基于plc高炉上料自控系统设计毕业论文

基于plc高炉上料自控系统设计毕业论文内容摘要：

器控制系统，使 电气控制系统的工作更加可靠、更容易维修、更能适应经常变动的工艺条件，可编程序控制器正是顺应这一要求出现的。 可编程控制器的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经大量地应用在各种新设备中，各行各业也涌现出大批应用可编程控制器改造设备的成果。 了解可编程控制器的工作原理，设备设计，调试和维护可编程控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。 PLC 的硬件组成结构 (1) 基本结构 可编程序控制其主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块和编程器组成如图 31所示： 可 编 程 序 控 制 器C P U 模 块输入模块输出模块编 程 装 置 按 钮选 择 开 关限 位 开 关电 源接 触 器电 磁 阀指 示 灯电 源 图 31 PLC硬件组成结构图 (2) CPU 模块 在可编程控制器控制系统中， CPU 模块相当于人的电脑，它不断地采集输入信 9 号，执行用户程序，刷新系统的输出。 (3) I/O 模块 输入模块和输出模块简称为 I/O 模块，他们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和 CPU 模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号。 数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接受电位器、测速发电机和各种变送器提供的 连续变化的模拟量电流电压信号。 数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行机构。 (4) 编程装置 编程软件用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。 使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能图块和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。 程序被编译后下载到可编程控制器，也可以将可编程控制器中的程序上传到计算机。 程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。 给 S7200 编程时，应配备一台安装 有 STEP7MICRO/WIN32 编程软件的计算机和一根连接计算机和可编程控制器的 PC/PPI 通信电缆。 (5) 电源 可编程控制器使用 220V 交流电源或 24V 直流电源。 内部开关电源为各模块提供DC 5V、 177。 12V 、 177。 24V 等直流电源。 小型可编程控制器一般都可以为输入电路和外部的电子传感器提供 24V 直流电源，驱动可编程控制器负载的直流电源一般由用户提供。 (6) 工作原理 PLC是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。 CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行时按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。 PLC按集中采样、集中输出，按顺序周期性循环扫描用户程序的方式工作。 当 PLC处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，其工作过程的中心内容由输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段组成。 I/ O 点分配 10 输入信号有设备位置信号、设备运行状态信号、各种主令和工作方式选择信号、自动配料信号等 ,输入点约 19点。 输出信号有设备运行信号、设备联锁信号、自动配料程序输出信号、指示灯信号等 ,输出点约 17点。 详细 分配点见表 32所示： 表 32 PLC 的 I/O详细分配点 名称 地址编号 代码 名称 地址编号 代码 探尺 SB1 布料器 QA1 大钟开启 SB2 均压阀 YA1 大钟停止 SB3 大钟 QA2 小钟开启 SB4 小钟 QA3 小钟停止 SB5 小车上行 QA4 小车开启 SB6 小车下行 QA5 小车停止 SB7 小车上行指示灯 PG1 小车上行 SB8 小车下行指示灯 PG2 小车下行 SB9 中间仓开 QA6 小车上行限位 BG1 中间仓关 小车下行限位 BG2 大钟开指示 PG3 中间仓开启 SB10 小钟开指示 PG4 中间仓停止 SB11 报警电铃 PB 中间仓开启限位 BG3 中间仓未开到位报警灯 PG5 中间仓停止限位 BG4 中间仓 未关到位报警灯 PG6 消铃按钮 SB12 缺料指示 PG7 自动 /手动 11 PLC 控制电路的设计 PLC 控制器选型及硬件配置 120 m179。 高炉是炼铁的大型装备 ,一般地处偏僻地区 ,控制特点如下 : (1) 电网电压不稳定 ,电压波动达177。 15 % ,灰尘多 ,工业环境差。 (2) 系统工艺复杂 ,输入输出点数多 ,安全性、可靠性要求特别高。 (3) 控制信号有开关、数字和模拟信号。 (4) 控制器应具有顺序控制、定时、计数、逻辑 判断、算术运算等功能。 (5) 工艺配方 程序要求自动控制、灵活设定。 (6) 为防止自动系统失效 ,保留手动控制。 考虑到工业环境差 ,灰尘多 ,为确保 I/ O接点的可靠接通 ,室内设备采用电压类型为DC24V的 I/ O接点 ,室外设备采用 AC220V的 I/ O接点。 根据控制要求 ,I/ O点数以及电压类型 ,必须选用性能卓越 ,高可靠性 ,配置灵活的PLC 控制器 ,考虑供货和备件情况 ,选择 德国西门子公司的 S7200系列中 CPU224型PLC，其本机 I/O点数为 14入 /10出，可扩展 7个模块数量。 再扩展一个 EM223（ 8入 /8出），可满足系统要求，如需增加点数可自行扩 展。 其控制系统构成如图 33所示： 开 关 量 信 号C P U 2 2 4E M 2 2 3继 电 器手 动 / 自 动 接 触 器 电 动 机 图 33 控制系统构成框图 料车上料系统 高炉料车 上料 系统是料车按生产要求将槽下各种物料，由料车卷扬机提升到炉顶。 高炉上料主要有上料小车和上料皮带两种方式；由于小车的上料能力有限，大型高炉一般使用上料皮带的方式上料。 下面简单谈一下上料小车和上料皮带的优缺点： 12 上料小车 的 优点 是 适合料仓与高炉距离较近 ，占地面积小，节省厂区面积，适于中小型高炉；缺点是上料能 力有限。 上料大皮带 优点 是适合料仓与高炉距离较远，能连续供料，适于大型高炉；缺点是 占地面积较大。 本设计主要考虑的是小型高炉的自动上料系统，为节约成本，采用 上料小车 的上料方式。 料车的主要控制步骤 (1) 料制由操作人员编制完成； (2) 槽下中间仓料满； (3) 卷扬机开动料车到料坑底； (4) 开启中间仓闸门； (5) 中间仓放料至料车显示料满信号 ； (6) 关闭中间仓闸门； (7) 卷扬机开动料车到炉顶； (8) 料车到炉顶后延时 5 秒显示料车料空，并下行； (9) 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。 循环执行以上步骤。 其主电路如图 34 所 示： M3 M3 Q A 6Q A 4Q A 5Q A 1 0Q A 2 0B B 1B B 2NL 1L 2L 3F A 1F A 2 图 34 主电路原理图 13 高炉料钟装料系统 炉顶装料系统，它由旋转布料器、小钟、大钟以及探尺组成。 原料由料车送上炉顶后，先装入小钟。 小钟下降时，原料装入大钟内，大钟每下降一次，布料器即旋转一次，布料器旋转一定角度（一般采用六点布料，间隔六十度），这样可使进入炉内的料分布均匀。 小料钟经过几次下降一批料装入大料斗后，关闭小钟，然后打开大钟，经布料器原料便装入炉内，采用双钟的目的在于装料时交替关闭 ，以防煤气逸出。 而双钟的控制如图 35 所示： M3 M3 B B 4Q A 4 0Q A 3大 钟 小 钟F A 4Y A 1NL 1L 2L 3F A 3Q A 3 0B B 3Q A 2 图 35 双钟的控制原理图 为使炉内物料均匀的分布 ， 旋转布料器 采用步进电机控制， 步进电 动机是一种用电脉冲信号进行控制 , 并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。 由于受脉冲的控制 ,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比 , 通过控制脉冲数量来控制角位移量 , 从而达到准确定位的目的。 通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 , 从而达到调速的目的。 通过改变通电顺 序 , 从而达到改变电机旋转方向的目的。 设计中 , 步进电机 PLC 控制方案其系统结构如图 36 所示。 系统硬件部分由 PLC控制器、驱动器、步进电机等组成。 控制器 PLC发出脉冲、方向信号 , 通过驱动器控制步进电机的运行状态。 因为设计的步进电机控制系统中要求手动盘车功能 , 在驱动器不 14 断电的情况下要求直接转动电机轴 , 这时要利用驱动器的脱机信号功能 , 使电机脱机 , 进行手动操作或调节。 手动完成后 , 再将脱机信号去除 , 以继续自动控制。 PLC驱动器 步进电机 负载脉冲方向脱机 图 36 步进电机 PLC控制系统机构 步进电机的选择 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。 一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 (1) 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。 电机的步距角应等于或小于此角度。 目前市场上步进电机的步距角一般有 /（五相电机）、 /（二、四相电机）、 /3度（三相电机）等。 (2) 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确 定，我们往往先确定电机的静力矩。 静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。 单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。 直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。 一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 23倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。 (3) 电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。 (4) 力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： 15 P= Ω•M Ω=2π•n/60 P=2πnM/60 其 P为功率单位为瓦， Ω为每秒角速度，单位为弧度， n为每分钟转速 ， M为力矩单位为牛顿•米 P=2πfM/400(半步工作） 其中 f为每秒脉冲数（简称 PPS) 步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成，如图 37所示。 驱动器选型原则遵循先选电机后选驱动的原则 , 电机的相数、电流大小是驱动器选择 的决定性因素。 在选型中 , 还要根据 PLC 输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或共阴极。 为了改善电机的运行性能和提高控制精度 , 通常通过选择带细分功能的驱动器来实现 , 目前驱动器的细分等级有 8倍、 16倍、 32倍、 64倍等 , 最高可达 256倍细分。 在实际应用中 , 应根据控制要和步进电机的特性选择合适的细分倍数 , 以达到更高的速度和更大的高速转矩 , 使电机运转精度更高 , 振动更小。 脉 冲 发 生 器 脉 冲 分 配 器 脉 冲 放 大 器 步 行 电 动 机 工 作 机 构指 令 图 37 步进电机驱动电源方框图 在设计中，有 PLC的 CPU产生脉冲，通过驱动器来控制步进电机，步进电机的工作方式为 二相八拍 ， 步距角为。 其控制原理图如图 38所示： 步 进 电 机C P +D +C P D A +A B +B C O M Q 0 . 1Q 0 . 2PLCR 1R 2 图 38 步进电机 PLC 控制原理图 探尺系统 16 高炉在冶炼的过程中，利用探尺探明炉内料面高低的情况。 探尺是一个铸钢圆柱体重锤，由卷扬机通过钢绳牵引经滑轮和链条将探尺伸入高炉炉膛内。 值班室根据炉内冶炼要求，例如定出料线 米，即料长下降到 米时就要往炉内装料。 假如由于装料机械故障或 者其它环节出毛病没有及时装料而使实际料面继续下降，出现“亏料”现象，当实际料亏低于选择的料线 米时发出。