论文部分内容阅读
摘 要: 随着工业自动化水平的提高，炼钢行业进行了许多传统生产线的改造。PLC（可编程逻辑控制器）是将原始的继电器控制系统与计算机结合在一起，改造了传统的产业。本次介绍了炼钢过程中上料装置和下料装置系统运行的新方法, 基于PLC控制技术在该工艺过程中的实现方法和控制原理。通过实践表明该系统自动化程度较高、操作简单。
关键词: 上料装置 下料装置 PLC 控制 变频器网络
中图分类号：TN77文献标识码： A
上个世纪90年代我国钢铁行业已持续增长，连续10年钢材的平均增钢产量达到630.2万吨，在进入新世纪以来的近几年时间里，平均年增钢产量已经高达4477万吨，同比90年代速度增长7倍以上。近十几年钢铁生产的发展不单单是钢铁需求量的增加，而是伴随着科技进步、技术经济指标的改善以及结构优化，尤其是生产效率的大幅度提高、消耗大幅度下降已成为产量增长的保证条件。
在钢铁冶金行业中传统的人工上料和下料现象已经普遍消失了，随着工业自动化水平的日益提高, 生产组织越来越严密，其节奏也越来越快，全国的很多钢铁企业已经采用了自动化上料装置系统和下料装置系统。基于PLC的上料装置简化了操作工艺，提高了生产效率，节省了现场操作人员，保证了生产的安全性。本课题就致力于如何提高炼钢生产过程上料、下料的效率的问题进行解决。
1 PLC的发展及应用
可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，個人计算机发展起来，也成为PC，加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）。
国际电工委员会（IEC）于1985年1月对可编程控制器作了具有权威性的如下定义：“可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、算数运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械加工或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统连成一体，易于扩充功能的原则设计。”
2 上料、下料装置系统
上料、下料装置运行系统的新方法以求尽量减少其过程中的人为因素, 缩短炼钢生产对原料需求的供应时间， 同时可以提高对设备运行的安全系数。在以往的企业中,，上料单斗和下料小车都需要几名工人现场操作，因其相距较远，其间配合靠电话联系，很不方便，有时会出现脱节现象。而该运行系统将上料单斗和卸料小车用网络连结，由一人操作，既节省人力又提高效率。上料、下料装置运行系统的设计思想是：将单斗上料改为皮带机上料；操作室设在地面皮带机处；上料系统和卸料系统均由 PLC 进行控制，因其相距较远，采用 PROFIBUS 网将其连接，用 WINCC 画面显示运行情况，以提高系统的自动化控制水平。
1.1自动上料装置系统研究
转炉炼钢生产时连续性的作业，在炼钢过程中上料是必不可缺的一个重要步骤，如果入炉料的比例波动大，则引起炉温产量的波动，从而对产品的质量带来不利的影响，因此上料装置室转炉炼钢生产稳定顺利进行的重要前提条件。自动化上料控制系统主要解决的问题：
（1）物料的准确计量和误差自动补尝，当配料过程中由于机械设备的性能变化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）按炼钢工艺要求自动完成顺序上料。
（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信号。
1.2自动下料装置系统
炼钢下料系统控制，需要两台主PLC控制，其下料动作控制也是分别由炼钢主控室的操作人员来完成，图1.2为下料系统工艺流程图。下料系统的主要流程：
（1）不同合金料按顺序固定存放于各个高位料仓里，通过振动给料器的不断震动，将合金料释放到称量斗里。
（2）称量斗底部安装了称重传感器，能够检测出合金料的重量。
（3）称重结束后，称量斗下面的振动器振动将合金料释放到皮带机上，皮带机将合金料输送到旋转溜槽。
（4）合金料经由旋转溜槽进入钢包，而旋转溜槽的方向决定下料的方向。
图1.2下料系统工艺流程图
2 上料、下料装置系统的过程操作方法
2.1 系统采用的主要电气控制技术
2.1.1 PLC 控制技术
PLC 控制技术具有如下重要的优点: 使用和维修方便, 运行速度快, 性能价格比高; 通过编程能完成复杂的控制逻辑, 可靠性高; 能适应恶劣的工作环境; 能可靠实现生产工艺所需的过程控制, 而且组网方便、灵活。基于上料系统的特殊工况和 PLC 的优点, 本系统采用西门子 S7- 300 和 ET200B 控制技术[ 1]。
2.1.2 变频器的应用
由于变频器具有显著的节能效果, 能满足电动机频繁起停的要求, 有完善的保护及自诊断功能, 与PLC 控制结合可提高系统的可靠性等特点, 所以, 在该系统中的上料、卸料皮带电动机和卸料小车电动机均采用变频器来控制。
2.1.3 网络通讯
在炼钢炉上料和下料控制系统中，SIMATIC S7 和WinCC之间的通讯连接通过工业以太网实现通讯连接，使用TCP/IP协议作为传输协议。
在计算机端，通过工控机的以太网卡建立于工业以太网网络的连接。在WinCC项目中，必须安装通讯驱动程序SIMATIC S7 Protocol Suite。通过它的通道单元TCP/IP，组态与SIMATIC S7的连接。
2.2 系统的控制流程
在一般转炉炼钢上料、下料装置系统中，根据以上流程及控制要求，所设计的控制流程框图如图2.2所示：
图2.2 系统程序流程图
3 PLC 技术的控制原理
3.1 PLC 网络的构建
PLC具有可靠性高、编程方便、抗干扰能力强、维修方便等特点，广泛用于各种类型的机械或生产过程控制。用PLC控制高炉上料和下料系统的动作程序及过程参数，采用数字定时器代替时间继电器、中间继电器。该控制系统能产生24V直流电压，提供给直流电磁阀。用位移传感器等来实现动作程序和过程程序的切换，并进行比例压力和比例流量控制。采用程序存储方式，具有修改程序方便、结构小巧、反应灵敏等优点。同时，可借助液晶或数码显示和键盘设定，生产者可以修改工业过程参数，提高了精度和效率。
3.2 PLC 控制程序的设计
以电机起停连锁为例。图 3.2 是 PLC 程序的说明。PLC 采用循环扫描方式按梯形图的先后顺序执行程序, 卸料皮带电机、卸料小车电机、上料皮带电机中间有联锁, 要依次启动。在启动卸料小车时, 因实际现场有 3 个下料口,故要先选择第几号下料口, 方可启动, 其工作状态可通过 Wincc 的监视画面来得知。
图3.2PLC自动控制程序说明
Fig 3.2 PLC Automatic Control Program
4 结论
可编程逻辑控制器作为一种通用的工业控制器，在工业领域应用十分广泛，并取得了可观的技术经济效益。在炼钢领域中也是不可或缺的一部分，在上料和下料自动装置系统中, PLC、变频器与网络的使用, 减少了现场电缆敷设, 提高了设备的可靠运行和自动化程度, 降低了设备维护量, 且在生产过程中节省人力、减少中间环节, 有效提高了生产效率。
参考文献
[1]丁炜，魏孔平。可编程控制器在工业控制中的应用[M].北京：化学工业出版社，2004
[2]廖常初。S7—300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.12—13.307—312
[3]周海。西门子S7—300PLC[M].北京：航空航天大学出版社，2005.199-200.
[4]钟华。配料监控系统的设计与实现[J]。电气自动化，2002，5—44.
[5]韩树人。高炉上料自动化。冶金工业出版社，1996.
关键词: 上料装置 下料装置 PLC 控制 变频器网络
中图分类号：TN77文献标识码： A
上个世纪90年代我国钢铁行业已持续增长，连续10年钢材的平均增钢产量达到630.2万吨，在进入新世纪以来的近几年时间里，平均年增钢产量已经高达4477万吨，同比90年代速度增长7倍以上。近十几年钢铁生产的发展不单单是钢铁需求量的增加，而是伴随着科技进步、技术经济指标的改善以及结构优化，尤其是生产效率的大幅度提高、消耗大幅度下降已成为产量增长的保证条件。
在钢铁冶金行业中传统的人工上料和下料现象已经普遍消失了，随着工业自动化水平的日益提高, 生产组织越来越严密，其节奏也越来越快，全国的很多钢铁企业已经采用了自动化上料装置系统和下料装置系统。基于PLC的上料装置简化了操作工艺，提高了生产效率，节省了现场操作人员，保证了生产的安全性。本课题就致力于如何提高炼钢生产过程上料、下料的效率的问题进行解决。
1 PLC的发展及应用
可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，個人计算机发展起来，也成为PC，加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）。
国际电工委员会（IEC）于1985年1月对可编程控制器作了具有权威性的如下定义：“可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、算数运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械加工或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统连成一体，易于扩充功能的原则设计。”
2 上料、下料装置系统
上料、下料装置运行系统的新方法以求尽量减少其过程中的人为因素, 缩短炼钢生产对原料需求的供应时间， 同时可以提高对设备运行的安全系数。在以往的企业中,，上料单斗和下料小车都需要几名工人现场操作，因其相距较远，其间配合靠电话联系，很不方便，有时会出现脱节现象。而该运行系统将上料单斗和卸料小车用网络连结，由一人操作，既节省人力又提高效率。上料、下料装置运行系统的设计思想是：将单斗上料改为皮带机上料；操作室设在地面皮带机处；上料系统和卸料系统均由 PLC 进行控制，因其相距较远，采用 PROFIBUS 网将其连接，用 WINCC 画面显示运行情况，以提高系统的自动化控制水平。
1.1自动上料装置系统研究
转炉炼钢生产时连续性的作业，在炼钢过程中上料是必不可缺的一个重要步骤，如果入炉料的比例波动大，则引起炉温产量的波动，从而对产品的质量带来不利的影响，因此上料装置室转炉炼钢生产稳定顺利进行的重要前提条件。自动化上料控制系统主要解决的问题：
（1）物料的准确计量和误差自动补尝，当配料过程中由于机械设备的性能变化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）按炼钢工艺要求自动完成顺序上料。
（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信号。
1.2自动下料装置系统
炼钢下料系统控制，需要两台主PLC控制，其下料动作控制也是分别由炼钢主控室的操作人员来完成，图1.2为下料系统工艺流程图。下料系统的主要流程：
（1）不同合金料按顺序固定存放于各个高位料仓里，通过振动给料器的不断震动，将合金料释放到称量斗里。
（2）称量斗底部安装了称重传感器，能够检测出合金料的重量。
（3）称重结束后，称量斗下面的振动器振动将合金料释放到皮带机上，皮带机将合金料输送到旋转溜槽。
（4）合金料经由旋转溜槽进入钢包，而旋转溜槽的方向决定下料的方向。
图1.2下料系统工艺流程图
2 上料、下料装置系统的过程操作方法
2.1 系统采用的主要电气控制技术
2.1.1 PLC 控制技术
PLC 控制技术具有如下重要的优点: 使用和维修方便, 运行速度快, 性能价格比高; 通过编程能完成复杂的控制逻辑, 可靠性高; 能适应恶劣的工作环境; 能可靠实现生产工艺所需的过程控制, 而且组网方便、灵活。基于上料系统的特殊工况和 PLC 的优点, 本系统采用西门子 S7- 300 和 ET200B 控制技术[ 1]。
2.1.2 变频器的应用
由于变频器具有显著的节能效果, 能满足电动机频繁起停的要求, 有完善的保护及自诊断功能, 与PLC 控制结合可提高系统的可靠性等特点, 所以, 在该系统中的上料、卸料皮带电动机和卸料小车电动机均采用变频器来控制。
2.1.3 网络通讯
在炼钢炉上料和下料控制系统中，SIMATIC S7 和WinCC之间的通讯连接通过工业以太网实现通讯连接，使用TCP/IP协议作为传输协议。
在计算机端，通过工控机的以太网卡建立于工业以太网网络的连接。在WinCC项目中，必须安装通讯驱动程序SIMATIC S7 Protocol Suite。通过它的通道单元TCP/IP，组态与SIMATIC S7的连接。
2.2 系统的控制流程
在一般转炉炼钢上料、下料装置系统中，根据以上流程及控制要求，所设计的控制流程框图如图2.2所示：
图2.2 系统程序流程图
3 PLC 技术的控制原理
3.1 PLC 网络的构建
PLC具有可靠性高、编程方便、抗干扰能力强、维修方便等特点，广泛用于各种类型的机械或生产过程控制。用PLC控制高炉上料和下料系统的动作程序及过程参数，采用数字定时器代替时间继电器、中间继电器。该控制系统能产生24V直流电压，提供给直流电磁阀。用位移传感器等来实现动作程序和过程程序的切换，并进行比例压力和比例流量控制。采用程序存储方式，具有修改程序方便、结构小巧、反应灵敏等优点。同时，可借助液晶或数码显示和键盘设定，生产者可以修改工业过程参数，提高了精度和效率。
3.2 PLC 控制程序的设计
以电机起停连锁为例。图 3.2 是 PLC 程序的说明。PLC 采用循环扫描方式按梯形图的先后顺序执行程序, 卸料皮带电机、卸料小车电机、上料皮带电机中间有联锁, 要依次启动。在启动卸料小车时, 因实际现场有 3 个下料口,故要先选择第几号下料口, 方可启动, 其工作状态可通过 Wincc 的监视画面来得知。
图3.2PLC自动控制程序说明
Fig 3.2 PLC Automatic Control Program
4 结论
可编程逻辑控制器作为一种通用的工业控制器，在工业领域应用十分广泛，并取得了可观的技术经济效益。在炼钢领域中也是不可或缺的一部分，在上料和下料自动装置系统中, PLC、变频器与网络的使用, 减少了现场电缆敷设, 提高了设备的可靠运行和自动化程度, 降低了设备维护量, 且在生产过程中节省人力、减少中间环节, 有效提高了生产效率。
参考文献
[1]丁炜，魏孔平。可编程控制器在工业控制中的应用[M].北京：化学工业出版社，2004
[2]廖常初。S7—300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.12—13.307—312
[3]周海。西门子S7—300PLC[M].北京：航空航天大学出版社，2005.199-200.
[4]钟华。配料监控系统的设计与实现[J]。电气自动化，2002，5—44.
[5]韩树人。高炉上料自动化。冶金工业出版社，1996.