【正文】 d data cquisition.目錄第1章 緒論 1 1 2 2 3第2章 系統(tǒng)總體方案設計 4 系統(tǒng)分析 4 系統(tǒng)控制方案的確定 8第3章 系統(tǒng)硬件設計 11 系統(tǒng)主要設備選型 11 系統(tǒng)主電路設計 23 系統(tǒng)硬件配置及I/O接線圖 24第4章 系統(tǒng)軟件設計 29 PLC的通信協(xié)議簡介 29 PLC程序設計 30第5章 監(jiān)控系統(tǒng)設計 38 38 監(jiān)控系統(tǒng)的設計 38結束語 53參考文獻 54致謝 55附錄 56附錄A 英文文獻 56附錄B 中文翻譯 61附錄C程序梯形圖 67第1章 緒論皮帶傳輸系統(tǒng)因其結構簡單，使用方便，造價低廉，被廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥、軍事等方面，在采礦運輸、冶金送料、車站及碼頭的貨物運輸更是廣泛使用，同樣，冶煉廠的礦石供料控制系統(tǒng)也采用皮帶傳輸。本章對課題來源和國內外相關課題的研究動態(tài)進行了簡單描述，介紹了論文的主要工作及各章內容安排?，F(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，對設備損傷較大，使得設備會經(jīng)常出現(xiàn)一些故障，例如有皮帶跑偏、打滑及撕裂等等。如果供料系統(tǒng)在運行過程中某單體設備出現(xiàn)故障，則該設備及應按照順序停止的設備同時停止，并給出故障指示信號供工人們能夠準確的找出故障位置并排除故障，以減少供料系統(tǒng)設備維修時間。同時當今世界是一個信息技術高度發(fā)展的世界，信息貫穿社會的每個角落，現(xiàn)代化的工廠。而且可以通過建立控制網(wǎng)絡將相距較遠的各輸煤機架控制器相連，實現(xiàn)信息的相互傳遞，不僅保證了控制的時實性，可靠性，同時便于未來廠級或車間級的管理。為了保證工業(yè)用料，供料系統(tǒng)必須始終處于運行狀態(tài)。由于各種因素造成供料系統(tǒng)運行環(huán)境惡劣、臟污，需要占用大量的輔助勞動力。同時起動的設備可高達20~30臺以上，在起動或停機過程中有嚴格的聯(lián)鎖要求。礦石供料系統(tǒng)是冶煉廠重要的礦石傳輸部分。隨著科技的不斷進步，電子技術的不斷發(fā)展，過程控制技術經(jīng)歷了三四十年代單參數(shù)儀表控制、四五十年代的單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制以及60年代興起的計算機過程控制等幾個階段。可編程控制器具有信息存儲、邏輯判斷、精確、快速和自動化程度高等特點。所以，PLC已成為工業(yè)自動化控制的有力工具，是工業(yè)自動化的發(fā)展方向。該系統(tǒng)的設計目標是：(l) 對冶煉爐礦石供料控制系統(tǒng)進行總體設計，實現(xiàn)冶煉廠供料的穩(wěn)定運行。(3) 選擇合適的檢測元件和模擬量變送器，以使檢測、控制更為準確。(5) 通過對整個系統(tǒng)工藝流程及控制要求的分析，編制該系統(tǒng)的控制程序，以實現(xiàn)供料器、皮帶機、粉碎機、篩選機、冶煉爐的自動控制。根據(jù)各設備遵循先起后停的原則及控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設計。冶煉廠礦石供料裝置是煉鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，提高其自動化水平，可以大大減輕工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率。采用現(xiàn)代PLC技術控制礦石供料裝置，可以克服傳統(tǒng)的繼電控制系統(tǒng)的不足之處，使控制更精確，工作效率更高，可靠性更好，故障率更低。由于將礦石輸送到冶煉爐之間環(huán)節(jié)較多，人們從不同的工藝角度出發(fā)設計可以自行設計與實際需要相符合的供料系統(tǒng)。由于供料系統(tǒng)的設備分散且與控制室相距較遠，且整個礦石供料過程中，不可避免的礦石粉末飛揚，使得整個系統(tǒng)所處環(huán)境非常惡劣，這些都決定了必須提高礦石供料系統(tǒng)的自動化水平。因此70年代已在歐洲大陸廣泛使用。供料系統(tǒng)是冶煉廠冶煉工藝中的重要環(huán)節(jié)，而供料系統(tǒng)運行的穩(wěn)定、可靠，是保證冶煉廠高效運行的關鍵。而采用PLC為核心控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，從以下幾方面改善了供料系統(tǒng)的輸料性能： （1）增加了供料系統(tǒng)調整的靈活性。（2）增加了供料系統(tǒng)的可靠性。PLC用軟件替代大量的繼電接觸器，外部僅剩下與輸入和輸出有關的少數(shù)硬件元件，且PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，因此可用于供料這種有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。供料系統(tǒng)選用PLC作為控制系統(tǒng)的核心可以節(jié)省大量的費用。由于冶煉廠供料控制部分系統(tǒng)設計實際很復雜，包含各方面的很多控制和檢測，故本系統(tǒng)并未對輸料系統(tǒng)技術進行深入的研究與技術上的實現(xiàn)，而是在滿足系統(tǒng)功能的前提下避免了系統(tǒng)設計的復雜性。電氣執(zhí)行機構負責控制的具體實施，它從PLC接收控制命令，然后相關的接觸器接點閉合或斷開，電路導通，設備獲得動力繼而進行動作。PLC是實現(xiàn)自動控制的核心，所有自動控制內容都通過對它的編程實現(xiàn)。本設計冶煉廠供料系統(tǒng)部分由4臺皮帶機、1臺給料器、1臺粉碎機、1臺篩選機等，來完成給料、粉碎、篩選、冶煉爐的工藝流程。由于其中的環(huán)節(jié)較多，所以不可能由一條皮帶實現(xiàn)直接輸送，應由多條皮帶將各設備連接而成；同時供料系統(tǒng)是冶煉廠眾多環(huán)節(jié)中的一個重要環(huán)節(jié)，礦石不經(jīng)供料系統(tǒng)的運輸，就不能到達冶煉爐的爐膛，就不能進行冶煉生產(chǎn)。為了提高系統(tǒng)的安全運行，采用傳感技術及其它檢測元件與PLC結合使用。這四條機架的輸料原理是完全一樣的，都是機架上的皮帶運輸機。國內礦石供料系統(tǒng)普遍采用皮帶運輸?shù)姆绞?，該方式結構簡單、運輸?shù)拈L短便于調整、負荷便于分擔、便于添加中間環(huán)節(jié)。其中篩選過程又由稱重傳感器及可以正反轉轉動的電動機組成。 礦石供料系統(tǒng)工藝過程簡圖 供料系統(tǒng)工藝流程當檢查好各設備正常情況后，按下啟動按鈕。給料器一皮帶粉碎機三皮帶四皮帶篩選機二皮帶冶煉爐 工藝流程圖系統(tǒng)處于正常狀態(tài)下，當接收到啟動及停止信號時。 啟動過程當某設備需要臨時檢修時按下手動停止按鈕，該設備之前的設備按順序停止后該設備停止。在中控室設置組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能是負責和現(xiàn)場的PLC通信，實時監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行情況，并記錄數(shù)據(jù)以供分析。 礦石供料系統(tǒng)工藝結構簡圖礦石供料系統(tǒng)分為：執(zhí)行機構、信號檢測機構、控制機構三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是由一組皮帶機、給料器、粉碎機、篩選機組成，它們用于將礦料輸送到冶煉爐，由多臺電機組成，電機只運行于啟、停，兩種工作狀態(tài)。礦料質量檢測信號反映的是礦料一次性是否粉碎合格的信號，它是供料控制的主要反饋信號。(3) 控制機構：供料控制系統(tǒng)一般安裝在供料控制柜中，包括供料控制器(PLC系統(tǒng))和電控設備兩個部分。供料控制器直接對系統(tǒng)中的啟動、停止、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過接觸器對執(zhí)行機構進行控制。由于本系統(tǒng)能適用于不同的礦石供料領域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止生產(chǎn)線異常，系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行保護動作控制，以免造成不必要的損失。(2)為該 PLC編制運行程序，以保證每個單體設備按生產(chǎn)工藝的要求自動運行。當出現(xiàn)意外情況時，通過傳感器發(fā)出的信號與PLC共同使設備按順序停車。(5)供料系統(tǒng)的控制操作和組態(tài)監(jiān)控:使用一臺PC機作為上位機，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。 礦石供料系統(tǒng)控制流程礦石供料系統(tǒng)控制流程如下:(l) 系統(tǒng)通電，當按下自動順序啟動按鈕后，首先啟動冶煉爐，當達到PLC定時器所設置的延時時間時，四皮帶開始工作，這期間冶煉爐一直處于運行狀態(tài)，同理下去，直至給料器上電工作，到此整個系統(tǒng)啟動完成。(3)系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)時，若傳感器檢測到的信號超出安全設定值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號并依次停車。(4)系統(tǒng)處于手動狀態(tài)時，若某設備發(fā)生意外情況，手動停車并將該設備的允許信號置0，此單體設備之前應該停止的設備同時停止。 主要設備選型表 PLC簡介可編程控制器，簡稱PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。”PLC的基本組成可歸為四大部件:中央處理單元(CPU板)——控制器的核心；輸入部件(1/0部件)——連接現(xiàn)場設備與CPU之間；輸出部件——連接驅動或受控元件的接口電路；電源部件——為PLC內部電路提供能源；整體結構的PLC——四部分裝在同一機殼內；模塊式結構的PLC——各部件獨立封裝，稱為模塊，通過機架和總線連接而成。受控元件驅動接收現(xiàn)場信號輸入接口部件中央處理單元CPU（板）電源部件輸出接口部件按鈕繼電器觸點、行程開關等接觸器、電磁閥、指示燈等 PLC的組成框圖用PLC設計的控制系統(tǒng)具有如下的優(yōu)點：(1)能適應工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，能抗電磁干擾與電壓沖擊。(3)可靠性高，平均故障間隔時間(MTBF)超過20000小時，羅克韋爾公司的產(chǎn)品MTBF達到50000小時。(5)體積小，價格低。(7)可在基本系統(tǒng)上擴展，系統(tǒng)容易配置，與負載最遠距離可達10000英尺，內存可以擴展。(9)系統(tǒng)化，有標準外圍接口模塊。PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。(2)PLC在程序執(zhí)行階段按用戶程序指令存放的先后順序掃描并執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應的運算和處理后，其結果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內容隨著程序的執(zhí)行而改變。本設計系統(tǒng)PLC采用的是梯形圖編程語言。梯形圖中沿用了繼電器線路的一些圖形符號，這些圖形符號被稱為編程元件，每一個編程元件對應有一個編號。梯形圖有如下特點：(1)梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線，然后是觸點的各種聯(lián)接，最后是線圈，整個圖形呈梯形。梯形圖中的繼電器的線圈的定義是廣義的，除了輸出繼電器、內部繼電器以外，還包括定時器、計數(shù)器等。(4)梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側的母線不接任何電源，因而圖中各個支路也沒有真實的電流通過，但是為了方便，常用有電流來形象的描述輸出線圈的動作條件。PLC的工作過程基本上是用戶的梯形圖程序的執(zhí)行過程，是在系統(tǒng)軟件的控制下順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序解算控制邏輯，然后順序向各個輸出點發(fā)出相應的控制信號。因此，PLC工作過程分為以下五步：(1)自診斷自診斷功能可使PLC系統(tǒng)防患于未然，而在發(fā)生故障時能盡快的修復，為此PLC每次掃描用戶程序以前都對CPU、存儲器、輸入輸出模塊等進行故障診斷，若自診斷正常便繼續(xù)進行掃描，而一旦發(fā)現(xiàn)故障或異常現(xiàn)象則轉入處理程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，關閉全部輸出，然后停機并顯示出錯的信息。在與編程器通信過程中，編程器把指令和修改參數(shù)發(fā)送給主機，主機把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、錯誤碼進行相應指示，編程器還可以向主機發(fā)送運行、停止、清內存等監(jiān)控命令。(3)輸入現(xiàn)場狀態(tài)完成前兩步工作后PLC便掃描各個輸入點，讀入各點的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，如開關的通斷狀態(tài)、形成現(xiàn)場的內存映象。(4)解算用戶邏輯即執(zhí)行用戶程序。解算過程中所用的計數(shù)器、定時器，內部繼電器等編程元件為相應存儲單元的即時值，而輸入繼電器，輸出繼電器則用的是內存映象值。(5)輸出結果將本次的掃描過程中解算最新結果送到輸出模塊取代前一次掃描解算的結果，也稱為輸出刷新。驅動用戶輸出設備即PLC的實際輸出。如此不斷的反復循環(huán)掃描，實現(xiàn)對全過程及設備的連續(xù)控制，直至接收到停止命令、停電、或出現(xiàn)故障。因此我們在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。S7200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。PLC和上位機的通信采用PC/PPI電纜，支持點對點接口(PPI)協(xié)議，PC/PPI電纜可以方便實現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機的通信接口RS232的轉換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序實施安全保護。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。皮帶機的選型基本原則：根據(jù)該冶煉廠年消耗礦石量及其輸送距離遠近進行大體的選型及考慮每小時皮帶機需要輸送多少噸礦料，根據(jù)各滾筒相互之間受力比例關系算出皮帶所承受的張力，據(jù)此選出皮帶機的型號。 電動機的選型電動機選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要確保其負載能力能滿足現(xiàn)場需要，以達到較好的節(jié)能效果。則首先要了解工業(yè)現(xiàn)場輸料量，然后根據(jù)輸料量來確定電動機的機械負載能力，根據(jù)機械負載能力額定容量、額定轉速、額定電壓等來選擇電動機的型號。通常根據(jù)生產(chǎn)機械負載的需要來選擇電動機的功率，同時，還要考慮負載的工作制問題，也就是說，所選的電動機應適應機械負載的連續(xù)、短時或間斷周期工作性質。選小了，保證不了電動機和生產(chǎn)機械的正常工作；選大了，雖然能保證正常運行，但是不經(jīng)濟，電動機容量不能被充分利用，而且電動機經(jīng)常不能滿載運行，使得效率和功率因數(shù)不高。電動機的轉速一定要按生產(chǎn)機械銘牌上的要求選擇，否則可能改變生產(chǎn)機械的性能。由于設備處于眾多礦料環(huán)境中，應選用防爆電動機，因此本設計中篩選機中用于帶動翻板的電機選用功率為75KW的北京高壓電機廠生產(chǎn)的YB2防爆電動機。電流互感器的工作原理，在測量交變電流大電流時，為了能夠安全測量，在火線（或接地線）上串聯(lián)一個變壓器（接在變壓器的輸入端），這個變壓器的輸出端接入電流表，由于輸入線圈的匝數(shù)小于輸出線圈的匝數(shù)，因此輸出電流小于輸入電流（這時的輸出電壓大于輸入電壓，但是由于變壓器是串聯(lián)在電路中，所以輸入電壓很小，輸出電壓也不大），電流互感器就是升壓（降流）變壓器。SMD系列數(shù)字型電流傳感器（電流互感器），能在電隔離的條件下測量電流，并在達到額定電流時輸出開關量的驅動信號。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)電流互感器輸出的信號為模擬量，不能直接驅動PLC，不免有些麻煩，因此本設計中選用可以直接驅動PLC的SMD系列數(shù)字開關型電流傳感器（電流互感器）。稱重傳感器按轉換方法分為光電式、液壓式、電