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1、目 录1 绪论.11.1 选题背景及意义.11.2 国内外研究现状及发展史.11.3 课题来源 .21.4 设计主要内容及发展前景 .21.5 本章小结 .32 方案论证.42.1 高炉探尺的简介 .42.2 高炉探尺系统组成 .52.3 高炉探尺的工作原理 .52.4 本章小结 .93 系统硬件电路的设计与选型103.1 PLC 选型 103.2 西门子 6RA7018.183.3 低压电器的选型 223.4 系统硬件设计 263.5 本章小结 284 系统软件设计294.1 程序流程图 294.2 程序设计 294.3 6RA7018 设计 324.4 加压站监控组态设计 334.5 本章
2、小结 37结 论38参考文献39附 录 A 电气控制图401 1 绪论绪论1.11.1 选题背景及意义选题背景及意义我国是钢铁生产、出口大国。高炉是钢铁生产的主要组成部分，高炉探尺能否准确、实时反映炉内物料决定了该高炉能否安全生产。物料过多或者过少都会发生危险，轻则减产浪费原料，重则发生爆炸，严重影响生命安全和经济发展。所以研究高炉探尺的意义重大而深远。老式探尺采用传统的空开、接触器和接触调压器驱动形式。工作过程为：提尺时电机定子接入电网额定电压，电机正转；放尺时通过接触调压器使电机定子接入几十伏左右的电压，改变供电相序，电机反转，重锤下放。老式探尺存在问题：1）放尺不畅，电压波动时，放尺速度
3、波动，经常需手动干预。2)放尺过程采用小电压且使电机向下转，易松绳，乱绳和倒锤，烧锤。3）不能很好跟踪料面，影响及时向炉内布料。4）更换重锤时，调试时间相对长。5）对重锤重量偏差要求较严。6）需经常维护，控制精度低,调试难度大，故障率高维护工作量比较大。新型高炉探尺工艺控制过程，新型高炉探尺采用直流调速电机传动，低速恒转矩控制。高炉探尺作为监视和控制高炉内料位的重要设备，其控制的关键点在于准确地进行料面跟踪。新探尺的优点：1)保证探尺的重锤在下放过程中能均匀、顺畅、可控的下放。2)重锤在下放到料面后，“浮”在料面上，重锤不倒不歪，随着料面的下降自动平稳地下降，即一直“浮”在料面上，保持力矩的动
4、平衡。3)探尺重锤可控稳定地快速提升。4)探尺重锤可控、准确、平稳地停车。5)随着电机的发展高炉探尺控制将越来越精确准确1。1.21.2 国内外研究现状及发展史国内外研究现状及发展史可编程控制器（PLC）的发展。可编程逻辑控制器 PLC 出现在 60 年代末，由于工业生产从大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产方式。而当时大规模生产线的控制电路大多是继电器控制系统，难以改变生产程序，且体积大、耗电多、可靠性低。对此，美国通用汽车公司 GM 于 1968 年提出编程方便，现场可修改程序维修方便的插件式结构。数据可直接输入管理计算机的可靠性高于继电器控制装置。1969 年，美国数字设备公司（D
5、EC）制成了世界上第一台可编程控制器 PDP-14，它在美国通用汽车公司汽车装配线上的应用成功，立刻引起全世界的关注，开创了 PLC 在工业上使用的新时代。我国从 1974 年开始研制，1977 年开始工业应用。高炉探尺发展。以前探尺的电机型号为 YZR 系列,额定功率有以下几种2.2KW、3.7KW、4.0KW、5.0KW 等，额定频率 50HZ，额定转速 970 转/分左右，Y 接线方式，定子额定电压 380V。传动采用传统的空开、接触器和接触调压器驱动形式。新型探尺采用全数字直流调速技术，直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电
6、转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。能够保证探尺稳定运行。现在国内主要是用德国西门子和美国 AB 公司的直流调速器较多。国内这方面技术还不是特别成熟。21.31.3 课题来源课题来源本课题来源某公司已完工的高炉项目，并且已经正式投产，经过半年多时间未出现异常状况。针对老式探尺中出现的不能稳定运行，维修、操作困难，不能精确测量高炉中的物料。我们采用了西门子的直流调速
7、器来控制探尺，直流调速器能够直接跟 PLC 直接通讯，缩短响应时间；能够保证探尺长时间稳定运行，监控更能保证实时性，维修维护方便。所以改进探尺是非常必要的。这也是本设计的研究的意义。 1.1.4 4 设计主要内容设计主要内容及发展前景及发展前景高炉料位探测系统是采用直流电机拖动重锤来进行料位探测的。直流电机具有良好的调速性能，但高炉生产情况千变万化，随着气流、风温 、料位和料种的不同，要求料位探测系统在高炉冶炼过程中，保持稳定的料线是准确布料和高炉正常工作的重要条件之一。料线过高，对料位设备是危险的；料线过低，会使炉顶煤气温度显著上升，对炉设备的寿命造成不利影响。为了获得高炉装料的可靠依据，必
8、须准确探测炉料位置。它具有较高的可调性。因此采用直流调速器控制的高炉料位探测系统是非常必要的。实现了 Siemens s7400 PLC 和 6RA70 直流调速器的综合应用。该探尺控制系统很方便的实现了高炉料面的探测，满足了高炉系统的工艺要求。系统自投人运行以后将一直稳定运行，对高炉稳产、高产起着重要作用，能够取得较好的经济效益和社会效益。将来高炉探尺将都是用直流调速转矩装置和 PLC 代替。1.51.5 本章小结本章小结 本章简单介绍了探尺和 PLC 的发展前景，简述了研究内容和研究的意义以及研究的前景。2 2 方案论证方案论证2.12.1 高炉探尺的简介高炉探尺的简介高炉智能探尺是根据长
9、期的高炉自动化现场施工经验，为满足高炉炼铁工艺的需要，精心研制开发的一种运行可靠，测量精准,调整方便快捷，集智能数字主令控制器、探尺卷扬机、直（交）流调速系统为一体的综合测量产品，系统维护量小，使用方便,造价低廉，输出标准信号。探尺的机械卷扬部分以他励直（交）流电机驱动，配以特别设计的减速机实现速度和力矩变换，可以对提尺、放尺过程实现稳定的速度及力矩调节，实现探尺的精确控制，本产品使用过程中不出现倒尺和钢丝绳松圈的故障。探尺的测控部分选用西门子 S7-400 系列的 PLC 组成逻辑控制单元，采用触摸屏做为人机界面，可实现探尺运行数据的动态显示。采用绝对型位置编码器可实现系统掉电情况下的位置记
10、忆，系统输出当前料位及料速 4-20MA 标准信号，可供上位机显示使用，同时还输出“到料线”、“到零点”、“到下限”的干结点信号输出。因此可以非常方便地与可编程控制器(PLC)或集散系统(DCS)连为一体从而完成高炉主控与现场产品的完美结合3。此工艺为当探尺在零位时，打开下密封阀，再打开节流阀开始放料，当放料完成，关闭节流阀，关闭密封阀，探尺下降，当到达物料时随物料下降，探尺与料面成一定角度并且实时保持这个角度，直到探尺到达下限位，开始提尺。探尺工艺流程图如图 2.1 所示。图 2.1 探尺工艺流程图 2.22.2 高炉探尺系统组成高炉探尺系统组成探尺是长度 70cm 的重锤，下卷扬，上卷扬，
11、直流调节器 6RA7018（自带编码器），减速器，开关阀门及其他的电气设备。2.32.3 高炉探尺的工作原理高炉探尺的工作原理准确测量物料位置是保证高炉正常工作的重要条件，工作过程如下，电机运行时带动重锤上升或是下降，通过采集编码器的脉冲换算出探尺的位置，其系统图如图 2.2，探尺为铸钢圆柱重锤， 由电动机拖动上卷扬，上卷扬通过钢丝绳拖动下卷扬，下卷扬与滚筒同轴转动，滚筒与重锤通过高温链相链接。图 2.2 系统图高炉探尺系统有三种工作状态：提尺、放尺和料面跟随。其系统图如上图。下面分介绍这三种状态，来说明探尺的控制原理。要求在直流电机轴端安装增量码盘作为位置检测元件。电机机轴端接多圈绝对值码盘
12、，信号经高速计数器接口进 PLC，由 PLC 进行处理读出探尺的高度，作为检测探尺位置的信号。提尺：探尺处于提尺状态时,电动机正转，如图 2.2.1 所示。 Md 为电动机电磁力矩, Mg 为重锤重力矩，Mf 为系统静摩擦力矩， v 为提尺速度。当重锤以v 匀速上升时，电动机电磁转矩 Md =Mg + Mf ,电动机电磁力矩和电动机转向相同,为驱动转矩，可控硅处于整流工作状态，如图 2.2.1 所示。 MdMf MgV图 2.2.1 提尺状态放尺:探尺处于放尺状态时,电动机反转,如图 2.2.2 所示。当重锤以 v 匀速下放时，电动机电磁转矩 Md = Mg- Mf ,电磁转距与电动机转向相反
13、，为制动转矩,电动机处于制动状态，可控硅处于逆变工作状态。Md MfMgV图 2.2.2 放尺状态跟随料面:当重锤下放至料面时,被料面挡住,停在料面上，如图 4 所示.电动机电磁转矩 Md = Mg - Mz ， Mz 为料面对重锤的支持力矩。电动机处于堵转状态，可控硅处于整流工作状态。当料面下降， Mz 减小甚至为 0 时，在 Mg 的作用下，电动机反转，可控硅又进入逆变工作状态4。Md MkMgV图 2.2.3 跟随料面重锤下降直到重新停在料面上，这个过程就是重锤跟随料面。此时，可控硅处于整流和逆变频繁转换过程中。探尺的跟随性是判断探尺系统好坏的一个重要因素。如 Md 太小， Mz 偏大，
14、重锤容易发生倾倒现象,探尺就不能反映料面的真实高度。如 Md 太大，Mz 偏小，重锤就不易完全跟随料面，发生重锤悬浮现象,探尺也不能反映料面的真实高度。实际应用中,这两种情况都是不允许出现的3。直流调速器可以对 PLC 系统发出的关于提尺和放尺的开关量信号，进行很好地执行。同时，对于放尺力矩信号，PLC 系统也能很好地进行控制。探尺的放尺控制是决定探尺控制好坏的关键，放尺控制不仅要求探尺要对料面进行实时地控制， 同时也要求探尺的重锤不能出现倒锤的现象。当探尺需要下放时，由 PLC 的控制系统下达放尺的信号，与此同时，PLC 系统会根据料线的位置自动地检测出克服重力的力矩，由于探尺在高炉内的位置
15、不一样，因此下放时需要克服的重力也是不同的。需要由 PLC 进行自动地调节控制。料线越深，重锤受到的重力影响就会越大，PLC 提供的力矩就需要越大，根据探尺下放的曲线，可以精确地计算出探尺的控制数学模型，得到力矩与料线之间的一次方程。PLC 就可以根据这个数学模型，计算并且发出相对应的下放力矩。由 PLC 系统控制直流调速器进行自动放尺，在探尺接近料面时，仍然需要保持一定电机所需要的提尺力矩，让其保持直立的状态。这种控制的方法，解决了以往直流调速器只能进行固定力矩下放 ，造成了探尺出现倒锤或者是无法反映实时料面的情况等诸多缺点。采用 6RA70 的优点：（1）与原交流能耗制动相比，西门子 6R
16、A70 直流调速装置采用全程可视性数字调节，对速度和转矩进行调节和控制，配置相应的直流电动机，整流变压器等。生产时，探尺提、尺放尺等开关量信号由上位机通过 PLC 给定，同时数控通过自身的输出端子可以输出状态信号：如在提尺、在放尺、故障等开关量信号及电枢 的电流、电压等模拟量信号，探尺下放提升速度，高低度位置，所有这些信号都通过系统 PLC 在值班室电脑画面上显示，直观易懂，方便操作人员实时监控，以及出现故障易于及时判断和处理。( 2 ) 同时从安装硬件上来说其结构紧凑，体积小。装置内装有调节插槽板，各个单元易于拆装，使检查，维护变得简单易行。外部信号连接的开关量输入、输出，模拟量输入、输出，脉冲发生器等，通过插槽端子排实现，装置软件存放 去(Flash)一 EPPOM 内，通过串行接口写入可以方便的更换，无需调速电阻，并具有自诊断功能。( 3 ) 在实际运行中抗干扰能力强，调速平稳，精度高，软硬件结合控制，大 大提高系统运行的稳定性和可靠性。装置接口卡实现 PLC 控制，组成自动化程度很高的控制系统，而且在运行中省电、节能、环保，从
