（机械工程专业论文）配煤自动化系统的开发和应用.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 配煤自动化系统的开发和应用 摘要 本文首先对本钢低成本战略及炼焦生产在该战略实施过程中的地位和作用作 了概括性的介绍，进而说明配煤自动化系统的开发背景及其主要目标：实现加强 配煤管理，提高配煤精度。 本文着重论述了配煤自动化系统的开发过程：在系统规划阶段明确了系统应 实现的基本目标，应满足的基本要求和应具备的基本功能；根据确立的系统规划， 通过几种控制方式的比较在初步方案形成阶段确定了采用d c s 集散式控制系统； 系统的设计计算主要介绍采用的控制算法，信号的采集和转换。对系统采用的主 要应用软件和硬件另择章节作了说明。 根据d c s 自动化配煤系统投入使用后生产运行的实际情况，对该系统进行了 客观地评价：在肯定该系统在功能上满足了预定指标的同时，指出了系统尚存在 的不足，并对改进方法进行了探讨。最后，对配煤自动化系统的发展远景即最优 化配煤的基本控制结构、功能和作用进行了展望。 关键词：d c s 自动化配煤系统系统规划初步方案系统设计最优化配煤系统 东北大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o fc o a l b l e n d i n gs y s t e m a b s t r a c t t h ea r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e st h el o wc o s ts t r a t e g y ，w h i c hi sb e i n gp r o m o t e db y b e n x is t e e lc o r p o r a t i o na n ds t a t u sa n de f f e c to fc o k em a k i n gf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h es t r a t e g y i na d d i t i o nt o e x p l a i n i n gt h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do fc o a lb l e n d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ，t h ee s s a yi l l u s t r a t e st h em a i np u r p o s eo ft h ea u t o m a t i o ns y s t e m ： s t r e n g t h e n i n gc o a lb l e n d i n gm a n a g e m e n t a n di m p r o v i n gc o a lb l e n d i n g p r e c i s i o n i nt h i se s s a y , t h ew r i t e rc o n c e n t r a t e so nt h ee x p l a n a t i o no ft h ed e v e l o p m e n t p r o c e s s o f t h es y s t e m t h eb a s i cg o a l st ob ea c h i e v e d ，t h ee s s e n t i a lr e q u i r e m e n t st ob em e e ta n d t h e p r i m a r y f u n c t i o n st ob ep r o v i d e da r ed e c i d e di nt h e s y s t e mp l a n n i n gs t a g e f o l l o w i n gt h ep r i n c i p l eo f t h es y s t e mp l a na n da st h er e s u l to fc o m p a r i s o no fs e v e r a l c o n t r o lm e t h o d s ，i nt h es c h e m ef o r m u l a t i n gs t a g e ，t h ed i s t r i b u t i v ec o n t r o ls y s t e mi s e s t a b l i s h e da s p r e l i m i n a r y s c h e m e t h es y s t e m d e s i g nm a i n l y c o v e r sc o n t r o la n d c a l c u l a t i o nm e t h o d sa n ds i g n a lc o l l e c t i o na n dc o n v e r s i o n t h em a i na p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n dh a r dw a r ea d o p t e da r ed i s c u s s e di nd i f f e r e n tc h a p t e r ss e p a r a t e l y a c c o r d i n g t ot h e p r a c t i c a lo p e r a t i o n e f f e c t so ft h ed c ss y s t e m ，t h e p a p e r o b j e c t i v e l ye v a l u a t e st h es y s t e m o nt h eo n eh a n d ，s u c hc o n f i r m a t i o ni s m a d et h a tt h e s y s t e mm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t se x p e c t e d ，o n t h eo t h e rh a n d ，s o m ed e f e c t se x i s t s ， a n ds o m es o l u t i o n sa r er e c o m m e n d e d f i n a l l y , t h ew r i t e rn o to n l yf o r e c a s t st h ep r o s p e c t o fc o a lb l e n d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ：o p t i m a lc o a lb l e n d i n gs y s t e m b u ta l s op o i n t so u t t h eb a s i cc o n t r o ls t r u c t u r ea n df u n c t i o no f t h i sn e w g e n e r a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：d c sc o a lb l e n d i n gs y s t e m ，o u t l i n ep l a n ，p r e l i m i n a r ys c h e m e ，s y s t e m d e s i g n ，o p t i m a lc o a lb l e n d i n gs y s t e m i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在刘杰、何学俊导师的指导下完成的。论文中 取得的成果除加以标注和致i 身f 之处外，不含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名 日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 炼焦在本钢冶金生产实施低成本战略中的地位和作用 众所周知，焦炭是高炉冶炼的重要原料，优质焦炭是保证高炉顺行炼制优质 铁的一项重要前提条件。过去十几年来，围绕如何提高焦炭质量这一课题，本钢 焦化厂以焦炉为中心，在焦炉单孔炭化室装煤量、火道温度、结焦时间及加热煤 气的测量、控制和调节方面做了大量的工作，并取得了一定的成效，使焦炉的实 际生产能力和焦炭质量都得到不同程度的提高和改善。可以沈，对于炉龄均超过 二十年的四座焦炉来说，在现有状况下，单纯从焦炉上作提高焦炭质量的文章基 本已经到了无墨可泼的程度了。 近年来，由于全国各个大中型钢铁企业生产能力的不断扩大，作为冶金生产 原料之一的冶金焦炭的需求量也随着扩大，同时对块度25 毫米以上的冶金焦炭 的强度、硫份、灰份等指标的要求也越来越高。 在市场经济形势下，伴随着焦炭需求量的增加，作为焦炭原料的炼焦用煤的 价格普遍上涨，尤其是焦煤和气煤价格涨幅更大，使冶金企业的生产成本增加。 本溪钢铁集团公司从20 世纪90 年代末开始实施低成本战略，在原料、工 序能耗和工艺管理等方面制订了更为科学严格的考核指标。围绕集团公司的这一 富有前瞻性的战略目标，本钢焦化厂结合本厂实际情况，将提高焦炭质量、降低 炼焦成本立为一项课题进行攻关。 1 2 自动化配煤项目实施的背景 降低成本，提高产品质量不外乎从原料、工艺、技术、设备和能耗等几方面 入手。炼焦生产的工艺过程大体上可以分为备煤( 包括储煤和配煤) 和炼焦两大 部分。如前所述，降低成本，提高焦炭质量，增加煤气发生量和化学品收率在炼 焦( 焦炉) 工艺部分已经没有大的潜力可挖，因此，备煤部分成为攻关的重点。 传统的提高焦炭质量和提高化学品产量的手段主要是提高低硫焦煤和粘结性 气煤的配入量，即增加焦煤、气煤配合比同时降低弱粘结性煤的配入量。因上述 两种煤的价格都比较高，所以欲将降低成本和提高质量和产量统筹进行考虑，这 种传统方法就不再适用了。 为了降低原料采购成本，更准确地说降低价格高的焦煤和气煤的用量，焦化 厂工艺技术人员经过对十余种炼焦用煤进行反复研究和试验，取得了可喜的成果： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在保证焦炭质量的前提条件下，通过提高价格较低的弱粘结性煤的配合比，降低 了价格较高的气煤的用量，从而使炼焦用煤的采购成本大幅度降低。然而，在配 煤实际生产过程中发现，由于配煤精度得不到保证，按试验配比酉己煤炼出的焦炭 质量并0 i 理想。为了保证焦炭质量满足铁厂要求，实际操作中不得不采取保守的 作法即提高肥煤的配比并降低弱粘结性煤的配入量，这样一来，降低原料成本便 大打折扣了。针对这一状况，如何加强配煤管理，提高配煤准确率便成为技术攻 关的主攻方向。 焦炭生产中的配煤工序是影响焦炭质量的重要环节，配煤精度直接影响焦炭 的质量。本钢焦化厂自开工以来一直采用传统的人工控制的圆盘配料工艺，此方 法操作不能及时调整，配煤比偏差大，配煤精度低，很难实现精确配煤，而且人 1 ：劳动强度大，不利于安全生产。在焦炉单孔炭化室装煤量、火道温度、结焦时 间及加热煤气的测量、控制和调节实现自动化的条件下，配煤成为造成焦炭质量 波动的突出环节。因此，为了满足高炉冶炼需要，稳定和提高焦炭质量，提高配 煤精度，降低原料采购成本，改造落后的传统配煤工艺，加快老企业技术进步的 步伐，实现配煤自动化已是大势所趋，势在必行。自动化配煤系统作为一项改造 工程正是在这种背景下立项并实施的。 1 3 本文的主要内容 本文首先从配煤生产工艺开始，包括工艺要求，生产流程和操作现场环境特 点介绍。然后根据工艺要求和现场环境条件，制订系统规划，明确系统目标和确 立系统功能。按照制订的系统规划，结合其它焦化厂自动化配煤系统的使用效果 进行方案论证，从而确定适合我厂情况的最佳方案。方案形成之后，对方案进行 细化，即以方案为基础开展系统设计。系统采用的主要软件和硬件分别在第五章 和第六章作了单独介绍，第七章对系统标定的方法和步骤进行了说明，第八章结 合画面对系统操作方法作以说明。在第九章客观地对该系统运行效果进行了评价， 在肯定系统优势的同时，指出系统存在的尚待完善的问题，并对解决方法进行了 探讨。最后是本文结论和对自动化配煤的远景一最优化配煤系统的展望。 东北大学硕士学位论文 第二章生产工艺介绍 2 1 炼焦 2 1 1 炼焦的定义 第二章生产工艺介绍 炼焦即通过对煤进行高温干馏制取焦炭并生产焦炉煤气和化学产品的生产过 程。原料煤装入焦炉炭化室后在隔绝空气的条件下和规定的时间( 结焦时f n j ) 内 被加热到9 5 0 。c 1 0 5 0 ，经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段最终 制得焦炭，这一过程叫作高温炼焦又称为高温干馏。 煤在干馏过程中，由于受到高温的作用，发生一系列物理和化学变化，固体 残留物即为焦炭，成熟后被推出炉外，焦炉煤气和化学产品以混合气体形式由炭 化室逸出。 2 1 2 炼焦的分类 按使用煤种不同，炼焦又分为配煤炼焦和焦煤炼焦两种类型。 ( 1 ) 焦煤炼焦 焦煤炼焦即完全采用焦煤炼制焦炭。这种生产方式多用在焦煤资源非常丰富 的矿区的土窑炼焦。因完全用精料( 焦煤) 作为原料，所以炼制出的焦炭不仅耐 磨强度高，而且块度大，裂纹少，抗碎强度好。但我国焦煤储量有限，这种炼焦 方法不但不能使焦煤这一宝贵的资源得到经济合理的利用，而且因其不对煤气进 行净化，也不对化学品加以回收，故经济性差，并且环境污染严重，所以国家对 这种焦炭生产方式正在进行逐步取缔。 ( 2 ) 配煤炼焦 配煤炼焦是将气、肥、焦、瘦等四大煤种按一定比例混合，配制成炼焦用煤 用于炼制焦炭。这种炼焦方法在满足焦炭指标的前提下，充分利用各单种煤的结 焦特性，通过添加资源较为充足且廉价的辅助煤料，降低了焦煤的耗量，使有限 的焦煤资源得到经济合理的利用。同时因采用焦炉进行炼焦，加热和结焦各成体 系，不但生产率高，而且能够对煤气和化学品加以净化和回收，污染小，所以绝 东北大学硕士学位论文第二章生产工艺介绍 大多数焦化厂尤其是大型冶金焦化厂和煤气厂都采用配煤炼焦。 2 2 配煤 2 2 1 配煤的定义 配煤就是根据焦炭的指标和单种煤的结焦性能，将两种以j 二的单种煤按适当 比例均匀地混合配料，用作炼焦的原料，以达到生产优质冶金焦炭，合理利用煤 炭资源和增加炼焦煤气及化学产品产量的目的。 2 2 2 炼焦配合煤主要煤种的结焦特性 ( 1 ) 气煤：变质程度低，胶质体数量少，热稳定性差。形成半焦后，热缩聚剧 烈，收缩大。粘结性较弱，故气煤焦炭的裂纹多，焦炭细长易碎。因气煤挥发分 高收缩量大，而且储量丰富，所以在炼焦配合煤中配入一定数量的气煤，不但可 以获得好的焦炭，还可以增加化学产品，便于推焦，保护炉体，并且合理利用煤 炭资源： ( 2 ) 肥煤：胶质体多，流动性好，热稳定性高，粘结性强。当配合煤中弱粘结 性煤的配比提高时，肥煤的配比极为重要。肥煤可增加配合煤胶质体的数量，并 改善胶质体的流动性和热稳定性，从而提高配合煤的粘结性： ( 3 ) 焦煤：变质程度略高于肥煤，热稳定性高，胶质体数量较多，粘度大，同 化温度较高。焦煤的挥发分中等，其半焦收缩量和收缩率小，所以炼制出的焦炭 不仅耐磨强度高，而且块度大，裂纹少，抗碎强度好。焦煤可以调节半焦收缩， 改善结焦性能，提高焦炭强度，是炼焦配合煤最重要的组分。因焦煤资源有限， 应节约利用； ( 4 ) 瘦煤：变质程度高，胶质体数量少，粘结性差。因其挥发分低，半焦收缩 缓和，故焦炭裂纹少，块大，但耐磨强度不高，适当的瘦煤配比可以减少焦炭裂 纹，增大块度，提高抗碎强度指标； ( 5 ) 弱粘煤：变质程度较低，挥发分略低于气煤，胶质体数量少于气煤，粘结 性弱，灰分和硫分低。在炼焦配合煤粘结性好时，配入一定比例的弱粘煤可以增 东北大学硕士学位论丈第二章生产工艺介绍 加收缩量，保护炉体，并能保证焦炭质量。 根据上述各主要煤种的性质特点，通过配煤可以充分利用各单种煤的结焦特 性，调节配合煤的胶质体数量、流动性、热稳定性、半焦收缩量和收缩速度，从 而合理利用资源，炼制出合格的焦炭。 2 2 3 配煤原则： ( 1 ) 焦炭质量应达到规定的指标，满足使用部门( 铁厂) 的要求； ( 2 ) 符合本区域煤炭资源的近期平衡和远景规划，充分利用本区域的粘结性 煤和弱粘结性煤，最大限度地实行区域配煤，缩短运输距离，防止剥流； ( 3 ) 根据煤的粘结性和结焦性合理搭配，避免产生对炉体有危险的膨胀压力 和推焦困难； ( 4 ) 充分利用国内气煤等高挥发份煤的丰富资源，在可能条件下尽量多配高 挥发份煤，以保证增产化学产品和煤气； ( 5 ) 使用煤质稳定的煤源，保持配煤比和配煤质量尽量稳定，以利于备煤操 作和焦炉热工制度的管理 2 2 4 配煤的意义： ( 1 ) 合理利用焦煤资源，扩大炼焦用煤的品种，减少运输距离，降低成本； ( 2 ) 充分利用各单种煤的结焦特性，改善焦炭质量； ( 3 ) 在保证焦炭质量的前提下，增加炼焦化学产品的产率和炼焦煤气的发生 量；有利于延长焦炉炉龄，便于焦炉操作。 本钢焦化。配煤炼焦采用的煤种有：焦煤、1 5 # 焦煤、1 3 焦煤、肥煤、气煤、 瘦煤和不粘煤。 2 2 5 实现自动化配煤之前的配煤工艺流程 本钢焦化厂采用的是先配煤后粉碎的配煤工艺流程( 如图2 1 所示) ：各单种 炼焦煤由储煤车间经皮带运输机运送，按煤种不同分别装入1 0 个容积为1 0 0 0 立 方米的配煤槽中。配煤槽呈两排布置，每排各5 个。配煤槽下部是配煤室。配煤 东北大学硕士学位论文第二章生产工艺介绍 室内每排配煤槽漏咀下面各设一台配料皮带运输机。各配煤槽中的煤料由漏咀漏 l 出后经圆盘给料器落到配料皮带运输机上。配煤盘由圆盘、调节套筒、刮板及传 动装置( 电机和减速机) 组成，每个配煤槽的单种煤配入量由调节套筒的开度和 刮板的插入深度控制，按规定的配煤比落到配料器上。两条配料皮带运输机上的 煤料再落到一条混合皮带运输机上进行混合，从而完成配煤工序。配合后的煤料 落入3 个容积为6 0 0 立方米的中间缓冲仓中，经3 台处理能力为4 0 0 吨小时的粉 碎机( 2 用1 备) 粉碎，将粒度降到3 毫米以下，由皮带运输机装入位于焦炉间台 卜- 部的两个煤塔，再由装煤车从煤塔取煤装入焦炉炭化室进行炼焦。 来煤 + 厂i 磊山l 蛎赢磊l _ 一磊l 一塑坠 - ! 望竺竺r _ _ 1 里竺塑卜j 广一厂 广一 i f焦炭 l 一煤塔l 一一装煤车_ _ 一焦炉炭化室l l j 1 图2 1 配煤工艺流程示意图 f 螬2 1c o a l b e n d 垤f l o wc h a r t 2 2 6 对于实现精确配煤原配煤操作存在的缺陷 如前所述，各单种煤的配入量由各圆盘给料器的调节套筒升降度和刮板的插 入深度控制，而上述操作完全由人工现场进行操作，配煤的准确程度在很大程度 上取决于操作工人的经验，因此，实际配煤比经常波动，配煤精度难以保证。 影响配煤精度的另外一个因素是检测方法：多年来一直沿用的人工跑盘。人 工跑盘是用一个取样铁盘，在配料皮带机上定期测量配煤时的各单科，煤落到铁盘 上的煤量，以多次的平均值与规定该种煤的给定值比较，误差不超过0 2 k g 作为 配煤的准确度标准。各单种煤在铁盘中的给定值由规定的配煤比、配料皮带运输 机的输送能力及带速、煤料水分等算出。这种方法只有在下料量经常保持基本不 变的情况下才是比较准确的，实际操作中由于风动振煤、清除杂物等，下料量是 经常变化的，因此跑盘时的测量值不一定为整个配煤期间的实际下料量，所以依 据跑盘量进行操作调整，容易引起煤比失准。 东北大学硕士学位论文 第三章系统规划及方案确定 第三章系统规划及方案确定 3 1 系统规划 3 1 1 系统应实现的基本目标 采用先进实用的称量手段和控制方法，大幅度提高配煤精度，实现自动配煤， 降低劳动强度，加强配煤管理，为降低原料成本，生产优质焦炭提供保证。 3 1 2 系统应满足的基本要求 自动控制系统可用于实现不同的目的，但是，无论其目标如何多样化，对自 动控制系统的基本要求是一致的，这就是稳定性、快速性和准确性。 ( 1 ) 稳定性：稳定性是指系统在受到作用之后的动态过程的倾向和恢复平衡 状态的能力。如果系统的动态过程是发散的或由于振荡而不能恢复到平衡状态时， 则系统是不稳定的，而不稳定的系统是无法工作的。因此，对一个自动化系统来 说，最重要的是系统的稳定性，这是使自动化系统能够正常工作的首要条件。 ( 2 ) 快速性：是系统在稳定的前提下，响应的快速是指系统消除实际输出量 与稳态输出量之间误差的快慢程度。 ( 3 ) 准确性：准确性是指在过渡过程结束后，输出量与给定输入量相应的输 出量之间的误差大小，它又称为稳态精度。 3 1 3 系统应具备的基本功能 根据既定目标，在满足基本要求的前提下，自动化配煤系统应具备以下功能： ( 1 ) 合格率不低于9 0 ； ( 2 ) 用精确的自动称量装置，淘汰人工跑盘，降低工人劳动强度； ( 3 ) 系统能够按人工设定的配比实现精确配煤，并能够进行自动和手动调节； ( 4 ) 系统应能够使操作人员及时了解当前各种配煤工艺参数，使管理人员能够 掌握各时问的配煤情况，并能打印生产报表： 东北大学硕士学位论文第三章系统规划及方案确定 ( 5 ) 系统能够在高温、多尘、噪音和腐蚀的恶劣现场环境下可靠运行； t 6 ) 系统能够对生产中出现的空仓、堵料等异常情况进行报警； ( 7 ) 系统应具备一定的故障检测、渗断和提示功能： ( 8 ) 系统应能够实现集中监视和管理，并且能够在现场对各个煤种的配入 量实现单独调节和控制。 3 2 系统方案的确定 3 2 1 称量方案的确定 经过对邯铡、首钢、武钢等焦化厂的自动化配煤系统进行实地考察发现，各 厂的配煤工艺不同，因此采用的自动配煤方案和功能也不完全样。但不论采片! 哪种方案，称量是关键，称量系统的稳定性和精度决定了整个配煤自动化系统的 稳定性和控制精度。 就f i 前来看，称量系统基本有两大类型，一种是接触式称量系统，如电子秤； 另一种是非接触式称量系统，如核子秤。这两种称量方式各有优缺点。电子秤具 有静态精度高，标定简单等优点，但由于工作环境恶劣，其使用期较短，维护也 相对复杂；核子秤具有计量物料的动态精度高( 小于1 ) ，运行稳定可靠，使用 期长( 约3 0 年左右) ，易于安装，维护量小等优点，但实物标定较为复杂。 在借鉴上述焦化厂经验的同时，结合我厂的工作环境和现场特点，经过对方 案进行反复对比沦证，决定本系统采用核子秤的称量方案。 3 2 2 控制系统的方案确定 3 2 2 1 基本控制思路 鉴于现有配煤室的空间有限，而且改造期间不能影响生产，针对这种条件，决 定新上自动控制系统应尽量利用现有设施。利用原有圆盘给料器，对其传动系统 进行改造，即采用变频调速器控制电机转速来实现对各单种煤配入量的调节。 采用闭环控制系统：以圆盘给料器为控制对象，配煤盘传动电机为执行环节， 核子秤为测量环节。输入量( 设定值) 即各单种煤的配入量由人工计算设定输入， 东北大学硕士学位论文第三章系统规划及方案确定 输出量即核子秤实测量反馈到输入端，与输入量比较，产生偏差信号。偏差信号 控制系统的输出，构成闭环( 控制方块图如图3 1 所示) 。 图3 1 控制方块图 f 培3 1co n t d l b l o e kc h a r t 3 2 2 2 常用工业控制机的性能比较 基本控制思路确定后，接下来便是控制方式的选择。在确定控制方式之前，有 必要对几种常用的工业控制机进行综合比较，以便根据本厂条件选取最佳方案。 ( 1 ) 单片机 单片机即单片微型计算机( s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ) 是在一块芯片上集 成了c p u 、存储器r a m 、r o m 、i o 口、定时计数器以及a d 、d a 转换器等构成， 又成为微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) 。单片机具有以下特点： ( a ) 集成度高，抗干扰能力强 由于单片机的c p u 、存储器r a m 、r o m 、i o 口、定时计数器以及a d 、d a 转换器等功能部件都集成在一个芯片上，因而布线短，外部接点少，数据大部分 都在内部传送，所以不容易受到外界干扰，使系统运行安全可靠； ( b ) 控制功能强 单片机本身是按工业测控要求设计的，且指令丰富，尤其是片内设有布尔处 理器及完备的位操作指令，使单片机能在逻辑控制、开关量控制及顺序控制中得 到广泛应用； ( c ) 结构合理 r a m 和r o m 相互独立编址可使寻址范围扩大一倍。另外，将r a m 、r o m 直接集 成在芯片内部可使数据传送速度加快； ( d ) 价格便宜 用户可以根据自己的需要扩展功能，组成计算机系统，容易获得较高的性能 价格比。 东北大学硕士学位论文第三章系统规划及方案确定 ( 2 ) 可编程序控制器( p l c ) 可编程序控制器( 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 ) 是一种用丁替代传统继电 器以实现逻辑运算、定时、记数以及顺序控制等功能的自动化控制装置。其点是： ( a ) 编程简单 充分考虑了现场工程技术人员的习惯，采用梯形图语言，编程简单，不需要 专门的计算机知识和语言； ( b ) 柔性好，控制程序可变 。 在生产：工艺流程改变，生产设备更新的情况下，不必改变p l c 的硬件，只需 改变程序即可满足要求： ( c ) 抗干扰能力强，可靠性高 适合于各种恶劣的工业环境，其平均故障间隔时间在2 万小时以上 ( d ) 功能完善 p l c 具有数字和模拟i o 、逻辑和运算、定时和记数、顺序控制和p i d 调节、 通讯和人机对话、自诊断和图形显示功能，能够提高设备的控制水平： ( e ) 便于维修 出于p l c 具有完善的自诊断功能，因此一旦出现故障，容易查找原因，维修 时只需要更换插入式模块； ( f ) 体积小、重量轻、性能价格比高 与传统的控制系统相比，体积大大缩小，而且整个系统组件灵活，易扩展 容易获得高的性能价格比。 ( 3 ) 工业p c 机( i p c ) 工业p c 机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 是对办公用p c 加以改造( 密封机 箱、安装过滤器、内部正压送风、用p c 插件代替母板、配用工业电源) 成为既能 适应工业环境又能满足基本控制要求的控制机。i p c 具有以下特点： ( a ) 软件支撑特别丰富 由于熟悉p c 机的人越来越多，p c 机的支撑软件特别丰富，所以其应用范围 也越来越广； ( b ) c p u 功能强，升级容易 东北大学硕士学位论文 第三章系统规划及方案确定 随着c p u 性能的提高，工业p c 机的功能可以做得很强，甚至不亚于工作站， 并且随着p c 的不断升级，i p c 的升级也非常快； ( c ) 实现直接控制，可对工业对象直接进行多种控制 ( d ) 联网极为方便，更易于形成集散型系统 由于联网和运算处理功能强，可以完成初级的控制和管理，将单片机、p l c 等连接起来组成小型集散系统。 3 2 2 3 控制方式的确定 根据以上几种常用工业控制机的基本特点，结合配煤生产工艺的实际情况和 工序操作控制要求，按照系统预期的功能，并统筹考虑本项目的投资额度和日后 的维护方便，经过对几种控制模式的对比和论证，最终确定采用集散式控制系统。 集散控制是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控 制的一种新型控制技术，集散型控制系统( d c s ) 吸收了分散式仪表控制系统和集 中式计算机控制系统的优点，采用标准化、模块化和系列化设计，是具有配置灵 活、组态方便的计算机网络系统，适用于配料系统的集中管理、分散控制。 选因各计量和控制点较为分散，为了实现集中监视和操作，决定采用d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 系统，择m c 8 5 1 系列8 0 3 1 型单片机作为基本控 制器，对1 0 个配煤槽的单种煤配入量单独进行计量和调节控制，各形成一个回路。 通过高速数据通道将各个回路的信息集中起来，送到工控机5 8 6 进行集中监视和 操作。因各基本控制器分别控制不同的对象，这样某一控制单元出现问题不致影 响其它单元的工作。同时设置备用单元，一旦在用单片机出现故障，备用单元可 以及时切入，使系统保持正常工作。 ( 1 ) 系统控制流程 系统控制流程图如图3 2 所示。各单种煤的配煤比的设定值采用手动方式输 入主控机，也可以直接输入分控机。通过分控机将设定值与核子秤检测来的煤量 作差，并将其转换成相应的信号，传输到变频调速器，再通过变频调速器来控制 网盘给料器传动电机的电压频率大小，进而控制电机的转速，实现对下料量的控 制。核子秤检测出的煤量信号传送给分控机，分控机与主控机之间采用双工数据 传输。 东北是学硕士学位论文第三章系统规划及方案确定 图3 2 控制流程图 f i g3 2c o n t r o lf l o wc h a r t 由储煤车间通过皮带机送来的煤料经上料秤落入煤槽，不同的单种煤落入不 同的煤槽。煤落入哪个煤槽由p l c 进行判断：磁感应传感器将信号传送p i c ，由 p l c 判断出上煤的配煤槽号，再将信息传给上位机。与此同时，上料秤将对应槽号 内的煤料量的累积信号传给单片机，再传给上位机。 配合后的煤料经粉碎机粉碎，再经总量秤称量送往两个炼焦车问的煤塔。送 煤量由皮带终端的翻板来控制。根据翻板的通断信号来确定送往哪个车间的煤塔， 再由总量秤计量出每个煤塔的上料量和仓储量。 f 2 ) 集散式控制系统的特点 ( a ) 在结构上实现了分级和分散控制 纵向分级便于配煤生产过程的集中监视、操作和管理，横向分散提高了系统 的呵靠性； ( b ) 系统功能更趋于完善 由于采用高性能的上位机，使系统可以方便地实现各种复杂控制功能和决策 管理功能； ( c ) 系统构成方式简约 东北大学硕士学位论文第三章系统规划及方案确定 硬件积木化，软件模块化，应用灵活，扩展方便，通过与焦炉热工自动控制 系统连接，大大提高了信息传递速度，为配煤和炼焦两大工序之间的密切协作创 造了条件； ( d ) 可靠性高 通过系统的集散结构特征，使用冗余技术、自诊断技术和高可靠性的元器件， 使系统可靠性大为提高。 3 2 3 配煤盘传动电机变频调速方式的确定 变频调速是通过改变电机的供电频率，从而改变同步转速来达到调速的目的。 变频调速器主要有两种类型：直接变频装置和间接变频装置。 直接变频装置是通过将正、反两组晶闸管可逆线路，按一定周期相互切换， 直接将三相电压变换成频率较低的电压输出。这种变频方法所用元件多、输出频 率低，一般用于大容量、低转速的调速系统。 间接变频装置是将三相交流电经过整流器变成直流，再通过可调压调频的逆 变器变成幅度、频率可调的三相交流电压输出。这种变频方法具有频率范围宽、 功率因数高、输出波形好等优点，成为目前变频装置中采用得最多的变频方式。 原配煤盘传动电机为7 5k w 三相交流电机，我厂其它车间采用的是p w m 变频 装置，运行稳定，故障率低，并且维护人员对其性能和维护比较了解，基于这方 面的考虑，决定采用p w m 变频装置实现变频调速。 东北大学硕士学位论文 第四章系统设计 第四章系统设计 称量系统是决定整个自动配煤系统准确度和稳定性的关键环节，因此系统设 计按照确定的系统方案，首先从称量装置一核子秤入手。 4 1 称量系统核子秤 4 1 1 核子秤的称量原理 核子秤是根据被测物料对同位素辐射源( c s 5 5 1 3 7 ) 发出y 射线的吸收原理制造 的一种计量仪器。 放射源发出y 射线，穿过物料到达电离室，物料对v 射线具有衰减作用。物 料层厚处透过的v 射线弱，物料层薄处透过的y 射线强。同时，放射线对电离室 中的惰性气体有激励作用，使气体电离，在高压电场作用下产生微弱电流，该电 流的大小与电离室收到的射线强度之间存在一定规律，将该电流通过具有高放大 倍数和高稳定性的前置放大器，变送单元进行放大、转换，得到一个与物料负荷 呈i f 比的称重频率信号，该称重频率信号连同皮带输送机的速度频率信号一起送 入计算机中进行计算，即可得知被测物料的质量，从而计算出累积重量和流量。 4 1 2 核子秤的数学模型 ( 1 ) y 射线穿过物料时被吸收的情况遵循比耳定律： i = i 。已一a “6 式中：厶：穿过物料前的射线强度： ，：穿过物料后的射线强度； p ：物料的质量吸收系数： d ：物料比重： j ：物料厚度 ( 2 ) y 射线传感器和前置放大器把v 射线强度i 正比地转换成电压i j ，并经过适 东北大学硕士学位论文第四章系统设计 当的数学转换，可以得到核子秤数据处理的基本公式： f = i nu o u 式中：u o ：皮带输送机空载时前置放大器的平均输出电压( v ) u ：负载时前置放大器的瞬时输出电压( v ) ： 47 核予秤的负荷常数； f ：皮带输送机的负荷( k g m ) ( 3 ) 皮带输送机瞬时物料量： l = f v 式中：n 皮带输送机速度( m s ) ； 三：皮带输送机上物料的瞬时流量( t h ) ( 4 ) 物料累积量： w = l 三出 式中：，：记录物料输送量的时间间隔( s ) ： 胍t 时间间隔内物料累积输送量( t o n ) 4 1 3 称量方式 一般来说，核子秤有两种称量方式，一种是小皮带式称量，即在每个煤槽的 圆盘给料器下面各设一台短皮带机，核子秤安装在这台皮带机上对物料进行称量： 另一种是主皮带式称量，核子秤安装在配煤主皮带机上进行称量。 小皮带式称量因每台核子秤仅称量单个煤种的配入量，不涉及误差叠加，故 称量精度高，同时便于控制，标定相对简单，但硬件投资大而且需要足够的空f 司 来安装小皮带。 主皮带式称量不需要增加中间设备，对原有主皮带支架略加改造目口可实现称 量。但因1 0 台核子秤中仅2 台( 安装在每排配煤槽的第一个槽的落料点附近的主 皮带e ) 是进行单煤种称量，其它秤实际称量的均是混合煤量，因此采用这种方 式要实现对单煤种配入量的精确计量，对测量混合煤的控制参数的确定和实物标 东北大学硕士学位论文第四章系统设计 定的要求较高。 借鉴同类厂采用主皮带式称量效果不理想的经验教训，同时考虑到我厂配煤 槽圆盘给料器与主皮带之间的空间比较宽裕的实际情况，加之我厂机修车间具有 多年皮带机维修制作经验，小皮带机可以自己加工组装，制造费用低，所以决定 采用小皮带式称量方式。核子秤称重结构图如图4 1 所示。 4 1 4 称量性能指标 图4 1 核子秤称重结构图 f 逗4 in u c e a r we i g h 抽gd e v i c es - k u c i w e 量精度：皮带机流量在2 0 i 0 0 负荷范围内变化时，累计误差三1 均无故障时间大于1 5 0 0 0 小时； 秤体和主机距离必须在i 0 0 0 米之内； 环境温度：传感器：一3 0 + 6 0 。c ；主机：0 + 4 0 环境湿度： l 1 或l l 2 e 1 3如果l 1 或l 2 设定有误，重新设定l 1 或l 2 去现场进查秤框内是否有其它杂物 2 8 东北大学硕士学位论文 第五章系统应用软件 5 2 控制系统软件的主要功能 ( 1 ) 口令管理功能 按照管理权限和操作职能，分为操作员、专责工程师、车间级管理和厂级管 理五级口令管理，其中0 级口令最低，即操作员级，4 级口令最高，为厂级。要进 行参数和( 或) 数据的修改，必须执行相应的口令。 ( 2 ) 动态显示和监测功能 显示系统的动画工艺流程：可直观地监测核子秤、皮带机是否正常运转。 ( 3 ) 报表和查询功能 系统可打印和查询生产运行报表、班日综合报表、随机报表，进行配比监控 查询，计量参数、控制参数、配比更改、物料名称、当前趋势和历史趋势查询。 ( 4 ) 故障报警和诊断功能 系统具有故障检测和分析功能，设定了1 1 个故障检测代码。如果出现故障， 系统将进行报警并显示相应代码，管理、操作和维修人员通过查阅故障代码即可 及时掌握故障部位、故障原因并采取相应的处理办法。( 见表5 1 故障代码表) ( 5 ) 帮助功能 对计量参数、控制参数、数据参数、报警参数等常用变量进行说明，并备有 操作说明书、系统维护说明书和系统程序流程图。 东北大学硕士学位论文 第六章系统硬件 第六章系统硬件 6 1 系统硬件概述 配煤自动化系统硬件主要包括5 8 6 工业控制机( 上位机) 、i q 一1 6 0 0 i i i 型打印 机、u p s 、控制台、电源柜、变频柜、变频器、8 0 3 1 单片机( 核子秤主机) 、计量 p i c ，传感器，变送器、a d 转换器和d a 转换器等组成。主要设备和元件见表6 1 。 表6 ，l 系统主要设备和元件表 t a b l e6 1m a i n e q u i p m e n ta n dc o m p o n e n t o f t h es y s t e m 序号设备名称数量 lr 业控制机5 8 6 l 台 2 打印机l q 一1 6 0 0 l ! i 型 l 台 3u p s l 台 4 控制台1 台 5电源柜1 台 6 变频柜2 台 7 变频器1 0 台 8 断路器3 台 9 净化交流电源稳压器a p c 7 5 k b1 台 1 0 核子秤1 3 台 1 1 传感器 8 个 1 2p l c1 台 6 2p c 机与单片机的通讯接口 在该d c s 集散控制系统中，8 0 3 1 单片机作为分控机，负责对具体对象的控制， p c 5 8 6 作为主控机，负责对各分控机的监控管理，主控机与分控机之间通过串行通 讯交换信息。8 0 3 1 单片机输入、输出为t t l 电平，而5 8 6 机是r s 一2 3 2 c 标准串行 接1 5 ，二者的电气规范不一致，所阱要实现p c 5 8 6 机与8 0 3 1 单片机之间的通讯， 东北大学硕士学位论文第六章系统硬件 必须进行电平转换。8 0 3 1 单片机的双工串行i o 接口支持四种串行通讯工作方式 其中方式2 和方式3 是专门为单片机的多机通讯设置的。使用多机通讯控制位$ m 2 可以方便地实现主机一从机的一对一通讯。工控机5 8 6 与8 0 3 1 单片机的接口如图 6 1 所示。 图6 1b 0 3 1 与5 8 6 通讯接口图 f 迪6 1 c o m ml n f i c a t i o n a c o 圜b e 智e m 8 0 丑m d5 8 6 6 3 单回路控制系统( 核子秤) 硬件组成 单回路控制系统硬件结构如图6 2 所示。 显示器键盘 8 2 7 9 键盘显示器接i j 系统内部总线 8 0 3 l 单片机 2 7 6 4 程序存储器 a d 整形 d a 变送h 称量传感器 一 际i 石i 磊。 石丌际磊鬲习 图6 2 单回路控制系统硬件结构图 f 垃6 2ha wa 瑾s i i u c n j mo f s h 9 1 ec o r l ：r d l c i r c u i t 东北大学硕士学位论文第六章系统硬件 6 3 1 主机部分 单回路控制系统采用8 0 3 1 单片机作为控制器。外部程序存储器采用8 k x 8 位 的2 7 6 4 e p r o m ，用于存储由键盘输入的各种参数以及调整核子秤计算出的各种系 数。由于运行时，需要运算处理的数据量不是很大，片内r a m 已足够使用，所以 没有设置用于存储中间结果的外部数据存储器。8 0 3 1 单片机的内部结构如图6 3 所示。 尸s e n e a 直l e r e 匝 6 3 2 程序存储器 图6 38 0 3 1 内部结构图 f 龟f = 1 38 0 3 1n 蜘a l s 加k 血 巳 因为8 0 3 1 单片机的片内没有程序存储器，所以需要外加e p r o m 作为程序存储 器。外部程序存储器的扩展通道是通过p o 口、p 2 口以及a l e 、p s e n 两泵控制线 进行的。外部扩展程序存储器的基本结构如图6 4 所示。 8 0 3 t 单片机在访问外部存储器期间将p 2 口作为高8 位地址的输出口，p o 口 作为分时复用的地址数据总线接口。p o 口上出现的信号是低8 位地址还是数据， 由地址锁存控制线a l e 的状态来区分，为了将地址信号从地址数据总线的信号中 分离出来，必须采用地址锁存器。 东北大学硕士学位论文第六章系统硬件 图6 4 外部程序存储器 f 逛6 4ex t e r n a l p r o g 工a mme mo r y 本次采用2 7 6 4 作为外部扩展程序存储器，由于2 7 6 4 只有8 k 容量，所以只使 用了1 3 根地址线，西线接地，因而只要西r 有效，就能送出地址线指定的存储单 元内容。外部程序存储器的地址范围是0 0 0 0 h 1 f f f h ，8 0 3 1 单片机除了可以从中 读取指令，还可以用查表指令读出固化在程序存储器里的数据。 6 3 3a d d 转换器 本次采用1 2 位转换器a d 5 7 4 a ，该转换器内置时钟发生器和高精度参考电压 源，无需外部电压和时钟输入即可完成a d 转换过程，使用非常方便。a d 5 7 4 a 的 主要工作特性有： 两个模拟输入端，分别用于不同的电压范围，i o v ，。端输入的模拟信号范围 可为：单极性o + l o v 或双极性的5 v ；2 0 v 。端输入的模拟信号范围为：单极性0 + 2 0 v 或双极性的l o v ： 据控制信号的不同组合，既可进行高精度的1 2 位a d 转换，也可以进行 高速度的8 位a d 转换： 转换后的数据既可1 2 位一次读出，也可以分高8 位，低4 位两次输出； 需要三组电源，分别为：v l ( + 5 v ) ，v c c