高炉防灌渣自动控制系统设计.doc

第 I 页 摘 要 随着自动化技术获得了惊人的成就 其逐渐在工业生产和科学发展中起着关键的 作用 生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志 本论文以两高炉供风系统的拨风装置及其自动控制系统研究与开发为论文选题 设置拨风系统的目的是 一台风机出现故障断风情况时 利用拨风系统将正在向其它 高炉供风的风机的供风量调拨一部分供给故障停风的高炉 以保证该故障风机所供 风的高炉不致灌渣 而维持该高炉的极限生产 本文首先在前言部分介绍了设计的内容 要求 设计的总体思想及设计的效果 随后对拨风系统的概况 工艺流程进行了概述 在此基础上详细介绍了拨风自动控 制系统的控制方案以及PLC在拨风控制系统中的应用 包括了检测控制原理和流程图 控制系统介绍 原理综述以及硬件的选型 阐述了PLC在工业领域的应用情况 介绍 了西门子PLC S7 200的相关知识 给出了PLC的硬件组态和软件编程 对控制系统 的运行进行了监控并给出了监控界面 设计基本能过达到工业生产的要求 达到了 本次毕业设计的目的 关键词关键词 高炉 PLC 拨风控制系统 第 II 页 Abstract Acquired the astonishing achievement along with the automation technique it gradually plays a key function in the industry and development of science The automation of production line has become an important marking of the modernization level to measure the industry business enterprise The present paper dials the wind installment and the automatic control system research and the development take two blast furnaces for the wind system as the paper selected topic The establishment dials the wind system s goal is An air blower appears when the breakdown breaks the wind situation the use dials the wind system to other blast furnaces for the wind air blower for the amount of wind to instigate a part of supplies breakdown blasting the blast furnace guaranteed that this breakdown air blower supplies the wind the blast furnace not to send fills the dregs but maintains this blast furnace s limit production This article first introduced the design content the request in the foreword part the design overall thought and the design effect Afterward to dialed the wind system s survey the technical process to carry on the outline Based on this introduced in detail dials the wind automatic control system s control plan as well as PLC in dials in the wind control system s application has included the examination control principle and the flow chart the control system introduction the principle summary as well as hardware s shaping Elaborated PLC in industrial field s application situation introduced the Simens PLC S7 200 related knowledge has given the PLC hardware configuration and the software programming carried on to control system s movement has monitored and has given the monitoring contact surface Designs basically can achieve the industrial production the request has served this graduation project purpose KEYWORDS KEYWORDS BLAST FURNACE PLC AIR INTAKE CONTROL SYSTEM 第 I 页 目录 0 引言 1 1 绪论 3 1 1 高炉炼铁工艺简介 3 1 2 高炉供风系统的概述 4 1 3 本论文选题的背景及意义 5 1 4 本论文完成的主要工作 6 2 拨风控制装置及拨风系统的设计 7 2 1 拨风装置的原理设计 7 2 2 拨风系统的设计 9 2 3 拨风装置计算机控制逻辑条件的确定及检测点分布 10 2 4 拨风装置计算机控制逻辑的设计 12 2 5 拨风管道与阀门的设计选择 13 3 拨风控制系统硬件组成 16 3 1 可编程控制器概述 16 3 1 1 PLC 的特点 16 3 1 2 PLC 的一般结构 18 3 1 3 PLC 的工作原理及 PLC 的工作方式 20 3 1 4 S7 200 系列 PLC 简介 21 3 1 5 西门子 S7 200 的 CPU224 型 PLC 22 3 2 PLC 的选型 23 3 2 1 PLC 性能指标 23 3 2 2 需要控制的输入输出量 I O 分析配置 25 3 2 3 PLC 的选型 25 3 3 应用力控组态软件制作拨风控制画面 25 3 3 1 工程简介 25 第 II 页 3 3 2 定义 I O 设备 26 3 3 3 创建实时数据库 28 3 3 4 制作动画连接 30 3 4 设备选型及系统背面接线图 31 3 4 1 器件的选择 31 3 4 2 系统设计整体接线图 32 结 束 语 33 谢 辞 34 参考文献 35 第 1 页 共 36 页 0 0 引言引言 随着课程的进度 我们开始了学业的最后部分 毕业设计 经过了四年时间 的学习 在老师的教导下 我们已经具备了一定基础 为了能够将所学联系起来 较好的应用到生产当中去 我们就需要在毕业设计中好好的锻炼自己 在毕业设计中 我选择了这样一个题目就是为了能较好的锻炼自己的应用能力以及分析问题 解决 问题的能力 本设计的题目为基于S7 200实现拨风系统的自动控制 为工程类项目 冶金行 业有句俗话 有风就有铁 这句话形象地反映了高炉鼓风生产在高炉冶炼过程中的 重要作用 因此高炉鼓风系统的安全供风对高炉冶炼环节的安全稳定运行具有不容 质疑的特殊意义 同时也毫无选择地使鼓风生产承受了巨大的压力 高炉鼓风机是 向炼铁厂高炉供应冶炼所需冷风 氧气 的气体压缩机械 如果高炉的冷风供应系 统工作稳定可靠 可满足高炉顶压需求 则高炉利用系数将会增加 即高炉将会稳 产和高产 如果向高炉供应的冷风由于供风系统的突发故障或误操作 而发生突发 性和不可预见性的突然中断 将造成风口灌渣的严重事故 还将会给企业造成巨大 经济损失 并还会使高炉本身严重损伤 更有甚者 如果因风机停机引起高炉煤气 倒流发生爆炸 将直接威胁人身和设备的安全 因此 保证高炉供风系统能稳定地 向高炉供风是高炉正常 安全 稳定生产的前提 在某一台风机出现故障时 如果我们可以设计一个控制系统 使得可以及时地 从另一台风机的送风母管中拨出一定量的风 填充到故障风机的送风母管中 既能 保证断风高炉不被灌渣 而又不会对另一座高炉产生太大影响 那钢铁企业无疑会 减少很多不必要的损失 这就是设计拨风控制系统的初衷 本设计用力控组态软件制作拨风控制画面 通过上位机对现场进行实时操作和 监控 可以使工业控制更加安全 有效 下位机采用西门子S7 200可编程控制器 它采用了可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制定时和算 术运算等操作的指令 并通过数字式和模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械 或生产过程 可编程控制器及其有关外围设备易于与工业控制系统联成一个整体 易于扩充其功能的设计 可编程控制器对用户来说是一种无触点设备 改变程序即 可改变生产工艺 因此可在初步设计阶段选用可编程控制器 在实施阶段再确定工 艺过程 另一方面从制造生产可编程控制器的厂商角度看 在制造阶段不需要根据 第 2 页 共 36 页 用户的订货要求专门设计控制器适合批量生产 由于这些特点 可编程控制器问世 以后很快受到工业控制界的欢迎并得到迅速的发展 目前可编程控制器已成为工厂 自动化的强有力工具 得到了广泛的普及推广应用 第 3 页 共 36 页 1 绪论 1 1 高炉炼铁工艺简介 图 1 高炉生产示意图 1 料仓 2 斜桥 3 高炉本体 4 渣罐 5 铁水罐 6 除尘装置 7 净煤气总管 8 热风炉 9 烟窗 10 鼓风机 11 煤粉喷吹设备 12 喷油设备 高炉炼铁分为七大系统 1 1 高炉本体 它是高炉炼铁的主要设备 铁矿石的还原是在此进行的 它包括 高炉基础 炉壳 炉衬 和冷却设备等 它是由耐火材料砌筑的竖立式圆筒 形炉体 最外层有钢铁板制成的炉壳 在炉壳和耐火材料之间有冷却设备 2 上料系统 要求上料系统能及时 准确 稳定地将合格的炉料送上高炉炉顶 以满足高炉冶炼的要求 上料系统主要包括储矿槽 焦仓 槽下筛分设备 称量设备和运输设备等 3 炉顶装料系统 其任务是满足高炉布料的要求 而且要求密封效果好 现代 高炉炉顶装料设备分为 钟式炉顶和无钟炉顶等 4 送风系统 其主要任务是连续可靠地供给高炉冶炼所需数量和温度的热风 送风系统主要包括 冷风机 热风炉 助燃风机 风口装置 管道及各种阀 门等 5 除尘系统 其主要任务是回收高炉煤气 清除高炉煤气中的粉尘 以满足用 户对煤气的要求 除尘方法为干式除尘和湿式除尘 6 渣铁处理系统 要求及时处理高炉排放出的炉渣和生铁 保证高炉生产正常 第 4 页 共 36 页 运行 渣铁处理系统主要包括 炉前工作平台 开铁口机 泥炮 堵渣机 主沟 渣铁分离器 支沟 上渣沟 下渣沟 水渣池 和干渣坑等 7 喷吹系统 目前国内高炉以喷煤为主 其任务是喷入高炉所需的燃料 以替 代部分焦炭 降低焦炭消耗 降低生铁成本 喷吹系统主要包括 制粉车间 和喷吹站等 1 2 高炉供风系统的概述 在冶金企业中 高炉鼓风机是将空气加压后向炼铁厂高炉供应冶炼所必须冷风 氧气 的气体压缩机械 常用的高炉鼓风机有三种类型 固定静叶角度轴流式鼓风机 带有中间冷却器的 多级离心式鼓风机 可调静叶角度轴流式鼓风机高炉鼓风机的驱动装置多选用变转 速汽轮机 纯凝式或抽凝式 或同步电机 也有采用定转速汽轮机及小功率异步电机 的机组 高炉供风统的结构主要有两种 单机单炉制和母管制 单机单炉制即一台鼓风 机单独对应一座高炉母管制 即通过阀门切换控制实现任意一台风机可以给任意一 座高炉供风的形式 采用母管制在供风选择上可以更加灵活 更能适应大型冶金企 业的设备检修和正常生产的需要 高炉鼓风机所送出的冷风主要用于高炉冶炼 高炉鼓风机所产生的压缩空气通 过几十个风口进入高炉炉膛内 提供冶炼所需要的氧气 同时具有一定的风压 用 于克服送风阻力和料柱阻力 并维持一定的炉顶压力 在高炉内 冷风通过热风炉 被加热到1000 以上形成热风 使铁矿石 焦炭 石灰石三种原料进行充分的还原 反应 生成铁水并产生炉渣 沉入炉缸内 到一定的时间 利用炉渣比重轻于铁水 分别出铁水和炉渣一次 如果未到出铁时间 由于鼓风机出现故障而停止送风时 将导致冷风压力急剧下降 未分离的铁水和炉渣的混合物将下沉灌入风口并凝结 即为风口灌渣 尤其在高炉即将出铁前 或出铁后40分钟后 风机突然停风往往导 致高炉风口 直吹管 弯头大灌渣等重大生产事故 一旦风口灌渣 处理一次灌渣 事故约10多个小时 加L高炉恢复正常的时间 以及恢复风口的费用 将使企业产生 重大损失 高炉供风系统的供风是否正常将直接影响高炉的正常生产 如果冷风供应系统 可靠 满足高炉顶压需求 那么高炉利用系数将增加 高炉将稳产 高产 第 5 页 共 36 页 如果高炉供风系统工作失常 即向高炉供应的冷风由于事故突然中断 那么高 炉必将发生风口灌渣的严重事故 给企业造成巨大损失 并对高炉木身产生很大的 损伤 因此对高炉供风系统工作的可靠性要求较高 2 1 3 本论文选题的背景及意义 随着经济的发展和国内外冶炼技术的不断进步 炼铁厂的高炉不断向着大型化 现代化方向发展 而担负着向高炉送风任务的鼓风机也同样向电动化 自动化方向 发展 其控制系统大多数由原来的电气控制系统发展为计算机集散控制系统 由此 可见 高炉鼓风机的控制系统日趋复杂 停机保护由原来的四 五个参数发展到现 在的十几个 因此 紧急故障或误动作停机特别是误动作停机时有发生 即使是引进 的机组也未能很好的解决这一问题 由于这种停机一般都具有突发性和不可预见性 所以停机往往会造成高炉灌渣的严重事故 这样就会严重影响高炉的安全生产 造 成较大的经济损失 更有甚者 如果因风机停机引起高炉煤气倒流发生爆炸 将直接 威胁人身和设备的安全 这一问题全国各大钢厂都不同程度的存在着 如何解决这 一问题 是摆在我们面前的一道难题 据统计 包钢在拥有四座高炉的情况下 由于风机故障造成高炉灌渣的事故 平均一年大概有8起左右 这对公司的生产造成了巨大的经济损失 而且对公司每年 的正常组产也制造了很大障碍 3 为尽量减少和避免由于风机故障而造成的高炉灌渣事故 本论文选择了两高炉 鼓风机供风系统拨风装置及其自动控制系统研究与开发为论文选题 设置拨风系统的目的就是 当一台风机出现风机故障断风情况时 利用拨风系 统将正在向其它高炉供风的风机的供风量调拨一部分供给故障停风的高炉 以保证 该故障风机所供风的高炉不致灌渣 而维持该高炉的极限生产 所选高炉鼓风机基本技术参数表 表1 表1 所选高炉鼓风机基本技术参数表 编号原动 装置 产地形式型号转速 转 分 吸风量 m3 min 排风压力 Mpa 1 6000 风机 气轮 机 瑞士静叶可调 轴流式 VAS 9018 3350 3 8605765 0 46 绝 第 6 页 共 36 页 23 5500 风机 气轮 机 捷克静叶可调 轴流式 12AVA9 9B 3000 3 7005000 0 44 绝 1 本论文完成的主要工作 本文是结合针对钢铁厂的生产实际中存在的高炉灌渣事故而设计的拨风控制系 统 采用PLC和力控组态软件对其生产过程进行自动化控制 提出以开放式体系结构 的组态软件为开发工具 设计形象直观 实时有效的人机接口 实现画面 信息 控制理论的集中组态与管理 控制分散的过程控制系统 第 7 页 共 36 页 2 拨风控制装置及拨风系统的设计 2 1 拨风装置的原理设计 在冶金企业中 高炉供风系统是非常重要的系统 高炉供风系统的可靠性直接 影响高炉的正常生产 当运行的风机突然发生故障紧急停机时 如果此时正处在高 炉出铁前 则会引起高炉风口灌渣的恶性事故 高炉被迫紧急休风 然后 更换被 灌渣的风口 风管等送风装置 需要8至16h 经过一至三天的炉况恢复 高炉才能 恢复正常生产 如果因风机跳闸引起高炉煤气倒流发生爆炸 则直接威胁人身和设 备安全 4 由于风机故障停机往往具有突然性和不可预见性 一般在几十秒钟之内就会使 风压降至0 1M pa以下 而汽轮鼓风机的启动 从启动到正常需时90分钟左右 所以 不可能预先采取开启备用机等有效措施来防止高炉断风 为避免高炉灌渣的恶性事 故 结合钢厂的实际 我决定在两座高炉供风管道之间设计拨风装置 对所增设的 拨风装置既要保证动作的灵敏性 又要确保供风的可靠性 最终达到既保护高炉 又能使鼓风机安全运行的目的 本章针对钢厂高炉供风系统的实际情况 对拨风装置的原理及拨风系统进行设 计 并对拨风管道与阀门的设计与选择进行了讨论最后对如何控制拨风量进行了详 细的论述 钢铁厂共有2座大型高炉 其中1 高炉容量为2200 m3 2 高炉容量为1513 m3 热 电厂共有2台高炉鼓风机 1 鼓风机为6000 m3 min 2 鼓风机为5500 m3 min 具体 参数见表1 根据我们对高炉正常运行时工况的统计 目前各高炉的正常运行时所需冷风情 况如表2 表2 各高炉的正常运行时所需冷风情况 风量 m3 min 高炉 高炉侧风机吸入风量 风 压 Mpa 表压力 1 425047000 32 2 420048000 326 通过表1 表2我们可以看出 在正常情况下 1 2 风机的出力都能满足彼此 第 8 页 共 36 页 的需求 所以 在其中任意一台风机出现故障的情况下 另一台都能为其拨风 1 拨风装置工作原理设计 我所设计的拨风装置结构是在送风管道之间 安装一条联络管道 并在其上安 装三个阀门 左右两侧为电动蝶阀 该阀不参与拨风控制 正常处于开启状态 在进 行拨风阀检修或试验时 两侧的电动蝶阀关闭 中间为快速开启拨风阀 正常处于 关闭状态 当风机故障停机时拨风阀迅速开启 此装置的结构见图2 图 2 拨风装置结构图 其工作原理可概括如下 在多台机组正常运行时 如果其中一台发生故障停机 则由正常运行的某一台高炉鼓风机将送出的风拨一部分而替代事故鼓风机向高炉供 应一定的风量 维持其极限生产 以确保该座高炉不会因断风而发生灌渣事故 2 使用拨风装置避免高炉灌渣的论证 l 在正常的生产中 两台鼓风机为两座高炉供风 两台风机不可能同时故障停 机 2 对于高炉炉容为2200立方米及以下的高炉 要避免高炉灌渣 根据炼铁高炉 冶炼工艺专业技术人员提出的要求 必须满足以下三个条件 a 高炉在10秒钟以内复风 b 入炉风量不得小于1200 m3 min c 入炉风压大于等于 0 12Mpa 这三个条件为 与 条件 即必须同时满足才能保证正常运行的高炉避免灌渣 在实际运行中 其中一台高炉鼓风机发生故障时 由于供风管道容积较大 入 第 9 页 共 36 页 炉风压下降至0 12Mpa尚需一定时间 因此只要我们所选择的拨风阀 快切阀 能够在 一定的时间内打开给系统充压 就可以保证入炉风压大于等于0 12Mpa 风机在正常 运行时吸入风量一般为4500 m3 min以上 折算到0 12Mpa风压所对应的风量为3060 m3 min 即使拨出1200 m3 min的风 剩下的冷风依然可以基本满足原高炉的生产需 要 综上所述 如果设计合理 使用拨风装置既可以保证事故高炉不灌渣 又可以 保证原授风高炉的极限生产 也就是说上述拨风原理可行 2 2 拨风系统的设计 鼓风车间管道布置较为集中 根据实际现场工艺情况 我决定在鼓风车间高炉 冷风供出管道上施工 安装拨风装置 实施所设计的拨风系统 根据两台高炉鼓风机的配置及其供风能力的介绍 以及两座高炉的炉容量和正 常运行时对冷风的需求等情况 在正常生产工况下 1 2 风机分别独立给1 2 两 座高炉供风 若出现故障 两座风机可以互相拨风以维持极限生产 增设了拨风装 置的系统图如图3 第 10 页 共 36 页 图 3 增设了播风控制系统的鼓风机供风系统图 图中 V12表示1 高炉送风母管与2 高炉送风母管之间的拨风阀 V12A V12B表 示拨风阀两侧的电动蝶阀 系统中 V12这个拨风阀为快速开启阀 设开 关 停三 个位置 动作时间小于10秒 正常工作时处于全关位置 可以分别在控制室内实行 远程操作和在阀门旁实行就地操作 V12A V12B这两个关断阀 设开 关 停三个 工作状态 系统正常工作时依据所要控制的冷风流量将阀门锁定在指定开度位置 在拨风阀动作后 该开度将保证所需要的冷风流量通过 系统正常工作时 为防止 误操作 而将开 关操作电源拉掉 这样我们就可以根据高炉及风机生产实际情况的需求使拨风阀V12动作 以满足 在某一风机故障时 将预定的某一正常运行的风机给故障风机所对应的高炉拨一部 分风 来满足该高炉的极限生产 保证该座高炉不灌渣 5 2 3 拨风装置计算机控制逻辑条件的确定及检测点分布 拨风装置计算机自动控制的目的就是要根据运行参数及时准确地判断高炉供风 系统是否出现故障 并根据实际供风情况 选择某一风机为发生供风故障的高炉拨 风 根据拨风装置及拨风系统要求 我们对拨风控制逻辑条件作了如下设计 6 7 1 判断高炉供风出现故障的条件 正常运行的高炉一定有一台风机为其正常供风 而且所供应的冷风要具备一定 的参数 也就是说冷风的风量 风压要达到一定的数值 这样高炉才能够正常生产 如果说为其供风的风机出现故障 那么该风机所供出的冷风的风量 风压就要下降 也就意味着高炉的供风出现了故障 由于高炉鼓风机都是由汽轮机所拖动 而鼓风 机故障的联动条件就是汽轮机主汽门关闭 因此我们可以把汽轮机主气门关闭这个 信号作为风机故障 也即冷风供应失常的判断条件 另外在正常工作情况下 如果 高炉冷风供应正常 那么送风管道上的风压应正常 所以我们也可以把风压值作为 判断冷风是否供应正常的条件 通过前文我们已经知道 要避免高炉灌渣 入炉风 压要大于等于0 12Mpa 考虑到安全裕量 我们将风压值定为0 15 Mpa作为判定冷风 供应失常的极限条件 为防止误信号 在送风管道上我们取两个压力信号作为送风 管道压力低的判断条件 这两个压力信号为 与 条件 即这两个压力信号同时低 于0 15 MPa时 才能发出送风管道压力低的冷风供应失常的信号 第 11 页 共 36 页 综上所述在本设计中拨风阀动作信号取自1 2 汽轮鼓风机主气门关闭信号及 与之相对应1 2 高炉送风管道风压低信号 这2个信号为 或 的关系 当汽轮鼓 风机停机即相应的汽轮机主气门关闭或送风管道压力低于0 15MPa时 相应的拨风阀 快速开启 并发出报警信号 图4 检测控制系统结构图 2 作为风源的被拨风风机及其所对应的高炉应具备的条件 1 根据第三章第四节的计算 我们知道要以一台风机同时保证两座高炉的极限 生产 风机的吸入风量要达到3600 m3 min以上 为减少对原授风高炉的影响 我们 决定作为风源的被拨风风机要处于正常工作状态 即定风量 定风压或定转速定角度 三种正常工作状态之一 而且其吸入风量要达到4000 m3 min以上 风机出口风压 达到0 25 MPa以上 才允许拨风 这2个条件为 与 的关系 否则不允许拨风 2 当被拨风高炉处于正常工作状态时 该风机可以给其它高炉拨风 当被拨风 高炉处于休风状态时 该风机不能给其它高炉拨风 第 12 页 共 36 页 3 当鼓风机正常检修时 该风机也不能给其它高炉拨风 3 检测点分布 根据前面所述 在送往1 2 高炉的送风管线上分别设有4个压力测点 每座高 炉送风压力管线上设2个测点 这就需要4台压力变送器 在图纸上的具体编号 PT101 PT102 PT201 PT202 具体位置见检测控制系统结构图4 2 4 拨风装置计算机控制逻辑的设计 由于实际的供风系统比较简单 其计算得知如若鼓风机出现故障 任意一台风机 都可实现对另一座高炉的供风 拨风阀的开启 停止 关闭输出都为脉冲信号 在 实际的生产过程中 被选中的拨风阀在计算机自动控制方式下 只要满足拨风动作 条件 系统就迅速输出开启信号来开启拨风阀 出于安全性考虑 自动控制拨风阀动作后 计算机不能自动关闭拨风阀 只有 当鼓风机故障消除并重新启动投入供风后 由操作人员通过软手操或在现场将阀关 回 而且操作人员可手动干预拨风系统的工作顺序 当某座高炉的供风出现故障时 具备拨风条件的拨风阀动作之后 原授风高炉 和被拨风的高炉不能再给其它高炉拨风 直到供风故障消除 两座高炉都恢复了正 常生产之后 它们才可以再给其它供风故障高炉拨风 根据这些原则 我们就可以对拨风装置的计算机控制逻辑进行设计 首先 我们要定义某座风机及其所对应的高炉在正常生产中由于供风系统出现 故障而需要拨风的条件 在正常生产中当某台运行风机及其对应的高炉的供风系统 出现故障 即该风机主汽门关闭信号发出或所对应的高炉风压小于0 15MPa 且该高 炉不是处于检修或休风状态时 则该高炉需拨风 也就是说该高炉具备了申请拨风 的条件 第二 作为风源的风机应具备的条件 作为风源的被拨风风机其吸入风量达到 4000m3 min以上 且该风机出口风压达到0 25 MPa以上 并且所对应的高炉不是处 于休风或检修状态 则该风机具备了为其他故障风机拨风的条件 拨风计算机自动控制流程如图5所示 第 13 页 共 36 页 图 5 拨风控制流程图 2 5 拨风管道与阀门的设计选择 1 拨风管道的设计 8 我们选用D630 X 8螺旋卷焊钢管作为拨风管道联通管 管子表面不得有裂缝 结疤 毛刺 压痕和深的划痕存在 氧化铁皮 毛刺等必须清除 管道采用焊接连接 管子焊缝不得有以下缺陷 1 焊缝高度 宽度不均匀 2 夹渣 气孔 裂纹等 3 焊缝表面应光滑 不允许有飞边和尖角 4 焊缝进行5 射线探伤 为减少拨风管系对原有送风管道的推力 我采用了两个SPT6 600型旁通式直管 压力平衡型补偿器 要求补偿器轴向刚度小于350N m m 在安装时 必须防止其损 坏 如压痕 划伤 引弧和焊接飞溅物 焊接管道时 应用无氯湿石棉保护 拨风管道结构示意图如下图6 第 14 页 共 36 页 图6 拨风管道结构示意图 2 拨风阀门的选择 在此项设计中 工作介质为空气 介质温度为180 260 之间 而且在工艺上 严格要求阀门的严密性 以防各高炉之间的窜风 从而保证各座高炉的安全生产 因此拨风阀的选择极为关键 通常所涉及的系统较多 因而所使用的阀门也较多 尤其是在风系统上使用的 阀门 常常由于质量不过关而发生卡涩现象 如果这个阀门为两座高炉冷风管道之 间的连通阀门 例如拨风阀 这样在检修故障阀门时常常最少要涉及两座高炉和两 台风机 就会严重影响高炉的生产 因此风系统阀门的选择非常重要 以往在送往 各高炉的配风门上 我们使用最多的是闸阀 其优点是关闭严密 但其缺点是开关 时间太长 而且需要旁路门 这样就会使系统史加复杂 维护起来更加麻烦 随着 阀门制造工艺水平的提高 蝶阀以其开度线性好 密封严 维护简便逐渐成为我们 的首选 通过技术及经济性比较 我选用德国阿达姆斯生产的MAK双向零泄漏三偏心硬密 封电动快启蝶阀 在结构上 其三偏心斜置锥形基座密封系统中 轴与阀体中心线 相对偏心 轴与阀板平面相对偏心 蝶板相对阀体斜置 轴与圆锥形密封基座中心线 相对偏心 而最重要的一点 该阀门全开可在6秒之内完成 完全符合炼铁工艺所提出的10 秒内给系统充压的需求 由于需要该阀具有快速开启的功能 因此 对于阀门的执行机构也有特殊的要 求 另一方面 在本拨风系统中 要实现阀门的计算机自动控制 执行机构是控制 第 15 页 共 36 页 系统不可缺少的组成部分 它的作用是接收计算机发出的控制信号 并把它转换成 调整机构的动作 因此各拨风阀门执行机构的功能与技术指标直接关系到自动控制 的成功与否 执行机构分为气动 电动 液压三种类型 气动执行机构的特点是结构简单 价格低 防火防爆 但其缺点是需要较高压力的气体作为原动力 因此需设外部系 统 系统结构复杂 维护量大 液压执行机构的特点是推力大 精度高 以其开关 快捷 准确 时间短而在很多重要部位使用 例如我厂高炉鼓风机组的防喘振阀门 基本选用此种阀门 其全开时间在3秒之内 但是由于其为液压控制阀 需要液压介 质和油泵 这样造价比较高 而且又附加了许多设备 维护工作量大 电动执行机 构的特点是体积小 种类多 使用方便 而且附属设备少 维护起来比较简单 因此在满足拨风系统6 8秒全开的工艺要求下 我们选择了Rotork 1Q型执行机 构 该执行机构有很多优点 可以满足拨风系统计算机自动控制所需要的功能 1 该执行器具有现场 停止 远程操作选择器 2 该执行器可在接线完成后 不必打开电气端盖即可进行调整 用红外线设定 器可实现力矩 限位以及其他功能的设定 3 IQ执行器带有一个可接受4个辅助输入 AUXI A11X4 的装置 用于对带有 Modbus模块 并需增加远程控制或数字辅助输入的控制和反馈功能的执行器 也可 同时提供远程控制和无源输入信号 在PF功能下显示的十六进制数字可以被认为是 一个 软件掩码 这个掩码可以告诉Modbus模块所期望的输入形式 控制或输入 信号 以及输入触点的形式 即常开或常闭 所以通过技术性能和经济性比较 我们选择德国阿达姆斯生产的MAK双向零泄漏 三偏心硬密封电动快启蝶阀作为拨风阀 在拨风系统使用过程中 拨风阀处于全开或全关状态 而两边不参与控制的电 动蝶阀的作用主要为限制拨风量为所需值 及在进行拨风阀检修或试验时 用来切 断拨风管与原系统的联系 第 16 页 共 36 页 3 拨风控制系统硬件组成 3 1 可编程控制器概述 工业自动控制中使用的可编程序控制器种类很多 不同厂家的产品各有特点 它们虽有一定的区别 但作为工业标准控制设备 可编程序控制器在结构组成 工 作原理和编程方法等许多方面是基本相同的 本节主要介绍可编程序控制器的 般 特性 重点讲解它的一般结构 工作原理和工作方式 9 3 1 1 PLC 的特点 现代工业生产过程是复杂多样的 它们对控制的要求也各不相同 PLC 一经出 现就受到了广大工程技术人员的欢迎 1 抗干扰能力强 可靠性高 微机虽然具有很强的功能 但抗干扰能力差 工业现场的电磁干扰 电源波动 机械振动 温度和湿度的变化 都可以使一般通用微机不能正常工作 而 PLC 在电 子线路 机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验 主 要模块均采用大规模与超大规模集成电路 I O 系统设计有完善的通道保护与信号 调理电路 在结构上对耐热 防潮 防尘 抗震等都有周到的考虑 在硬件上采用 隔离 屏蔽 滤波 接地等抗干扰措施 在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊 断措施 所有这些使 PLC 具有较高的抗干扰能力 PLC 的平均无故障时间通常在几 万小时以上 这是一般微机不能比拟的 继电接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力 但使用了大量的机械触点 使设 备连线复杂 且触点在开闭时易受电弧的损害 寿命短 系统可靠性差 而 PLC 采 用微电子技术 大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成 大部分继电器和 繁杂的连线被软件程序所取代 故寿命长 可靠性大大提高 2 控制系统结构简单 通用性强 PLC 及外围模块品种多 可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制 系统 在 PLC 构成的控制系统中 只需在 PLC 的端子上接人相应的输入 输出信号 线即可 不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路 当 控制要求改变 需要变更控制系统的功能时 可以用编程器在线或离线修改程序 第 17 页 共 36 页 同一个 PLC 装置用于不同的控制对象 只是输入 输出组件和应用软件的不同 PLC 的输入 输出可直接与交流 220 v 直流 24v 等强电相连 并有较强的带负载能力 3 编程方便 易于使用 PLC 是面向用户的设备 PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习 惯 PLC 程序的编制 采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式 梯形图与继电 器原理图相类似 这种编程语言形象直观 容易掌握 不需要专门的计算机知识和 语言 只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会 4 功能完善 PLC 的输入 输出系统功能完善 性能可靠 能够适应于各种形式和性质的开 关量和模拟量的输入 输出 在 PLC 内部具备许多控制功能 诸如时序 计算器 主控继电器以及移位寄存器 中间寄存器等 由于采用了微处理器 它能够很方便 地实现延时 锁存 比较 跳转和强制 I O 等诸多功能 不仅具有逻辑运算 算术 运算 数制转换以及顺序控制功能 而且还具备模拟运算 显示 监控 打印及报 表生成功能 此外 它还可以和其他微机系统 控制设备共同组成分布式或分散式 控制系统 还能实现成组数据传送 矩阵运算 闭环控制 排序与查表 函数运算 及快速中断等功能 因此 PLC 具有极强的适应性 能够很好地满足各种类型控制的 需要 5 设计 施工 调试的周期短 用继电接触器控制完成一项控制工程 必须首先按工艺要求画出电气原理图 然后画出继电器屏 柜 的布置和接线图等 进行安装调试 以后修改起来十分不便 而采用 PLC 控制 由于其硬软件齐全 为模块化积木式结构 且已商品化 故仅需 按性能 容量 输入 输出点数 内存大小 等选用组装 而大量具体的程序编制工 作也可在 PLC 到货前进行 因而缩短了设计周期 使设计和施工可同时进行 由于 用软件编程取代了硬接线实现控制功能 大大减轻了繁重的安装接线工作 缩短了 施工周期 因为 PLC 是通过程序完成控制任务的 采用了方便用户的工业编程语言 且都具有强制和仿真的功能 故程序的设计 修改和调试都很方便 这样可大大缩 短设计和投运周期 6 体积小 维护操作方便 第 18 页 共 36 页 PLC 体积小 质量轻 便于安装 PLC 的输入 输出系统能够直观地反映现场信 号的变化状态 还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态 如内部工作状 态 通信状态 I O 点状态 异常状态和电源状态等 对此均有醒目的指示 非常 有利于运行和维护人员对系统进行监视 3 1 2 PLC 的一般结构 PLC 种类繁多 但其组成结构和工作原理基本相同 用 PLC 实施控制 其实质 是按一定算法执行输人 输出变换 并将这个变换给以物理实现 应用于工业现场 PLC 专为工业现场应用而设计 采用了典型的计算机结构 它主要是由 CPU 电源 存储器和专门设计的输入 输出接口电路等组成 1 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 一般由控制器 运其器和寄存器组成 这些电路都集成在一 个芯片内 CPU 通过数据总线 地址总线和控制总线与存储单元 输入 输出接口 电路相连接 与一般计算机一样 CPU 是 PLC 的核心 它按 PLC 中系统程序赋予的功能指挥 PLC 有条不紊地进行工作 用户程序和数据事先存人存储器中 当 PLC 处于运行方 式时 CPU 按循环扫描方式执行用户程序 CPU 的主要任务有控制用户程序和数据的接收与存储 用扫描的方式通过 I O 部件接收现场信号的状态或数据 并存入输入映像寄存器或数据存储器中 诊断 PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等 PLC 进入运行状态后 从存储器逐 条读取用户指令 经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送 逻辑或算术运 算等 根据运算结果 更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容 再经输出 部件实现输出控制 制表打印或数据通信等功能 不同型号的 PLC 其 CPU 芯片是不同的 有采用通用 CPU 芯片的 有采用厂家自 行设计的专用 CPU 芯片的 CPU 芯片的性能关系到 PLC 处理控制信号的能力与速度 CPU 位数越高 系统处理的信息量越大 运算速度也越快 PLC 的功能是随着 CPU 芯 片技术的发展而提高和增强 2 存储器 PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分 系统存储器用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序 井固化在 ROM 内 用户不能直接更改 它使 PLC 具有基 第 19 页 共 36 页 本的功能 能够完成 PLC 设计者规定的各项工作 系统程序质量的好坏 很大程度 上决定了 PLC 的性能 其内容主要包括三部分 第一部分为系统管理程序 它主要控制 PLC 的运行 使整个 PLC 按部就班地工 作 第二部分为用户指令解释程序 通过用户指令解释程序 将 PLC 的编程语言变 为机器语言指令 再由 CPU 执行这些指令 第三部分为标准程序模块与系统调用 它包括许多不同功能的子程序及其调用 管理程序 如完成输入 输出及特殊运算等的于程序 PLC 的具体工作都是由这部 分程序来完成的 这部分程序的多少也决定了 PLC 性能的高低 用户存储器包括用户程序存储器 程序区 和数据存储器 数据区 两部分 用户 程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的 PLC 编程语言编写的各种用户 程序 用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同 可以是 RAM EPROM 或 EEPROM 存储器 其内容可以由用户任意修改或增删 用户数据存储器可以用来存 放 记忆 用户程序中所使用器件的 ON OFF 状态和数值 数据等 它的大小关系到用 户程序容量的大小 是反映 PLC 性能的重要指标之一 3 电源部分 PLC 一般使用 220V 的交流电源 内部的开关电源为 PLC 的中央处理器 存储器 等电路提供 5V 12V 24V 等直流电源 使 PLC 能正常工作 电源部件的位置形式有多种 对于整体式结构的 PLC 通常电源封装到机壳内部 对于模块式 PLC 有的采用单独电源模块 有的将电源与 CPU 封装到一个模块内 4 扩展接口 扩展接口用于将扩展单元及功能模块与基本单元相连 使 PLC 的配置更加灵活 以满 足不向控制系统的需要 5 通信接口 为了实现 人 机 或 机 机 之间的对话 PLC 配有多种通信接口 接口可以与监视器 打印机和其他的 PLC 或计算机相连 当 PLC 与打印机相连时 可将过程信息 系统参数等输出打印 当与监视器相 连时 可将过程图像显示出来 当与其他 PLC 相连时 可以组成多机系统或联成网 络 实现更大规模的控制 当与计算机相连时 可以组成多级控制系统 实现控制 第 20 页 共 36 页 与管理相结合的综合控制 6 编程器 编程器的作用是供用户进行程序的编制 编辑 调试和监视 编程器有简易型 和智能型两类 简易型的编程器只能联机编程 且往往需要将梯形图转化为机器语 言助记符 语句表 后 才能输入 它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件 组成 智能型的编程器又称图形编程器 它可以联机编程 也可以脱机编程 具有 LED 或 CRT 图形显示功能 可以直接输入梯形图和通过屏幕对话 7 其他部件 有些 PLC 还可配有 EPROM 写入器 存储器卡等其他外部设备 3 1 3 PLC 的工作原理及 PLC 的工作方式 众所周知 继电器控制系统是一种 硬件逻辑系统 它的三条支路是并行工 作的 当按下按钮 中间继电器得电 触点闭合 接触器同时得电并产生动作 所 以继电器控制系统采用的是并行工作方式 而 PLC 是一种工业控制计算机 故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础 之上 即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的 但是 CPU 是以分时操作方式 来处理各项任务的 计算机在每一瞬间只能做一件事 所以程序的执行是按程序顺 序依次完成相应各电器的动作 所以它属于串行工作办式 概括而言 PLC 是按集中输入 集中输出 周期性循环扫描的方式进行工作的 每 一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期 CPU 从第一条指令执行开始 按顺 序逐条地执行用户程序直到用户程序结束 然后返回第一条指令开始新的一轮扫描 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的 整个过程可分为三部分 第一部分是上电处理 机器上电后对 PLC 系统进行一次初始化 包括硬件初始 化 I O 模块配置检查 停电保持范围设定及其他初始化处理等 第二部分是扫描过程 PLC 上电处理完成以后进人扫描工作过程 先完成输入 处理 其次完成与其他外设的通信处理 再次进行时钟 特殊寄存器更新 当 CPU 处于 STOP 方式时 转入执行自诊断检查 当 CPU 处于 RAN 方式时 还要完成用户程 序的执行和输出处理 再转人执行自诊断检查 第三部分是出错处理 PLC 每扫描一次 执行 次自诊断检查 确定 PLC 自身 的动作是否正常 如 CPU 电池电压 程序存储器 I O 和通信等是否异常或出错 第 21 页 共 36 页 如检查出异常时 CPU 面板上的 LED 及异常继电器会接通 在特殊寄存器中会存入 出话代码 当出现致命错误时 CPU 被强制为 STOP 方式 所有的扫描便停止 PLC 运行正常时 扫描周期的长短与 CPU 的运算速度 与 I O 点的情况 与用 户应用程序的长短及编程情况等有关 通常用 PLC 执行 1KB 指令所需时间来说明其 扫描速度 般 1 10 ms KB 值得注意的是 不同指令其执行时间是不同的 从 零点几 s 到上百 s 不等 故选用不同指令所用的扫描时间将会不同 若用于高 速系统要缩短扫描周期时 可从软硬件上同时考虑 PLC 工作过程的中心内容是输 入采样阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 10 3 1 4 S7 200 系列 PLC 简介 SIMATIC S7 200 系列是德国西门子公司前几年刚刚投入市场的小型可编程序 控制器 可以单机远行 也可以进行输入 输出和功能模块的扩展 它具有多种功能 模块和人机界面 HMI 可供选择 所以系统的集成非常方便 并且可以很容易地组成 PLC 网络 同时 S7 200 的 STEP7 Micro WIN 32 编程软件可以方便地在 Windows 环境下对 PLC 编程 调试 监控 使得 PLC 的编程更加方便 快捷 可以说 在 规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备 S7 200PLC 硬件系统的配置方式采用整体式加积木式 即主机中包含一定数量 的输入 输出 I O 点 同时还可以扩展 I O 模块和各种功能模块 S7 200CPU 模块包括 个 CPU 电源以及数字量 I O 点 这些都被集成在一个 紧凑 独立的设备中 CPU 负责执行程序和存储数据 以便对工业自动控制任务或 过程精心控制 输入输出时系统的控制点 输入部分从现场设备 例如传感器或开关 采 集信号 输出部分则控制泵 电机 以及工业工程中的其它设备 电源向 CPU 及其 所连接的任何模块提供电力 通讯端口允许将 S7 200CPU 同编程器或其它设备连接 起来 状态指示灯 LED 显示 CPU 的工作模式 运行或停止 本机 I O 的当前状态 以及检查处的系统错误 通过扩展模块增加 CPU 的 I O 点数 CPU221 不可扩展 一些 CPU 具有内置