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[摘 要]本文对西门子PLC400CPU300模块系列可编程序控制器应用于高炉上料电气控制系统的设计思想作了介绍，对系统的硬件组成和软件设计作了较为详细的阐述， 设计出的可编程程序控制装置基本上完成了高炉供料电气控制系统的硬件设计。实现了布料（槽上）和槽下卷扬的实时控制和生产过程自动化的目的。
[关键词]可编程序控制器 高炉 上料系统 自动控制 仿真
中图分类号：P425 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）22-0016-01
高炉上料装置是生产中的重要环节，提高其自动化水平，可以大大减轻工人劳动强度，提高生产效率，同时通过原料的精确配比，又可提升产品的品质和质量。本文简要介绍了PLC系统在高炉上料自动监控中的应用。该系统用PLC完成所有的过程控制、数据采集、自动调节、事故处理及报警等工作。
1. 高炉上料国内外发展状况
高炉炼铁生产是冶金（钢铁）工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。
2.控制方案的选择
随着微电子技术尤其是个人计算机技术的飞速发展，PLC和DCS的性能都有了较大的改进，PLC大大提高了数据处理能力和监控功能，DCS系统向开放性发展，操作站采用工控机。PLC和DCS在抢占市场的过程中，两者相互借鉴、渗透、融合，极大地增加了用户在设计和使用中的选择性。同时，由于各种控制系统生产制造厂较多，产品更新换代快，也给系统选择带来了一定的困难。而走向实用化的FCS，也正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。下面依据PLC、 DCS和FCS的不同特点，针对化工新项目建设和老项目改造，对控制系统的设计选型和应用总结以下原则进行选择。
按过程控制系统的控制规模及复杂程度：不同的化工生产过程，过程控制系统规模与复杂程度不同，通常在过程控制系统规模较大、复杂程度较高时优先选择DCS。因为该系统是根据过程控制系统的特点发展而来，它对大量的模拟量数据信息能较好地进行处理、分析、运算，能完成各种复杂的、繁琐的调节控制计算，因此能完成规模大、复杂程度高的过程控制系统的工作。RS3系统和其他DCS系统一样，包括以下几个部分：控制单元、操作单元、I/O单元、数据总线。
按投资规模和项目经济效率合理选择：在一些小型化工项目中，特别是一些中小型改造项目，投资较少，规模较小的仪控系统应优先选择价格相对低廉、性价比较高的PLC系统。
3. PLC控制器选型及硬件配置
高炉是炼铁的大型装备，一般地处偏僻地区，控制特点如下：
（1）电网电压不稳定，电压波动达±15%，灰尘多，工业环境差；
（2）系统工艺复杂，输入输出点数多，安全性、可靠性要求特别高；
（3）控制信号有开关、数字和模拟信号；
（4）控制器应具有顺序控制、定时、计数、逻辑判断、算术运算等功能；
（5）工艺配方程序要求自动控制、灵活设定；
（6）为防止自动系统失效，保留手动控制。
考虑到工业环境差，灰尘多，为确保I/O接点的可靠接通，室内设备采用电压类型为DC24V的I/O接点，室外设备采用AC22OV的I/O接点。根据控制要求，以及电压类型，必须选用性能卓越，高可靠性，配置灵活的PLC控制器，考虑供货和备件情况，选用德国西门子公司的PLC400CPU300模块系列中CPU224型PLC，其本机I/O点数为14入/10出，可扩展7个模块数量。再扩展一个EM223（8入/8出），可满足系统要求。
标准语言梯形图语言是最常用的一种语言，它有以下特点：它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。
梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。
PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出點的值在用户程序中可以当做条件使用。
4.料车上料系统
高炉料车上料系统是料车按生产要求将槽下各种物料，由料车卷扬机提升到炉顶。高炉上料主要有上料小车和上料皮带两种方式；由于小车的上料能力有限，大型高炉一般使用上料皮带的方式上料。下面简单谈一下上料小车和上料皮带的优缺点：
上料小车的优点是适合料仓与高炉距离较近，占地面积小，节省厂区面积，适于中小型高炉；缺点是上料能力有限。上料大皮带优点是适合料仓与高炉距离较远，能连续供料，适于大型高炉；缺点是占地而积较大。本设计主要考虑的是小型高炉的自动上料系统，为节约成本，采用上料小车的上料方式。
5.高炉料钟装料系统
炉顶装料系统，它由旋转布料器、小钟、大钟以及探尺组成。原料由料车送上炉顶后，先装入小钟。小钟下降时，原料装入大钟内，大钟每下降一次，布料器即旋转一次，布料器旋转一定角度（一般采用六点布料，间隔六十度），这样可使进入炉内的料分布均匀。小料钟经过几次下降一批料装入大料斗后，关闭小钟，然后打开大钟，经布料器原料便装入炉内，采用双钟的目的在于装料时交替关闭，以防煤气逸出。
6.步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一但三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
（1）步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有O.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
（2）静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍以内较好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
结论
本文通过对高炉采用西门子PLC400CPU300模块系列PLC软件进行编程实现高炉上料的自动控制。
PLC技术可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。
参考文献
[1] 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：重庆大学出版社，2001.2.
[2] 宋德玉.可编程序控制器原理及应用系统设计技术[M]. 北京： 冶金工业出版社，1999.1.
[关键词]可编程序控制器 高炉 上料系统 自动控制 仿真
中图分类号：P425 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）22-0016-01
高炉上料装置是生产中的重要环节，提高其自动化水平，可以大大减轻工人劳动强度，提高生产效率，同时通过原料的精确配比，又可提升产品的品质和质量。本文简要介绍了PLC系统在高炉上料自动监控中的应用。该系统用PLC完成所有的过程控制、数据采集、自动调节、事故处理及报警等工作。
1. 高炉上料国内外发展状况
高炉炼铁生产是冶金（钢铁）工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。
2.控制方案的选择
随着微电子技术尤其是个人计算机技术的飞速发展，PLC和DCS的性能都有了较大的改进，PLC大大提高了数据处理能力和监控功能，DCS系统向开放性发展，操作站采用工控机。PLC和DCS在抢占市场的过程中，两者相互借鉴、渗透、融合，极大地增加了用户在设计和使用中的选择性。同时，由于各种控制系统生产制造厂较多，产品更新换代快，也给系统选择带来了一定的困难。而走向实用化的FCS，也正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。下面依据PLC、 DCS和FCS的不同特点，针对化工新项目建设和老项目改造，对控制系统的设计选型和应用总结以下原则进行选择。
按过程控制系统的控制规模及复杂程度：不同的化工生产过程，过程控制系统规模与复杂程度不同，通常在过程控制系统规模较大、复杂程度较高时优先选择DCS。因为该系统是根据过程控制系统的特点发展而来，它对大量的模拟量数据信息能较好地进行处理、分析、运算，能完成各种复杂的、繁琐的调节控制计算，因此能完成规模大、复杂程度高的过程控制系统的工作。RS3系统和其他DCS系统一样，包括以下几个部分：控制单元、操作单元、I/O单元、数据总线。
按投资规模和项目经济效率合理选择：在一些小型化工项目中，特别是一些中小型改造项目，投资较少，规模较小的仪控系统应优先选择价格相对低廉、性价比较高的PLC系统。
3. PLC控制器选型及硬件配置
高炉是炼铁的大型装备，一般地处偏僻地区，控制特点如下：
（1）电网电压不稳定，电压波动达±15%，灰尘多，工业环境差；
（2）系统工艺复杂，输入输出点数多，安全性、可靠性要求特别高；
（3）控制信号有开关、数字和模拟信号；
（4）控制器应具有顺序控制、定时、计数、逻辑判断、算术运算等功能；
（5）工艺配方程序要求自动控制、灵活设定；
（6）为防止自动系统失效，保留手动控制。
考虑到工业环境差，灰尘多，为确保I/O接点的可靠接通，室内设备采用电压类型为DC24V的I/O接点，室外设备采用AC22OV的I/O接点。根据控制要求，以及电压类型，必须选用性能卓越，高可靠性，配置灵活的PLC控制器，考虑供货和备件情况，选用德国西门子公司的PLC400CPU300模块系列中CPU224型PLC，其本机I/O点数为14入/10出，可扩展7个模块数量。再扩展一个EM223（8入/8出），可满足系统要求。
标准语言梯形图语言是最常用的一种语言，它有以下特点：它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。
梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。
PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出點的值在用户程序中可以当做条件使用。
4.料车上料系统
高炉料车上料系统是料车按生产要求将槽下各种物料，由料车卷扬机提升到炉顶。高炉上料主要有上料小车和上料皮带两种方式；由于小车的上料能力有限，大型高炉一般使用上料皮带的方式上料。下面简单谈一下上料小车和上料皮带的优缺点：
上料小车的优点是适合料仓与高炉距离较近，占地面积小，节省厂区面积，适于中小型高炉；缺点是上料能力有限。上料大皮带优点是适合料仓与高炉距离较远，能连续供料，适于大型高炉；缺点是占地而积较大。本设计主要考虑的是小型高炉的自动上料系统，为节约成本，采用上料小车的上料方式。
5.高炉料钟装料系统
炉顶装料系统，它由旋转布料器、小钟、大钟以及探尺组成。原料由料车送上炉顶后，先装入小钟。小钟下降时，原料装入大钟内，大钟每下降一次，布料器即旋转一次，布料器旋转一定角度（一般采用六点布料，间隔六十度），这样可使进入炉内的料分布均匀。小料钟经过几次下降一批料装入大料斗后，关闭小钟，然后打开大钟，经布料器原料便装入炉内，采用双钟的目的在于装料时交替关闭，以防煤气逸出。
6.步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一但三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
（1）步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有O.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
（2）静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍以内较好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
结论
本文通过对高炉采用西门子PLC400CPU300模块系列PLC软件进行编程实现高炉上料的自动控制。
PLC技术可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。
参考文献
[1] 廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用[M].重庆：重庆大学出版社，2001.2.
[2] 宋德玉.可编程序控制器原理及应用系统设计技术[M]. 北京： 冶金工业出版社，1999.1.