高炉上料控制系统毕业设计论文.doc
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河北联合大学轻工学院毕业设计说明书
摘要
钢铁行业是我国重工业之一，是我国的支柱产业。
高炉上料是炼铁生产的重要环节，可靠完美的上料自动控制及数据采集对于高炉的顺利稳产、降低焦化、提高产量质量起着重要的作用。
现在国内外钢铁企业都非常关注高炉产量如何提高的问题，也都在积极应用高炉上料自动化系统。
高炉上料自动化系统主要解决以下几方面的问题：
在工艺上要保证自动化系统能够正确的按照料单进行配料，并且能安规定的顺序把料送进高炉；在电气设计上要保证系统有一定数目的检测点，以保证给控制器能够对输入的信号作出准确的处理并进行对外控制；在软件上要保证监控系统的准确可靠性。
现代高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用的计算机。
即高炉“三电”一体化。
本系统主要设计的内容包括：
（1）用STEP7编程软件对S7-300PLC进行编程、下载和调试。
STEP7是一个功能强大的编程软件，尤其是v5.4这个版本支持梯形图、语句表、功能块图编程语言，并采用类似于高级语言的编程模式，把主程序、子程序和中断程序进行了模块化，增加了程序的可读性，使编程人员和现场调试人员一目了然。
另外STEP7支持便量表调试，把程序下载到PLC后可以利用便量表认为赋值的方式来模拟现场数据的输入。
（2）利用所学电器与PLC控制技术、电路、数字电子技术、模拟电子技术、电力电子技术、工厂供电、电机拖动以及传感器技术在图纸上绘制出可行性的电气连接图。
关键词：
高炉上料；S7-300PLC；自动控制
Abstract
IronandsteelindustryisoneofChina'sheavyindustry,isChina'spillarindustries.Blastfurnaceironproductionisanimportantpartoftheperfectfeedingreliablecontrolanddataacquisitionforthesmoothstableblastfurnacetoreducecoke,improveyieldandqualityplayanimportantrole.Domesticandforeignsteelcompaniesareveryconcernedabouttheissueofhowtoincreaseblastfurnaceproduction,arealsoactiveinBlastFurnaceAutomationSystemapplications.Themainblastfurnaceautomationsystemtosolvethefollowingproblems:
Intheprocess,weshouldensurethatautomatedsystemscanfeedasingletorightinaccordancewiththeingredients,andsafetyrequirementscanbesentinordertofeedblastfurnaces;inelectricalsystemdesigntoensureacertainnumberoftestpointstoensurethattheinputtothecontrollertomakeanaccuratesignalprocessingandfortheexternalcontrol;thesoftwaretoensuretheaccurateandreliablemonitoringsystem.Modernblastfurnaceautomationmainlyreferstotheinstrumentationandcontrolsystems,electricalcontrolsystemsandprocessandmanagementofthecomputerused.Theblastfurnace,"Three"integration.
Thissystemismainlydesignedtoinclude:
（1）withSTEP7programmingsoftwareontheS7-300PLCprogramming,downloadanddebug.STEP7isapowerfulprogrammingsoftware,inparticular,v5.4Thisversionsupportsladderdiagram,statementlist,functionblockdiagramprogramminglanguage,andusessimilartohigh-levellanguageprogrammingmodes,themainprogram,subroutineandinterruptproceduresweremodular,increasethereadabilityoftheprogram,soprogrammersandfieldtestingworkersataglance.InadditionSTEP7willscaletosupportdebugging,aftertheprogramtotheplcscalethatcanbeassignedtoemulatethewaytheinputfielddata.
（2）useestablishedelectricalandPLCcontroltechnology,circuits,digitalelectronics,analogelectronics,powerelectronics,powerplants,motorandsensortechnologyinthedrawingdragtodrawthefeasibilityoftheelectricalconnectiondiagram.
Keywords:
blastfurnace；S7-300PL；automaticcontro
II
河北联合大学轻工学院毕业设计说明书
目录
摘要 I
Abstract II
引言 1
1高炉上料控制系统概述 2
1.1高炉自动化介绍 2
1.2高炉上料系统在高炉的地位与作用 2
1.3高炉上料系统工艺简介 3
1.4上料系统的工艺与设备 4
1.5高炉卷扬的基本结构 7
1.6高炉卷扬机的工作特点 8
1.7控制系统的实现 8
1.8高炉上料控制系统设计方案 9
1.8.1系统功能及性能指标 9
1.8.2系统结构 10
2可编程逻辑控制器（PLC）的应用 12
2.1step7编程软件介绍 12
2.2编程方法介绍 14
2.2.1经验编程法介绍 14
2.2.2顺控编程法介绍 15
2.3可编程控制器的结构 15
2.4PLC的工作原理 16
2.5可编程控制器（PLC）的特点 16
2.6可编程控制器（PLC）的主要功能和应用 18
2.7PLC与其他工业控制的比较 18
3PLC的选型和其他硬件配置 22
3.1PLC的选型 22
3.2西门子S7-300系列PLC特性及主要模块介绍 23
3.3配料部分给料机的配置 29
3.4称量斗的电器配置 29
3.5高炉卷扬部分电器配置 31
3.5.1交流调速系统 31
3.5.2西门子MICROMASTER440系列通用变频器介绍 32
3.5.3本系统的变频控制电路 33
3.5.4卷扬电机的选型 34
3.6高炉探尺 35
3.6.1直流调速简介 35
3.6.2高炉探尺系统 36
3.6.3直流电机选型 37
3.7其它电器元件的配置 37
4系统设计 39
4.1系统硬件设计 39
4.1.1系统设计原理 39
4.1.2通道分配 40
4.1.3变频器线路设计 41
4.1.4变频器主要参数设置 41
4.1.5PLC外部接线 43
4.2系统软件设计 43
4.2.1工艺要求 43
4.2.2PLC程序设计 44
4.2.3系统工作过程 51
结论 53
参考文献 54
谢辞 55
II
河北联合大学轻工学院毕业设计说明书第55页共55页
引言
与国外先进水平相比，我国炼铁技术还存在较大差距，主要表现：
（1）工艺装备水平落后，首先是炉容方面大型高炉少。
（2）风温比国外低150-200℃，顶压低80-100Kpa，检测技术和自动控制差的更多。
特别在高炉长寿方面，我们的差距尤为突出。
生产技术指标较低，原因除工艺装备和生产管理落后外，主要是料不精。
日本精料最先进，品位高，烧结矿的品位一般为56-58%，质量好，尤其是还原性好。
钢铁厂建有中和料场，原料成分十分稳定。
而我国钢铁厂大多数无中和料场，原料成分波动大，烧结矿还原性差，品位只有52%左右。
尤其是燃料消耗高，无论在节焦上，还是在余热余能回收上都有很大差距。
300立方米级以下的高炉由于劳动生产率偏低、能耗高、污染环境等缺点越来越不适应当今社会的发展。
根据国家的技术政策，限制建设1000立方米以下高炉，逐步淘汰300立方米级以下的高炉。
目前我国300立方米级高炉还较多，特别是300立方米级高炉其许多指标优于大高炉，加上较低的投资、区域资源和市场的优势使这些在成本上有一定的竞争力。
企业的生产规模和合理的高炉座数（34座为宜）也是当前制约高炉扩容的一个客观因素。
要全部淘汰300立方米估计5--10年内很难实现。
因此，对300--1000立方米高炉进行大修改造就成为近期探讨的一个紧迫而重要的课题。
在新世纪初，检测技术的现代化和高炉自动控制发展到一个新的阶段。
高炉的技术进步与检测技术进步密切相关，特别是要实现高炉自动控制，没有良好的检测技术是不可想象的。
由于高炉是一个封闭的冶炼设备，而且是连续生产，因此用电子计算机控制的必要性和重要性更大，但难度也大。
自1958年美国首次把电子计算机应用于高炉配料控制以来，已逐步发展到以下几方面的应用：
（1）上料系统：
包括原料配料、称量以及装料程序的自动控制。
（2）热风炉系统：
包括燃烧过程控制及自动换炉。
送风系统的风量、风温、湿度和原料喷吹的自动控制。
（3）高炉过程控制：
包括象征高炉热制度的生铁含硅控制，炉料和煤气运动的检测与控制，冷却制度的检测与控制，炉衬侵蚀的控制等。
1高炉上料控制系统概述
1.1高炉自动化介绍
高炉上料系统的设计包括：
（1）高炉炼铁生产工艺的设计
（2）系统硬件设计（包括PLC部分设计和数字仪表的设计）（3）系统软件设计（包括STEP7程序设计和界面的设计和开发）。
高炉是一次点火昼夜不间断连续运行数年的炼铁设备，根据高炉型号的不同日产量可达千吨至万吨。
如此之大的产量还需要有严格的质量要求，这就要求要有精确的称量、配料、上料顺序和精湛的工艺作保障。
以前高炉生产的各个环节都是由人工操作，生产效率低、质量差严重的制约了行业的发展。
随着计算机技术的发展，工业自动化已是现代工业生产的标志，是行业突飞猛进发展的动力。
高炉自动化的目的主要保证高炉操作的4个主要问题:
即正确的配料并以一定的顺序及时装入炉内;控制炉料均匀下降;调节料柱中炉料分布及保持与煤气流良好的接触:
保持合理的热状态。
现代高炉自动化主要是指仪表检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用的计算机。
即高炉“三电”一体化。
它在功能分配上又是分级式层次结构，高层次是过程控制级，低层次是基础自动化级。
基础自动化级，主要进行电气自动控制和仪表自动控制，对工艺设备过程信息进行检测、显示、记录及数据基础处理，执行设备运转控制及工艺设备过程自调节，越限报警。
过程控制级，主要完成生产优化控制、操作指导、数据处理和存储，与上级管理计算机及其他计算机之间的数据通信。
如芬兰罗塔鲁基公司拉赫厂的高炉是60年代由前苏联设计和建造的，当时的各项指标都比较落后。
而最近十几年来，这些高炉己经跻身于世界最先进高炉的行列。
他们的经验主要有两条，一是提高烧结矿和焦炭的质量，二是建立了性能优良、工作可靠的计算机控制系统。
现在，世界各国主要产钢国都采用了计算机控制高炉，其中水平最高的当属日本。
1.2高炉上料系统在高炉的地位与作用
在高炉生产中，上料系统上下所设置的设备，是为高炉炼铁服务的。
其所属的设备称为上料设备:
包括主卷扬机、料车、探尺、炉顶布料装置等一系列设备。
其生产过程构成上料系统。
主要作用是保证及时、准确、稳定地将合格原料从贮矿槽送上高炉炉顶。
钢厂的高炉上料卷扬系统是炼钢生产中的关键环节，主要作用是将炼铁所需的各种原料源源不断地送到高炉内，保证高炉炼铁的正常需要。
高炉上料系统是供高炉炉料的重要环节，其基本工艺参数是由高炉的冶炼需求确定的。
为了满足冶炼要求，必须合理确定控制方案。
控制方案不仅与设计和选用设备有关，而且直接影响高炉的操作条件。
高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。
炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过上料设备分批地从炉顶装入炉内。
只要使高炉吃饱、吃好、吃精料，这对高炉实现优质、高产、低耗，提高高炉冶炼水平具有十分重要的意义。
1.3高炉上料系统工艺简介
炼铁设备主要由三大部分组成：
配料部分、中间斗部分、和高炉部分。
以上都是在炼铁工艺的指导下按要求完成各自工作的。
配料部分由贮料仓、称量斗和皮带运输机组成。
贮料仓位于高炉一侧，分为贮焦炭仓、贮矿石仓、贮烧结仓和贮石灰石仓。
贮料仓外围有砖砌成，内部由水泥抹滑。
贮料仓的上部多为正方体形，下边为漏斗形。
贮料仓主要解决高炉连续上料和车间间断续供料的矛盾，当贮矿槽之前的供料系统设备检修或因事故造成短期间断供料时，可依靠贮矿槽内的存量维持高炉生产。
由于贮矿槽都是高架式的，可以利用原料的自重下滑进入下一工序，有利于实现配料等的机械化和自动化。
在每个贮料仓下面是电磁振动给料机和称量斗。
称量斗的作用就是按要求称量出对应的原料，并放到其下面的皮带运输机上运往中间都。
称量斗由称体和压力传感器组成，挂在贮料仓的下面，称量斗下方是一个开关门，由电磁阀控制，按要求适时打开和关闭。
电磁振动给料机负责向称量斗给料，并把筛选出来的不合格的粉末原料筛选出来，由另一条皮带机运往供料车间。
皮带运输机位于各个称量斗的下方，起到配料部分和中间都部分的链接作用，皮带运输机是时时运行的。
中间部分其实就为一个中间存储器，目的是为了及时的把称量好的原料放入上料小车（上料小车一会介绍）以满足高炉要求。
中间斗下面有两个出料口，一个对准一号上料小车，一个对准二号小车。
每个出料口各有一个开关门，也是由电磁阀控制。
高炉部分由上料小车、小料盅、大料盅、炉底、探尺、热风管和煤气管组成。
上料小车负责把称量好的原料送往高炉，一般上料小车是一对，一上一下起配重的作用，共由一台电动机驱动，电动机是由变频器控制的在设定好的区段内以相应的速度运行，保证小车快速稳定的向高炉供料。
上料小车一般不允许中途停车。
小料盅和大料盅起密封和存料作用，本次设计的高炉大料盅最多存放四车原料，小料盅最多存放两车原料，而且在大料盅网炉底放料时小料盅必须是关闭的，以免炉内的高压把料盅里的原料喷出炉外，发生生产事故，而且在大料盅向下放料时小料盅里必须存放两车的原料以加大密封颅腔的压力。
切忌大料盅和小料盅不能同时开启、各料盅存料量不能大于要求值。
炉底是炼铁的反应室里面底层由焦炭垫起，上面为矿石烧结和石灰石，石灰石起凝结炉渣的作用。
反应室里的温度由热风供给，热风由热风管输入，温度达上千度，在炉体内反应还会产生煤气，由煤气管输出。
探尺的作用是检查炉体内原料的多少，以便控制下料和上料系统。
1.4上料系统的工艺与设备
为了高炉的正常工作和铁水质量，各个系统设备按一定的连锁、顺序关系工作、各个设备的动作程序由值班人员根据高炉冶炼情况编制并通过PLC准确控制各个设备。
高炉上料控制系统包括下列主要系统：
1）槽下称量装料及料仓储料系统；
2）高炉料钟装料系统；
3）探尺系统；
4）料车卷扬系统。
高炉槽下上料工艺，包括高炉矿槽下部至高炉料车以前的受料、筛分、物料输送等所有设施的工艺配置，设备性能选择，以及正确的给料、配料程序等。
在我国高炉中，有以下三种形式：
（1）料车式上料：
为保证高炉连续性生产，防止供料暂时中断，具有一定的原料储备能力。
储备能力通过设置料仓来解决，图1为料仓平面布置图。
在上料机斜桥3的下面有两个比较大的料仓2是焦仓，其余容积较小数目较多的料仓是矿仓，各种矿石和溶剂分别装在矿仓内。
矿仓上部的物料是采用胶带机来运输的，料仓的仓底不与地面接触，形成空架以便利用重力落差放料。
料车设有两个称量漏斗，按照工艺提供的料批组成，它可停留在任意一个料仓下面取料，然后运行地坑的位置，将炉料卸入上料小车。
料车是向上料小车供给矿石和溶剂的一个种重要设备。
为保证高炉连续生产，防止料车故障，均设有备用料车。
焦炭由焦仓经振动筛，称量漏斗直接卸入料车。
图1料仓平面布置图
1矿石仓2焦炭仓3上料机斜料4高炉
（2）运输与称量分开的供料形式：
这种供料形式（见图2）的设备职能单一，构造大为简化，可靠性增强，并且有利于提高生产能力和实现自动化。
图2运输与称量分开的供料形式图
1-主矿仓2-运输机3-矿石称量漏斗4-杂矿仓5-杂矿称量漏斗6-杂矿运输胶带机7-主焦仓8-备用焦仓9-焦炭运输胶带机10-焦炭筛11-焦炭称量漏斗12-料车13-碎焦仓14-碎焦料车15-高炉
16-备用矿仓
采用两个容积比较大的料仓分别作为主焦仓7和主矿仓1，有若干个容积比较小的分别作为备用焦仓8和备用矿仓16。
焦炭和矿石均采用称量漏斗计量，除杂矿和溶剂的称量漏斗布置在杂矿仓出口外，焦炭和主要矿石的称量漏斗均布置在料车坑的两侧。
每一料车上面均布置有焦炭称量漏斗和矿石称量漏斗。
这两个称量漏斗的排料口，由不同方向对准料车，靠落差向料车上料。
仓上物料是用胶带机来运输的。
直接布置在料车坑上方的四个主矿仓，仓内物料直接进入称量漏斗。
备用仓内的物料则通过带式运输机进入料车坑的称量斗内。
杂矿和熔剂的用量较少，需要称量后再由胶带机6送到料车坑的料斗内。
从备用仓或主焦仓7来的焦炭，均通过焦炭筛10，再流入焦炭称量漏斗11。
这种供料形式虽然客服了前述料车上料型式的缺点，但还存在其它缺点。
由于每侧矿石仓只设一个矿石称量漏斗，如矿石品种较多，显然不易胜任。
此外，在每个烧结矿仓下面，往往都设有振动筛，增加了设备。
（3）胶带式上料：
这种供料系统（国内外大型高炉，都采用胶带上料机）。
这种供料型式的料仓，不论焦仓或矿仓，都由若干个同样容积的料仓排列在同一条直线上，不分主矿仓和备用仓。
由于所有原料均为冷态，因此可以广泛采用胶带运输机。
仓下不用笨重的链板式运输机，来料也不用铁路车厢运输，在焦仓下面只装有胶带运输机，在矿仓下面装有振动筛和漏斗以及胶带运输机。
矿石品种较多，需在每个料仓下面设置筛分和称量设备，分别完成筛分和称量任务。
矿仓采用分散筛分和称量的好处还在于可以使筛分和称量设备小型化，便于制造和维修，对易于出问题的设备（例如振动筛）还可以起备用作用。
这种供料型式较好地满足了对供料系统所提出的各项要求。
在这三种方式中，新建的现代大中型高炉都是胶带式上料，小型高炉及20世纪80年代以前建设的大中型高炉使用料车式上料。
1.5高炉卷扬的基本结构
5
A
B
5C
D
3
6
12
11
4
7
1
10
2
8
9
图3高炉卷扬的基本结构
1.斜桥2.柱3.卷扬机室4.料坑5.料车6.滚筒
7.钢绳8、9、10.滑轮11.减速器12.主卷扬电机
在冶金高炉生产线上，一般把按照品种、数量称好的炉料从地面的储矿槽运送到炉顶的生产机械称为高炉上料设备，它是高炉的供料系统的重要设备。
它包括料车坑、料车、斜桥、卷扬机或带式上料机。
高炉上料机主要有三种：
料罐式、料车式和皮带机上料。
料罐式上料机是上行重罐下行空罐，如果速度快，就会吊着料罐摆动不停，上料能力低，新建高炉已不再采用。
对于大型高炉几乎完全采用带式上料机，对于小型高炉或使用热烧结矿的高炉，目前还是以料车式上料为主。
料车式上料机结构如图3所示，料车上料机主要由斜桥、料车、卷扬机三部分组成。
将炉料直接送到高炉炉顶的设备称为上料机。
对上料机的要求是：
要有足够的上料能力，不仅能满足正常生产的需要，还能在低料线的情况下很快赶上料线。
为满足这一要求，在正常情况下上料机的作业率一般不应超过70%；工作稳妥可靠；最大程度的机械化和自动化。
1.6高炉卷扬机的工作特点
料车卷扬机是牵引料车在斜桥上行走的设备。
在高炉设备中是仅次于鼓风机的关键设备，料车卷扬机系统主要由驱动电机、减速箱、卷筒、钢绳、安全装置及控制系统组成，其工作特点为：
1）能够频繁启动、制动、停车、反向、转速平稳、过渡时间短。
2）能够按一定的速度图运行。
3）能广泛地调速，速度一般为0.5～3.5m/s，目前料车的最大线速度可达3.8m/s。
4）系统工作可靠。
在进入曲轨段及离开料坑时不能有高速冲击，确保终点位置准确停车。
1.7控制系统的实现
料车的运行分析:
料车在斜桥上的运动分为启动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动六个阶段，在整个过程中包括两次加速和两次减速。
料车提升一次所需时间与料车的运动速度和加速度有关，其变化曲线如图4所示。
图4料车速度和加速度图
1）t1时间内：
料车起动，重料车开始上行，同时空料车自炉顶极限位置下行。
此时，钢绳自卷筒退出的加速度不应超过料车的加速度，以免产生钢绳松弛现象。
此段时间对应斜桥的A区域，由于此处轨道较陡，在给定值相同的情况下加速度α1只为0.2～0.4m/s2，以较低的加速度加速运行。
2）t2时间内：
重料车继续上行，通过A区域，进入了斜桥的B区域，此处轨道倾角比A区域小，则加速度α2会变大升至0.4～0.8m/s2。
料车以较高加速度加速到最大速度υ。
3）t3时间内：
料车以最大速度υ稳定运行。
4）t4时间内：
重料车进入卸料曲轨道之前的第一次减速时间，加速度α4
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