【正文】 FX2N 系列 PLC 的模擬量輸入模塊 FX2N4AD，也可以采用單片機和適當?shù)耐鈬娐愤M行設(shè)計。采用該型號的 PLC 在實際工程中是合 適可行的，采用邏輯開關(guān)量控制，可靠性高，抗干擾能力強，能滿足工廠惡略環(huán) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 20 境的要求，并且采用 FX2N— 32MR 的 PLC 整個系統(tǒng)的性價比較高。 圖 32 PLC的 I/O分配圖 FX2N 系列 PLC 的基本單元與擴展單元或擴展模塊可以構(gòu)成 256 點的PLC 系統(tǒng) .利用擴展模塊。 PLC 的 選型和主要技術(shù)指標 PLC 共用到輸入 I/O 口 15 個，輸出 I/O 口 13， PLC 的輸出采用繼電器輸出，所以選擇三菱公司的的 FX2N－ 32MR， 本課題中 FX2N－ 32MR為基本單元，帶有 32 個 I/O 點 (16 入、 16 出 )， M 表示主機、 R 表示該單元為繼電 器輸出型。對于燈類負載， 一般可以采取限流或者分流措施來保護觸點。泵為電機類感性負載，所以 PLC 的輸出采用繼電器輸出，驅(qū)動感性負載的時候， PLC 為了自身的保護要加續(xù)流二極管。 分 配圖如圖 32 所示 。 系統(tǒng)輸出點共用 13 各 I/O 口。 表 31 PLC輸入端口分配表 輸入類型 實現(xiàn)功能 I/O 分配 SB0 系統(tǒng)的單按鈕啟停 X0 SB1 集中控制、本地控制切換 X1 SB2~ SB5 本地控制時四個泵的啟動信號 X2~X5 SQ0~SQ3 四個 泵起正常的回饋信號 X6~X11 SP0~SP1 壓力過大、過小回饋信號 X12~X13 ST 水溫過高報警 X14 TA 電流過大報警 X15 SL 水池液位過低報警 X16 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 系統(tǒng)的輸出 I/O 分配表如表 32 所示。 SB 為按鈕， SQ 為流量回饋信號， SP 為壓力回饋信號， ST 為水溫回饋信號， TA 為電流回饋信號， SL為水池液位回饋信號。 為了表明 當前泵站各泵的工作情況，系統(tǒng)對各個泵輸出啟動信號的同時也輸出工作指示燈。 為了減少按鈕的個數(shù) 。對于閥和管道的選擇，結(jié)合已選擇的泵和機械設(shè)計人員共同完成。根據(jù)揚程和流量要求，泵擬選用 上海凱泉泵業(yè)有限公司 的 3 型。這種泵 占地省，在流量一定時，有多種揚程可供選擇 ， 適用于冷熱清潔水或類似于水的液體的輸送，循環(huán)，增壓。根據(jù)系統(tǒng)要求，主管道的流量有三個泵共同承擔，則每個泵承擔的流量不超過 37m3/h， 從安全性上考慮，流量應(yīng)留有 20%的冗余，則每個泵的流量應(yīng)為 40m3/h。由以上可知系統(tǒng)應(yīng)能提供的壓力為： +30kPa+6kPa+4kPa=340kPa。 泵的選型和設(shè)計 系統(tǒng)要求 系統(tǒng)要求冷卻爐壁的壓力不低于 ，高爐的高度為 14m， 循環(huán)水量為 60~100m3/h， 系統(tǒng)采用四個水泵供水，至少有一個泵處于備份狀態(tài)。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 系統(tǒng)電氣部分 組成 系統(tǒng)的電氣設(shè)計主要包括控制部分 、 檢測部分 和通訊部分三 個部分，控制部分主要是 PLC 的 I/O 口的 分配，檢測部分主要是單片機的外圍電路的選擇，通訊部分主要是完成信號轉(zhuǎn)換 。系統(tǒng)的硬件之間的關(guān)系可以用圖 31 表示。 系統(tǒng)的機械流體部分包括泵，閥，和管道；系統(tǒng)的電氣部分包括 PLC、單片機、傳感器、變送檢測電路、保護電路和電源電路。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件 總體 組成 系統(tǒng)硬 件組成 根據(jù)系統(tǒng)的總體規(guī)劃化和要求，系統(tǒng)的硬件部分主要包括兩部分： 機械流體 部分以及電氣部分 ， 電氣部分 又 包括控制檢測 控制部分 和供電 部分 。 采用三用一備的控制策略時 ，系統(tǒng)采用 三用一備 的工作流程倒泵，各泵之間會為備份。當采用自動控 制策略的時候，系統(tǒng)首先啟動三個泵，五分鐘后檢測冷卻爐壁處的水壓，如果此時壓力超過壓力上限，則關(guān)閉一個運行泵，等系統(tǒng)運行十分鐘后再進行壓力檢測，如果壓力沒有低于壓力下限，則系統(tǒng)采用兩備兩用的控制策略，否則采用三用一備的控制策略。 當主程序開始時系統(tǒng)做初始準備，系統(tǒng)首先檢測是采用集中控制還是本地控制，也就是采用手動控制還是自動控制，根據(jù)系統(tǒng)的控制方式來確定采用的控制方法。在每個泵啟動的時候，過 10s 后檢測該泵的流量信號 ，如果有流量流過，則說明泵起正常，若果沒有流量信號，則關(guān)閉該泵啟動備用泵。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 22 所示。系統(tǒng)的連鎖保護機構(gòu)包括報警指示燈和揚聲器，在 PLC 內(nèi)部 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 13 程序上采用連鎖保護。系統(tǒng)的執(zhí)行器繼電器，由 PLC 發(fā)出的信號經(jīng)繼電器后驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)泵和閥。傳感器和變送器包括壓力、溫度、流量和液位傳感器、電流互感器以及部分單片機電路，傳感器和變送器在系統(tǒng)中起到檢測系統(tǒng)參數(shù)并轉(zhuǎn)換為標準信號供控制系統(tǒng)檢測系統(tǒng)運行情況。 圖 21 本系統(tǒng)模型圖 系統(tǒng)組成及框圖 該系統(tǒng)為開 關(guān)量的邏輯控制，當系統(tǒng)采用自動控制策略時，首先設(shè)定壓力給定，然后啟動三個水泵，經(jīng)過一定的時間延遲后對壓力進行檢測比較然后確定啟動泵的個數(shù)，通過改變泵的個數(shù)來改變冷卻爐壁的壓力。 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 模型 本系統(tǒng)控制對象為冷卻爐的壓力，系統(tǒng)有較大的時間常數(shù)，由于高爐的特性系統(tǒng)要求控制精度不太高，針對這些特性對系統(tǒng)可以進行如下結(jié)構(gòu)框架設(shè)計。 本系統(tǒng)的任務(wù)是保證高爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)供水安全可靠，該系統(tǒng)對控制精度要求不高，但是對系統(tǒng)的可靠性要求很高，且在高爐附近電磁干擾強，要求系統(tǒng)必須有較好的抗干擾能力。 ，維護簡單，發(fā)生故障后能迅速恢復(fù)。 圖 21 邏輯開關(guān)量控制泵站供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 采用該方案有如下的優(yōu)點： ，抗干擾能力強，采用開關(guān)量控制對電磁干擾的能力較強，不會產(chǎn)生誤動作。通過檢測啟動 20s 后每個泵有畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 無流量信號來判斷各個泵是否啟動正常，通過檢測電流是否過大來判斷真?zhèn)€系統(tǒng)是否正常，如果有泵啟動異常則通過互被技術(shù)啟動備用泵。 該方案采用開關(guān)量進行邏輯控制，通過 PLC 對四個泵的啟停進行控制實現(xiàn)對高爐冷卻水系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓控制。這些高性能的微處理器本身有很大的潛能，早期 PLC 只利用速度快這一條，其他潛能并沒有得到充分得利用。 方案 （ 2） 采用 PLC 控制邏輯開關(guān)量的方案 眾所周知，研制開發(fā) PLC 的最初動因是為了取代繼電器，構(gòu)成新型的控制開關(guān)量的裝置，因此，從一開始，邏輯控制就是 PLC 的強項。 ，容易 受到干擾，鋼廠高爐是一個強電磁干擾的地方，采用模擬量傳輸信號的時候和容易受到干擾，是系統(tǒng)的可靠性大大降低。 該方案有如下的缺點： ，該系統(tǒng)采用的變頻調(diào)速初期投資成本高，維護費用大。當用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大， 水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當達到設(shè)定壓力時，電動水泵的轉(zhuǎn)速不在變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力上；反之亦然。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入 變頻器 運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。 方案確定 目前小型泵站的自動化控制有兩種設(shè)計方案：一種方法是利用 PLC 控制的恒壓變頻調(diào)速的方法進行壓力和流量的控制，另一種方法是用 PLC 進行泵的開關(guān)控制來控制開關(guān)和流量。系統(tǒng)的水壓和溫度要求在進行軟件設(shè)計時 可以實現(xiàn)。 系統(tǒng)可能出現(xiàn)的的故障和指示報警以及對故障 的處理辦法可以用表畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 21 來表示。真?zhèn)€系統(tǒng)的各個設(shè)備都支持本地控制，當系統(tǒng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題的是可以選擇本地控制。上位機能隨時通過通信監(jiān)測到每個泵的運行情況。當水池的液位下降到比設(shè)定的液位低的時侯，有檢測部分向 PLC 發(fā)信號系統(tǒng)報警， PLC 請求上位機關(guān)閉該泵站，待系統(tǒng)回復(fù)確定信息后，系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作。對流量進行檢測確定每個水泵都有水流過。 系統(tǒng)的保護設(shè)計框架 由于被控對象的特性，系統(tǒng)需要對水池中液位的高度進行檢測 ，防止出現(xiàn)由于液位下降導(dǎo)致水泵抽不到水 。 根據(jù)系統(tǒng)兼容性要求冷卻水循環(huán)系 統(tǒng)采用與整個鍋爐其他控制系統(tǒng)的 PLC 采用同品牌同系列的產(chǎn)品。整個系統(tǒng)的性價比高，所選控制器及其外圍穩(wěn)定可靠，出現(xiàn)故障易修復(fù)。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 設(shè)計原則 高爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的的設(shè)計應(yīng)根據(jù)工程的 5~10 年發(fā)展規(guī)劃進行，做到遠近期結(jié)合，以近期為主，正確處理近期建設(shè)與遠期發(fā)展的關(guān)系，適當考慮擴建的可能。 （ 3） 改善供水水質(zhì)，使水中懸浮物含量 低于 20mg／ L，并采用水質(zhì)穩(wěn)定措施基本消除高爐冷卻壁及循環(huán)水設(shè)施的結(jié)垢、腐蝕現(xiàn)象。 設(shè)計技術(shù)指標 根據(jù)高爐的實際情況，整個工廠水循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下指標： （ 1） 滿足 1高爐的生產(chǎn)用水， 循環(huán)水量為 60~100m3/h， 自流回水；循環(huán)利用率大于 90％。所設(shè)計的的系統(tǒng)采用的硬件設(shè)備與原有的設(shè)備和系統(tǒng)其他設(shè)備有很好的兼容性，能在不改變其他任何硬件的情況下完成控制系統(tǒng)設(shè)計。 整個系統(tǒng)可以與鋼廠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，能進行通信，上位機可以監(jiān)控所有設(shè)備的運行情況，能對所有設(shè)備進行管理。給出不同的設(shè)計方案，根據(jù)可靠性和工藝要求以及性價比的綜合考慮確定最終的控制方案。實現(xiàn)泵站的無人值守，自動控制滿足工藝參數(shù)要求，故障發(fā)生時自動處理防止意外發(fā)生。通過對泵站的改造可以提高 循環(huán)利用率， 能 緩解公司生產(chǎn)用水緊張的局面，同時 也能 確保 煉鐵廠 各個 高爐用水的安全性和可靠性，各項供水指標 能 比直接使用河水時明顯改善，懸浮物濃度 下降且 基本穩(wěn)定 。 因此在新建 12340m3 高爐之際同步建設(shè)高爐 水 循環(huán)泵站 自動控制系統(tǒng) 勢在必行。原供水 方式一直采用 人工控制 ，使用后的水未經(jīng)循環(huán)，直接外排，浪費很大，同時還存在水質(zhì)差、水量不足、水壓低等問題。 針對高爐的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)采用 PLC 對其進行泵站控制是一種新的 嘗試，通過本 次設(shè)計要探索一種實用的高爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)泵站控制方法。 通過本次設(shè)計要做出高爐 低壓冷卻 水循環(huán) 泵站 自動控制系統(tǒng)的合理設(shè)計 方案 ，使整個泵站系統(tǒng)的總體成本 大幅下降，系統(tǒng)運行時節(jié)能降耗、且穩(wěn)定可靠。 課題意義及論文的主要工作 選題意義 針對目前 PLC 在高爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)自動化控制的的研究還處于空白階段，結(jié)合滄州縱橫 1高爐改造的實際情況進行本次設(shè)計。通過傳輸設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)無人值守泵站運行，大大降低小型泵站運行人工費用，讓有限的運行費用更多的用于泵站設(shè)備改造、維修和維護，更有效提高泵站設(shè)備完好率和可用保證率。 PLC 在泵站系統(tǒng)中的應(yīng)用 總裝機容量 100kW 以下的小型泵站在 高爐水循環(huán)、 農(nóng)田水利、防洪排澇泵站中占有 相當大的比例 。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 5 但是目前作為高爐的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制一般采用的都是人工控制，這給整個系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)和統(tǒng)一管理帶來了很大不便。 隨著 PLC 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得 PLC 的聯(lián)網(wǎng)通訊功能日益強大，也對煉鐵高爐自動化系統(tǒng)提出了更高的要求。本次設(shè)計 結(jié)合滄州縱橫 1高爐的實際情況對其冷卻水循環(huán)泵站自動化系統(tǒng)進行控制 設(shè)計 。 國內(nèi)鋼鐵業(yè)在高價格的刺激下加大了對鋼鐵的投資力度，在建或準備新建高爐數(shù)量急劇增加，為此正確、合理選擇高爐的冷卻 水循環(huán)系統(tǒng)控制方式 對提高我國煉鐵工業(yè)的節(jié)水降耗水平，延長高爐壽命具有重要的指導(dǎo)作用和現(xiàn)實意義，將對我國的鋼鐵業(yè)產(chǎn)生深遠影響。畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 1 目錄 1 緒論 ........................................................................................ 4 選題意義及課題來源 ........................................................................................................ 4 國內(nèi)外現(xiàn)狀簡介 ................................................................................................................ 4 PLC在高爐中的應(yīng)用 ................................................................................................. 4 PLC在泵站系統(tǒng)中的應(yīng)用 ........................................................................................ 5 課題意義及論文的主要工作 .......................