基于PLC的水泥工艺煤磨段自动控制系统设计

精品资料，值得下载学习！ 基 于 水泥工艺煤磨段自动控制系统设计 设计总说明 可编程控制器 (一种重要的、应用场合广泛的工业控制器 ,它通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程 。 组态软件是数据采集监控系统 软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。使人们在异地也可以 实现 对现场 设备 进行监控和操作。 煤粉制备在工业生产中有重要作用，被广泛应用于冶金、矿山、电力、水泥等行业。传统煤粉制备控制系统，具有控制点少、靠人工测量、手动操作等特点，随着生产规模的不断扩大和产量的提高，控制系统的处理量不断增大，以 往人工现场控制手段己很难满足生产的要求，同时由于人工检测误差大，控制设备落后、安全性低，给整个系统的 生产操作和管理带来了很大的困难。基于上述原因， 对煤粉制备控制系统的进行了开发和研究。 本文介绍了 水泥工艺煤磨段自动控制系统 中的应用 ,以及该系统的硬件配置和功能。同时着重讲述了 煤磨段工艺的煤粉收尘仓温度控制 系统中对 温度 的控制，再结合 先进的 法 完善 系统 ， 达到运行可靠、节能的目的 。 使用 件做出上位监控画面，对下位系统进行实时监控，实现数据监控、故障报警和记录 功能 。 关键词 ： 煤磨段 ； 第 1 页 on LC is in O is in of a ， of of of of of of is an by or is of a of s be to LC in of s of as as in in to ID to It to of to to 第 2 页 第 3 页 目录 1 绪论 . 5 统简介 . 5 泥行业介绍 . 5 内水泥工业发展现状 . 5 泥煤磨段工艺 . 6 统的技术特点及应用前景 . 7 统的技术要求及研究内容 . 7 2 控制器的选择及控制计算法介绍 . 8 制概述 . 8 作原理 . 9 组成 . 9 块 . 9 工作原理 . 9 制系统的应用特点 . 10 门子 . 11 门子 . 11 门子 . 11 制算法 . 12 7现 环控制的原理 . 13 3 下位控制系统设计 . 14 统分析 . 14 统输入输出的统计 . 14 件的选型 . 15 位系统程序的设计 . 16 统流程图 . 16 统程序 . 16 4 上位 监控 系统设计 . 22 简介 . 22 第 4 页 件的性能特点 . 22 系统结构 . 24 监控画面和报警画面 . 25 5 上下位通 讯与仿真 . 29 下位通讯 . 29 警的制作 . 33 下位的仿真调试 . 34 6 结论 . 40 结 . 40 望 . 40 7 致谢 . 41 参考文献 . 42 附页 . 43 第 5 页 1 绪论 统简介 现代水泥生产过程中，自动化占据着重要地位。它在保证生产安全可靠、提高产品质量及产量、降低能耗及成本 、控制环境污染、降低工人劳动强度、提高设备的运转率及劳动生产率、实现科学的生产控制管理等方面都起着重要的作用 2。 水泥工业自动化水平的提高，也为水泥生产新工艺的推广和完善创造了条件。水泥生产工艺复杂，设备连锁众多，各种检测信号相互影响，采用传统的人工控制或继电器仪表控制很难达到控制要求。如果生产线上的任何一台设备出现故障停机，将影响整个生产线的运行，严重时会发生压料、堵料，给生产带来很大的损失。采用 制 后，真正做到了 自动 控制， 实时监控 。设备出现故障后系统能够按照预先编制好的程序自动停止相关设备，并 发出声光报警，提醒操作人员及时处理以免影响生产 1。对一些重要的参数和报表系统能够自动生成历史记录和历史趋势，操作人员和技术人员可以随时查询历史数据了解生产情况。通过对数据的统计和分析提出新工艺，新方法，不断提高水泥的产量和质量。 煤磨段 是水泥生产中的核心 工艺之一 ，在 煤磨段工艺 中 进行原煤的粉碎、混合 ， 经过机械加工 ，最终形成 粉状的水泥燃料 4。 煤磨段 是水泥生产中的核心 工艺之一 ，在 煤磨段工艺 中 进行原煤的粉碎、混合 ， 经过机械加工 ，最终形成 粉状的水泥燃料。 目前 在国内大多数的水泥厂中的水泥煤磨的控制均采用继电器控 制电路完成，这种控制方式虽然工艺简单，成本较低，但工人劳动强度较大，稍有操作疏漏就有可能发生事故。而且在水泥煤磨的实际过程中，由于现场机械振动、粉尘污染、物料颗粒不均、工艺过程的种种原因，造成水泥煤磨故障率较高，从而导致不必要的经济损失。因此设计一种基于 水泥煤磨自动控制系统，采用性价比较高、抗干扰能力较强的 为中央处理单元，配合控制软件实现水泥磨煤的自动控制，不仅能使整个粉磨系统、高效地运转，而且真正达到 节能、安全、提高产量的目的 6。 泥行业介绍 内 水泥工业发展现状 中国水泥工业历经百年沧桑，只有在建国后，特别是在改革开放 20 年中，才获得了真正的大发展。 第 6 页 世界水泥产量 1999 年达到 1542 亿吨，其中中国就占了 吨， 而且连续 15 年居世界首位， 绝对量不可谓不高，人均消费量也远远超出世界人均水平，甚至达到了一些发达国家目前的年度消费水平。从生产工艺和装备制造等工业技术方面看，我国己基本上掌握了从 1000 /10000t d 的全套新型技术。通过改革开放 20 多年的实践，中国的现代化水泥工业己初见端倪 7。 但是，目前我国水泥工业面临的主要问题是，代表当代的新型技术在 整个工业中的比例太低，还不到 20%。 80% 以上的还属于 20、 30 年代， 40、 50 年代和 50 、 60 年代的工艺技术，尽管做了些大的改进，但本质上无法脱胎换骨。如何把这个比例倒过来，是一项大的结构调整问题， 这 将是中国水泥工业今后10 20 年内一项艰巨的历史 任务。此外，我国的人均水泥累积消费量还不高，不到发达国家的一半 ， 质量、环保、能源和劳动生产率等主要技术经济指标也与发达国家有相当大的差距 8。 泥 煤磨段 工艺 煤 粉 仓提 升 机原 煤 仓圆 盘 喂 料 机电 动 翻 板 阀煤 磨 电 机罗 茨 风 机螺 旋 输 送 器动 态 选 粉 机煤 粉 收 尘 器双 向 螺 旋 输 送 器煤 粉 计 量 称煤 粉 仓 收 尘 器离 心 风 机大 气大 气离 心 风 机球 磨图 1统图 原煤从堆煤场经提升机提升后送入原煤仓，通过原煤仓内部的荷重传感器计量后由圆盘喂料机送入煤磨。原煤在磨内借助热风机送来的热风进行烘干和粉磨，然后送入动态选粉机，不合格的粗粉送回磨头重新粉磨，细粉进入煤粉收尘器。收尘器收下的煤粉经双向螺旋输送机送至带荷重传感器的煤粉仓中，最后经过转子计量秤计量后送入窑头。 第 7 页 统的技术特点及应用前景 目前， 煤磨段 大都 采用继电器控制电路完成 。但是 工人劳动强度较大，稍有操作疏漏就有可能发生事故。而且在水泥 煤磨的实际过程中，由于现场机械振动、粉尘污染、物料颗粒不均、工艺过程的种种原因，造成水泥煤磨故障率较高，从而导致不必要的经济损失。采用性价比较高、抗干扰能力较强的 合控制软件实现水泥磨煤的自动控制，使整个粉磨系统、高效地运转，真正达到高效、节能、安全。 现代水泥生产企业一般采用 主体的计算机集散控制系统（ 实现全厂自动化控制要求，以降低成本，提高运行可靠性，保证水泥生产设备的安全，增加直接经济效益 11。 统的技术要求及研究内容 对 煤磨段温度控制 系统进行比较全 面的分析 ,并把 传统的控制算法 和 磨段 控制系统 ， 完成 煤磨段温度控制 系统的硬件设计和软件 设计 。 通过对西门子 学习，完成 煤磨段温度控制 系统的 程序设计 和 上位 监控画面的设计 ，由 件进行仿真， 并进行上下连接， 确定系统的可实施性。 第 8 页 2 控制器的选择及控制计算法介绍 制概述 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器 (代传统继电器控制装置以来， 到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时， 功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术 、 网络技术的不断发展和用户需求的不断提高， 开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 模仿 原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制 程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入 用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作 7。 有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为 令），然后再返回起始步循环运算。 完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间。 梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 用另外一个 完成模拟量的运算。把计算结果送给 控制器。 有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 个 控制器，可以接收几千个 I/O 点（最多可达 8000 多个 I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用 为合适 10。 第 9 页 作原理 组成 图 2成框图 块 (1) 中央处理单元 核心部件，由运算器和控制器组成。主要用于：接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。 (2) I/O 模块 输入 /输出接口是 外界连接的接口。 输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、 电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。 工作原理 两种工作状态，即运行（ 态和停止（ 态。 在运行状态， 过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使 输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一 第 10 页 次，而是反复不断地重复执行，直到 机或切换到 作状态。 除了执行用户程序外，每次循环过程中， 信处理等工作，一次循环可分为 5个阶段，如图 2称为扫描工作方式。 图 2制系统的应用特点 (1)可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用 同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使 系统中除 样，整个系统将极高的可靠性。 (2)配套齐全，功能完善，适用性强 经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外， 第 11 页 可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使 度控制、 上 用 (3)易学易用，深受工程技术人员欢迎 向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。 (4)系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造 。 门子 据规模和性能的大小，主要有 7 本次设计主要应用的是 门子 7的模块可以扩展多达 32个模块，背板总线也在模块内集成，它的网络连接已比较成熟和流行，有 点接口）、 业以太网 ，使通讯和编程变的简单和多选性，并可以借助于 了信号模块（ 外，它还有 ： 接口模块（ 用来进行多层组态，把总线从一层传到另一层； 占位模块（ 为没有设置参数的信号模块保留一个插槽或为以后安装的接口模块保留一个插槽； 功能模块（ 执行特殊功能，如计数、定位、闭环控制相当于对 展或补充； 通讯处理器（ 提供点对点连接、 业以太网 。 接连接到分布式I/O。 门子 个自动化过程都是由许多较小的部分和子过程组成，所以工程建立的第一个任务是分解子任务。而每个子任务定义了自动化系统要完成的硬件和软件要求。其中硬件包括输入 /输出数目和类型，对应模块序号和类型，所用机架号，机界面）系统，网络系统。软件方面主要是程序结构，自动化过程中的数据管理，组态数据、通讯数据及程序和项目文档。在 第 12 页 7中，上述工作都在项目管理（ 理器），包括必须的硬件（ +组态），网络（ +组态），所 有程序和自动化解决方案的数据管理。 图 2门子组合硬件和软件 制算法 0年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 实际中也有 用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程整定法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对 第 13 页 控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进 行最后调整与完善。 控制器参数经验方法实质上是一种经验凑试法，是工程技术人员在长期生产实践中总结出来的。它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，先确定一组控制器参数，并将系统投入运行通过观察认为加入干扰（改变设定值）后的过渡过程曲线，根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的控制参数制，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。本次设计就是使用的是经验法，根据工艺和实际经验获取 数。 7现 环控制的原理 以 为控制器构成的闭环控制系统，如图 2示。图 中的虚线部分由 实现。检测元件将被控量实际值 量转换为 1V 5V 电压信号或420流信号，该模拟信号接至 块，进行 A/D 转换，根据用户编写的 制程序，将测量值与给定值 较，通过二者的偏差e(t)进行 u(t)，经 块进行 D/A 转换，转换后的信号（ 1V 5V 电压信号或 420流信号）用于驱动执行结构，实现对被控对象的控制。 P I D 控 制 器 被 控 对 象执 行 机 构检 测 元 件给 定 值E （ t ）U ( T )实 际 值P vS 环 控制系统 - 第 14 页 3 下位控制系统设计 统分析 根据水泥煤磨 收尘仓 控制原理 ， 收尘仓有三个温度经传感器检测变送到设定 值比较，大于该值 送至 进行运算，运算完成后输出，调节电磁阀开度进行温度调节使其达到温度设定 值；小于设定值则不运算。 统 输入输出 的统计 输入输出量有数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出四种。 根据分析煤磨段的工艺，其 输入输出 情况如 表 3 设备名称 采样信号 信号类型 1 斗式提升机过载电流 拟量 2 原煤仓料位 拟量 3 磨机 1 轴前温度 拟量 4 磨机 2 轴前温度 拟量 5 磨机 1 轴后温度 拟量 6 磨机 2 轴后温度 拟量 7 热风机转速 拟量 8 煤粉收尘仓压力 拟量 9 煤粉收尘仓温度 1 拟量 10 煤粉收尘仓温度 2 拟量 11 煤粉收尘仓温度 3 拟量 12 煤粉仓料位 拟量 13 计量称重量 拟量 14 电磁阀 开度 拟量 15 起始信号 字量 16 提升电机 字量 17 磨机电机 字量 18 螺旋输送机 1 皮带 字量 19 离心风机电机 字量 20 螺旋输送机 2 皮带 字量 第 15 页 件的选型 根据 实际 工艺和 冗余考虑 。这就要求在选择 I/O 模块 等时 要适当留有 约 10%的 裕量 。 如图 3 3硬件选型 设备型号：电源模块： 块： 入输出模块： *12 个 ， *12 个 ， 6* 个 。 第 16 页 位系统 程序 的设计 统流程图 图 3统流程图 信号经传感器采集检测变送到 设定值比较，大于设定值送至 算完成后输出，调节电磁阀开度进行温度调节使其达到温度设定值；小于设定值则不运算。 统程序 程序 监测数据采集的实现是调用 将输入 A/D 转换后的数字量转换为被控对象的一个检测值，结果放在 存器中，如图 3 第 17 页 图 3 测数据的采集 调用 将 出的操作值 （ 转换为 0 27648 之间的一个数字量，结果输出给模拟量输出存储器 (如图 3 图 3出转换 第 18 页 煤粉收尘仓温度数据检测 ： 图 3粉收尘仓温度数据检测 运行与故障报警包括提升电机故障、过载电流报警、磨机故障报警、皮带电机 1 和 2 故障报警、风机故障报警。其中过载 电流报警是电流过载 5报警，因此使用定时器 比较指令 1 指令；其他报警可使用常开和常闭指令。如图 33 图 3行与故障报警 第 19 页 图 3升机过载电流报警 三个检测温度比较大小 ：温度 1 先与温度 2 比较，得出最大的，把最大的给温度 1，再与温度 3 比较，得出最大的，再把最大的给温度 1，这样温度 1 温度最大，然后与设定值比较，大于它，把温度 1 给 过程值寄存器。 如图3 图 3尘仓 检测温度比较大小 数设定 包括 参数的使能开关（ 设定值（ 比例值（ 积分值（ 微分值（ 如图 3 3 第 20 页 图 3数 图 3能开关 第 21 页 算模块 （ 图 3算模块 第 22 页 4 上位 监控系统设计 组态软件是数据采集监控系统 软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。 组态软件由早先单一的人机界面。 向数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。随着组态软件自身以及控制系统的发展，监控组态软件部分与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。 出现，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了 一种设备间互连，降低了 I/O 设备驱动软件的工作量。 I/O 驱动软件也逐渐向标准化的方向发展。 本次毕 设使用的 组态软件 是 件。 简介 件中的后起之秀， 1966 年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国某杂志评为最佳 件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的 统，而在欧洲，它无可争议地成为第一。 在设计思想上 , 承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的 按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上各种主要制造商生产的控制系统，如 ，并且通讯驱动程序的种类还在不断的增加。通过 方式， 可以与更多的第三方软件控制器进行通讯。 作为 集成自动化系统的重要组成部分， 保与 5, 505 系列的 接的方便和通讯的高效； 程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外， 有对 行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。 件的性能特点 为一个功能强大的操作监控组态软件，其主要性能特点如下： (1)应用最新的软件技术 由 司与 司合作开发的用于控制工程的人机界面组态软件，正是基于 司技术的先进性与创新性，保证用户能够获得不断创新的技术。 第 23 页 (2)包括所有 能在内的客户 世界上 3 个 (成功的 统之一，由 统组件建立的各种编辑器可以生成画面、脚本、报警、趋势和报告，即使是最基本的 统，也能提供生成复杂可视化任务的组件和函数。 (3)可灵活裁剪，由简单任务扩展到复杂任务 一个模块化的自动化软件，可以灵活地进行扩展，可应用在办公室和机械制造系统中。从简单的工程应用到复杂的多用户应用，从直接表示机械到高度复杂的工业过程图像的可视化监控和操作。 (4)可由专用工业和专用工艺的选件和附件进行扩展 开放式编程接口的基础上开发了范围广泛的选件和附件，使之能够适应各个工业领域不同工业分支的不同需求。 (5)集成 据库 成了 准数据库，使得所有面向列表的组态数据和过程数据均存储在 据库中，可以容易地使用标准查询语言 (使用 驱动访问 据库。这些访问选项允许 其他的 序和数据库开放其数据，例如，将其自身集成到工厂级或公司级的应用系统中。 (6)具有强大的标准接口 立了 在 序间交换数据的标准接口，因此，能够毫无困难地集成 控制和 务器、客户端功能。 (7)统一脚本语言 脚本语言由 准编程语言生成。 (8)开放 程接口可以访问 模块 所有的 块都有一个开放的 C 编程接口 (可以在用户程序中集成 态和运行时的功能 。 (9)通过向导进行简易的 (在线 )组态 组态工程师除了可利用综合库，在一个 境中，进行简单的对话和向导外，在调试阶段，同样可进行在线修改。 (10)选择组态软件的语言 件是基于多种语言开发的，可以在德文、法文、意大利文、西班牙文、中文及其他多种亚洲语言之间进行选择。可以存储用户喜爱的任何一种 第 24 页 语言文本，可以在线进行语言转换。 (11)提供所有主要 统的通信通道 作为标准， 持所有连接到 5/05 控制器的通信通道，还包括 非特定控制器的通信通道。此外，还可以通过选件或附件提供广泛的非特定控制器的通信通道。 (12)具有与基于 控制器的 紧密接口 将软 /插槽 成在 ，在 实现 操作和监控， 接的接口。 (13)是全集成自动化工 部件 成了包括 内的所有 所有过程控制的窗口，是 中心部件。 味着在组态、编程、数据 存储和通信等方面的一致性。 (14)作为 程控制系统申的操作员站 的过程控制系统。 结合了基于控制器的制造业自动化的优点和基于 过程工业自动化的优点的过程处理系统 (它对过程可视化使用包括 标准 件。 (15)可集成到 标准接口使 为全公司范围 境下的一个完整部件。这超越了自动控制过程，将范围扩展到工厂监控级，以及为公司管理系统提供管理数据。 系统结构 有模块化的结构，其基本组件是组态软件 (运行软件 ( 态软件 启动 ， 源管理器随即打开。 源管理器是组态软件的核心，整个项目结构都显示在 源管理器中。从 源管理器中调用特定的编辑器，既可用于组态，也可对项目进行管理，每个编辑器分别形成特定的 系统。 主要的 系统包括： (1) 图形系统 用于创建画面的编辑器，也称作图形编辑器。 (2)报警系统 对报