xxxxx corex爐烘爐小車聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制的改造2014年11月1日

1、 1維維修修電電工技工技師專業(yè)論師專業(yè)論文文烘爐小車聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制的改造烘爐小車聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制的改造姓 名： xxx職 業(yè)： 維修電工鑒定等級(jí)： 技 師單 位： xxxxxxx2014 年 10 月 7 日 2烘爐小車聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造烘爐小車聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造姓名：xxxxxxxxxxx摘 要:本文是關(guān)于八鋼 1#corex 爐烘爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， COREX 爐烘爐升溫過程是一個(gè)具有多變量、非線性、分布參數(shù)、快過程和慢過程交織在一起等特點(diǎn)而復(fù)雜的控制對(duì)象，為了保證 COREX 爐砌體的嚴(yán)密性，必須按照 COREX 爐硅磚膨脹規(guī)律在烘爐前制定烘爐升溫曲線,嚴(yán)格按計(jì)劃升溫。僅僅靠人工手

2、動(dòng)操作烘爐方法，溫度控制不準(zhǔn)確、烘爐質(zhì)量難以保證。本文設(shè)計(jì)烘爐小車自動(dòng)控制系統(tǒng)采用模糊 PID 算法進(jìn)行爐溫自動(dòng)控制，提高了控制精度，實(shí)現(xiàn)爐溫的自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)處理。關(guān)鍵詞: 烘爐小車、PID、PLC 自動(dòng)化控制 3目 錄摘 要.2引 言.4一、烘爐小車手動(dòng)控制分析.51. 烘爐小車手動(dòng)控制的不足：.5二.、項(xiàng)目改造實(shí)施技術(shù)要求.61.控制功能描述： .62. 技術(shù)難點(diǎn)：.7三、系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .71.閉環(huán)控制系統(tǒng) .72.PID 原理 .73. PLC 的 PID 控制器實(shí)現(xiàn).7四、硬件的設(shè)計(jì) .81. PLC 系統(tǒng)設(shè)備選型 .7五、軟件的設(shè)計(jì) .101.I/O 地址表分配 .102. 自動(dòng)化軟件

3、開發(fā)實(shí)施過程.103. 自動(dòng)化軟件開發(fā)實(shí)施過程.104. 程序的開發(fā).13結(jié) 論 .14參考文獻(xiàn) .14致 謝 .14 4引 言：corex 爐又稱為熔融還原煉鐵裝置，具有流程短、污染低等優(yōu)勢(shì)，是對(duì)傳統(tǒng)高爐煉鐵技術(shù)的一次革命，當(dāng)前，世界上先后投產(chǎn)了 C1000 型爐和 C2000 型爐，寶鋼股份羅經(jīng)工程在世界上首家采用 corex C3000 型爐，設(shè)計(jì)產(chǎn)能擴(kuò)大到 150 萬 T，全世界年產(chǎn)量最大的 corex 爐在寶鋼建成，八鋼和寶鋼合并后寶鋼股份將羅經(jīng) corex C3000 型爐搬遷至八鋼，標(biāo)志著八鋼非高爐煉鐵進(jìn)入一個(gè)全新的階段。 corex爐的本體內(nèi)襯在砌筑過程中耐材及灰漿中含有大量的

4、水份，而corex生產(chǎn)自投產(chǎn)開始就一直處于高溫的工作環(huán)境，是一個(gè)長(zhǎng)期高溫工作的密閉容器，并且要盡量維持平穩(wěn)的溫度。為了使內(nèi)襯耐材盡快適應(yīng)corex爐內(nèi)的冶煉環(huán)境，并發(fā)揮出保護(hù)corex本體的作用，在corex點(diǎn)火之前，必須進(jìn)行烘爐作業(yè)，以徹底去除本體上的絕大部分水份，使corex順利點(diǎn)火投產(chǎn)。本系統(tǒng)的烘爐設(shè)備為安裝在風(fēng)口的 11 組和粉塵燒嘴 4 組烘爐燒嘴，利用焦?fàn)t煤氣燒嘴燃燒產(chǎn)生的溫度，逐漸將本體中的水份升溫，最終以水蒸氣的形式從排氣孔以及廢氣排出口排走。本項(xiàng)目改造根據(jù) 1#corex 爐烘爐工藝控制需求及連鎖條件，結(jié)合現(xiàn)有羅涇搬遷烘爐設(shè)備完成系統(tǒng)軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電氣、自動(dòng)化控制，集中監(jiān)控

5、升溫曲線，設(shè)定煤氣流量達(dá)到按照預(yù)定升溫曲線進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制。烘爐燒嘴布置圖 1 5一、手動(dòng)控制燃?xì)夂鏍t小車的分析1.烘爐小車手動(dòng)控制的不足烘爐小車手動(dòng)控制的不足目前，在我們八鋼新建的高爐烘爐都是先用焦?fàn)t煤氣先烘熱風(fēng)爐，而后用熱風(fēng)爐的熱風(fēng)烘高爐本體，corex 爐在寶鋼羅經(jīng)采用天然氣使用烘爐小車遠(yuǎn)程監(jiān)控集中自動(dòng)控制烘爐，如采用手動(dòng)控制烘爐小車進(jìn)行烘爐這種方式有以下不足：1.11 操作工必須長(zhǎng)時(shí)間工作在現(xiàn)場(chǎng)，距工作點(diǎn)近，注意力高度集中，精神高度緊張，勞動(dòng)強(qiáng)度大，易疲勞，長(zhǎng)時(shí)間安全操作無法保證；現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制 15 臺(tái)燃?xì)夂鏍t小車的各個(gè)閥門需要大量的人員，由于 烘爐使用的是焦?fàn)t煤氣，控制閥門使用的氮?dú)?/p>

6、，都是有毒有害氣體、再加上 熱氣、粉塵、，使工作環(huán)境更加惡劣，嚴(yán)重威脅操作工身體健康，存在一定安全隱患，也容易發(fā)生煤氣中毒及氮?dú)庵舷⑷藛T傷亡等。1.12 手動(dòng)控制煤氣的點(diǎn)火和燃燒存在一定危險(xiǎn)，可能發(fā)生閃爆等危險(xiǎn)因素，造成人員受傷。1.13 更主要是手動(dòng)控制 15 臺(tái)燃?xì)夂鏍t小車，無法保證進(jìn)行預(yù)定升溫曲線的控制，這將進(jìn)一步影響 corex 爐本體的使用壽命。 根據(jù)寶鋼羅經(jīng)經(jīng)驗(yàn)采用烘爐小車遠(yuǎn)程電氣、自動(dòng)化控制，集中監(jiān)控升溫曲線，設(shè)定煤氣流量達(dá)到按照預(yù)定升溫曲線進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制，是唯一可行性方案，corex 爐烘爐升溫曲線如圖： 6烘爐缸用裝置布置圖 2（俯視圖）二、 項(xiàng)目改造實(shí)施技術(shù)要求1、 控制

7、功能描述控制功能描述點(diǎn)火前一切準(zhǔn)備工作就緒，所有控制閥門均在關(guān)閉狀態(tài)下，在機(jī)旁引風(fēng)機(jī)控制柜現(xiàn)場(chǎng)開啟引風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹掃及點(diǎn)火爐管道內(nèi)的氣體置換，等待一段時(shí)間后（2 分鐘） ，空氣調(diào)節(jié)閥在手動(dòng)狀態(tài)下，按照預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)火流量設(shè)定空氣調(diào)節(jié)閥開度。中控室遠(yuǎn)程打火，1 秒后并開啟煤氣旁通電磁閥，監(jiān)測(cè)點(diǎn)火火焰，若監(jiān)測(cè)有火觀察火焰平穩(wěn)（此時(shí)煤氣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在手動(dòng)位置，流量設(shè)定值跟隨煤氣流量實(shí)際值） ，點(diǎn)火空氣流量調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制（流量設(shè)定根據(jù)空燃比計(jì)算） ，遠(yuǎn)程開啟煤氣快切閥，后手動(dòng)設(shè)定煤氣調(diào)節(jié)閥開度（操作可調(diào)整） ，斷開點(diǎn)火器，等待幾分鐘，若仍監(jiān)測(cè)有焰，此時(shí)點(diǎn)火成功，可將煤氣調(diào)節(jié)閥選擇自動(dòng)模式，手動(dòng)設(shè)定煤氣流量

8、，空氣調(diào)節(jié)閥按空燃比自動(dòng)調(diào)節(jié)，若無檢測(cè)到火焰或者煤氣壓力低，則切斷小燒嘴電磁閥同時(shí)關(guān)閉煤氣氣動(dòng)快切閥和煤氣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，延時(shí)一段時(shí)間（操作可設(shè)定）后自動(dòng)關(guān)空氣調(diào)節(jié)閥。安全連鎖：火焰自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)火焰熄滅或者煤氣壓力低，自動(dòng)關(guān)閉煤氣氣動(dòng)快切閥和煤氣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并發(fā)出點(diǎn)火失敗故障信號(hào)，空氣風(fēng)機(jī)跳機(jī)，煤氣執(zhí)行快切閥關(guān)指令、燃?xì)饬髁繗鈩?dòng)調(diào)節(jié)閥開度 0%指令。 72 技術(shù)難點(diǎn)技術(shù)難點(diǎn) corex 爐烘爐小車聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)工藝的烘爐曲線自動(dòng)的控制 15 套小車的燃燒溫度，使拱頂溫度達(dá)到溫升曲線要求，由于 15 套小車安裝在爐體風(fēng)口位置，而拱頂溫度的升溫存在一定的滯后性，且 15 套烘爐小車

9、同時(shí)需要對(duì)燃燒溫度進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，控制要求較高。三、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、閉環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)一般包括開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對(duì)象的輸出對(duì)控制器的輸出沒有影響，在這種系統(tǒng)中，不依賴被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路；閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開環(huán)控制系統(tǒng)，因此烘爐小車自動(dòng)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。2、PID 的原理的原理在過程控制中，按偏差的比例（P） 、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的 PID 控制器是應(yīng)用最廣泛的一種自動(dòng)控制器，它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)選

10、定簡(jiǎn)單，調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)；PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量來進(jìn)行控制，當(dāng)被控對(duì)象得不到精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)依靠經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定，此時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為理想。3、PLC 的的 PID 控制器實(shí)現(xiàn)控制器實(shí)現(xiàn)PLC 的 PID 控制設(shè)計(jì)是以連續(xù)的 PID 控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫成離散式的 PID 方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的 PID 閉環(huán)控制如圖所示：sp(t)是給定值，pv(t)為反饋量，c(t)為系統(tǒng)的輸出量,PID 控制器的輸入/輸出關(guān)系為 8M(t)為控制器輸出，Mo 為輸出初始值，e(t)=s

11、p(t)-pv(t)為誤差信號(hào)，KC 為比例系數(shù)，TI 為積分時(shí)間常數(shù)，TD 為微分時(shí)間常數(shù)。等號(hào)右邊前三項(xiàng)分別為比例、積分、微分，他們分別與誤差、誤差的積分和微分成正比。四、硬件的設(shè)計(jì)1、PLC 系統(tǒng)設(shè)備選型這個(gè)系統(tǒng)可能是單個(gè)機(jī)器，機(jī)群或一個(gè)生產(chǎn)過程。不同型號(hào)的 PLC 有不同的適用范圍。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，分析被控對(duì)象的復(fù)雜程度，進(jìn)行 I/O 點(diǎn)數(shù)和 I/O 點(diǎn)的類型(數(shù)字量、模擬量等)統(tǒng)計(jì)，列出清單。適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量的估計(jì)，確定適當(dāng)?shù)牧粲杏嗔慷焕速M(fèi)資源的機(jī)型(小、中、大形機(jī)器)。并且結(jié)合高爐分廠情況，了解庫存最終選擇西門子廠家的產(chǎn)品 S7-300機(jī)型。 依據(jù)工廠生產(chǎn)工藝流程和復(fù)雜程度確定

12、使用西門子 s7-300 CPU 型號(hào) 315-2AG10-0AB0 模塊，通訊模塊選用 CP343 型號(hào) 6GK7 343-1EX30-0XE0，子站通訊模塊使用 ET200，型號(hào)6ES7 153-2BA02-0XB0（可帶 12 個(gè)輸入輸出模塊） ，具體使用模塊見下表：模塊名稱模塊訂貨號(hào)模塊數(shù)量 廠家S7300CPU315-2AG10-0AB01 塊西門子通訊模塊 CP3436GK7 343-1EX30-0XE01 塊西門子通訊模塊 ET2006ES7 153-2BA02-0XB03 塊西門子開關(guān)量輸入模塊6ES7 321-1BH02-0AA07 塊西門子開關(guān)量輸出模塊型號(hào)是6ES7 32

13、2-1BH01-0AA03 塊西門子模擬量輸入模塊6ES7 331-7KF02-0AB013 塊西門子模擬量輸出模塊6ES7 331-7KF02-0AB012 塊西門子電源模塊6ES7 307-1KA01-0AA02 塊西門子 9圖3西門子 CPU及輸入輸出模塊圖 4 西門子電源模塊根據(jù) PLC 輸出端所帶的負(fù)載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及 PLC 輸出點(diǎn)動(dòng)作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或品閘管輸出。不同的負(fù)載選用不同的輸出方式，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是很重要的。PLC 輸入電路電源一般應(yīng)采用 DC 24V, 同時(shí)其帶負(fù)載時(shí)要注意容量，并作好防短路措施，這

14、對(duì)系統(tǒng)供電安全和 PLC 安全至關(guān)重要，因?yàn)樵撾娫吹倪^載或短路都將影響 PLC 的運(yùn)行，一般選用電源的容量為輸入電路功率的兩倍，PLC 輸入電路電源支路加裝適宜的熔絲或保險(xiǎn)，防止短路。對(duì)于兩個(gè)重要輸出量，不僅在 PLC 內(nèi)部互鎖，建議在 PLC 外部也進(jìn)行硬件上的互鎖，以加強(qiáng) PLC 系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性。 五、軟件的設(shè)計(jì)五、軟件的設(shè)計(jì) 1、I/O 地址的分配地址的分配 10 根據(jù)被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后調(diào)整和擴(kuò)充，I/O 點(diǎn)數(shù)一般應(yīng)加上 10%-15%的預(yù)留量。下圖為部分符號(hào)表。 11圖 5 輸入輸出符號(hào)表2、自動(dòng)化軟件開發(fā)實(shí)施過程、自動(dòng)化軟件開發(fā)實(shí)施過程選擇一

15、臺(tái)研華工控機(jī)配置要求：在 Windows 2000/XP 專業(yè)版中安裝 STEP 7 V5.4 和WINCCV6.0，至少 512 MB 內(nèi)存，主頻至少 600 MHz ，IE 瀏覽器版本要求 6.0，安裝好系統(tǒng)及工控軟件后，打開 STEP 7 V5.4 及 WINCCV6.0 新建程序和項(xiàng)目，并進(jìn)行硬件組態(tài)和下裝，程序編寫完畢需進(jìn)行模擬測(cè)試，功能需滿足工藝要求。3 監(jiān)控畫面的制作監(jiān)控畫面的制作打開 WINCC V6.0 新建項(xiàng)目，項(xiàng)目名一般要求英文名稱，存放路徑根據(jù)自己確定要求英文，在項(xiàng)目中添加 S7 連接，選中以太網(wǎng)通訊模式（industrial etherent）添加變量，新建畫面并添加

16、變量連接，更改通訊設(shè)置激活畫面，查看畫面顯示進(jìn)一步完善，畫面本著簡(jiǎn)單、直觀、明了、安全的原則進(jìn)行，在烘爐小車主畫面系統(tǒng)總目錄中列出了 1#-15#小車系統(tǒng)和爐溫溫升系統(tǒng)、操作說明各分畫面的目錄，由此可直接進(jìn)入各分畫面。同時(shí)在左上角還設(shè)置了“返回主畫面”鍵，可方便地返回主畫面。主要設(shè)有以下畫面，分別為：主畫面和 115 臺(tái)小車操作畫面。其中主畫面包括 15 臺(tái)小車監(jiān)視、報(bào)警記錄畫面、爐溫趨勢(shì)畫面、操作說明畫面等，在此只列舉個(gè)別幾個(gè)畫面。主畫面： 12 1#小車單車控制畫面：在小車控制畫面中，按下“1#煤氣調(diào)節(jié)閥”紅色字后彈出“1#煤氣調(diào)節(jié)閥 PID 調(diào)節(jié)小窗口和趨勢(shì)”對(duì)煤氣閥具體調(diào)節(jié)。有手動(dòng)/自

17、動(dòng)調(diào)節(jié)選擇和狀態(tài)顯示。手動(dòng)下可直接輸入閥位或進(jìn)行微調(diào)，空氣調(diào)節(jié)閥 PID 調(diào)節(jié)畫面中有空氣調(diào)節(jié)閥延時(shí)關(guān)時(shí)間設(shè)定。煤氣調(diào)節(jié)閥畫面： 13 工藝控制說明畫面：趨勢(shì)畫面： 14在趨勢(shì)畫面中上面是實(shí)時(shí)曲線，下面是爐溫控制的理想曲線。4 程序的開發(fā)程序的開發(fā)下位控制軟件編程主要使用 LAD 語言，新建程序的硬件組態(tài)根據(jù)實(shí)際的模塊進(jìn)行配置，通訊設(shè)置將 CP343 模塊的 MAC 地址加入并新增以太網(wǎng)連接，S7 program 中需加入一定的組織塊 OB，具體要求根據(jù) CPU 的型號(hào)不同而定，氣體流量計(jì)算需要進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，溫壓補(bǔ)償公式及參數(shù)向儀表專業(yè)獲取， （流量計(jì)算公式：Q 流量=Qm* Sqrt(Ta+

18、273.15)/(T+273.15)* (P+92.7)/(Pa+92.7)* Pcy/PmaxPa= 設(shè)計(jì)壓力 P =實(shí)際壓力 kPa Ta=設(shè)計(jì)溫度 T=實(shí)際溫度 Qm= 設(shè)計(jì)刻度流量 m3/h Pcy=實(shí)測(cè)差壓值 Pmax=差壓量程值 kPa）做成功能塊 FC，使用時(shí)調(diào)用即可，PID 調(diào)節(jié)程序編寫使用 STEP7 5.4 軟件中集成功能塊 FB41，PID 參數(shù)根據(jù)以前經(jīng)驗(yàn)臨時(shí)給定，具體調(diào)節(jié)時(shí)進(jìn)一步微調(diào)，調(diào)節(jié)閥操作有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，其手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)是調(diào)節(jié)的閥位開度，自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)是調(diào)節(jié)的流量設(shè)定值，但在自動(dòng)和手動(dòng)之間的切換是實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，邏輯控制按照工藝要求進(jìn)行程序編寫，以滿足 corex 爐烘爐點(diǎn)火的需要。程序結(jié)構(gòu)如圖：（具體程序見附件） 15結(jié) 論本項(xiàng)目順利實(shí)施完成后，于 2014 年 9 月 11 在 1#corex 爐試烘爐階段，現(xiàn)場(chǎng) 15 套燃?xì)夂鏍t設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控及控制，控制效果完全滿足烘爐工藝控制需求，達(dá)到預(yù)期現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備改造的目的，同時(shí)為公司降本增效工作做出可觀的經(jīng)濟(jì)效益約 20 萬元（現(xiàn)場(chǎng)電器設(shè)備配盤及接線節(jié)省費(fèi)用約 10 萬元，控制軟件開發(fā)及打點(diǎn)調(diào)試節(jié)省費(fèi)用約 10 萬元） 。參考文獻(xiàn)1.機(jī)械工業(yè)出版社 西門子 STEP7 編程語言與使用技巧 20092.機(jī)械工業(yè)出版社西門子 WINCC 使用手冊(cè)大全 2009個(gè)人簡(jiǎn)介：李軍偉 八鋼公司檢修