球团生产工艺中的供料系统plc控制系统设计 大学毕业设计.docx

球团生产工艺中的供料系统plc控制系统设计 大学毕业设计.docx

《球团生产工艺中的供料系统plc控制系统设计 大学毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《球团生产工艺中的供料系统plc控制系统设计 大学毕业设计.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

球团生产工艺中的供料系统plc控制系统设计大学毕业设计

摘要

球团生产工艺的概念，球团生产工艺是一种提炼球团矿的生产工艺，球团与烧结是钢铁冶炼行业中作为提铁矿石的两种常用工艺。

球团矿就是把细磨铁精矿粉或其他含铁粉料添加少量添加剂混合后，在加水润湿的条件下，通过造球机滚动成球,再经过干燥焙烧，固结成具有一定强度和冶金性能球形含铁原料。

本文介绍了PLC的基本结构和工作原理，西门子S7-300/400系列PLC的硬件结构、指令系统、编程方式以及STEP7软件的使用。

通过这些知识，对球团生产工艺中的供料系统进行PLC控制系统设计，仿真调试，介绍了PLC硬件组态及软件编程的过程，最后应用仿真软件PLCSIM，对程序进行调试。

关键词：

球团生产工艺、PLC、编程，调试

Abstract

Theconceptofthepelletproductionprocess,thepelletproductionprocessisrefiningtheproductionprocessofthepellets,pelletizingandsinteringaretwocommonlyusedprocessofironandsteelsmeltingindustryasmentionedintheironore.pelletizerpelletsisfinelygroundironorepowderorironpowdertoaddasmallamountofadditivesmixed,addwater,wettingconditions,rollingintoaball,thenafterdryroasting,solidformwithacertainintensityandmetallurgicalpropertiesofsphericalironmaterials.ThisarticledescribesthebasicstructureandworkingprincipleofthePLC,theuseoftheSiemensS7-300/400seriesPLC'shardwarearchitecture,instructionset,programmingandSTEP7software.Throughthisknowledge,thefeedingsysteminthepelletproductionprocessofthePLCcontrolsystemdesign,simulation,debugging,introducedtheprocessofthePLChardwareconfigurationandsoftwareprogramming,thePLCSIMofthelastapplicationofsimulationsoftware,theprogramfordebugging.

Keywords：

Pelletproductionprocess、PLC、programming、Debugging

1绪论

1.1球团工艺的发展状况

由于天然富矿日趋减少，大量贫矿被采用；而铁矿石经细磨、选矿后的精矿粉，品位易于提高；过细精矿粉用于烧结生产会影响透气性，降低产量和质量；细磨精矿粉易于造球，粒度越细，成球率越高，球团矿强度也越高。

综上所述原因，球团生产工艺在进入21世纪后得到全面发展与推广　

如今球团工艺的发展从单一处理铁精矿粉扩展到多种含铁原料。

球团产品也已用于炼钢和直接还原炼铁等。

球团矿具有良好的冶金性能：

粒度均匀、微气孔多、还原性好、强度高，有利于强化高炉冶炼。

目前主要的几种球团焙烧方法：

竖炉焙烧球团、带式焙烧机焙烧球团、链箅机——回转窑焙烧球团。

竖炉焙烧法采用最早，但由于这种方法本身固有的缺点而发展缓慢。

目前采用最多的是带式焙烧机法，60％以上的球团矿是用带式焙烧机法焙烧的。

链箅机——回转窑法出现较晚，但由于它具有一系列的优点，所以发展较快，今后很可能成为主要的球团矿焙烧法。

随着国际上直接还原炼铁技术的发展，其规模和产量迅速增加，都必须优先采用球团矿为入炉料。

纵观世界采矿业，细精矿的产量大幅增加，富块矿和粉矿的产量相应减少。

世界球团矿的产量和质量在迅速提升。

我国所产的炼铁原料几乎都是细精矿，用于生产烧结矿已是不合时宜的、不合理的加工方法，应将其用来生产球团矿才是一种先进的炉料加工方法。

另外我国目前钢铁生产所需铁矿粉大部分需要进口，其中细精矿的比例越来越高，这些细精矿都应采用球团法加工成炉料。

我国球团矿开始较大规模生产的时间不长，所以球团矿仅是高炉用自然碱度的酸性球团矿，产品质量还存在很多问题，竖炉工艺和小型工厂生产的球团数量超过一半以上。

我国球团矿生产存在的主要问题包括：

Ø铁精矿粒度粗、铁品位偏低，进口球团矿品位一般都在65%以上，而我国竖炉球团矿大多在60%左右；

Ø膨润土用量偏高，竖炉球团平均膨润土消耗量在40kg/t，高于国外2倍多；

Ø成品球团矿抗压强度比进口球团矿低；

Ø单台设备生产能力偏小。

总之，我国的球团生产仍处于低水平的发展阶段，但其发展前景十分广阔。

如今球团工艺的发展从单一处理铁精矿粉扩展到多种含铁原料，生产规模和操作也向大型化、机械化、自动化方向发展，技术经济指标显著提高，并要努力赶上世界先进水平。

1.2球团工艺简介

1.2.1球团基础知识

球团法是将细磨精矿制成能满足冶炼要求的块状物料的一个加工过程。

其过程为：

将准备好的原料（细磨精矿或其他细磨粉状物料，添加剂或粘结剂等），按一定的比例经过配料混匀，在造球机上经滚动而造成一定尺寸的生球，然后采用干燥和焙烧或其他方法使其发生一系例的物理化学变化而硬化固结。

这一过程就叫作球团过程，这种方法称为球团法。

它所得到的产品就叫作球团矿。

根据球团矿固结温度和气氛的差异，球团法所得到产品可分为氧化球团矿、冷固球团矿、金属化球团矿等。

按照球团矿的碱度一般分为酸性和自熔性两种。

酸性球团矿与自熔性球团矿相比，前者在生产上不会引起操作上的困难，而且其品位高、强度好，便于长途运输。

同时又由于大多数烧结厂生产高碱度烧结矿，需要酸性球团矿配合使用以满足高炉冶炼的要求。

所以，目前世界各国仍以生产酸性球团矿为主。

球团矿是一种高效的造块方法，球团矿无论是在高炉、转炉或电炉中都能使用。

其主要优点如下：

适于进行大规模生产；

●球团矿呈球形，粒度均匀，从而保证了在高炉中料柱的良好透气性；

●球团矿的还原性好；

●球团矿在运输和多次转运和条件下破碎很少，可以露天存放。

根据高炉生产的理论和实践，对入炉原料的基本要求有如下几点：

●品位高、杂质少、化学成分稳定

●强度好、粉末少、粒度均匀

●易还原、粉化少、高温性能好

球团矿是一种理想的高炉精料，主要表现在：

●铁品位高、有害元素少

●生产球团矿能扩大冶炼含铁原料的来源

●生产球团矿能扩大冶炼燃料的来源

总之，生产球团矿可以根据各种矿石原料的性质，采用不同的球团法和各种技术措施，人为地改善入炉原料的各种性质，为高炉冶炼提供粒度均匀、成份稳定、物理化学特性以及冶金性能良好的精料，使其最大限度地满足冶炼的要求，大大地强化冶炼过程。

1.2.2球团生产工艺

原料系统把精矿粉和膨润土送入配料间和膨润土配料矿槽。

精矿粉和膨润土通过电子称在配料室按一定比例进行集中配料，由胶带运输机送至干燥机进行干燥混匀，将混合料充分混匀并控制其水份在8％以下，送入润磨系统，分料后由皮带机送至竖炉系统的圆盘造球机进行造球。

具有一定强度和粒径的生球由皮带机送至生球圆辊筛分机进行筛分，小于等于6mm、大于等于18mm粒径的小球和粉末由返矿皮带机送至造球机重新造球，筛上生球经皮带称计量后由皮带机送至竖炉间，由梭式布料小车均匀布入竖炉内。

生球在炉内经过干燥、预热、焙烧、均热和冷却等过程变成成品，由振动给料机排放到链板机上，然后通过成品筛分机进行筛分，粒径6mm的成品球团矿通过胶带运输机经计量后送入成品系统，粒径5mm以下的小球和碎块由皮带机送到返矿槽。

流程图如图所示：

图1.1球团生产工艺流程图

1.3本课题主要内容

本文共分为四章，主要介绍球团生产线中上料供料系统的PLC控制系统设计。

第一章主要介绍了球团的生产工艺；

第二章主要介绍了球团生产线供料系统PLC的硬件设计；

第三章简要介绍了STEP7及PLCSIM软件的应用；

第四章介绍了球团生产线供料系统PLC的软件设计包括控制流程、I/O表及具体的程序分析和调试过程；

最后对全文进行了总结。

2PLC控制系统设计

2.1可编程控制器简介

2.1.1可编程控制器的基本结构

PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU模块、编程器、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。

1．CPU模块

CPU模块是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU模块，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集现场输入装置的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

2．存储器

虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

（1）系统程序存储区；

（2）系统RAM存储区（包括I/O映像区和系统软件设备等）；（3）用户程序存储区。

3．输入/输出模块

I/O模块是PLC与外部电器回路的接口，I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入寄存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

PLC输入接口的输入设备一般是各种开关、按钮、传感器触点等；PLC的输出接口与被控对象相连，一般是接触器、电磁阀、指示灯等。

I/O模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等模块。

4．电源模块

PLC电源用于为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），直流电源（常用的为24VAC）。

5．底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现个模块间的联系，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。

6．可编程控制器系统的其它设备。

2.1.2可编程控制器的工作原理

其工作原理主要分为三个阶段：

输入采样阶段——用户程序执行阶段——输出刷新阶段。

第一阶段，PLC以扫描方式读入所有输入状态和数据，存入I/O印象区的相应单元；

第二阶段，PLC总是按照从上到下的顺序依次扫描用户程序。

在扫描每一条梯形图时，按照先左后右、先上后下的顺序对控制线路进行逻辑运算。

然后根据这个结果刷新I/O印象区的状态，排在下面的梯形图，被刷新的逻辑线圈在下个扫描周期才对排在上面的程序起作用；

第三阶段，输出印象寄存器中存放的是1，对应继电器的常开触点闭合，输出印象寄存器中存放的是0,对应继电器的常开触点断开。

第二阶段和第三阶段即使输入状态和数据发生变化，I/O印象区中对应单元的状态和数据不会改变。

2.2S7-400系列PLC简介

S7—400是具有中高性能的PLC，采模块化无风扇设计，适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。

S7—400采用大模块结构，大多数模块的尺寸为25mm（宽）*290mm（高）*210mm（深）。

S7—400主要由机架（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）模块、接口模块（IM）、数字量输入/输出（DI/D0）、模拟量输入/输出模块（AI/AO）模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）和通信处理器（CP）等部分组成，DI/D0模块和AI/AO模块统称为信号模块（SM）。

S7—400的模块都有名称，同样名称的模块根据接口名称和功能的不同，又有不同的规格，在PLC的硬件组态中，以订货号为准。

图2.1装有S7-400模块的基板

S7—400提供了多种级别的CPU模块和种类齐全的通用功能模块，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。

S7—400的模块插座焊在机架中的总线接板上，模块插在模块插座上，有不同槽数的机架供用户选择，如果一个机架容纳不下所有的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间通过接口模块和通信电缆交换信息。

中央机架必须配置CPU模块和一个电源模块，可以安装除用于接收的IM（接口模块）外所有的S7—400模块。

如果有扩展机架，中央机架和扩展机架都需要安装接口模块。

扩展机架可以安装除CPU、发送IM、IM463—2适配器外的所有S7—400模块，但是电源模块不能与IM—1（接收IM）一起使用。

中央机架和扩展机架通过发送IM和接收IM相连，中央机架可以插入最多6个发送IM，每个扩展机架有1个接收IM，每个发送IM有2个接口，每个接口都可以接一个扩展线路。

集中式扩展方式适用于小配置或一个控制柜中的系统。

中央机架和扩展机架的最大距离为1.5m（带5V电源）或3m（不带5V电源）。

电源模块应该安装在机架的最左边（第1个槽），有冗余功能的电源模块是一个例外，中央机架只能插入最多6块发送型的接口模块，每个模块有两个接口，每个接口可以连接4个扩展机架，最多能连接21个扩展机架。

中央机架中同时传送电源的发送接口模块（IM460—1）不能超过两块，IM460—1的每个接口只能带一个扩展机架。

扩展机架中的接口模块只能安装在最右边的槽（第18槽或第19槽）。

通信处理器CP只能安装在编号不大于6的扩展机架中。

2.2.1S7-400的CPU模块

●CPU模块的性能概述

S7—400PLC的CPU模块种类有CPU412—1、CPU413—1/413—2DP、CPU414—1/414—2DP、CPU416—1适用于中等性能的经济型中小型项目；CPU413—1和CPU413—2DP适用于中等性能的较大系统；CPU414—1和CPU414—2DP适用于中等性能，对于程序规模、指令处理速度及通信要求较高的场合；CPU416—1适用于高性能要求的复杂场合。

具有集成DP接口的CPU可作为PROFIBUSDP的主站。

●CPU的通信接口

S7—400PLC有很强的通信功能，CPU模块集成有MPI和DP通信接口，有PROFIBUS—DP和工业以太网的通信模块，以及点对点（PtP）通信模块。

●后备电源

根据模块类型的不同，在S7—400的电源模块中可以使用一个或者两个后备电源，为存储在内置的装载存储器和外部装载存储器、工作存储器的RAM中的用户程序和内部时钟提供后备电源，保持存储器中的存储器位、定时器、计时器、系统数据和数据块中的变量。

也可以通过EXT—BATT（外地电池）插口提供直流5~15V外部后备电源，EXT—BATT具有反极性保护。

在更换电源模块时，若想保存存储在RAM中的用户程序和数据，需要通过插座EXT—BATT提供外部后备电源。

2.2.2S7-300的输入/输出模块

输入/输出模块系统称为信号模块（SM），包括数字量（或称开关量）输入/输出模块，模拟量输入/输出模块。

输入/输出信号线连接到前连接器上，前连接器插在SM前盖后面的凹槽内，不需要断开前连接器的接线就可迅速更换模块。

1.数字量输入模块

数字量输入模块接受外部开关信号，开关信号主要来自按钮、二线式光电开关、接近开关、低压电器的触点等。

数字量输入模块现场的开关信号的电平转换成PLC内部的信号电平。

直流输入模块操作电压一般是DC24V，交流输入模块的操作电压为AC120V或AC230V。

用电容隔离掉输入信号中的直流成分，交流信号经桥式整流电路转换成直流电流。

SM321是S7-300的数字量输入模块。

2.数字量输出模块

数字量输出模块将PLC内部信号电平转换为控制过程所需要的外部信号电平，同时有隔离和功率放大作用。

可直接用于驱动电磁阀、接触器、继电器、灯和电动机启动器等负载。

按负载回路的电源不同分为：

直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块。

按输出量开关器件的种类又可分为：

晶体管输出方式、双向晶闸管输出方式和继电器输出方式。

晶体管方式的模块，只能带直流负载，属于直流输出模块；双向晶闸管输出模块属于交流输出模块；继电器触点输出模块属于交直流输出模块。

三种输出形式中，晶体管型输出响应速度最快，继电器输出响应速度最慢。

继电器输出模块的负载电压范围宽，承受瞬时过电压和过电流的能力强，但开关频率不能太快，适用于动作频率不高（低于20HZ）的负载。

SM322是S7-300的数字输出模块，SM323是数字量输入/输出模块，即输入和输出集成在一个模块上，有两种型号可选择：

DC24V，8输入/8输出及DC24V，16输入/16输出，输出未晶体管型，输出电流为0.5A。

3.模拟量输入模块

模拟量输入模块用于接受来自生产过程的连续变化的模拟量信号。

如温度、压力、流量、液位及频率等非电量；电压、电流、有功功率、无功功率等电量。

传感器检测的模拟量信号通过相应的变送器转换成标准的直流电压和电流信号。

模拟量输入模块将来自变送器的模拟信号转换成CPU处理的数字信号，即A/D转换。

模拟量输入模块SM331中也有直接不带附加放大器的温度传感器，如热电偶或热电阻。

SM331是S7-300的模拟量输入模块。

4.模拟量输出模块

模拟量输出模块的作用将PLC输出的数字量转换为模拟量信号（电压、电流）区别控制执行机构，其主要组成部分是D/A转换器。

S7-300的模拟量输出模块是SM332有4种输出模块，都有诊断功能。

模拟信号应使用屏蔽电缆或双绞线电缆传送。

2.2.3S7-400的通信处理器模块

S7—400具有很强的通信功能，CPU模块集成有MPI和DP通信接口，有PROFIBUS—DP和工业以太网的通信模块以及点对点通信模块。

通过PROFIBUSDP或者AS—1现场总线，可以周期性自动交换I/O模块的数据（过程映像数据交换）。

在自动化系统之间、PLC与计算机和人—机界面站之间，均可以交换数据。

数据通信可以周期性地自动进行或基于事情驱动，由用户程序块调用。

2.2.4S7-400的电源模块

S7—400PLC有PS405和PS407两种电源模块。

电源模块通过背板总线向S7—400提供直流5V和电流24V电源，输出电流额定值有4A、10A和20A3种。

他们不为信号模块提供负载电压。

PS405的输入为直流电压，PS407的输入为直流电压或交流电压。

2.2.5ET200分布式I/O接口模块

西门子SIMATICET200是包含ET200S，ET200M，ET200pro，ET200eco，ET200iSP五种硬件与软件的系列控制驱动产品。

SIMATICET200S是一款防护等级为IP20，具有丰富的信号模块，同时支持电机启动器，变频器，PROFIBUS和PROFINET网络的分布式IO系统。

ET200M是一款高度模块化的分布式I/O系统，防护等级为IP20。

它使用S7-300可编程序控制器的信号模块，功能模块和通讯模块进行扩展。

由于模块的种类众多，ET200M尤其适用于高密度且复杂的自动化任务，而且适宜与冗余系统一起使用。

SIMATICET200pro是一种全新的模块化I/O系统，防护等级高达IP67,是专门针对那些环境恶劣，安装控制柜困难的等应用而设计的。

ET200pro支持PROFIBUS和PROFINET现场总线，可以连接模拟量、数字量、变频器、电机启动器、RFID及气动单元等模块，而且集成有故障安全型技术，目前在汽车、钢铁、电力、物流等行业拥有广泛的应用前景。

ET200eco是一款高防护，无控制柜设计和经济型的分布式IO产品，并且同时支持PROFIBUSDP和PROFINET工业现场总线，在安装空间有限或应用环境比较恶劣的场合具有广泛的应用前景。

ET200iSP是一种模块化的、本质安全的分布式I/O产品，可以用于易燃易爆区域，最高可安装于危险1区。

该产品可以连接来自最高危险0区的本质安全的传感器或执行器的信号。

除了电源模块和ProfibusDP总线接口模块，ET200iSP还可扩展多种电子模块，包括数字量、模拟量、RTD和TC等模块，每站最多可以插入32块不同的电子模块。

2.2.6PRIFIBUS—DP网络

PROFIBUS—DP的DP即DecentralizedPeriphery。

它具有高速低成本，用设备级控制系统与分散式I/O的通信。

它与PROFIBUS—PA（ProcesAutomation）、PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）共同组成了PROFIBUS标准。

PROFIBUS—DP用于现场层的高速数据传送。

主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。

总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。

除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。

2.3供料系统硬件设计

2.3.1系统硬件选型

球团生产线所需的点数较多，DI点总计826点，DO点总计210点，AI点总计151点，AO点总计10点。

设计使用当前国内流行的操作站+控制站+分布式现场网络，PLC采用西门子S7-400系列可编程控制器，使用现场总线分布式控制，在现场设置从站I/O，变频器亦属于从站并用Profibus现场总线相接，上级通信网络结构为工业局域网，使用标准TCP/IPEthernet协议，速率10M/100Mbps。

上位机监控组态软件使用WINCC。

整个生产线控制系统共有18个ET200M站及12台变频器。

系统所需硬件为：

●主机架：

UR2（6ES7400-1JA01-0AA0）

●电源模块：

PS40710A（6ES7407-0KA02-0AA0）

●CPU模块：

CPU416-2DP（6ES7416-2XN05-0AB0）

●以太网通讯模块：

CP443-1（6GK7443-1EX20-0XE0）

●ET200M模块：

IM153-1（6ES7153-1AA03-0XB0）

●DI模块：

SM321（6ES7321-1BH02-0AA0）

●DO模块：

SM322（6ES7322-1BH01-0AA0）

●AI模块：

SM331（6ES7331-7KF02-0AB0）

●A0模块：

SM332（6ES7332-5HF00-0AB0）

本课题主要针对供料系统部分进行设计，相关I/O点位于DP地址为3、4的两个ET200M站，DP地址为3的ET200M站内配置了5块DI模块和2块DO模块；DP地址为4的ET200M站内配置了3块DI模块和1块DO模块。

2.3.2球团生产线在STEP7中的硬件配置

在STEP7中新建一个工程项目，命名为“球团项目”，在项目文件中插入一个SIMATIC400站，完成后点击Hardware，进入硬件组态界面，在打开的界面中根据前面的硬件选型，分别加入主机架、电源模块、CPU模块、CP模块，并将CPU416-2链接到新建的Profibus-DP网络中，在Profibus-DP中添加ET200M模块，按照设计将站地址以及站内I/O模块全部