高炉防灌渣自动控制系统设计文档格式.docx
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ssurvey,thetechnicalprocesstocarryontheoutline;
Basedonthisintroducedindetaildialsthewindautomaticcontrolsystem'
scontrolplanaswellasPLCindialsinthewindcontrolsystem'
sapplication,hasincludedtheexaminationcontrolprincipleandtheflowchart,thecontrolsystemintroduction,theprinciplesummaryaswellashardware'
sshaping;
ElaboratedPLCinindustrialfield'
sapplicationsituation,introducedtheSimensPLCS7-200relatedknowledge,hasgiventhePLChardwareconfigurationandthesoftwareprogramming,carriedontocontrolsystem'
smovementhasmonitoredandhasgiventhemonitoringcontactsurface.Designsbasicallycanachievetheindustrialproductiontherequest,hasservedthisgraduationprojectpurpose.
KEYWORDS:
blastfurnace;
PLC;
airintakecontrolsystem
0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。
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。
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;
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
3350～3860
5765
0.46
（绝）
23（5500风机）
捷克
12AVA99B
3000～3700
5000
0.44
1.４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。
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0.1Mpa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2200m3,2#高炉容量为1513m3；
热电厂共有2台高炉鼓风机，1#鼓风机为6000m3/min，2#鼓风机为5500m3/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
高炉
风量（m3/min）
风压（Mpa）
（表压力）
高炉侧
风机吸入风量
1#
4250
4700
0.32
2#
4200
4800
0.326
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1200m3/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4500m3/min以上，折算到0.12Mpa风压所对应的风量为3060m3/min，即使拨出1200m3/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。
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0.15Mpa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0.15MPa时，才能发出送风管道压力低的冷风供应失常的信号。
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3600m3/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4000m3/min以上，风机出口风压达到0.25MPa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。
（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400
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