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完成毕设plc
绪论
水泥粉磨是水泥制造的随后工序,其采用“多点给料,多点取料,循环粉磨”技术。
其耗电量约占工厂总用电量的65%~70%。
熟料是组成水泥颗粒的最主要的成分,粉磨的功能是将水泥颗粒中最主要的成分:
熟料<及缓凝剂、性能调节材料等)粉磨至适宜的粒度,水泥的分散度<以细度、比表面积等表示),形成一定的颗粒级配,满足水泥浆体的凝结,及硬化要求。
1.1概述
近十几年来,随着计算机技术的迅猛发展,可编程逻辑控制器 该系统因为是技术高端、生产过程很可靠,又能节省生产商的投资、提高效益的指导思想来设计此系统的。 在整个生产线上采用的是PLC和集散控制系统 因为整个水泥生产线是以顺序控制、连锁控制为主的自动化控制,PID调节回路和输入输出模拟量控制相对来说是很少的,但是开关量的数量很大,约占总输入输出点数的百分之八十左右,这种以PLC和组态软件为基础构成的自动控制系统,不仅完成了对水泥粉磨整体生产过程的监控,实现检测自动化、过程自动化、管理自动化,而且发挥了可编程逻辑控制器 因此,采用现代PLC和组态软件构成的控制系统比传统的继电器控制系统更适合水泥粉磨系统的控制,也是该系统的创新点所在[3]。 1.2国内外发展及研究现状 1.2.1国外发展及研究现状 自从1842年英国人阿斯普丁发明水泥,并首次大规模应用于泰晤士河隧道项目至今,水泥工业在欧美等发达国家已经发展到了一个很高的阶段并不断完善。 目前大量使用节能环保技术是该行业的新形势,在西方为主的发达国家中从事水泥窑纯低温余热发电技术及装备研究、开发、推广应用工作的国家主要有日本、荷兰、以色列、德国等,其中尤以日本钢管 这项技术的应用消纳了大量城市垃圾,年产水泥20万吨的生产线,年处理能力相当于500多万居民排放的生活垃圾。 这项技术的应用比例在荷兰甚至已达到了72%。 不仅如此,国外发达国家的水泥工业的生产规模与技术装备基本实现了集中化、大型化。 目前已有日产10000~12000吨的水泥熟料生产线投产,700吨/小时生料粉磨的辊式磨已经投入使用,出现了年产数千万吨以上的水泥企业。 目前在国外发达国家水泥行业中还应用了很多比较先进的计算机控制技术,如PLC、DCS等等,并且已经基本得到了普及,成为水泥工业系统不可或缺的重要组成部分,成为了行业现代化的支柱[4]。 1.2.2国内发展及研究现状 反观我国,虽然水泥产量很大,但是大部分水泥企业生产设备落后,能源消耗高,污染较严重,自动化控制水平低。 从全国平均水平来看,仍多是采用常规的继电器、接触器加模拟仪表控制方式,影响了产品质量的提高[5]。 目前,国内大中型水泥企业已经认识到了不足,已经积极引进国外先进计算机控制技术,提高国际竞争力。 现在,国内大中型水泥厂的计算机控制通常采用集散型控制系统 虽然集散控制系统以其杰出的特点对广大水泥企业有强大的吸引力,但其昂贵的软件开发费和调度费<国外报价)等,令诸多水泥厂可望而不可及,即使应用软件由国内自行编制,其硬件的费用一般用户也难以承受,从而限制了DCS系统在水泥工业过程控制中的广泛应用,所以降低DCS系统的硬件费用,是计算机控制系统在水泥厂推广应用的前提[6]。 在降低控制系统成本方面我国水泥企业已取得了不小的成果。 例如,浩良河水泥厂的国产化2000t/d水泥生产线,对这样的大型水泥企业来说,自动控制水平如何,直接影响到达产达标能否顺利进行。 经过询价,如对主要生产车间采用DCS系统进行控制,仅硬件设备价格最低的国外供货商也需60万—70万美元。 因为该厂资金缺口比较大,全套引进DCS系统对整个生产工艺进行控制是不可能的。 为了节省投资,同时又确保了该厂的自动控制水平处于国内领先地位,项目技术人员大胆地将可编程逻辑控制器引进DCS系统,融二者为一体,集成了浩良河水泥厂的分布式计算机控制系统,既发挥了DCS系统处理模拟信号和回路控制的优势以及灵活的组态功能,又发挥了PLC强有力的处理开关信号的能力,在保证控制系统性能满足一定的要求的情况下,较大幅度地降低了系统投资。 与国外报价相比,整个集成控制系统价格降低了20%—30%,为该厂节省了100多万元人民币。 系统通讯网络和PLC处理器均采用冗余配置,提高了系统的可靠性。 该系统1994年底进行现场调试、投运、获得了成功并顺利通过其考核,1997年8月通过了部级验收[7]。 实践证明,DCS与PLC组成的集成控制系统是切实可行的。 完全能适应2000t/d水泥厂的自动化控制,它不但保持了DCS系统的全部功能,而且降低了系统投资,是值得向大中型水泥厂的自动控制,它不但保持了DCS系统的全部功能,而且降低了系统投资,是值得向大中型水泥企业推荐的控制方案,这种集成控制系统结构已在巴基斯坦2条2000t/d水泥生产线上推广应用,并获得成功。 再以淮海水泥厂为例,淮海水泥厂3000t/d熟料水泥生产线是60年代从罗马尼亚引进的,其自动化控制亦属配套引进,采用继电器—接触器控制加仪表盘操作的模式,全系统的技术装备很陈旧,可靠性较差、故障多、维修不方便、功能少、控制不灵活、无法真实地反映生产过程的变化。 为了使淮海水泥厂摆脱这种困境,面对技改资金严重不足的现状,项目设计人员采用微机两级联网控制系统对整个烧成系统的电气自动化控制进行了全面改造。 微机联网控制系统由上位机管理系统和下位机控制系统两部分组成。 上位机系统由两台COMPAQ主机,配置键盘、显示器以及两台打印机组成,两台主机是通过NETWORK联成网络,互为热备,共享信息,另设置一台调度管理计算机,通过一对调制解调器 此微机联网控制系统具有DCS系统的优点,但是它的价格仅为DCS系统价格的30%~50%,对资金短缺的淮海水泥厂的技改项目而言,毫无疑问是既经济实惠,又相对先进的控制系统方案。 该系统在1991年9月到现场调试,投入使用,获得了良好的效果,为整个技改项目的成功完全起到了积极的促进作用。 微机联网控制系统和NFC分解炉的改造以及篦冷机改造同时通过了国家建材局组织的部级鉴定,并获得了部级科技进步二等奖和国家科技进步三等奖[9]。 还有一个是在国内比较具有典型的案例,为福建水泥股份公司重新设计水泥粉磨控制系统。 该公司是一个有2台立窑,3台回转窑,年产量100万吨以上的上市公司近年来,公司通过技术改造和优化操作等措施,熟料产量逐年提高,原有的水泥粉磨系统的粉磨能力已经不能满足实际需求,决定新建一条水泥粉磨系统来提高粉磨水泥的能力。 该公司原有生产车间电气自动化都是采用常规仪表继电器来控制,为提高控制水平,项目设计人员对水泥粉磨计算机控制系统进行了研究,认为将来很可能扩展为全线的控制系统网络和信息管理网络的子系统,本着安全、可靠、经济、实用的原则,采用了由PLC、工业控制计算机和工控软件组成的水泥粉磨集成计算机控制系统。 在此系统中,2台工控机采用的是研华公司的IPC610,PLV采用的是AB公司的PLC-5/30,工控机与PLC通过DH+通讯网络连接,实现双向数据传输。 该系统的价格仅是某些具有同样配置的小型DCS系统价格的一半,节省了投资,尤其是将来系统扩展时更能节省大笔费用。 该系统毫无疑问是一种具有开放性、灵活性、扩展性的低成本集成计算机控制系统[10]。 1.3本课题研究意义 可编程控制器 它的出现弥补了传统的继电器控制系统的缺点<设备体积大、速度慢、功能少,只能做简单的控制;特别是采用硬连线逻辑,连线比较复杂,一旦生产工艺或对象发生变动,原有的连线和工业控制柜就需要更换)而水泥粉磨设备中有大量的风机和电机,用于原料破碎、物料粉磨和输送设备,对电机和风机的控制对于粉磨出的水泥质量至关重要,如果采用传统的继电器控制不仅效率不高还不节能环保。 用PLC控制电机和风机比继电器—接触器控制有着质的提升,据中国水泥协会统计,水泥行业带电机拖动系统的节能改造成以PLC控制的变频调速器控制风机和电机,节电率可达30%以上。 例如,根据工艺要求控制系统调节风门的开度来调节风量。 导致系统风压偏高,电能浪费严重,噪音也比较大。 变频节能柜接收DCS或PLC的风量信号来改变变频器的输出频率,调节风机<电动机)的转速,达到按工艺要求调节风量的目的,调整电机转速满足负荷变化情况,达到节电效果。 综上所述,利用计算机控制系统,配合先进的控制策略,对改善工人的劳动环境、提高产量、稳定质量、降低能耗等方面具有重要意义[11]。 1.4课题研究内容及结构 1.4.1课题研究内容 对水泥生产过程中的水泥粉磨过程控制系统进行设计。 根据系统的控制要求和控制信号的数量在过程控制层设置了一个现场控制站,由一台PLC担任熟料存储及配料、水泥粉磨及成品包装的全部逻辑控制。 1.4.2课题结构 1.控制系统硬件选型包括上位计算机的硬件配置、可编程控制器(PLC>及各模块等硬件系统的选型。 2.控制软件的设计包括模拟量输入/输出模块的初始化程序设计、水泥粉磨部分的逻辑控制程序设计以及上位机组态软件的配置。 第二章 过程控制系统总体设计 2.1方案分析 系统采用层次化结构,由上而下分为三个层次: 集中监视操作层,过程控制层,现场设备层。 每个层次在结构上又是横向分散的,具有良好的可扩展性,设计上是独立的,通过数据网络构成一个有机的系统。 如图2.1所示。 图2.1系统结构 Fig.2.1Systemstructure 根据水泥的工艺生产的特点,设计系统有如下要求: (l>工艺流程的设定与起停: 机电设备起停都是由PLC和上位机共同完成的。 工艺流程可在每次机电设备起动前预设定。 在原工艺流程停止的时候,这是预设定的流程已经完成,自动控制系统将迅速切换至预设定的流程。 工艺流程中设备的起动是有序的进行的,为了避免因两台大功率设备同时起动,对电网产生过大的冲击,间隔时间是略大于机电设备启动的时间的。 当工艺流程结束,停止命令发出,设备再依次按工艺顺序停机。 (2>工艺流程的紧急停止: 当全套设备在工作的时候,系统出现了紧急情况,这是操作人员必须马上按上位机屏上的急停按钮,此时所有设备立即停止,哪块出现的故障会马上显示出来。 自动控制系统是集中联锁控制与手动控制互相配合的一种控制系统.其中集中联锁逻辑控制是主要,手动控制为辅助.手动控制主要用于设备调试、维护及自动控制系统出现故障时的应急操作。 (3>工艺流程的报警: 在工艺流程启动前,整套设备有声音及灯光报警装置。 报警装置设置在车间内,当设备出现故障情况,系统报警、显示哪块发生故障。 (4>熟料库的料位控制: 水泥粉磨系统包括熟料仓、石膏仓、混合材料仓。 熟料立升重必须大于等于1150。 料位的高低利用雷达料位计来确定,输出4-20mA电流信号之后再接入PLC,在上位工控机显示出来。 对料位设定完报警功能后,再由上位机根据料仓的位置对入料进行控制。 (5>参数调节: 每个项目参数必须都能进行随时的调节,这样才能在超出范围内的情况下进行报警。 因为这种生产线的参数<热工参数)比较多,为了保持稳定状态必须对一些需要严格控制的过程参数进行控制 (6>监控功能: 由组态王软件模拟出的工艺监控画面,其中包括配料、粉磨等系统。 观察这些监控画面,操作人员能够在中央控制室对每个工艺参数进行监视和调节,起停各台设备等,已达到对整个生产过程控制并起到有效地监控。 2.2方案设计 水泥粉磨是水泥厂粉磨车间的重要设备。 水泥粉磨站的原料有水泥熟料、石膏、煤圲石和石灰石四种。 水泥熟料、砂岩、石灰石和石膏通过熟料质量控制系统计算配比,通过定量给料秤给料,再由皮带机和提升机送入辊压机进行研磨,提升机将研磨完的料送入选粉装置,收尘器选出随气流进入的细粉,随后细粉再由输送机送入提升机。 磨机继续研磨粗粉,粗粉研磨好后送出磨机,进入提升机到螺旋运输机和链式提升机,由这些装置将磨好的粗粉提升到水泥库顶,从水泥库顶由空气斜槽装置送到各个水泥库。 最后成品经过包装完成水泥粉磨全过程。 此闭路粉磨工艺流程能减少过粉磨现象,提高产量,减少电耗。 如图2.2所示。 图2.2系统工艺流程图 Fig.2.2Flowchartofthesystemprocess 第三章 系统硬件设计 3.1可编程控制器 可编程控制器是上位机与生产设备间的桥梁,他是整个控制系统的核心。 它的主要任务是: 进行过程数据采集及被控设备中的每个过程量和状态信息进行快速采集,进行数字控制,开环控制,设备监测,状态报告的过程等获得所需要的输入信息。 把过程变量和状态信息读取后分析是否可以接收以及是否可以向上位机传输,进一步确定是否对被控设备进行调节。 3.1.1可编程控制器的选型 系统采用模块化设计,它有CPU模块、电源模块、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块以及机柜等。 CPU模块在成品时时与底槽连接着的,其它模块根据需要可分别插入底槽中成为实现某种特定功能的控制系统。 CPU模块的主要作用是以一定的扫描速度周期地、有序地执行以下阶段: 一、输入采样阶段,在此阶段取得所有输入模块的所有输入信号;二、用户程序执行阶段,将梯形图程序执行;三、输出刷新阶段,将逻辑产生的输出作用到输出模块,再经输出电路驱动相应生产设备。 输入模块的作用是接收现场设备向PLC提供的信号,如按钮、接近开关、限位开关等提供的开关量信号,作用到PLC中。 这些信号将影响到整个程序的控制逻辑。 它有数字量(脉冲>和模拟量之分。 模拟量输入单元接收温度传感器、变送器发出的直流电压信号。 输出模块输出的信号是由CPU发出的信号,这个信号将控制实际的生产过程。 也有数字量和模拟量两种。 模拟量可输出像变频器的输出频率等需要连续可调的信号。 电源模块在PLC中起着十分重要的作用,它向CPU模块和扩展I/O提供交流电压,有AC和DC两种输入。 CPU、电源、数字量输入输出、模拟量输入输出、以太网单元是系统用到的主要模块。 中间继电器传输的是所有设备的数字量信号。 模拟量输入输出为标准信号4-20mA。 PLC除了和现场各种设备交换信号和数据外,还与计算机通讯。 因为此系统是顺序控制、连锁控制为主,并且这个系统的开关量是总输入输出点数的百分之七十五左右,又反馈 3.1.2输入输出模块的选型 由CS1W-IA211模块作为开关量输入单元来输入各种接近开关、限位开关、电机等的动作状态。 交流电压200-240V作为输入电压,输入点数为16,CIOn0-CIOn15为对应的软节点,其中n为该模块在基板上的单元地址。 CS1W-OC201单元作为开关量输出单元控制电磁阀门、继电器、指示灯、报警器等只具有开、关两种状态的设备。 交流电压220V作为输出节点,继电器输出为8点,CIOn0-CIOn7为相应的软节点。 其中n同上。 CS1W-AD081-V1模块为模拟量输入单元,输入信号由它转换成16进制的二进制数值,并在每个循环将结果贮存进分配的字中。 它还可以将写好的梯形图程序传送数据到DM区(DM区分配详见附录>。 这个模块还具有断线检测、平均值功能和偏差补偿设定功能等。 其基本参数如表3.1。 表3.1CS1W-AD081-V1模拟量输入单元参考表 Table3.1CS1W-AD081-V1analoginputunitreferencetable 型号 CS1W-AD081-V1 类型 CS1特殊I∕O单元 单元号 0-95 输入 8点 信号范围 电压 1-5V 是 0-10V 是 0-5V 是 -10-10V 是 电流 4-20mA 是 0-20mA 信号范围设定 8个设定点<每个点一个) 分辨率 1/8000 转换速度 最大0.25ms/点 总精度<25℃) 电压=±0.2% 电流=±0.4% 连接 端子块 特征 断线检测 是 峰值保持功能 是 平均值功能 是 比例 平方根球根 CS1W-DA081C模块为模拟量输出单元,将二进制数据转换成模拟量信号。 它能将分配字中0000和0FA0<16进制值)之间的二进制值转换成模拟量信号,如1-5V或4-20mA输出。 在梯形图中所需要做的就是将数据放进分配的字中。 它还具有偏差补偿调整等功能。 其参数基本参数如表3.2。 表3.2CS1W-AD081C模拟量输出单元参考表 Table3.2CS1W-AD081Canalogoutputunitreferencetable 型号 CS1W-DA081C 类型 CS1特殊I∕O单元 单元号 0-95 输出 8点 信号范围 电压 1-5V 0-10V 0-5V -10-10V 电流 4-20mA 是 0-20mA 信号范围设定 8个设定点<每个点一个) 分辨率 1/4000 转换速度 最大0.25ms/点 总体精度<25℃) 电压=±0.5% 连接 端子块 特征 输出限制 输出保持功能 是 上下线报警 脉冲数出 3.1.3通讯模块的选型 PLC与上位机之间采用以太网模块CS1W-ETN21连接,配料系统、包装系统的部分信号通过三个远程开关量的I∕O控制单元实现远程通讯,经DeviceNet网连接进行信号传送。 各通信模块的选择及特点如下。 以太网模块CS1W-ETN21提供的功能和以前的CS1W-ETN01和CS1W-ETN11Ethernet单元的功能和应用是一样的,传输媒介为100Base-TX。 Ethernet连接是可靠的FINS通信通过利用Internet来完成的。 得到改进的邮件功能,使通过Internet远程登录PLC成为现实。 其基本参数如表3.3所示。 表3.3CS1W-ETN21以太网模块参数表 Table3.3CS1W-ETN21Ethernetunitreferencetable 单元名称 类型 通讯服务 连接器 型号 Ethernet单元 CS1CPU FINS通讯服务 100Base-TX CS1W-ETN21 <100Base-TX) 总线单元 FTP服务器功能,Socket服务, 邮件接收,自动调整PLC内置时钟, 服务器/上位名称规格 CS1W-ETN21模块有以下几个优点: 1.提升的FINS信息通信 <1)符合TCP∕IP协议。 <2)节点数增加到254个节点。 <以前最多126个节点) <3)甚至当上位机的IP地址改变后,仍可能通信。 <4)多FINS应用连接是在个人计算机中实现。 <5)比以前的型号快四倍的FINS信息通信响应。 2.提升的邮件 <1)包含命令的邮件能被送到PLC。 <2)文件能作为邮件附件发送(当规定的条件满足时,能自动产生一个数据文件,并作为一个附件发送>。 <3)更高级的邮件发送条件(如,当CPU单元的I/0存贮器中的值改变到规定值时,发送邮件>。 3.对应服务器的上位机名称(DNS客户端功能>。 4.内置时钟可以自动调整(SNTP客户端功能>。 5.也支持FTP服务器功能和Socket服务。 OMRON的DeviceNet单元是开放式现场网络,多位的,多厂商的,它主要用于机器/生产线的控制和信息的网络的实施。 提供下列类型的通信: (1>用于CPU单元和从站之间的自动数据传送的远程I/O通信(CPU单元中无编程>。 (2>使用特定指令(IOWR和CMND>的信息通信能在配有DeviceNet单元的CPU单元中进行编程,以向从站或其它配有DeviceNet单元和控制操作的CPU单元发送读/写信息。 DeviceNet主站单元CS1W-DRM21的相关参数如下表3.4所示: 表3.4CS1W-DRM21DeviceNet主站单元参数 Table3.4CS1W-DRM21DeviceNehomesitereferencetable 类别 通讯类型 规格 单元号 型号 CS1CPU总线单元 主站功能 远程I/O通讯主站 使用一个配置器时 O-F CS1W-DRM21-V1 <固定或用户设定分配) 能安装多达16个单 (需要一个 元 配置器来 安装16个单元 从站功能 远程I/O通讯从站 <固定或用户设定分配> 信息通信 DeviceNet主站单元的特点如下: <1)对于CS1-DRM21-V1是不用配置器提供下列功能的。 <2)DM区的设定,使任何区都能分配远程I/O通信。 <3)DeviceNet单元能在每个CPU单元安装多于一个(固定分配时最多3个>。 <4)在一个网络中,超过一个DeviceNet单元能被作为主站连接。 使用配置器时,远程I/O能以独立于节点地址的顺序分配。 配置器被分配1个节点时是使用一个特殊板或卡来连接。 不分配节点时是使用串行通信连接。 <5)DeviceNet既能用作主站,又能用作从站,而且主站和从站的功能是可以同时使用的。 一个通信单元能被连接到DeviceNet上是DeviceNet从站单元的功能,这就可以创建一个用于连接各种类型的I/O单元的I/O接口。 I/O单元是不需要分配和地址设定的,这就会使灵活分布的I/O可以很容易地进行。 其参数规格如下表3.5所示: 表3.5CPM1A-DRT21DeviceNet从站单元参数表 Table3.5CPM1A-DRT21DeviceNetslavestationreferencetable 型号 主单元/从单元 主单元I/O位数 在CPM2AHI/O内存中占用通道数 设定节点号 最大节点数 CP
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