PLC 自动上料系统论文正稿Word文档下载推荐.docx
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系统的控制模块,包括所用的PLC以及软件等的编程。
系统完成的功能说明了该系统所能完成的功能,这些功能也是根据工艺的特点所需要的,为了更好的完成自动配料所需要的功能。
系统的特点介绍了该系统在自动配料控制中的优点。
第三部分介绍了配料系统和卷扬系统的工艺以及要求。
第四部分介绍了整个设计的硬件设计。
包括了各硬件的规格和它们之间的电路连接,以及PLC的硬件组态。
第五部分是关于PLC程序的设计过程,本设计的PLC程序以块为结构,分为了若干的块,包括FB块,FC块。
这种结构是S7-300的一个特点,这样的结构对于编程本身非常有利。
另外,这种结构的程序在运行的时候会非常的稳定。
1系统的概况与分析
1.1配料系统概况
高炉上料系统一般由焦炭仓,球团矿/烧结矿仓,石灰石/白灰石仓以及原矿或废铁仓组成;
每一个料仓下面设有一台电动给料机和一台料斗计量秤;
料斗的下部装有电动或液压卸料机构;
有1-2条皮带机组成的运料机构把料斗型计量秤卸下的物料送到上料料车中去;
每当高炉内的料位下降到一定程度时,启动卷扬机把料车提到炉顶;
并分时打开小料钟和大料钟把物料送入炉内。
1.2料车卷扬系统概况
高炉上料系统的主要任务是把炉料运送到高炉炉顶,装入炉顶受料斗中。
高炉卷扬上料小车是高炉炼铁中的主要尘产设备之—。
卷扬上料小车在整个系统中起着至关重要的作用,该设备能否正常运行直接影响高炉炉况、产品的质量和产量。
为了满足冶炼要求,必须合理确定控制方案。
控制方案不仅与设计和选用设备有关,而且直接影响高炉的操作条件。
1、料车卷扬机采用SINMENS6SE70系列变频器实现交流变频调速控制。
通过RS-232总线连接到主PLC,由PLC控制料车卷扬机的启动、停止、高速、低速、加速、减速,并把检测到料车卷扬机的系统故障信号传输给PLC进行处理。
[1]
2、料车的主要控制步骤
●料制由操作人员编制完成;
●槽下矿石汇总斗、焦碳称量斗称量料满;
●卷扬机开动料车到料坑底;
●开启矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门;
●矿石汇总斗或焦碳称量斗放料至料空;
●关闭矿石汇总斗或焦碳称量斗闸门;
●料车显示料满信号;
●卷扬机开动料车到炉顶;
●料车到炉顶后延时5秒显示料车料空,与此同时异侧料车在料坑底装料;
●上料过程中可加入“焦碳越位”、“空车”调整料制,但不记入上料料制中。
1.3文献综述
每一个料仓下面设有一电动给料机和一台料斗计量秤;
这就是高炉上料系统的流程。
针对这个流程,要设计一个自动控制系统,智能的完成此配料过程。
高炉炼铁生产是连续性作业,如果入炉料的矿石/焦炭比例波动大,则引起炉温产量的波动;
从而对产品的质量和都带来不利的影响,因此入炉料重量的稳定是高炉炼铁生产稳定顺行的前提条件[1]。
所以,本设计应主要解决如下问题:
1 物料准确计量和误差自动补偿,当配料过程中由于机械设备的性能变动或物料的理化性能改变引起称量误差时自动找回误差值。
2 按炼铁工艺要求自动完成顺序上料,根据本高炉的炉况编制上料制度并把该上料制度输入到控制系统后,控制系统自动完成上料操作。
3 检测控制大小料钟和料尺,料线到规定值时发出允许上料讯号,把料车的料送到炉顶。
4 打印记录生产数据和控制参数。
5 检测并屏幕显示系统工作情况,当外部机械设备发生故障时及时发出报警信号和故障处理指令。
对于误差的补偿可以采用积累误差补偿法[2],这种方法主要是对每一次的配料值都进行误差的计算,然后在下一次配料时进行补偿,这样一来,每一次的补偿都相当于是对以往配料的一个总的补偿,那么经过N次上料后,相对差值就近于0了。
这是一种比较好的补偿方法。
对于传感器来说,它的输出也有误差,也以进行补偿。
用零极点配置的方法[3],它的原理就是使动态补偿数字滤波器的传递函数是传感器传递函数的倒数,则整个测量系统的传递函数为1,这样便具有理想的频率响应特性。
然而本设计中的传感器并不要求有太高的精度就能满足要求。
所以无需补偿。
电子秤-PLC-微机控制上料系统具有较高的可靠性和稳定性,大大减少了高炉入炉料的重量和配比的波动,消除了电气控制时的人为误操作,为高炉炼铁生产过程连续稳定进行创造了条件[4]。
在目前的自动配料控制系统中各个单位和不同环节的系统大同小异,基本组成分为三个单元:
控制单元,称重单元和上位机组态软件。
那么对于本系统的设计来说,电子秤作为测量仪器实现系统的回路输入,PLC作为控制环节的核心,全面的进行控制、和计算输出,微机作为上位机主要实现各种参数的输入和输出。
流程中的一些可操作控制等,并要求以友好、简洁明了的操作界面进行控制。
这是一个比较稳定、可靠的系统模式。
那么,本设计也将采用这种电子秤-PLC-微机模式。
对于称重有很多种传感器,一般使用压阻式。
传感器将压力信号传至变送单元,由变送器将信号转换为4~20mA或1~5V标准信号再送至PLC的输入单元[5],这样便形成了一个闭环控制系统。
电子秤方面实际上只要求有一个传感器和一个变送器即可,因为对于显示和操作来说,都可以在友好的人机界面上完成。
因为传感器的输出信号很弱,而实际环境又是十分复杂的[6]。
所以要求传感器要紧接着变送器进行连接。
根据现场复杂的环境,可以选取西门子的S7-300这款PLC。
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。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点[7]。
然而这只是控制方面,对于下料仓的速度变化控制应采用变频器控制。
变频调速器本身的可靠性很高:
一般情况下可连续使用10万h以上。
而且变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等各种保护功能[9]。
与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点,如节能,容易实现有电动机的调速控制,可以实现大范围内的高效连续调速控制,容易实现电动机的正反转切换,可以进行高频度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动,适应各种环境等等[10]。
对生产过程进行打印记录是一个必不可少的功能,这里对此功能提出以表重要。
因为,及时记录和打印生产过程中的数据,使生产有数可依,管理更系统,强化了炼铁生产计量管理手段[11]。
本设计大致分为几个方面——组态软件的设计,电路设计,PLC程序设计等。
在上位机组态软件的设计中,主要包括控制画面、数据显示画面以及上位机和PLC的通讯。
在PLC设计中,主要包括4种原料的顺序组合,阀门的顺序开关,模拟信号的采集,变频器的速度控制以及配料的补偿算法。
根据系统工艺的要求和硬件的组成等因素完成之后进行一定的程序开发,程序的开发是以这两个为前提的,也是最后对系统的运行起决定性作用的一个重要环节。
程序开发分为两个大的方面:
PLC程序开发和组态软件程序开发。
根据系统工艺的要求我们可将PLC程序分为三个大的方面:
1、手动操作
2、自动操作
3、数据采集
自动操作又分为三个大的方面:
1、顺序控制
2、加料控制
3、自动补偿
之所以这样划分一是根据系统的需要,另外,S7-300这款PLC的编程中可以以块为结构,称为用户程序结构。
组态软件的编程主要是控制画面的设计,将组态程序做好就能有一个友好的界面来实现人与控制系统的结合,使配料在自动的情况下进行,但人又可以在控制界面中对控制过程进行干预,并且监控配料过程的进行,对过程数据进行考查和记录。
2配料系统
2.1配料系统简介
高炉上料系统一般由焦炭仓,球团矿/烧结矿仓,石灰石/白灰石仓以及原矿或废铁仓组成;
矿石在槽下经振动给料机、振动筛后(杂矿和溶剂不过筛),合格的矿石进入称量漏斗,称量好的矿石再经过主皮带机运至料坑矿石汇总称量斗。
碎矿皮带机设在料坑两侧的筛下,筛下的碎矿由皮带机转运至返矿仓。
焦碳经由振动给料筛进入称量斗,在需要时直接进入料车。
料坑内设有两个矿石汇总称量斗闸门和焦炭称量斗闸门,分别将矿石、焦炭和各种杂矿装入左右料车中.如图1。
图1配料系统工艺流程图
2.2工艺要求
从而对产品的质量和都带来不利的影响,因此入炉料重量的稳定是高炉炼铁生产稳定顺行的前提条件。
自动化上料控制系统主要解决如下问题:
1、物料准确计量和误差自动补偿,当配料过程中由于机械设备的性能变动或物料的理化性能改变引起称量误差时自动找回误差值。
2、按炼铁工艺要求自动完成顺序上料,根据本高炉的炉况编制上料制度并把该上料制度输入到控制系统后,控制系统自动完成正装,倒装,同装,分装以及混装等上料操作。
3、检测控制大小料钟和料尺,料线到规定值时发出允许上料讯号,把料车的料送到炉顶。
4、打印记录生产数据和控制参数。
5、检测并屏幕显示系统工作情况,当外部机械设备发生故障时及时发出报警信号和故障处理指令。
2.3系统实现的功能
1、实现各配料秤和集料皮带机的顺序起停、单机起停。
2、实现各配料秤的重量配比控制。
3、实现对配料的初始数值的设定。
4、报警。
对经常出现的故障进行声光同时报警。
5、报表打印。
人工干预,和定时打印各种时报、班报和月报等。
6、断电保护。
断电后再次供电时,系统时行初始化复位,保证各台设备均处于停机状态,以防发生人身和设备事故。
3卷扬系统
3.1卷扬系统简介
高炉上料的形式主要有两种:
一是卷扬料车上料,二是皮带上料,由于料车上料占地面积小,在中小高炉中得到广泛应用,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斗,料车到料坑后,中间斗把料放如料车,中间料斗阀门关到位并且炉顶准备好后,料车启动,经过一加速——二加速——全速——一级减速——二级减速——检查位,到达炉顶停车。
3.2控制方案
3.2.1上料及炉顶系统及主要电气设备
1、卷扬机构交流电机功率160KW,三相交流380V一台。
2、冷却风机电机3.7KW,三相交流380V一台。
3、料车制动器1KW,两相交流380V两台。
4、料车行程编码器,OMRON一台。
5、智能主令控制器一台。
6、料车切换柜一面、交流变频传动柜两面(一用一备),制动电阻柜一面。
7、料车变频器选西门子6SE70200KW两台,配套制动单元。
3.2.2基本工艺要求
1、料车卷扬机:
料车卷扬机按料车行程曲线运行;
2、在PLC操作台手动方式下,满足高、中、低速调速要求;
3、料车启动、停车及加、减速平稳,速度控制受负载(空载或满载)影响较小;
4、主卷扬有钢绳松弛保护和极限张力保护装置(过流保护);
5、料车有行程极限,超极限保护装置,低速检查保护;
3.2.3设计方案
系统方框图如图3所示
图2系统方框图
本设计采用西门子公司的6SE70全数字交流变频调速供电装置。
系统配置了配套制动单元和独立的制动电阻柜,采用能耗制动方式实现卷扬系统的制动。
供电装胃的工作方式选用一备—.用方式,通过切换柜中的三刀双掷刀丌关完成备用切换,并配有触摸屏作为人机界面。
每个变频器的控制信号通过切换柜的电‘(设备求完成基本联锁及控制,在主PLC与切换柜之间、操作台与切换柜之间利用继电器相互隔离,使抖车的控制可以山PLC或操作台分别控制系统,提高整个系统的可靠性。
抱闸山6SE70装冒中的抱闸专用控制功能来实现料车运行中的抱闸控制及联锁控制。
在此过程中,各加减速设计主要是山与上料小车在斜桥上运行至炉顶卸料时必须有一段弯轨。
装满料的小车启动时也不宜有过大的冲击。
所以,采用变频器对其主卷扬电机频率进行转化来实现各种运行操作。
变频器频率的变化原则主要依据现场主令控制器的状态,现场主令控制器的状态送到PLC输入端子,山PLC控制,通过PLC的开关量输出端子控制变频器的频率,实现主卷扬的速度调整。
启动后,电机随之平滑、无级调速运转,如果运行中出现欠压、逆变器过载、电机过载、故障等运行约束条件出现。
综合报警就会动作,切断控制回路,同时在逆变器面板上的数字监视器显示相应的故障信号.为了保证载料小车上料周期,提高产量,减少小车故障。
载料小车在上升或下降过程中,运行状态分成三个阶段:
低速段、高速段、低速段。
调速装置的交流进线是通过交流进线电抗器解耦,并且进线电抗器设置在电源切换柜中,相当于两套变频器共用一台进线电抗器。
在切换开关后面分别接两台出线电抗器,消除出线高次谐波,保护电机.
高炉上料卷扬系统是炼铁生产中的关键设备,主要作用是将炼铁所需的原料源源不断地送到高炉内,保证炼铁的正常需要,而整个高炉上料卷扬系统的核心就是料车的主提升设备,交流变频调速可以获得理想的效果。
电力电子变频器可分为交-直-交和交-交两大类。
U/f恒定、速度开环控制方式和转差频率速度闭环控制方式通用变频器,基本上解决了异步电动机平滑调速的问题。
然而,当生产机械对调速系统的动、静态性能提出更高要求是,上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。
原因在于其系统控制的规律是从异步电动机稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
考虑到异步电动机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统,很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩,但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标,利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的转换,则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来,进行分别控制。
这样,通过坐标变换重建的电动机模型就等效为一台直流电动机,从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。
矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。
具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流矢量(转矩电流)分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式为矢量控制方式。
原理结构如图4所示:
图3
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可以在调速范围上与直流电动机媲美,而且可以控制异步电动机产生的转矩。
主卷扬系统的特点是卷扬电机工作频繁,负荷重,启动转矩要求高,要有足够的运载能力。
变频器设计转矩计算比较复杂,实际选用时多以经验选型,变频器容量应比卷扬电机容量大1~2档。
根据卷扬系统电动机的额定电流和负载特性,选择富士FRENIC5000G11S通用变频器。
3.3料车定位
高炉卷扬料车的传统定位方式是机械的主令控制器,目前来看,使用起来有很多问题,定位精度差,现场环境恶劣,机械触点容易氧化,位置发生变化后,必须休风,跑几次空车,调整料车位冒。
我们现在采用的方案是智能主令控制器与编码器(PLC)结合对料车进行定位,料车定位采用绝对值编码器来完成,信号是格雷码,以开关量的
形式送给PLC;
主令控制器采用增量式编码器,脉冲信号送给主令控制器的内部小PLC。
料车定位编码器通过Profibus—DP与PLC联网。
通过数字面板来调整料车位置,如料车位置发生变化,只需在数字面板上改变料车位罟的数值即可完成对料车的定位。
同时,主令控制器所检测到的数据与主PLC中的数据相比较,差小于允许值时认为定位准确。
图5为ZKLK系列主令控制器产品结构及工作原理图。
部件采用先进、可靠的SIMATIC可编程序控制器(PLC)和OMRON旋转编码器组成。
主令控制器主要山传感器单元、处理控制单元、电缆及联接单元三部分组成。
核心主令控制器主要山传感器单元、处理控制单元、电缆及联接单元三部分组成。
核心系统通过齿轮将主卷扬减速机的低速轴同传感器箱啮合,减速机带动卷扬滚筒转动,从而
实现对料车位冒移动的控制,并将移动的距离传给旋转编码器产生位胃码送给PLC,通过其CPU的程序处理实现精确定位或限位,发送相应的控制信号和保护输出,这样,被控对象的位置就实现控制;
同时,控制箱上的操作面板通过PPI通讯与PLC联接,这一良好的人机界面使得被控对象的当前位置显示准确直观、参数的设定与调整简洁方便。
4系统硬件说明
4.1PLC简介
一、PLC的发展历程
在自动化控制领域,PLC是一种重要的控制设备。
在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。
传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1969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ProgrammableController(PC)。
后来可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController(PLC)。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。
二、PLC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。
三、PLC的编程器
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。
目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。
STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。
STEP7的功能如下:
-可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展
-为功能模板和通讯处理器赋值参数
-强制和多处理器模式
-全局数据通讯
-使用通讯功能块的事件驱动数据传送
PLC的这些的诸多优点就注定了它要成为工控系统中不可被替代作用。
稳定,可靠,强大的功能,这正是工业控制中所越来越需要的,是发展的趋势。
4.2PLC模块配置
S7-300PLC采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接起
来。
除CPU模块外,每块信号模块都带有总线连接器。
安装时先将总线连接器CPU模块并固定在导轨上,然后依次将各模块装入。
电源模块与CPU模块和其它信号模块之间是通过电缆连接。
[11]
1.PLC的中央处理器CPU315
CPU315是S7-300的大脑,其装载存储器的基本容量为48K字节或80K
字节,可用存储卡扩充装载存储器,最大容量可达到512KB。
每执行1000条二进制指令约需0.3ms,最大可扩充1024点数字量I/0或128路模拟量通道。
CPU315内装硬件实时时钟。
CPU315的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。
CPU响应哪个事件,操作系统自动调用该事件的组织块0B.CPU315可调用12日个功能块FB(0—127);
12日个功能调用FC(0—127);
127个数据块DB(1—127,0保留)。
0B,FB,FC,DB的容量均不大于8KB。
此外,还有38个系统功能块SFC集成在操作系统中供用户调用:
有9个系统数据块SDB装载S7-300系统参数。
CPU315适用于要求高速处理和中等I/0规模的任务。
它可以装载中等规模的程序,并具有中等的指令执行速度。
2.接口模块IM360和IM361
当PLC系统的规模较大时,一个机架不能容纳所有的模块时,就要增
添扩展机架,这时装有CPU的机架称为主机架。
主机架和扩展机架之间通过接口模块IM1360和1M361形成统一的整体。
每个机架的接口模块通过总线连接器连接到I/0模块。
接口模块是自组态的,无需进行地址分配。
具有指示系统状态和故障的发光二极管LED。
如果CPU不确认此机架,则LED闪烁。
一个系统可以有中央机架和最多三个扩展机架,每个机架最多八个扩展
模块,相邻机架的间隔为4厘米到10米。
IM360必须安装在S7-300的0号主机架上:
数据通过连接线368山
IM360传输到IM361:
I
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