WINCC的矿粉烧结自动控制系统的设计_烧结部分控制
WINCC的矿粉烧结自动控制系统的设计_烧结部分控制[20200108192727]
铁行业中自动化控制是必不可少的，也是维持其效益的关键因素，S7-300完全满足控制其控制要求，本课题为在实验室里模仿工厂的运行控制，在工厂原有的基础上对其进行研究和改进。设计要求的程序，原矿的进料、皮带机运行情况、点火部分的PID控制及参数整定以及仓库存量多少的显示反馈，在一定条件下，尽量模拟现场情况，增加PROFIBUS网络通信，完成程序的编写。当程序完成后，便在实验室中进行上位机和下位机的通信连接，由Wincc界面监控S7-300下位机，实现烧结部分的工艺流程。
关键字 矿粉烧结，S7-300，PID，PROFIBUS通信
1 绪论 1
2 课题研究意义和原理 1
2.1 课题研究意义 1
2.2 国内外钢铁自动化发展现状和发展趋势 1
2.3 课题的基本原理 2
2.4 课题的工艺流程 3
3 西门子PLC及控制方法介绍 4
3.1 PLC的选择 4
3.2 S7-300优点 4
3.3 S7-300工作原理 5
3.4 PID调节 6
3.5 MM420变频器 7
3.6 MPI和PROFIBUS通信 8
4 烧结生产设计 9
4.1 设计总体思路 9
4.2 设计流程图 9
5 PLC设计 9
5.1 工程所用软件模块 10
5.2 PLC软件设计 10
6 通信连接 27
6.1 PROFIBUS总线通信 27
6.2 以太网TCP/IP通信 30
7 调试及运行 30
结论 34
致谢 35
参考文献 36
1 绪论
随着现代科技的迅速发展，自动化技术融入了各个领域中，作为重工业中的支柱——钢铁行业，也在发生着天翻地覆的变化。无论是为了保障工人安全，还是为了提高生产质量、增加企业收入，自动化技术普及到了炼钢行业的每个车间、每个炼钢环节。烧结生产车间是企业炼钢必不可少的步骤，只有将所需的矿粉完成配料后，再进行烧结，取出符合要求的烧结球，才能进入高炉冶炼，为炼钢做好准备。
2 课题研究意义和原理
2.1 课题研究意义
烧结从配料到烧结再到成品，都需要精确的控制，采用自动化技术，便可极大的提高产品的质量和生产效率。配料的合理性、准确性以及快速性都是影响生产的因素，而烧结工艺中的布料、点火、烧结也是影响质量的重要因素。在烧结过程中会出现粉尘、二氧化硫等污染，若采用人工方式，很难控制其污染程度，对工人也会有所伤害，所以烟气脱硫除尘净化系统是必不可少的[1]。可编程逻辑控制（PLC）已经融入钢铁工业制造当中，可以实现现场无人的高度自动化，只需几名操作工即可完成全部的配料工作。本次设计的是钢铁生产线从原料到球团到高炉的流程，开始的矿料经交通工具运至码头，再由堆料机进行堆料，若要用时便由取料机进行取料，不同的取料机选取不同的矿料进行配料，配料完成后进行混合，在此同时烧结部分进行布料，等待完成配料，之后进行点火，进行筛选，选取出符合要求的球团进入高炉或者由皮带机传送至仓库存储。
2.2 国内外钢铁自动化发展现状与发展趋势
可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在相对复杂的工业环境下设计的。改革开放以来，我国的自动化程度经历了从低到高的发展，从最初的手工生产到现在的自动炼钢，自动化程度有了很大的提高。从码头输送原矿堆放、矿粉配料、矿粉烧结、高炉炼钢、废水处理、炉外精炼、轧钢等钢铁生产的各个工艺现场，各种自动化设备处处可见，不但配备了比较先进的单机操作系统（PLC），还有完善的集散式分布系统（DCS）。当前我国的大型钢铁企业中宝钢、鞍钢、沙钢等都从国外引进了先进的自动化控制系统和设备，继而进行汲取经验、改革创新、因地制宜，使其符合自身的实际生产情况，经过多年的技术沉淀，这些企业的自动化水平已
经达到国际先进水准[2]。但是和国外的公司相比，我国缺乏相应的自主知识产权，大多数都是从国外引进的产品，比如德国的西门子（SIMATIC）、三菱（mitsubishi）、欧姆龙（OMRON）等，而国内却没有多少能够对市场有影响力的PLC，这就导致了技术产权永远在别人手里。很多工厂往往会出现这个车间用的是西门子系列，而另外一个车间用的是欧姆龙系列的情况，在管理层，企业很难在同一层面管理各类信息，必须要通过不同的通信连接方式，将不同的PLC连接到一起，才能够去管理，这就造成很大的经济、资源的损失。在技术经验积累方面，国内由于起步较晚，从改革开放才开始发展，所以对于国外先进的技术，还是比较落后的。
2.3 课题的基本原理
烧结球团就是矿石磨成粉末的过程，然后粉末的物理和化学性能可以满足下一步处理的要求。其作用为：将富铁矿粉和贫铁矿粉经过选矿得到的精矿粉进行造块，充分增加了资源的使用；可以将钢铁厂含有用成分高的废料、灰尘和废渣进行综合使用，进一步综合利用国家资源，降低成本，提高工厂环境质量。经过这样的过程可以使矿粉的物理、冶金性能都得到改善，并能将影响炼钢品质的元素从矿料中去除，从而强化了高炉冶炼，提高了冶炼效果，在原料一定的情况下，取得最大经济利益。现今人造球团的方法共有三种，其一为烧结法：在一定温度下恒温加热粉体材料，在恒定的压力和不完全熔化的条件下，矿料烧结成块，得到的产品为烧结矿。其二为球团法：将更精细的粉状原料混合于水，湿水后，再放入特制的造球设备上，经过一定时间的滚动，然后再将滚动后的小球焙烧固结，最后得到的产品即为球团矿。其三为压团法：将矿粉材料在一定的外部压力下，使其在模型内受压，将矿粉凝结成形状和大小和模型一致的团块，团块的强度主要因素为添加的粘结剂和粉状物本身性质，故化学组成和矿物组成基本上保持原矿的特性。
当配料完成后，皮带机开始按比例输送四种原料，分别是矿粉、碳粉、石灰石以及生石灰。其中矿粉是主要生产原料，石灰石以及生石灰提供烧结所需的温度，碳粉则是提供一氧化碳来进行还原。
其化学方程式为：
CaCO3 =（高温）CaO + CO2↑
CaO + H2O = Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓+ H2O
2C + O2（不充足）= 2CO↑
Fe2O3 + 3CO =（高温） 2Fe + 3CO2↑
Fe3O4 + 4CO =（高温） 3Fe + 2CO2↑
碳酸钙（俗称石灰石）高温可以分解为生石灰和二氧化碳。生石灰加入水则会产生熟石灰，还会释放大量的热，用来提供一部分的热量，熟石灰加入二氧化碳会重新生成石灰石，进一步循环利用。碳粉在氧气不充足的情况下点燃。会生成一氧化碳，经过气体通道的传输，进入高炉通道中，为铁的还原提供原料。而矿粉中含有多种铁的氧化物，故而有不同的方程式进行还原[3]。而一氧化碳属于有害气体，所以在气体存储罐和传输通道间，应设立禁火、有毒的告示牌，还应设立空气一氧化碳气体浓度检测，高于一定浓度时，应及时发出报警，保障生命安全，对于凝练下来的残渣，可以经过残渣传输通道，进入烧结程序，形成烧结球团，再次进行氧化还原，充分利用矿物质原料，在含铁量低于一定值时，进行残渣处理，再排出工厂。既保护了环境，又将资源充分利用了起来，大大的提高了生产效率，节约了生产成本，在无形中为工厂增加了效益，提高了利润。
铁行业中自动化控制是必不可少的，也是维持其效益的关键因素，S7-300完全满足控制其控制要求，本课题为在实验室里模仿工厂的运行控制，在工厂原有的基础上对其进行研究和改进。设计要求的程序，原矿的进料、皮带机运行情况、点火部分的PID控制及参数整定以及仓库存量多少的显示反馈，在一定条件下，尽量模拟现场情况，增加PROFIBUS网络通信，完成程序的编写。当程序完成后，便在实验室中进行上位机和下位机的通信连接，由Wincc界面监控S7-300下位机，实现烧结部分的工艺流程。
关键字 矿粉烧结，S7-300，PID，PROFIBUS通信
1 绪论 1
2 课题研究意义和原理 1
2.1 课题研究意义 1
2.2 国内外钢铁自动化发展现状和发展趋势 1
2.3 课题的基本原理 2
2.4 课题的工艺流程 3
3 西门子PLC及控制方法介绍 4
3.1 PLC的选择 4
3.2 S7-300优点 4
3.3 S7-300工作原理 5
3.4 PID调节 6
3.5 MM420变频器 7
3.6 MPI和PROFIBUS通信 8
4 烧结生产设计 9
4.1 设计总体思路 9
4.2 设计流程图 9
5 PLC设计 9
5.1 工程所用软件模块 10
5.2 PLC软件设计 10
6 通信连接 27
6.1 PROFIBUS总线通信 27
6.2 以太网TCP/IP通信 30
7 调试及运行 30
结论 34
致谢 35
参考文献 36
1 绪论
随着现代科技的迅速发展，自动化技术融入了各个领域中，作为重工业中的支柱——钢铁行业，也在发生着天翻地覆的变化。无论是为了保障工人安全，还是为了提高生产质量、增加企业收入，自动化技术普及到了炼钢行业的每个车间、每个炼钢环节。烧结生产车间是企业炼钢必不可少的步骤，只有将所需的矿粉完成配料后，再进行烧结，取出符合要求的烧结球，才能进入高炉冶炼，为炼钢做好准备。
2 课题研究意义和原理
2.1 课题研究意义
烧结从配料到烧结再到成品，都需要精确的控制，采用自动化技术，便可极大的提高产品的质量和生产效率。配料的合理性、准确性以及快速性都是影响生产的因素，而烧结工艺中的布料、点火、烧结也是影响质量的重要因素。在烧结过程中会出现粉尘、二氧化硫等污染，若采用人工方式，很难控制其污染程度，对工人也会有所伤害，所以烟气脱硫除尘净化系统是必不可少的[1]。可编程逻辑控制（PLC）已经融入钢铁工业制造当中，可以实现现场无人的高度自动化，只需几名操作工即可完成全部的配料工作。本次设计的是钢铁生产线从原料到球团到高炉的流程，开始的矿料经交通工具运至码头，再由堆料机进行堆料，若要用时便由取料机进行取料，不同的取料机选取不同的矿料进行配料，配料完成后进行混合，在此同时烧结部分进行布料，等待完成配料，之后进行点火，进行筛选，选取出符合要求的球团进入高炉或者由皮带机传送至仓库存储。
2.2 国内外钢铁自动化发展现状与发展趋势
可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在相对复杂的工业环境下设计的。改革开放以来，我国的自动化程度经历了从低到高的发展，从最初的手工生产到现在的自动炼钢，自动化程度有了很大的提高。从码头输送原矿堆放、矿粉配料、矿粉烧结、高炉炼钢、废水处理、炉外精炼、轧钢等钢铁生产的各个工艺现场，各种自动化设备处处可见，不但配备了比较先进的单机操作系统（PLC），还有完善的集散式分布系统（DCS）。当前我国的大型钢铁企业中宝钢、鞍钢、沙钢等都从国外引进了先进的自动化控制系统和设备，继而进行汲取经验、改革创新、因地制宜，使其符合自身的实际生产情况，经过多年的技术沉淀，这些企业的自动化水平已
经达到国际先进水准[2]。但是和国外的公司相比，我国缺乏相应的自主知识产权，大多数都是从国外引进的产品，比如德国的西门子（SIMATIC）、三菱（mitsubishi）、欧姆龙（OMRON）等，而国内却没有多少能够对市场有影响力的PLC，这就导致了技术产权永远在别人手里。很多工厂往往会出现这个车间用的是西门子系列，而另外一个车间用的是欧姆龙系列的情况，在管理层，企业很难在同一层面管理各类信息，必须要通过不同的通信连接方式，将不同的PLC连接到一起，才能够去管理，这就造成很大的经济、资源的损失。在技术经验积累方面，国内由于起步较晚，从改革开放才开始发展，所以对于国外先进的技术，还是比较落后的。
2.3 课题的基本原理
烧结球团就是矿石磨成粉末的过程，然后粉末的物理和化学性能可以满足下一步处理的要求。其作用为：将富铁矿粉和贫铁矿粉经过选矿得到的精矿粉进行造块，充分增加了资源的使用；可以将钢铁厂含有用成分高的废料、灰尘和废渣进行综合使用，进一步综合利用国家资源，降低成本，提高工厂环境质量。经过这样的过程可以使矿粉的物理、冶金性能都得到改善，并能将影响炼钢品质的元素从矿料中去除，从而强化了高炉冶炼，提高了冶炼效果，在原料一定的情况下，取得最大经济利益。现今人造球团的方法共有三种，其一为烧结法：在一定温度下恒温加热粉体材料，在恒定的压力和不完全熔化的条件下，矿料烧结成块，得到的产品为烧结矿。其二为球团法：将更精细的粉状原料混合于水，湿水后，再放入特制的造球设备上，经过一定时间的滚动，然后再将滚动后的小球焙烧固结，最后得到的产品即为球团矿。其三为压团法：将矿粉材料在一定的外部压力下，使其在模型内受压，将矿粉凝结成形状和大小和模型一致的团块，团块的强度主要因素为添加的粘结剂和粉状物本身性质，故化学组成和矿物组成基本上保持原矿的特性。
当配料完成后，皮带机开始按比例输送四种原料，分别是矿粉、碳粉、石灰石以及生石灰。其中矿粉是主要生产原料，石灰石以及生石灰提供烧结所需的温度，碳粉则是提供一氧化碳来进行还原。
其化学方程式为：
CaCO3 =（高温）CaO + CO2↑
CaO + H2O = Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓+ H2O
2C + O2（不充足）= 2CO↑
Fe2O3 + 3CO =（高温） 2Fe + 3CO2↑
Fe3O4 + 4CO =（高温） 3Fe + 2CO2↑
碳酸钙（俗称石灰石）高温可以分解为生石灰和二氧化碳。生石灰加入水则会产生熟石灰，还会释放大量的热，用来提供一部分的热量，熟石灰加入二氧化碳会重新生成石灰石，进一步循环利用。碳粉在氧气不充足的情况下点燃。会生成一氧化碳，经过气体通道的传输，进入高炉通道中，为铁的还原提供原料。而矿粉中含有多种铁的氧化物，故而有不同的方程式进行还原[3]。而一氧化碳属于有害气体，所以在气体存储罐和传输通道间，应设立禁火、有毒的告示牌，还应设立空气一氧化碳气体浓度检测，高于一定浓度时，应及时发出报警，保障生命安全，对于凝练下来的残渣，可以经过残渣传输通道，进入烧结程序，形成烧结球团，再次进行氧化还原，充分利用矿物质原料，在含铁量低于一定值时，进行残渣处理，再排出工厂。既保护了环境，又将资源充分利用了起来，大大的提高了生产效率，节约了生产成本，在无形中为工厂增加了效益，提高了利润。
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