钼粉还原炉辅机控制系统的设计.pdf

钼粉还原炉辅机控制系统的设计 于晓 东 汤 漾平 华 中科技 大学机械科学与工程学院 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 De s ig n o f Co n t r o l Sy s t e m f or As s is t e d Eq u ip me nt o f M o l y bd e nu m Po wd e r Re d uct io n Fu r n a ce YU Xia o d on g TANG Ya ng pin g S ch o o l o f M e ch a n ica l S cie n ce a n d En g in e e r in g Hu a z h o n g Un iv e r s it y o f S cie n ce a n d Te ch n o l o g y W u h a n 4 3 0 0 7 4 C h in a 摘 要 为 了实现钼粉 工 业 生产 的 自动化 设 计 了 基 于西 门子 S 7 3 0 0 P L C的十 四管 还原 炉辅 助机 构 控 制 系统 系统 以 工 业控 制 计 算 机 为人 机 交互 以 P L C为 运 动 控 制核 心 集 成 了温 度 检 测 等 功 能 可 以 实现 钼粉 的 自动化 生产 与监控 系统 已投入 使 用 半年 运行结果证 明了此设计的稳定性和有效性 关 键词 钼 粉 十 四 管 还 原 炉 控 制 系 统 S 7 3 0 0PLC 中图分 类号 T P 2 7 3 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 1 2 2 5 7 2 0 1 4 0 1 0 0 3 4 0 3 Ab s t r a ct I n or d e r t o a u t o ma t e t he indu s t r ia l p r o d u ct i o n o f mo l y b d e n u m p o wd e r a co n t r o 1 s y s t e rn o f a u x i l i a r y e q u ip me n t f o r 1 4一t u b e r e d u ct i o n f ur na ce is de s i gne d which is b a s e d on S7 3 0 0 PLC An in dus t r ia l compu t e r is a pp l ie d a s hu ma n co m p ut e r in t e r a ct io n int e r f a ce PLC a s mot ion con t r o l l e r a n d t he f u nct io n o f t e mpe r a t ur e de t e ct io n is a l s o in t e gr a t e d The s ys t e m ha s b e e n us e d s ucce s s f u l l y f o r ha l f a y e a r whi ch s h o w s t he s t a b il it y a n d e f f e ct i ve ne s s o f t he de s ig n Ke y wo r ds mol y bd e nu m po wde r 1 4 一t u be r e du ct ion f ur na ce con t r o l s y s t e m S7 3 0 0 PLC 0 引言 近年来随着全球经济 的发展 对于原材料特别 是稀有金属的需求量越来越大 而钼粉在稀有金属 中占有相当的比例 目前工业生产中广泛使用的是 十四管还原炉 它实现了煅烧 还原过程一次完成 收稿 日期 2 0 1 3一O 9 一O 9 3 4 十四管还原炉的普及不但提高 了 自动化 的程度 而 且 明显改善 了钼粉生产的质量 1 尽管如此 十四 管还原炉在工业生产 中仍然存在着对于人工依赖过 大的弊端 由于还原反应需要在高温条件下进行 这导致操作间现场 的温度极高 经常在 5 0 以上 在夏季甚至会达到 6 0 这对工人 的健康极 为不 利 另外 由于钼粉是重金属 在操作的过程 中难免 会产生粉尘 钼粉颗粒 这 同样会危 害到操作人员 的身体 针对这一现状 提出了以可编程控制器 为核心的 自动化辅机 实现 了整个流程现场无需人 工干预 同时对钼粉还原炉各项参数进行监控 保 证 了生 产 的安 全性 1钼 粉 还 原 流 程 设计钼粉还原炉辅机的主要 目的是降低钼粉生 产 中对于人工的依赖 因此 有必要对还原钼粉的人 工操作流程做简单介绍 如 图 1所示 图 1 钼粉 还 原 人工 操 作 流程 a 还原完成 的时候 需要人工操作控制按钮 以 切断氢气 等待数秒钟之后炉 内氢气压力平衡 操 作人员操作控制按钮以打开炉门 并迅速用料钩将 舟皿拉 出 之后迅 速关 闭炉 门 b 为了提高生产效率 十四管钼粉还原炉采用 机 械 与 电子 2 0 1 4 1 粉还原炉辅 机控 制系统的 了双层舟皿 将舟皿勾 出之后需要将双层舟皿进行 分离 C 对还原得到的钼粉进行收集 d 清扫舟皿 e 清扫完毕后 操作人员将 空的舟皿运往 加料 处 人 工进 行称 料 和装 料 f 在装料完毕之后需要对原料表面进行刮平以 使原料装载均匀 这样可以达到更好的还原效果 g 将 2个加料完毕的舟皿进行堆叠 之后 运送 到 炉 门人 口处 h 打开炉门前切 断氢气源 待数秒钟气压平稳 后打开炉门 将舟皿放人炉 口 操作推舟气缸将舟皿 推人炉内并关 闭炉门 通氢气 整个作业流程完毕 整个人工操作流程都在高温 5 0 左右 环境 中进行 加上操作人员难免会 吸入含有重金属钼的 粉尘 这些都对操作人员的身体健康造成 了极大的 危害 因此 提出一种方案 在不改变工艺流程的情 况下 用 自动化设备取代上面提到的人工操作 实现 自动化 生产 2 控 制 系统 的设 计 自动控制系统主要 由工业控制计算机 可编程 控制器 P L C 数据采集 卡以及生产线上的控制元 件组成 如图 2 所示 工业控制 计算机 鐾 I 票 数据 采集 处理 可编 程控 制器 图 2控制系统结构 工 业控 制计 算机 对 整个钼 粉还 原过 程进 行跟 踪 和控制 工业控制计算机接收数据采集卡的信号 并依据得到的信号判断还原过程是否正常 如不正 常则立刻报警 工业控制计算机与 P L C之间进行通 信 通过设 置 P L C参 数对还 原过程进行 控制 同 时 工业控制计算机还需要完成整个系统的管理 协 调各个子系统之间的关系 可编程控制器 是运动机 构 的控制核 心 P L C 接收工业控制计算机 的参数 同时检测位置开关量 机 械 与 电子 2 0 1 4 1 通过 I O 口控制相应 电机驱动或者 电磁阀的工作 状 态 数据采集卡采用 A D采集 将模拟量转化为数 字量传送给工业控制计算 机 以帮助其检测设备运 行情况 生产线 上的控制元件包括伺服驱动 步进 电机 驱动和气缸 的电磁 阀等 这些元件接 收来 自 P L C 的信号并最终驱动执行机构 电机 气缸等 2 1 P L C的选 型 当用 P L C作为控 制核心 时 P L C的选 型就变 得非常重要 一方 面 需要估算 P L C的容量 特别 是 I O接 口数量的估算 以及存储器容量 的估算 另 一 方面 需要选择 P L C的生产商 因为不 同的生产 商需要配置不同的电源 模块 以及其他外围设备 2 1 1 I O 点 的估 算 估算 I O点的时候应该 考虑被控制 对象的输 入和输出信号的总点数 考虑以后 的调整和扩充 一 般加入 2 O 的备用量 本项 目中共有 1 3 6个输 入点 7 6个输出点 故选用 2 5 6个 I O接 口的 P L C 比较合适 为了保险起见 P L C应该具有模块扩充 的功 能 2 1 2存 储 器容 量的 估算 一 般来说 用户应用程序 占用多少 内存与许 多 因素相关 如 I O点数 控制方法和程序结构等 但 是依旧可以根据经验进行粗略的估算 如表 1 所示 表 1 P L C所需存储字数估算经 验参考 系统共有输入点 1 3 6个 输出点 7 6 个 计时器 计数器 2 个 通讯接 口 2个 由表 1可 以估算 出需 要 2 7 5 0个存储字数 同时还要考虑 2 0 9 6 左右 的备 用量 所 以选用 了 1 2 8 KB的存储器 远远大 于所 需要的最低存储字数 这样做是为了方便 以后项 目 的扩展或者程序的升级 2 1 3 P L C 生产 商的选 择 根据要求选择 了西 门子 S 7 3 0 0型号 的 P L C 其模块化结构 易于实 现分布式 的配置 以及性价 比 高 电磁兼容性强 抗震动冲击性 能好 使其在广泛 的工业控制领域 中 成 为一种既经济又切合实 际的 解决方案L 3 3 5 一一一一 一 一一一一一一一 P L C型号定为标准型 C P U3 1 4 无集成 I O点 可连接 3个扩展机架 每个扩 展机架可安装 8个模 块 因此 P L C最 大 的 I O点数 为 1 0 2 4 2 2主控 制 电路 主控制 电气 原理 如 图 3所 示 对 于西 门子 S 7 3 0 0的每个模块 都需要 1 个 2 4 VD C的电源 如果 电源 的要求 超 出 了 C P U 模 块 2 4 VD C 电源 的容量 则需要额外增加 1个电源提供给扩展模块 2个 电源只能有 1个连接点 并且为 了更好地消除电磁 干扰 需要将 2个电源 共地 P L C采集现场的开关量 如按钮 接近开关 和 磁性开关 并将其经过处理输出电平信号 根据前 文所述 系统 中共有 1 3 6 个输入点 再加上一定的系 统备用量 系统扩展 了 5个 3 2点的开关量输 人模 块 输出点共有 7 6个 系统扩展了 3个 3 2点 的开关 量输出模块 除此之外 P L C还需要与工业控制计算机进行 通信 两者之间的通信采用 RS 4 8 5通信协议 图 3主 控 制 电气 原 理 3 控制 系统 P L C软件设计 在钼粉还原系统的运动控制 中采用 2种控制方 案 时间控制策 略和动态识别控制策 略 时间控制 策略就是系统 中机构的动作按照时间进行控制 比 如在判定是否应该进 出料 的时候 是通过还原工艺 中的还原时间进行判定的 如果还原时间到 则可使 舟 皿 出炉 动态识别控制策略就是在动作执行 的过程中进 行动态监测 比如在用 自动化设备代替人工进行舟 皿分离 倒料 清扫 加料 刮平和舟皿叠加等工序的 3 6 时候 当每一个工序完成 P L C都会收到 1个开关 信号 标志着上一个工序 已经完成 如果其中某一 个工序时间超出设定时间 则判定在此工序时间出 现错误 P L C发出报警信号 控制 系统流程如图 4 所 示 系统 自检 正常 l 等待 到 Y N 启动系统 出炉 N 报警并故障诊断 过 程 是 否 蕉 直 直 立 再 面 备 丌 图 4运 动 控 制 系统 流程 4 结束 语 目前 国内的钼粉还原生产还停 留在人工操作 的阶段 过于依赖于人工不但使得生产效率低下 对操作人员的身体伤害更是非常严重 本项 目的完 成 首先降低 了工人的劳动强度 使他们远离对人体 有害的环境 更重要的还可以改善还原质量 提高生 产效率 对于钼粉还原工业有着重要的意义 参 考文献 E l l 付静 波 赵 宝华 国内外钼 工业 发 展现 状 J 稀有 金 属 2 0 0 7 3 2 6 1 5 1 1 5 4 2 1