基于PLC的水泥工艺煤磨段自动控制系统设计_毕业论文2.doc
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1、 基于 PLC 的水泥工艺煤磨段自动控制系统设计 毕业设计说明书 煤粉制备在工业生产中有重要作用,被广泛应用于冶金、矿山、电力、水 泥等行业。传统煤粉制备控制系统,具有控制点少、靠人工测量、手动操作等 特点,随着生产规模的不断扩大和产量的提高,控制系统的处理量不断增大, 以往人工现场控制手段己很难满足生产的要求,同时由于人工检测误差大,控 制设备落后、安全性低,给整个系统的生产操作和管理带来了很大的困难。 根据我国的水泥生产发展现状,本文以水泥工艺煤粉制备系统为研究对象, 分析并设计了基于 PLC 的水泥工艺煤磨段自动控制系统。 本文介绍了我国的水泥煤粉制备自动化现状和水泥工艺煤磨段的设备构成
2、 及工作原理,分析了煤磨段中需要控制和监视的对象,以球磨机负荷为控制对 象,重点从上位系统和下位系统介绍了控制系统的设计过程。下位系统的设计 通过对煤磨段的工作原理分析,确定系统的 I/O 点数,进行 PLC 的选型与硬件 配置,绘制程序流程图,并完成程序的编写;上位系统的设计通过 WinCC 进行 变量的建立、人机监控画面的设计;并且详细介绍上位系统和下位系统的通讯 和连接。 论文最后对系统进行调试和运行,分析系统可实现的功能,并总结系统设 计过程中的主要工作内容。 关键词:煤磨段;PLC;自动控制;WinCC;监控 第 1 页 Design of Cement Process Coal M
3、ill Period Automatic Control System Based on PLC Design Description Coal preparation in industrial production has an important role, is widely used in metallurgy, mining, the electric power, the cement industry, etc. Traditional pulverized coal preparation control system, have less control points, b
4、y artificial measurement, manual operation characteristics, such as the production scale to expand and increase yield, the control system of the productivity increase, and the control methods have artificially before it is difficult to meet the requirements of production, and because the artificial
5、error detection, control equipment backward, safety is low, to the whole system of production operations and management brought great difficulties. According to Chinas cement production development present situation, this paper in cement process coal preparation system as the research object, the an
6、alysis and design of process based on PLC cement grinding coal for automatic control system. This paper introduces the preparation of pulverized coal in China cement status and cement process automation coal mill equipment for components and working principle and the analysis of the coal mill paragr
7、aph need to control and monitoring of the object, by the ball mill load is the object of control. Focus from upper system and a system introduced the design of the control system of process. The design of the system through the position of coal mill segment of the working principle analysis, confirm
8、ed the system I/O points, the selection of the PLC hardware configuration, draw the program flow chart, and completed the writing of the program. The upper the design of the system through the establishment of the variable WinCC, man-machine monitoring menu design. Detailed introduces the upper syst
9、em and a system of communication and links. 第 2 页 Final paper on the system commissioning and operation, this paper analyzes the system can realize the function, and summarizes the system in the process of design work. Key Words: cement craft coal rubs;PLC;automatic control;WinCC;monitor 目录 1 绪论 .1
10、1.1 项目背景、意义1 1.2 煤粉制备控制系统的现状1 1.3 论文设计内容2 2 PLC 和 HMI 基础及应用 .4 2.1 可编程控制器基础4 2.1.1 PLC 简介 4 2.1.2 西门子S7-300 PLC 4 2.2.3 PLC 在水泥自动化的应用 6 2.3 人机界面基础 .7 2.3.1 WinCC 概述 7 2.3.2 WinCC 的组态及应用 8 3 控制系统总体设计 .9 3.1 煤磨段的工艺流程.10 3.2 煤磨段系统的控制要求.11 3.3 煤磨段中球磨机负荷的控制要求.12 3.4 煤磨段自动控制系统的总体设计.12 3.5 控制系统各部分功能.13 4 现
11、场 PLC 控制站设计 15 4.1 系统中 I/O 点数的选取.15 第 2 页 4.2 S7-300 PLC 的选型与硬件配置22 4.2.1 STEP7 简单介绍 .22 4.2.2 PLC 型号的选择 .25 4.3 PLC 控制器的设计.30 4.3.1 基于 PLC 的闭环控制系统 PID 算法 30 4.3.2 PID 控制及参数整定 .30 4.4 主程序的编写.31 4.4.1 地址分配 .31 4.4.2 程序流程图设计 .31 4.4.3 程序的仿真 .31 5 上位 WINCC 监控站设计 39 5.1 人机界面(HMI)设计39 5.2 变量设置.43 6 系统调试及
12、分析 49 6.1 上下位的连接与调试.49 6.2 控制回路的运行.61 6.3 运行结果分析.64 7 总结 66 7.1 论文的主要工作.66 7.2 进一步的研究工作.66 致谢 67 参考文献 68 第 3 页 附录 69 第 1 页 1 绪论 1.1 项目背景、意义 水泥是建筑工程中最为重要的建筑材料之一,水泥的问世对工程建设起到 了巨大的推动作用,引起了工程设计、施工技术、新材料开发等领域的巨大变 革。水泥不仅大量用于工业与民用建筑中,而且广泛用于交通、水利、海港、 矿山等工程,几乎任何种类、规模的工程都离不开水泥1。 近年来,在新建或改建的新型干法窑水泥生产线中,自动化新技术、
13、新装 备得到了广泛应用,对保证产品的质量,降低消耗,提高劳动生产率起到了重 要作用。但全国现有的 8000 多家水泥企业,大中型企业不足 400 家,立窑水 泥产量占 81,优质回转窑水泥产量不足 19,大部分水泥企业,特别是小 立窑厂生产设备落后,自动化控制水平低,能源消耗高2。 随着水泥工艺的技术进步,自动化的重要性日益凸现,而自动化技术与装 备的不断发展,为水泥生产新工艺的推广应用和完善创造了条件。因此,自动 化与工艺技术是相辅相成的,它为提高产品的产质量、设备运转率和劳动生产 率,降低能耗、劳动强度,实现科学管理等提供保障,使企业综合技术经济指 标达到最佳。因此,水泥作为现阶段建筑工程
14、中的主要建筑材料,其自动化水 平的发展和进步具有重要意义。 1.2 煤粉制备控制系统的现状 我国水泥工业自动化的发展大致经过了这样几个阶段:上世纪 70 年代以前, 以人工作业为主,只有简单的生产过程控制,如常规的一次仪表、二次仪表以 及各种继电器、保护装置等。上世纪 80 年代初,水泥工业自动化水平有所提 高,我国引进了新型干法水泥生产线以及自行开发设计的 ZOO0t/d 新型干法预 分解水泥生产线,其生产过程采用集中控制方式,从而大大提高了水泥生产线 的自动化水平。80 年代中期,我国水泥工业自动化又有了更大的发展,开始引 进并应用集散型控制系统(DCS)。90 年代中后期,DCS 系统的
15、控制范围从水泥 生产线的主工艺流程扩展到整个水泥生产线上的有车间,同时,系统采集的信 息量也大大增加,生产与经营管理信息系统开始得以应用。进入 21 世纪,我 国水泥工业的自动化水平进一步提高,生产全过程的控制和信息采集系统更加 优化,我国自主设计的自动化控制系统不断完善,相当一部分生产线已具备国 际先进水平3。 第 2 页 目前我国水泥工业自动化技术水平可以分为 4 种情况:(1)对于一些大型 水泥生产企业,如 2000t/d 以上新型干法水泥生产线,已经普遍采用先进的集 散控制系统(DCS),包括对设备的监控报警、堆场管理、磨机配料、窑的模糊 逻辑控制等各项功能。 (2)规模为 700-1
16、000t/d 的回转窑生产线中,一批有实 力的企业采用了 DCS 或 PLC 控制系统,对工艺参数和设备运行实行全方位的测 控,技术装备和自动化水平较先进,管理水平较高。 (3)是绝大多数的中小水 泥企业虽然计算机的应用已经很普遍,但仍处于采用模拟仪表对过程参数进行 测控的阶段,如:采用钙铁分析仪对出磨生料进行配料控制;采用磨机负荷控制 系统;熟料锻烧采用立窑偏火控制装置等。 (4)还有相当数量的小立窑厂设备 陈旧,工艺落后,人员素质低,文化程度低,自动化技术极少或根本没有采用 4。 1.3 论文设计内容 可编程控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的 新型自动控制装置。
17、其性能优越,已被广泛应用于工业控制的各个领域,并已 成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。PLC 的应用已 成为一个世界潮流,我国工业自动化进程中,PLC 技术将得到更全面的推广和 应用。 本论文以德国西门子公司的S7-300 PLC为控制器,使用温度、压力、电流 等传感器将检测到的实际值转化为电压、电流信号,经过模拟量输入模块转换 成数字量信号,在WinCC监控中显示,并将采集到的球磨机电流信号送到PLC中 进行PID运算,再将PID控制器输出量转化为圆盘喂料机输入量,通过圆盘喂料 机变频器调节电机转速变化实现对球磨机负荷的控制。同时利用SIMATTC的组 态软
18、件“WinCC”设计一个人机界面(HMI) ,通过MPI与可编程控制器通信,对 控制系统进行全面监控,从而使用户操作更方便。总体上包括的技术路线:系 统总体设计,PLC选型与硬件配置,PLC软件编程,WinCC组态画面,系统通讯, 参数整定等。 全论文分七章,各章的主要内容说明如下: 第一章,对水泥生产中制粉系统应用的背景及国内水泥自动化的发展状况 进行了解阐述,指出了本文的研究意义; 第二章,针对控制系统设计所需要的PLC和WinCC,进行简单的介绍; 第三章,通过查找相关资料了解水泥工艺(煤磨段)的构成及工作原理, 了解系统的控制要求,并对主要控制部分进行研究,完成控制系统总体设计; 第
19、3 页 第四章,从PLC现场控制站设计角度,根据该自动控制系统控制要求与实现 的功能,完成对PLC的选型、PLC的硬件配置以及PLC控制器的设计和参数的整 定。完成控制系统下位设计,主要包括编程软件STEP7的介绍以及程序设计; 第五章,控制系统上位设计,包括组态监控画面、变量建立和动态连接; 第六章,实现系统的上下位通讯,并进行调试,对调试结果进行分析并得 出结论) ; 第七章,总结全文。 第 4 页 2 PLC 和 HMI 基础及应用 2.1 可编程控制器基础 2.1.1 PLC 简介 可编程控制器(programmable logic controller,PLC)是在继电器控制和 计算
20、机控制的基础上开发出来的,并逐渐发展成以微处理器为核心,把自动化 技术、计算机技术通信技术融为一体的新型工业自控制装置。它具有可靠性高、 环境适应性好、编程简单、使用方便以及体积小、质量轻、功耗低等优点。 PLC 的应用范围通常可分成以下几种类型:开关量的逻辑控制、模拟量控制、 运动控制、过程控制、数据处理和通信网络5。 开关量的逻辑控制是 PLC 最基础最广泛的应用领域,可用它取代传统的继 电器控制,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,又可用于多 机群控制及自动化传统水线。如电梯控制、高炉上料、磨床电镀流水线等5。 PLC 的基本结构如图 2-1 所示: 输 入 接 口 中央处理
21、单元 CPU 输 出 接 口 电源 存储单元 图 2-1 PLC 基本结构图 2.1.2 西门子S7-300 PLC 德国西门子公司是世界上较早研制和生产 PLC 的主要厂家之一,其产品具 第 5 页 有各种尺寸以适应各种不同的应用场合。它包括从简单小型控制器到具有过程 计算机功能的大型控制器,可以配置各种输入/输出模块、编程器、过程通信 和显示器件等。西门子 S7 系列 PLC 体积小、速度快、标准化,具有网络通信 能力,功能较强,可靠性高6。 S7300 PLC 功能强、速度快、扩展灵活,它具有紧凑的、无槽位限制的 模块化结构,其系统构成如图 3.2 所示。它的主要组成部分有导轨(RACK
22、) 、 电源模块(PS) 、中央处理单元 CPU 模块、接口模块(IM) 、信号模块(SM) 、 功能模块(FM)等。通过 MPI 网的接口直接与编程器 PG、操作员面板 OP 和其 它 S7PLC 相连。 S7-300 是模块化小型 PLC 系统,各种单独的模块之间可进行广泛组合构成 不同要求的系统。与 S7-200 PLC 比较,它采用模块化结构,具备高速 (0.60.1s)指令运算速度;用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的 算术运算;一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值; 方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内,人机对话的编程要求大 大减少。SIM
23、ATIC 人机界面(HMI)从 S7-300 中取得数据,S7-300 按用户指定 的刷新速度传送这些数据。S7-300 操作系统自动地处理数据的传送;CPU 的智 能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(超 时,模块更换等) ;多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密, 防止未经允许的复制和修改;S7-300 PLC 设有操作方式选择开关,操作方式选 择开关像钥匙一样可以拔出,当钥匙拔出时,就不能改变操作方式,这样就可 防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能,S7-300 PLC 可通过编程 软件 STEP7 的用户界面提供通信组态功能,这使得组态非
24、常容易、简单。S7- 300 PLC 具有多种不同的通信接口,并通过多种通信处理器来连接 AS-I 总线接 口和工业以太网总线系统;串行通信处理器用来连接点到点的通信系统;多点 接口(MPI)集成在 CPU 中,用于同时连接编程器、PC、人机界面系统及其他 SIMATIC S7/M7/C7 等自动化控制系统7。 S7-300 能满足中等性能要求的应用,是 S7 系列 PLC 中应用最广的产品, 它已成功地用于范围广泛的自动化领域。S7-300 的重点在于为生产制造过程 中的系统解决方案提供了一个通用的自动化平台。如图 2-2 所示 S7300 PLC 系统构成。 2.2.3 PLC 在水泥自动
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- 基于 PLC 水泥 工艺 煤磨段 自动控制系统 设计 毕业论文
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