【正文】 is strong, high cost . The hardware is plete, the user use convenient, strong adaptability. To achieve control requirements, the PLC builtin AD conversion and matching PID arithmetic 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) ， 提高其自動化水平 ， 可以大大減輕工人勞動強(qiáng)度 ， 提高生產(chǎn)效率 ， 同時通過原料的精確配比 ， 又可提升產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量。該系統(tǒng)用 PLC 完成所有的過程控制、數(shù)據(jù)采集、自動調(diào)節(jié)、事故處理及報(bào)警等工作。 高爐上料為煉鐵高爐提供原料 ，其將來自料倉的各種原料按一定的配料比送到高爐內(nèi)進(jìn)行冶煉。 主要作用是將煉鐵所需的各種原料源源不斷地送到高爐內(nèi)，保證高爐煉鐵的正常需要，而整個高爐上料卷揚(yáng)系統(tǒng)的核心就是料車的主提升設(shè)備。高爐自動上 料應(yīng)用非常普遍，長度是有限的，為把物料從槽下料倉搬運(yùn)到爐頂上，采用料車升降機(jī)，以提高生產(chǎn)效率。中小型高爐上料主要是卷揚(yáng)料車上料，由于料車上料占地面積小，在中小高爐中得到廣泛的應(yīng)用，如中型高爐卷揚(yáng)系統(tǒng)采用雙電機(jī)控制，小高爐采用單電機(jī)控制。 PLC 在自動控制中的現(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。 現(xiàn)在，世界上有 200 多家 PLC 生產(chǎn)廠家， 400 多品種的 PLC 產(chǎn)品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產(chǎn)品，各流派 PLC 產(chǎn)品都各具特色。歐洲 PLC 產(chǎn)品主要制造商有德國的西門子（ SIEMENS）公司、 AEG 公司、法國的 TE 公司。 經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi) PLC 生產(chǎn)廠家約有三十家，國內(nèi) PLC 應(yīng)用市場仍然以國外產(chǎn)品為主。 而可編程邏輯控制（ PLC）器具有以下鮮明的特點(diǎn)。所以本系統(tǒng)選擇此控制器。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。它與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能 價格比。 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)。 PLC 有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和小型交流接觸器。 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、時間繼電 器，由于觸點(diǎn)接 觸不良，容易出現(xiàn)故障。 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無故障時間達(dá)到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場， PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 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)。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖的時間比設(shè)計(jì)相同功能的繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(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)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。 PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù) PLC 上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故 。 1） 在產(chǎn)品規(guī)模方面，向兩極發(fā)展。以適應(yīng)單機(jī)及小型自動控制的需要。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 PLC 的信息處理速度要求也越來越高，要求用戶存儲器容量也越來越大。 PLC 與 PLC 之間的聯(lián)網(wǎng)通信、 PLC 與上位計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信已得到廣泛應(yīng)用。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)。 3） 向模塊化、智能化發(fā)展 為滿足工業(yè)自動化各種控制系統(tǒng)的需要，近 年來， PLC 廠家先后開發(fā)了不少新器件和模塊，如智能 I/O 模塊、溫度控制模塊和專門用于檢測 PLC 外部故障的專用智能模塊等，這些模塊的開發(fā)和應(yīng)用不僅增強(qiáng)了功能，擴(kuò)展了 PLC 的應(yīng)用范圍，還提高了系統(tǒng)的可靠性。 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，日益向 MAP(制造自動化協(xié)議 )靠攏，使 PLC 的基本部件，包括輸入輸出模塊、通信協(xié)議、編程語言和編程工具等方面的技術(shù)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。但是這將會耗費(fèi)數(shù)以萬計(jì)的高端知識人才的畢生努力。革新，發(fā)展。本評價項(xiàng)目采用高爐還原法工藝。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)。還原出來的還原鐵進(jìn)一步熔化和滲碳，最后形成鐵水。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。 高爐煤氣經(jīng)重力除塵器粗除塵后，經(jīng)降溫裝置降溫后進(jìn)入布袋除塵器精除塵，凈化后的煤氣經(jīng)煤氣主管、調(diào)壓閥組送往燒結(jié)、煉鋼廠烤包等。各種原料在爐內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)。高爐冶煉主產(chǎn)品為鐵水，副產(chǎn)品為煤氣、爐渣等；高爐鐵水用鐵水罐運(yùn)往煉鋼廠，煉鋼停減產(chǎn)時富余的鐵水由鑄鐵機(jī)澆鑄成面包鐵。 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)原理簡介 高爐是一種豎爐型逆流反應(yīng)器。冶煉過程中爐內(nèi)料柱基本上是整體下降的，成為層狀下降和活塞流。 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。渣鐵液滴在焦炭空隙間滴落的同時，繼續(xù)進(jìn)行還原、滲碳等高溫物料化學(xué)反應(yīng)，特別是非鐵元素的還原反應(yīng)。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。渣 — 鐵間的反應(yīng)主要是脫硫、 硅氧化的耦合反應(yīng)。 控制方式的確定 兩種控制方式：開環(huán)控制，閉環(huán)控制。 閉環(huán)控制系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路， 也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。 開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，比較經(jīng)濟(jì)。 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)。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。為提高控制精度，在擾 動變量可以測量時，也常同時采用按擾動的控制（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)。 操作方式 高爐上料系統(tǒng)的操作方式根據(jù)工作狀態(tài)可分為三種操作方式： (1)點(diǎn)動操作 點(diǎn)動操作方式下，操作人員必須長按按鈕，系統(tǒng)才會進(jìn)行相應(yīng)動作，這種方式主要是由于設(shè)備的調(diào)試。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn) 故障或 物流不暢時 ， 上料系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動生產(chǎn) ， 直到排除故障 ， 再切換到自動生產(chǎn)。 (4)全自動操作 當(dāng)檢測到爐內(nèi)缺料時，操作臺通過按鈕實(shí)現(xiàn)上料、開門、小車上下行的全部自動控制。 設(shè)計(jì)概述 傳統(tǒng)控制方式 在煉鐵高爐的生產(chǎn)中，主令控制器是卷揚(yáng)最為關(guān)鍵的核心控制設(shè)備，一旦上料的主卷揚(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 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化控制技術(shù)迅猛發(fā)展，越來越多現(xiàn) 。自動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)除了具備自動方式外，還要保留手動、機(jī)旁、調(diào)試方式。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或物流不暢時，上料系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動生產(chǎn)，直到排除故障，再切換到自動生產(chǎn)。本次設(shè)計(jì)主要是針對槽下卷揚(yáng)上料部分設(shè)計(jì)，高爐料鐘裝料系統(tǒng)。它有效解決了傳統(tǒng)繼電控制的 缺陷，提高高爐上料系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)用性、可靠性和自動化，為高爐的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)創(chuàng)造了技術(shù) 和設(shè)備條件。 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。 用 PLC 控制 高爐上料系統(tǒng) 的動作程序及過程參數(shù)，采用數(shù)字定時器代替 時間繼電器、中間繼電器。用位移傳感器等來實(shí)現(xiàn)動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。繼電器邏輯或梯形圖，名稱的來由是因?yàn)槭褂美^電器控制工業(yè)設(shè)備。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。 PLC 技術(shù)之所以盛行了 30多年，特點(diǎn)包括：過程執(zhí)行的實(shí)時性；讀、寫輸入輸出（ I/O）值的實(shí)時性；能保證執(zhí)行和繼續(xù)操作的魯棒性和可靠性；保護(hù)控制代碼和執(zhí)行不受外來影響；功能獨(dú)立，保證控制響應(yīng)的專一性。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。同樣，軟件的進(jìn)步也使用戶能夠容易地進(jìn)設(shè)定和使用， PLC也可承擔(dān)更多的邏輯控制。 ARC 指出，盡管全球經(jīng)濟(jì)衰退， PLC 市場仍然興旺。另外，高速的科技發(fā)展迫使廠家希望對設(shè)備進(jìn)行升級。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。 PLC 不斷發(fā)展，雖然 PC 被引入控制工業(yè)，但 PLC 并沒有因此退出控制舞臺，這是因?yàn)樗芘c新技術(shù)很快的結(jié)合，如大量網(wǎng)絡(luò)連接、處理速率、本 地存儲 和編程的靈活性等技術(shù)。 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。 基于 PLC 的各方面優(yōu)勢，本系統(tǒng)選擇 PLC 控制器 來實(shí)現(xiàn)這一開環(huán)的高爐上料控制 。如果沒有一個良好的、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電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。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。這樣，即使某個 CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。 （ 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階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。在整個運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。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。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。在掃描每一條梯形圖時，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 存儲區(qū)中對應(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。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即 I/O 指令則可以直接存取 I/O 點(diǎn)。 （ 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。這時，才是可編程邏輯 控制器的真正輸出。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)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間， 因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲器容量、確定可編