自控工程设计.docx

目 录
第1章高炉上料自控设计 1
1.1 概述 1
1.2高炉上料的工艺介绍 1
1.3 CAD流程图 3
第2章 高炉上料的工艺流程简介 4
2.1基本工艺 4
2.2工艺流程 4
2.3设计方案的选择 5
第3章 电气原理图的设计和电气元件的选择 7
3.1电气原理图的设计 7
心得与体会 11
参考文献 12

第1章高炉上料自控设计
1.1 概述
高炉是生产生铁的主要设备，全世界几乎99.9%的生铁都是用高炉生产的，因为高炉生产效率高、技术成熟、设备已大型化和长寿化。一座大型高炉年产量高达3.5Mt左右，一代炉役可达35Mt以上，可以说没有现代化的钢铁就没有现代的钢铁工业大生产。
1980年以前，我国高炉炉容在255m3以上的有90余座，这些高炉的特点是：炉顶大部分采用双钟马基式装料设备，炉顶压力一般为常压;料车（或料罐）斜桥卷扬机上料；炉前机械水平不高，几乎都用打泥压力不高的电炮和钻杆式开铁口机；人工换风口；在鼓风方面采用内燃式热风炉，风温在1000℃以下。原、燃料没有进行整粒；利用系数偏低（一般为1.5左右）。焦比高；车间环保条件差，灰尘多，噪音大，温度高。70年代末首钢2号高炉移地大修，采用皮带上料、无料钟炉顶、顶燃式热风炉、喷吹煤粉、计算机控制程序上料以及矮身液压泥炮、炉前消烟除尘等多项重大革新改革。80年代宝钢2号高炉是在消化吸收1号高炉引进技术的基础上，以国内为主自行设计、制造的大型高炉，是具有80年代水平的新设备。在此期间，国内新建的许多高炉或结合大修进行改造的高炉普遍采用新技术。
1.2高炉上料的工艺介绍
（1）供料：
天然的铁矿精粉运到原料现场，把一部分装入烧结车间贮矿槽，在烧结车间烧成烧结矿，由皮带运到炼铁车间装入料仓；另一部分运到竖炉车间贮矿槽，在竖炉车间烧成球团矿，由皮带运到炼铁车间装入料仓。焦碳由公司焦化厂和外单位运到焦碳现场，再由皮带运到高炉料仓。各种溶剂运到现场后由皮带上到高炉料仓。
（2）上料：
整个上料过程计算机控制，包括各种原料配比、八个料仓的振动机启动和停止、四条皮带启动和停止、计量料斗中原料的重量、料斗的料门开和闭、小车加速、高炉炉顶下料。高炉料仓输出的各种配料经皮带送到称量料斗。然后下到小车，由主卷扬机拖动，上到高炉小钟。炉顶的设备由计算机控制下料。

高炉的供料、上料和炉顶装料的简介：
高炉的供料、上料和炉顶装料系统是高炉的重要组成部分，各系统各种性能的好坏，将直接影响高炉的生产。
1. 供料系统：
其直接任务是按照冶铁工艺要求，把矿、焦各种原料、燃料按照一定的料比，根据规定的程序向上料机供料，该系统主要设备包括：
1) 料仓：位于卷扬机一侧，与炉列并行，设置在料坑上方。其功能是为高炉生产储备足够的原料。
2) 给料器：它是装料的第一步，物料靠重力落到给料器上，给料器运动迫使物料向外排除，排除到称量漏斗或皮带上。
3) 称量漏斗：称量原料，并组成一定的料批用皮带运到料斗中。
4) 皮带运输机：把各种原料运送到高炉下的料斗中贮存起来，再由料车把料拉到炉顶的小钟中。
5) 料斗：为料车贮存原料。
6) 振动筛：高炉“吃”精料是实现高产、高质量、低耗的物质基础，精料的重要措施之一就是整料，即焦碳和矿料经过震动筛筛分，去除小于筛孔尺寸的碎粒，提高料柱的透气性和改善矿石的还原速度。
2. 上料系统：
上料系统的任务是把高炉冶炼过程所需的原料从地面提升到炉顶并倒入炉内。我们采用的是料车上料机。
3. 炉顶装料系统：
炉顶装料系统是用来装入原料，并使炉料在炉内得到合理分布，同时又起到炉顶密封的作用。双钟式炉顶是目前国内中小型高炉上使用较多的装料设备。它有下列主要设备组成：
受料料斗：使用来承接从料车卸下的炉料，并将炉料由下口排入布料器。
均压装置：就是使钟室{大、小料钟之间的封闭空间}进行充压和泄压的机械设备。它由两组管道和阀门组成：一组由洗涤塔后引出的高压半净煤气管道及其阀门，称为均压管和均压阀，作为钟室的充压装置：另一组是由钟室通向外界大气的管道和阀门，称为放散管和放散阀，作为泄除钟室压力的装置。
小钟料斗及小钟：小钟料斗是用来承接布料器排下的炉料，小钟的上下运动来完成向大钟料斗的装料。
大钟料斗及大钟：大钟料斗是用来承接小钟排下的炉料，大钟的上下运动来完成向炉喉装料和布料的任务。
探料装置：高炉内料面的高度称为料线。料线位置是达到准确布料和高炉正常工作的重要条件之一，探料装置可以准确、及时地探测和掌握炉料在炉喉的下降速度和料线位置。

1.3 CAD流程图

第2章 高炉上料的工艺流程简介
2.1基本工艺
现以安钢永通铸管3#高炉为例来说明高炉的上料工艺。
3#高炉的技术参数：
容积：120 m3
有效容积：117 m3
炉顶设备：钟阀式炉顶
料车容积：1.25 m3
卷扬机:额定卷扬能力4T,最大卷扬能力5T
2.2工艺流程
高炉的料仓是以高炉为中心线左右分布的，即左、右各四个料仓。八个料仓中分别装着烧结矿、球团矿、焦碳、溶剂、杂矿等。料仓下有四条皮带，中间有一个称量料斗。如图2-1：

图2-1 料斗示意图
整个上料过程由计算机控制或人工控制：首先按配比方式启动料仓下的皮带，再启动料仓下的振动筛，料仓中的原料经振动筛筛选后下到滚动的皮带上，再送到中间的称量料斗，料称量达到要求后，停振动筛和皮带。并且小车必须在底时打开料斗料门，料下到小车中。料斗料门关闭后并且小钟处于关闭时变频器控制的主卷扬机启动，小车到顶前5-6秒时，打开小钟，到顶后向大料斗装料一车，小车向下行5-6秒后，关闭小钟。如此重复上料，一批料或满足炉况要求后。
打开均压阀6-9秒，再开密封阀、截料阀，下料开启7-9秒。关闭时，先关均压阀，再关截料阀和密封阀。
高炉的炉顶配有左右两个探尺，用于测量高炉内的炉料位置。它由两个三相电机带动卷筒上的钢丝绳拖动，安装在小钟的两侧。探料时，启动电机，探尺靠自重下降到炉内的料面上，由钢丝绳伸出的长度可知料面位置。探完后，利用电机反转提出探尺到零位。
2.3设计方案的选择
电气控制设计的主要原则是在最大限度上满足生产机械的工艺要求，力求可靠、安全、简单、经济。电气设计的主要任务是：选择拖动方案及控制方式，在此基础上进行原理图设计和一系列的工艺图设计。电气控制原理设计的任务是保证生产机械拖动要求，控制要求和系统主要技术指标的实现。
2.3.1 交、直流电力拖动方案的选择：
生产机械电力拖动方案应根据生产机械的传动要求和调速性能指标确定，由此去选择相应的拖动电动机类型、容量和数量，确定控制要求。一般情况下，尽可能选用三相笼型异步电动机。
（1）上料系统
高炉冶炼对上料设备有下列要求：
有足够的上料能力，不仅满足目前高炉产量和工艺操作（如赶料线）的要求，还要考虑生产率进一步增长的需要。
l 工作可靠耐用，保证高炉连续生产。
l 有可靠的自动控制和安全装置，最大程度的实现上料自动化。
l 结构简单，维护修理方便。
上料设备对料车卷扬机的要求：
l 由于料车是满载启动，所以应有足够的启动转矩。
l 能够频繁的启动、制动、停车、反向。
l 能够广泛的调速。
l 启动与制动过程中，要求转速平稳，时间短。在进入卸料曲轨段及离开料坑时不能有高速冲击。
2.3.2控制方案的选择：
控制方式是根据生产机械对自动化程度的要求，去选择简单、经济、安全、可靠的控制方式。
目前应用于工业控制的方式有继电器控制，计算机控制，可编程控制。下面我们进行比较和选择。
1. 继电器控制：
它是一种传统的硬件逻辑控制，系统结构复杂，故障诊断与排除非常困难，平均修复时间较长，继电器的控制功能被固定在线路之中，功能有限，不易修改，灵活性差，定时精度较差，实现计算机功能很困难，程序选择不方便，但成本低。
2. 可编程控制器：
它是70年代的集成电路，计算机技术基础上发展起来的新型工业控制设备。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑去运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字和模拟式输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。与别的控制设备相比，它具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。它引入了微处理器、半导体等新一代的微电子元件，并用规定的指令进行编程，能灵活的进行修改。
计算机控制：
计算机控制功能多，控制精度和自动化程度高，但对环境条件要求较严，易受干扰。
本次设计只对继电器控制部分进行设计，工艺程序联锁主要靠可编程控制器的设计来完成，比较重要的方面采用可编程控制器和继电器控制双重联锁来实现。

第3章 电气原理图的设计和电气元件的选择
3.1电气原理图的设计
电气原理图的设计应重视设计、使用和维修人员在长期实践中总结出来的许多经验，使设计线路简单、正确、安全、可靠、结构合理、使用维修方便。
3.1.1高炉上料系统料车控制电气原理图：
主卷扬电动机的选择：
由于绕线式异步电动机比鼠笼式异步电动机有较好的启动性能和较大的过载能力，所以采用绕线式异步电动机。
绕线式异步电动机的主要参数为：
型号：YZR355M-10
电压：AC380V 50Hz
功率：72KW
定子Y接：380V 456A
转子Y接：330V 134.5A
1） 主卷扬机的制动电动机的选择：
选用微型三相异步电动机
它的主要参数为：
型号：ASF102A
电压：AC380V 50Hz
功率：250W
转速：2800 r/min
2） 变频器的选择：
选择变频器型号时，只有变频器额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量，负载总电流不超过变频器额定电流，是选择变频器的基本原则。
富士ERENIC 5000G11系列变频器是一款性价比较高的高功能型U/F控制通用变频器，它有如下特点：
① 有丰富的保护功能，启动时对地短路检测的保护功能，还有很多其他更强的运行功能和操作简便的特点。
② 全容量范围内的高载波频率变频使变频器、电动机系统噪音低，转矩脉动小。
③ 在1Hz时，可得到180%以上的启动转矩，对负载实现全范围内的自动转矩补偿。在无速度时，可控制速度波动。能适应负载的急剧变化，提高了速度的稳定性。
④ 对话式的操作显示系统在使用手册时进行操作，而且英文/日文可转换显示。
⑤ 为了使用方便，设置了参数自动调谐功能、自动节能功能、输入/输出端子功能，可自由转换使用RS485和RS422通信功能等。
综上所述，我们选择的变频器为：富士 FRN90G11S-4CX
主要参数为：
输出: 3PH 380∽460V 0.1∽400Hz
134KVA 176A 150%min
输入： 3PH 380∽440V/50Hz 380∽480V/60Hz
160A
变频器的附件：
制动单元: 型号：BV110-48 输入：DC 800V 输出：110kW
制动电阻：型号：DB45-4B 输入：DC 800V 输出：45kW
3） 主电路的设计：
① 采用空气开关2QF1保护主回路的过载、过电流、短路和对地。
② 接触器2KM1是为了在停车时将电动机的电源完全切断，从而保护变频器。如果没有接触器2KM1，有可能在停车时电动机上带有一相电。
③ 采用两台同型号的制动器使主电动机和减速机同时制动，并且使用一个接触器2KM2来控制。
④ 由变频器来控制主电动机的启动、停止、正转、反转、一级加速、二级加速和三级加速。并且利用变频故障来保护主电动机。
4） 控制电路的设计：
控制电路比较复杂，其中包括自动控制电路、智能主令控制电路、变频器控制电路和主电动机抱闸控制电路等。其中所有的中间继电器线圈电压采用直流24V来控制，接触器线圈电压采用交流220V来控制。下面对各电路分别进行介绍：
① 智能主令控制回路：
利用现场减速机上安装的旋转遍码器送来的信号到控制主令的PLC，PLC经过判断处理和控制后输出信号到中间继电器的线圈。其中中间继电器2KC21为下行超极限信号、中间继电器2KC22为车到底信号、中间继电器2KC23为一级加速信号、中间继电器2KC24为二级加速信号、中间继电器2KC25为三级加速信号、中间继电器2KC26为车到顶信号、中间继电器2KC27为上行超极限信号。
② 急停控制：
我们加入主令开关2SA0用来保护小车的运行。平时一直打到开的位置，一但小车在轨道上运行时出现故障（如掉道、飞车等），马上打到关的位置。
③ 变频器保护回路：
我们把中间继电器2KC1的常开触点串在主回路中，只有当该回路导通时，高炉上料系统料车控制回路才导通。
只有当小车上、下行不超极限时，该回路才能导通。线路的工作过程如下：按下启动按钮2SBO,中间继电器2KC1通电并自锁，中间继电器2KC1的常开触点闭合，接触器2KM1通电，该回路导通。按下停止按钮2SB1或当小车上、下行超极限（即智能主令控制回路中的中间继电器2KC21和2KC27线圈得电，变频器保护回路中它们的常闭继开。）中间继电器2KC1断电，该回路断电。
保护回路复位按钮2SB8的作用：当小车上、下行超极限时，常开点2KC27和2KC21不会闭合。我们加入复位按钮2SB8，使高炉上料系统料车控制回路导通。
④ 主电动机的抱闸回路：
该回路中2KC5为变频器运转中间继电器的常开触点。2KC10为变频器故障中间继电器的常闭触点。只有当变频器运转和没有故障时，该回路才导通。控动电阻和制动单元的作用是在料车减速时用于吸收电动机再生制动的再生电能，提高电动机的制动能力。
⑤ 三级加速的设定（即料车在各阶段变频器的频率设定）：
基速（即料车启动时的频率）：15Hz
一加速：25 Hz　二加速：35 Hz　三加速：50　Hz
单独实验控制回路时，必须将2QF1断开，否则可能使料车在道轨上掉道和在炉顶冲出道轨。
⑥ PLC输入回路：
当小车在底时，智能主令回路中的中间继电器2KC22的线圈得电，它的常开触点闭合，PLC输回路中的中间继电器2KC7的线圈得电，它的常开触点闭合，使输入模块导通，PLC得到小车在底信号。
小车在顶信号用中间继电器2KC26和中间继电器2KC6控制，原理同上。
⑦ PLC输出回路：
当条件满足小车可以上行时，PLC的输出模块送电，使中间继电器2KC8的线圈得电，它的常开点闭合，小车上行。

型号
额定工作
电压（V）
额定工作
电流（A）
AC3类使用类别下的
额定控制功率（Kw）
约定发热
电流（A）

CJ20-10
220
10
2.2

10
380
10
4
660
5.8
7.5

CJ20-16
220
16
4.5

16
380
16
7.5
660
13
11

CJ20-25
220
25
5.5

32
380
25
11
660
14.5
13

CJ20-40
220
40
11

55
380
40
22
660
25
22

CJ20-63
220
63
18

80
380
63
30
660
40
35

CJ20-100
220
100
28

125
380
100
50
660
63
50

CJ20-160
220
160
48

200
380
160
85
660
100
85
表Ａ　CJ20系列交流接触器的主要技术参数

心得与体会
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

参考文献
[1] HG/T20636～20639-1998，化工装置自控工程设计规定(上下卷)[S] .
[2] GB/T2624-1993，流量测量节流装置 [S] .
[3] 奚文群，翁维勤.调节阀口径计算指南[M].兰州：化工部自控设计技术中心站，1991.
[4] 董德发，张天春.自控工程设计基础[M].大庆：大庆石油学院，1999.
[5] 王骥程，祝和云.化工过程控制工程[M] .北京：化学工业出版社，2003.

12