1、 基于 PLC的水泥工艺煤磨段自动控制系统设计设计说明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及工作原理，分析了煤磨段中
2、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 Mill Period Automatic Con
3、trol System Based on PLCDesign DescriptionCoal 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, by artificial measurement,
4、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 error detection, control e
5、quipment 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 analysis and design of proce
6、ss 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 paragraph need to control and mo
7、nitoring 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, confirmed the system I/O points,
8、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 system and a system of communi
9、cation 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 .11.1 项目背景、意义 .11.2 煤粉制备控制系统的现状
10、 .11.3 论文设计内容 .22 PLC 和 HMI 基础及应用 .42.1 可编程控制器基础 .42.1.1 PLC 简介 .42.1.2 西门子 S7-300 PLC.42.2.3 PLC 在水泥自动化的应用 .62.3 人机界面基础 .72.3.1 WinCC 概述 .72.3.2 WinCC 的组态及应用 .83 控制系统总体设计 .93.1 煤磨段的工艺流程 .103.2 煤磨段系统的控制要求 .113.3 煤磨段中球磨机负荷的控制要求 .123.4 煤磨段自动控制系统的总体设计 .123.5 控制系统各部分功能 .134 现场 PLC 控制站设计 .154.1 系统中 I/O 点
11、数的选取 .15第 1 页4.2 S7-300 PLC 的选型与硬件配置 .224.2.1 STEP7 简单介绍 .224.2.2 PLC 型号的选择 .254.3 PLC 控制器的设计 .304.3.1 基于 PLC 的闭环控制系统 PID 算法 .304.3.2 PID 控制及参数整定 .304.4 主程序的编写 .314.4.1 地址分配 .314.4.2 程序流程图设计 .314.4.3 程序的仿真 .315 上位 WINCC 监控站设计 .395.1 人机界面（HMI）设计 .395.2 变量设置 .436 系统调试及分析 .496.1 上下位的连接与调试 .496.2 控制回路的运
12、行 .616.3 运行结果分析 .647 总结 .667.1 论文的主要工作 .667.2 进一步的研究工作 .66致谢 .67参考文献 .68第 2 页附录 .69第 0 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、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
13、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
14、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
15、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 1 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 700-1000t/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
16、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。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
17、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
18、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 2 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ST
19、EP7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 3 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
