高炉上料机系统的PLC控制系统设计

1目录第 1 章 绪论 .21.1 概述 .21.2 高炉上料系统的 PLC 自动控制研究的目的、意义 .21.3 国内外 PLC 研究和发展的现状 .21.3.1 国外 PLC 发展及典型应用概况 .31.3.2 国内 PLC 的发展和应用 .41.4 PLC 控制系统的优点 .51.5 设计研究内容及创新点 .51.5.1 主要研究内容 .51.5.2 主要创新点 .6第 2 章 高炉上料系统的供配电设计 .62.1 相关概念 .62.2 负荷计算方法 .82.3 系统技术指标及控制要求 .102.4 高炉上料系统装置的相关控制 .11第 3 章 PLC 控制系统硬件设计 .113.1 确定 I/O 设备 .113.2 PLC 的选型 .113.3 I/O 点的分配与接线图 .133.3.1 PLC 输入和输出 I/O 点分配如下表： .133.3.2 绘制 I/0 接线图：（见附图） .17第 4 章 PLC 控制系统软件设计 .174.1 程序说明 .174.3 安全保护及其措施 .18第 5 章 结论与展望 .195.1 结论 .195.2 展望 .19致谢 .20参考文献 .202第 1 章 绪论1.1 概述可编程控制器（PLC）是近二十年发展起来的新一代工业控制装置，其最初是为了取代继电器控制系统而发明，多用顺序逻辑控制中，如：高炉上料、电梯控制、货物存取等；随着 PLC 技术的不断发展，现已能实现对模拟量的控制，应用于各种闭环过程控制中及构成 DCS 。德国西门子公司是一家世界领先的 PLC 制造厂家，生产 s7-200.s7-300,s7-400 等多种型号、不同档次的产品，A 系列可编程控制器是其生产的一个不断完善的中小型可编程控制器系列，具有功能强大、处理快速的处理器，较大的存储容量和丰富的指令集，能实现多种控制任务。1.2 高炉上料系统的 PLC 自动控制研究的目的、意义高炉上料是整个高炉冶炼生产的关键环节，担负着为炼铁高炉提供原料的功能，其将来自料仓的各种原料按一定的配料比送到高炉内进行冶炼。整个上料过程大部分是顺序逻辑控制，涉及到一些模拟量控制，但没有反馈，不构成闭环过程控制，故而多采用可编程控制器（PLC）进行控制。主要作用是将炼铁所需的各种原料源源不断地送到高炉内，保证高炉炼铁的正常需要，而整个高炉上料卷扬系统的核心就是料车的主提升设备。早期的传动调速控制方法多采用串极、直流或转子串电阻调速控制方式，设备简单，造价低，维护方便等特点。高炉自动上料应用非常普遍，长度是有限的，为把物料从槽下料仓搬运到炉顶上，采用料车升降机，以提高生产效率。经生产实践表明，该设计思路正确，运行可靠，能达到实际生产应用的要求。中小型高炉上料主要是卷扬料车上料，由于料车上料占地面积小，在中小高炉中得到广泛的应用，如中型高炉卷扬系统采用双电机控制，小高炉采用单电机控制。卷扬上料系统的主要过程是：各种原料经过槽下配料后放入中间料斗，料车到料坑后，料斗把料放入料车，料斗闸门关到位后，料车启动，到达炉顶。1.3 国内外 PLC 研究和发展的现状多年来，可编程控制器（以下简称 PLC）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各3种任务的跨越。今天的 PLC 在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。1.3.1 国外 PLC 发展及典型应用概况自从1969年美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台PLC(PDP-14型),并在通用汽车公司自动装配线上的试用，获得成功，从而开创了工业控制新时期。1971年,日本从美国引进了这项新技术,很快研制成功日本的第一台PLC(DSC)；1973年,西欧国家也研制出他们的第一台PLC。到80年代初，PLC在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。目前,世界上几个工业发达国家,如美国、德国、日本、英国、法国等都有几十家企业能够生产上千种各类 PLC 产品,其能够实现的功能也越来越多。PLC 作为一种很有特色和发展前途的新型工业控制装置，在各行各业中得到了非常广泛的应用。例如在电力工业中,用于发电机和变压器监控系统；在冶金工业中,用于轧钢机运行的控制；在机械工业中,用于数控机床的控制；在食品工业中,用于饮料灌装生产线的控制；在公共事业中,用于电梯控制,城市交通控制等。使用情况主要分为如下几类： 开关量逻辑控制：取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 工业过程控制：在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 运动控制：PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 数据处理：PLC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。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 4 通信及联网：PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。 为了适应大中小型企业的不同需求,进一步扩大其应用范围,PLC 正朝着以下方向发展: 低档 PLC 向小型,简易,廉价方向发展,使之能更加广泛地取代继电器控制,日本三菱公司的 FX 系列具有逻辑运算,计时,计数,加减运算等各种功能。 中高档 PLC 向大型，高速，多功能方向发展，使之能取代工业控制微机的部分功能，对大规模，复杂系统进行综合自动控制。开发满足不同需要的特殊功能模块，方便用户构建的控制系统。 工厂综合自动化，消灭自动化孤岛，方便自动化系统集成是现代工业生产的需要，增强 PLC 的联网通信能力。包括 PLC 与计算机之间，不同 PLC 之间，PLC 与现场总线之间通信能力的增强是 PLC 近年来发展的一个重要方向。 编程语言不断丰富。许多公司的 PLC 编程语言除了原有的梯形图语言，指令表语言，顺序功能图之外还推出多种高级语言编程，以适应更广泛的需求，编程工具也在向小型化，通用化和多功能方向发展。1.3.2 国内 PLC 的发展和应用我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。1977年我国研制成功了以一位微处理器MC14500为核心的可编程序控制器,并开始应用于工业领域。可那时候国外可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。尽管接下来PLC在我国各种企业的生产设备及产品中不断扩大了应用。但我国在这个方面与发达国家有着明显的差距。多年来的实践证明,PLC的应用,使我国工业自动化水平有了很大的提高,经济效益显著,但是,目前我国自行研制,开发或仿制的PLC还只限于小型PLC,中档以上的国产产品还是空白。国产产品不论是数量还是功能上都不能满足国内市场需求。目前，我国自己可以生产中小型可编程控制器的企业也有许多。如上海东屋电气有限公司、杭州机床电器厂、大连组合机床研究所、苏州电子计算机厂等，而且它们的多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。如北京和利公司推出的 G3 型小型 PLC 有符合 IEC61131-3 的五种编程语言，编程软件具有超强的计算功能，它有极强的通信功能，有集于 CPU 模块的标准 Modbus 协议，专有协议和自由协议的通信接口。通过该接口可方便地接到 Profibus 等总线上去。还有深圳德维森公司开发的基于 PC 的软 PLC TOMC 系列。其特点是符合 IEC61131-3 国际标准的编5程语言，允许梯形图，顺序功能图和功能模块图混合编程，用户可以开发基于内置PC 资源的 C 语言和定义功能块，通过以太网，TCP/IP 与上位机联网。在 90%的国内 PLC 市场由国外 PLC 产品占领的今天，国产 PLC 能脱颖而出，并具有和国外同类产品进行竞争的能力，相信不久的将来，国产 PLC 将占领市场更大份额。国产化 PLC 的品种和性能将再上一个新的台阶。1.4 PLC 控制系统的优点 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。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采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PLC构成控制系统，和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，PLC带有硬件故障自我检测功能，出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PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已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，PLC大多具有完善的数据运算能力，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PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC是面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。 系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。1.5 设计研究内容及创新点61.5.1 主要研究内容课题主要研究 PLC 控制的基本原理；PLC 控制的工艺过程, PLC 控制系统硬件和软件的设计；以及 PLC 的编程方法。1.5.2 主要创新点卷扬控制系统是实现了高炉生产全过程自动控制的基础，通过采用先进的传感器技术以及稳定的 PLC 控制技术大大提高了这个高炉生产最重要环节的准确性和稳定性。系统自投入运行以来一直稳定运行，对高炉稳产、高产，降低成本，减轻工人劳动强度起着重要作用，取得了较好的经济效益和社会效益。7第 2 章 高炉上料系统的供配电设计2.1 相关概念电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节。配电系统由配电变电所（通常是将电网的输电电压降为配电电压）、高压配电线路（即 1 千伏以上电压）、配电变压器、低压配电线路（1 千伏以下电压）以及相应的控制保护设备组成。配电电压通常有 3560 千伏和 310 千伏等。配电系统中常用的交流供电方式有：（1）三相三线制。分为三角形接线（用于高压配电，三相 220 伏电动机机和照明）和星形接线（用于高压配电、三相 380 伏电动机）。（2）三相四线制。用于 380220 伏低压动力与照明混合配电。（3）三相二线一地制。多用于农村配电。（4）三相单线制。常用于电气铁路牵引供电。（5）单相二线制。主要供应居民用电。配电系统的直流供电方式有：（1）二线制。用于城市无轨电车、地铁机车、矿山牵引机车等的供电。（2）三线制。供应发电厂、变电所、配电所自用电和二次设备用电，电解和电镀用电。一次配电网络是从配电变电所引出线到配电变电所（或配电所）入口之间的网络。在中国又称高压配电网络。电压通常为 610 千伏 ，城市多使用 10 千伏配电。随着城市负荷密度加大，已开始采用 20 千伏配电方案。由配电变电所引出的一次配电线路的主干部分称为干线。由干线分出的部分称为支线。支线上接有配电变压器。一次配电网络的接线方式有放射式与环式两种。8二次配电网络是由配电变压器次级引出线到用户入户线之间的线路、元件所组成的系统，又称低压配电网络。接线方式除放射式和环式外，城市的重要用户可用双回线接线。用电负荷密度高的市区则采用网格式接线。这种网络由多条一次配电干线供电，通过配电变压器降压后，经低压熔断器与二次配电网相连。由于二次系统中相邻的配电变电器初级接到不同的一次配电干线，可避免因一次配电线故障而导致市中心区停电。电力系统中，发电厂、变电所和电力用户之间的连接方式，是由它们之间的地理位置、负荷大小及用户的重要性决定的。通常把电力网络的接线方式分成 3 种：放射性接线、树干式接线、环网式接线。（1）放射式：又称辐射式。每条线路只向一个用户变电所供电，中间不接任何其用户。其优点是线路设计和敷设都较简单，便于管理，故障、检修互不影响，当线路发生故障时，负荷将会停电。此种接线方式供电线路长、投资大，适于负荷性质特殊，对供电可靠性要求不高的用户。放射式（2）树干式：又称干线式。其特点是多个用户共用一条输电线路，可节约输电线路投资，但由于输电线路分布广，故障率高，一旦输电线路故障或检修，整条输电线路用户都将停电，故可靠性较低，仅适用于要求不高的一般用户或农村电网。树干式9（3）环网式：又称环式。环网式又分闭路环和开路环两种，为简化保护，一般采用开路环，其特点是供电可靠性高，支行比较灵活，当输电线路故障或检修时，可通过倒闸操作，缩小停电范围和时间，但切换操作比较麻烦。链式(1)计算负荷计算负荷是指用统计计算求出的，用来选择和校验变压器容量及开关设备、连接该负荷的电力线路的负荷值。-负荷的有功计算负荷cP-负荷的无功计算负荷cQ-负荷的视在计算负荷cS-负荷的计算电流cI(2) 负荷计算负荷计算是指对某一线路中的实际用电负荷的运行规律进行分析，从而求出该线路的计算负荷的过程。2.2 负荷计算方法负荷计算通常具有两种方法，一种是需要系数法，一种是二项式系数法。两种方法各有各的适用范围。需要系数是按照车间以上的负荷情况来确定的，适用于变、10配电所的负荷计算。二项式系数法考虑了用电设备中几台功率较大的设备工作时对负荷影响的附加功率，一般适用于低压配电支干线和配电箱的负荷计算。根据本槽下系统的特点，采用需要系数法计算供电负荷。(1) 振动筛的计算负荷查表取需要系数和功率因数为： dk=0.5=0.8 =0.8 =0.75Kcostan=1.1 4=4.4KwNP= =3.52 Kw c a2dN= =2.64 KwQ tan= =4.4 Kwca2S2cc+(2) 电机的计算负荷dk0.6cos0.75tan=0.8NP=5+.13Kw= =7.8Kwc a2dN= =6.86KwQ tan2ca2c cS=0.93210.9I5.8A8(3) 卷扬机的负荷计算dk=0.1cos0.5tan=1.73=55KwNP= =5.5Kwc a2dKN= =9.52KwQ ta2ca2c cS+=10.9Kw3310.9I67A8(4) 布料机的计算负荷11dk=0.75cos=0.75tan0.8= =3Kwc a2PKN= =2.64KwQ tan2ca2c cS+4w3410I6.A8(5) 总的计算负荷取同时系数 K=0.92178ZcaPw.5QZS+6432.10I=.A8Z2.3 供配电设备选型控制电器用于控制线路的通断，即控制该线路上的用电设备是否工作。保护电器用于保护线路或设备避免发生过载、短路、漏电等事故。线路或设备过载时，因导体发热而温度升高，加速绝缘老化，缩短使用寿命；短路时电流会迅速增大，温度会增高许多倍，绝缘会迅速损坏，以至产生火灾事故和人身事故；漏电会使用电器金属外壳带电，发生人身伤亡等事故。可见，在建筑电气供配电系统中控制和保护设备是相当重要的，在供配电系统中起保护、控制、调节、转换和通断作用。一般低压控制和保护设备是合二为一的。控制和保护设备是根据一定的技术条件制造的，使用中应根据周围环境特征、电流种类、电压大小、保护要求（过负荷、短路和失压保护）等条件进行选择。但保护线 PE 上不装设控制和保护设备，中性线 N 一般也不装设控制和保护设备，当中线能与相线同步通断时，可以装设控制和保护设备，若中性线与保护线共用时也不能装设控制和保护设备。（1）根据周围环境特征选择按照控制和保护设备外壳结构形式分类，它们有开启式、保护式、封闭式、密闭式和防爆式等数种，其具体选型根据周围环境参照表 2.10 选用。一般低压电器所12适用的环境为海拨高度不超过 2500m，空气温度在+40-40C 范围内，相对湿度为90%，无明显摇动和振动的地方；无爆炸危险，无腐蚀金属和破坏绝缘的气体和尘埃，没有雨雪侵袭的环境。在选用低压电器时，要注意安装环境是否符合上述环境条件，若不符合则应选用能适合特殊环境的低压电器。（2）根据电流、电压选择控制和保护设备按适用于一定的电流和电压范围进行设计的，称之为额定电压和额定工作电流，在选择时必须按照实际工作的电流、电压值来选择，不应超过或低于其额定电压与额定电流，否则会发生事故或缩短设备的使用寿命。（3）根据保护条件选择电力变压器低压侧一般选用带过电流保护的自动开关，并尽量带有短延时和长延时脱扣器，且短延时脱扣器的时限一般比低压出线时限大一级。对于需要自动切换的，还应带有低电压保护。低压配电线路一般只作短路保护，但在有过负荷可能以及火灾和爆炸危险场所的低压配电线路，需要有过负荷保护。电动机除装设短路保护装置外，还应装设过负荷和失压保护装置。电动机的过负荷保护，一般采用热继电器。在进户线或总电源处一般设置刀开关或隔离开关，便于检修。若需要自动切换时，还可装设自动空气开关。在所有的配电线路中都应装设有短路保护装置和过载保护装置。在住宅的每户供电线路上应装设保护装置，最好是把照明线路与插座线路的保护装置分开，这样当插座回路出现故障时，不会影响到照明回路；酒店的每套客房应装设一个保护装置；在易潮湿、易触电、易燃场所及移动式用电设备供电的回路，应装设漏电保护装置1开关：在选择刀开关时，要根据用途、环境来确定适当的型号，满足额定电压和额定电流的要求，并按线路短路时的电动稳定和热稳定进行校验。刀开关安装在额定电压不超过 500V 的线路上，为保护刀开关能安全可靠运行，通过刀开关的计算电流不应大于刀开关的额定电流，即： （ 2.10）II30式中 刀开关的额定电流；I线路的计算电流。I30在正常情况下，刀开关可以接通和断开额定电流，对于普通的负荷来说，可以根据负载的额定电流来选择相应的刀开关，若刀开关控制电动机时，由于电动机的启动电流很大，所以选择刀开关的额定电流要比电动机的额定电流大一些。在选择13开关时还要选择合适的操作机构，以便操作和维护方便HD 系列开关结构简单，有手柄操作、直接操作或杠杆操作，可单极、双极、三极，其中额定电流为 100400A 的刀开关采用单刀操作。选用开关型号及参数：HD13-400/21 额定电压 380V 额定电流 400A 权数 2 外形尺寸 210*220*275mm 质量 4.78Kg采用中央正面杠杆操作结构式。2 熔断器：熔断器是最简便的而且有效的保护电器。熔断器一般是指熔体底座和熔体的组合，在选用熔断器时，熔体的熔断电流绝不能大于其底座的额定电流，而熔体的额定熔断电流应根据不同用电设备来选取。在照明用电线路中，一般熔体的额定电流大于或等于负载的计算电流，即：II30若负荷是气体放电灯时，在其启动瞬间电流很大，因此，熔体额定电流应选取大一些。（1.11.7） （2.11）I I30式中 刀开关的额定电流；I线路的计算电流。I30RT11 系列高分辨能力熔断器，改系列可用于交流 50Hz、60Hz，额定电压 500V以下，额定电流 400A 以下的电气配电装备中。选用型号及参数：RT11-80M 熔丝额定电流 80A 质量 0.43Kg。3交流接触器：自动控制系统中最常用、最普遍的一中电器，可以频繁接通和分断带有负载的电路，实现远距离的自动控制。接触器的工作原理是利用电磁吸力来使触头动作的开关，它可以用于需要频繁通断操作的场合。接触器按电流类型不同可分为直流接触器和交流接触器。在建筑工程中常用的是交流接触器。接触器的结构原理如图 2-1 所示。当线圈通电后，铁芯被磁化为电磁铁，产生吸力，当吸力大于弹簧反弹力时衔铁吸合，带动拉杆移动将所有常开触头闭合、常闭触头打开。线圈失电后，衔铁随即释放并利用弹簧的拉力将拉杆和动触头恢复至初始状态。接触器的触头分两类，一类用于通断主电路的，称主触头，有灭弧罩，可以通过较大电流。另一类用于控制回路中，可以通过小电流，称辅助触头。辅助触头主要有常开和常闭两类。目前常见的交流接触器型号有 CJ12、 CJ20、B、LC1-D 等系列。14图 2-1 接触器的结构原理1 号 2 号 11 号 12 号电机选用型号：JT4-20S 额定电压 380V 额定电流 20A3 号到 10 号电机选用型号：JT4-10S 额定电压 380V 额定电流 10A4热继电器：起到保护电路作用。为了使熔断器及断路器等保护装置在配电线路短路或过载时，能可靠地保护电线及电缆，必须考虑保护器动作电流与导线允许载流量的关系。断路器：用于频繁接通和分断电路，当电路发生短路、过负载等故障时，能自动分断电路。一般可按表 2-2 选取。表 2-2 保护装置整定值与配电线路允许持续电流配合无爆炸危险场所 有爆炸危险场所过负荷保护 短路保护橡皮绝缘电线与电缆低绝缘电缆电线及电缆橡皮绝缘电线及电缆低绝缘电缆保护装置电线及电缆允许持续电流 I熔体额定电流 IN IN0.8I INI IN2.5I IN0.8I INI断路器长延时动作电流Iop1Iop10.8I Iop1I Iop1I Iop10.8I Iop1I热继电器选型：1 号 2 号 11 号 12 号电机选用型号：JR20-63 额定电流 63A 3 号到 10 号电机选用型号：JR20-16 额定电流 16A断路器选用型号：DZ20Y-100 额定电压 380V。为了使故障限制在一定的范围内，各级保护装置之间必须能够配合。15熔断器与熔断器间的配合关系为：一般要求上一级熔断器的熔断电流比下一级熔断器的熔断电流大 23 倍，这样才能保证熔断器动作的选择性。断路器与断路器间的配合关系为：上一级断路器脱扣器的整定电流一定要大于下一级断路器脱扣器的整定电流，对于瞬时脱扣器整定电流也是同样的。熔断器与断路器之间的配合关系为：当上一级为断路器，下一级为熔断器时，熔断器的熔断时间一定要小于断路器脱扣器动作所要求的时间。若上一级为熔断器，下一级为断路器时，断路器脱扣器动作时间一定要小于熔断器的最小熔断时间。根据以上原则进行元件选型，供配电系统电路及元件型号见附图（供水系统中三用一备水泵供配电系统图）6. 按钮：一种专门发号施令的电器，用以接通或断开控制回路中的电流。选用型号：LA18-2K 额定电压 380V(交流)、220V(直流) 额定电流（5）启动黑色、停止红色 触头 4 个（2 开、2 闭） 。7. 电流继电器：根据电流信号而动作.选用型号：JT17-11Z 适用于交流 380V 以下，直流 110、220V额定电流 300A(7) 供配电图（见附图）2.3 系统技术指标及控制要求高炉上料卷扬系统的特点是主卷电动机工作频繁，负荷重，启动转矩要求高,要求有足够的提升、运载能力，上料量及上料速度要满足高炉强化生产的要求。主卷扬系统主要由一个卷筒带南北两个料车。主卷扬 55KW 电机，主线路由两个CJ20-160 交流接触器正反转控制。定子线圈串接电阻器由三个 CJ20-160 交流接触器分段控制，实现料车加减速。抱闸的推杆电机与主卷扬电机同步，接线受同一个接触器控制。电机得电，抱闸打开；电机失电，抱闸抱紧。凸轮控制器是这一电控系统的重要元件，通过链条与主卷筒相连，随着卷筒转动（起先一个转动，当转角达到相当于行程的一半时，该滚筒即停止转动，而另一半行程由另一个滚筒来完成）在其壳体内装有两个滚筒，随着接点的位置不同而发出相应的连锁信号。松绳断电开关动作，卷扬机停车。空料车从炉顶顷翻状态返回，重料车开始上升；实际上在料车提升一次所需的时间中，启动和停止时间占了近一半。卷扬机是高炉上料系统16的主要设备。其实现自动控制相关设备还有：旋转布料器，电机都带抱闸制动；大小料钟，通过液压装置由电磁阀控制。2.4 高炉上料系统装置的相关控制大料钟和小料钟动作是由液压站通过电磁阀控制液压缸来实现的，电磁阀和电液换向阀只有通电、断电两种状态，其动作快慢通过调整油量实现，和电气无关。上料操作通常有大钟不关，小钟不开；小钟不关，大钟不开的规定。所以，在自动控制时，只有在计算机接收到其中一个钟关的信号时，程序才能输出另一个钟的开信号。17第 3 章 PLC 控制系统硬件设计可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是 PLC 实施控制的两个基本点，同时物理实现也是 PLC 与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以 PLC 采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU） 、存储器（RAM/ROM） 、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC 的基本结构如 图 3-1 所示：图 3-1 PLC 基本结构图PLC 的硬件系统设计最重要的内容就是 PLC 的选型和 I/O 配置，设计出合理的PLC 外部接线图也很重要。对 PLC 的输入，输出进行合理的地址编号，会给 PLC 系统的硬件设计和软件设计带来很多方便输入输出地址编号确定后，硬件设计才可能很好完成。具体来说，PLC 控制系统硬件设计可分为：确定 I/O 设备；PLC 的选型；分配 I/O 点，绘制 I/O 接线图。183.1 确定 I/O 设备根据系统的工艺过程和控制要求，确定系统所需要的输入设备和输出设备。该系统用到的输入设备包括，按钮，位移传感器，光电传感器，光电开关，限位开关，测速机等；输出设备有继电器，变频器，电磁阀指示灯等。传感器主要是将采集到的模拟信号通过 A/D 转换设备变成数字量或开关信号输入 PLC，用来实时控制系统的工作；指示灯用来指示电机，阀等的工作状态。3.2 PLC 的选型 众多的 PLC 产品既给用户提供了广阔的选择余地，也给用户规定了一些使用环境和要求，这样就给用户使用 PLC 产品带来了一定困难。PLC 的选型与继电器控制系统元件的选用不同，继电器接触器系统元件的选用，必须要在设计结束之后才能定出各种元件的型号，规格和数量以及确定控制台，控制柜的大小等，而 PLC 选用则在应用设计的开始即可根据工艺提供的资料及控制要求等预先进行。在选择了所需功能的 PLC 主机，还要根据需要选择相应的模块。因此，PLC 的选择包括主机型的选择，容量的选择，I/O 模块的选择，电源模块的选择等几个方面。（1）机型的选择：通过对这个系统的分析和系统控制的要求，准确地统计出被控设备的输入输出点数为：83 个开关输入，25 个开关输出。因此对于这样一个系统来说采用模块式小型的 PLC 就可以满足它控制要求。此外还考虑到它使用和维修的方便性以及最佳的性价比。（2）容量的选择：PLC 的容量包括用户储存容量（字数）和 I/O 点数两方面的含义。PLC 容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，I/O 点数一般按需要的 15%左右考虑，容量按实际需要的 25%考虑。（3）I/O 模块的选择：I/O 部分的价格占 PLC 价格的一半以上。应根据实际情况的需要进行合理的选择，主要考虑的是 I/O 信号的性质和参数，例如。输入信号电压的类型等级和变化率；信号源是电压输出型还是电流输出型，是 PNP 输出型还是 NPN 输出型；输出信号的负载性质是交流的，还是直流的，以及它的大小，以便选择确定选用晶体管，双向晶体管还是继电器输出。（4）电源模块的选择：电源模块的选择要需考虑输出电流，电源模块的额定输出电流必须大于 CPU 模块，I/O 模块，专用模块等消耗电流的总和，并留有一定裕量。此外还要考虑电压模块的输入电压，输出功率以及扩展单元中的电源模块等。本次设计采用 CPU 226，本机集成 24 输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块， 最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。 。26K 字19节程序和数据存储空间。6 个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器能力。I/O 端子排可很容易的整体卸载，用于较高要求的 控制系统，具有更多的 I/O 点，更强的 模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的 内部集成特殊功能。可完全适用于一些 4 复杂的中小型控制系统。西门子公司 S7200 系列 PLC 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200 系列具有极高的性能/价格比。S7-200 系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性，极其丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动 检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如： 冲压机床 磨床 印刷机械 橡胶化工机械 中央空调 电梯控制 运动系统。3.3 I/O 点的分配与接线图一般情况下，输入点数与控制对象的输入信号数是相对应的（留有适当裕量） ，输出点数与输出的控制回路数也是相对应的。故 I/O 点的分配，实际上把 PLC 的I/O 分配给实际的 I/O 电路，给实际的输入和输出设定一个 PLC 地址，列出一张 I/O分配表，这个工作很重要，只有正确的分配 I/O 点才能绘制 I/O 接线图，也是后面的软件设计的基础，这为编写梯形图程序提供了很大的方便。下面分别介绍了 I/O点的分配表和 I/O 的接线图。该系统共使用了 83 输入点,25 输出点, 涉及到顺序逻辑控制，还有对数据处理和故障处理，整个系统的编程量较大, 除主程序外，还包括：主卷扬、大小钟阀、布料器、故障报警等子程序块。主程序控制整个上料流程，子程序则控制相应及相关的设备或完成相关的数据处理功能。3.3.1 PLC 输入和输出 I/O 点分配如下表：表 1 输入信号名称 代码 编号总开关 SB1 I0.0201#焦仓筛启动 SB11 I0.11#焦仓筛停止 SB12 I0.21#焦仓筛继电器 KM1 I0.3电气保护 ZK1 I0.41#焦仓闸门开 SB13 I0.51#焦仓闸门关 SB14 I0.61#焦仓闸门开到位 KA11 I0.71#焦仓闸门关到位 KA12 I1.02#焦仓筛启动 SB21 I1.12#焦仓筛停止 SB22 I1.22#焦仓筛继电器 KM2 I1.3电气保护 ZK3 I1.42#焦仓闸门开 SB23 I1.52#焦仓闸门关 SB24 I1.62#焦仓闸门开到位 KA21 I1.72#焦仓闸门开到位 KA22 I2.03#焦仓筛启动 SB31 I2.13#焦仓筛停止 SB32 I2.23#焦仓筛继电器 KM3 I2.3电气保护 ZK5 I2.43#焦仓闸门开 SB33 I2.53#焦仓闸门关 SB34 I2.63#焦仓闸门开到位 KA31 I2.73#焦仓闸门关到位 KA32 I3.04#焦仓筛启动 SB41 I3.14#焦仓筛停止 SB42 I3.24#焦仓筛继电器 KM4 I3.3电气保护 ZK7 I3.44#焦仓闸门开 SB43 I3.54#焦仓闸门关 SB44 I3.64#焦仓闸门开到位 KA41 I3.74#焦仓闸门关到位 KA42 I4.0运焦皮带运行 SB51 I4.121运焦皮带停止 SB52 I4.2继电器 KM5 I4.3电气保护 ZK9 I4.4左料坑闸门开 SB53 I4.5左料坑闸门关 SB54 I4.6左料坑闸门开到位 KA51 I4.7左料坑闸门关到位 KA52 I5.0运矿皮带运行 SB61 I5.1运矿皮带停止 SB62 I5.2继电器 KM6 I5.3电气保护 ZK11 I5.4右料坑闸门开 SB63 I5.5右料坑闸门关 SB64 I5.6右料坑闸门开到位 KA61 I5.7右料坑闸门关到位 KA62 I6.0电动翻板左 SB71 I6.1电动翻板右 SB72 I6.2继电器 KM7 I6.3电气保护 ZK13 I6.4卷扬机正转启动 SB81 I6.5卷扬机正转停止 SB82 I6.6卷扬机正转继电器 KM81 I6.7卷扬机反转启动 SB83 I7.0卷扬机反转停止 SB84 I7.1卷扬机反转继电器 KM82 I7.2料车上限 SB85 I7.3料车下限 SB86 I7.4卷扬机电气保护 ZK14 I7.5布料机启动 SB91 I7.6布料机停止 SB92 I7.7布料机继电器 KM9 I8.0布料机保护 ZK15 I8.1小钟开 SB101 I8.222小钟关 SB102 I8.3小钟开到位 KA71 I8.4小钟关到位 KA72 I8.5大钟开 SB111 I8.6大钟关 SB112 I8.7大钟开到位 KA81 I9.0大钟关到位 KA82 I9.11#筛料满 SB121 I9.21#筛料空 SB122 I9.32#筛料满 SB131 I9.42#筛料空 SB132 I9.53#筛料满 SB141 I9.63#筛料空 SB142 I9.74#筛料满 SB151 I10.04#筛料空 SB152 I10.1左料斗空 SB161 I10.2右料斗空 SB162 I10.3手动 SB171 I10.4自动 SB172 I10.5表 2 输出信号名称 代码 编号1#焦仓筛工作 KM1 Q0.01#焦仓闸门开关 KA1 Q0.12#焦仓筛工作 KM2 Q0.22#焦仓闸门开关 KA2 Q0.33#焦仓筛工作 KM3 Q0.43#焦仓闸门开关 KA3 Q0.54#焦仓筛工作 KM4 Q0.64#焦仓闸门开关 KA4 Q0.7运焦皮带工作 KM5 Q1.0运矿皮带工作 KM6 Q1.1翻板转动 KM7 Q1.223左料坑斗开关 KA5 Q1.3右料坑斗开关 KA6 Q1.4卷扬机正转 KM8 Q2.2卷扬机反转 KM9 Q2.3料车上限 KM10 Q2.4料车下限 KM11 Q2.5小钟工作 KA7 Q2.6大钟工作 KA8 Q