基于PLC的高炉上料自控系统设计

基于PLC的高炉上料计算机控制设计

摘要

介绍了西门子S7-200PLC在炼铁高炉上料料控制系统中的运用，通过西门子S7-200PLC与高炉上料系统的结合，设计出可编程序控制器的控制装置，基本上完成了450m3高炉供料电气控制系统的硬件设计。实现了布料（槽上）和槽下卷扬的实时控制和生产过程自动化的目的。基于PLC 的高炉上料自控系统的设计，提高了高炉上料控制系统的自动化水平、可靠性,实现了上料系统的实时监控和灵活方便。具有一定的参考应用价值。

关键词：可编程序控制器高炉上料系统自动控制

1.绪论

1.1高炉上料系统的作用与地位

高炉是炼铁或者炼钢生产的核心设备，是一种规模大、要素多、要求严格的冶炼过程，其良好的运行能为后续的生产过程提供充足而优质的原料保证，这对控制系统的可靠性提出了较高的要求。尤其是高炉的大型化趋势越来越明显的情况下，用人工执行是非常困难的，故其能稳定、有序、准确的工作是很重要的。这就要求高炉实现自动化的生产方式。

高炉上料系统是炼铁高炉系统中最重要的一环，及时、准确的上料是保证高炉产量和产品质量的前提。高炉上料系统的整套动作过程包括料车上料系统和炉顶布料系统。料车上料系统必须快速严谨，如果上料慢，赶不上料线，影响产量，而上错料，高炉将不能正常生产，甚至得拉风、休风。

高炉布料指高炉炼铁过程中，炉料(主要是矿石和焦炭)在高炉炉喉的分布。高炉布料的基本规律是高炉冶炼工艺理论的重要组成部分，控制高炉布料是高炉操作的一个重要手段。习惯上称之为“上部调剂”。通常高炉炉料是分批装入高炉炉喉的。根据经验确定一批料的矿石量与按焦炭负荷确定的批料焦炭量组成料批，通过布料设备双钟和旋转布料器装入炉喉。高炉是一种逆流反应器，煤气在高炉下部产生，而后上升穿过料层；炉料从上部下降与煤气作用，完成加热、还原、造渣、熔化等冶炼过程。炉料在炉内由上而下，温度逐渐升高，直到熔化前，一直保持炉喉布料的层状结构。焦炭多的地方煤气流较发展，因而炉料温度升高快，可见高炉布料对煤气分布以及软融带的形状和位置等是有重要影响的，这关系到煤气能量的充分利用，炉料的顺利下降以及高炉一代寿命的长短。正常的高炉行程在炉内圆周方向上煤气与炉料的分布都是均匀或基本均匀的。

高炉上料装置是生产中的重要环节，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。

1.2高炉上料系统的传统控制方式

早期高炉上料控制系统多采用继电控制，主要存在两大缺陷，一是控制系统复杂，联锁环节多，外部连线多，故障频繁；二是工作模式只有手动和机旁两种操作方式，手动操作用于生产，机旁操作用于机构调整，不能实现自动化产。

虽然说继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是

庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。

1.3高炉上料系统计算机控制

随着电子技术的发展及普及应用,采用PLC作为主控制器实现高炉上料系统的自动控制成为技术进步的必然。它有效解决了传统继电控制的缺陷,提高高炉上料系统的稳定性、实全性、可靠性和自动化,为高炉的稳产、高产创造了技术和设备条件。使用PLC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比，在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰，但是由于PLC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想。

编程控制器以体积小功能强大所著称，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。P LC可以通过通迅接口与显示终端和打印机等外设相连。基于PLC本身扩展功能，加入计算机控制，实现上料系统的远程控制，减少人力物力投入。

2.总体方案设计

2.1炼铁工艺过程概述

高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。

2.2高炉上料设备及工艺简介

一个完整的上料工序分为配料和上料两个步骤。因本文主要考虑的是高炉上料系统，配料部分不做过多考虑。

上料系统由料车、卷扬机、布料器、大小钟、均压阀、左右探尺等设备组成。按流程可简单分为料车上料系统以及炉顶布料系统。

料车上料系统是料车按生产要求将中间仓内已配好的物料送到炉顶的过程。

炉顶布料指高炉炼铁过程中，炉料(主要是矿石和焦炭)在高炉炉喉的分布。高炉布料的基本规律是高炉冶炼工艺理论的重要组成部分，控制高炉布料是高炉操作的一个重要手段。习惯上称之为“上部调剂”。通常高炉炉料是分批装入高炉炉喉的。高炉是一种逆流反应器，

煤气在高炉下部产生，而后上升穿过料层；炉料从上部下降与煤气作用，完成加热、还原、造渣、熔化等冶炼过程。炉料在炉内由上而下，温度逐渐升高，直到熔化前，一直保持炉喉布料的层状结构。焦炭多的地方煤气流较发展，因而炉料温度升高快，可见高炉布料对煤气分布以及软融带的形状和位置等是有重要影响的，这关系到煤气能量的充分利用，炉料的顺利下降以及高炉一代寿命的长短。正常的高炉行程在炉内圆周方向上煤气与炉料的分布都是均匀或基本均匀的。

2.3设计概述

早期高炉上料控制系统多采用继电控制，主要存在两大缺陷；一是控制系统复杂，连锁环节多，外部连线多，故障频繁；二是工作模式只有手动和机旁两种操作方式，手动操作用于生产，机旁操作用于机构调整，不能实现自动化生产。随着电子技术的发展及普及应用，采用PLC作为主控制实现高炉上料系统的自动控制成为技术进步的必然。它有效解决了传统继电控制的缺陷，提高高炉上料系统的稳定性、实用性、可靠性和自动化，为高炉的稳产、高产创造了技术和设备条件。

高炉生产对可靠性要求极高，当上料系统故障或物流不畅通时，高炉不能长时间停止生产，必须及时排除故障，使生产得以进行。自动工作方式是以上料系统无故障、PLC控制器完好为前提，因此，上料系统除了具备自动方式外，还要保留手动、机旁、调试方式。PLC 主要实现自动控制，是主要生产方式，手动方式是辅助生产方式，机旁和调试方式用于单机操作和试机。当设备出现故障或物流不畅时，上料系统转入手动生产，直到排除故障，再切换到自动生产。特别强调的是，在手动工作时，PLC也要处于运行状态，实时监测并跟踪物料信息，对物料信息采取掉电记忆，以便转入自动时，真实再现物料信息，使自动生产得到以顺利进行。本次设计主要是针对槽下卷扬上料部分设计，高炉料钟装料系统。

3.PLC控制系统设计

3.1PLC简介

3.1.1可编程控制器的发展史

随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展、计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。可编程控制器是应用面最广、功能最强大、使用最方便的通用工业控制装置、它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。

可编程控制器（ProgammableController）本来应简称为PC，为了与个人计算机（PersonalComputer）的简称PC相区别，一般将它简称为PLC （ProgrammerableLogicController）。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器是一种用程序来改变控制功能的工业控制的计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。

可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器控制系统已有上百年的应用历史，它是一种用弱点电信号控制强电的电力控制系统。在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花费大量的时间，严重地影响生产。如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，这种改造的工期长、费用高，以至于有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外制作一台新的控制柜。

现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反映，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，这就需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，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。

3.1.2PLC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3-1所示：

按钮选择开关限位开关电源接触器电磁阀指示灯电源

图3-1PLC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S7-200编程时，应配备一台安装有STEP7-MICRO/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DC5V、±12V、±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。

3.2I/O点分配

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3-2所示：

表3-2PLC的I/O详细分配点

3.3PLC控制电路的设计

3.3.1PLC控制器选型及硬件配置

120m3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±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S7-200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3-3所示：

图3-3控制系统构成框图

3.3.2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：

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3-4所示：

N

L1

L3

图3-4主电路原理图

3.3.3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3-5所示：

大钟

小钟

N L1L2L3

图3-5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3-6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。

图3-6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0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/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2-3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：

P=Ω?MΩ=2π?n/60P=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3-7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。

图3-7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0.9度。其控制原理图如图3-8所示：

图3-8步进电机PLC控制原理图

3.3.4探尺系统

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2.0米，即料长下降到2.0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0.5米时发出亏料警告信号，同时发出闪光信号。

探尺分为连续工作制和点测工作制，一般情况按连续工作制工作，即探尺在任何时间均随料面的下降而下降，根据自整角机反馈信号随时监测料面位置,只有当向高炉内装料时，才自动提升到上极限位，待装料完毕、小钟关闭后又自动下降。在某些情况下，需要用点测工作制，探尺在装料过后即下降，待左右两个探尺都下降到规定料面时，延时大约3分钟就自动提升到上极限位。

左右探尺可同时工作，也可单独工作，任一探尺降到工作料面，即两个探尺同时自动提升。

探尺在装料完毕,下密封阀关闭后才允许下降。

探尺提升后才能向高炉内装料。发出坐料信号后，探尺自动上升。

本高炉料线与料面检测的设计装有一左一右两根探尺。装料时由卷扬机把探尺提起放料，检测时下放探尺。探尺装置装有自整角发送器，探尺下降的位移信号经自整角机发送器，发送给控制室内的自整角接受器，自整角接受器带动记录仪表指针，记录探尺下降的位移，由位移可以估计料面形状和炉内料的多少。在本实验中将其设计成一开关输入量I0.0。当I0.0闭合时，相当于左右两根探尺下降，探测到炉内缺料。

3.3.5电气控制系统原理图

有以上设计可知其电气控制系统原理图如图3-9所示：

N

中间仓

大钟小钟

料车

图3-9（a）主电路原理图

24V

0V

图3-9(b)PLC 接线图

4.PLC 控制系统软件设计方案 4.1Step7软件介绍

软件需要Windows2000/SP3或WindowsXP(Home 或Professional)操作系统。软件可选择安装6种语言(英语，德语，意大利语，法语，西班牙语，中文)。

STEP7-Micro/WINV4.0SP3支持当前所有S7-200CNCPU22X 系列产品。例如CPU222CN ，CPU224CN ，CPU224XPCN ，CPU226CN 。

在STEP7-Micro/WINV2.X 或早期版本中创建的项目中，在STEP7-Micro/WINV3.X 或V4.X

打开前，必须以STL形式保存。因此，安装CD的文件夹中会包含STEP7-Micro/WINV2.1软件。

4.2PLC控制程序的设计

系统涉及到全自动程序和手动程序。为了方便程序，便于读者阅读，程序清晰。程序中用到内部标志位M，它们并不直接驱动外部负载，只起中间状态的暂存作用，类似与继电器系统中的中间继电器。用计数器计算小车的次数，定时器使小车准确停车。

4.2.1程序的基本结构

高炉上料系统的控制是典型的顺序控制，它的工作循环是从探尺开始，一步一步有条不紊地进行，每一个工步的执行都会使相应的电磁铁通电使得电磁阀动作，用行程开关和定时器来判断每一步是否完成，并决定是否启动下一个工步，采用顺序梯形图可以方便地完成相应的控制过程。

4.2.2动作流程图

高炉上料系统顺序控制动作流程图如图4-1所示。初始状态为：大钟，小钟与料车内均有料，中间仓无料且关到位。

图4-1高炉上料系统顺序控制动作流程图

4.2.3梯形图设计

梯形图4-2设计如下所示：