（机械工程专业论文）高炉上料控制系统的研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 钢铁是现代社会最重要的原材料之一，钢铁工业也是国家的支柱产业 之一。转炉炼钢的主要原料是铁水，而高炉是钢铁厂生产铁水的主要设备。 因此高炉也是钢铁联合企业生产线中最重要的基础设备，需及时和稳定地 供应合格的铁水，故其稳定工作是很重要的。高炉设备体积大：生产工艺 具有一定的连续化和前后关联化，操作复杂；原料用量大，运输量大；设 备要求有高效的运转率，同时要有较长的使用寿命；且高炉是密闭的，必 须借助于许多检测仪表才能判断其内部情况，因此炼铁生产应用自动化已 经成为必然趋势。 本论文主要研究与开发济( 源) 钢新建斜高炉的上料控制系统。在 设计该系统时，以企业的工程实际和生产要求为基础，结合国内外现代化 高炉控制的先进技术，获得了性价比较优的控制系统方案。甜高炉的自动 控制系统采用i e c 一体化，基础级自动化使用p l c 为主要控制器件，过 程自动化使用工控机p c 实现，并使用组态软件实现生产过程监控。 错高炉上料控制系统采用德国s i e m e n s 公司的s 7 - 4 0 0 系列p l c ，运 用s t e p7 编程软件，编制了下位机的上料控制程序，实现了高炉上料系统 按生产工艺自动完成配料、称重、上料，布料全过程，并满足顺序与联锁 控制要求。 同时，使用s i e m e n s 公司的工控组态软件w i n c c 对上料控制系统进 行组态，设计了具有w i n d o w s 风格的操作画面，可进行生产过程实时监 控、动态模拟、数据统计、记录查询等操作。 上料控制p l c 和设置在槽下操作室的工控机组以及现场设备通过 p r o f i b u s 现场总线组成高炉上料控制系统，并与高炉其它控制系统通过工 业以太网组成高炉自动控制系统。 该控制系统克服了传统的继电控制系统的不足之处，使控制更精确， 工作效率更高，可靠性更好，故障率更低，从而使高炉生产的技术层次和 经济指标大幅提高。 关键词：高炉上料；控制系统；p l c 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t s t e e li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr a wm a t e d a l si nm o d e ms o c i e t y s t e e l i n d u s t r y , 弱w e l la si so n eo ft h ep i l l a ri n d u s t r i e so fac o u n t r y i ns t e e lp l a n t b l a s tf u r l m c oi st h em a i ne q u i p m e n tt op r o d u c em o l t e ni r o n ，w h i c hi st h em a j o r r a wm a t e r i a l so fs t e e h n a k i n g a sa ni m p o r t a n tb a s i ce q u i r i m e n ti nas t e e l p r o d u c t i o nl i n e ，t h eb l a s tf n f n a c ei sn e e d e dt os u p p l ym o l t e ni r o nt i m e l ya n d s t a b l y t a k eo nt h e r e a s o n so f t h e l a r g es i z e , c o m p l e xp r o d u c t i o np r o c e s s ，l a r g e a m o u n to fl a wm a t e r i a l s ，h i 曲o p e r a t i n gr a t ea n dt h er e q u e s to f l o n g e v i t y , t h e 0 p e w a t i o no f b l a s tf u r n a c ei sc o m p l i c a t e d a n dt h eb l a s tf u r n a c ei sd o s e d , i ti s n e c e s s a r yt ou s em a n yd e t e c t i o ni n s t r u m e n t a t i o n st om o n i t o rt h ei n t e r n a l s i t u a t i o n t h e r e f o r et h ea p p l i c a t i o no fa u t o m a t i o nh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l e t r e n di ni r o n m a k i n gp r o d u c t i o n t h et a s kr e s e a r c h e st h en e w - b u i l dp r o j c o to f 甜b l a s tf n l l a e ：e t sf e e d i n g c o n t r o ls y s t e md e s i g ni nj i y u a ns t e e l & i r o nc o r e f e r r i n gt oal o to f c o r r e l a t i o nl i t e r a t u r ed o m e s t i ca n do v e r $ e a s ，t a k i n gt h ee n t e r p r i s e sa c t u a l s t a t u sa sab a s i sa n dc o m b i n i n gm o d e mb l a s tf u r n a c e sc o n t r o lt e c h n i c a la n d d e v e l o p i n gt r e n d , w eo b t a i nt h e c o n t r o ls y s t e mp r o g r a mw i t ho p t i m u m c o s t - e f f e c t i v e n e s s t h en e wc o n t r o ls y s t e mu s e si e ce q u i p m e n ti n t e g r a t i o n ，i n w h i c hb a s i ca u t o m a t i o nu s e sp l c m e t h o d , p r o c e s sa u t o m a t i o nu s e si p c ，a n d p r o d u c t i o np r o c e s sm o n i t o r i n gi sr e a l i s e dw i t hi n d u s t r yc o n t r o lc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e w i t ht h es i e m e n sp l cs 7 - 4 0 0a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a m m i n g s o f t w a r e s t e p7t h a th e l p si n c o n t r o ls o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，t h eb l a s t f u r n a c e sf e e d i n gc o n t r o ls y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t so fa u t o m a t i cm a t e r i a l p r o p o r t i o n i n g ，w e i g h i n g , l o a d i n ga n dd i s t r i b u t i o n , a n dt h er e q u i r e m e n t so ft h e i n t e r l o c k i n ga n ds e q u e n c ec o n t r 0 1 a n dw eu s ew i n c c ，w h i c hi sa l s oap r o d u c tf r o ms i e m e n s , t oc o n f i g u r e t h eb l a s tf u r n a c e sf e e d i n gs y s t e m ，a n dd e s i g nv a r i o u sv i s u a lh m lw i t h 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第页 w i n d o w sf e a t u r e s , w i t hw h i c hw ec a nr e a l i z et h es u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n g ， d y n a m i cs i m u l a t i o n , r e a l - t i m ed a t a - l o g g i n g ，r e c o r dc h e c k i n g ，a l a r m i n go ft h e p r o d u c t i o np r o c e s s f e e d i n gc o n t r o lp l c ，t h ei p c si nt h es c h e d u l e rr o o m ，a n dt h ef i e l d d e v i c e sa r el i n k e dt o g e t h e rv i ap r o f i b u st of o r mah y b r i df e e d i n gc o n t r o l s y s t e m w i m w h i c ho t h e rp a r t so ft h ec o n t r o ls y s t e mc o m p o n e n t sb l a s tf u r n a c e c o n t r o ls y s t e mt h r o u g hi n d u s t r i a le t h e m e t t h ec o n t r o ls y s t e mo v e r c o m e sm a n yi n a d e q u a t e so ft h et r a d i t i o n a lr e b y c o n t r o ls y s t e m ，a n da c c e s s e sam o l ea c c u r a t ec o n t r o l ，h i g h e re f f i c i e n c y , b e t t e r r e l i a b i l i t y , l o w e rf a i l u r er a t e t h e r e b yt h eb l a s tf - i m l l a c e sp r o d u c t i o nl e v e lo f t e c h n o l o g ya n de c o n o m i ci n d i c a t o r sa r es u b s t a n t i a l l yr a i s e d k e y w o r d s ：b l a s tf u r n a c em a t e r i a lf e e d i n g c o n t r o ls y s t e m ：p l c 西南交通大学曲南父逋大宇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囱，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：揩怎宦 日期：叼i o 诽 指导老师签名：讯嘛 日期。勿唧- f 口万 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 在查阅了大量国内外相关文献和现场调研的基础上，对国内外 高炉计算机控制的发展概况、现状作了较为详细的介绍，分析了高炉过程 自动化发展的趋势。 ( 2 ) 根据济( 源) 钢炼铁分厂钟高炉过程控制的要求和炼铁生产工 艺流程，设计了以p l c 为控制核心的高炉上料控制系统。 ( 3 ) 结合炼铁实际生产要求，对斜高炉上料控制系统进行硬件选型、 软件设计。在s t e p7 编程环境下编制控制程序，实现对高炉上料系统的控 制。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 1 1 1 高炉自动化的意义 钢铁是现代社会最重要的原材料之一，钢铁工业是国家的支柱产业之 一，钢铁的产量和质量是一个国家发达程度和经济实力的重要标志，全世 界对钢铁的需求量和钢铁的产量都随着经济的发展在不断增加。 高炉是钢铁厂利用铁矿石作原料生产铁水的主要设备，而铁水是转炉 炼钢的主要原料。因此高炉也是钢铁联合企业生产线中最重要的基础设 备，高炉生产的优劣直接关系到钢铁联合企业的炼钢生产。 由于高炉在钢铁厂处于喉舌位置，需及时和稳定地供应合格的铁水， 故其稳定工作是很重要的。基于下列原因1 1 】： ( 1 ) 高炉炼铁是能耗大户，占整个钢铁企业能耗的6 0 ，因此有效节 能经济意义很大，而自动化技术对节能有关键作用。 ( 2 ) 设备大型化。现代高炉容积都较大，稍不正常就损失很大，而 以计算机为中心的异常炉况预报系统可使工长预先采取措施，避免事故。 ( 3 ) 工艺连续化与前后工序关联化。高炉炼铁要为后续工序炼钢提 供及时的、优质的铁水，后续工序的产品质量、操作都受前列工序来料的 影响，没有自动化和信息化系统，难以为后续工序提供及时的质量均一的 原料。 ( 4 ) 工艺操作复杂。高炉生产需要：正确的配料和及时装入炉内、 保持煤气流与炉料良好的接触、使炉料均匀下降，维持一定炉缸热状态， 这些工艺要求人工操作时很难达到，此外，高炉是密闭的，必须借助于许 多检测仪表才能判断其内部情况，故自动化是必不可少的。 ( 5 ) 原料用量大，运输量大，且要按严格的配比和顺序装入，没有 自动配料装料和批重以及水分补正系统不仅耗费人力，且无法获得良好技 术指标。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 ( 6 ) 设备要有高的运转率同时要长寿。例如要减少高炉的休风率， 就得自动监视设备状态，出现故障先兆时就设法排除。 因此，炼铁生产应用自动化已经成为必然趋势，它不仅是炼铁工业现 代化的标志，且投入产出比显著。 高炉上料装置是炼铁生产中的重要环节，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。采用传统的继电器控制方式可以实现对该装置的控 制，但是体积大，故障率高，抗干扰能力差，控制不精确，使用寿命较短。 采用现代p l c 技术控制高炉上料装置，可以克服传统的继电控制系统的 不足之处，使控制更精确，工作效率更高，可靠性更好，故障率更低。 1 1 2 高炉炼铁生产工艺简介 现代大型高炉车间主体系统如图1 1 所示，包括五部分：高炉本体、 贮矿槽、出铁场、除尘器和热风炉【1 1 。 图1 1 典型高炉炼铁车间主要设备示意图 炼铁原理是在高炉内进行还原反应，生产时，通过上料皮带将炉料( 矿 石) 、燃料( 焦炭) 和熔剂从炉项装入炉内，从鼓风机来的冷风经热风炉 后，形成热风从高炉风口鼓入，随着焦炭燃烧，产生热煤气流由下而上运 动，而炉料则由上而下运动，互相接触，进行热交换，逐步还原，最后到 高炉下部，还原成生铁，同时形成炉渣。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1 计算机控制系统综述 计算机控制系统就是利用计算机( 通常称为工业控制计算机，简称工 业控制机i p c ) 来实现生产过程自动控制的系统。其本质是利用计算机技 术对生产过程进行监视、操作和管理删。 计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密 切相关，计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。 ( 1 ) 直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 系统 ( 2 ) 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) d c s 是以微机为核心，把微机、工业控制器、数据通信系统、显示 操作装置、输入输出通道等有机地结合起来，既实现地理上和功能上分散 的控制，又通过高速数据通道把各个分散点的信息集中监视和操作，并实 现高级复杂规律的控制f 2 】。d c s 系统的基本结构如图l - 2 所示。控制系统 中采用的基本控制器可根据控制任务选择可编程逻辑控制器( p l c ) 或工 业计算机( 腰c ) 。 监督计算机 高速教据通道 基本控制磊 i 丝墅翌墨ii篓璺翌墨l 图1 - 2 d c s 系统示意图 目前在过程控制系统的设计中通常采用分散控制的思想。 ( 3 ) 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) f c s 系统从思想本质上仍然属于d c s 系统，只不过是把分散化的思 想推进到系统的底层和末端。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2 炼铁自动化技术的现状 炼铁生产自动化包括：基础自动化、过程自动化、管理自动化三级， 其中基础自动化是生产过程自动化中最底层、最基础的部分，由各种电子、 液压、气动控制装置组成，承担各种生产工艺参数的计量检测和设备控制。 过程自动化指的是利用计算机技术，实现对炼铁过程跟踪、生产过程控制 等。管理自动化指的是对企业各种资源进行有效管理等。 国内钢铁行业装备的基础自动化已经达到了较高的水平，根据中国钢 铁协会统计，我国1 0 0 的高炉都实现了基础自动化。p l c 、d c 、d c s 等 信息化装备已经被广泛应用于单一装备的控制当中。 高炉自动化系统主要由电气控制、仪表控制、计算机三部分组成( 称 为三电系统e i c ) ，其功能分配如下： ( 1 ) 计算机是整个自动控制系统的人机界面，通过通讯装置采集生 产数据，对生产工艺数据进行显示、加工处理、输出控制命令等； ( 2 ) 仪表系统是对高炉生产过程中的各种参数( 压力、温度、流量、 物位、成分等) 进行检测与控制，以及进行主、副原料、铁合金等物理量 的称量； ( 3 ) 电气系统用于对各执行元件( 各种阀站、输送皮带等) 进行动 作控制，并实现原料装入顺序控制及各类安全连锁保护等。 1 2 3 高炉自动化系统的发展趋势 目前高炉自动化系统有下列趋势h ：系统结构都是e i c 一体化系统， 计算机控制，有些还设有管控一体化，并作为全厂c i m s 的一部分。在 设备选用上，基础自动化级过去是仪表采用d c s ，电控采用p l c ，现在趋 向于采用m 一体化设备，即全d c s 或全p l c 以使联网容易，备品减少，近 年来无论d c s 或p l c 的网络都加强了其性能以及和异种机的连接。专用 仪表增加，包括炉顶热成像和微波料面计等。显示画面的革新，如三维 化，多媒体报警以及可视化，可视化即利用传感器和数学模型以及动态显 示，使不可见的高炉内部变为可视。 1 3 论文主要工作 1 论文研究的主要内容 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 河南济源钢铁( 集团) 有限公司是河南省一家规模较大的钢铁企业。 其炼铁厂主要进行炼铁生产。原有的钟高炉有效容积偏小，并且整个生 产控制系统在工艺和控制模式上都比较落后，因而在一定程度上影响了整 个系统的自动化水平，人工耗费量大，并制约了产量和质量的提高。鉴于 此原因，济钢于2 0 0 6 年对甜高炉进行重建。扩大了高炉有效容积( 4 5 0 m 3 ) ； 采用皮带上料和串罐式无料钟炉顶布料；高炉自动化系统采用现行成熟的 计算机控制系统，以p l c 为核心构成基础级，完成电气传动控制、仪表 程控，使用网络技术构成基于控制器的分布式控制系统，满足高炉的各种 工艺控制要求。 本论文主要研究甜高炉上料控制系统的设计。该系统的设计目标是： ( 1 ) 对4 高炉上料控制系统进行总体设计，保证错高炉的稳产和高 产。 ( 2 ) 通过对上、下位机硬件配置的选型，使控制系统的性价比达到 最佳。 ( 3 ) 选择合适的检测仪表和模拟量变送器，以使测量、控制更为准 确。 ( 4 ) 选择合适的电力传动装置，确保各执行件正常动作。 ( 5 ) 通过对系统整个工艺流程及控制要求的分析，编制该系统的下 位机控制程序，以实现高炉槽下配料、皮带上料、炉顶布料的自动控制。 ( 6 ) 对上位机设计一组动，静态界面，完成人机操作、现场设备的 工作模拟显示、报警，以及数据保存、查询打印等。 ( 7 ) 采用适用于工业领域的通讯方式实现上、下位机之间的通讯。 2 论文主要工作 ( 1 ) 在查阅了大量国内外相关文献和现场调研的基础上，对国内外 高炉计算机控制的发展概况、现状作了较为详细的介绍，分析了高炉过程 自动化发展的趋势。 ( 2 ) 根据济钢辅高炉过程控制要求和炼铁生产工艺流程，设计了甜 高炉上料控制系统。上料控制系统设有一个p l c 主站，全部f o 模板安 装在e t 2 0 0 m 远程站上通过p r o f i b u s 网与主站连接。主站p l c 的c p u 选 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 用$ 7 - 4 0 0 的4 1 4 3 高性能中央处理器，i o 模板全部选用s 7 3 0 0 系列模 板。 ( 3 ) 结合炼铁分厂的实际生产要求，完成了甜高炉上料控制系统的 硬件选型、软件设计。在s t e p7 编程环境下完成大量软件工作，实现对高 炉上料系统整个工艺流程的控制。 ( 4 ) 在该控制系统的现场施工过程中，本人参与了部分硬件系统的 选型安装和大量软件的调试工作。 1 4 本章小结 本章叙述了高炉自动化、计算机控制系统的现状及发展趋势；简要介 绍了高炉炼铁的工艺和主要设备及控制要求；并说明了本课题产生的背景 及本论文的任务。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 第2 章可编程控制器及其工业应用 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 是以微处 理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的 一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用与维护 方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力， 在冶金、化工、交通、电力等领域得到广泛应用，是现代工业控制的三大 支柱之一。 2 1p l c 的特点与应用 可编程控制器可以认为是工业用的计算机，它具有丰富的输入输出 接口，并且具有较强的驱动能力。 1 p l c 的特点和优势 ( 1 ) 高可靠性 p l c 在设计和生产过程中采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施，使 其可靠性大大提高。尤其是对工业生产过程中最多见的瞬间强干扰具有很 强的抑制和处理能力( 1 l 】。 ( 2 ) 丰富的燃口模块 p l c 可处理不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量； 电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。p l c 提供有相应的f o 模块与 工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变 送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。 另外，为了提高操作性能，它还有多种人一机对话的接口模块；有多种 通讯联网的接口模块，使得p i a 2 有条件和其它各种计算机系统和设备实现 集成，以组成大型的控制系统，这使得p l c 系统具备了d c s 的形态，使得 p l c 的应用拓展到连续过程控制领域，基于p l c 的d c s 系统目前在国内外 都得到了广泛的应用。 ( 3 ) 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数 p l c 产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件模块 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 可供用户选用，用户可以灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同 规模的系统。 ( 4 ) 编程简单易学 ( 5 ) 安装简单，维修方便 2 p l c 的应用 p l c 的应用领域主要包括以下几个方面： ( 1 ) 开关逻辑和顺序控制 这是p l c 应用最广泛、最基本的场合，它的主要功能是完成开关量逻 辑运算和进行顺序逻辑控制。 ( 2 ) 模拟控制 目前大部分p l c 都具备对生产过程中各类模拟量( 如温度、压力、流 量、液位等) 控制的功能。 ( 3 ) 定时、计数控制 p l c 具有很强的定时、计数功能，它可为用户提供数十甚至上百个定 时器与计数器用于控制。 ( 4 ) 数据处理 新型p l c 都具有数据处理功能，如数据传送、算术运算、数据比较、 数据转换、数据显示打印等功能。 ( 5 ) 运动控制 p l c 可通过配用单轴或多轴位置控制模块、高速计数模块等来控制步 进电机或伺服电动机，从而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑 的直线运动或圆弧运动。 ( 6 ) 通信联网 p l c 利用其网络通信模块及远程f o 控制模块可以实现与上位计算机 和其它多台p l c 之间的连接，完成数据的共享和信息的交换，从而实现对 整个生产过程的信息控制和管理。 2 2p l c 的工作原理 2 2 1p l c 的硬件系统 可编程控制器的硬件系统采用了典型的计算机结构，由微处理器、存 储器、f o 接口等部分组成，其内部数据和指令的传输也是采用总线结构。 1 主机系统 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 ( 1 ) 微处理器：它是p l c 的运算控制中心，由它实现逻辑运算，协 调控制系统内部各部分工作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行 的。 ( 2 ) 存储器：存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统 程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。 ( 3 ) i o 接口模块：是p l c 与外围设备传递信息的窗口。p l c 通过输 入接口电路将各种主令电器、检测元件输出的开关量或模拟量通过滤波、 光电隔离、电平转换、a d 转换等处理转换成c p u 能接收和处理的信号。 输出接口电路是将c p u 送出的弱电控制信号通过光电隔离、功率放大等处 理转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备( 如继电器、接触器、 指示灯等) 。 ( 4 ) 电源和编程器 2 输入，输出扩展 当用户所需的输入幸俞出点数或类型超出主机的输入输出点数或类型 时，可通过加输入输出扩展模块来解决。 3 外部设备 p l c 的外部设备主要是彩色图形显示器、打印机等。 2 2 2 p l c 的软件系统 p l c 除了硬件系统外，还需要软系统的支持，其软件系统由系统程序 和用户程序两大部分组成。 1 系统程序 由p l c 的制造企业编制，固化在p r o m 或e p r o m 中，安装在p l c 上， 随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供 系统调用的标准程序模块等。 2 用户程序 用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编 程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量 运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。 ( 1 ) 开关量逻辑控制程序。它是p l c 用户程序中最重要的一部分， 一般采用梯形图、助记符或功能块图等编程语言编制。 ( 2 ) 模拟量运算程序及闭环控制程序。通常它是在大中型p l c 上实 施的程序，由用户根据需要按p l c 提供的软件和硬件功能进行编制。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 3 ) 操作站系统程序。它是大型p l c 系统经过通信联网后，由用户 为进行信息交换和管理而编制的程序。它包括各类画面的操作显示程序， 一般采用高级语言实现。一些制造企业也提供了人机界面的有关软件，用 户可以根据制造企业提供的软件使用说明进行操作站的系统画面组态和 编制相应的应用程序【叫。例如本论文中所研究的控制系统采用的w i n c c 即是西门子( s i e m e n s ) 公司开发的一种组态软件。 2 2 3p l c 的工作原理 1 p l c 的工作过程 p l c 对用户程序的执行主要按三个处理过程进行。 ( 1 ) 输入采样。即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起 来为下一阶段使用； ( 2 ) 执行程序。p l c 按用户程序中的指令逐条执行，根据前一阶段 采样的输入状态，计算出各逻辑输出的结果，并把执行结果暂时存储起来； ( 3 ) 刷新输出。将执行程序阶段产生的运算结果，在本阶段中对输 出予以刷新。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，p l c 的c p u 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。p l c 对信号的输入、数据的处 理和控制信号的输出分别在一个扫描周期的不同时间进行的方式有助于 排除系统中受到的干扰。 严格来说，p l c 的一个工作周期还包括下述四个过程，这四个过程都 是在输入扫描过程之后进行的。 系统自监测检查是否超时( 即检查程序执行是否正确) ，如果超时 则停止用户程序的执行。 与编程器交换信息，这只有在使用编程器输入和调试程序时才执 行。 与数字处理器交换信息，这只有在p l c 中配置有专用的数字处理器 时才执行。 网络通信，当可编程序控制器配置有网络通信模板时，与通信对象 ( 如磁带机、其它可编程序控制器或计算机等) 作数据交换。 2 循环扫描工作方式 在整个运行期间，p l c 的c p u 以一定的扫描速度周而复始地循环执行 上述一个周期内的三个阶段。即采用循环扫描的方式，不断对输入和输出 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第11 页 变量进行采样和输出，使得变量满足程序条件时，及时有相应的输出使执 行机构动作。 2 3p l c 的控制程序 p l c 控制一个任务或过程，是通过在r u n 方式下，使主机循环扫描并 连续执行用户程序来实现的，用户程序决定了一个控制系统的功能。 广义的p l c 程序由三部分构成：用户程序、数据块和参数块。 1 用户程序 用户程序是必选项。用户程序在存储器空间中也称为组织块，它处于 最高层次，可以管理其他块。不同机型的c p u ，其程序空间容量也不同。 用户程序的结构比较简单，一个完整的用户控制程序应当包含一个主程 序、若干子程序和若干中断程序三大部分。 2 数据块 数据块为可选部分，它主要存放控制程序运行所需的数据。 3 参数块 参数块也是可选部分，它存放的是c p u 组态数据，如果在编程软件或 其他编程工具上未进行c p u 的组态，则系统以默认值进行自动配置。 2 4p l c 控制系统的分类 1 集中式控制系统 集中式控制系统是用一个p l c 控制一个或多个被控设备。主要用于输 入、输出点数较少，各被控设备所处的位置比较低，且相互间的动作有一 定联系的场合。其特点是控制简单。集中式控制系统如图2 1 所示。 厂j i 一 团圆圆 图2 1 集中控制系统 2 远程式控制系统 远程式控制系统是指控制单元远离控制现场，p l c 通过通信电缆与 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 被控制设备进行信息传递。该系统一般用于被控设备十分分散，或工作环 境比较恶劣的场合。其特点是需要采用远程通信模块，提高了系统的成本 和复杂性。远程式控制系统如图2 2 所示。 c l 控制对孝fi 控制对春ii 控制对象i 2 2 远程式控制系统 3 分布式控制系统 分布式控制系统即采用几台小型p l c 分别独立控制某些被控设备，然 后再用通信线将几台p l c 连接起来，并用上位机进行管理。该系统多用于 有多台被控设备的大型控制系统，其各被控设备之间有数据信息传送的场 合。其特点是系统灵活性强、控制范围大，但需要增加用于通信的硬件和 软件，系统的复杂性也更大。分布式控制系统如图2 3 所示。本论文所研 究的高炉炼铁自动控制系统即为分布式控制系统。 2 5 本章小结 图2 3 分布式控制系统 本章介绍了可编程控制器( p l c ) 的特点与应用场合、工作原理、程 序结构：并简要介绍了常见的p l c 控制系统类型。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章高炉上料控制系统总体设计 3 1 河南济钢4 # 高炉概况 济钢的甜高炉从事炼铁生产，采用皮带上料，串罐式炉顶。高炉工作 时，按每批料的矿石、燃料、熔剂等的需要量进行称量和配料后，由上料 皮带送往炉顶，再由炉顶装置按设定要求向高炉布料。 3 2 济钢4 # 高炉上料设备及工艺 3 2 1 高炉上料设备 1 槽下配料设备 本项目中的主要现场设备包括： ( 1 ) 储料装置：8 个烧结矿仓、4 个焦炭仓、1 个焦丁仓、2 个球团矿 仓、1 个溶剂仓和1 个杂矿仓； ( 2 ) 上料装置：槽下主皮带机1 台、上料主皮带机l 台； ( 3 ) 碎料返仓装置：返焦皮带机1 台、返矿皮带机3 台、碎焦大倾角 皮带机1 台、碎矿大倾角皮带机1 台； ( 4 ) 矿料称量装置：称量漏斗1 6 套( 焦丁不称量) ； ( 5 ) 矿料振动筛及闸v j l 7 台； ( 6 ) 其它：防尘电动卸料车2 台、一套驱动仓门开关的液压站系统。 2 高炉炉顶设备 高炉炉顶装料设备是用来将炉料装入炉内并使之合理分布，同时起炉 顶密封作用的设备。济钢错高炉采用无料钟( 串罐式) 的炉项布料系统。 高炉无料钟装料系统的组成： ( 1 ) 受料装置( 接受皮带上料) ：受料斗，档料阀，上密封阀，下密 封阀，料罐； ( 2 ) 布料装置：布料溜槽( 可按控制要求倾斜、旋转向炉内布料) ； ( 3 ) 布料料流调节装置：由料流调节阀和给料滚筒组成；料流调节 阀的作用调节向高炉布料的料流速度，卸料滚筒起到均匀卸料的作用。 ( 4 ) 液压系统：给油缸驱动的机械提供动力。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 5 ) 料罐压力调节装置：用于调整料罐压力，确保顺利装料、布料。 3 高炉探尺 济钢钎高炉装有2 根探尺( 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，可检测炉内料线高度。 3 2 2 高炉上料生产工艺 1 料批制度 料批制度是指按炼铁工艺要求在控制系统内设定原料品种( 矿、焦炭 等) 的排列组合顺序以及各种料种的重量。 2 配料、放料、运料过程 ( 1 ) 配料 配料过程如下：按照料批制度，被选取的矿料对应振动筛动作，将矿 料卸入对应称量漏斗，当达到给定重量时振筛停止，记下实际重量，等候 放料指令以便放料，振筛筛下的碎料由碎料皮带机送至碎料仓。 ( 2 ) 放料、运料 通常除空置或检修某个料槽外，各矿槽的称量料斗都是装满称重完毕 的炉料待机卸料的。放料时打开该料斗的排出闸门，矿石落入皮带运输机； 当该料斗重量降到设定重量值的5 时就认为放料完毕，关闭排料闸门， 并记下放出量及与规定值之差，把这差值( 未放出残余量) 加在下次称量 值上以补正批重误差。槽下主皮带运输机按规定顺序分别把炉料送至上料 主皮带运输机运至炉顶。 3 串罐式无料钟炉顶布料 如图3 1 所示，高炉无料钟装料系统的主要动作步骤为： ( 1 ) 受料斗空，上料主皮带把矿石或焦炭运到炉顶倒入受料斗；受 料斗内矿料达到规定的数量后，发出信号，通知上料系统停止上料，统计 和显示受料斗现存的料种和重量等信息； ( 2 ) 料罐空，将料罐压力降至大气压力并由受料斗向料罐放料；受 料斗延时放空后，封闭料罐，调整料罐内压力与高炉压力相等或略高； ( 3 ) 需向高炉放料时，提料尺到上限位；打开料罐下密封阀门，按 布料要求调整布料溜槽倾动角度( q 角) ，设定布料溜槽旋转的相关参数 ( 旋转方向，布料转过角度1 3 ) ：布料溜槽到位后，开料流调节阀到预先 设定的角度( y 角) ，并启动给料滚筒，向高炉布料： ( 4 ) 料罐空，( 延时n 秒) 停滚筒，关闭料流调节阀、下密封阀；放 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 探尺；统计放入高炉的炉料信息，循环执行以上步骤。 振动给料筛 称量漏斗 闸门 挣i 料流调节阀l 料瀛阀开角丫 气墓：滚筒 ：l 沥芾杖：i 筏布鞍 ：燮槽 溜槽r 炉内 图3 1 串罐式炉顶布料示意图 4 高炉探尺测量料线 高炉探尺是用来检测高炉内矿石与焦炭等物料的料面，当探尺检测炉 内的物料下降到设定的料面时，探尺自动提升到顶部，矿石与焦炭等物料 依据工艺设定值向高炉炉内排放。物料排放完毕，探尺自项部按设定的速 度开始自动下放，下放到炉内物料的料面后，探尺被物料支撑，探尺速度 减至为零，随后跟随物料下降，直到再次检测到炉内的物料下降到设定的 料面时，探尺自动提升，如此循环往复。 整个无料钟炉顶由p l c 来执行控制，可实现以探尺到位为起动信号的 炉顶槽下全自动上料、布料，也可以根据工长操作意图实现一批料自动 或一罐料自动等分步上料。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 3 3 高炉上料控制系统总体设计 根据高炉生产工艺和操作的要求，济钢公司的销高炉自动化系统采用 了现行成熟的计算机控制系统。一级以p l c 为核心构成基础级，完成电气 传动控制、仪表过程控制，使用网络技术构成基于控制器的分布式控制系 统。二级计算机系统，实现炼铁过程跟踪、生产过程控制等。通过网络通 讯，从而实现“三电”信息共享，两级系统协调配合，共同完成对生产过 程的自动控制、监视和管理嗍。 3 3 1 高炉上料控制系统组成 甜高炉生产自动化控制方案共分高炉本体、上料及炉顶、热风炉、除 尘4 个系统。其中上料控制系统设1 个p l c 主站，以$ 7 - 4 0 0 可编程控制器为 控制核心，主要由控制站、高速交换机、高速数据通讯网构成，还包括用 于连接远程机架或远程i o 的现场总线或专用网络，如图3 2 组成。 瓤琢【r 城l 图3 2 群高炉上料控制系统结构图 系统中工控机作为控制系统的人机界面，通过通讯装置采集生产过程 数据、对生产工艺数据进行显示、加工处理、输出控制命令等。 主站p l c 用于完成生产过程基础级自动控制，c p u 选用西门子$ 7 - 4 0 0 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 的4 1 禾3 高性能中央处理器，比幞板全部选用s 7 3 0 0 系列模板。全部i o 模 板安装在e 1 2 0 0 m 远程站上通过p r o f i b u s 网与主站连接。 主干网采用1 0 1 0 0 m - v 业以太网，高炉上料系统的操作站工控机及 p l c 主站通过工业以太网交换机挂在主干网上，并可通过光纤远距离通 讯。 控制器扩展网采用p r o f i b u s 网。高炉探尺控制用的6 r a 7 0 直流装置、 炉顶设备的伺服控制装置及西门子6 s e 7 0 变频装置均通过p r o f i b u s 网络连 接至i p l c 控制器上。采用这种结构具有各控制器、工作站之间数据交换快， 可靠性高，工艺过程直观，操作简便，维护方便，可扩展性好等优点。 3 3 2 高炉上料控制系统功能 1 过程数据采集和处理 由仪表系统完成对高炉上料过程中的各种参数( 压力、物位、成分等) 进行检测与控制。 2 逻辑控制和调节控制 由p l c 控制系统完成对高炉上料的顺序控制及安全联锁保护。其主要 功能包括： ( 1 ) 执行装料制度、装料周期程序、放料程序和配料，它的软件是 编制成周期程序表，在c r tk 显示，由操作人员根据实际生产任务进行选 择，再由p l c 执行。 ( 2 ) 运转控制。按照生产流程设定，顺序控制槽下及炉顶各设备( 振 动筛、排出闸门、除尘器、各胶带运输机、料罐、上料闸、各密封阀门及 溜槽、探尺等) 的动作顺序，起停和开闭等，并执行各设备间联锁。 ( 3 ) 料批重量和焦炭水分补正。由仪表系统和p l c 共同执行作为互 相备用。 ( 4 ) 通讯。与高炉其它部分p l c 主站以及控制站工控机等通过工业 以太网进行通讯，构成高炉生产d c s 控制系统。 3 生产过程操作及监视 ( 1 ) 生产过程监控 由c r t 屏幕动态显示槽下、炉项等上料系统各设备运行情况以及跟踪 矿焦等原料走行及其位置，这些动态显示通常由各设备的起停和位置开关 来传送，对于焦矿等位置动态跟踪使用的是软件法，当放料后开始计时， 模拟胶带机运转速度而计算原料达到位置。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 ( 2 ) 操作画面内容 主要显示设备状态和过程量，进行装料设定和操作。主要有以下画面： 设备工艺流程操作及显示画面；参数设定画面；回路显示控制画面；过程 报警画面。 ( 3 ) 显示打印。包括各种工艺设备等画面以及装料报表和故障报警 打印。 整个系统各设备有以下操作方式：自动操作，按预先选择的装料程序 使各设备自动运行；半自动操作，主干仍为自动，仅对必要设备改为手动 操作；遥控手动，在操作台上执行，仅用于休风、处理事故和试运转时使 用；机旁手动，仅用于生产前试运转，矿槽内清扫，处理紧急事故等。 3 3 3 高炉上料控制系统特点