变频调速自动上料系统Word格式文档下载.docx
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FrequencyControlAutomaticFeedingSystem
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomy,Intheindustryofmetallurgy,Feedingsystemisaessentialpartoftheblastfurnace.Theformoffeedingofblastfurnacemainlyhastheskiptohoistrawmaterialsandthetransporttapetwokinds.Hoiststheskipmachinestructuretobecompact,theareaissmall,hastheenoughabilitytohoistrawmaterialstothesmallfurnace,andcanrealizetheautomaticcontrol.Inthesmallfurnace,theskiptohoistrawmaterialsiswidelyused.Andthemainhoistssystemtaketheblastfurnaceastheentireblastfurnace'
scoreequipment,isresponsibleforrawmaterialthetransportation.Thehoistssystemtousethehightechnologyandnewtechnologytocarryonthereasonablecontrolandtheoptimizationthenbecomesanimportanttopicforsteelandironcraftinthemodern.Therefore,theresearchanddevelopmentofautomatedfeedingsystemofblastfurnacewithhighpracticalvalue.
ThedesignintroducedtheSiemensS7-200PLCintheblastfurnaceandconverterautomaticfeedingsystem,discussestheuseofSiemensS7-200programmablecontrollerandinvertercontroltochangethespeedofhoistmotoronthebasicprocessofmaterial.Focusesonhowtheprogrammablecontrollerandinvertertoachievethecarautomaticfeedingproblems,understandcarcontrolautomaticfeedingprocessandtheprocessownersarefamiliarwithhowtousethecontrollerandthePLCisexpectedtosettherealizationofcarsrunningmodeandfrequencydeviceisexpectedtosettheregulationofvehiclespeed,therebytoachievetheperfectionandtherealizationofthesystem.
Kyewords:
Blastfurnace;
automaticcontrol;
PLC;
inverter
目录
摘要I
AbstractII
第一章概述1
1.1绪论1
1.2高炉卷扬上料控制系统简介3
1.2.1概述3
1.2.2高炉卷扬上料过程3
1.2.3上料小车速度控制框图3
1.2.4高炉上料自动控制系统的主要组成部分4
1.3西门子S7—200简介5
1.3.1概述5
1.3.2一般特性6
1.3.3扩展模块7
1.4变频器简介8
1.4.1概述8
1.4.2变频器的基本结构8
1.4.3变频器的分类9
1.4.4变频器中常用的控制方式9
1.5国内外发展现状9
1.6论文的主要研究内容10
第二章高炉上料系统12
2.1生产工艺流程介绍12
2.2料车对卷扬拖动系统的要求13
2.2.1料车的运行分析13
2.2.2料车卷扬的负载机械特性及电机运转状态分析15
2.3高炉上料系统的组成与工作原理16
2.3.1高炉上料系统的组成16
2.3.2高炉上料系统的工作原理17
2.4控制系统的实现18
2.4.1控制要求18
2.4.2控制方案18
第三章控制系统设计20
3.1系统配置20
3.2调速系统主要硬件设备20
3.2.1卷扬机20
3.2.2主令控制器22
3.2.2S7-200CPU21422
3.2.3EM22324
3.2.4FRN220G11S-4变频器25
3.3上料小车速度控制28
3.4变频调速的实现29
3.5变频器参数设置29
3.6编程32
第四章变频调速在高炉卷扬上料控制系统中的应用分析33
4.1常见故障的分析33
4.2变频调速系统的效率分析35
4.3变频调速在工业应用中应注意的问题35
结束语38
参考文献39
致谢40
附录41
第一章概述
1.1绪论
随着经济的不断发展与生产规模的不断扩大，微机技术已经并继续在改变着世界。
以微机技术为基础的可编程控制器也正在改变着工厂自动控制的面貌。
近30年来，随着科学技术的迅猛发展，可编程控制器以其可靠性极高、能经受恶劣环境的考验、使用及其方便的巨大优越性，迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品，与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。
当前，在我国广大工矿企业中，与技术改造相配合，正在兴起广泛应用可编程控制器的热潮。
其发展之势恰如数年前个人计算机在我国的迅速推广一样，方兴未艾，如火如荼。
在建筑、化工、冶金等行业中，上料是其生产过程的重要组成部分。
这些行业工作环境恶劣、灰尘大、电网电压波动大，且组分多、生产线长、控制过程复杂，要求上料系统具有控制可靠、配料精确、抗干扰能力强等特点。
由于多年实施计划经济等客观原因，目前我国这些行业大多装备简陋、设备陈旧、生产管理落后、技术含量低，而且大都以半自动甚至手动控制为主，生产不规范。
可编程控制器应用范围广，软、硬件种类多，其主要应用领域有：
（1）过程控制领域；
（2）网络功能的扩展；
（3）智能输入输出模块；
（4）智能控制；
（5）增强外部故障检测能力。
可编程控制器（PLC）是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发而来的，是一种数字运算操作的电子系统。
它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
可编程控制器与个人计算机、图形工作站、小型机等相结合，可实现屏幕显示、数据采集、记录保持、回路面板显示等功能亦即实现了分散型控制系统的功能。
目前，PLC已广泛应用于机械制造、冶金、化工、电力、交通、采矿、建材、轻工、环保、食品等行业，既可用于老设备的技术改造，又可用于新产品的开发。
因此，对于从事工业控制研发技术人员来说，PLC系统的设计与应用已经成为了必须掌握的一门专业技术。
西门子公司的S7-200系列小型PLC具有功能强、性价比高的特点，深受国内用户的欢迎。
可编程控制器的不断兴起，使越来越多的工程人员认识到它的优越性。
对于当今的可编程控制器来说，凡是需要控制系统存在的地方，就需要可编程控制器。
目前来说，可编程控制器主要应用于有大量开关和少量模拟量的控制系统方面。
小型可编程控制器主要应用于单机自动化，而大型可编程控制器则是自动生产线不可缺少的部件。
高炉卷扬上料小车的自动上料控制系统就是利用可编程控制器来实现的。
随着市场的转变和工业生产的不断发展，由继电控制盘所构成的控制电路远远不能满足生产要求。
因为它体积大、耗电多、可靠性低，所以势必被维护方便、可靠性高、体积小、编程方便、成本可观的可编程控制器所替代。
本次设计的变频调速自动上料系统就是采用此种可编程控制器S7-200系列，它不仅可靠性高，而且操作、修改、扩展极为方便，提高了系统的功能与性能。
随着电力电子技术的不断完善,代表着大型电机软起动和速度控制发展方向的变频调速取得了巨大进展。
变频器是集电力电子技术、自动控制技术、计算机技术为一体的高科技产品,具有安全可靠、使用方便等特点,己被广泛应用于电机速度控制系统中,成为工业控制领域里应用广、发展快的新一代自动控制装置。
高炉上料中的卷扬电机的速度控制是上料控制系统的核心,采用变频调速己成为众多中小高炉上料系统中控制速度的首选方案,与传统的变电阻等调速方式相比,变频调速可有效避免料车失控发生飞车的现象,确保料车按照预定方式安全可靠地运行。
上料系统是保证高炉正常生产的命脉。
高炉冶炼原料必须通过上料系统的主卷扬料车输送到炉缸内，所以它的稳定和顺行直接关系到高炉的正常运行。
此设计详细介绍了控制系统的实现方法，包括工艺对控制系统的要求，控制系统的方案；
并阐述了整个控制系统的组成，主令和中央控制器在系统中的主要功能和作用，变频器的在高炉卷扬上料中的设定方法等，说明了该系统的应用效果及推广前景。
针对高炉上料系统上料小车工作流程和控制特性，详细介绍了系统组成，剖析变频器的控制技术，主从控制技术，机械制动控制技术，给出了变频器实践中具体应用和相关参数设置，并介绍了与PLC相结合,对速度控制和精确定位实现。
炼铁高炉上料系统控制中,上料小车控制是控制核心部分,它是生产工艺要求,把槽下备好不同料类和不同重量原料及时、安全、准确定位运送到高炉炉顶，保证高炉正常生产，一但控制出现故障，将直接影响高炉生产。
本设计从掌握和规划工业自动控制系统入手，以375m3高炉为对象，重点介绍如何通过可编程控制器和变频器来实现小车自动上料问题，明白小车自动上料的控制工艺和过程，熟悉如何利用主令控制器和PLC对载料小车运行模式的实现和变频器对载料小车运行速度的调节，从而做到系统完善与实现。
1.2高炉卷扬上料控制系统简介
1.2.1概述
卷扬上料小车是高炉（1000m3以下）及其它工业竖炉的主要设备之一，广泛应用于冶金、有色金属等行业。
卷扬上料小车在整个系统中起着至关重要的作用，该设备能否正常运行直接影响高炉炉况、产品的质量和产量。
根据生产工艺要求，启动载料小车的上升按扭信号后，卷扬电机控制载料小车按等加速度加速到最大速运行。
一段时间后进行一次减速料车运行于中速段，之后二次减速料车运行于低速段，最后进入停车段，延时倒料（此时另一个料车到达底部并开始延时装料）。
之后开始第二个周期过程。
整个上料周期根据炉况及产量而进行调整。
载料小车的运行模式由主令控制器和PLC来实现,运行速度由变频器调节。
可编程序控制器PLC是一种为工业环境下应用而设计的计算机，它应用微电子技术，按照用户编制的程序实现控制和数据处理功能的组合器件，由于其可靠性高、编程简单、易于维护而广泛应用于各种控制系统。
1.2.2高炉卷扬上料过程
高炉上料方式有两种，一是卷扬料车上料，二是皮带上料。
由于卷扬上料占地面积小、控制简单等优点，在中小高炉上料系统中应用广泛。
其主要过程为：
卷扬上料一般采用双车上料，各种原料经过槽下配料后存放在中间斗，料车到达料坑后，中间斗打开闸门把料放入料车,随后中间斗关闭闸门，当闸门关闭到位且炉顶设备准备好后，料车启动，经过由慢到快再到慢的上料过程，料车到达炉顶并卸料，完成一次上料过程。
1.2.3上料小车速度控制框图
高炉上料系统中卷扬电机速度控制系统由五个部分组成：
①主令控制器；
②PLC；
③变频器；
④卷扬电机；
⑤上料小车。
结构框图如图1.1所示。
图1.1控制系统的结构框图
1.2.4高炉上料自动控制系统的主要组成部分
高炉上料自动控制系统主要有以下几大部分组成：
1.称量自动化控制系统
是根据预先设定的定值而且称料具备上料的条件下（此时称料斗必须处在料空状态，且放料闸门处于关闭的状态），启动上料设备（振动带或电磁给料机）对称料斗受料。
当称重达到定值时，受料停止。
当接收到放料信号时（这时秤中都必须有料），相应的设备开启。
如闸门开启，送料皮带开启，将料输送到中间料仓到料车中。
当出现料空信号时，放料系统停止，相应设备停止工作，称重斗闸门关闭，称量自动化完成一个周期工作，这样周而复始的工作。
2.上料程序控制自动化
根据预先设定的上料程序，料车在具备条件的情况下（如料车有料而且程序要求上该种料）料车上行，当完成送料后，料车下行，上料完成一个周期的动作，这样周而复始的工作。
3.卷扬自动化
根据炉顶设备的要求，如料车已到炉顶，在大钟、小钟关闭的情况下，向炉顶小钟放料，放料完毕后，料车下行做第二次上料准备，这时大钟关闭，小钟开启，真正的向炉内加料。
我们通过称重仪表和上位监控程序控制系统、卷扬系统以及除尘系统组成了整个上料系统。
这一系统关键是了解工艺要求，根据工艺要求确定好工艺控制方案，并根据控制方案确定控制手段和选用硬件和编制软件达到上述目的。
该自动化控制系统控制全面，操作方便，显示直观，既能满足工艺提出的动态控制要求，又能体现投资厂技术先进的特点，而且经济效益显著。
本设计主要就卷扬上料自动化展开研究讨论。
1.3西门子S7—200简介
1.3.1概述
S7-200系列是一类可编程序控制器。
这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，图1.2是一台S7-200MicroPLC外形结构图。
由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强实用性。
S7-200系列适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
图1.2S7-200MicroPLC
S7-200系列出色表现在以下几个方面：
●极高的可靠性
●极丰富的指令集
●易于掌握
●便捷的操作
●丰富的内置集成功能
●实时特性
●强劲的通讯能力
●丰富的扩展模块
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
1.3.2一般特性
S7-200系列产品具有高性能的中央处理器和种类繁多的扩展模块，因其模块化的灵活设计而具有广泛的适用范围，同时具有极高的性价比。
S7-200无论单机运行，还是互相或者与其他设备组成网络，都具有优异的表现。
S7-200的主要性能有：
●快速的中央处理运算能力。
●极丰富的编程指令集。
●响应快速的数字量和模拟量输入/输出通道。
●操作便捷，易于掌握。
●强大的通信能力。
●丰富的扩展模块。
S7-200CPU集成了丰富的内置功能：
●高速计数器输入。
●短暂脉冲捕捉功能。
●高速脉冲输出。
●I/O硬件中断事件。
●特殊功能相关的中断功能。
●PID控制，PID自整定功能。
●支持多种生产工艺配方。
●数据记录（归档）。
此外，S7-200还支持以下功能：
●用户自定义的库指令，便于模块化编程。
●完善的密码和知识产权保护功能。
●在RUN状态下的在线编程能力。
●直接读/写实际I/O。
●可调整的数字量和模拟量的输入滤波。
●定义数字量和模拟量在STOP时的状态。
●多种数据保持设置。
●一个可由用户定义的LED状态指示灯。
1.3.3扩展模块
S7—200CPU为了扩展I/O点和执行特殊的功能，可以连接扩展模块（CPU221除外）。
扩展模块主要有如下几类：
●数字量I/O模块。
●模拟量I/O模块。
●通信模块。
●特殊功能模块。
1.数字量I/O扩展模块
数字量信号就是用电信号的有、无，分别表示控制逻辑上的“1”和“0”状态信号又称为开关量信号。
数字量I/O扩展模块专门用于扩展S7—200系统的数字量I/O数量。
EM221：
数字量输入扩展模块
EM222:
数字量输出扩展模块
EM223：
数字量输入/输出扩展模块
2.模拟量I/O扩展模块
生产过程中有许多电压、电流信号，用连续变化的形式表示流量、温度、压力等工艺参数的大小，就是模拟量信号。
这些信号在一定范围内连续变化，如-10~+10V电压，或者0/4~20mA电流。
S7—200提供了专用的模拟量模块来处理模拟量信号。
EM231：
模拟量输入扩展模块
EM232：
模拟量输出扩展模块
EM235：
模拟量输入/输出扩展模块
3.通信模块
S7—200系统提供以下几种通信模块，以适应不同的通信方式。
EM227：
PROFIBUS-DP从站通信模块，同时也支持MPI从站通信。
EM241：
调制解调器通信模块。
CP243-1：
工业以太网通信模块。
CP243-1IT：
工业以太网通信模块,同时支持Web/E-mail等IT应用功能。
CP243-2：
AS-Interface主站模块，可连接最多62个AS-Interface从站。
4.特殊功能模块
S7—200还提供了一些特殊功能模块，用以完成特定的任务。
例如：
定位控制模块
EM253，它能产生脉冲串，通过驱动装置带动步进电机或伺服电机进行速度和位置的开环控制。
每个模块可以控制一台电动机。
1.4变频器简介
1.4.1概述
变频器（frequencychanger/frequencyconverter）是一种用来改变交流电频率的电气设备。
此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。
变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。
过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。
随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。
1.4.2变频器的基本结构
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，主要是由主电路、控制电路组成。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
1.4.3变频器的分类
变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；
按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；
按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；
按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
1.4.4变频器中常用的控制方式
非智能控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
智能控制方式
智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。
在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。
1.5国内外发展现状
改革开放以来，冶金工业作为国民经济的基础产业，得到了迅速发展。
自1996年以来，我国钢产量己连续五年超过1亿吨。
冶金工业在历经了以数量扩张为主的发展时期后，进入了加速结构调整、提高竞争力为主的新阶段。
二十一世纪，钢铁产品仍将是人类社会最主要的不可替代的结构材料和产量最大、覆盖面最广的功能材料。
世界冶金工业结构调整步伐加快，生产的重心将由发达国家向发展中国家转移。
目前我国正处在工业化进程中，国民经济各部门的持续、快速发展和产业升级对钢铁产品的品种、质量提出了更高的要求。
加快我国冶金工业的结构调整，将具有重要意义。
中国的炼铁技术应该说与国外没有什么差距，问题是哪个国家能把这些技术运用好，哪个国家在炼铁领域就是先进的。
总体来说，非高炉炼铁在中国还不具备生产上的可行性。
而高炉炼铁在燃料消耗，铁水日产量上面都是非高炉炼铁目前无法比拟的。
非高炉炼铁能否取代高炉炼铁，实现以煤（或还原气）和矿石直接炼铁，达到取消焦炉和烧结机、
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