【正文】 thmetic can achieve high control requirements. Key words： The blast furnace feeding, PLC control, PLC programming, automatic cont 1 緒論 高爐上料 PLC 自動(dòng)控制的研究目的、意義 高爐上料裝置是生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié) ， 提高其自動(dòng)化水平 ， 可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度 ， 提高生產(chǎn)效率 ， 同時(shí)通過原料的精確配比 ， 又可提升產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量。高爐自動(dòng)上 料應(yīng)用非常普遍，長(zhǎng)度是有限的，為把物料從槽下料倉(cāng)搬運(yùn)到爐頂上，采用料車升降機(jī)，以提高生產(chǎn)效率。歐洲 PLC 產(chǎn)品主要制造商有德國(guó)的西門子（ SIEMENS）公司、 AEG 公司、法國(guó)的 TE 公司。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動(dòng)硬件。 4） 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電 器，由于觸點(diǎn)接 觸不良，容易出現(xiàn)故障。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少得多。隨著復(fù)雜系統(tǒng)控制的要求越來越高和微處理器 與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì) PLC 的信息處理速度要求也越來越高，要求用戶存儲(chǔ)器容量也越來越大。 PLC 廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時(shí)，日益向 MAP(制造自動(dòng)化協(xié)議 )靠攏，使 PLC 的基本部件，包括輸入輸出模塊、通信協(xié)議、編程語(yǔ)言和編程工具等方面的技術(shù)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。熾熱的氣流在上升過程中將下降的爐料加熱，并與礦石發(fā)生還原反應(yīng)。各種原料在爐內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)。 2）軟融帶：爐料從軟化到熔融過程的區(qū)域，在軟融過程中， 使間接還原反應(yīng)充分進(jìn)行，提高煤氣的利用率，減少了高爐下部耗熱量很大的直接還原量。 控制方式的確定 兩種控制方式：開環(huán)控制，閉環(huán)控制。 同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn) 故障或 物流不暢時(shí) ， 上料系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動(dòng)生產(chǎn) ， 直到排除故障 ， 再切換到自動(dòng)生產(chǎn)。自動(dòng)工作方式是以上料系統(tǒng)無故障、 PLC 控制器完好為前提，因此，上料系統(tǒng)除了具備自動(dòng)方式外，還要保留手動(dòng)、機(jī)旁、調(diào)試方式。 此外， PLC 還具有其他的有利于工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜變化， PLC 是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，由于它具有可靠性高、編程方便、抗干擾能力強(qiáng)、維修方便等特點(diǎn)，廣泛用于各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程的控制。繼電器邏輯多被用于設(shè)計(jì)電機(jī)線路和繼電 器整體控制盤。 ARC 指出，盡管全球經(jīng)濟(jì)衰退， PLC 市場(chǎng)仍然興旺。 PLC 技術(shù)在溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用從整體上分析和研究了控制系統(tǒng)的硬件配置、電路圖的設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立、控制算法的選擇和參數(shù)的整定、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 （ 6） 通信模塊 PLC 的工作原理 當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形 圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。 存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點(diǎn)數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（ 16 位為一個(gè)字），另外再按此 數(shù)的 25%考慮余量。把工作在數(shù)字信號(hào)下的電子電路叫數(shù)字電路。而且，這個(gè)電壓信號(hào)在連續(xù)變化過程中的任何一個(gè)取值都是具體的物理意義，即表示一個(gè)相應(yīng)的溫度。 模擬信號(hào)經(jīng)帶限濾波，采樣保持電路，變?yōu)殡A梯形狀信號(hào)，然 后通過編碼器， 使得階梯狀信號(hào)中的各個(gè)電平變?yōu)槎M(jìn)制碼。 整體式 PLC 的每一個(gè) I/O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜 ,且體積相對(duì)較小 ,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式 PLC 的功能擴(kuò)展靈活方便 ,在 I/O 點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、 I/O 模塊的種類等方面選擇余地大 ,且維修方便 ,一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。如果要跨范圍使用 PLC,或者某些功能或信號(hào)有特殊的速度要求時(shí) ,則應(yīng)該慎重考慮 PLC 的響應(yīng)速度 ,可選用具有高速 I/O 處理功能的PLC,或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模 塊的 PLC 等。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。而前一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過編碼器的分辨率可以了解到轉(zhuǎn)速和編碼器之間的比例關(guān)系。系統(tǒng)硬件部分由PLC 控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等組成。 高爐探尺工作原理 高爐內(nèi)的料位隨著煉鐵生產(chǎn)的進(jìn)行而不斷變化，本產(chǎn)品對(duì)煉鐵生產(chǎn)過程中高爐內(nèi)部的料位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的原理是通過對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)的控制，通過測(cè)控部分實(shí)現(xiàn)的。 刀開關(guān)：刀開關(guān)是電控，配電系統(tǒng)主電路中的開關(guān)電器。 熔斷器：熔斷器廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，主要做短路保護(hù)之用，同時(shí)也是單臺(tái)電器設(shè)備的重要保護(hù)元件之一。 GM C 系列接觸器適合于交流 50HZ，額定工作電壓至 660V，額定電流至 800A中的電路中供遠(yuǎn)距離接通分?jǐn)嚯娏骷翱刂平涣麟妱?dòng)機(jī)，并可與熱繼電器或其他保護(hù)一起組成電磁啟動(dòng)器。 4．對(duì)程 序進(jìn)行模擬調(diào)試及修改，直到滿足控制要求為止。 在 STEP 7中，用項(xiàng)目來管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。 1） 順序功能圖（ SFC－ Sequential Faction Chart） 這是位于其它編程語(yǔ)言之上的圖形語(yǔ)言，用來編程順序控制的程序（如：機(jī)械手控制程序）。在程序中，最左邊是主信號(hào)流，信號(hào)流總是從左向右流動(dòng)的。 STEP7 的 S7 SCL 結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言，編程結(jié)構(gòu)和 C 語(yǔ)言和 Pascal 語(yǔ)言相似，特別適合于習(xí)慣于使用高級(jí)語(yǔ)言編程的人使用 CPU選型 選擇 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226 等類型。 4） 功能塊圖（ FBD－ Function Block Diagram） 功能塊圖使用類似于布爾代數(shù)的圖形邏輯符號(hào)來表示控制邏輯，一些復(fù)雜的功能用指令框表示，適合于有數(shù)字電路基礎(chǔ)的編程人員使用。因與繼電器電路很相似，具有直觀易懂的特點(diǎn)，很容易被熟悉繼電器控制的電氣人員所掌握，特別適合于數(shù)字量邏輯控制。計(jì)算機(jī)一側(cè)的通信速率為 ， PLC 一側(cè)的通信速率為 ~。使用Step7 編程可以在 Saia PCD 上實(shí)現(xiàn)某些集成在 Step7 內(nèi)的功能 .不只是兼容 STEP 7 編程軟件用于西門子系列工控產(chǎn)品包括 SIMATIC S M C7 和基于PC 的 WinAC 的編程、監(jiān)控 和參數(shù)設(shè)置，是 SIMATIC 工業(yè)軟件的重要組成部分。 GT 表示熱繼電器， H 表示標(biāo)準(zhǔn)， 額定電流。本系統(tǒng)選擇 RC 系列，設(shè)計(jì)中選用的熔斷器型號(hào)為； RC1A15， RC1A60， RC1A40， RC1A30， RC1A20。 HD13 系列能夠切斷額定電流以下的負(fù)載電流，主要用于低壓配電裝置中， HS11 系列不能夠切斷電流，只能作為隔離電源的隔離器。此時(shí)由編碼器和測(cè)控儀表所測(cè)的數(shù)據(jù)即為料面的高度。 在設(shè)計(jì)中，有 PLC 的 CPU 產(chǎn)生脈沖，通過驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的工作方式為 二相八拍 ， 步距角為 度 。由于受脈沖的控制 ,其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比 , 通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量 , 從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的 。 3） 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流。 1） 步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。主要考慮到以下三方面問題： 機(jī)型統(tǒng)一 ,其模塊可互為備用 ,便于備品備件的采購(gòu)和管理。 對(duì)于以開關(guān)量控制為主 ,帶少量模擬量控制的系統(tǒng) ,可選用能帶 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換單元 ,具有加 減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔 PLC。 PLC 的選擇主要應(yīng)從 PLC 的機(jī)型、容量、 I/O 模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。這樣，用 Sa 函數(shù)的倒數(shù)作為頻譜特性補(bǔ)償，由數(shù)字信號(hào)便可恢復(fù)為采樣信號(hào)。 模擬量是 在時(shí)間上或數(shù)值上都是連續(xù)的物理量稱為模擬量。 整體型可編程邏輯控制器的 I/O 點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型可編程邏輯控制器提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和 配置控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商可編程邏輯控制器的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。 （ 3） 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。制造商現(xiàn)在已經(jīng)縮小了可編程控制器的尺寸大小，降低了連線要求。總共具有 32 點(diǎn) I/O 的 Nano PLC，網(wǎng)絡(luò)通信能力不斷增強(qiáng)；而具有 129 點(diǎn) I/O的 micro PLC，在功能上則更加完善。用位移傳感器等來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作程序和過程程序的切換，并進(jìn)行比例壓力和比例流量控制。本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)槽下卷?yè)P(yáng)上料部分設(shè)計(jì)，高爐料鐘裝料系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)概述 傳統(tǒng)控制方式 在煉鐵高爐的生產(chǎn)中，主令控制器是卷?yè)P(yáng)最為關(guān)鍵的核心控制設(shè)備，一旦上料的主卷?yè)P(yáng)發(fā)生故障維護(hù)及調(diào)整非常麻煩，將直接導(dǎo)致整個(gè)煉鐵高爐生產(chǎn)的停滯，造成高爐上料中斷，給煉鐵生產(chǎn)帶來重大經(jīng)濟(jì)損失 。為提高控制精度，在擾 動(dòng)變量可以測(cè)量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路， 也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。這里還有一定數(shù)量的液體渣鐵與焦炭間的直接還原反應(yīng)在進(jìn)行。 下面給出工藝流程示意圖 1： 燒 結(jié) 料 石 灰 石 焦 炭高 爐鐵 水 爐 渣 高 爐 煤 氣熱 風(fēng) 爐 鼓 風(fēng) 機(jī)鑄 鐵 機(jī) 轉(zhuǎn) 爐溶 劑圖 1 高爐 工藝流程 高爐內(nèi)爐料還原反應(yīng)原理簡(jiǎn)介 高爐是一種豎爐型逆流反應(yīng)器。礦石中的 脈石變成爐渣浮在液態(tài)的鐵面上，定期從渣口排出。革新，發(fā)展。各 PLC 制造商之間也在協(xié)商指定通用的通信標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 1） 在產(chǎn)品規(guī)模方面，向兩極發(fā)展。 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。 3） 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) PLC 產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 而可編程邏輯控制（ PLC）器具有以下鮮明的特點(diǎn)。 PLC 在自動(dòng)控制中的現(xiàn)狀 目前，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電 子技術(shù)的發(fā)展， PLC 已由最初一位機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的以 16 位和 32 位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化 PC，而且實(shí)現(xiàn)了多處理器的多通道處理。 高爐上料為煉鐵高爐提供原料 ，其將來自料倉(cāng)的各種原料按一定的配料比送到高爐內(nèi)進(jìn)行冶煉。 On the e