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

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，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98%阶段准备阶段生产阶段检验阶段操作原材料准备生产设备检查石灰石入窑焙烧外观检查质量检查3.2生产过程中的优化方法3.2.1工艺参数调整工艺参数调整是通过实时改变关键参数来实现最佳化生产。这些关键参数可以包括温度、压力、速度、液位、浓度等，它们对生产过程的控制和产品质量起着至关重要的作用。工程师通常使用高级的控制系统，如PID（比例-积分-微分）控制，来监测和调整这些参数，以确保生产过程的稳定性和一致性。例如，在冶金石灰生产工序，通过微调热值和燃烧时间等参数，可以对石灰质量产生显著影响。通过实时监测入窑煤气的流量变化并稳定热值，可以确保每个批次的石灰石在相同的温度下焙烧，从而保持一致的质量。这种精细的调整有助于减少不合格率，提高产量，并确保产品符合质量标准。3.2.2设备性能优化设备性能优化是一项维护和提升生产设备性能的关键策略，其目标在于确保生产设备能够保持最佳工作状态以提高整体生产效率。首先，定期的设备维护是关键的，通过定期检查和维护，可以预防潜在的设备故障，减少因设备故障而引发的停机时间，确保生产线稳定运行。其次，设备升级是另一个重要的方面，通过采用新技术和更高效的设备，企业可以提高生产效率、降低能源消耗和维护成本。最后，设备性能监测利用传感器和监测系统，能够实时监测设备状态，及时检测到潜在问题，以便采取必要的纠正措施，确保设备处于最佳工作状态。4基于 PLC 的控制策略设计4.1控制策略的设计与实现4.1.1状态控制状态控制在冶金行业的应用领域非常广泛，特别是在涉及多阶段工序、温度/压力变化明显的冶炼过程中，采用状态机实现的状态控制策略能够有效管理和优化熔炼工序。比如，状态控制可以涵盖高炉的不同工作状态，如炉前准备、熔铁出铁和停炉待清理等。每个状态都对应着特定的温度、压力和流量要求，并伴随着不同的操作步骤。例如，在熔铁出铁状态下，需要监测高炉内部温度，并确保铁水流动的稳定性，以便于后续铸造工序的顺利进行咱3暂。冶金状态控制的成功实现需要工程师对系统的状态进行精确定义。这涉及深入了解不同工作状态下的参数和特征，并建立状态之间的转换条件。在熔炼过程中，状态的切换可能基于温度、冶炼周期或产品质量等因素。例如，当达到特定温度时，PLC 可自动将高炉状态从预热切换至正常冶炼状态。通过编写精准的 PLC 程序监测和响应这些状态转换条件，系统能够自动执行相应的控制操作，保障熔炼过程的自动化和稳定运行。冶金中的状态控制策略对于确保生产过程的灵活性和效率至关重要。这种控制方式使得系统能够根据不同张宇：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41冶金与材料第 44 卷的冶炼需求和环境变化自动适应，保持高效性和稳定性。通过精细的状态定义和转换条件，PLC 系统能够有效地应对冶炼过程中的多变情况，确保生产的顺利进行。4.1.2逻辑控制在冶金领域，逻辑控制是实现复杂生产流程自动化的关键策略之一。PLC 系统通过逻辑操作符和条件语句的灵活运用，使得工程师能够设计出具备智能响应能力的控制逻辑。例如，通过逻辑控制，可以实现对炉内气体浓度的实时调整，确保在合适的气氛条件下进行冶炼。逻辑控制还可应用于废气处理系统，当监测到废气中有有害成分超过安全标准时，PLC 可以迅速触发空气净化设备以保障工人安全咱4暂。逻辑控制的实施需要工程师对逻辑条件和相应操作的准确定义。在冶金生产中，逻辑条件可能涉及多个传感器的输出，比如温度、浓度、流量等。通过使用 PLC编程语言，工程师能够精确表达这些逻辑条件，并规定在不同条件下需要执行的具体操作。例如，当温度传感器检测到熔炼温度达到预设值时，PLC 可触发冷却系统以维持温度在安全范围内。逻辑控制在冶金自动化中有着广泛的应用，从流程控制到安全系统再到自动化生产线，都离不开它的支持。其灵活性使得系统能够根据不同的输入条件灵活地执行各种操作，从而适应复杂多变的生产环境。在冶金生产中，逻辑控制的成功应用不仅提高了生产效率，还提升了生产系统的智能化水平。4.1.3PID控制PID 控制策略是确保温度、压力和其他关键参数精准控制的重要手段。以炼钢为例，钢铁生产中对炉温的准确控制至关重要。通过 PID 控制器模块，PLC 系统可以实现对炉温的实时监测和调整，确保其稳定在合适的工作范围内。这涉及对 PID 参数的精细调整，以适应炉内燃烧状态的变化。在冶金过程中，特别是在金属熔炼阶段，PID 控制对于维持合适的温度非常关键。通过实时监测温度变化，PID 控制器可以根据当前温度与设定值之间的差异来调整加热或冷却系统的输出，以实现温度的精准控制。在金属熔炼中，不仅需要保持恒定的温度，还需要对温度的变化进行快速响应，以确保生产的稳定性和质量。冶金中的 PID 控制策略在实施时需要工程师深入了解系统的动态特性。通过对冶金工艺的深入分析，工程师可以调整 PID 参数，以适应不同生产阶段的工作条件。例如，在冶金熔炼过程中，PID 参数可能需要根据金属熔点、燃烧热值等因素进行不同程度的调整，以确保系统的响应稳定而快速。PID 控制在冶金中的应用使得生产过程能够更加精准、可控，提高了冶金生产的效率和质量。4.2控制策略的实时监测与调整在工业自动化中，控制策略的实时监测与调整是确保生产过程顺利运行的关键步骤。这一过程涉及对控制系统的连续监测及根据监测结果进行必要的调整，以适应生产环境的变化和波动。实时监测包括对输入信号、输出信号和控制参数的持续监控，以确保它们在设定的范围内。通过监测，工程师可以及时识别潜在的问题，如传感器故障、设备故障或异常操作，从而迅速采取措施来解决问题，减少停机时间和生产中断咱5暂。实时监测还包括性能评估，通过分析控制系统的响应时间、稳定性和误差等指标，工程师可以判断控制系统是否满足预期的性能要求。如果性能未达标，就需要进行控制参数的调整，以改善系统的响应性和稳定性。这种调整可以手动进行，也可以通过自动化算法和优化工具来实现，例如自适应控制算法。实时监测与调整确保了控制策略的持续优化，有助于维持生产过程的高效性、稳定性和质量。5结束语在工业自动化中，基于 PLC 的控制策略设计与实现对于提升生产效率、保证产品质量具有重要作用。通过状态控制、逻辑控制和 PID 控制等策略的灵活应用，可以实现生产过程的精细化管理和优化。同时，实时监测与调整确保了控制系统在不断变化的生产环境中保持高效稳定运行。这些控制策略不仅为企业提升了竞争力，也为工业自动化领域的发展注入了新的活力。参考文献1 吴啸.PLC控制技术在冶金工业自动化中的应用实践 J.进展：科学视界，2021（15）：125-126.2 王志国.基于PLC的电气自动化系统在冶金工业中的应用研究 J.冶金与材料，2023，43（6）：100-102.3 曾攀，江琼.冶金自动化PLC控制系统的设计研究 J.科学与信息化，2023（10）：90-92.4 王勇.PLC在冶金自动化控制中的应用 J.中国金属通报，2022（22）：68-70.5 张佳兴.基于PLC在冶金工业自动化中的应用研究 J.有色矿冶，2023，39（5）：41-43.42