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学士学位论文铁厂综合配料自动控制系统设计论文

铁厂综合配料自动控制系统设计

摘要

本论文主要研究铁厂配料自动控制系统设计。

在设计该控制系统时，查阅了大量国内外文献，结合国内外现代化高炉的先进技术和发展趋势，以及企业的工程实际和用户的要求来设计合理的控制系统方案。

同时，考虑到国内钢铁企业的实际情况，在跟踪国际先进技术的前提下，保持了符合国情的适度先进性，从而获得最佳的性能价格比。

该项目采用德国的Siemens公司的S7-200系列PLC，运用与之相匹配的STEP7编程软件，通过梯形图（LAD）编程语言编制了下位机的控制程序，从而使该槽下配料系统可以按要求自动完成配料、称重、装料全过程，并自动实现称量补偿。

同时，采用了亚控公司的Kingview（组态王）工控组态软件对上位机监控软件组态，实现现场数据实时记录和监控，设计了实时称重、记录查询、报警、实时模拟等具有组态王风格的动态操作画面。

PLC和设置在操作室的工控机组通过PPI电缆组成一个混合型的工业控制系统，发挥上级工业PC和下级PLC各自的优势。

关键词：

配料，自动控制，软件组态，可编程逻辑控制器

TheautomaticcontrolsystemdesignofIronworks’batching

ABSTRACT

Thetaskresearchesironworksautomaticingredientcontrolsystemdesign.InthetitleofdesignedtheControlsystem.ReferringtoalotofcorrelationliteraturedomesticandoverseasWecombinemodernblastfurnace'scontroltechnicalanddevelopingtrend,aswellastheenterprise'sactualstatus.Inthepreconditionoftrailingtheinternationalmoderntechnical,wepresentedmoderateadvancedtechniqueandfitourcountrystatus.Therebyitobtainsthebestpercentofperformanceandprice.

WiththeSiemensPLCS7-200andthecorrespondingprogrammingsoftwareSTEP7thathelpsincontrolsoftwareprogramming,theproportioningsystemmeetstherequirementsofautomaticproportioning,weighing,loadingandweightcompensating.

Thedesignworkuseskingview,thatisaproductfromYakong.Toconfigurethesupervisorsoftware.Realizingthereal-timedata-logging,supervisingandcontrolling,aswellasvariousvisualHMIwithWindowsfeaturessuchasreal-timeweighing,recordchecking,alarming,dynamicsimulation.

PLCandtheIPCSintheschedulerroomarelinkedtogetherViaProfibustoformahybridindustrycontrolsystem,inordertosnakeprofitoftheuniquemeritsofPLCandIPC.

Keywords：

batching，automaticcontrol，Softwareconfiguration，plc

引言

在建筑、化工、食品、冶金等行业中，配料是其生产过程的重要组成部分，它影响着产品的质量甚至决定着产品的性质，这一点已越来越引起人们的重视。

高炉配料过程的生产方式经历了从采用经验的估量式生产到简单的计量式低精度生产，再到现在的高精度计量式生产这三个过程，而且自动化程度也越来越高。

所以，研究和开发高炉自动化上料监控系统具有很高的实用价值。

二十一世纪，钢铁产品仍将是人类社会最主要的不可替代的结构材料和产量最大、覆盖面最广的功能材料。

世界冶金工业结构调整步伐加快，生产的重心将由发达国家向发展中国家转移。

目前我国正处在工业化进程中，国民经济各部门的持续、快速发展和产业升级对钢铁产品的品种、质量提出了更高的要求。

加快我国冶金工业的结构调整，将具有重要意义。

就我国目前情况而言，钢铁企业自动化发展程度参差不齐，大型企业自动化程度相对较高，而对于中小企业，由于资金和技术问题，设备普遍比较落后，自动化程度普遍偏低。

因此，尽快研制开发适合我国国情的配料自动控制系统并投运市场，具有广泛的市场前景。

另外，对于我国钢铁企业的发展，也具有重要的推动意义。

本论文正是在宁夏鑫钢发源冶金炉料有限公司的一个实际工程项目的背景下撰写完成的，该项目主要负责冶金过程中的配料工作。

众所周知，在冶金过程中，不同种类、不同质量的原料混合冶炼出的钢水质量也是不同的。

那么，要根据冶金工艺要求，冶炼出符合实际要求的钢水，配料是具有决定意义的一环。

尤其是对于广大中小型钢铁企业，限于自身规模条件，他们不可能有自己的设备研发队伍，那么，在这种条件下，他们要提高产品质量、工作效率以及企业效益，最好的方法就是有专门的自动化冶金设备公司为其提供相关设备。

本论文是在这样的背景下完成的。

该项目是宁夏鑫钢发源冶金炉料有限公司冶金生产线上配料系统的改造项目，原控制系统采用微机+通信系统+数据采集装置构成的计算机控制系统，其控制界面和控制程序都是在计算机DOS环境下开发完成的，这也是目前广大中小型企业正在应用的配料控制系统，原系统存在一些明显的缺点：

⑴人机界面不友好，对于非专业人员熟练操作应用该系统有一定的难度。

⑵系统可维护性差，由于对现场信号的采集、处理采用的是板卡等一些与微机相连的集成电路，因此，对于局部小故障的维修都需要较长时间，而且维修起来比较复杂，成本也较高。

⑶抗干扰性差，由于控制系统自身没有相应的抗干扰措施，而现场环境都比较恶劣，除去运行系统所处环境差以外，一些大功率设备的启动，运行阶段，往往也会造成诸多故障，比如在大电流干扰下出现飞程序、控制器与现场仪表无法正常通信等等。

⑷联网能力差，在DOS环境下开发的控制系统，在与其他计算机进行联网通信时比较困难，无法满足当前集生产与管理于一体的控制要求。

在科技为主要生产力的今天，企业间的竞争无疑已成为先进的生产技术之间的竞争。

旧配料系统已无法满足当前生产要求，为提高企业生存能力，对该系统的改造势在必行。

改造后，我们采用工控机+PLC所组成的集散控制系统，上位机主要完成生产管理工作，而下位机PLC主要负责实际配料中的过程控制。

这样，改造后的配料系统除克服了旧系统的缺点外，最大的优点就是成本不高、便于推广。

由于该系统的用户多为中小型企业，考虑到他们自身的经济情况，我们在设计过程中就本着经济实用的原则，从产品选型到系统配置，除了考虑满足生产需求外，主要考虑的问题就是成本问题，这样整个系统设计下来，既保持了适度的先进性，与国内外同类产品相比不落窠臼，又严格控制了改造成本，从而获得相当高的性价比。

这对于我国广大中小企业提高生产力，增强自身竞争能力，都是十分值得借鉴的。

本论文主要分五章详细介绍了该配料系统，目前，该项目（宁夏鑫钢发源冶金炉料有限公司配料系统改造项目）的第一阶段任务已经完成，即已经完成了实验室的联机调试，包括PLC与所有外设的连接，以及程序调试。

由于本设计时间所限，现场调试部分已无法跟进。

本设计得到了我的指导老师佟威老师（也是工程负责人）的大力帮助，限于本人知识水平有限，设计中可能存在诸多不足，还请各位老师不吝赐教。

1绪论

1.1概述

随着经济的不断发展与生产规模的不断扩大，微机技术己经并继续在改变着世界。

以微机技术为基础的可编程控制器也正在改变着工厂自动控制的面貌。

近30年来，随着科学技术的迅猛发展，可编程控制器以其可靠性极高、能经受恶劣环境的考验、使用及其方便的巨大优越性，迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品，与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。

当前，在我国广大工矿企业中，与技术改造相配合，正在兴起广泛应用可编程控制器的热潮。

其发展之势恰如数年前个人计算机在我国的迅速推广一样，方兴未艾，如火如荼。

在建筑、化工、食品、冶金、饲料等行业中，配料是其生产过程的重要组成部分。

这些行业工作环境恶劣、灰尘大、电网电压波动大，且组分多、生产线长、控制过程复杂，要求配料系统具有控制可靠、配料精确、抗干扰能力强等特点。

由于多年实施计划经济等客观原因，目前我国这些行业大多装备简陋、设备陈旧、生产管理落后、技术含量低，而且大都以半自动甚至手动控制为主，生产不规范。

可编程控制器应用范围广，软、硬件种类多，其主要应用领域有:

（1）过程控制领域;

（2）网络功能的扩展;

（3）智能输入输出模块;

（4）智能控制;

（5）增强外部故障检测能力。

可编程控制器与个人计算机、图形工作站、小型机等相结合，可实现屏幕显示、数据采集、记录保持、回路面板显示等功能亦即实现了分散型控制系统的功能。

可编程控制器的不断兴起，使越来越多的工程人员认识到它的优越性。

对于当今的可编程控制器来说，凡是需要控制系统存在的地方，就需要可编程控制器。

目前来说，可编程控制器主要应用于有大量开关和少量模拟量的控制系统方面。

小型可编程控制器主要应用于单机自动化，而大型可编程控制器则是自动生产线不可缺少的部件。

铁厂配料自动控制系统的槽下自动上料控制系统就是利用可编程控制器来实现的。

随着市场的转变和工业生产的不断发展，由继电控制盘所构成的控制电路远远不能满足生产要求。

因为它体积大、耗电多、可靠性低，所以势必被维护方便、可靠性高、体积小、编程方便、成本可观的可编程控制器所替代。

我们本次设计的槽下自动上料控制系统就是采用此种可编程控制器—S7-200系列，它不仅可靠性高，而且操作、修改、扩展极为方便，提高了系统的功能与性能。

本设计从掌握和规划工业自动控制系统入手，重点介绍如何实现下位机的自动上料问题，明白自动上料的控制工艺和过程，熟悉如何利用可编程控制器进行编程，从而做到系统完善与全面实现。

1.2配料系统开发的必要性

高炉上料自动控制系统这一项目为冶金行业高炉炼铁生产的主要工序，是高炉冶炼必不可少的至关重要的环节。

它的水平高低直接影响到生铁的产量和质量，直接反映出企业的自动化水平和企业的管理水平。

据不完全统计，目前我国大小高炉3200多座，绝大部分是350立方米以下的高炉。

据此，尽快研制开发适合我国国情的该系统并投运市场，具有广泛的市场前景。

随着国民经济的迅猛发展，特别是钢材需求量的增加，生铁的需求量远远不能满足需要，因此全国各地各种规模的高炉应运而生，最近几年呈上升趋势。

我国大型钢铁企业都有自己的队伍，针对本企业的高炉生产的特点，不断的改造完善上料自动控制系统，但近几年新建的炼铁厂或者小炼铁厂，自己不具备自行设计安装调试或更新改造的能力，故寻求专业生产厂来解决这一问题，因此专门从事高炉上料自动控制系统的生产厂家应运而生。

1.3配料系统的主要组成部分

高炉上料自动控制系统主要有以下几大部分组成:

⑴称量自动化控制系统

是根据预先设定的上料值，而且具备上料的条件下（此时称料斗必须处于料空状态，且放料闸门处于关闭的状态），启动上料设备（振动带或电磁给料机）对称料斗受料。

当称重达到设定值时，受料停止。

当接收到放料信号时（这时秤中都必须有料），相应的设备开启。

如振动筛电动开启，送料皮带开启，将料输送到上料小车中。

当出现料空信号时，放料系统停止，相应设备停止工作，称重斗振动筛电动机关闭，称量自动化完成一个周期工作，这样周而复始的工作。

⑵上料程序控制自动化

根据预先设定的上料程序，料车在具备条件的情况下（如料车有料而且程序要求上料）料车上行，当完成上料后，料车下行，此时，上料完成一个周期的动作，这样周而复始的工作。

1.4系统开发的技术支持

本方案是针对高炉炼铁生产自动化上料系统而作的，是想实现满足生产工艺要求的自动化控制系统必须做好以下工作:

⑴生产满足生产工艺要求的称重仪表

称重自动化是系统的重要组成部分，是实现整个系统自动化的基础，它通过称重仪表+PLC控制来完成，系统对仪表的要求如下:

①输入信号:

0-30mv（一般料斗称由三只传感器组成称重范围0-1500kg）。

②传感器激励电源12VDC，电流大于200mA。

③模拟量输出4-20mA（负载≤750）、0-10mA（负载<1.5k）。

③具有零位、定值、开关量输出功能（最好分别有两组输出）。

⑤具有称重补偿功能（自动跟踪余振量）。

⑥具有去皮功能（由于实际生产中料斗挂料造成皮重变化或因大修后皮重增加，故由该功能去皮）。

⑵由称重仪表+PLC完成称重自动化

①当称重料斗称处在空料状态时，通过称重仪表发出的零位信号并判断料斗振动筛确定处在关闭状态，通过PLC控制振动筛电动机开启，给料斗送料（同时相应设备同时动作，如皮带等）当物料达到预先设定的定值时，PLC控制停止上料。

由于设备的起停惯性，会造成称重实际值的偏差，这一偏差需要称重仪表来补偿修订。

②当称重料斗处在满值状态时，根据程序控制指令，通过PLC控制开启振动筛电振机，同时启动输料系统，向小车送料，当出现料空状态时，振动筛电振机关闭，同时送料停止工作（即皮带机停止）。

⑶程序控制系统

本系统的核心是程序控制系统，它由主程序和子程序构成，完成配料自动化。

主程序根据系统要求以及实际生产工艺，来调用子程序以及中断程序，实现既定控制目的。

子程序包括配料子程序、卷扬控制子程序、手动配料子程序、标称子程序以及中断子程序，正常上料过程中，系统根据上料设定值，周期性完成配料、上料，当转到手动配料或标称时，则按要求完成手动单独配料和标称。

⑷卷扬系统的自动化

槽下自动化，如前所述，根据程序指令不断的起、停送料设备完成自动上料工作。

卷扬自动化是根据程序控制指令料车上行到炉顶，然后料车下行，中间根据小车位置来控制小车速度，这一系列的动作由PLC控制来完成。

1.5国内外发展现状

改革开放以来，冶金工业作为国民经济的基础产业，得到了迅速发展。

自1996年以来，我国钢产量己连续五年超过1亿吨。

冶金工业在历经了以数量扩张为主的发展时期后，进入了加速结构调整、提高竞争力为主的新阶段。

二十一世纪，钢铁产品仍将是人类社会最主要的不可替代的结构材料和产量最大、覆盖面最广的功能材料。

世界冶金工业结构调整步伐加快，生产的重心将由发达国家向发展中国家转移。

目前我国正处在工业化进程中，国民经济各部门的持续、快速发展和产业升级对钢铁产品的品种、质量提出了更高的要求。

加快我国冶金工业的结构调整，将具有重要意义。

中国的炼铁技术应该说与国外没有什么差距，国外有的高、精、尖技术，国内基本上都有，甚至国内炼铁在某些领域，比如说宝钢的喷煤技术、配矿技术、配煤技术等，在世界上是数一数二的。

问题是哪个国家能把这些技术运用好，哪个国家在炼铁领域就是先进的。

时下讨论很热的非高炉炼铁工艺技术（熔融还原和直接还原），在世界上只有两个国家，一个是韩国，一个是印度。

总体来说，非高炉炼铁在中国还不具备生产上的可行性，并且发现Corex在某些技术细节上并没有完全突破。

首先，这种技术宣称不用焦炭而只用媒，还可以省略造球工艺，但在实际生产过程中还必须用焦炭开炉，生产过程中也离不开焦炭，如果完全使用煤，铁水的各项指标不太好，对煤的质量要求比较高，并不是所有的煤都能满足要求。

环境污染是中国炼铁的最大问题，日本很早就意识到炼铁环保的重要性。

日本非常重视对环保工艺理论、设备的研究开发，从最初的除尘，发展到后来的脱硫，再到后来的脱硝，直到现在对二恶英的控制研究。

然而，国内的环保过程如下:

十年前，国内钢铁企业停留在除尘的层次上，到目前为止，基本上还停留在除尘的水平上，炉前、上料系统则连除尘设施都没有。

目前，国内没有一家企业在烧结机的尾部安装脱硫装置，有些钢铁企业连除尘工作都没有做好，更不要说脱硫和二恶英的问题。

环保是中国炼铁首先需要解决的问题，应加大对新型环保工艺的技术攻关力度，尽量把污染物在生产过程中转化成化合物，比如硫，在烧结过程中通过特殊的工艺、设备，转化成硫的化合物进入炉渣中，避免转化成二氧化硫排放到空气中。

高炉上料系统在国外和国内的发展很不同步，处在不同的发展阶段。

目前，国外生产配料系统的公司主要有韩国、德国、奥地利、英国、美国的公司，他们的产品虽然档次较高，但价格也高，因此在国内的应用面还非常小。

这些配料系统采用的主要组成形式如图1.1所示。

图1.1国外配料控制系统的组成形式

目前国内的配料系统形式非常多，主要采用DCS和PLC作为控制系统。

这两种控制系统现在占据了很大的国内市场，它们的特点是结构简单，价格较高，稳定性比较好，系统冗余性能好。

但是它具有操作复杂、人机界面不友好的缺点。

这种形式的系统在实施时各厂家开发自己的称重仪表和选用性价比比较高的PLC（或者开发相应的取代PLC的控制器）从而降低系统的价格，并在系统的功能上开发具有符合我国国情的特色功能。

具体结构见图1.2所示：

图1.2PLC配料控制系统的组成形式

这方面比较著名的公司主要有国内的主要有济南金钟、福建莆田、山西新惠、山东博硕、冶金科学院、余姚太平洋称重有限公司、鞍钢集团自动化公司等，国内外合资的主要有西门子、ROCKWELL,GE等。

西门子的主要在于其综合能力，系统整体优势明显，但价格偏高；ROCKWELL的特点主要在其控制系统的自动化技术应用，其技术主要来源于美国。

GE的特点主要也是控制系统，其称重仪表技术一般，其技术也来源于美国。

以上各系统还有一个共同的缺点:

配料精度低和管理功能较差。

为此设计合理的监控及管理系统，采用先进的控制方法，有效预知落差，提高配料精度，改善管理功能是我们的主要研究内容。

1.6论文的主要研究内容

结合国内外配料监控系统设计经验，我们主要做了以下几个方面的研究工作:

⑴简要介绍了配料系统的组成结构与工作原理。

⑵详细了解了配料系统的需求分析，从而设计出满足实际要求的最佳控制系统。

⑶详细设计了控制系统的硬件部分、软件部分。

⑷针对铁厂配料系统以及其他配料系统共同面对的主要问题，即质量问题也就是精度问题作了主要分析，提高精度也就是说要预先知道关断量，知道关断量必须知道落差，针对本系统我们提出了通过现场实测，然后设定提前量来控制配料误差。

2控制系统总体方案设计

2.1生产工艺过程概况

2.1.1铁厂配料情况概述

本系统为铁厂炼铁生产系统的一个子系统，即配料子系统。

该系统主要负责料种选配、称量以及输送等工作。

称量系统如图2-1所示，主要包括6个上料仓，3个称重仓，以及皮带运输机。

各料仓出料都是由振动筛控制，若料仓内有料，启动振动筛电机，则开始下料。

运输皮带安装在料坑中，接收来自称重仓的物料，并将其运送至上料小车。

3个称重仓（分别命名为1#C、2#C和3#C）在传送皮带上方一字排开，而下料仓则位于称重仓上方两侧（编号为1#A、1#B、2#A、2#B、3#A、3#B）,每2个上料仓对应1个称重仓，为其供料。

因此，系统每批同时最多可以配6种料。

图2-1配料称重设备

配料系统另一组成，即卷扬系统，负责将按要求配好的混合物料传送至炼铁高炉。

该系统主要包括上料小车，轨道，行程开关，限位开关。

上料小车右边频器控制行驶速度，有高速和低速两种运行状态，根据控制要求而定。

2.1.2生产工艺

称量系统：

系统由3套相同设备组成，以其中一套（1#A上料仓、1#B上料仓、1#C称重仓）为例来介绍生产工艺，正常配料情况下，1#A上料仓根据设定向称重仓上料，由称重仓控制上料量，当达到上料设定值后，1#A仓停止上料，同时开始1#B仓开始向称重仓上料，达到设定值后停止上料，此时称重仓振动筛启动，将所配物料传送至皮带机。

2#、3#设备配料工艺同理，而且三套设备相互间没有关系，其动作均由程序控制。

三部称重仓工作期间，皮带机始终运行，及时将物料传送至上料小车。

卷扬系统：

称重系统根据需求将所需物料按照设定值配料完毕后，由皮带机将物料传送至上料小车，直到皮带上的物料全部落入小车后，小车开始沿轨道低速上行。

当达到行程开关1时，变频器动作，小车开始以高速上行，当达到行程开关2时，变频器再领小车换成低速上行，以免达到卸料位置时冲量过大，损坏设备。

小车达到卸料位置后开始自动卸料，同时延时一段时间，卸料完毕后返回，同样有低速——高速——低速三个运行阶段。

本项目中的主要现场设备：

上料仓及振动筛6套、称重仓及振动筛3套、皮带机1台、上料小车1辆、变频器1台、称重传感器9个、信号调理器3个、行程开关若干以及小车轨道。

2.2方案比较与选择

2.2.1配料称重工艺

在高炉炼铁过程中，配料是其生产过程的重要组成部分，它影响着产品的质量甚至决定着产品的性质，同时配料系统的效率也决定着企业的产量以及效益。

那么，选择并构建合理的配料系统是必要的。

现行的配料称重系统大体上可以归结为三大类：

一料一称制、多料一称制和多料多称制。

⑴一料一称制

简单地说，一料一称制就是在配料过程中，一种原料对应一个称重斗，该结构最大的特点就是配料速度快，控制相对简单。

其缺点是设备利用率低，资源相对浪费，且设备占地面积较大，生产成本相对较高。

⑵多料一称制

多料一称制说白了就是所有原料对应一台称，其生产工艺可以是多料一起称量，抑或是一种一种依次称量，视称重仓大小而编写相关控制程序。

表面上看该结构确实节约了设备，但对于整个炼钢过程来说，可能配料速度过慢，从而使生产效率过低。

⑶多料多称制

多料多称制无疑是上述两种配料方式的折中，既保证了生产效率，又使得设备利用率最大化，节约了资源、空间，降低了生产成本，保证企业效益最大化。

基于以上论述，在该项目中，我们自然采用的是多料多称制。

两种料对应一台称，总共设3个称重仓，6个上料仓，同时可以按照系统设定完成6种上料。

2.3控制系统

2.3.1计算机控制系统

计算机控制系统由计算机和被控对象两大部分组成。

工业生产中的自动控制系统，随控制对象、控制规律和所采用的控制器结构的不同而有很大的差别。

自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。

这些功能是由检测变送装置、控制器、和执行装置来完成的。

控制器是控制系统中最重要的部分，它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围。

如果把控制器用计算机来代替，这样就可以构成计算机控制系统，其框图见图2-1。

如果计算机是微型计算机，就组成微型计算机控制系统。

计算机控制系统和一般自动控制系统一样，也有开环和闭环两种。

图2.1计算机控制基本框图

控制系统中引进计算机就可以充分运用计算机强大的计算逻辑判断和记忆等信息加工能力。

只要运用微处理器的各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。

微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。

而在一般的控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路来产生的，改变控制规律就要改变硬件电路。

而在计算机控制系统中，控制规律的改变只要改变程序就可以了。

在计算