高炉喷煤自动控制软件系统的设计与开发毕业设计.doc

I 高高炉炉喷喷煤煤自自动动控控制制软软件件系系统统的的设设计计与与开开发发 毕毕业业设设计计 目目 录录 摘 要 .I ABSTRACT.II 目 录 .IV 1 绪论 1.1 课题的研究背景.(1) 1.2 课题的研究目的和意义.(2) 1.3 国内外研究概况.(4) 1.4 论文的主要研究内容.(5) 2 系统特点分析及基本理论介绍 2.1 喷煤工艺简介.(7) 2.2 高炉喷煤新发展.(8) 2.3系统应用背景及特点.(9) 2.4PLC 基本知识.(12) 2.5课题硬件及软件选择.(15) 2.6 本章小结.(17) 3 煤量计算模型设计 3.1 煤量计算模型提出.(18) 3.2 煤量计算的 IPO 模型 .(19) 3.3 煤量计算的数学模型.(20) 3.4 煤量计算模型设计.(21) II 3.5 本章总结.(23) 4 喷煤自动控制软件系统的设计及实现 4.1 需求分析与规范确定.(24) 4.2 总体设计.(25) 4.3 系统详细设计.(26) 4.4 系统实现.(34) 4.5 本章小结.(41) 5 系统测试与维护 5.1 硬件系统测试.(42) 5.2 软件系统测试.(43) 5.3 系统维护.(53) 5.4本章小结.(56) 6 全文总结与展望 6.1 全文总结.(57) 6.2 展望.(58) 致 谢.(59) 参考文献.(60) 附录 1 攻读学位期间发表论文目录.(63) 1 1绪论绪论 软件的开发是一个繁杂的工作过程，无论是普通意义上的应用软件还是工业过 程的自动控制软件，都需要一个正确的开发方法指导其过程，并由此产生出符合工 艺要求且实用的软件。软件工程学科是一门指导计算机软件开发和维护的工程学科， 是一类求解软件的工程。它应用计算机科学、数学及管理科学等原理，借鉴传统工 程的原则、方法，创建软件以达到提高质量，降低成本的目的。其中，计算机科学、 数学用于构造模型与算法，工程科学用于制定规范设计模型、评估成本及确定权衡， 管理科学用于计划、资源、质量、成本等管理1。 控制的前提就是要能够度量。Lord Kalvin曾说过：当你能够度量你所谈论的事 物，并且用数字把它表达出来，那你对此事物已经有所了解。当你无法度量它，则 你的知识并不足以了解它2。软件亦是如此，如果软件工程想成为研究软件过程及其 相关内容的科学，那它就必须以数学为基础。如何能够在基于计算机系统的自动控 制软件系统设计中应用数学模型，取得系统的资金及功能上的优势，是控制软件系 统的关键。 1.1 课题的研究背景课题的研究背景 如今，随着IT业的总体水平的提升，软件工程的思想被融入到各种软件开发技 术中。而20世纪60年代开始发展起来的计算机系统工程，是计算机硬件、软件、数 据通信装置、数据存储设备、规章制度和有关人员的统一体。它广泛存在于医疗、 机械、电力、钢铁冶金及制造业等领域内，在各个领域有着广泛的应用，如计算机 辅助设计（CAD）系统、计算机辅助制造（CAM）系统、计算机辅助教学系统、计 算机辅助医疗系统、军用的计算机指挥系统、通信软件工程、公用或专用的现代通 信系统和信息服务系统都各具特色，管理软件是一类最具代表性的软件工程。 基于计算机的系统是“某些要素的一个集合，这些要素被组织起来以实现某种方 法、过程或借助处理信息进行控制”3。图1.1给出了基于计算机系统的系统要素及 相互之间关系。因此，基于计算机的自动控制软件系统设计，是“计算机系统工程” 中的一个活动，它指与构造基于计算机系统有关的过程、方法和技术，它是一种问 题求解活动，目的是揭示、分析所期望的功能，并把它们分配到各个单独的系统要 2 素中去。 过 程 文 档 硬 件 软 件 人 数据库 输输入入 输输出出 系统 图 1.1 基于计算机系统的系统要素及相互之间关系 2200m3高炉喷煤自动控制系统是一个计算机系统工程，它来源于安阳钢铁公司 炼铁厂 2200m3高炉总承包项目中的子项目，是由安阳钢铁公司炼铁厂自行开发设计 的项目。它作为一个计算机系统工程，具有上述的几方面的要素，即喷煤工艺过程、 计算机自动控制系统、相关人、硬件系统、控制软件、文档及实时数据库等，它是 一个繁杂的大型控制系统，通过计算机系统，将控制软件、数据库及硬件系统等要 素有机地结合起来完成一定的工艺要求及生产控制过程。 在以往类似的高炉喷煤自动控制软件系统设计中，没有按照软件工程的思想将 工程化应用于整个系统的设计过程，并且不能够有效地应用计算机科学、数学及管 理科学等原理，构造模型与算法，为系统提供良好的控制功能，以达到提高质量， 降低成本，对将来的生产运行过程产生指导性意义的目的，因此，在这种背景下， 我们提出了本研究课题，它将对今后的基于计算机系统的工业自动控制软件系统设 计发挥有效的促进作用。 1.2 课题的研究目的和意义课题的研究目的和意义 目前，我国的钢铁企业生产已步入了一个十分重要的阶段，许多企业为了节约 生产成本，将降焦比作为进行市场竞争的重要砝码，而喷煤是钢铁企业降比增效的 有效途径。高炉喷煤自动控制工程，是喷煤系统能否正常运行，能否完成节能降耗 重任的关键。 在 2200m3高炉喷煤自动控制软件系统的开发设计及调试投运过程中，我们本着 先进性和适用性的原则，在实现基本控制功能的基础上，希望能够有效的利用喷煤 自动控制模型，为我们的系统提供良好的控制功能，通过模块化的设计和所开发设 3 计的煤量计算模型，使喷煤自动控制系统能够实现均匀、稳定、大喷吹，对将来的 生产运行过程产生指导性意义。 本课题是在安钢 2200m3高炉喷煤自动控制软件系统开发之际，为了更好的建立 高质量的控制程序而提出的。在对软件工程专业知识有了一定的学习和掌握之后， 希望在工程项目的全过程中有意识的应用软件工程设计模式来建立高质量的控制系 统，按照建立和使用一套合理的工程化原则，将系统化的，严格约束的可量化的方 法应用于软件的开发、运行和维护，即将工程化应用于软件4。有针对性地使用结构 化方法与面向对象的方法来改善整个系统设计，为系统提供良好的系统架构。在项 目进行过程中以及调试投运后，采集大量的实验数据，来分析研究应用煤量计算模 型的高炉喷煤自动控制软件系统的具体应用及效果。安钢 2200m3高炉喷煤自动控制 软件系统设计与开发，为今后类似工程项目开发积累了经验，具有一定的推广应用 价值。 计算机软件的开发和维护过程中常遇到的一系严重问题，归纳起来有：1、软件 开发无计划性；2、软件需求不充分；3、软件开发过程无规范；4、软件产品无评测 手段。这些矛盾，表现在上个世纪 60 年代尤为突出，使得许多大的软件项目资源耗 尽，不可维护，中途流产。1968 年北大西洋公约组织的计算机科学家在德国开会， 讨论软件危机问题，正式提出了软件工程问题。 以往在基于计算机系统的自动控制软件设计过程中，往往只是简单地根据工艺 要求，做出相应的控制软件设计，没有一个有序的、有计划的过程，而软件工程思 想建议用一定的流程将各个环节连接起来，并可用规范化的方式操作全过程5。本次 课题项目的完成过程中，有意识地利用所学的软件工程的相关知识，对整个软件系 统的设计及模型的研究过程进行规范化的设计，并对利用高等数学原理构造的煤量 计算模型应用做进一步研究，工程学科中的一大原则是总结经验和利用实践证明有 效的方案6，本课题在他人的经验基础上，提出了自己独特的算法思路，并在生产实 践中采集大量的数据来证明其有效性，这对目前国内的喷煤自动控制软件系统的设 计可以作为一个有益的借鉴，对实现喷煤生产的稳定、连续、大喷吹的实践，有一 定的指导意义，同时，对我们在进行基于计算机系统的工业控制软件设计过程中， 能够有意识地将软件工程的观念融入到工业自动控制软件设计中去，提供了一个交 流的平台。 大多数软件设计问题都有多个候选解决方案，但是随着时间和经验的检验，只 4 有少数解决方案成为最佳选择。在本系统中，提出了两个实现均匀喷吹的煤量计量 的模型，同时通过分析，采用了一个适宜的模型，并在特定的软硬件环境里实现了 程序代码设计，通过深入的研究，对这一模型进行全面深入的探讨，并运用在生产 控制中。 1.3 国内外研究概况国内外研究概况 高炉喷煤就是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的无烟煤粉、烟煤粉或两者的 混合煤粉，以代替部分焦炭提供热量和还原剂。高炉喷煤后，可以扩展风口前的回 旋区，缩小呆滞区；可以降低风口前的理论燃烧温度，有利于提高风温使用水平和 富氧鼓风；可以改善高炉炉缸的工作状态，有利于高炉的稳定顺行7。因此，高炉喷 煤成为高炉炼铁系统结构优化的核心。 衡量高炉喷煤技术水平的高低，除了要看它的喷煤量高低之外，还要考察它的 稳定性。影响高炉喷煤量高低的因素很多，除了喷煤罐罐内压力、输送煤粉的气量 之外，还包括喷吹的煤种、喷煤罐内煤粉的温度、贮存时间、贮存量等诸多因素的 影响。而喷煤工艺、装备水平、检测手段和自动控制模型则决定了喷煤量的稳定水 平。而从某种意义上来说，自动控制软件及其控制模型的设计，在最大程度上制约 了喷煤技术的发展水平，成为喷煤生产水平进一步提高的瓶颈。 我国对高炉喷煤技术的开发和应用尽管较早，但从近几年的发展情况来看，已 不再处于领先地位，国外不少高炉的喷煤量越来越高，而且多数高炉是喷吹烟煤。 目前，我国与日本和西欧一些喷煤先进国家相比，尚有如下几方面的差距：喷煤量 和喷煤高炉少，煤焦置换比低，喷吹煤种单一，自动控制水平低，而氧煤喷吹、浓 相输送和单支管计量等虽已开发成功，但还有待于进一步完善和推广。 高炉喷煤技术对于我国钢铁工业乃至国民经济都具有十分重要的意义，而现阶 段，我国的软件行业正在如火如荼地发展着，但是无论从规模还是从年限都无法和 发达国家相比8。就喷煤生产自动化控制方面而言，我国的大部分企业也都实现了控 制功能，但是随着钢铁工业的迅猛发展，在现代喷煤技术中，煤粉喷吹稳定性、喷 吹准确性是高炉喷煤量调节操作的基本要求9，这对于高炉操作的优化及炉况的顺行 有重要的意义。在高炉喷煤自动控制软件系统设计中，如何实现喷吹的稳定性和准 确性，成为喷煤自动控制系统的关键因素。自动控制首先是基本控制功能的实现， 即所控制设备的动作次序等符合工艺的要求；其次是控制模型的设计及应用；再者， 5 是人机交互界面的方便及人性化。而要实现这一过程，最主要的便是控制模型的设 计及应用，在欧洲、日本 1989 年已实现 200kg/tFe 的高炉喷煤示范作业，1991 年 56 月喷煤量增加到 300kg/tFe，目前正在进行喷煤量目标值为 400kg/tFe 的探索 试验10，取得这些成果的关键因素是其自动化控制水平很高。目前，我们国内的一 些大中型钢铁企业在喷煤生产自动控制方面也投入了大量的资金，但却收效甚微， 总结原因，是没有采用一个较好的开发方法与控制模型来设计喷煤自动控制软件。 实现一般的开关逻辑控制，不能成为一个成功的自动控制软件系统，目前，高炉喷 煤最主要的一个参数，便是小时喷煤量，即每小时喷入高炉内的煤粉量，控制它的 稳定性，就成为了整个喷煤自动控制的关键。 企业迫切需要的是怎样把理论运用到实际的工程项目中去11，安钢 2200m3高炉 喷煤自动控制软件系统设计与开发，将先进的控制理论引入高炉喷煤控制系统中， 能够很好地解决煤粉均匀稳定性控制问题，有良好的适用性、可移植性。 1.4 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 喷煤工艺系统中常常以每小时的喷煤量反映喷吹能力的大小及均匀性，而传统 的喷煤自动控制软件设计，不能按照一定的开发模型进行系统的开发，缺乏一个有 效的数学模型控制喷煤量，导致喷煤系统控制不能真正达到均匀、稳定。本文结合 安钢 2200m3高炉喷煤自动控制软件系统的设计与开发项目，应用软件工程的思想， 利用高等数学的微积分原理，采用结构化方法，提出一种新的煤量控制算法模型， 并完成了高炉喷煤自动控制软件系统的开发，采用建模工具 Origin 对其控制效果进 行了测试。具体而言，论文的研究内容主要有： 1）针对高炉喷煤自动控制软件系统的特定应用领域和背景，深入分析了传统的 喷煤控制软件系统，归纳总结出系统设计与开发的难点和特点，并针对难点和特点， 结合系统工艺，确定了系统的软硬件平台。 2）针对喷煤自动控制软件系统中的关键控制数据“喷煤量”，即喷煤量的控制 难题，倒罐过程喷煤量的均匀性问题，利用结构化分析技术，建立了小时煤量计算 模型，应用输入处理输出（IPO）模型及高等数学原理提出小时煤量计算模型算 法思路，并在整个系统设计与开发中得到具体应用。 3）自动控制软件系统的具体设计及实现。包括系统硬件工程及软件工程的设计 及实现。整个系统按照瀑布模型进行开发，并应用所设计的煤量计算模型，解决了 6 工艺系统中没有气固两相流测量元件的问题，同时，对喷煤量的均匀稳定控制起到 了关键作用。系统针对新型工艺控制方式，采用结构化方法进行下位程序设计，模 块化分尽量减少耦合，采用面向对象技术进行基于控件的人机监控画面的开发，界 面具有通用性、方便性特点，并能够连入整个高炉控制系统局域网，实现重要数据 信息的共享，通讯速率高，控制程序效果良好，符合工艺要求。 4）对于开发的高炉喷煤自动控制软件系统完成了测试，通过条件组合逻辑覆盖 方法完成模块测试，并采集大量数据验证煤量计算控制模型，得到了控制软件系统 设计所期望的应用效果，证明了系统的正确性。 7 2 系统特点分析及基本理论介绍系统特点分析及基本理论介绍 通过 PLC 系统基础知识介绍，结合安钢炼铁厂 2200m3高炉喷煤工艺及其发展， 分析了本课题所设计的 2200m3高炉喷煤自动控制软件系统的背景和特点。 2.1 喷煤工艺简介喷煤工艺简介 安钢炼铁厂 2200m3高炉喷煤工艺流程包括原煤储运系统、制粉系统、煤粉输送 系统、喷吹系统、供气系统。工艺流程如图 2.1 所示。 中速磨 高炉 氮气 喷吹罐气动阀分配器 布袋收粉器原煤仓煤场煤粉仓 引风机烟气炉 图 2.1 2200 m高炉喷煤工艺流程 1） 原煤储运系统 该系统包括综合煤场、煤棚、储运方式。为控制原煤粒度和除去原煤中的杂物， 在原煤储运过程中还必须设置筛分破碎装置和除铁器。筛分破碎即可以控制磨煤机 入口的原煤粒度，又可以去除某些纤维状物质。而除铁器则主要用于清除煤中的磁 性金属杂物12。 2） 制粉系统 煤粉制备是指在许可的经济条件下，通过磨煤机将原煤加工成粒度和含水量均 符合高炉喷吹需要的煤粉。制粉系统主要由给料、干燥与研磨、收粉与除尘几部分 组成。在烟煤制粉中，还必须设置相应的惰化防爆抑爆及相应的监测控制装置。 3） 煤粉的输送 煤粉的输送有两种方式可供选择，即采用煤粉罐装专用卡车或采用管道气力输 送，而气力输送连续性好、能力大且密封性好，2200m3高炉采用煤粉气力输送方式。 8 4） 喷吹系统 喷吹系统由并列式喷吹罐组和相应的钟阀、流化装置等组成。装煤与喷煤交替 进行，煤粉喷吹通常是在喷吹罐组内充以高压氮气，再自混合器引入高压氮气将煤 粉经管道和喷枪喷入高炉风口。如图 2.2 所示。 5） 供气系统 供气系统主要是高低压氮气和氧气。主要用于维持系统的安全和正常喷吹运行， 如烟煤制粉和喷吹时采用氮气惰化、灭火等，而氧气则用于富氧鼓风或氧煤喷吹13。 下煤阀1 氮气 流化阀 钟阀 蝶阀 稳压阀 充压阀 沸腾阀 稳压阀 充压阀 放散阀1放散阀2 输煤阀 下煤阀2 下煤阀2 下煤阀1 二次风调节阀 二次风阀 流化阀 吹扫阀 吹扫阀 氮气 蝶阀 钟阀 放散阀2放散阀1 图 2.2 安钢炼铁 2200m3高炉喷吹工艺简图 2.2 高炉喷煤新发展高炉喷煤新发展 经过最近十年来的研究和实践，高炉喷煤技术水平日益提高，获得了一大批研 究成果。 1）富氧喷煤技术得到普遍应用 富氧鼓风不仅操作简便，而且还可以充分利用炼钢余氧资源，提高风口前理论 燃烧温度，增加喷煤量和生铁产量14。尤其是在目前风温水平难以进一步大幅度提 9 高的情况下，富氧喷煤已经成为许多高炉增铁节焦的重要手段，且技术成熟，操作 简单，运行费用低，因而应用相当普遍。 2）氧煤喷吹技术日益成熟 氧煤喷吹技术是 20 世纪 80 年代末期才开始开发并得到应用的一项新技术。通 过氧煤喷吹可以显著地改善煤粉颗粒在风口前的燃烧条件，显著提高煤粉的燃烧率， 大幅度增加喷煤量15。因此发展氧煤喷吹已经成为喷煤技术的一个发展方向。 3）喷煤工艺简化，便于监控 传统的制粉系统通常是采用一、二级旋风分离器加布袋除尘器，而最近设计的 制粉系统多采用一级旋风分离器加布袋除尘器，或者干脆取消一、二级旋风分离器 而采用一级布袋分离器，并应用新型流化技术减少排粉机的数目。 此外，广泛采用新型检测传感器和计算机控制等技术16，不断提高煤粉计量的 精确度和诸如温度、氧浓度、CO 浓度等参数的在线监测水平，这样既能实现喷煤量 的均匀调节，也能增加系统的严密安全连锁控制。 4）粒煤喷吹和配煤混合喷吹技术引人注目 粒煤通常是指粒径在 0.22mm 之间（平均粒度约 0.6mm）的颗粒煤17。粒煤喷 吹可以获得较好的经济效益，同煤粉制粉相比仅磨煤系统设备投资就可节约一半， 且粒煤制备的成本也很低。 配煤混合喷吹是以煤种性能的互补性为基础，旨在改善喷吹煤粉特性如可燃性、 可爆性等，以促进喷煤效果而采用的一种喷煤技术18。迄今国内外许多学者都进行 了配煤混合喷吹方面的基础研究，有些成果已在一些高炉喷吹实践中得到了应用， 是一种具有推广价值的高炉喷吹新技术。 事实上，随着喷煤技术的不断发展，许多相关的或与喷煤并用的技术都取得了 重大进展。这些技术涉及到了诸如煤粉的浓相输送技术、煤粉在高炉内气化燃烧及 炉况调节等的基础研究、喷煤高炉数学模型及计算机控制等19。 2.3系统应用背景及特点系统应用背景及特点 安阳钢铁公司炼铁厂 2200m3高炉于 2005 年 10 月投产，投产后，生产形势较好， 两个月后，日产铁水达到 4000 吨以上，由于高炉的生产成本较高，为了使大高炉生 产指标更上一个新台阶，迫切要求喷煤自动控制软件系统的投产。 根据安钢炼铁厂 2200m3高炉喷煤系统电气设计，除贮运、制粉系统等具有相关 10 工艺检测仪表参数，喷吹自动控制系统设有罐重、罐压、罐温、二次风压力、流量 等仪表检测参数，没有设计主喷煤管道及各支管的煤粉测量装置。目前，煤粉计量 主要有两类，即喷吹罐计量和单支管计量。单支管计量技术是实现风口均匀喷吹或 根据炉况变化实施自动调节的主要保证；喷吹罐计量，是高炉实现喷煤自动化的前 提。实现煤粉计量的连续化和提高煤粉计量的准确性是煤粉计量技术的发展方向。 本课题中，煤粉计量通过小时喷煤量参数反映，它是高炉操作人员掌握和了解喷煤 效果，并根据炉况变化实施调节的重要依据，小时喷煤量的高低及均匀性，直接反 映了高炉喷煤技术的发展水平。 随着喷煤量的增加，喷煤系统的设备启动频率增高，操作间隙时间减少，喷吹 操作周期缩短，手动操作已不能适应生产要求，尤其是当高炉喷吹烟煤或采用多煤 种配煤混合喷吹时，高炉喷煤系统广泛采用计算机控制和自动化操作。根据安钢炼 铁厂 2200m3高炉本体部分的自动控制系统设计，本课题所研究项目将采用一个 PLC 控制站，采用 C/S 结构，集中在喷煤控制系统中心，与高炉本体采用同一方式控制。 传统喷煤自动控制软件系统的设计，往往没有根据软件生命周期过程及遵循较 好的开发模型来进行软件的开发设计，导致所设计的软件没有好的应用效果。而工 业自动控制系统软件，与传统狭隘意义上的软件既有一定的相同之处，也存在一定 的不同。工业自动控制软件系统是主要为完成一定的生产工艺要求而进行的程序设 计，它属于基于计算机的系统工程。如果只是一个简单的功能实现过程，这样产生 的软件系统勉强能满足生产的基本要求。而这次开发设计的高炉喷煤自动控制软件 系统，要实现无直接检测手段情况下的煤粉的计量，同时，应用此结果，参与 PID 回路控制模型，使其能够满足喷煤工艺系统的需求，另外，如何使设计的系统具有 良好的软件架构，易维护、易理解，是应用一定开发技术实现控制系统软件设计的 难点。 根据 2200m3高炉喷煤工艺设计的要求，这次设计开发的控制软件系统与传统的 控制软件系统具有很大的不同特点： 1）工艺控制方式不同 安钢炼铁厂 2200m3高炉喷煤工艺与以往的喷煤工艺有很多的不同点，一是其制 粉系统采用的是中速磨，而以前的系统中采用的是球磨机，中速磨的控制很严格， 需要考虑到多种情况的安全保护，以防止设备的损坏。二是新工艺中的贮运系统中 11 采用了称重给料机，来进行多煤种的配比，配比比例控制是新系统的功能。三是新 工艺中具有多个回路调节，如主排粉风机流量回路调节、炉膛温度回路调节、稳压 回路调节、氮气包压力调节、二次风流量调节回路等。 2）采用的技术不同 安钢炼铁厂 2200m3高炉喷煤自动控制软件系统采用了结构化方法进行下位控制 软件的设计，并且根据使用的软件特点，使用面向对象及基于控件的设计方法设计 了上位机监控人机界面系统，由于采用了控件技术及类方法，使设计的工作量大大 减轻。 3）设计模式不同 安钢炼铁厂 2200m3高炉喷煤自动控制软件系统是基于计算机的系统工程，传统 工业控制软件设计往往只是简单地根据工艺实现控制功能要求，在设计的整个过程 中没有按照一定的设计模型进行设计，导致所设计的软件不能很好地满足工艺需求， 而且在运行后产生很大的维护量。本次设计的安钢炼铁厂 2200m3高炉喷煤自动控制 软件系统是严格按照变异的瀑布模型进行设计，在设计的各个阶段均按照软件工程 的思想进行，并按照基于计算机系统的软件开发周期（如图 2.3 所示）进行系统开发 20。 分析系统要求 完成系统规范 总体设计主 要功能确认 详细设计：软件硬件 设计并选择硬件 来源、设计评审 软件详细设计 设计评审 开发或购买 硬件、测试 模块编程、调试 硬件模块组成 联调软件模块 测试、调试 软件和硬件 联 调、功能测试 维护改进、 现场运行 12 图 2.3 计算机系统开发设计周期 4）采用新型煤量计算模型 喷煤自动控制软件系统的最终目的是要实现均匀稳定的煤粉喷吹。而如何实现 煤粉的均匀与稳定，有多种因素，除了工艺设备的设计与安装外，最重要而最直接 的是煤粉的计量，也就是小时煤量控制。小时煤量即每小时喷入高炉风口的煤粉总 量，实现它的计量检测方法一般是采用煤粉流量计。 煤粉在管道内气固两相流动过程中，其离散相的尺寸、空间分布和流动状态是 随机变化的，利用气固两相电学特性介电常数的随机变化对电容探头极板施加 电场的随机调制作用，造成电容探头电容量的随机变化，电容探头电容量的变化不 仅与气固两相混合物中两相流体的体积流量百分比有关，而且与离散相的局部浓度 （即单位体积内含有离散相颗粒及体积）有关。通过对电容探头检测到的流动噪声 信号进行深入分析，发现流动噪声信号对时间的变化率与被测两相流体中离散相的 质量流量之间有确定关系。因此，在一定条件下可以根据流动噪声信号对时间变化 率的幅度分析和频谱分析，确定气固两相流中离散相质量流量的大小，这就是煤粉 流量计的测量原理21。 安钢炼铁厂 2200m3高炉喷煤系统中没有设置这样的测量装置，如何进行煤粉的 计量，从“数字”上说明喷煤系统的稳定性、均匀性，成为这次项目设计中的关键。 此次喷煤自动控制软件系统设计提出煤量计算模型，利用高等数学原理实现煤粉小 时煤量及瞬时平均煤量的计量，并由它参与 PID 回路的调节，自动控制喷煤量的大 小。 2.4PLC 基本知识基本知识 在自动化控制领域，PLC 是一种重要的控制设备。目前，世界上有 200 多厂家 生产 300 多品种 PLC 产品，应用在汽车（23%） 、粮食加工（16.4%） 、化学/制药 （14.6%） 、金属/矿山（11.5%） 、纸浆/造纸（11.3%）等行业。 2.4.1 PLC 的发展历程的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制及离散量的数据采集是通过气动或 电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装 置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置， 首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 13 Programmable Controller（PC）22。 个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功 能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（PLC） ，现在，仍常 常将 PLC 简称 PC23。 PLC 的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对 PLC 的定义是：可编程控制 器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程 序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算 等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过 程24。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络 能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控 制领域处于统治地位的 DCS 系统。 2.4.2 PLC 的构成的构成 从结构上分，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模 块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以 按照一定规则组合配置。 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，主要由 运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指 令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在 控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指 挥下工作25。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速 度，I/O 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的26。I/O 模块集成 了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量 输入（DI） ，开关量输出（DO） ，模拟量输入（AI） ，模拟量输出（AO）等模块。 开 14 关量是指只有开和关（或 1 和 0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用 的 I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继 电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（420mA，020mA） 、电压型（010V，0 5V，-1010V）等，按精度分，有 12bit、14bit、16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能 管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 PLC 电源模块用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输 入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC 或 110VAC） 和直流电源（常用的为 24VAC） 。 大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系， 使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一 个整体。 2.4.3 PLC 系统的其它设备系统的其它设备 1、编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件， 用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它不 直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器27，目前一般由计算机 （运行编程软件）充当编程器，针对不同的 PLC 类型，可以选择不同的下位编程软 件。 2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式 的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非 常普及，多数的组态软件可以和不同的 PLC 类型通讯，它通过不同的驱动程序来完 成实时数据库的读写等操作，随着近几年 OPC(Object Linking and Embedding for Process Control)技术28的发展，为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一的标准， 采用这项标准后，不但可避免开发的重复性，也提高了系统的开放性和互操作性。 常见的人机界面设计软件即组态软件有 Intellution 公司的 FIX、IFIX，Wonderware 公司的 Intouch ，Schneider 公司的 Monitor Pro 及西门子的inCC、国产的组态王等。 15 3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如 EPROM、EEPROM 写入器、 条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 2.4.4 PLC 的通信联网的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此， 网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制 器”的观点说法29。PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上 位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集 中控制。多数 PLC 具有 RS-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC 的通信，还未实现互操作性，IEC 规定了多种现场总线标准，PLC 各厂家 均有采用。 对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲，选择网络非常重要的。 首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次， 针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网 络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场 环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。 2.5课题硬件及软件选择课题硬件及软件选择 安钢炼铁厂 2200m3高炉喷煤自动控制软件系统是一个基于计算机的 PLC 控制 系统，首先要根据工艺的需要，选择系统的硬件与软件。 2.5.1 硬件的选取硬件的选取 PLC 控制系统硬件的选择，要根据多方面来决定。首先，确定控制系统的大小。 按 PLC 的输入输出点数可分为小型、中型和大型。一般小于 512 点为小型， 5122048 点为中型，2048 点以上为大型30。随着 PLC 技术的进步，这个分类标准 也在改变，现在几万点的 PLC 已制成并普遍使用。根据工艺设计，系统的开关量点 数 1100 个，模拟量点数 102 个，喷煤工艺系统属于易燃易爆场所，所以模块选用 24VDC，为了与高炉本体系统的通讯网连接方便，硬件选取与高炉本体系统相同的 施耐德昆腾系列模块式 PLC。 16 2.5.2 软件的选取软件的选取 根据 PLC 的类型，选取了施耐德公司的 Concept2.6 作为编程软件，安装了 Concept 的计算机作为 PLC 系统的编程器，上位组态软件选择 Schneider 公司的 Monitor Pro。 Concept 2.6 是一种 PLC 下位控制程序组态软件，它是 Quantum，Compact，Momentum 和 Atrium 产品共用的配置工具，提供了与 IEC1131- 3 标准兼容的编程语言，包括功能语言 FBD（功能块图） 、LD（梯形图） 、顺序语言 SFC（顺序功能图） 、指令表 IL、结构化文本 ST 等31。IEC 编程语言的基本单元是 功能和功能块，它们组合构成逻辑单元。控制程序是带有逻辑结构的区段构成，在 一个区段之中只使用一种编程语言，多个区段合并在一起组成了完整的控制程序， 而自动控制设备就用它来控制过程。不同的 IEC 语言区段可以在程序中混用。 Concept 提供多种带有预定义功能和功能块的库，分为 IEC 库和 LL984 库。 Concept DFB 可用于创建派生功能块和宏。除变量编辑器外，相对于不同的编程语言， 对应有不同的编辑器，而本课题中使用到的有 FBD 编辑器、LD 编辑器、ST 编辑器。 FBD 编辑器用于依照 IEC 1131-3 标准的图形功能设计编程，在 FBD 区段，基本 功能，基本功能块（EFB）和派生功能块（DFB）与信号（变量）连接，完成计划的 功能。FBD 区段的大小为 23 行 30 列。EFB 配备有固定或者可变数目的输入变量， 可以放置在区段的任意位置。变量和 EFB 可以添加注释、在一个区段可以使用文本 框在任何地方添加注释。所有的 EFB 都可以有条件或者无条件地执行。 LD 编辑器用于依照 IEC 1131-3 标准的图形梯形编程。在 LD 区段中使用触点和 线圈与信号（变量）构成梯形图。LD 区段的大小为 30 行 52 列。基本功能和在 FBD 编辑器中命名的功能块（EFB） 、派生功能块（DFB）以及用户定功能块，也可以绑 定在梯形图上。LD 区段的结构类似于继电器电路的梯级逻辑。左侧汇流条位于最左 边，对应于梯形图的火相（L 端） ，右侧汇流条对应于地线（中线） ，但是隐含的。 所有的线圈和 EFB 输出都在内部与之连接，从而建立了电流流动。 ST 编辑器用于符合 IEC 1131-3 标准的结构化文本的编程。ST 语句、基本功能和 基本功能块（EFB） 、还有派生功能块（DFB）是在 ST 区段中用功能码（运算符表） 和操作数（信号、变量）以文本形式写出的。ST 区段最大字节数为 64K。 变量编辑器用声明所有必要的符号形式的信号名（变量）并可加上注释。只有 17 声明过的变量才可以在 Concept 程序中使用。每个符号形式的变量名必须分配一个数 据类型。如果此变量分配到一个参考地址，它就是一个定位变量，没有参考地址就 是非定位变量，还可以给每个变量提供一个初值，它将在 PLC 第一次装载时传入 PLC。 使用 Concept 创建的 PLC 程序是按项目中使用的 PLC 配置和程序分级执行的。 程序被分解为区段组和区段，每个程序中最大区段数为 1600 个。在一个项目中， PLC 配置和所需程序部件可以以任意次序创建（自上而下或者自下而上） 。 Monitor Pro7.2 是一种最适用于大型应用，分布式网络结构的 SCADA 解决方案， 采用 C/S 结构。它作为一个数据采集、处理平台，具有强大的实时数据库，可支持 高达 200 万个 TAG，它又是一个网络版监视平台，可以构成强大的监控网络32。 MonitorPro7.2 包括两大部分，Configuration Explorer用于配置服务器程序； Client Builder用于设计客户端画面（HMI）部分。MP72 的 Server 提供所有的实 时和历史数据处理功能，Configuration Explorer 是用来配置 Server 的组态环境。 Client 可以与 Server 运行在同一台 PC 上，也可以运行在网络中的任何一台 PC 上， 用于开发所有监控画面，它的开发环境就是 Client Builder。由于它具有的这种 C/S 体系结构，因此，它可以组成最小的系统：将一个 Server 和一个 Client 安装在同一 台 PC 上；也可以连接上百个 Client 组成庞大的系统，系统中可以存在多个 Server， 并可以进行网络中的远程组态。它可以通过标准的 OPC 同其他软件或系统相连接， 使用户将来的升级和扩展更容易和简便。 Monitor Pro RTDB 与 PLC 之间采用目前最为流行的工业标准通讯协议 MODBUS TCPIP，保证了通讯的实时性与可靠性。其实现方式如图 2.5 所示。 图 2.5 Modbus TCPIP 通讯原理 Application Objects 和 Symbols 是 MP72 的一个重要功能。一个易于扩展和维护 的应用程序通常可采用在 Configuration Explorer（Server 端）设计 Application Objects，在 Client Builder(客户端)使用 Symbols 来代表受控的不同对象类。 18 MP72 可以支持单站式、多站式、分布式及冗余式四种拓扑结构，它的主要功能 有：监视