基于PLC的水泥生产线控制系统设计论文

基于PLC的水泥生产线控制系统设计摘要：现今工业自动化水平有了突飞猛进的发展，水泥企业的发展重心已逐步向企业的架构调整转变、向信息的集中管理转变，开始构建一个以过程的控制、管理和决策为一体的智能控制系统，来实现低能耗、管理优化的智能控制，这是目前水泥行业的重点研究方向。本设计以多种传感器为条件控制各生产环节的参数来实现水泥的全自动生产，通过称重传感器、热电偶高温传感器、变频器、近红外检测仪、PLC等器件，完成了对生产过程中各设备控制的硬件电路设计，并通过编程调试，实现了水泥生产中以称重传感器控制的自动加料，在线检测仪控制的自动粉磨，以及高温热电偶检测的自动进行预热、分解和煅烧等功能，来检测生产线上的各种参数以保证生产线的流畅运行。本系统具有完全自动无需人力控制稳定性高等优点。关键词：自动控制PLC变频器煅烧高温热电偶一、系统组成设计本设计中选用的器件主要有应用在皮带秤上的SAPL称重传感器、应用在各个环节间运输的运输带上的ILZ箱式传感器、对生料粉磨进行颗粒检测的红外在线分析仪、检测预热分解与煅烧的刚玉管热电偶传感器与控制粉磨速度的三菱MM440变频器。（1）称重传感器：SAPL称重传感器是皮带秤经常会使用的一种称重传感器，量程比较大最高可以测量5t的重量。它采用合金钢材料，内部灌胶密封，防油、防水，耐腐蚀，可适用各种环境。S型梁结构设计，拉压双向承载，安装使用方法灵活。（2）运输带重力传感器：在生产中有许多称重传感器如AMIC铝合金称重传感器、WXJ数字称重传感器、ILZ箱式结构称重传感器等。ILZ箱式传感器广泛应用于包装称、台秤、动态检测等设备上，其精度高、稳定性好可适用于各种恶劣环境中，本设计中用于各个阶段与各个设备之间运输原料的运输带上的重量检测中完成各部分之间的衔接。（3）在线分析仪：在水泥生产过程中颗粒的测量方法主要有光谱法、取样机测量、红外在线分析等方法，其中在线分析的方法可以实时连续进行测量，所以选择在线分析的方法进行粉磨的检测[9]。（4）高温传感器：高温传感器的种类有许多种其中应用最广泛的是热电偶和热电阻高温传感器，在本课题中所测温度最高可达1400多度，所以选用热电偶传感器。刚玉管热电偶高温传感器是工业上应用广泛的一种高温传感器，它的测量精度高范围大，可直接测量液体、气体、固体的表面温度。（5）变频器：MM440变频器是一种适用于三相电动机速度控制与转矩控制的变频器其功率是120W~200KW。对控制信号的响应是快速的可重复的；参数设置功能强大，参数设置的范围很广，确保他可以对广泛的应用对象进行配置。二、PLC及模块选型1、本课题选用S7-300PLC，其优点：1）S7-300PLC指令处理数度极高，与其他PLC相比处理指令的时间缩短了很多。2）S7-300的中央处理器具有很强的自我诊断功能，它可以智能连续的检测系统是否存在故障，并可以将运行过程中产生的错误记录下来。3）S7-300PLC的安全性很高，能够保护使用者的信息安全防止信息被他人窃取。2、模块的选择：S7-300属于模块式PLC，构成部分有机架、CPU模块、功能模块、通信处理模块、信号模块、接口模块等。各模块的基本特性如下：1）CPU模块在本设计中选用的是CPU416-2DP型号的CPU，CPU模块是PLC中非常重要的部分，它起到输入信号的采集、执行使用者程序、刷新输出的作用。CPU416-2DP的主要特点：通信能力强。内存大。其执行顶点加法与乘法的速度很快。可以在线修改I/O口的配置不需要重启PLC。2）信号模块输入模块与输出模块简称为I/O模块，数字量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI模块和AO模块，它们统称位信号模块，简称SM，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁[10]。3）接口模块CPU模块所在机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳所有模块，可以增设一个或多个机架。接口模块简称IM用来实现中央机架与扩展机架间的通信。4）PLC的电源模块用于电压的转换在本设计中选用具有短路保护和开路保护的PS407/10A。三、控制I/0口分配I/O分配如表3.1所示。表3.1I/O分配设备I/O口设备I/O口设备I/O口原料库急停I0.0皮带秤5急停I3.2混合材料Q2.5启动I0.1称重传感器I3.3皮带秤4电机Q2.6皮带秤1急停I0.2水泥磨急停I3.4皮带秤5电机Q2.7称重传感器I0.3红外分析仪I3.5水泥磨Q3.0皮带秤2急停I0.4重力传感器I3.6水泥磨运输电机Q3.1称重传感器I0.5石灰石出料口Q0.0皮带秤3急停I0.6粘土出料口Q0.1称重传感器I0.7铁矿出料口Q0.2立磨机急停I1.0皮带秤1电机Q0.3红外分析仪I1.1皮带秤2电机Q0.4重力传感器I1.2皮带秤3电机Q0.5预热器急停I1.3立磨机Q0.6高温传感器I1.4立磨机运输电机Q0.7重力传感器I1.5变频器运行Q1.0分解炉急停I1.6变频器5号接线端子Q1.1高温传感器I1.7变频器6号接线端子Q1.2重力传感器I2.0旋风预热器Q1.3回转窑急停I2.1预热器运输电机Q1.4高温传感器I2.2分解炉Q1.5重力传感器I2.3分解炉运输电机Q1.6冷却器急停I2.4回转窑加热Q1.7高温传感器I2.5回转窑旋转Q2.0重力传感器I2.6回转窑运输电机Q2.1混合料仓急停I2.7冷却器Q2.2皮带秤4急停I3.0冷却器运输电机Q2.3称重传感器I3.1石膏出料口Q2.4四、现场设备现场设备由皮带秤（称重传感器）、变频器、转速测量、温度测量等其他检测信号的一次仪表组成。1、配料运输皮带秤是配料运输的设备M是皮带秤的电机，当原料达到设定的比例时KM闭合电机得电将原料运输出去，配料运输主电路图及其PLC接线图如图1、2所示。图1配料运输主电路图图2PLC接线图本课题中原料的称重选用的是皮带秤（称重传感器SAPL系列），当原料达到要求值时称重传感器会产生一个脉冲，图中以开关SB2闭合代替。即在配料完成时称重传感器产生一个脉冲，皮带秤得电开始运行同时时间继电器开始计时，时间以皮带秤运行一周为准，当计时完成时时间继电器的延时断开触点断开电机停止皮带秤停止运行。2、生料粉磨立磨机是生料粉磨的设备当KM1闭合时立磨机开始运行变频器进行调速，当生料粉磨好之后KM2闭合运输带将生料运输出去，生料粉磨主电路图及其PLC接线图如图3、4所示。图3生料粉磨主电路图图4PLC接线图生料粉磨所用的设备是立磨机，它是依靠碾的自重将原料压碎粉磨。当原料投入立磨机后KT闭合KM1得电并自锁立磨机开始工作并通过红外在线检测仪检测粉磨程度，直到生料粉磨达到要求的0.08mm后红外在线检测仪将信号传给PLC，SB5闭合电动机开始运行将磨好的生料送到下一个阶段，通过称重传感器可以检测生料是否运输完毕，运输完毕后SB4将闭合KA1得电常闭触点断开此阶段结束。3、生料预热旋风预热器是生料预热的设备当生料全部运输到预热器中后KM3闭合预热器运行升温，当高温传感器检测到温度到的规定值时KM4闭合加热后的生料被运输带运出，生料预热主电路图及其PLC接线图如图5、6所示。图5生料预热阶段主电路图图6PLC接线图生料预热阶段用到的设备是旋风预热器，它是通过热风将生料加热达到预热的目的。在预热过程中选用的温度传感器是刚玉管热电偶高温传感器它最高可测1800℃的液体、气体、固体的温度。当生料全部投入旋风预热器后KA1闭合旋风预热器开始工作通过变频器调节风速进行预热，在温度达到800℃时SB7闭合电动机开始运作将生料运输到分解炉中进行分解，当生料全部运输完毕后SB8闭合电动机停止。4、生料的分解分解炉是生料分解的设备当预热后的生料全部运输到分解炉后KM5闭合分解炉开始升温对生料进行分解，分解好的生料被运输带运输出去，生料分解主电路图及其PLC接线图如图7、8所示。图7生料分解主电路图图8PLC接线图生料分解阶段用到的设备是分解炉，它是将生料投放到流化床上处于沸腾的状态达到分解的目的。当生料全部投入到流化床时分解炉开始升温煅烧，当温度达到分解温度1000℃时时间继电器得电开始计时，分解时间一般是15到20分钟。当煅烧时间结束时时间继电器的延时闭合触点KT1动作，KM4得电电动机开始动作将分解好的生料运输到回转窑进行煅烧。5、生料煅烧回转窑是煅烧阶段的设备当煅烧好的生料全部运输到回转窑中KM6闭合回转窑开始加热同时KM7闭合回转窑开始旋转，当回转窑中的温度升高到1450摄氏度并经过20分钟的煅烧之后生料就被煅烧成熟料并被运输带运输出去，生料煅烧主电路图及其PLC接线图如图9、10所示。图9生料煅烧主电路图图10PLC接线图生料煅烧阶段用到的设备是回转窑，它是将生料投放到回转窑中进行加热，回转窑转动将生料充分煅烧。当生料全部投入回转窑后开始加热同时回转窑开始旋转，当加热温度达到1450度左右时时间继电器开始计时煅烧大约20分钟，煅烧时间到了之后时间继电器动作加热停止，回转窑停止生料加工结束将熟料冷却进行熟料加工。6、熟料冷却此阶段的电气原理图与生料预热阶段基本相同，此阶段用到的设备是篦式冷却机它可以在几分钟之内将1000摄氏度的熟料温度降至100摄氏度。当熟料全部都放到篦床上时变频器控制风扇开始向熟料鼓风，当熟料温度降到100℃时篦式冷却机停止工作。7、熟料的细磨熟料细磨阶段与生料的粉磨阶段基本相同，当熟料冷却好之后需要加入少量的石膏和混合材料然后在进行细磨、石膏混合之后进入磨里进行细磨之后就可以得到水泥成品。五、变频器变频器PLC接线图如图11所示。图11变频器PLC接线图MM440变频器通过5、6、7三个端子进行多段速控制，通过三个端子的不同组合最多可以实现七段速度的运行，16号端子为变频器运行信号。在本设计中只采用了其中的两个端子对粉磨进行两段速控制。六、软件设计1、编程软件STEP7编程软件是PLC常用的编程软件，这一款软件具有PLC编程所用的梯形图、功能块图和连续控制功能图等编程工具。在本次设计当中所采用的是梯形图进行编程，它是依据水泥生产的电气原理图编写而成的。梯形图：梯形图是一种非常直观的编程方式它起源于美国，它是依照这电气原理图进行编程的一种图形化的语言，按照电气原理图中的各种器件之间的逻辑关系进行编程非常便于理解。2、PLC程序的主要环节控制程序在执行的时候可以分为三个环节。（1）主程序模块：主程序模块的作用是对系统进行常规的处理对执行中的系统的状态进行转换。并且在系统启动之后只要没有中断的请求主程序就会不断的进行循环。（2）子程序模块：子程序是为主程序服务的，它只完成某一块或者是某一部分的任务，受主程序的控制是组成主程序的重要部分。主程序就是通过控制多个子程序来完成一个完整的控制系统。（3）中断模块：中断模块主要是对一些内部或者是外部的特殊事件和要求进行处理响应的部分，当有内部或者外部的事件需要处理时中断模块响应并且停止当前执行的主程序，进行中断要求的处理，在处理好了中断的事件之后就会返回到中断开始的断点继续执行之前的程序。3、生产线控制软件设计本课题软件方面主要是通过对PLC编程再通过各种传感器进行信号采集并于PLC进行传递，使整个生产线通过PLC的控制实现完全的自动运行。程序中主要有信号的采集与处理通过温度、称重、红外等传感器对生产线上的原料进行检测，这部分也是最重要的一部分，它控制这全部生产线的运行。然后就是对各个设备的控制，通过传感器的信号PLC控制各个设备的运行与停止[12]。最后就是出现故障时的紧急停止。生产线的控制流程图如图12所示。图12控制流程图从流程图中可以看出软件设计中对个阶段的控制参数要求，粉磨过程要将生料粉磨到粒径达到0.08mm才可进入下一阶段，预热、分解煅烧温度要分别达到800、1000、1450摄氏度。4、梯形图配料运输梯形图如图13所示。图13配料运输梯形图生料粉磨梯形图如图14所示。图14生料粉磨梯形图生料预热梯形图如图15所示。图15生料预热梯形图生料分解梯形图如图16所示。图16生料分解梯形图生料煅烧梯形图如图17所示。图17生料煅烧梯形图梯形图主要实现了水泥生产过程中各阶段的控制及其各部分的衔接运行，其中各部分分别完成原料的称重及运输，生料的粉磨颗粒的检测，对生料进行预热并监控其温度，对生料的加温分解与分解时间的控制，将生料煅烧为熟料且充分反应与煅烧时间的控制，熟料的降温控制将煅烧好的熟料进行降温冷却达到规定的100摄氏度并监控温度。七、结论此课题以水泥生产的基本流程为基础，以PLC为主要控制方式通过称重传感器、高温热电偶传感器、在线分析仪等多种器件的检测分析来控制各阶段的自动运行以及衔接，实现系统硬件设计。使用PLC常用的S7编程软件进行了梯形图的编写，通过CAD制图绘制各阶段控制方式的电路原理图，通过S7软件自带的仿真程序对编写好的梯形图进行仿真和调试。通过不断