料控制两部分。如图22所示，副原料的来料分别卸放在不同的低位料仓内，由皮带运输机运送到对应的副原料高位料仓，再根据炼钢生产的实际需要，通过下料振动给料器经称量斗称重并分批经过汇总斗、下料溜槽将副原料加入转炉中。高炉废钢料场散装料堆场铁合金库30T高炉铁水罐自卸汽车自卸汽车自卸汽车配料装槽地下料仓装槽废钢料槽炉顶料仓合金料仓方坯连铸机加料装置加料装置一次烟气除尘及风机房转炉钢渣处理渣罐炉渣跨钢包放散烟囱放散称料秤轧钢高炉废钢料场散装料堆场铁合金库30T高炉铁水罐自卸汽车自卸汽车自卸汽车方坯连铸机钢渣处理图22炼钢副原料系统工艺流程示意图231副原料上料系统的控制副原料上料系统的控制是通过皮带运输机控制、转炉高位料仓的“在库量”控制和转运站皮带的逻辑控制等，实现对转炉高位料仓用料的分配。副原料上料系统包括高位料仓、皮带上料、低位料仓及相应的除尘系统的电气设备的控制。高位部分包括高位料仓的超声波料位计显示、警报、和相关控制，卸料车的走行控制即根据卸料车行程开关进行卸料车定位控制。皮带运输部分包括从低位料仓送至高位料仓的皮带运输机的顺起，逆停控制，电动翻板及振动筛的控制。副原料上料系统是根据高位料仓的超声波料位计报警信号，控制卸料车启动并根据卸料车行程开关停在指定位置，当卸料车定位后，启动皮带系统和对应料的电振给料机进行上料，上料量由皮带秤给出。PLC的控制程序设计是根据料位预报，启动对应副原料的低位料仓振动给料机进行振料（根据所需料量，经皮带秤称量），按顺序启停皮带运输机，并对卸料小车所应停的高位料仓位置进行判。卸料点的选择分为定时主动选择与料位异常被动选择两种。定时主动选择是人为地给某个高位料仓补料，料位异常被动上料是根据高位料仓出现空料位报警，并且工作方式为自动的时候，PLC自动向上料管理系统发出请求，上料管理系统会根据设备的具体情况，顺序启动设备，将相应的副原料从地下料仓送到皮带机上。进行定位上料。在上料结束以后，上料管理程序发出上料结束信号，系统接受到以后，依次停止所有的设备。卸料车允许在仓上运输机不运行或空运行情况下走行就位，不允许在卸料状态下走行。卸料车的走行方向（前进、后退）有信号显示，到达设定料仓位置时有显示并输出相应的信号，卸料车若走行至两端极限开关（动作）立即事故停车，报警，并显示故障停车位置，输出相应的信号。卸料小车位置控制对工艺设备的要求是，首先，必须要有可靠的位置检测元件。卸料小车的位置检测依靠限位开关来实现，对高温、高粉尘的炼钢现场，要选择高防护等级的电气元件，较理想的元件是防护等级为IP65（防尘、防水）的电感式晶体管接近开关。其次，是卸料小车本身有可靠的制动或调速装置。上料手动操作和自动过程一样，只不过操作方式应该选择手动，每一个动作全部要操作人员在画面上进行操作。现场手动操作在机旁操作箱上选择机旁后，可进行现场手动操作。主要由于设备的安装，调试和维修。232副原料振动给料的变频控制变频调速的原理及机械特性是由于异（同）步电动机的同频转速N1与电源频率成正比，所以改变电源频率就能改变同步转速N1，并实现调速。副原料上料控制系统操作画面如图23所示。在这个操作画面上所表示的是图22中的下半部分工艺流程，副原料的来料分别斜放在不同的低位地下料仓内，针对每个高位料仓发出的上料申请，启动不同的振动给料器，并由皮带运输机送到对应的副原料高位料仓的控制过程。图23副原料上料控制系统操作画面高位料仓下振动给料机的功能是高位料仓中的原料至称料斗中，每台振动给料机的给料能力有两档；额定给料能力和接近设定给料量时的给料能力。自动接通条件是称量斗下部扇形阀处于关闭状态且称量斗未满。当振动给料及启动一段时间后称量设备无料值变化，应有无料流报警。（1）料仓的电振变频器控制为开始快速振动。（2）当称量值达到设定值得80左右，K1时（HMI上可修改K1值），变频控制的电振转为慢速振动。（3）当称量值等于预设定值的90左右，K2是（HMI上可修改K2值），振动器停止振动。（4）振动器停止振动延时TS（HMI上可修改的TS）后（称量值稳定后），其称量值作为该种副原料的实际称量值，同时检查实际称量值与预设定称量值是否在允许偏差值K3内，若超出这在HMI上进行报警。233副原料称量系统副原料的上料称量由皮带秤给出，下料量是由称量斗下安装的称重传感器通过转换仪表送入PLC系统的。所有的称量斗称量完毕后，在HMI上有“副原料称量完毕”指示。K1，K2，K3，T及电振高低速值等参数均可在HMI上人工修改。各种副原料通过汇总斗加入转炉后，有副原料的累计计算，在HMI上设有每种副原料加料量的累计值显示。234转炉副原料加料的连锁控制2341高位料仓下振动给料机的连锁控制高位料仓下振动给料机功能是将每个高位料仓中的副原料。经过称量斗称量，送至汇总斗中。每台振动给料机的给料能力有两档；额定给料能力和接近设定料量使的给料能力。接通条件是下部称量漏斗的扇形闸门处于关闭状态且称量漏斗未满。只有当某台振动给料机对应的称量漏斗扇形阀门关闭时，方可振料。当振动给料机开启一段时间后称量设备无料值变化，有无料流报警。2342称量漏斗出口闸门的连锁控制称量漏斗的功能是准确的称量出转炉炼钢所需的各种副原料。称量漏斗出口闸门打开的条件是只有当振动给料机给料作业完成后，且汇总都的扇形闸门处于关闭状态、称量漏斗出口闸门才能开启，扇形闸门开启后散料重量小于K0值（无料）TS后，扇形阀门自动关闭，称量漏斗放空所称量的副原料且扇形阀门关闭后应向系统反馈出完全备料的信号。K0和T参数可在HMI上人工修改。2342汇总都扇形阀门的连锁控制汇总斗的功能是存放称量漏斗称出的副原料，其中间缓存作用。由于下料工艺不同汇总斗下方的阀门有的设一层的也有设置两层的。设置两层阀门时，下层阀是翻板阀，上层阀就是汇总斗扇形阀，它是汇总斗控制投料的主要阀门。根据系统的投料指令开启汇总扇形阀（上层汇总斗阀）的联锁条件是称量漏斗下部扇形阀门关闭、转炉在垂直位且汇总斗下翻版阀打开，还要判断所有该汇总对应的称量斗料值小于K0值（无料）时，再延时TS，才能打开汇总斗扇形阀（汇总上阀）。汇总扇形阀打开后，散料通过溜槽卸入炉内，延时T1S，即可关闭该汇总斗扇形阀。K0，T，T1参数可根据实际，在HMI上人工修改。2343汇总斗下翻板阀的连锁控制汇总斗下翻板阀是副原料卸入炉内的的最后一道阀门，一般中、小型转炉不设此阀。根据系统的投料指令开启汇总下翻板阀的联锁条件是，只有称量漏斗下部闸门关闭且转炉在垂直位时，当所有称量斗值小于K0值，延时TS后，次阀门才能放打开。当汇总斗扇形阀门打开散料便不受汇总下翻阀的阻碍直卸入炉内，在汇总扇形阀门关闭延时T1S后，关闭汇总下翻板阀。这样控制每一步都能把转炉煤气隔绝，是为防止转炉煤气直入料斗平台造成人员中毒，另外为防止转炉火焰通过下溜槽上窜烧损下料平台设备，在汇总斗下料口还设置了下料氮封阀。汇总斗下翻板阀开启的同时开启下料氮封。K0，T，T1参数也可以根据实际工艺要求，在HMI上人工修改。下料系统HMI如图24所示。图24副原料下料系统操作画面235副原料加料系统的的控制方式2351自动方式如图25所示，操作工根据钢种及加入量所确定的副原料下料方案，在一炉内实现全自动化分批加料。每批料进入称量斗后，开启汇总上扇形阀及称量斗下扇形阀，将其卸入汇总斗，然后关闭上述两阀，以备下批料。2352手动方式有操作工根据冶金要求通过HMI键盘或鼠标对下料量和时间对上述投料过程进行随机操作。转炉不在零位时，以上两种方式均不能实现自动投料。24合金配料系统合金配料系统主要由合金上料系统和给料系统组成。241合金上料皮带及合金系统的控制合金上料皮带及合金系统的工艺设备包括保证铁合金备料的料仓及其下的振动给料机、称量斗、皮带机和汇总斗，设备功能保证转炉炼钢所需贴合金原料和改质剂及上述设备自旋转溜槽、投料口投入钢水罐。转录贴合金原料物料流向为铁合金原料从料仓经其下部的的振动给料机分别进入每个对应的称量漏斗，当称量值达到设定值时打开称量斗下部的电振，经过皮带运输机进入汇总斗，打开汇总斗电振，铁合金原料经投料口进入钢水罐。2411合金料仓下振动给料机的联锁控制合金料仓下振动给料机功能是将每个合金料仓的合金料，经过称量斗称量，送至汇总斗或回收斗中。每台振动给料机的给料能力有两档，额定给料能力和接近设定给料量时的给料能力。接通条件是下部合金称量漏斗的扇形闸门处于关闭状态且合金称量漏斗未满。只有当某台振动给料机对应的合金称量漏斗扇形阀关闭时，方可振料。当振动给料及启动一段时间后称量设备无了之变化，向HMI发出无料流报警。2412合金称量漏斗出口振动给料机的联锁控制合金称量漏斗的功能是准确地称量出转炉炼钢所需的各种合金料和改质剂。合金称量漏斗出口振动给料机的起动条件是，只有当合金下料的振动给料机作业完成，且合金投料汇总斗的出口振动给料机处于停止状态、合金运送皮带运行，称量漏斗出口振动给料机才能启动。合金出口振动给料机开启后合金重量小于K0值（无料）TS后，出口合金振动给料机自动停止。K0和T参数可在HMI上人工修改。2413合金汇总斗的联锁振动给料机控制合金汇总斗的功能是存放称量漏斗的合金料和改质剂的中间缓存料斗。炼钢所需合金都是贵重原料，由于合金下料有时改料或因故障多振料，在合金汇总斗的另一侧设有回收斗，启动合金回收，皮带反转可以把部分合金传到回收斗。根据系统的合金投料指令开启汇总都振动给料机。合金汇总振动给料机起动后，皮带正转合金料通过溜槽卸入炉内，延时T1S,即可关闭该汇总斗扇形阀。K0，T，T1参数可根据实际，在HMI上人工修改。铁合金加料控制流程图如图26所示，铁合金投入或回收的控制程序框图如图27所示。如图28铁合金操作画面所示，选择主控室操作时，可在主控室HMI上手动、半自动、自动操作。铁合金下料系统，在中控室操作时，整个备料及投料过程都由HMI操作站完成。铁合金下料系统，一般在中控室和机旁两地操作。选择“机旁”操作时，可在机旁操作箱上手动操作，“快振慢振停止”。手动方式由于检修或调试。（1）自动方式。操作在主控室完成。设备之间满足上述合金下料系统联锁，操作由计算机按从二级计算机计算后传输出的数据自动完成，下位机将各批料的实际加入值反馈至上位计算机。（2）半自动方式。操作在主控室完成。设备之间满足上述合金下料系统联锁，由人工在HMI上对各种合金称量值进行设定（其初始值为二级计算机的设定值），然后按照铁合金自动下料程序自动运转。（3）手都方式。操作在主控室完成。设备之间满足上述合金下料系统联锁，操作主要由操作人员完成，可在HMI上手动操作“快振慢振停止”，扇形阀与汇总斗的操作由操作人员手动开启。手动操作时，每种合金的称量实际值自动累计。各种铁合金称量斗称量值设定下料指令称量斗下扇形阀处于关闭状态振动给料器停止振动称量值与设定值的偏差达到K2振动给料器开始快速振动称量值与设定值的偏差达到K1振动给料器慢速振动按钮或键盘YYYNNN图25铁合金加料控制程序流程图投料或回收下料指令称量斗值与设定值的偏差不大于K3T5皮带机正传或反转称量斗称量值小于K0且汇总斗下点振停止延时TS，称量斗下的电振停止振动按钮或键盘YYNN报警称量斗电振开始振动图26铁合金自动投入或回收程序框图图27铁合金加料操作画面242铁合金振动给料机的控制铁合金料仓下的振动给料机的功能是将铁合金料仓中的原料给至称量斗中，每台振动给料机的给料能了有两档；额定给料能力和接近设定给料量时的给料能力。接通条件是称量斗下部电振处于关闭状态且称量漏斗未满。只有当某台振动给料机对应的称量振动给料机关闭时，方可振动。当振动给料及启动一段时间后称量设备无料值变化，应有报警。2421自动称量程序（1）第一种合金料仓的电振开始快速振动。（2）当称量值预设定值偏差达到K1时，电动转为慢速振动。（3）当称量值预设定值偏差达到K2时，电动转为停止振动。（4）电振停止振动延时TS后（称量值稳定后），其称量值作为该种合金的实际称量值，同时检查实际称量值与预设定称量值师傅在偏差值K3值内，超出则在HMI上进行报警。（5）按上述步骤依次进行第二种、第三种合金料的称量。所有称量斗称量完毕后，在HMI上有“合金称量完毕”指示。点整的工作状态在操作内的HMI上画面显示。K1，K2，K3，T电振高速值（点频器频率）等参数均可在HMI上人工修改。2422称量斗下电振动给料器的控制称量漏斗的功能是准确地称量出转炉炼钢所需的各种合金原料。称量漏斗出口电振给料器打开的条件是只有当合金料仓振动给料机给料作业完成后，合金称量完毕，皮带机选择“主控室”操作，皮带机运行。当振动给料机开启后称量斗称量值小于K0值TS后，电动给料机自动停止。K0，T参数可在HMI上人工修改。2423皮带机的控制皮带的功能是将合金原料送入汇总斗或回收斗，机旁和主控室两地控制其正传反转停止。2424汇总斗下的电振给料器的控制在转炉炉后操作箱上手动控制，当机旁操作箱上指示灯显示“操作允许”时，手动操纵合金投入“开始停止”，若电振给料机运行3MIN未按“停止”按钮。则自动停止。因为合金料很珍贵并且合金料的多少影响整炉钢水的钢种，所以合金最终下料需要人工确认后才能加入，一旦有误可以送入回收斗补救。2425旋转溜槽的控制在旋转炉炉后操作箱上手动控制“左旋右旋停止”2426自动准备投入及回收合金程序自动准备投入及回收合金控制，当“合金称量完毕”后，可在HMI上启动“合金准备投入”或“合金回收”，则按以下顺序自动准备投入或回收。合金皮带机正转或反转起动；合金皮带机反转后，对应的称量斗电振开始运行，等该称量斗合金料量小于K0值TS后，电振自动停止；依次开始其他称量斗回收；回收过程中若某称量斗中无合金（其初始值小于K0），则改称量都不运行，自动转入下一称量斗回收。准备投入或回收完毕后，“合金称量完毕”指示灯灭。2427转炉铁合金系统画面在操作时，与转炉散料下料系统共用一个操作站。如图28。操作画面包括合金料仓及其下的振动给料器及称量斗、加料称、合金皮带机、汇总斗和回收斗的状态显示画面，其主要功能是（1）完成操作方式的选择手动式、半自动式和自动式。（2）监视各设备的运行情况。（3）在半自动方式下振给器起停控制操作。（4）手动方式下完成对设备单体的操作。（5）半自动、自动方式下监视投料过程（含振动给料机和合金皮带）。图28副原料下料方案选择操作画面方案选择画面的主要功能是其完成下料方式表的选择，并监控整个下料过程，含各阀及振动给料机工作状态、下料值。在自动方式下完成对自动下料方案的选择与确认。2428计算机监控画面完成（1）显示振动给料机、扇形阀及下料氮封阀工作状态及报警。（2）显示称量斗实际值和下料累计值。对下料重量设定。125本章小结本章通过对工业现场的实际控制任务分析，阐述了炼钢下料系统的生产工艺过程，确定了以PLC为中心的控制系统总的设计思想，并详细阐述了下料系统的总体结构、设备特点、系统主要功能等。第3章PLC软件设计针对西门子S7200PLC,我们选择STEP7V53编程软件作为开发工具，按照工艺要求编写程序，使PLC完成对现场设备的良好控制。31上料控制程序的设计主要设计皮带上料及布料小车定位系统的程序。311上料、卸料综合运行系统基本设计思想上料、卸料综合运行系统的新方法以求尽量减少其过程中的人为因素，缩短炼钢生产对原料需求的供应时间；同时，提高对设备运行的安全系数。在以往的企业中，上料单斗和卸料小车各由一人操作，因其相距较远，其间配合靠电话联系，很不方便，有时会出现脱节现象。而该运行系统将上料单斗和卸料小车用网络连结，由一人操作，既节省人力又提高效率。上料，卸料综合运行系统的设计思想是将单斗上料改为皮带机上料；操作室设在地面皮带机处上料系统和卸料系统均由PLC进行控制，因其相距较远，采用PROFIBUS（过程现场总线）网将其连接，用WINCC画面显示运行情况，以提高系统的自动化控制水平。312上料、卸料综合系统的实现方法系统采用的主要电气控制技术1PLC控制技术PLC控制技术具有如下重要的优点使用和维修方便，运行速度快，性能价格比高；通过编程能完成复杂的控制逻辑，可靠性高，能适应恶劣的工作环境；能可靠实现生产工艺所需的过程控制，而且组网方便、灵活。基于上料系统的特殊工况和PLC的优点，本系统采用西门子S7300和ET200B控制技术。2变频器的应用由于变频器具有显著的节能效果，能满足电动机频繁起停的要求,有完善的保护及自诊断功能，与PLC控制结合可提高系统的可靠性等特点,所以,在该系统中的上料、卸料皮带电动机和卸料小车电动机均采用变频器来控制。3PROFIBUS网络PROFIBUS是西门子现场总线，其物理传输方式可以是屏蔽双绞线、光纤或无线传输。站与站之间的通讯距离与通讯波特率有关，最远可以扩展到10KM。4系统的控制流程开始检测卸料皮带限位、变频器无故障启动卸料皮带电机卸料小车到位选择1号、2号、3号下料口启动上料皮带机启动卸料小车检测上料皮带限位、变频器无故障开始上料图31自动上料系统流程图313PLC技术的控制原理1PLC网络的构建因卸料小车与主站PLC相距较远（约800M），故采用PROFIBUS网络将远程站ET200B（从站）与S7300（主站）连接，见图1。网络以灵活的控制方式、信息共享和低成本等特点，被广泛地应用于各种控制系统中。网络的应用，不仅减少了大量电缆敷设，而且大大减少了故障，并简化了施工和维护。工控机主站S7300ET200BPROEIBUS网从站图32主站与从站的连接2PLC控制程序的设计以电机起停连锁为例（1）I/O点说明（见表31）（2）PLC程序如图33是PLC程序的说明。PLC采用循环扫描方式按梯形图的先后顺序执行程序，卸料皮带电机、卸料小车电机、上料皮带电机中间有联锁，要依次启动。在启动卸料小车时，因实际现场有N个下料口，故要先选择第几号下料口，方可启动，其工作状态可通过WINCC的监视画面来得知。9I00启动卸料皮带电机I13卸料小车电机正转Q81卸料小车电机正转I01停止卸料皮带电机I14卸料小车电机反转Q82卸料小车电机反转I02卸料皮带电机变频器故障I15停止上料皮带电机Q83上料皮带电机I03卸料皮带电机紧急停车I16启动上料皮带电机Q841号下料口到位指示I04卸料皮带跑偏限位I17上料皮带电机变频器故障Q852号下料口到位指示I05停止卸料小车电机I20上料皮带电机紧急停车Q863号下料口到位指示I06卸料小车电机变频器故障I21上料皮带电机跑偏限位Q87卸料皮带跑偏限位动作指示I07选择号1下料口I221号下料口到位Q90上料皮带电机跑偏限位动作指示I10选择号2下料口I232号下料口到位M00中间变量I11选择号3下料口I243号下料口到位I12卸料小车电机紧急停车Q80卸料皮带电机表31I/O点说明图33PLC程序梯形图32下料控制程序的设计主要设计振动给料器系统的程序。编写自动加料程序有2个关键环节1通过排序启动机制，实现几种合金料连续称量，操作人员只需在HMI操作画面上设置好启动顺序和加料量，然后点一下自动启动按钮，几种合金料就能按顺序自动加料2将设定值和称量值在程序中进行计算、比较，结果用来调节振动给料器先高速运行，再低速运行至停止。控制合金料的流量由大到小，从而实现加料快速、称量准确的目的。根据所炼钢种的不同，每炉钢水加入合金料的种类和质量也不同。因此，在加料过程中，就会出现有的合金料的设定值大于0，有的合金料的设定值等于0；有的合金料要先加入，有的要后加入。采用振动给料器排序启动机制可以很好地解决这个问题。首先，由炼钢工艺人员在HMI画面上设定本炉钢各种合金料的加料量和加料顺序。然后，由PLC读取这些设定值，确定各振动器的编写自动加料程序有2个关键环节1通过排序启动机制，实现几种合金启动顺序，并计算出各振动器的速度转换点值。在工艺人员从画面给出自动启动命令后，PLC将发出控制命令到现场设备，完成所有加料动作。在该程序的编写中，采用了大量的FC块用于模块化编程。因为有些设备具有相同的控制和联锁条件以及输出动作，所以首先编写通用的功能块，如振动给料器控制块FCL、传送皮带机控制块FC2等。编程中可以频繁地调用这些功能块，就像调用一个普通的函数，只需修改一下输入参数和输出参数的变量名称。模块化编程节约了大量的程序空间，提高了程序的运行速度并且更加方便了软件的可移植性和可扩展性，也使非编程人员更加容易读懂程序。10321振动给料器工作原理及控制方式本系统以电磁式振动给料器为例，该振动给料器的激振器电磁线圈的电流是经过单相半波整流的，当线圈接通后在正半周内有电流通过，衔铁与铁芯之间便产生了脉冲电磁力互相吸引，这时槽体向后运动，激振器的主弹簧发生变形储存了一定的势能，在负半周线圈中无电流通过，电磁力消失，主弹簧释放能量，使衔铁和铁芯朝反方向离槽体向前运动，于是电磁振动给料器以交流电源的频率作每分钟3000次的往复振动，由于槽体的底平面与激振力作用线有一定的夹角，因此槽体中的物料沿抛物线的轨迹连续不断地向前运动。工作原理如图34所示。图34振动给料器工作原理图图35合金下料工艺流程图调节整流电压的高低，即可控制电磁振动给料器的送料量。给料机采用可控硅整流供电。改变可控硅的导通角，即可控制输出电压的高低。根据使用条件，可取不同信号来控制可控硅导通角的大小以达到自动定量送料的目的。通过其配套的控制箱，由PLC给出为420MA信号即可实现对给料器的无级控制。称量精度是衡量称量系统好坏的一个重要指标。为了提高该系统的下料速度和称量精度，本系统主要通过控制振动给料器先高速、后低速运行，由大到小间接控制合金料的流量。因为在振动给料器停止的瞬间，合金料的流量越小，越容易提高称量的精确程度。为此，程序设计中引入了高低速转换点，程序流程图,如图37所示。称量斗下振动器启动所有合金称量完毕序号为2的振动器高速启动3S后合金质量达到设置值停止振动器振动器低速运行合金质量达到所设置的转化点序号为1的振动器高速启动自动启动命令清空后延时5S停止振动图36自动下料程序流程图图37下料流程图启动下料开始开关（I00）后振动器高速振动，合金下料到称重料斗中。当其中的合金料值K达到预设值的80时，达到低速振动下料的量点（I01），振动器改为低速振动。当称重料斗中的合金料值K达到90时，接近满量点（I02），振动器停止，延迟5S后，检测称重料斗中合金的质量，如果料量不合格当K105时I04，进行报警。如果料量合格当95K105时（I03）,将启动命令传递给下一合金料仓振动器。依此类推，直到所有合金料量全部称量完毕。称量斗下振动器将自动启动，使合金料经由皮带机进入钢包。这样设计可以达到（1）增加下料精度提高产品质量。（2）缩短下料时间减少生产周期。最终使企业达到提高效益的目的。322PLC控制程序图38下料系统PLC梯形图33本章小结本章举例编写了PLC程序。在上料、下料综合系统中，PLC、变频器与网络的使用，减少了现场电缆敷设，提高了设备的可靠运行和自动化程度，降低了设备维护量，且在生产过程中节省人力、减少中间环节，有效提高了生产效率。第4章系统通讯41现场总线技术概述现场总线（FIELDBUS）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点。具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。111213一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把420MA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。目前，公认的现场总线技术概念描述如下现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。411现场总线技术产生的意义（1）现场总线（FIELDBUS）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替420MA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、420MA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。现场总线是工业通信系统，它使用一类传输介质（如具有位串传输的铜缆、光纤或无线等），用比特串传输，将分散的现场设备（如传感器、执行机构、驱动器、变送器等）连接到中央控制或管理系统。42工业以太网近些年来，随着通讯技术的发展，自动化系统的分散程度越来越高，分布式解决方案正在变得越来越重要。分布式设备的设计降低了安装、维护和诊断费用。智能设备在现场运行，在网络上相互连接。开放性和灵活性对于连接不同系统以及实施扩建是很重要的。1415421工业以太网简介工业以太网是基于IEEE8023ETHERNET的强大的区域和单元网络，是当前世界上领先的网络技术。利用工业以太网，SIMATICNET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。1617企业内部互联网INTRANET，外部互联网EXTRANET，以及国际互联网INTERNET提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网FASTETHERNET，符合IEEE8023U的标准也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。181920市场占有率高达80，以太网毫无疑问是当今LAN局域网领域中首屈一指的网络。以太网优越的性能，为您的应用带来巨大的利益1通过简单的连接方式快速装配。2通过不断的开发提供了持续的兼容性，因而保证了投资的安全。3通过交换技术提供实际上没有限制的通讯性能。4各种各样联网应用，例如办公室环境和生产应用环境的联网。5通过接入WAN广域网可实现公司之间的通讯，例如，ISDN或INTERNET的接入。SIMATICNET基于经过现场应用验证的技术,SIMATICNET已供应多于400,000个节点，遍布世界各地，用于严酷的工业环境，包括有高强度电磁干扰的区域。212223422工业现场对工业以太网的产品要求工业以太网广泛的应用于工厂的控制级通讯，以实现PLC与PLC之间、PLC与上位机之间的通讯。在技术上它与IEEE8023、8023U和8023Z兼容，但产品的设计制造充分考虑到并满足工业网络应用的需要。工业现场对工业以太网的产品的要求包括。261严酷的工业现场的温度、湿度、震动等环境参数。现场的工业安全标准与办公室的完全不同，工业级的产品有时需要面对的是恶劣环境。2工业网络器件的供电是采用柜内低压直流电源标准。与办公室网络不同的是大多的工业环境中控制柜内所需的为低压24V直流，而非通常办公室环镜中的220V或110V交流。3采用标准导轨安装，安装方便，适用工业环境安装要求。工业网络器件要能方便的安装在工业现场控制柜内，容易更换。4抗干扰、抗辐射性能力强。电磁兼容性（EMC）的要求随工业环境对工业抗干扰和工业抗震要求的不同有所差别。43通讯网络在本炼钢炉下料控制系统中，SIMATICS7和WINCC之间的通讯连接通过工业以太网实现通讯连接。使用TCP/IP协议作为传输协议。在计算机端，通过工控机的以太网卡建立与工业以太网网络的连接。在WINCC项目中，必须安装通讯驱动程序SIMATICS7PROTOCOLSUITE。通过它的通道单元TCP/IP，组态与SIMATICS7的连接。在下位机端，PLC配有CPU4162模块。通过通讯处理器模块CP4431TCP建立与网络的连接。为了用STEP7软件组态通讯处理器，需要选项包NCMS7INDUSTRIALETHERNET。在西门子STEP7中组态好的工业以太网结构如图51所示图51工业以太网结构431工业以太网网络的构成本系统的工业以太网络环境，有以下三类网络器件1网络部件连接部件FC快速连接插座、OSM工业以太网光纤交换机、MCTP11工业以太网光纤电气转换模块通信介质工业屏蔽双绞线和光纤2SIMATICPLC控制器上的工业以太网通讯外理器。用于将SIMATICPLC连接到工业以太网。3PG/PC上的工业以太网通讯处理器。用于将PG/PC连接到工业以太网。432网络特点本系统选用的OSM是目前西门子主流的工业以太网交换机产品，广泛的应用于各种解决方案中，支持星型、总线型和环形拓扑结构。OSM用于构成光纤网络。具有以下优点1、即使故障时，也能通过非常快速的网络重新配置（03秒），可靠通讯2、通过以下措施保证现有网络的投资安全性简单地将现有的10MBIT/S数据终端或者子网连接到100MBIT/S快速以态网中。通过负载解耦以及数据传输速率100MBIT/S，性能增强3、无需进行传输时间的计算就可以简单地进行网络组态，同样也可用于超大型网络4、高度的网络可用性冗余电压馈入；基于光纤或双绞线的冗余网络结构，集成的冗余管理器和后备功能5、灵活的网络组态，使用OSM模板，网络拓扑结构可容易地与工厂结构相适配。6、利用信号触点、数字量输入以及简单网络管理协议（SNMP）或电子邮件，简化了监视与诊断。7、无风扇运行，低维护运行OSM集成了冗余管理器功能，适于建立工业以太网快速冗余环结构。当网络出错时，OSM可以向网络管理系统发送出错消息（网络陷阱），或者通过EMAIL单独地将出错消息发送给指定的网络管理员。OSM系列交换机支持SNMP和WEB浏览器的方式对交换机进行远程管理和诊断。除上述工业特性之外，西门子工业以太网交换机还具有如下特点1故障自动恢复网络故障时（如断线或交换机故障），网络重构时间小于300MS2网络间冗余连接任何拓扑结构的网段或环网都可通过两个交换机实现网络间的冗余连接3快速网络故障定位与诊断