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高炉上料控制系统的研究与开发 硕士生：揭晓 导师：王兴松东南大学机械j 二程学院 摘要 论文结合实际科研项目一高炉上料系统的自动化改造，开发设计了一套高炉上料生产线 自动控制系统。论文首先针对高炉生产中存在的问题及自动控制系统的要求，提出解决的办法。 课鄹r 踪国内外先进技术，采用当今先进的无料钟炉项设备，增加设备可靠性并减少备件消耗量，节约 成本。在综合国内外生产过程控制的技术发展的基础上，开发设计了可编程控制器控制系统。在 该系统中，p l c ( 可编程控制器) 作为核心部件，对整个生产线起着监测和控制的作用，对各类 电磁阀等机械部件发出控制指令，并结合组态软件能完成论文的要求。根据输入、输山点对p l c 进行了硬件配置；按照p l c 程序编制的特点，麻用最接近工厂电路图的编制方法梯形图进行 软件编制，并将软件划分为八个模块，根据实际需要设计了相应的模块，实现了具体的功能； 制作了组态软件实现操作界面、数据显示、设备状态、布料设定、历史趋势及打印管理，用户 可进行各种数据的修改操作。为使设备控制得更精确，在料流部分采用液压比例阀控制开口的 开度：并在布料部分用交流变频器进行控制，以实现无级调速，采用编码器进行位置的检测， 提高了系统的控制精度，保证了系统的稳定运行。 关键词：可编程控制器，高炉上料系统，组态画面，编码器，变频器 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o lo fm a t e r i a lf e e d i n g s y s t e m f o rbl a s tf u r n a c e j i ex i a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gx i n g s o n g d e p a r t m e n to f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t c o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c t ，a u t o m a t i cs y s t e mo f m a t e r i a lf e e d i n gf o rb l a s tf u r n a c ei sd e s i g n e d t h et h e s i sd e a l sw i t ht h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a lp r o b l e m si nt h ep r o d u c t i o nl i n e ，t h ew a y so fs o l v i n ga r ep u tf o r w a r di nt h et h e s i s i no r d e rt o i m p r o v er e l i a b i l i t ya n dc u td o w nt h ec o n s u m p t i o no fe q u i p m e n t ，t h et h e s i sa d o p t st h eb l a s tf u r n a c e e q u i p m e r i tw i t h o u tb e l lw h i c hi sa d v a n c e di nt h ew o r l d ，t h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) s y s t e mi sd e v e l o p e do nt h eb a s i so f p r o c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y a st h ec h i e f p a r ti nt h es y s t e m ，p l ci s r e s p o n s i b l ef o rt h ei n s p e c t i o na n dc o n t r o lo ft h ep r o d u c t i o nl i n e ，w h i c hs e n d si n s t r u c t i o n st ot h e e l e c t r i c a l l yo p e r a t e dv a l v e sa n d m e c h a n i c a le l e m e n t s m e a n w h i l e ，c o m b i n e dw i t ht h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ，p l cc a nf u l f i l lt h ed e m a n do f t h et h e s i s t h eh a r d w a r ei sc o n f i g u r e da c c o r d i n gt oi n p u ta n d o u t p u ti n t e r f a c e s t h es o t i w a r ei sd e s i g n e db a s e do nt h em a po fe c h e l o nw h i c hi su s e dw i d e l yi nt h e f a c t o r y t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e dt or e a l i z es u c hf u n c t i o n sa so p e r a t i o np a n e l ，d a t a d i s p l a y , t h es t a t o so fe q u i p m e n t se t c ，b yw h i c ht h ed a t ac a nh em o d i f i e db yu s e r s i no r d e rt oi m p r o v e t h ep r e c i s i o no f t h ee q u i p m e n t ，p r o p o r t i o n a lv a l v e sa r ea d o r e dt oc o n t r o lt h ed e g r e e so f t h r o t t l e a st o m a t e r i a ld i s t r i b u t i o n ，t h ed e s i g na d o p t st r a n s d u c e rt oe n s u r es t e p l e s st i m i n ga n dc o d e rt om e a s u r e p o s i t i o n ，w h i c hi m p r o v e st h ep r e c i s i o no f t h ec o n t r o ls y s t e ma n dg u a r a n t e e st h es t a b i l i t y k e y w o r d s ：p l c ( p r o g r a r n m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，f e e d i n gs y s t e mo fab l a s tf u t l a c e ， c o n f i g u r a t i o ni n t e r f a c e ，c o d e r , t r a n s d u c e r i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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。 研究生签名：题日期：越；7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容十i - 致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：趁区! 导师签名：日期：w 6 、) 肆 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 钢铁材料与人类的生活息息相关，广泛应用于住房建设、铁路修建、家电生产、汽车制造 等。一个国家钢铁工业发展的状况，反映了其国民经济的发达程度。即便是在电子信息、生物 工程等朝阳产业迅速增长的二十一世纪，钢铁材料仍然将是全球性的主要基础材料。 随着近年来经济的迅猛发展，中国的钢材需求量迅速增k ，也使得中国的钢铁投资规模不 断加大。目前，我国的钢铁产量已突破二亿吨，位居世界第一。但是，我国却不是一个钢铁强 国，长期以来，人们总认为钢铁工业是劳动密集型企业而忽视其自动化改造，使的生产效率低下、生 产环境恶劣、员工劳动强度大、原料利用率低：企业普遍存在效益差、能耗高、质量差的现象。又 由于企业自主研发能力差使得高端产品依赖进口，主要技术装备也靠进口等等。所以，必须增 强企业的自主开发能力，而在钢铁行业中自动化系统的开发能力又显得尤其重要，用自动化技 术对传统产业及装备进行改造可以降低1 _ = 人的劳动强度，提高产品合格率，降低能耗等等。总 之，钢铁工业自动化是我国从钢铁大国走向钢铁强国的必由之路，对于提高我国的综合国力， 使我国经济由粗放型向集约型转变具有重要的意义i i j 。 江西新余钢铁公司是一家年产3 0 0 万吨钢，销售收入超百亿元的中型钢铁企业。其产品主要包括 高速线材、薄板、中厚板、锰铁、水泥、钢绞线等等，2 0 0 4 年进入国内五百家大型企业之列，排名第 八十七位，属江西省重点企业。由于炼铁能力不足，制约了企业的发展。为了企业的发展，克服瓶井， 故决定对七号高炉进行重建扩容使之达到1 2 0 0 立方米，以满足生产的需要。 新钢7 # 高炉原来仅有6 0 0 立方米容积，工艺设各均落后，原料利用效率很低，环境恶劣， 设备还是采用七十年代的有料钟设备，备件庞大笨重，布料还是采用机械有级变速布料器。故 布料不理想，不能做到均匀布料。自动控制方面还是采用半自动控制没有采用计算机操作，对 设备运行状况以及炉内状态不能及时监控。本课题即是针对生产中存在的实际问题，对高炉上 料系统所进行的自动化改造的研究与应用，试图开发出一套高炉上料自动控制系统，使之能够实 现高炉上料的自动化生产，减少操作人员数量，节约原料，提高生产效率，产品质量和企业利润等，因 此，本项目的实施，具有较大的经济效益和社会效益。 1 2 高炉上料的生产过程简介 在本节中，将介绍新余钢铁公司炼铁厂高炉上料的生产过程。高炉炼铁先是从原料场将经 过处理的原料运送到供料系统中的储矿槽，再经槽下运料系统进行称量、运料和槽下筛分后装 入运料小车通过卷扬将小车送入炉顶，将原料倒入受料罐，再经上料罐、下料罐进入炉底发生 冶炼反应，炼出铁水后经出铁口出铁。【2 3 1 如图卜1 所示。下面简要的介绍一下各道工序 1 ) 矿槽储配料系统概述 原料厂供料设施的流程包括卸车、堆存、取料、运出、混匀、破碎、筛分等。其中储矿槽 作为中间仓库，用来调剂来料和用料之间的不均匀性，一是槽上来料的周期长而槽f 用料的周 期短的不均匀性，二是储矿槽之前的生产与设备事故延误所造成的不均匀。同时，它也起储备 作用。一般要求的存量，焦炭为6 8 小时的用量，烧结矿为9 2 2 小时的用量。对容积较大的 矿槽它还起混匀作用。新钢7 # 高炉工程采用斜桥料车上料方式，因此以高炉中心线为基准，矿、 焦槽布置在高炉中心线两侧。左侧设有5 个烧结仓，2 个杂矿仓，1 个熔剂仓菇8 个矿槽。高炉 中心线右侧同左侧一样也是相对应的共8 个矿槽。所有矿槽成一列布置并且完全对称。 高炉共设二个焦槽，左、右各一个。焦槽同矿槽呈并列布置。每个矿槽f 均设有一个称量 漏斗，料坑内设有2 个焦炭称量漏斗和2 个矿石集中称量漏斗，分别布置在高炉中心线两侧。 1 ) 矿槽系统 高炉入炉原料有：烧结矿，杂矿和熔剂。烧结矿和杂矿经过振动筛过筛后，筛上合格粒度 的矿石经入称量漏斗称量，再经过运矿胶带机分别进入料坑矿石集中称量漏斗待用。 熔剂经过给料机进入称量漏斗称量，再经过运矿胶带机进入料坑矿石集中称量漏斗待用。 2 ) 焦槽系统 焦炭经过焦炭振动筛过筛后，筛上合格粒度的焦炭进入料坑焦炭集中称量漏斗待用。 将漏斗中的矿石和焦炭分别装入运料小车中，并组织成一个料批，每个料批由一个矿批和一个 焦批组成。一个矿批由2 个矿车或3 个矿车组成，一个焦批由2 个焦车或3 个焦车组成。然后， 经料车斜桥上料将矿石和焦炭倒入炉中。 2 炉顶系统概述 1 ) 装料过程 本高炉炉顶采用串罐式无料钟炉顶，上料采用斜桥式双料车上料。上料小车将槽下配好的 炉料拉到炉顶并倒入固定受料斗中，当一批料的最后一车料装完后，一旦受料斗下的料罐发出 料空，关闭下料闸、f 密阀，打开选中工作的均压放散阀，当罐中压力等于大气压时，打开上 密阀和上料闸就可使受料斗中的炉料卸到料罐中。在炉料完全倒入料罐后，关闭上料闸、上密 阀，关闭均压放散阀，打开一次均压阀通过半净煤气给料罐充压，充压至与一均煤气总管内压 力之差小于一定数值时，关闭一次均压阀，打开二次均压阀，同时，改用氮气充压，当罐内压 力达到或高丁- 炉项压力时，关闭二均阀；发出装料完成可以布料的信号。 2 ) 布料过程 当料线降到规定位置时，启动布料程序；提升探尺至零位；打开，旋转下密封阀；启动布 料器：下密封阀打开到位并延时2 秒后，当得到布料溜槽a 角和1 3 角到位信号后，按预定的y 角打开下料闸；布料溜槽绕高炉中心线转动布料的过程中，n 角按规定值跳变：得到反馈的料 空信号后，延时2 秒，完全打开下料闸，延时2 秒；关闭下料闸，延时2 秒；旋转，关闭f 密 封阀，延时2 秒；布料器停机；降探尺至料面，完成布料。 3 ) 布料操作 不同料线的操作： 一一料线正常情况下，当料线降至规定位置时，启动布料程序； 一一亏料线的情况下，即当料线降至规定的下限时，启动赶料程序，直到料线正常。 三种布料方式 一多环布料：按时间控制法，布料溜槽每转过规定的圈数后，n 角作一次跳变。 一扇形布料：布料溜槽在某一扇形区域内摆动n 角按要求跳变。本方式由手动操作实现。 一定点布料：布料溜槽转到某一位置后静止，即向一点放料。本方式由手动操作。 o 角( 倾角) ：指布料溜槽绕垂直于高炉中心线的转轴转动的角度。 b 角( 转角) ：指布料溜槽绕高炉中心线转动的角度。 y 角( 开度) ：指料流阀节流阀阀板从关闭位置到打开位置所转过的角度。 4 ) 探尺操作 探尺的位置 一一上限位：即更换位置：探尺提升到此位置更换重锤。 一一零位：即等待位置，探尺正常工作时提升到该位置等待布料。 一一操作位：探尺重锤测得料面到达该位最时，肩动装料程序。 第一章绪论 一r 限位：探尺重锤到达该位置时，立即提升探尺至零位，启动赶料程序，并报警。 操作方式： _ _ _ 一点测：手动操作探尺降至测料面，测得料线位置后提尺。 一一连测：探尺重锤随料面f 降的过程中，由编码器反馈信号，随时监测料面位置。 控制要求： 一一未得到布料器停机信号时，禁止降探尺。 一一降探尺的过程中电机处于反馈制动状态。 一一只有在探尺到达更换位置时，制动器处于制动状态时，才允许电机断电。 图 图1 - 1 高炉生产工艺过程 剧1 2 高炉工艺流程示意图 1 3 课题的主要研究内容 上节中简要的介绍了高炉上料系统生产流程，本课题将针对高炉上料的生产过程，发现其中 存在的问题，寻求合适的解决方案，开发设计出高炉上料生产自动控制系统。主要研究内容有： 1 高炉上料系统总体设计，确定系统的各个组成部分，以及各部分之间的功能和任务。 2 选择合适的传感器对高炉上料生产线的工艺参数进行测量和处理，需要采集的信号主包括 各个阀门开启的位置、料罐的料重、布料器旋转角度和位置、探尺工作的位置等。 3 高炉上料系统生产有关的驱动各阀门的机构( 主要是液压电磁阀各节点) 的配置。 4 自动控制系统的硬件系统设计，主要包括计算机、可编程控制器、各种输入、输出点的设 置以及外部的连接等。 5 自动控制系统控制软件的设计和开发，主要包括可编程控制器的梯形图设计、组态软件的 二次开发等。 6 针对均匀布料所提出的要求，采用交流变频器控制布料器布料，因此，对交流变频器原理 进行阐述及对其进行参数设置。 4 第二章自动控制系统的总体设计 第二章自动控制系统的总体设计 在高炉控制系统的研究与开发中，课题首先调查了高炉上料生产线的基本情况，并对其中 存在的问题进行了分析和论述。同时结合目前国内外生产过程控制技术发展的基础上，根据高 炉生产的特点，选择了高炉上料生产的自动控制方案，确定了系统的各个组成部分，井对其中 重要的问题进行了说明。 2 1 生产线分析及其对控制系统的要求 2 1 1 生产线问题分析 根据在生产中的调查，发现改造前的高炉上料系统存在以下儿个主要问题： i 炉体各部分是靠大、小料钟来实现密封的，由于制造精度以及使用过程中产生磨损等原 因会使密封性下降，从而影响冶炼质量：有时还会出现大、小料钟出现故障如料钟掉到炉底等， 这样会使故障处理相当麻烦，直接影响生产；料钟同料斗接触面处都采用硬质合金材料，成本 很高，同时，驱动大、小料钟的机构又很复杂，因而使得备品备件量增多，增加生产成本。另 外，大、小料钟重虽很重，需较大动力来驱动，浪费能源。 2 改造前，主要由人在炉体旁操作，由肉眼直接观察小车上料，人、小钟提升、放下等， 因此，工作环境恶劣，劳动强度大。对炉内冶炼情况无法准确监控，对炉体温度不能及时检测， 无法准确探得料面高度。 3 布料器是采用机械变速装置，无法实现无级变速，因此，无法准确地在设定的时间、位 置转速等情况下进行布料。而且，布料器旋转的转速得不到准确检测、反馈；其所处的位置、 转角也无法及时检测。 4 布料方式单一，使得布料不均匀，原料得不到充分利用，冶炼质量也受到影响。这样使 能耗大、效益差、产品质量差。 5 槽下配料与上料以及高炉本体等各部分之间通讯、联系方式大都靠人工，往往存在配合 方面的偏差，遇到紧急情况时信息反馈慢来不及处理等等。极大地影响了正常的生产，降低了 生产效率。 除上述问题以外，原高炉上料生产中还存在着其他问题，在此不再赘述。 2 1 2 生产线对控制系统的要求 根据对生产中的调查研究，所开发设计的高炉上料生产自动控制系统应该能够满足如下要 求： i 采用当今先进的无料钟炉顶技术，利用阀门的启闭来实现炉体各部分的隔离、密封。这 些阀门的驱动是用液压系统驱动四杆机构来实现的，一方面降低成本，另一方面密闭效果更好， 有利于提高冶炼质量。 2 能够通过计算机直接监控小车运行情况，炉内温度数据显示、探尺位置情况等。并对探 尺提升、放下、布料器旋转等操作都能在电脑上崩鼠标点击，使其运行。 3 能够使布料器能够进行多种布料方式如环形布料、螺旋布料、扇形布料、定点布料。 4 系统能够实现对整条生产线的有序控制；能够实现对生产工艺参数的实时监测；系统还 应该有一定的灵活性，能够根据工艺要求随时修改工艺参数，并能根据员工的指令来处生产中 的异常情况，而不影响生产的正常进行：同时系统还应该具有友好的人交互方式，便丁员t 根 据生产要求做出调整，易于员工的操作。 东南大学硕上学位论文 5 应保留原有手动控制方案，能够做到不同控制方式的顺利切换；尽量降低自动控制系 统的成本，将其控制在一定范围内。 根据以上对高炉上料生产线问题和需求的分析，在结合生产过程控制技术发展的基础上， 课题开发出一套高炉上料生产线自动控制系统。 2 生产线控制系统的总体设计 在设计高炉上料生产线自动控制系统之前 然后根据控制系统的需求和生产线的特定情况 施方案。 2 2 1 国内外生产过程控制技术发展概况 先来关注一下生产过程控制技术的发展概况， 虽终选择系统的整体控制类型和确定具体的实 j 二业控制技术的发展是随着控制技术、计算机技术、通讯技术、的研究与运用的深入，而 逐渐发展起来的，它人致经历了以f 几个发展阶段。”。” 1 ) 分散控制阶段 分散控制体现为单机自动化，在5 0 年代左右，主要采用模拟调节器和仪表，进行单变量调 节和局部控制，分别实现各个单机自动化。由于没考虑整个系统的相互关联，各自分别设计了 单变量调节系统，同时投入运行时，协调性差，容易造成整个系统的不稳定。 2 ) 集中控制阶段 集中控制结构中，通常由一个控制中心完成总任务的分解、分派和协调，采用计算机或逻 辑程序装置作为控制中心，进行集中控制。该控制系统可以完成一些较为简单的报表分析、统 计运算等功能。同时控制中心还可以和多个单片机组成上、卜位机控制系统，再由下位机分别 完成各自特定的功能。集中控制结构在国内外的过程控制系统中有着很广泛的应用。这种结构 的特点是控制较为稳定可靠，相对于其他控制方案易于实现。这种控制系统比较经济，适崩于 一般要求的控制系统。 3 ) 集散控制阶段 随着计算机价格的下降和通信网络技术的发展，管理的集中性和控制的分散性这一实际需 求推动了集散控制系统( d c s ) 的出现。这种系统按照系统结构进行垂直分解，由上而下可分为 控制级、控制管理级和生产管理级。各级之间既相互对立又相互联系。集散系统采用标准化、 模块化和系统化的设计，其适应性和灵活性得以大大增强，控制功能教为完善，但成本有所提 高。 4 ) 分布式控制阶段 伴随着微电子技术的不断发展，特别是微处理技术、网络技术以及智能化仪表技术的发展 和应用，d c s 向两个方向发展：一是向高层次发展，使面向过程控制的d c s 和面向管理与生产调 度系统的m i s 集成系统向计算机集成制造系统c i m s 和计算机集成过程控制系统c i p s 发展；二 是向生产过程中的低层次渗透，控制系统中的过程和工作站下沉到现场，形成一种分布式的控 带0 。 以上四种控制方案，是由低级控制向高级控制发展的。随着实际需求的不断提高和技术的 不断进步，今后还会出现更为高级的控制方案。但在确定具体的控制系统时，还应遵循实际需 求和技术难度、经济利益的一致性，不应盲目的追求技术的先进性，针对特定的情况，选择最 为合适的控制方案。 6 第二章自动控制系统的总体设计 2 2 2 控制系统的方案选择 以上一节中高炉上料生产线对自动控制系统的要求作为依据，对上述四种控制方案进行比 较，可以得山：集中控制系统具有较高的可靠性，控制系统易丁- 调整和使用，能够满足高炉生 产线的要求，且成本较为低廉，具有很强的可行性，经过综合考虑，决定选用集中控制系统作 为高炉生产线的自动控制方案。 高炉生产线是一套较为复杂的生产系统，它是由多个不同任务的t 艺环节和多台工艺及辅 助设备组成，其生产过程有以下特点： 1 生产线设备较多并且复杂，生产工序较多； 2 生产环节分工明确，但协作关系严密，如其中一个环节发生故障，都将影响整条生产线 的正常运作； 3 产过程中要求各生产环节具有高度的比例1 和连续性，在生产过程中的各个环节及各个 序之间，在生产能力上保持适当的比例，从而使各环节、各工序之间相互衔接； 4 车间内潮湿，粉尘污染及电磁干扰严重，生产环境较为恶劣。 集中控制方案也有几种不同的实现方法，主要可以分为工业计算机直接控制和可编程控制 器( p l c ) 控制两套方案。下面分别就这两种方法进行阐述，然后根据高炉生产线的特点，确定 最终的控制方案i 3 j 。 1 ) 计算机直接控制方案 图2 一l 工业计算机控制系统不意图 如图2 - 1 所示，工业计算机控制系统( i n d u s t r i a lp cc o n t r o ls y s t e m ) 是指将工业计算 机与工业控制软件相结合，通过硬件接口部件和生产线各部位的传感器信号线相连接，采集传 感器的信号，传回计算机进行计算和分析，再由计算机根据处理后的信息，通过硬件接口部件 发出控制指令，对相应的电气和机械执行部件进行操作。随着工业生产中自动化程度的不断提 高，工业计算机控制系统的应用范围也越来越广，发挥的作用越来越大。 在该方案中，计算机是其中的核心和主导元件。数据模块在控制系统扮演的是采集元件和 执行元件的角色，它负责将现场的信号转换成数字信号传给计算机，再利用计算机处理后的数 据控制现场执行器件。输入输出模块本身不带有可进行运算的部件，它只负责数据的上传和下 传，由计算机通过程序进行控制。 工业计算机控制系统的特点主要有： 1 继承了计算机先天的开放性，这对于影响自动化系统发展至芙重要的横向通信和纵向通 信来说，无疑提供了坚实的基础； 2 控制功能完善：系统可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制，可执 行从常规p i d 运算到神经网络运算、三阶矩阵乘法等各种运算，可以进行连续的反馈控制，也 可以进行间断的批量控制、逻辑控制，可以实现监控、显示、打印、报警、历史数据存储等日 常的全部操作要求； 3 完善的人机界面和集中监控功能：操作人员通过显示器和键盘，可以监视生产线的生产 情况，按照预定的控制策略组成不同的控制回路，并调整回路的任一常数，从而实现真正的集 中操作和监控管理； 4 系统扩展灵活：系统采用模块结构，用户可根据要求方便地修改系统的控制对象，很容 7 东南大学硕十学位论文 易对方案进行改进，有利于分批投资，分批受益： 5 具良好的性价比：系统技术先进、功能齐全、可靠性高。 2 ) 可编程控制器控制方案 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 ，简称p l c ) 是一种数字运算操作的电 子系统，专为工业环境下的应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行 逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输 出，控制各种类型机械的生产过程。它具有紧凑的设计、良好的扩展性和强大的确指令功能， 可以满足大规模的控制要求。 可编程序控制器是专为工业应用而设计的，因此其主要特点是： ( 1 ) 可编程序控制器具有较高的可靠性和很强的抗干扰能力，能够在恶劣的环境中可靠的 工作，平均无故障时间睦，故障修复时间短； ( 2 ) 可编程序控制器编程简单，使用方便，操作人员能够在较短的时间内掌握编程和使用 技术；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： ( 3 ) 可编程序控制器具有数学运算( 含矩阵运算、函数运算、逻辑运算) 、数据传送、数 据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与储 存在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通讯功能传送到别的智能装置， 或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于 过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统 ( 4 ) 可编程序控制器具有较高的灵活性、较强的信息处理能力以及较多得功能。 ( 5 ) 可编程序控制器具有能实现互相通信以及与其它智能设备间的通信。 综合比较以上两种控制系统，t 业计算机方案针对高炉生产线项目有其局限性： ( 1 ) 计算机控制系统的技术难度相比可编程序控制器而言较大，主要是采用高级语言编 写，现场工作人员较难掌握分寸。 ( 2 ) 由于现场的输入输出点很多，操作过程复杂，需要制作大量的画面，这对采用计算 机而言难度较大。 ( 3 ) 高炉生产需要各个方面很好地协调，因此，p l c 与p l c 之间要保通信畅通。 总之，p l c 适合现场的电工处理故障，同时具有高可靠性、抗干扰性尤其是在环境恶劣， 高温、粉尘的场合更是需要这种特性来保证生产的正常运行。 通过以上对计算机控制方案和可编程序控制器控制方案的比较，可以看出，采用可编程序 控制器控制方案具有一定的优越性，故高炉生产线自动控制系统采用可编程序控制器控制方案。 2 3 生产线自动控制系统的组成 根据前面所论述的高炉上料生产过程中所存在的实际问题和生产线对自动控制系统的需 求，结合其他工业控制系统的实例，课题设计了一套生产线的自动控制系统。该方案中，生产 线自动控制系统主要包括以下四个部分： 1 上位计算机、工程师站、p l c 及其硬件组成部分 p l c 为自动控制系统的核心控制部件，它负责控制程序的运行、信号的输入和输出、数据计 算以及控制指令的发送等功能；它同上位计算机连接，通讯，共同完成整个生产线的控制：系 统的硬件还包括模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块、继电器模块、网络联接模块、 电源模块等。这几种模块是p l c 与外部传感器之问交换信息、通信的通道。负责外部信号的采 集和控制指令的传送； 2 控制系统的检测部分 8 第二章自动控制系统的总体设计 检测部分主要包括所用到的各种传感器如接近开关、编码器、压力传感器、热电偶等，传 感器对生产过程中不同的工艺参数进行测量和处理，然后将数据传送至计算机进行分析； 3 机械执行部分 机械执行部分主要包括上、下料闸、上、下密封阀、均压放散阀、一均阀、二均阀以及料 流阀等的控制机构；而驱动这些机构的运动是靠液压系统来实现的： 4 控制系统的软件部分 系统控制软件在整个控制系统中起着信息处理、分析、判断、监控以及发送的作用，同时 负责人机信息的交换。 以上四个部分组成生产线完整的计算机控制系统，缺一不可。在后面几章中，本文将详细 的论述以上各部分的设计原理及其实现过程 9 东南大学硕士学位论文 第三章自动控制系统的信号检测和硬件组成 工艺参数以及位置的控制和检测是影响产品质量和生产效率的关键因素之一，对其在高炉 炼的生产过程中各种进行测量以及对其控制也是课题中的一个重要部分。在本章前半部分中， 将简要介绍信号检测的原理以及如何选择合适的传感器进行检测。在后半部分，将介绍控制系 统硬件的基本架构，以及其各部分功能。 3 1 信号的检测 信号检测技术是机电一体化技术中的重要组成部分，是机械、电子等技术有机结合的中间 环节。在冶金t 业生产过程中，如果要对生产过程进行准确无误的控制，需要对位移、温度等 参数进行准确、快速、可靠的测量，并将数据传回控制系统作进一步的处理和分析9 “q 。 由于被测对象的复杂多样信性，检测方法和技术也不尽相同，但如图3 - 1 所示，一般情况下 检测系统都包括以下3 个部分。 被测 图3 - 1 检测系统的基本组成结构 1 传感器 传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，是一个信号变换器，是检测系统的重要的组 成部件。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化并变换成便于测量的物理量。例 如将速度转变成电压，将温度转变成电阻，将压力转变成电流等。 2 信号调理器 信号调理器又称中间转换器，它的作用是将传感器的输出信号进行放大、转换和传输等， 使其适合于显示、记录或控制等用途。例如测量电桥、滤波器、放大器、交流直流变换器等。 3 输出环节 输出环节包含显示和记录装置、数据通信接口和控制执行器装置等，从而使检测系统不仅 适用于检测、还能完成控制和保护操作等功能。 在高炉上料生产线的自动化改造中，要求能够在生产过程中对工艺、设备进行实时性的监 测，需要监测的内容包括各阀门开、关的位置、高炉内料罐的压力、布料器倾动角、旋转角数 值、探尺提尺、放尺的位置、高炉炉内温度等等。将采集到的信号进行一定的处理后，然后送 入p l c 中，进行处理，然后发出控制指令。这些_ _ l = 艺参数的测量对于产品质量和生产的止常运 行有着重要的影响。因此，在系统设计过程中，针对不同的工艺参数，充分考虑现场应用的情 况，选择合适的传感器对现场参数进行采集。 o 第三章自动控制系统的信号检测和硬件组成 卜- 面简要介绍一下各种工艺参数( 高炉炉温、炉内压力、布料器旋转角、倾动角、探尺的 位置等) 的检测原理及其实现方法。 3 1 1 热电偶温度传感器 在高炉生产中，为了随时掌握炉内温度，以控制冶炼过程，需要对炉内温度进行实时测量， 并将温度数据随时显示在计算机中，由操作人员即时观察。在高温作业场合，对温度的检测主 要是采用热电偶温度传感器测量。i l ” 热电偶温度传感器将被测温度转化为m v 级热电势信号输出。热电偶温度传感器通过导线与 显示仪表及p l c 连接组成测温系统，实现远距离温度自动测量、显示或记录、报警及温度控制 等。热电偶温度传感器属于自发电型传感器，它的测温范围为一2 7 0 一+ 1 8 0 0 度，是广泛应用的温 度检测系统。如图3 - 2 所示。 图32 热电偶测温系统示意图 l 一热电偶：2 _ 一连接导线： 3 一显示仪表 热电偶温度传感器的敏感元件是热电偶。热电偶由两根不同的导体或半导体一端焊接或绞 接而成，如图3 2 中a 、b 所示。组成热电偶的一端称为热电偶的热端，又称测量端、工作端； 与导线连接的一端称为热电偶的冷端，又称参考端、自由端。 热电偶的热端一般要插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备外，如果两端所处温 度不同，则测温回路中会产生热电势e 。在冷端温度保持不变的情况下，用显示仪表测得e 的数 值后，便可知道被测温度的大小。 热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶。经比较选择，我们选用标准热电偶中的铂铑一 一铂铑台金，其特点是熔点高、测温上限高、性能稳定、精度高，1 0 0 。c 以卜i 时热电动势极小， 可不必考虑冷端补尝热电动势小；适用于高温域的测量。 3 1 2 编码器 在高炉生产中，为了实现布料，需要对布料器旋转、倾动角以及料流阀开度和探尺探料面 的高度进行实时的测量，然后跟据测量的结果来判断是否达到所预定的要求，来进一步判断是 否作出下一步指令。在工程技术中要精测量距离和位移而同时又能即时方馈给控制系统的测量 元件应该首推编码器了。 编码器是一种角位移传感器，分光电式、接触式和电磁式二种，其中，光电式旋转编码器是 闭环控制系统中最常用的位置传感器。旋转编码器可分为增量式编码器和绝对式编码器两种。 图示为光电盘工作原理示意图。在码盘的边缘上开有间距相等的透光窄缝隙，在码盘的两侧分 别安装光源和光敏元件。当码盘随被nr ：作轴一起旋转时，每转过一个缝隙就发生一次光线的 明暗变化，使光敏元件的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转化变为电信号的强弱变化。 经放人、整形处理，l ；彳，光电盘输出脉冲信号。脉冲的个数就等于转过的缝隙数。如果将脉冲信 号送到计数器中计数，计数显示就反映了码鼎转过的角度。为了判别旋转方向，可在码盘两侧 东南人学硕上学位论文 再装一套光电转换装置，分别用a 、b 表示。两套光电转换装置在光电元件上形成两条明暗变化 的光线，产生两组近似于正玄波的电流信号a 和b ，两者的相位相差9 0 度，经放大和整形电路 处理后变成方波，如图3 - 3 所示，若a 相超前于b 相，对应电动机作正向旋转；若b 相超前丁a 相，对应电动机作反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移 和反向位移的脉冲序列。除了a 相和b 相外，还有z 相一转输出信号，它是用来产生基准点的。 1 2 。b 鸟 p 相 b 相 图3 3 编码器示意图 与增量式编码器不同，绝对值编码器是通过读取编码盘上的图案确定轴的位置。这里用的 是光电式编码器。光电编码器是目前使用最，泛的角位移检测装置，码盘采用绝对值编码。图 3 - 3 所示为光电编码器的编码盘原理图，图3 4 中，码盘上有四条码道。码道就是码盘上的同心 圆。按照二进制分布规律，把每条码道加工成透明和不透明相间的形式。码盘的一侧安装光源， 另一侧安装一排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当光源照射码盘时，如果是透 明区，则光线被光电管接受，井转变成电信号，输出信号为“1 ”；如果是不透明区，光电管接 受不到光线，输出信号为“0 ”。被测工作轴带动码盘旋转时，光电管输出的信息就是代表了轴 的对应位置，即绝对位置。光电编码盘大多采用格雷码编码盘，格雷码数码见下表。格雷码的 特点是每一相邻数码之间仅改变一位二进制数。码道越多，分辨率越小。码盘码道可做到十八 条，能分辩的最小角度q = 3 6 0 “2 ”。0 0 0 1 4 ”。 1 2 第三章自动控制系统的信号检测和硬件组成 编码盘的数码 角度二进制数码格雷码对应十进制数 00 0 0 00 0 0 00 a 0 0 0 10 0 0 1l 2a0 0 1 00 0 1 1 2 3 ( 3 10 0 1 l0 0 1 03 4n0 1 0 00 1 1 04 5a0 1 0 10 1 l l5 6a0 1 1 00 1 0 16 7a0 1 1 10 1 0 07 8 1 0 0 01 1 0 08 9q 1 0 0 11 1 0 19 1 0q1 0 1 0 l l l l1 0 1 l t 21 0 1 11 1 1 0 l l 1 2n1 1 0 0 1 0 1 01 2 1 3o 1 1 0 l1 0 1 11 3 1 4d1 1 1 0 1 0 0 11 4 1 5a1 1 1 11 0 0 01 5 1 q i 1 1 1 g 0 0 t o t 图3 - 4 光电编码器的编码盘原理图 1 1 叩i 0 0 1 1 0 l 在上料系统中用于检测旋转角n 、倾动角1 3 、料流阀开度y 等用的是增量型编码器。n 角 用的型号为5 8 一o a 6 1 1 r 一1 5 0 0 。0 角和y 角的为5 8 0 a 6 1 1 r 一3 6 0 。探尺的重锤位置检测用的型号 是p s s 5 8 n 一0 2 a a g r o b n 一0 0 1 3 。 3 1 3 红外式光电传感器 在高炉生产过程中，需要检钡4 布料器转速、转数、探尺的位置以及备阀门是否到位等信号， 为此需要选择相应的传感器。在设计过程中，针对需要检测的物理量，采用了红外式光电传感 器对信号进行检测。i j “ 东南大学硕十学位论文 红外传感器是将红外辐射能转换为电能的光敏元件，用来检测物体辐射的红外线。它分为 热电型和量子型两类，这两类传感器不仅在性能上有差异，而且在工作原理上也不相同。热电 型红外光敏元件一般灵敏度低，响应慢，但有较宽的红外波长响应范围，且较为廉价，一般用 于温度的测量和自动控制系统中的物位检测。量子型红外光敏元件可直接把红外光能转换为电 能，这种器件灵敏度高、响应快，但其红外波长响应范围窄，有时还需在低温条件卜- 才能使用， 本课题中采用了热电型的红外式光电接近开关。 红外式光电接近开关是利用被检测物体对红外线的遮光或反射，根据同步回路的选通来检 测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射红外线的物体均可检测。根据检测方式的不 同，红外线光电开关可分为漫反射、镜反射式、对射式和光纤式等类型。这几种传感器的主要 区别在于发射器和接受器的安装位置的不同。在一般的物位检测和工业控制中，最常用的是漫 反射型光电开关。当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接受 器，_ 是光电开关就产生了开关信号。 根据实际生产中的需要，工程中采用型号为n n b b l 0 3 0 g m 6 0 w 0 红外式接近开关。 3 2 控制系统硬件配置及组成 3 2 1 控制系统硬件配置 1 ) 上位计算机的选型 上位计算机通过工业以态网同可编程控制器之间进行连接，需要储存大量的信息，控制软 件、组态软件均安装其内，并且要满足控制系统比较高的实时性要求，根据具体情况我们选用 美国戴尔计算机，具体配置奔腾l i i 芯片，3 2 位字长，主频为7 3 3 1 d h z ，2 5 6 m 内存。该计算机配 置足以满足控的要求，能够保证控制系统正常运行。 2 ) 可编程控制器的选型 在高炉生产车间中，生产现场环境相当恶劣，主要表现在以下儿方面： ( 1 ) 由于现场温度比较高，处于高温环境f 工作； ( 2 ) 由于生产产品的关系，生产车间中灰尘较人； ( 3 ) 由于现场存在着大功率的机器和各种干扰源，使得电网容易受到波动。 这些因素的存在对p l c 的正常运行会带米不利的影响，因此要求p l c 具有在恶劣的条件下 长期稳定工作的能力，决定硬件采用法国施耐德公司的产品，m o d i c o n 系列的q u a n t u n 型号l l 。 软件也采用该公司的c o n c e p t 2 5 “。 而m o d i c o n 系列产品的主机是采用模块化的，即在机架上可以把一个个模块插上去，根据 需要，我们设置和选配的模块为：c p u 模块为c p u 4 3 4 1 2 ；电源模块为c p s l l 4 2 0 ，网络联接用 n o e 7 7 1 0 0 同e t h e r n e t 网络适配器，接上位机。c r p 8 1 1 0 0 接p r o f i b u s d p 总线。模拟量输入模 块为a c l 0 4 0 0 0 ，输出为a c 0 0 2 0 0 0 ，继电器模块为d r a 8 4 0 0 0 ，开关量输入模块为d 1 3 1 3 5 3 0 0 ，输出模 块为d d 0 8 4 1 0 0 ，高速模块为e h c 2 0 2 0 0 。本系统共有一个主机架，主机架统一选用1 6 槽结构，分 在两面p l c 柜中安装。p l c 与上位工控机采用标准工业以态网连接，通过1 0 0 m 光纤以态网，炉 顶系统与上料系统，炉本体系统、热风炉系统，制粉及喷吹系统等联为一体，完成全厂的信号 传输。其炉顶p l c 配置简图如图3 - 5 所示。 下面就对各个模块作用说明： 下图是两面p l c 柜的配置图，所以有两个电源模块即1 c p s l l 4 2 0 、2 c p s l l 4 2 0 负责供电，两 柜共用一个c p u 即1 c p u 4 3 4 1 2 。n o