基于PLC的水泥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：現(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化水平有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，水泥企業(yè)的發(fā)展重心已逐步向企業(yè)的架構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)變、向信息的集中管理轉(zhuǎn)變，開始構(gòu)建一個(gè)以過(guò)程的控制、管理和決策為一體的智能控制系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)低能耗、管理優(yōu)化的智能控制，這是目前水泥行業(yè)的重點(diǎn)研究方向。本設(shè)計(jì)以多種傳感器為條件控制各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)水泥的全自動(dòng)生產(chǎn)，通過(guò)稱重傳感器、熱電偶高溫傳感器、變頻器、近紅外檢測(cè)儀、PLC等器件，完成了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各設(shè)備控制的硬件電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)編程調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)中以稱重傳感器控制的自動(dòng)加料，在線檢測(cè)儀控制的自動(dòng)粉磨，以及高溫?zé)犭娕紮z測(cè)的自動(dòng)進(jìn)行預(yù)熱、分解和煅燒等功能，來(lái)檢測(cè)生產(chǎn)線上的各種參數(shù)以保證生產(chǎn)線的流暢運(yùn)行。本系統(tǒng)具有完全自動(dòng)無(wú)需人力控制穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制PLC變頻器煅燒高溫?zé)犭娕家?、系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中選用的器件主要有應(yīng)用在皮帶秤上的SAPL稱重傳感器、應(yīng)用在各個(gè)環(huán)節(jié)間運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸帶上的ILZ箱式傳感器、對(duì)生料粉磨進(jìn)行顆粒檢測(cè)的紅外在線分析儀、檢測(cè)預(yù)熱分解與煅燒的剛玉管熱電偶傳感器與控制粉磨速度的三菱MM440變頻器。（1）稱重傳感器：SAPL稱重傳感器是皮帶秤經(jīng)常會(huì)使用的一種稱重傳感器，量程比較大最高可以測(cè)量5t的重量。它采用合金鋼材料，內(nèi)部灌膠密封，防油、防水，耐腐蝕，可適用各種環(huán)境。S型梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，拉壓雙向承載，安裝使用方法靈活。（2）運(yùn)輸帶重力傳感器：在生產(chǎn)中有許多稱重傳感器如AMIC鋁合金稱重傳感器、WXJ數(shù)字稱重傳感器、ILZ箱式結(jié)構(gòu)稱重傳感器等。ILZ箱式傳感器廣泛應(yīng)用于包裝稱、臺(tái)秤、動(dòng)態(tài)檢測(cè)等設(shè)備上，其精度高、穩(wěn)定性好可適用于各種惡劣環(huán)境中，本設(shè)計(jì)中用于各個(gè)階段與各個(gè)設(shè)備之間運(yùn)輸原料的運(yùn)輸帶上的重量檢測(cè)中完成各部分之間的銜接。（3）在線分析儀：在水泥生產(chǎn)過(guò)程中顆粒的測(cè)量方法主要有光譜法、取樣機(jī)測(cè)量、紅外在線分析等方法，其中在線分析的方法可以實(shí)時(shí)連續(xù)進(jìn)行測(cè)量，所以選擇在線分析的方法進(jìn)行粉磨的檢測(cè)[9]。（4）高溫傳感器：高溫傳感器的種類有許多種其中應(yīng)用最廣泛的是熱電偶和熱電阻高溫傳感器，在本課題中所測(cè)溫度最高可達(dá)1400多度，所以選用熱電偶傳感器。剛玉管熱電偶高溫傳感器是工業(yè)上應(yīng)用廣泛的一種高溫傳感器，它的測(cè)量精度高范圍大，可直接測(cè)量液體、氣體、固體的表面溫度。（5）變頻器：MM440變頻器是一種適用于三相電動(dòng)機(jī)速度控制與轉(zhuǎn)矩控制的變頻器其功率是120W~200KW。對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)是快速的可重復(fù)的；參數(shù)設(shè)置功能強(qiáng)大，參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，確保他可以對(duì)廣泛的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行配置。二、PLC及模塊選型1、本課題選用S7-300PLC，其優(yōu)點(diǎn)：1）S7-300PLC指令處理數(shù)度極高，與其他PLC相比處理指令的時(shí)間縮短了很多。2）S7-300的中央處理器具有很強(qiáng)的自我診斷功能，它可以智能連續(xù)的檢測(cè)系統(tǒng)是否存在故障，并可以將運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤記錄下來(lái)。3）S7-300PLC的安全性很高，能夠保護(hù)使用者的信息安全防止信息被他人竊取。2、模塊的選擇：S7-300屬于模塊式PLC，構(gòu)成部分有機(jī)架、CPU模塊、功能模塊、通信處理模塊、信號(hào)模塊、接口模塊等。各模塊的基本特性如下：1）CPU模塊在本設(shè)計(jì)中選用的是CPU416-2DP型號(hào)的CPU，CPU模塊是PLC中非常重要的部分，它起到輸入信號(hào)的采集、執(zhí)行使用者程序、刷新輸出的作用。CPU416-2DP的主要特點(diǎn)：通信能力強(qiáng)。內(nèi)存大。其執(zhí)行頂點(diǎn)加法與乘法的速度很快?？梢栽诰€修改I/O口的配置不需要重啟PLC。2）信號(hào)模塊輸入模塊與輸出模塊簡(jiǎn)稱為I/O模塊，數(shù)字量輸入、輸出模塊簡(jiǎn)稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡(jiǎn)稱為AI模塊和AO模塊，它們統(tǒng)稱位信號(hào)模塊，簡(jiǎn)稱SM，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU模塊的橋梁[10]。3）接口模塊CPU模塊所在機(jī)架稱為中央機(jī)架，如果一個(gè)機(jī)架不能容納所有模塊，可以增設(shè)一個(gè)或多個(gè)機(jī)架。接口模塊簡(jiǎn)稱IM用來(lái)實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架間的通信。4）PLC的電源模塊用于電壓的轉(zhuǎn)換在本設(shè)計(jì)中選用具有短路保護(hù)和開路保護(hù)的PS407/10A。三、控制I/0口分配I/O分配如表3.1所示。表3.1I/O分配設(shè)備I/O口設(shè)備I/O口設(shè)備I/O口原料庫(kù)急停I0.0皮帶秤5急停I3.2混合材料Q2.5啟動(dòng)I0.1稱重傳感器I3.3皮帶秤4電機(jī)Q2.6皮帶秤1急停I0.2水泥磨急停I3.4皮帶秤5電機(jī)Q2.7稱重傳感器I0.3紅外分析儀I3.5水泥磨Q3.0皮帶秤2急停I0.4重力傳感器I3.6水泥磨運(yùn)輸電機(jī)Q3.1稱重傳感器I0.5石灰石出料口Q0.0皮帶秤3急停I0.6粘土出料口Q0.1稱重傳感器I0.7鐵礦出料口Q0.2立磨機(jī)急停I1.0皮帶秤1電機(jī)Q0.3紅外分析儀I1.1皮帶秤2電機(jī)Q0.4重力傳感器I1.2皮帶秤3電機(jī)Q0.5預(yù)熱器急停I1.3立磨機(jī)Q0.6高溫傳感器I1.4立磨機(jī)運(yùn)輸電機(jī)Q0.7重力傳感器I1.5變頻器運(yùn)行Q1.0分解爐急停I1.6變頻器5號(hào)接線端子Q1.1高溫傳感器I1.7變頻器6號(hào)接線端子Q1.2重力傳感器I2.0旋風(fēng)預(yù)熱器Q1.3回轉(zhuǎn)窯急停I2.1預(yù)熱器運(yùn)輸電機(jī)Q1.4高溫傳感器I2.2分解爐Q1.5重力傳感器I2.3分解爐運(yùn)輸電機(jī)Q1.6冷卻器急停I2.4回轉(zhuǎn)窯加熱Q1.7高溫傳感器I2.5回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)Q2.0重力傳感器I2.6回轉(zhuǎn)窯運(yùn)輸電機(jī)Q2.1混合料倉(cāng)急停I2.7冷卻器Q2.2皮帶秤4急停I3.0冷卻器運(yùn)輸電機(jī)Q2.3稱重傳感器I3.1石膏出料口Q2.4四、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由皮帶秤（稱重傳感器）、變頻器、轉(zhuǎn)速測(cè)量、溫度測(cè)量等其他檢測(cè)信號(hào)的一次儀表組成。1、配料運(yùn)輸皮帶秤是配料運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備M是皮帶秤的電機(jī)，當(dāng)原料達(dá)到設(shè)定的比例時(shí)KM閉合電機(jī)得電將原料運(yùn)輸出去，配料運(yùn)輸主電路圖及其PLC接線圖如圖1、2所示。圖1配料運(yùn)輸主電路圖圖2PLC接線圖本課題中原料的稱重選用的是皮帶秤（稱重傳感器SAPL系列），當(dāng)原料達(dá)到要求值時(shí)稱重傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，圖中以開關(guān)SB2閉合代替。即在配料完成時(shí)稱重傳感器產(chǎn)生一個(gè)脈沖，皮帶秤得電開始運(yùn)行同時(shí)時(shí)間繼電器開始計(jì)時(shí)，時(shí)間以皮帶秤運(yùn)行一周為準(zhǔn)，當(dāng)計(jì)時(shí)完成時(shí)時(shí)間繼電器的延時(shí)斷開觸點(diǎn)斷開電機(jī)停止皮帶秤停止運(yùn)行。2、生料粉磨立磨機(jī)是生料粉磨的設(shè)備當(dāng)KM1閉合時(shí)立磨機(jī)開始運(yùn)行變頻器進(jìn)行調(diào)速，當(dāng)生料粉磨好之后KM2閉合運(yùn)輸帶將生料運(yùn)輸出去，生料粉磨主電路圖及其PLC接線圖如圖3、4所示。圖3生料粉磨主電路圖圖4PLC接線圖生料粉磨所用的設(shè)備是立磨機(jī)，它是依靠碾的自重將原料壓碎粉磨。當(dāng)原料投入立磨機(jī)后KT閉合KM1得電并自鎖立磨機(jī)開始工作并通過(guò)紅外在線檢測(cè)儀檢測(cè)粉磨程度，直到生料粉磨達(dá)到要求的0.08mm后紅外在線檢測(cè)儀將信號(hào)傳給PLC，SB5閉合電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行將磨好的生料送到下一個(gè)階段，通過(guò)稱重傳感器可以檢測(cè)生料是否運(yùn)輸完畢，運(yùn)輸完畢后SB4將閉合KA1得電常閉觸點(diǎn)斷開此階段結(jié)束。3、生料預(yù)熱旋風(fēng)預(yù)熱器是生料預(yù)熱的設(shè)備當(dāng)生料全部運(yùn)輸?shù)筋A(yù)熱器中后KM3閉合預(yù)熱器運(yùn)行升溫，當(dāng)高溫傳感器檢測(cè)到溫度到的規(guī)定值時(shí)KM4閉合加熱后的生料被運(yùn)輸帶運(yùn)出，生料預(yù)熱主電路圖及其PLC接線圖如圖5、6所示。圖5生料預(yù)熱階段主電路圖圖6PLC接線圖生料預(yù)熱階段用到的設(shè)備是旋風(fēng)預(yù)熱器，它是通過(guò)熱風(fēng)將生料加熱達(dá)到預(yù)熱的目的。在預(yù)熱過(guò)程中選用的溫度傳感器是剛玉管熱電偶高溫傳感器它最高可測(cè)1800℃的液體、氣體、固體的溫度。當(dāng)生料全部投入旋風(fēng)預(yù)熱器后KA1閉合旋風(fēng)預(yù)熱器開始工作通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)速進(jìn)行預(yù)熱，在溫度達(dá)到800℃時(shí)SB7閉合電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)作將生料運(yùn)輸?shù)椒纸鉅t中進(jìn)行分解，當(dāng)生料全部運(yùn)輸完畢后SB8閉合電動(dòng)機(jī)停止。4、生料的分解分解爐是生料分解的設(shè)備當(dāng)預(yù)熱后的生料全部運(yùn)輸?shù)椒纸鉅t后KM5閉合分解爐開始升溫對(duì)生料進(jìn)行分解，分解好的生料被運(yùn)輸帶運(yùn)輸出去，生料分解主電路圖及其PLC接線圖如圖7、8所示。圖7生料分解主電路圖圖8PLC接線圖生料分解階段用到的設(shè)備是分解爐，它是將生料投放到流化床上處于沸騰的狀態(tài)達(dá)到分解的目的。當(dāng)生料全部投入到流化床時(shí)分解爐開始升溫煅燒，當(dāng)溫度達(dá)到分解溫度1000℃時(shí)時(shí)間繼電器得電開始計(jì)時(shí)，分解時(shí)間一般是15到20分鐘。當(dāng)煅燒時(shí)間結(jié)束時(shí)時(shí)間繼電器的延時(shí)閉合觸點(diǎn)KT1動(dòng)作，KM4得電電動(dòng)機(jī)開始動(dòng)作將分解好的生料運(yùn)輸?shù)交剞D(zhuǎn)窯進(jìn)行煅燒。5、生料煅燒回轉(zhuǎn)窯是煅燒階段的設(shè)備當(dāng)煅燒好的生料全部運(yùn)輸?shù)交剞D(zhuǎn)窯中KM6閉合回轉(zhuǎn)窯開始加熱同時(shí)KM7閉合回轉(zhuǎn)窯開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)回轉(zhuǎn)窯中的溫度升高到1450攝氏度并經(jīng)過(guò)20分鐘的煅燒之后生料就被煅燒成熟料并被運(yùn)輸帶運(yùn)輸出去，生料煅燒主電路圖及其PLC接線圖如圖9、10所示。圖9生料煅燒主電路圖圖10PLC接線圖生料煅燒階段用到的設(shè)備是回轉(zhuǎn)窯，它是將生料投放到回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行加熱，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動(dòng)將生料充分煅燒。當(dāng)生料全部投入回轉(zhuǎn)窯后開始加熱同時(shí)回轉(zhuǎn)窯開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)加熱溫度達(dá)到1450度左右時(shí)時(shí)間繼電器開始計(jì)時(shí)煅燒大約20分鐘，煅燒時(shí)間到了之后時(shí)間繼電器動(dòng)作加熱停止，回轉(zhuǎn)窯停止生料加工結(jié)束將熟料冷卻進(jìn)行熟料加工。6、熟料冷卻此階段的電氣原理圖與生料預(yù)熱階段基本相同，此階段用到的設(shè)備是篦式冷卻機(jī)它可以在幾分鐘之內(nèi)將1000攝氏度的熟料溫度降至100攝氏度。當(dāng)熟料全部都放到篦床上時(shí)變頻器控制風(fēng)扇開始向熟料鼓風(fēng)，當(dāng)熟料溫度降到100℃時(shí)篦式冷卻機(jī)停止工作。7、熟料的細(xì)磨熟料細(xì)磨階段與生料的粉磨階段基本相同，當(dāng)熟料冷卻好之后需要加入少量的石膏和混合材料然后在進(jìn)行細(xì)磨、石膏混合之后進(jìn)入磨里進(jìn)行細(xì)磨之后就可以得到水泥成品。五、變頻器變頻器PLC接線圖如圖11所示。圖11變頻器PLC接線圖MM440變頻器通過(guò)5、6、7三個(gè)端子進(jìn)行多段速控制，通過(guò)三個(gè)端子的不同組合最多可以實(shí)現(xiàn)七段速度的運(yùn)行，16號(hào)端子為變頻器運(yùn)行信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中只采用了其中的兩個(gè)端子對(duì)粉磨進(jìn)行兩段速控制。六、軟件設(shè)計(jì)1、編程軟件STEP7編程軟件是PLC常用的編程軟件，這一款軟件具有PLC編程所用的梯形圖、功能塊圖和連續(xù)控制功能圖等編程工具。在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中所采用的是梯形圖進(jìn)行編程，它是依據(jù)水泥生產(chǎn)的電氣原理圖編寫而成的。梯形圖：梯形圖是一種非常直觀的編程方式它起源于美國(guó)，它是依照這電氣原理圖進(jìn)行編程的一種圖形化的語(yǔ)言，按照電氣原理圖中的各種器件之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行編程非常便于理解。2、PLC程序的主要環(huán)節(jié)控制程序在執(zhí)行的時(shí)候可以分為三個(gè)環(huán)節(jié)。（1）主程序模塊：主程序模塊的作用是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)的處理對(duì)執(zhí)行中的系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。并且在系統(tǒng)啟動(dòng)之后只要沒(méi)有中斷的請(qǐng)求主程序就會(huì)不斷的進(jìn)行循環(huán)。（2）子程序模塊：子程序是為主程序服務(wù)的，它只完成某一塊或者是某一部分的任務(wù)，受主程序的控制是組成主程序的重要部分。主程序就是通過(guò)控制多個(gè)子程序來(lái)完成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。（3）中斷模塊：中斷模塊主要是對(duì)一些內(nèi)部或者是外部的特殊事件和要求進(jìn)行處理響應(yīng)的部分，當(dāng)有內(nèi)部或者外部的事件需要處理時(shí)中斷模塊響應(yīng)并且停止當(dāng)前執(zhí)行的主程序，進(jìn)行中斷要求的處理，在處理好了中斷的事件之后就會(huì)返回到中斷開始的斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行之前的程序。3、生產(chǎn)線控制軟件設(shè)計(jì)本課題軟件方面主要是通過(guò)對(duì)PLC編程再通過(guò)各種傳感器進(jìn)行信號(hào)采集并于PLC進(jìn)行傳遞，使整個(gè)生產(chǎn)線通過(guò)PLC的控制實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)運(yùn)行。程序中主要有信號(hào)的采集與處理通過(guò)溫度、稱重、紅外等傳感器對(duì)生產(chǎn)線上的原料進(jìn)行檢測(cè)，這部分也是最重要的一部分，它控制這全部生產(chǎn)線的運(yùn)行。然后就是對(duì)各個(gè)設(shè)備的控制，通過(guò)傳感器的信號(hào)PLC控制各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行與停止[12]。最后就是出現(xiàn)故障時(shí)的緊急停止。生產(chǎn)線的控制流程圖如圖12所示。圖12控制流程圖從流程圖中可以看出軟件設(shè)計(jì)中對(duì)個(gè)階段的控制參數(shù)要求，粉磨過(guò)程要將生料粉磨到粒徑達(dá)到0.08mm才可進(jìn)入下一階段，預(yù)熱、分解煅燒溫度要分別達(dá)到800、1000、1450攝氏度。4、梯形圖配料運(yùn)輸梯形圖如圖13所示。圖13配料運(yùn)輸梯形圖生料粉磨梯形圖如圖14所示。圖14生料粉磨梯形圖生料預(yù)熱梯形圖如圖15所示。圖15生料預(yù)熱梯形圖生料分解梯形圖如圖16所示。圖16生料分解梯形圖生料煅燒梯形圖如圖17所示。圖17生料煅燒梯形圖梯形圖主要實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)過(guò)程中各階段的控制及其各部分的銜接運(yùn)行，其中各部分分別完成原料的稱重及運(yùn)輸，生料的粉磨顆粒的檢測(cè)，對(duì)生料進(jìn)行預(yù)熱并監(jiān)控其溫度，對(duì)生料的加溫分解與分解時(shí)間的控制，將生料煅燒為熟料且充分反應(yīng)與煅燒時(shí)間的控制，熟料的降溫控制將煅燒好的熟料進(jìn)行降溫冷卻達(dá)到規(guī)定的100攝氏度并監(jiān)控溫度。七、結(jié)論此課題以水泥生產(chǎn)的基本流程為基礎(chǔ)，以PLC為主要控制方式通過(guò)稱重傳感器、高溫?zé)犭娕紓鞲衅鳌⒃诰€分析儀等多種器件的檢測(cè)分析來(lái)控制各階段的自動(dòng)運(yùn)行以及銜接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。使用PLC常用的S7編程軟件進(jìn)行了梯形圖的編寫，通過(guò)CAD制圖繪制各階段控制方式的電路原理圖，通過(guò)S7軟件自帶的仿真程序?qū)帉懞玫奶菪螆D進(jìn)行仿真和調(diào)試。通過(guò)不斷