冶金工业自动化中基于PLC的生产过程优化与控制策略研究.pdf
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1、冶金与材料第 44 卷冶金工业自动化中基于 PLC 的生产过程优化与控制策略研究张宇(南京钢铁集团有限公司,江苏 南京210000)冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.44 No.1Jan.2024摘要:鉴于现代工业自动化的迅速发展,文章介绍了 PLC 技术的基本原理与组成,分析了其在工业自动化中的广泛应用现状,并提出其在冶金行业中的特殊需求与挑战。通过对生产过程的流程分析,包括工艺流程图的绘制与关键工艺节点的识别,探讨了生产过程中的优化方法,涵盖工艺参数的调整、设备性能的优化的合理配置。此外,文章设计并实施了基
2、于 PLC 的控制策略,包括状态控制、逻辑控制和 PID 控制,并提供了相应的实时监测与调整方法。关键词:可编程逻辑控制器(PLC);工业自动化;生产过程优化;控制策略;PID 控制作者简介:张宇(1998),男,江苏淮安人,主要研究方向:电气自动化。1可编程逻辑控制器(PLC)技术概述1.1PLC 的基本原理与组成可编程逻辑控制器(PLC)是一种用于自动化控制的数字化电子设备。其基本原理在于将输入信号通过逻辑运算处理,然后根据程序的要求输出相应的控制信号,以实现自动化控制。PLC 的组成主要包括输入模块、中央处理器(CPU)、存储器和输出模块,如图 1。输入模块用于接收各种传感器和开关的信号
3、,CPU 负责处理相关信号,存储器用于存储程序和数据,而输出模块则将处理后的信号传递给执行器,如电机、阀门等。PLC 的这种基本构成使其适用于多种自动化任务,并且易于编程和调整,因此在工业控制中广泛应用咱1暂。图 1PLC 控制系统组成方框图输入端子输入设备按钮触点行程开关输入接口通信接口扩展接口输出接口CPU电源存储器编程器写入器人机界面计算机其他 PLC总线扩展单元指示灯电磁线圈电磁阀输出端子输出设备PLC1.2PLC 在工业自动化中的应用现状PLC 技术在工业自动化中的应用现状日益广泛。在制造业中,PLC 广泛用于生产线的控制和监测,以实现高效的生产和质量控制。在化工领域,PLC 用于监
4、测和控制复杂的化工过程,确保安全运行。在电力行业,PLC用于电网控制和电力分配。在交通领域,PLC 被用于交通信号控制和智能交通系统咱2暂。PLC 技术的应用不仅提高了生产效率,还降低了人工操作的风险。由于 PLC 系统易于编程和维护,因此在各种工业场景中得到了广泛地推广和应用。它的灵活性使其适用于多种工业自动化需求,包括控制、监测、调节和数据采集等任务。2冶金行业中的特殊需求与挑战2.1高温环境下的控制问题在冶金行业,高温环境是常见的生产条件,这给控制系统提出了独特的挑战。在选择 PLC 系统时,需要考虑其耐高温性能,包括硬件元件和外壳材料的选择。高温环境可能导致设备寿命的缩短,因此在设计中
5、要采用高温抗性材料以确保系统的长期可靠性。性能优化是在高温条件下确保 PLC 系统可靠运行的关键。这可能包括对散热系统的优化,以防止过热,并采用高温环境适用的散热材料。此外,采用温度传感器实时监测关键组件的温度,以便及时采取措施来防止过热引起的故障。在高温环境下的 PLC 系统设计要充分考虑散热和温度监测,以确保系统在极端条件下的稳定运行。2.2冶金工艺中的特殊参数与控制要求冶金工艺中涉及的特殊参数,如炉温和气氛成分,对 PLC 系统的控制提出了更高的要求。在高精度控制方面,PLC 系统需要配备高精度传感器,以准确测量炉温和气氛成分。这可能包括红外温度传感器和气体传感器等先进的测量设备。为了实
6、现精确控制,PLC 系统的控制算法需要更为复杂。采用先进的 PID 控制策略,结合模型预测控制等技术,可以更好地应对特殊参数的波动和变化。此外,考虑到冶金工艺的特殊性,PLC 系统还需要具备实时性强的控制能力,以应对炉温急剧变化和气氛成分的瞬时波动。40第 1 期2.3安全性与可靠性要求在冶金行业,安全性和可靠性是至关重要的,因为工业生产环境涉及高温、高压等潜在危险因素。PLC 系统的硬件和软件设计必须符合相关的安全标准,包括过载保护、紧急停机等安全功能的实现。此外,需要考虑备份系统和冗余设计,以确保即使部分系统出现故障,生产过程也能够安全继续进行。可靠性要求体现在对设备寿命、稳定性和持续运行
7、能力的追求。PLC 系统需要采用高质量的组件,并经过严格的质量控制。定期的系统维护和检修是确保设备长时间可靠运行的重要步骤。在实际操作中,还可以考虑采用远程监测技术,以及智能诊断系统,提前发现潜在故障并进行预防性维护,保障系统的高度可靠性。3生产过程分析与优化方法3.1生产过程流程分析在这个阶段,需要进行工艺流程图的绘制,以清晰地描述生产流程中的各个步骤、设备和材料流动。通过工艺流程图,可以形象化地呈现整个生产过程,有助于工程师和管理人员更好地理解工作流程和交互关系。绘制工艺流程图应包括生产线上的所有主要组件、设备、传感器和控制点。通过正确绘制工艺流程图,可以帮助确定生产过程的整体结构,包括输
8、入、加工和输出,从而为进一步的分析和优化提供了基础。此外,工艺流程图还有助于标识可能的瓶颈、冗余或浪费,以及优化的潜在机会。在生产过程中,通过仔细分析工艺流程图,可以确定哪些步骤或设备对产品质量、生产效率或成本控制起到关键作用。一旦识别出这些节点,就可以有针对性地采取措施,如改进控制策略、提高设备性能或优化资源配置,以最大程度地提高生产过程的效率和质量。石灰工序生产过程不同阶段的关键参数见表 1。表 1石灰工序生产过程不同阶段的关键参数关键参数石灰石粒度20耀50mm进气压力40mbar助燃时间700s炉窑温度800益炉窑压力150mbar热值1800耀2400kcal/m3视觉检测石灰合格率
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