高炉上料自动控制系统.doc

河北联合大学

本科生毕业设计开题报告

题目： 高炉上料小车自动控制系统

学 院： 电气工程学院
专 业： 自动化
班 级： 10电2
姓 名： 张金山
学 号： 201001010226
指导教师： 王福斌
企业导师： 宋占贤

2014年 3月 4日

一、选题背景
我的毕业设计课题是针对正在实施的1080m³高炉上料小车进行软硬件设计、部分参与设备的生产、检验、安装和现场的调试，编制高炉上料小车的自动化控制软件。
1.高炉上料自动化的意义
钢铁是现代社会最重要的原材料之一,钢铁工业是国家的支柱产业之一,钢铁的产量和质量是一个国家发达程度和经济实力的重要标志,全世界对钢铁的需求量和钢铁的产量都随着经济的发展在不断增加,高炉是钢铁厂利用铁矿石作原料生产铁水的主要设备,而铁水是转炉炼钢的主要原料,因此高炉也是钢铁联合企业生产线中最重要的基础设备,高炉生产的优劣直接关系到钢铁联合企业的炼钢生产。由于高炉在钢铁厂处于喉舌位置,需及时和稳定地供应合格的铁水,故其稳定工作是很重要的。基于下列原因。
(1)工艺操作复杂，高炉生产需要正确的配料和及时装入炉内。保持煤气流与炉料良好的接触，使炉料均匀下降,维持一定炉缸热状态,这些工艺要求人工操作时很难达到。此外,高炉是密闭的,必须借助于许多检测仪表才能判断其内部情况,故自动化是必不可少的。
(2)原料用量大,运输量大,且要按严格的配比和顺序装入,没有自动配料装料和批重以及水分补正系统不仅耗费人力,且无法获得良好技术指标。
(3)设备要有高的运转率同时要长寿，例如要减少高炉的休风率,就得自动监视设备状态,出现故障先兆时就设法排除。
因此,炼铁自动上料生产应用自动化已经成为必然趋势,它不仅是炼铁工业现代化的标志,且投入产出比显著。
高炉上料装置是炼铁生产中的重要环节,提高其自动化水平,可以大大减轻工人劳动强度,提高生产效率,同时通过原料的精确配比,又可提升产品的品质和质量。采用传统的继电器控制方式可以实现对该装置的控制,但是体积大,故障率高,抗干扰能力差,控制不精确,使用寿命较短。采用现代PLC技术控制高炉上料装置,可以克服传统的继电控制系统的不足之处,使控制更精确,工作效率更高,可靠性更好,故障率更低。
2.高炉上料小车和上料皮带的比较
现今有些高炉有采用皮带自动控制的上料和小车自动控制上料两种方式。对于皮带上料方式，皮带上料能够满足持续的不断的上料，但是皮带上料运行时间长，因此运行费用高。功耗大、占地大、投资多。设备成本也相对上料小车更高
小车上料方式的缺点是不能连续不断的将原料投入高炉当中，其中有一小段的空余时间是没有小车往高炉内进料的。但上料小车具有较高的灵活性，对场地环境没有较高的要求，而且小车占地面积小，设备成本地，功耗相对于皮带上料也小很多。
在1080m³高炉建设项目中采用的则是小车上料的自动控制系统。
3.高炉上料自动化技术的现状
自动化包括:基础自动化、过程自动化、管理自动化三级,其中基础自动化是生产过程自动化中最底层，最基础的部分,由各种电子液压气动控制装置组成,承担各种生产工艺参数的计量检测和设备控制。过程自动化指的是利用计算机技术,实现对炼铁过程跟踪、生产过程控制等。管理自动化指的是对企业各种资源进行有效管理等。高炉上料自动控制系统所涉及的自动化为基础自动化。国内钢铁行业装备的基础自动化己经达到了较高的水平,根据中国钢铁协会统计,我国100%的高炉都实现了基础自动化。PLC、IPC、DCS等信息化装备已经被广泛应用于单一装备的控制当中。
高炉上料小车自动化系统主要由电气控制、仪表控制、计算机三部分组成(称为三电系统EIC),其功能分配如下:
(l)计算机是整个自动控制系统的人机界面,通过通讯装置采集生产数据,对生产工艺数据进行显示、加工处理、输出控制命令等;
(2)仪表系统是对高炉生产过程中的各种参数(压力、温度、流量、物位、成分等)进行检测与控制,以及进行主、副原料、铁合金等物理量的称量;
(3)电气系统用于对各执行元件(各种阀站，输送皮带等)进行动作控制,并实现原料装入顺序控制及各类安全连锁保护等。
小车上料的系统组成和工艺流程如图一所示。

图一 小车上料的系统组成和工艺流程

二、主要研究内容、应用价值、改进及创新
随着钢铁冶金行业的飞速发展，生产过程自动化的要求越来越高，但受到投资规模和高炉上料系统场地的限制，不少在大型高炉上已经成功应用的上料工艺与设备难以应用。而上料系统操作人员的劳动强度大，粉尘污染较为严重。因此只有提高我国高炉上料工艺设备，特别是大量中型高炉上料工艺设备才能提高钢铁生产过程中上料、卸料的效率，从而提高了生产能力。
1.其系统组成及工作过程如下：
料车上料机主要由斜桥、料车、卷扬机3部分组成。
斜桥上的料车行走轨道分为3段，料车按一定的速度图运行，料车在曲轨上运行要求平稳，钢绳张力要求无急剧变化，禁止出现严重冲击现象，以免料车进入炉内发生事故。
料车式上料机有足够的上料能力，能实现自动控制，并且运转可靠。
2.料车式上料机的结构特点（如图一）：
（1）工作过程中，2个料车交替上料。当装满炉料的料车上升时，空料车下行，空料车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的车厢重量。这样，当上行和下行两个料车用一个卷扬机拖动时，不但节省了拖动电机功率，而且，电机运转时，总有一个重料车上行，没有空行程。从而，使得电动机始终处于电动状态运行，免去了电动机处于发电运行状态所带来的种种问题。
（2）料车运动由卷扬机通过钢绳传动。当卷扬机反转时，空料车依靠自重返回，另一个重料车上行，重料车上行到顶空料车下行到底。下料的动作完全依靠机械的方式自动完成。
3.根据料车运动的工作过程，其工作特点是：
(1).能够频繁启动、制动、停车、反向；
(2).能按照设定的速度运行；
(3).平稳启动—平稳运行—稳定运行—减速--平稳运行—平稳停车，过滤时间段；
(4).能够广泛的调速，范围为0.20~2.05m/s；e.在进入曲轨即离开斜坑时不能有高速冲击，停车时稳定，精确定位，防止料车过头。
4.小车自动上料系统属于自动控制与手动控制相结合的系统。
手动：通过按钮控制其运行和停止，主要用于检修。
自动：由主令控制器和PLC联合控制变频器按照设定的速度曲线运行。因此，由主令控制器和PLC联合控制变频器具有故障保护，控制设备一备一用。
上行或是下行料车用一个电动机拖动，电动机正传，左料车（满车）上行，右料车下行；电动机反转，右料车（满车）上行，左料车下行。
为保证小车停车装料及下料正确，小车分为多段速度运行。各个变速点采用行程开关进行检测。各个信号进入PLC，由PLC对整个小车的装料、下料过程进行控制，大大提高了上料系统的自动化控制水平。
5.上料小车运行分析
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。
在实际生产中料车卷扬机一般有3档速度控制1次加速，2次减速，如下图所示，OA为料车启动并以等加速度加速到最大速度的加速段；AB为料车高速运行段；BC为料车的一次减速段；CD为料车的中速运行段；DE为料车的二次减速段。E点为上料小车停止点。

n

B
A

D

C

E

t
O

图二 小车上料速度—时间图
n:速度，t：时间

高炉上料系统主要设备的应用
在高炉上料自动系统中，发挥着主要作用的设备有变频器、PLC、卷扬机。下面对这三样器件做简单的功能介绍和在上料自动控制系统中发挥的作用。
A.变频器的应用
近年来，随着计算机技术和电子电力器件的迅速发展，电气传动和自动控制领域日新月异。其中，具有代表性的是交流变频调速装置获得了日益广泛的应用，它与传统的交流绕线异步电动机转子串电阻调速系统相比，具有如下特点：
（1）.启动电流小、启动转矩大、机械特性好、调速范围广、平滑性好。
（2）.矢量控制技术使得速度控制的精度大大提高，动态响应特性越来越好。
（3）.内置PID调节器，能够极为方便的构成闭环控制系统。
（4）.具有极强的自诊断和保护功能。能够对短路、过电流、过热、过电压、欠电压、接地等故障进行快速、有效的诊断和保护。
（5）.具有RS232C接口，能够实现与计算机、PLC之间的通讯，构成集散型控制系统。
变频器体积小、重量轻、精度高，工艺先进，功能较完善，保护齐全，通用性强，操作简便，易形成闭环控制，已成为当代电机调速的主流。变频器与PLC控制结合可提高系统的可靠性，所以，在该系统中拖动2个料车的电机采用变频器来控制。具体应用时需注意：
a.变频器的容量。高炉卷扬系统具有衡转矩特性，重载启动，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择，变频器的过载能力通常为倍/min。
因此，根据负载计算及电机容量，选同容量的恒转矩型变频器。是电动机在整个调速范围内，具有真正的恒转矩，满足负载特想要求。
b.制动问题。从料车的速度图可以看出，料车在减速或定位停车时，应注意选择相应的制动单元制动电阻，是变频器直流回路的泵升电压保持在允许范围内。
变频器在上料控制系统工作原理分析
主卷扬电动机电气传动属恒转矩频繁可逆四象限运行，重复性短期工作制，周期性起停加减速，主要是要求有足够的起动转矩和过载能力，对加减速时间尽管有要求，但一般不作为选择变频器容量的主要依据。一般通过核算电动机由变频器驱动时的起动转矩和负载转矩，并以电流值作为选择变频器容量的依据。电动机由变频电源驱动时，电动机输出的电磁转矩，除受变频器能够提供的电流影响外，还受变频器输出频率的影响。电动机以额定电流在低频运行时，转矩会有所降低。因此，应提高电动机在起动时的转矩，可以通过变频器的参数设定使转矩适当提升。
在变频器给出ON信号的同时，如果打开机械制动器，由于此时电动机还没有建立起足够的起动转矩，会造成溜车现象。而在高炉主卷扬机电气传动中，最严重的事故是料车出现溜车和掉轨现象，溜车严重时会造成一料车墩底，此时另一料车在炉顶弯轨上。因此，实际试车时，应以料车超重装料时反复调试，来设定变频器起动时的频率参数。待转矩建立达一定值时，变频器运行继电器得电，再打开机械制动器B，从而保证起动时不溜车。由于制动器打开时电动机转子才开始运转，为了防止变频器过电流，应对变频器转矩加以限制。
当出现料车在炉顶超极限时，变频器能得到超极限信号，并封锁变频器，使机械制动器B抱闸，立即停车。料车在接近炉顶之前，变频器接受到减速信号时，变频器由50Hz按设定的下降速率，使电动机开始制动减速，以低速慢爬行，以设定的停车前爬行速度运行，当料车到达炉顶点时，变频器给出OFF信号，电动机断电，同时机械制动器抱闸制动，从而使料车准确停车。另外，系统还设置有变频故障停车、故障复位、操作台急停控制，需要紧急停车时，变频器输入主回路断电，同时使故障继电器得电，制动器控制机械制动器动作，使料车立即停车。

变频器在上料系统优点总结
在高炉上料的电气传动中，应用变频调速控制系统，能够较好地改善异步电动机串电阻调速系统的能，可以较好地解决由于频繁地可逆起停切换运行对转子集电环、电刷的磨损大、附加电阻上的能量损耗大、功率因数较低，电动机的机械特性变软、电动机在起动和切换附加电阻时仍有较大的冲击电流、调试繁琐和维护困难等一系列问题。电动机采用变频调速后，尽管在低频起动运行时电动机的输出转矩会有所降低，但仍比转子绕组中串电阻方式起动时的机械特性硬。根据需要可适当地加入转矩提升功能。在应用中，只要注意机械制动器打开的时刻同最低运行频率及转矩电流的建立相配合，则完全能够胜任大起动转矩的负载特性要求。起车平稳无冲击电流，停车准确无冲程。机械设备和机械制动器的磨损小、钢丝绳使用寿命延长，滚筒紧钢丝绳工作的周期延长。线路行程开关由转子绕组串电阻的7对减少了3对，简化了控制，减少了对行程开关调试工作量，降低了成本。采用变频调速时，由于加减速时间的延长使得比转子绕组串电阻工作方式时间上增加约10％，但并不影响输送原料的总节奏。采用变频调速后，缓慢的起车和平稳的停车，减少了对机械的冲击；同时，通过对变频器参数的设定，能自动检测电动机定子给定频率和转子实际频率之差，在可能出现溜车和掉轨现象之前，能够在1~2s时间内及时地通过机械制动器给予停车保护，在实际的模拟试车中证明是行之有效的。
综上所述，在高炉上料的电气传动中，由于变频调速控制系统具有电动机参数自识别、参数自适应，自动调节等功能，因此调试方便，保护功能齐全，安全可靠。
B.PLC的应用
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
在小车自动上料系统中，使用PLC与变频器提高了设备的可靠运行和自动化程度，降低了设备维护量，且在生产过程中节省人力、减少中间环节，有效提高了生产效率。因此，PLC在小车上料系统中处于核心地位。如同大脑一样控制着整个系统按照一定顺序控制小车工作。其控制系统流程图如下：
开始

是否按动启动按钮
N

Y

N
N
右车检测
准许信号
左车检测
准许信号

Y
Y

右车下行
左车上行

N
N
右小车到
达下限位
左小车到
达下限位

Y
Y

小车停止

是否按动启动按钮
Y

N

结束

图3 控制系统流程图
三、拟采用的研究方法、手段及实验准备情况
对1080m³高炉上料自动控制系统项目的设计，我采用下图所示的步骤完成。
了解工艺

查明高炉上料系统的现状

设计自动化任务解决方案

确定方案

确定被控量
编写程序

确定控制方法

组态硬件

仿真调试

软硬联调

图4 研究方法顺序图

四、进度安排

时间

要求

内容
第一周
选题
《高炉上料自动控制系统》
第二周

查阅高炉上料自动控制系统相关资料并撰写开题报告。
3月4~12号
（第三周）
课题资料检索，进行开题准备，撰写开题报告。
在图书馆查阅相关资料，了解高炉炼铁的相关背景和工艺流程。
3月12日
（第三周）
向指导老师提交开题报告初稿
将写好的初稿给导师点评并进行修改。

3月12~14日
（第三周）
根据指导老师的意见对开题报告初稿进行改进。
对写好的初稿做出修改，争取达到最好。
3月14日
（第三周）
进行开题报告的答辩
准备开题答辩并做好答辩所需的PPT。
3月15~21日
（第四周）
改进开题报告，经过导师的审查后向学校提交。
再次总结自己开题报告的不足之处并进行修改，然后上交给学校。
3月21日前
（第四周）
向学校提交开题报告完成。

4月26日前
提交中期报告。
根据所写的毕业论文进度编写中期报告并提交。

四、参考文献（外文参考文献不少于2篇）
[1] 马竹梧.炼铁生产自动化技术.冶金工业出版社，2005
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