基于PLC的冶炼厂矿石供料系统学士学位论文.docx
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基于PLC的冶炼厂矿石供料系统学士学位论文
基于PLC的冶炼厂矿石供料系统
摘要
传统的冶炼厂矿石供料控制系统是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系统。
但随着冶炼厂规模的扩大,对矿石的需求量大大提高,传统的供料系统已无法满足冶炼厂的需要。
本文在对传统供料控制系统进行了认真的分析与研究后,结合相关理论和技术,制定出一套由PLC为控制核心的皮带传输供料控制系统。
为了实现供料系统的稳定运行,处理诸如皮带跑偏、打滑及撕裂等问题,在主电路中用传感器检测故障信号,软件中调用相应传感器检测到的故障信号处理子程序并执行处理。
运用皮带运输线进行矿石供料大大提高了工作效率。
在PLC中应用子程序的方式,不仅便于实现多种运行方式,而且大大提高了程序的可维护性和可靠性。
经过实验室供料控制系统的仿真,表明了该供料控制系统运行的正确性、实用性。
关键词:
PLC、矿石供料系统、组态软件
ABSTRACT
Thetraditionalorefeedsystemofmetallurgicalplantisahalf-automationsystembasedonrelayconnectandmanualwork.Butalongwiththedevelopmentinscale,theorerequirementofmetallurgicalplantincreasesgreatly.Thetraditionaloretransfersystemcan’tmeettheneedsofthesemetallurgicalplantsanymore.
Thispaperworkedoutasuitablefeedingsystemcontrolprogramthroughseriousanalysisandresearch.Inordertoimplementtheoptimalcontrolofthefeedingsystem,Aftersufficientconsiderationofthefailureandthereliabilityfactorsandcombiningwithrelatedtheoryandtechnology,thepaperproposedabeltfeedingcontrolsystemforthecontrolofmiddle-littlebelttransmission.
Oretransportlinesusingbeltfeedgreatlyincreasestheefficiency.UsingthewayofsubroutineinthePLCnotonlyfacilitatestheimplementofmanifoldrun-mode,butalsoenhancestheprogram’smaintainabilityandreliability.Thefeedingsystemrunninginlaboratorydemonstratesthecorrectnessandpracticabilityofthesystem.
Keyword:
PLC、orefeedsystem、supervisioncontrolanddatacquisition.
第1章绪论
皮带传输系统因其结构简单,使用方便,造价低廉,被广泛应用于工业、商业、农业、医药、军事等方面,在采矿运输、冶金送料、车站及码头的货物运输更是广泛使用,同样,冶炼厂的矿石供料控制系统也采用皮带传输。
随着冶炼厂规模的逐渐扩大,矿石需求量逐渐提高,对冶炼厂供料系统的高效运输能力要求越来越高。
本章对课题来源和国内外相关课题的研究动态进行了简单描述,介绍了论文的主要工作及各章内容安排。
1.1课题的提出
传统的冶炼厂矿石供料控制系统是一种基于继电接触器人工手动方式的半自动化系统。
现场环境十分恶劣,对设备损伤较大,使得设备会经常出现一些故障,例如有皮带跑偏、打滑及撕裂等等。
供料系统由于处在一个电网中,设备不能同时启动,必须有次序的启动和停止。
如果供料系统在运行过程中某单体设备出现故障,则该设备及应按照顺序停止的设备同时停止,并给出故障指示信号供工人们能够准确的找出故障位置并排除故障,以减少供料系统设备维修时间。
随着冶炼厂规模的迅速扩大,供料控制系统的作用日益突出,而传统的控制系统已无法满足冶炼厂的需要,因此需要对传统的冶炼厂供料系统进行改造。
同时当今世界是一个信息技术高度发展的世界,信息贯穿社会的每个角落,现代化的工厂。
建立全自动化的供料系统,不仅可以让工人从恶劣的环境中、繁重的劳动中解放出来。
而且可以通过建立控制网络将相距较远的各输煤机架控制器相连,实现信息的相互传递,不仅保证了控制的时实性,可靠性,同时便于未来厂级或车间级的管理。
传统供料系统具有以下特点:
(1)任务重。
为了保证工业用料,供料系统必须始终处于运行状态。
(2)运行环境差、劳动强度大。
由于各种因素造成供料系统运行环境恶劣、脏污,需要占用大量的辅助劳动力。
(3)一次起动设备多,安全联锁要求高。
同时起动的设备可高达20~30台以上,在起动或停机过程中有严格的联锁要求。
因此,冶炼生产应用自动化已经成为必然要求,其投入产出比显著,且逐渐成为冶炼工业现代化的标志。
1.2矿石供料系统技术发展前景
矿石供料系统是冶炼厂重要的矿石传输部分。
其后工序是冶炼厂冶炼炉,这些工序的控制都涉及过程控制技术。
随着科技的不断进步,电子技术的不断发展,过程控制技术经历了三四十年代单参数仪表控制、四五十年代的单元组合仪表综合参数仪表控制以及60年代兴起的计算机过程控制等几个阶段。
尤其是近一二十年来,随着微处理器、计算机技术和过程自动化控制理论的飞速发展,可编程控制器(PLC)性价比大幅提高,并得到了很快的普及和提高。
可编程控制器具有信息存储、逻辑判断、精确、快速和自动化程度高等特点。
将计算机技术应用于工业控制系统,既可大幅度地提高劳动效率,改善劳动条件,提高热效率,节约能源,降低成本,又具有结构简单、性价比高、使用方便的优点。
所以,PLC已成为工业自动化控制的有力工具,是工业自动化的发展方向。
1.3本课题的主要研究内容
本设计以矿石供料系统为控制对象,以PLC为核心并结合传感器等技术,设计一套冶炼厂矿石供料控制系统,并利用计算机对供料系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠,安全节能,获得最佳的运行工况。
该系统的设计目标是:
(l)对冶炼炉矿石供料控制系统进行总体设计,实现冶炼厂供料的稳定运行。
(2)通过对硬件配置的选型,使控制系统的性价比达到最佳。
(3)选择合适的检测元件和模拟量变送器,以使检测、控制更为准确。
(4)选择合适的电力传动装置,确保各执行元件正常动作。
(5)通过对整个系统工艺流程及控制要求的分析,编制该系统的控制程序,以实现供料器、皮带机、粉碎机、筛选机、冶炼炉的自动控制。
(6)通过组态王进行监控完成人机操作、现场设备的工作模拟显示、报警等。
根据各设备遵循先起后停的原则及控制要求,进行系统总体控制方案设计。
硬件设备选型、PLC选型,估算所需I/O点数,进行I/O模块选型,绘制系统硬件连接图:
包括系统硬件配置图、I/O连接图,分配I/O点数,列出I/O分配表,熟练使用相关软件,设计梯形图控制程序,对程序进行调试和修改并设计监控系统。
1.4课题的意义
冶炼厂矿石供料装置是炼铁生产中的重要环节,提高其自动化水平,可以大大减轻工人劳动强度,提高生产效率。
采用传统的继电器控制方式可以实现对该装置的控制,但是体积大,故障率高,抗干扰能力差,控制不精确,使用寿命较短。
采用现代PLC技术控制矿石供料装置,可以克服传统的继电控制系统的不足之处,使控制更精确,工作效率更高,可靠性更好,故障率更低。
第2章系统总体方案设计
2.1系统分析
2.1.1矿石供料系统的工艺应用及特点
矿石供料系统是冶炼厂的重要组成部分,其作用就是从矿石仓输送到冶炼炉。
由于将矿石输送到冶炼炉之间环节较多,人们从不同的工艺角度出发设计可以自行设计与实际需要相符合的供料系统。
PLC供料系统是在由继电器控制的基础上发展起来的。
由于供料系统的设备分散且与控制室相距较远,且整个矿石供料过程中,不可避免的矿石粉末飞扬,使得整个系统所处环境非常恶劣,这些都决定了必须提高矿石供料系统的自动化水平。
又因为它具有可靠性好、成本较低、运行周期长、更改方案灵活、节能和便于自动化管理等特点。
因此70年代已在欧洲大陆广泛使用。
90年代以来,我国新建的大、中型冶炼厂差不多都采用了PLC控制矿石供料工艺。
供料系统是冶炼厂冶炼工艺中的重要环节,而供料系统运行的稳定、可靠,是保证冶炼厂高效运行的关键。
若通过合理的设计,使供料系统经常处于最优条件下工作,既可以延长工作周期,提高工业生产量,也可以节能和减少劳动力等。
而采用PLC为核心控制系统的出现,从以下几方面改善了供料系统的输料性能:
(1)增加了供料系统调整的灵活性。
供料系统现场空间条件不完全相同,决定了传输线的结构各异,大多冶炼厂需要专门订制一套适合自己供料线的系统,PLC系统的设计、安装、调试简单,工作量小。
(2)增加了供料系统的可靠性。
供料系统所处现场一般条件较恶劣。
PLC用软件替代大量的继电接触器,外部仅剩下与输入和输出有关的少数硬件元件,且PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,因此可用于供料这种有强烈干扰的工业生产现场。
(3)减少了供料系统的经济开支。
供料系统选用PLC作为控制系统的核心可以节省大量的费用。
因为复杂控制系统使用PLC后,可以减少大量的继电接触器,故配线少了很多且开关柜体积的缩小都可以节省下大量费用。
由于冶炼厂供料控制部分系统设计实际很复杂,包含各方面的很多控制和检测,故本系统并未对输料系统技术进行深入的研究与技术上的实现,而是在满足系统功能的前提下避免了系统设计的复杂性。
2.1.2矿石供料系统的组成
供料控制系统一般由PLC、电气执行机构和上位机组成。
电气执行机构负责控制的具体实施,它从PLC接收控制命令,然后相关的接触器接点闭合或断开,电路导通,设备获得动力继而进行动作。
如果单体设备故障,操作人员可以通过控制面板来进行紧急停车,也可对设备进行手动停车操作。
PLC是实现自动控制的核心,所有自动控制内容都通过对它的编程实现。
矿石供料系统的控制与其它车间略有不同,它的设备较多且重复,通过对PLC的编程来实现诸多设备的控制使得电气接线简单许多,这是供料控制系统发展的一种趋势。
本设计冶炼厂供料系统部分由4台皮带机、1台给料器、1台粉碎机、1台筛选机等,来完成给料、粉碎、筛选、冶炼炉的工艺流程。
矿石供料系统的作用就是将矿石经给料器给料、粉碎、筛选后送到冶炼炉。
由于其中的环节较多,所以不可能由一条皮带实现直接输送,应由多条皮带将各设备连接而成;同时供料系统是冶炼厂众多环节中的一个重要环节,矿石不经供料系统的运输,就不能到达冶炼炉的炉膛,就不能进行冶炼生产。
可见,冶炼厂矿石的供料是十分重要的,因此供料系统必须稳定、可靠。
为了提高系统的安全运行,采用传感技术及其它检测元件与PLC结合使用。
该供料系统由四条供料皮带机和粉碎机、筛选机连接组成的。
这四条机架的输料原理是完全一样的,都是机架上的皮带运输机。
其中的筛选机包含一台可以正反转转动的电动机,它与称重传感器及三皮带共同完成矿石筛选,并将不符合要求的矿料重新送回粉碎机粉碎。
国内矿石供料系统普遍采用皮带运输的方式,该方式结构简单、运输的长短便于调整、负荷便于分担、便于添加中间环节。
供料生产线基本工艺可分为给料、粉碎、筛选等环节组成等几个相关过程。
其中筛选过程又由称重传感器及可以正反转转动的电动机组成。
为了保证供料系统的可靠性,即不能间断输料,实际的供料系统采用每一机架两条皮带运输矿石(见图2.1),当其中一条皮带运输机出现问题时,另一台运输机接替运行工作;或者由于运行时间条件或电动机过热条件,两运输机轮流运行工作,但在这里只研究其简单运行方式暂不考虑复杂方式。
图2.1矿石供料系统工艺过程简图
2.1.3供料系统工艺流程
当检查好各设备正常情况后,按下启动按钮。
供料器开始向一皮带供料,一皮带把矿石输送到粉碎机,粉碎机把矿石料粉碎后经二皮带输送到筛选机,之后筛选机开始工作(筛选机内含有称重传感器),当矿石重量比设定值大时,其控制翻板的电动机正转,将大块的矿石通过三皮带送回粉碎机重新加工粉碎,然后控制翻板的电动机反转复位,规格符合要求的矿料直接通过四皮带输送到冶炼炉。
其工艺流程图如图2.2所示。
图2.2工艺流程图
系统处于正常状态下,当接收到启动及停止信号时,其动作如图2.3所示。
其停止过程则反之。
图2.3启动过程
当某设备需要临时检修时按下手动停止按钮,该设备之前的设备按顺序停止后该设备停止。
又当某设备出现意外紧急停车时,按下手动紧急停止按钮,此单体设备及其之前的设备同时紧急停止,并发出报警信号。
在中控室设置组态监控系统,其主要功能是负责和现场的PLC通信,实时监测整个系统的运行情况,并记录数据以供分析。
2.2系统控制方案的确定
2.2.1控制方案总体结构的实现
所谓供料系统的正常运行过程,就是指矿石通过给料器经皮带机、粉碎机及筛选机将矿石粉碎为标准规格,继而运输到冶炼炉的过程。
现将矿石供料系统的基本工艺结构简图绘制如图2.4所示。
图2.4矿石供料系统工艺结构简图
矿石供料系统分为:
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分,具体为:
(l)执行机构:
执行机构是由一组皮带机、给料器、粉碎机、筛选机组成,它们用于将矿料输送到冶炼炉,由多台电机组成,电机只运行于启、停,两种工作状态。
(2)信号检测机构:
在系统控制过程中,需要检测的信号包括电机过流、过载信号、皮带机跑偏、打滑、断裂信号和矿料质量检测信号。
矿料质量检测信号反映的是矿料一次性是否粉碎合格的信号,它是供料控制的主要反馈信号。
另外,报警信号反映系统是否正常运行:
电机是否过流、皮带是否正常。
(3)控制机构:
供料控制系统一般安装在供料控制柜中,包括供料控制器(PLC系统)和电控设备两个部分。
供料控制器是整个供料控制系统的核心。
供料控制器直接对系统中的启动、停止、报警信号进行采集,对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法,得出对执行机构的控制方案,通过接触器对执行机构进行控制。
作为一个控制系统,报警是必不可少的重要组成部分。
由于本系统能适用于不同的矿石供料领域,所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行,防止生产线异常,系统必须要对各种报警量进行监测,由PLC判断报警类别,进行保护动作控制,以免造成不必要的损失。
根据本供料系统的结构,考虑到自动控制方式的先进性,稳定性,可靠性和连续不停运行的特点,提出如下自控方案:
(1)为该供料系统配置一台PLC,分别控制这个系统在正常输料状态和出现意外状态下的运行。
(2)为该PLC编制运行程序,以保证每个单体设备按生产工艺的要求自动运行。
(3)选取相关传感器与PLC连接,实时监测各设备是否正常运行。
当出现意外情况时,通过传感器发出的信号与PLC共同使设备按顺序停车。
(4)每个单体设备均可在2种状态下进行:
1、由PLC控制正常运行2、出现意外时手动停车。
(5)供料系统的控制操作和组态监控:
使用一台PC机作为上位机,配有专为用户开发的监控软件。
用户可以在PC机上控制供料系统以及监测系统的运行情况。
2.2.2矿石供料系统控制流程
矿石供料系统控制流程如下:
(l)系统通电,当按下自动顺序启动按钮后,首先启动冶炼炉,当达到PLC定时器所设置的延时时间时,四皮带开始工作,这期间冶炼炉一直处于运行状态,同理下去,直至给料器上电工作,到此整个系统启动完成。
(2)给料器将矿料输出,后续设备依次负载运行,各检测器件将检测信号传送到PLC,由其进行逻辑运算并通过输出口输出对设备的执行信号。
(3)系统处于自动运行状态时,若传感器检测到的信号超出安全设定值时,系统会发出报警信号并依次停车。
如:
给料器发生故障,直接停止给料器;粉碎机故障,停止给料器、一皮带、粉碎机;二皮带故障,停止给料器、一皮带、粉碎机、二皮带,其后类推。
(4)系统处于手动状态时,若某设备发生意外情况,手动停车并将该设备的允许信号置0,此单体设备之前应该停止的设备同时停止。
第3章系统硬件设计
3.1系统主要设备选型
根据对矿石供料控制系统的分析,画出系统电气控制总框图,如图3.1所示:
图3.1系统的电气控制总框图
根据对该供料系统工艺分析,确定该系统的主要硬件设备包括以下几部分:
PLC及其扩展模块、皮带机、电动机、电机过流检测元件、称重传感器、皮带跑偏检测元件、皮带机打滑检测装置、皮带机撕裂检测元件。
主要设备选型如表3.1。
表3.1主要设备选型表
3.1.1PLC简介
可编程控制器,简称PLC(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
”
PLC的基本组成可归为四大部件:
中央处理单元(CPU板)——控制器的核心;
输入部件(1/0部件)——连接现场设备与CPU之间;
输出部件——连接驱动或受控元件的接口电路;
电源部件——为PLC内部电路提供能源;
整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内;
模块式结构的PLC——各部件独立封装,称为模块,通过机架和总线连接而成。
I/O的能力可按用户需要进行扩展和组合,另外,还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内。
PLC组成框图如图3.2所示。
用PLC设计的控制系统具有如下的优点:
(1)能适应工业现场的恶劣环境,能抗电磁干扰与电压冲击。
(2)简单,易于使用,不必要求微机软硬件方面的知识,编程不需要高级语言。
(3)可靠性高,平均故障间隔时间(MTBF)超过20000小时,罗克韦尔公司的产品MTBF达到50000小时。
(4)编程或修改程序容易,程序可以保存和固化。
(5)体积小,价格低。
(6)可直接将数据送入处理器中,可直接连接到现场。
(7)可在基本系统上扩展,系统容易配置,与负载最远距离可达10000英尺,内存可以扩展。
(8)有很强的通讯功能,可与多种支持设备连接。
(9)系统化,有标准外围接口模块。
(10)系统在一种现场不需要时,仍可改在另一现场使用等一系列优点。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
(1)PLC在输入采样阶段
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入,并将其写入各对应的输入状态寄存器中,即刷新输入,随即关闭输入端口,进入程序执行阶段。
(2)PLC在程序执行阶段
按用户程序指令存放的先后顺序扫描并执行每条指令,经相应的运算和处理后,其结果再写入输出状态寄存器中,输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
(3)输出刷新阶段
当所有指令执行完毕,输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中,并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶闸管)输出,驱动相应输出设备工作。
本设计系统PLC采用的是梯形图编程语言。
梯形图在形式上类似于继电器控制电路图,它简单,直观,易读,好懂,是PLC中普遍采用的一种编程方式。
梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号,这些图形符号被称为编程元件,每一个编程元件对应有一个编号。
不同厂家的PLC,其编程元件的多少及编号方法不尽相同,但是基本的元件及功能很相近。
梯形图有如下特点:
(1)梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。
每一个继电器为一个逻辑行,称为一个梯形。
每一个逻辑行起始于左母线,然后是触点的各种联接,最后是线圈,整个图形呈梯形。
(2)梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器,它实质上是变量存储器中的位触发器,因此称为软继电器,相应的某位触发器为真态,表示该继电器通电,其常开触点闭合,常闭触点打开。
梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的,除了输出继电器、内部继电器以外,还包括定时器、计数器等。
(3)梯形图中,一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次,而继电器的触点是可以被无限制的引用,既可是常开触点也可以是常闭触点。
(4)梯形图是PLC形象化的编程方式,其左右两侧的母线不接任何电源,因而图中各个支路也没有真实的电流通过,但是为了方便,常用有电流来形象的描述输出线圈的动作条件。
所以仅仅是概念上的电流,而且认为它只能从左向右流动,层次的改变只能是先上后下。
PLC的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程,是在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态,按用户程序解算控制逻辑,然后顺序向各个输出点发出相应的控制信号。
除此之外,为提高工作的可靠性和及时的接收外来的控制命令,每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信请求。
因此,PLC工作过程分为以下五步:
(1)自诊断
自诊断功能可使PLC系统防患于未然,而在发生故障时能尽快的修复,为此PLC每次扫描用户程序以前都对CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断,若自诊断正常便继续进行扫描,而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序,保留现行工作状态,关闭全部输出,然后停机并显示出错的信息。
(2)与外设通信
自诊断正常后PLC即扫描编程器、上位机等通信接口,如有通信请求便响应处理。
在与编程器通信过程中,编程器把指令和修改参数发送给主机,主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示,编程器还可以向主机发送运行、停止、清内存等监控命令。
在与上位机通信过程中PLC将接收上位机发出的指令进行相应的操作,把现场工作状态、PLC的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。
(3)输入现场状态
完成前两步工作后PLC便扫描各个输入点,读入各点的状态和数据,如开关的通断状态、形成现场的内存映象。
这一过程也称为输入采样或输出刷新,在一个扫描周期内内存映象的内容不变,即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新,解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。
(4)解算用户逻辑
即执行用户程序。
一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开始,在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序,按用户程序进行逻辑判断和算术运算,因此称之为解算用户逻辑。
解算过程中所用的计数器、定时器,内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值,而输入继电器,输出继电器则用的是内存映象值。
在一个扫描周期内,某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化,对整个用户程序是一致的,不会造成结果混乱。
(5)输出结果
将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算的结果,也称为输出刷新。
解算用户逻辑到用户程序为止,每一步所得到的输出信号被存入输出
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