基于PLC和工控机的连续立式焦炉控制系统研究.pdf

第 2 期 总第 1 5 3期 2 0 0 9年 4月 机 械工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NG AUT0MAT1 0N No． 2 Ap r ． 文章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 9 0 2 0 1 1 5 - 0 3 基于 P L C和工控机的连续立式焦炉控制系统研究 吴秀红 ，贾敏智 ，葛爱欣 太 原 理 工 大 学 信 息 2 12 程 学 院 ， 山 西 太 原0 3 0 0 2 4 摘要 介绍 的连续立式 焦炉启动控制 系统 ，以西门子 S 7 2 0 0系列 P L C为下位机 ，工控机为上位机 ，基于组 态王操 作平 台， 采用模糊 P I D控制器 ， 实现对整个焦化生产过程的 自动控制 。 该 系统具有精度高、 效率高 、 操 作简单 、显示直观、能 自动生成并打印报 警信息和操作信息的优点 。 关键词 P L C}工控机 ；连续立式焦炉 中图分 类号 T Q5 2 2 ． 1 5 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 焦化生 产是一个 复杂 的过程 ， 系统受 到诸如 高温 、 灰 尘 、振动 、电磁 干扰 等 因素 的影响 。对工艺参 数的 测量难度大 。同时控制 系统复杂 而庞大 ，以往 的继 电 控 制方式 ，大都通过硬 接线连接 ，一旦 发生故 障 ，查 错 困难 ；而且 如果工艺 发生变化 ，系统 的改造 和优化 扩展难度大 ，甚 至有可 能需要重新 设计 。所 以此 次 山 西清徐 连续 立式 焦 炉控制 工 程采用 了 P I C 系统 进 行 设计 。相对 于继 电控 制 ，它具有 可靠性高 、抗干 扰能 力强 、功能完 善 、 编 程简单 、使用 灵活方便 的优点 I 1 ] 。 1 焦炉生产工 艺 焦炉 由煤焦 化系统 、焦炭冷却 排出 系统 、空气煤 气燃烧 加热和废气 系统 、荒煤气 系统 4部分组 成 。 煤料 通过提升 机输送 到炉顶储煤仓 ，经料 盅送 到 炭化室 。在炭化 室顶部煤 料被预热后 ，由压煤 推焦装 置推动物料下行 ，到达炭化段。当煤料转变成 固体焦 炭后 ， 继续 由压煤 推焦装置 推动 向下 移动进人 冷却段 。 焦炭逐步 被冷却 ，冷却后 的低 温焦炭通 过排焦 装置排 入液封熄 焦槽 中，最 后 由液封 熄焦槽 中的焦炭 输送装 置送往筛焦设 备或焦仓 。 燃烧煤 气从炉 体底 部燃烧 煤气人 口输入 ，直接进 入到燃烧室 底部 ， 和到达燃烧 室底部 的空气混合燃 烧 。 在立火道燃烧生成的高温废气通过燃烧室一炭化室墙 给炭化室供热。 炉体的顶部和中部都设有荒煤气出口， 干馏过 程 中产 生的荒煤 气从荒煤 气出 口经 桥管 、上升 管汇人 集气管 ，在桥管 和集气管处用 高 压循 环氨水 喷 洒冷却 后经 吸气 弯管抽 吸至冷鼓 工段 。 2 控 制 系统 实现 采用西门子 S 7 2 0 0系列 P I C并借助工控组态软 件来实现生产过程的全程 自动化检测和控制 。 这样 ， 既 解决了测量难度大的问题 ， 又从源头上根治 了装煤 、出 焦和熄焦等过程 中产生的烟气和粉尘 ， 降低 了对操作人 员 的伤害并 减轻 了劳 动强度 。同 时系统采用 模糊 P I D 控制算法 ， 实现 了对焦炉 内部高 温的精确控制 ， 经 济地 把高温焦炭显热用于蒸 汽一 电生产 ，降低 了投资成本 ， 提高了资源利用率 ，极大地节约 了能源 。 整个 系统采用一个工程 师站 、一个操 作员站配置 。 工程师站上 安装 了 S TE P 7编 程软件 和组态监 控软件 。 工程师站可以修改组态，修改定值，修改逻辑 ， 改变设 备名称 等等 。在操作员 站 ，操 作员通讯 与显示 系统 以 KI NG VI E W6 ． 5 2为基础 ， 利用 KI NG VI E w 软件能对 整个 生产过 程进行 图形化 监控 ， 还具有报警记录和历史 数据记 录功 能。 工程师站和操作员站通过 P C ／ P P I 电缆 实现与下 位机的通讯 。控制系统 组成结 构见图 1 。 制 饥 2 0 A O模块 图 1 控 制 系 统 组成 结构 2 ． 1上位机 操作站 上 位机采 用研 华 6 1 0 H 工控 机和 北京 亚控 自动化 收稿 日期 2 0 0 8 0 9 0 8 ；修回 日期 2 0 0 8 1 2 0 8 作者简介吴秀红 1 9 8 2 一 ． 女， 山西太原人 ， 在读硕士研究生． 主要研究方 向为智能控 制系统 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 6 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 0 9年 第 2期 软件科技 有 限公 司开发 的 “ 组 态王 6 ． 5 2 ”相结合来 实 现系统 的监控 。组态 画面开发 系统具 有完善 的 图形 生 成功能 ，简化了操作过程，减少了设计时问。同时软 件的 实时运行 环境用 于显示 画面开发 系统 中建立 的动 画 图形 画面 。与 数据 库 及 i ／ o 服 务程 序 进 行 数 据 交 换 ，设 置参数命 令 ，实现 系统 的在线 监控 。 编 程软 件是 西 门子公 司为 S I MATI C S 7 2 0 0 设 计 的专用软 件 S T E P 7 一Mi c r o ／ WI N。 S T E P 7 一Mi c r o ／ wl N 编 程 软件 可在 个 人计 算机 上 提供 S 7 2 0 0系列 P I C 的编程 环境 。有梯 形 图 I A D 、 语句 表 S T I 和 功 能块 图 F B D 3种程 序 编辑 器供 用户选 择 ，可 以实 现程序的输入、编辑、检索功能，也可以在线进行系 统监控及故障检测 。通过 P C ／ P P I 编程电缆连接计算 机 和 P I c，可 方 便 地 实 现 程 序 的 上 传 和 下 载。 S TE P 7 ～Mi c r o ／ WI N 除 了对应 用程 序的编 辑外 ， 还用 于系统 配置 ，如设定 与通讯有 关的参 数等l_ 2 j 。 本 系统 中设 计 了装 煤系统 、 集 成系统 、 加 热系统 、 出焦 系统 等 主要画 面 ，形象地 反映 出焦 炭从煤 仓进入 炉 内经高温 焦化后冷 却 、熄 焦 、排 出全过程 。操作员 从 画面上可 以直观 、形象地 看到现场 运行 的情况 ，也 可 以通 过按 钮进行 匦面切换 、参数设 定等 。图 2为用 组态 王 6 ． 5 2绘制 的装煤系统 主画面 。 图 2装 煤 系 统 主 画面 2 ． 2 下位 机 控 制 器 本 系统 选用 德 国西 门 子公 司 S 7 2 0 0系列 P I C 作 为控制器 ， 其 C P U 模块 为 C P U2 2 6 AC ／ D C ／ 继 电器 输 出 ，该模 块具 有 2 4路数字 量输 入 ，1 6路继 电 器输 出。 一 个 C P U 模 块 可 连 接 7个 控 制 模 块 ，有 2个 R S 4 8 5通讯 接 口。 C P U2 2 6接 收操 作站 发 出的各种 指令 ，输 出数 字 信号驱动电机 ．控制阀门启停和 自动采集设备的运行 状 态 。 用 E M2 3 1 对 现场温 度 、压力 、氧含量 、液 位 、料 位高度等模拟量进行采集 ， 并传 回上位机进行处理。 本 系统 共有模 拟量 9 2点 、温度 5 8点 、压力 2 5 点 、含 氧 量 4点 、液位 4 点 、料位 1 点 。 2 ． 3 测量仪表 及执行 机构 系统 中用 到的测量仪 器包 括红外温度传感器 、 料位 检测仪、液位传感器、压力传感器、氧化锆测量仪。由 于焦炉采用立式结构， 为了提高热效率，防止烟尘和粉 尘污染 ，焦化 是在连续封闭的焦炉 中进行 的 ， 因此测温 时选用了红外传感器，避免了与炉体的直接接触。 执行部 分包括 三相异 步 电机 、液压 阀 、风机、水 泵 。 操作员 通过组 态输 出命 令 给 P I C来 自动控 制电机 和 阀门的启停 ，或 者通过就 地控制 柜操作 按钮进行 手 动控制。图 3 a 为电机主控制回路接线图． b 为电机 二 次 回路接 线 图。 图 3中 ， Z K 为空 气开关 ； KM 为接 触器 ； R J为热 继 电器 ；H K 为转换开关 ；HD、I D 为指示 灯 ；1 R D、 2 RD 为 熔 断 器 ；HA 为启 动 按钮 ；TA 为停 止 按扭 ； KA1 、KA2为 中间继电器 。 图 4为转换 开关 H K 接线 图 。 图 5为送 P I C的电 机 运行反 馈信 号 。操 作员通 过 HK 转换 开关选 择 电机 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年第 2 期 昊秀红 ．等 基 于 P L C和工控机的连 续立式焦炉控制 系统研究 ‘1 1 7’ 的手动／ 自动控制。 当HK打到一3 o 。 时， ①②接通 ， 启 动按钮 HA按 下后 ，接触器 KM 通 电，电机运 行 ；同 时⑤⑥接通 ， 就地柜手动运行指示灯HD点亮 ， 中间继 电器 KA1 通 电 ， 其常开 触点 闭合 ， 将手动运 行信号 反 馈给 P I C。当 HK 打到 3 0 。 时 。⑧④ 接通 ，P I C输 出 皇 7 ． 5 k W a 电机主控制回路 启动信号 Z J 1 ， 接触器 KM 通电， 电机运行 ； 同时⑦⑧ 接通 ，就地 柜 自动 运行指 示灯 I D点 亮 ，中间继 电器 KA2通 电，其常 开触点 闭合 ， 将 手动运行 信号反馈 给 P I C。HK打 到 0 。 时 ，电机停 止运行 。 图 3电机 控 制 图 手柄位置 接 点 号 一3 0 0 。 3 0 。 联 锁 解 除 联 锁 ①② 一④ ⑤ ⑦一⑧ 图 4 转 换开 关 HK 接 线 圈 ／ ／ 。 ／一 一一。 至 } 1 _c手动运行信号 至 P I 自动运行信号 图 5 电 机 运行 反馈 信 号 3模糊 P I D控制器 手动启动 自动启动 手动运 行 反馈信号 手动运行指示 自动运行 反馈信号 自动运行指示 的偏差 ；模 糊控制 器虽然 不用建立 数学模 型 ，只根据 实际系统 输入输 出的数据 ，参考现 场操作人 员的运行 经 验 ， 就可对 系统进 行实时控 制 ， 但是易 产生振荡 。 为 此 ，我们 将二 者结合起 来 ，使用 模糊 P I D控 制器达 到 了预期 的控 制效果 l_ 4 ] 。 4结束语 立式 焦炉的整 个焦化 过程是在上 位工控 机的集 中 监 控下 ，由 P L C对 各工艺 实现 自动控 制完成 的。该 系 统 在节约 了大量劳 动力 的同时 ， 又使 得整个 系统 的启 、 停 时间 比人工操作 时大大缩 短 ，从 而提高 了设备 的利 用 率和生 产率 ，降低 了投 资成本 。 参考文献 [ 1 ] 何衍庆． 集 散控制系统原理 及应用[ M] ． 北 京 化学 工业 本 系统 在焦炉立 火道温度 控制过 程 中，主要是通 出版社， 1 9 9 9 篓 篁 警 圭 的 。状 煤 流 ． 。 豢 妻 摹 品 程 控 原 理 及 应 Ⅲ 北 而 改 变 立火 道温度 。 由于焦炉 温度是一 个具有 大惯性 、 [ 3 ] ． N N～ N⋯ J 器 网络 通信及应用 [ M] ．北 京 清 华 纯滞后 、非 线性和 时变性的复 杂控制 对象 ，很 难建立 大学出版社， 2 0 0 0 ． ‘ 精确 的数学 模 型。而 常 规 的 P I D 控 制 器虽 然 稳定 性 [ 4 ] J a m e s C a r v a j a l ， G u a n g r o n g C h e n ． F u z z y P I D c o n t r o l l e r 作 量 墨 鍪 苎 查 警 车 要 警 釜 nes ig n , p er fo ir。m 。 n u 。a 。ti。o ，n ． 再 改 变 ，用 于控制非线性 时变 系统时会 产生较 大幅度 ⋯‘ ⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ Re s e a r c h o n Au t o m a t i c Co nt r o l S y s t e m f o r Co nt i n u o u s Ve r t i c a l Co k e Oy e n Ba s e d o n PLC a n d I PC W U Xi u h o n g， J I A M i n z h i ， GE Ai x i n Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g Ta i y u a n Univ e r s i t y o f Te c h n o l o g y， Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4， Chi n a Abs t r a c t Thi s p ap e r p r e s e nt s a c on t r o l s y s t e m f o r c o nt i nu ous v e r t i c a l c o ke o ve n， whi c h us e s Si e me ns S7 20 0 PI ， C a s l o wer ma c h i n e， I PC a s u pp e r c omp ut e r． ba s e d o n Ki ngv i e w pl a t f or m ． us i n g f uz z y PI D c on t r o l l e r， t O a c hi e ve t he wh ol e c oki n g pr od uc t i o n pr o c e s s c on t r o 1 ． The s y s t e m h as h i gh a c c u r a c y， h i g h e f f i c i e nc y a nd s i mp l e o pe r a t i o n， c a n ge ne r a t e an d pr i nt t he al a r m i nf o r ma t i o n a nd op e r a t ion a l i nf or ma t i on a ut o ma t i c a l l y ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m