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通过对现场控制点数的分析,本论文对过程控制站和远程控制站选用了美国AB公司1756-L62及相关模块。
针对热风炉燃烧过程的温度动态变化不易实现实时控制的特征,重点研究了仪表系统及热风炉的控制过程。
通过对系统整个工艺流程及控制要求的分析,采用Rslogix5000编程软件,将复杂的自动化任务分解为独立的功能块,执行时由主循环模块调用,使其控制更加容易。
根据热风炉工艺对计算机监控系统的要求,以组态软件intouch为开发工具,设计了系统的监视与控制画面,并编制了相应的监控程序,使系统具备了对现场过程数据的动态监视功能、历史趋势、异常信号的报警功能、现场操作的指导功能和对生产过程的控制功能等。
关键词仪表系统控制,Rslogix5000,AB-PLC,intouch监控系统,热风炉
绪论
一.1课题来源及研究意义
本课题来源于2#高炉热风炉系统改造,主要是该热风炉的仪表控制系统。
高炉是钢铁工业生产铁的机组,它需要鼓进热风来燃烧焦炭以把铁矿石还原成铁水,热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度,它是按“蓄热”原理工作的热交换器。
即将高炉煤气与焦炉煤气在热风炉进行燃烧,通过格子砖使之蓄热到一定温度后将风机房冷风管送来的冷风和格子砖进行热交换经热风炉送风系统阀门送到高炉为高炉炼铁提供稳定的热风温
高炉一般装有3~4座热风炉。
在“单炉送风”时,一座在送风,其余在加热(又称燃烧或烧炉),轮流更换。
由于刚送风的热风炉,输出的热风温度较高,然后逐渐下降,为保持输出的热风温度恒定,故利用旁通的热风温度调节阀,控制混入的冷风量以使热风温度恒定。
在“并联送风”时,两座在加热,其热风温度恒定是借助于控制先行炉和后行炉的风量比例(控制其冷风调节阀开度)来达到的。
2#高炉热风炉系统由3座内燃改造式热风炉组成,其煤气系统、助燃风系统、冷风、热风混风系统的切断阀采用电动和液压传动阀门,现依靠工人经验手动控制。
这种控制系统比较落后,控制精度不高,电气控制阀门之间在换炉时无顺序控制连锁,不安全,并且缺乏实时监控系统,不能及时观测炉内的温度、压力等情况,同时对于工作人员来说工作量比较大。
现将原有热风炉手动换炉系统设计为自动换炉电控系统;
具体步骤如下:
1、通过传感器采集生产现场的温度、压力、流量、阀位等信号;
2、通过对PLC编写相应的程序,对这些信号进行相应的处理,控制各个设备的动作,来实现热风炉的自动控制。
3、设置上位机集中监控和报警,对可能发生的各种故障进行实时监,并且帮助操作人员及时发现并排除故障。
通过PLC强大的处理能力,能够解决温度控制自动换炉过程中检测温度波动较大、不易控制的问题。
同时也能够实现生产过程易监控,降低工作人员的劳动强度,提高经济效益。
一.2PLC在工业控制中的应用
一.2.1PLC的发展及特点
现代钢铁生产中,传统的手动操作己远远不能获得好的控制品质。
目前,在电气控制领域,国内外普遍采用PLC。
特别是最近几年的冶金行业中,PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作,及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。
PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体,可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统,以适应各种工业控制的需要。
由于PLC是专为工业控制而设计的,其结构紧密、坚固、体积小巧,是实现机电一体化的理想控制设备。
随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而其功能却大大增强。
在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备,应用几乎覆盖了所有工业企业,日益跃居现代工业自动化三大支柱(PLC,ROBOT,CAD/CAM)的主导地位。
可编程序控制器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。
可编程序控制器及其有关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
一.2.2PLC的优点
(1)极高的可靠性
由于工业生产的环境条件远比通用计算机所处的环境差,因此要求PLC具有很强的抗干扰能力,并且应能在比较恶劣的运行环境中(如高温过电压强电磁干扰和高湿度等)长期可靠地运行。
(2)使用方便
1)操作方便:
对PLC的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改的操作。
更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号继电器编号或接点号进行搜索或顺序寻找,然后进行更改。
2)编程方便:
PLC有梯形图、布尔助记符、功能表图多种程序控制设计语言可供使用。
3)维修方便:
当系统发生故障时,通过硬件和软件的自诊断,维修人员可根据有关故障信号灯的指示和故障代码的显示,或通过编程器和CRT屏幕的显示,很快地找到故障所在的部位,为迅速排除故障和修复节省了时间。
(3)灵活性高
PLC的灵活性表现在下列三方面
1)编程的灵活性:
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图等,只要掌握其中一种语言就可进行编程。
2)扩展的灵活性:
PLC根据应用的规模的不断扩展,它不仅可以通过增加输入、输出卡件增加点数,通过扩展单元来扩大容量和功能,也可通过多台PLC的通信来扩大容量和功能。
3)操作的灵活性:
操作的灵活性指设计的工作量大大减少,编程的工作量和安装施工的工作量大大减少,操作十分灵活方便,监视和控制变得容易。
(4)机电一体化
PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备,它的体积大大减小,功能不断完善,抗干扰性能增强,机械和电气部件被有机地结合在一个设备内,把仪表电子和计算机的功能综合在一起。
一.3本文主要研究内容
根据热风炉生产工艺及环境要求,自动化控制的水平和可靠性直接关系到热风炉的稳定性、送风质量、热风温的稳定性、安全性。
本论文结合2#高炉热风炉现实情况,对2#高炉热风炉仪表部分进行了手动转自动的控制,其主要内容如下:
(1)通过对控制系统的分析,研究了控制系统的组成及原理,提出并完成了该控制系统的总体方案及硬件设计。
(2)分析热风炉控制系统的软件系统,设计并完成控制系统的监控软件,重点研究仪表工艺生产过程参数控制和调节阀的自动调节及控制。
方案以美国AB公司的PLC编程控制器为基础,编写程序对拱顶温度、废气温度、煤气和助燃空气的压力及流量、冷风总管压力及流量等控制部分进监控。
(3)研究分析了热风炉控制系统,实现热风炉换炉操作部分的自动化,并根据工艺生产工况做出监视画面。
热风炉的工作原理及工艺流程
一.4热风炉工作原理
一.4.1热风炉工艺
1工艺流程
热风炉主要是将高炉布袋除尘器产生净煤气在热风炉进行燃烧,将热风炉内格子砖加热蓄热到一定温度后将风机房冷风管送来的冷风和格子砖进行热交换,经热风炉送风系统送到高炉。
热风炉的工作状态主要有三种:
烧炉状态、焖炉状态和送风状态。
1)热风炉烧炉状态
热风炉处于燃烧状态时,通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤气和助燃空气,高炉煤气和助燃空气混合燃烧产生热烟气使热风炉蓄热;
热风炉处于燃烧状态时,其废气阀、烟道阀、助燃空气切断阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀,调节阀等阀均处于开启状态,其它各阀(切断阀)均处于关闭状态。
2)热风炉焖炉状态
热风炉处于焖炉状态时,为保持温度,热风炉所有的阀门均处于关闭状态。
3)热风炉送风状态
热风炉处于送风状态时,向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风,经热风炉热交换后再送入高炉。
热风炉处于送风状态时,其冷风阀、热风阀、冷风均压阀等处于开启状态,其它各阀(切断阀)均处于关闭状态。
一.4.2工艺曲线
热风炉燃烧阶段时间约为50~80分钟,拱顶温度不得超过1280度。
焖炉阶段根据高炉实际生产情况不等。
送风温度随送风时间的延长而下降,送风温度在1150~1250度,送风时间在40~60分钟具体工艺曲线见(图1)
1280
1100
燃烧阶段闷炉阶段送风阶段
图1拱顶温度曲线
一.5热风炉工作状态的转换
为满足高炉生产要求、热风炉工作要求,进行烧炉、送风、焖炉这三种状态之间的转换过程称之为换炉过程。
在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。
换炉时,应保证整个热风炉系统长时间不间断的向高炉送风,并应尽量使进入高炉的风量、风温、风压处于最小波动范围。
热风炉工作状态改变周期顺序如下:
(1)燃烧转送风操作
燃烧转送风操作分两步,首先进行燃烧转焖炉操作,然后是焖炉转送风操作。
按照热风炉的送风顺序,先确定送风的热风炉,然后检验该热风炉现时刻的工作状态,若在燃烧状态,方能发出换炉信号,进行燃烧转焖炉的换炉操作,此时热风炉处于换炉中,不允许做其它操作,同时需对操作段进行时间及信号检查,当操作时间在规定的时间内完成,且各种阀门动作信号等到位则正常,若超时或信号不到位则发出故障信号。
另对各燃烧系统阀门需按燃烧转焖炉的操作顺序进行,要保证阀门间的控制联锁。
燃烧转焖炉的操作程序为:
启动由燃烧至焖炉的程序,按程序设定动作阀门:
关煤气调节阀、煤气切断阀、煤气燃烧阀、助燃空气调节阀、烟道阀。
当热风炉完成燃烧转焖炉控制后,应给出焖炉中接点信号。
热风炉进行焖炉转送风操作时,不允许做其它操作同时对操作段进行时间检查,当操作时间在规定的时间内完成,则正常,若超时则发出时间超越故障信号。
各送风系统阀门需按焖炉转送风的操作顺序进行,要保证阀门间的控制联锁。
当热风炉进入送风中,则发出送风开始脉冲对送风进行计时,与此同时解除该炉的换炉指令。
焖炉转送风的操作程序为:
启动定时器;
全开冷风阀、冷风均压阀、热风阀;
定时器复位,检查时限。
在热并联工作制时,打开冷风阀的同时,解除冷风调节阀的锁定状态,参与送风调节。
在其它情况下,冷风调节阀处于锁定常开状态。
(2)送风转燃烧操作
送风转燃烧操作分两步,首先进行送风转焖炉操作,然后是焖炉转燃烧操作。
送风热风炉得到送风转焖炉指令后,应检查热风炉送风操作方式,若为单炉送风方式,则检查是否有另一座热风炉处于送风状态;
若为交叉并联送风方式,则检查是否有其它两座热风炉处于送风状态。
得到肯定答案后,方可发出由送风转焖炉指令。
另外,各送风系统阀门需按送风转焖炉的操作顺序进行,要保证阀门间的控制联锁。
送风转焖炉的操作程序为:
启动由送风转焖炉的定时器,关冷风阀,在热并联工作制时,同时锁定冷风调节阀为关闭状态;
关热风阀;
定时器复位,并检查时限。
当热风炉完成送风转焖炉控制后,检查燃烧条件是否完备,如果条件完备,开始焖炉转燃烧的正常操作。
另外,各燃烧系统阀门需按焖炉转燃烧的操作顺序进行,要保证阀门间的控制联锁。
焖炉转燃烧的操作程序为:
得到焖炉转燃烧的指令后,检查该热风炉的状态,若是在焖炉状态,则启动焖炉转燃烧定时器;
废气阀全开后,待烟道阀前后压差小于某设定值时,开烟道阀;
关废气阀,开助燃空气燃烧阀、煤气燃烧阀;
稍开助燃空气调节阀;
开煤气切断阀;
稍开煤气调节阀定时器复位,并检查时限。
一.6热风炉送风工作制度及换炉操作方式
热风炉的工作制度即送风方式有四种,全交叉并联送风,单纯并联送风单炉送风,两烧一送。
热风炉的主要工作制度为全交叉并联送风工作制,其它送风方式为副工作制。
热风炉的操作方式以全自动换炉,半自动换炉为主,考虑到热风炉的检修,单体设备的检修,以及调试,分别设置单炉自动换炉,手动联锁操作和解锁手动操,作现场操作。
(1)自动换炉
自动换炉以设定的送风时间或送风温度作为换炉指令。
换炉指令发出时,参与换炉的热风炉各设备按送风顺序和联锁条件自动完成换炉操作。
自动程序实际是由几个单炉换炉程序组成。
(2)半自动换炉
由操作者根据高炉生产或热风炉运行情况,在主控室给出换炉指令,参与换炉的热风炉各设备按送风顺序和联锁条件自动完成换炉操作,不必人工干预。
(3)顺序手动控制
“顺序手动控制”是根据工艺要求一步一步手动完成,其中每个阀门的开关都有连锁联系。
(4)单炉自动换炉
单炉自动时,首先确定状态选择(可选燃烧,焖炉,送风三种),然后操作者可操作CRT上的单炉自动软按钮发出操作指令,这样就可将现行炉子的状态依照参加动作设备的联锁关系自动转换到所选择的状态上。
但在单炉自动并选择燃烧状态时系统应保证至少有一座热风炉处于送风状态。
(5)自由手动控制
自由手动控制是特殊操作。
在正常的情况下不进行操作,当有时阀门到位反馈信号有误时,为了不影响生产可以作为暂时的控制方式,它的动作不受任何连锁控制。
操作者可在主控室CRT上对热风炉各设备进行单独手动操作。
CRT手动操作时热风炉各设备之间将保持必要的设备联锁。
手动操作适用于紧急操作。
(6)现场手动操作
操作者可在现场设备操作箱上对热风炉各设备进行单独运转,各设备仅保持必要的电气或机械保护,用于设备检修和调试。
一.7小结
热风炉提供的高风温对高炉冶炼有非常重要的影响及意义。
近年来随着国家焦炭资源的日益紧张,为保持高炉正常冶炼的热量平衡,就要提高热风温度或鼓风富氧率来进行热补偿。
在我国当前的能源条件下,提高热风温度是最经济有效的热补偿方法。
根据热风炉的工艺要求及控制曲线,在设计控制系统时尽量采用科学方法,达到控制要求。
控制系统硬件配置及网络结构
本系统采用罗克韦尔公司的Contrologix控制系统,硬件配(图2)所示。
Contrologix系统代表了当前PLC发展最高水平的模块化PLC,将顺序控制、过程控制、传动控制和运动控制、通信、I/O技术集成在一个平台上,可为各种工业应用提供强力的支持,可靠性高,最大的特点是使用网络将其相互链接,各个控制站之间能够按照客户的要求进行信息交换。
Contrologix采用框架式结构,所有模块都插在框架的背板上,背板支持模块的热插拔。
内存采用flashMemory结构,通过软件就可以完成控制器版本的升级。
一.8控制系统硬件配置
系统硬件配置入下:
(1)框架:
1756—A10;
(2)电源:
2块1756—PA72;
(3)处理器:
1756—L62;
(4)I/O模板:
1756(模拟量、数字量、热电偶、热电阻及其他特殊模板) ;
(5)通讯模板:
1块1756—ENBT、2块1756—CNBR;
一.9本系统采用两层网络结构:
第1层为信息管理层,即中控室操作员站、工程师站与电气室PLC控制站之间采用工业以太网(EtherNet/IP)。
基于IEEE802.3标准的EtherNet/IP网络采用星形拓扑结构,设备组按点对点连接到网络交换机,由交换机提供虚拟连接。
第2层为控制层,即PLC主机架与从机架、分布式I/O之间的通信,采用罗克韦尔公司的控制总线网ControlNet。
控制总线网是一个实时的控制网络,用于高速传送实时I/O数据和消息数据。
所有这些都在一个单独的物理介质链路上传送,网络具有高度的确定性,能可靠预测数据发送时间。
具体设计如下图所示:
图2PLC系统配置图
程序设计及HMI制作
一.10燃烧控制
热风炉在燃烧时要保证合理燃烧,即单位时间内燃烧的煤气量适当,煤气燃烧充分且热量损失小,可能达到的风温水平最高,同时确保热风炉寿命。
由此,引入了空燃比的概念,即高炉煤气与助燃空气流量的比值。
在烧炉初期,设定合适的煤气流量,同时以最佳空燃比(最小空气过剩系数)设定空气流量,使拱顶温度快速上升,进入烧炉中后期,煤气流量不变,程序自动调节空燃比使拱顶温度以合理的速率上升至最高目标温度并维持在最高温度附近。
当烟气温度上升至管理温度(350摄氏度)时,程序自动调节煤气流量,使烟气温度以合理的速率上升至目标温度。
至此,自动停止燃烧。
一.11送风温度控制
根据高炉生产的要求,通过掺入适量的冷风将经热风炉加热的热风调节到所需的温度,并保持送风周期内风温变化不超过允许的范围。
用于送风温度控制的热风温度检测点有二个,都设在热风主管上,程序自动选择其中最高的一个作为热风检测温度。
本高炉三座热风炉采用单炉送风。
即一座热风炉处于送风状态,其风温控制由混风调节阀完成。
设定热风目标温度,通过比较热风目标温度和热风检测温度,程序自动调节混风调节阀的开度(即调节掺入的冷风量)以实现风温控制。
一.12主要程序设计
1、对现场采集的信号进行补偿。
通过补偿,将流量信号变换为标况流量。
标况流量指的是气体流量的标准状况,国际上规定为温度为0℃(273.15开)和压强为101.325KPa(1标准大气压,760毫米汞柱)的情况。
冷风流量的补偿公式如下:
(4-1)
PT6037:
冷风总管压力(KPa);
TE6038:
冷风温度;
FT6040:
冷风流量;
FT6040C:
补偿后的冷风流量
煤气标况流量的换算公式如下:
(4-2)
PT6004:
高炉煤气主管压力;
E6003:
煤气温度;
FLOW:
补偿前的流量;
FLOWNormal:
补偿后的流量;
2、以补偿后的流量信号为过程变量,进行PID调节,控制助燃空空气和助燃煤气调节阀的开度。
通过PID调节混风阀的开度,实现对风温的控制;
执行机构需要的不是控制量的绝对数值,而是其增量是,采用的PID增量式控制算法。
表达式如下:
图3控制模型图
控制程序的流程图如下图所示:
通过测量的过程值与设定值的比较,做出差值,然后根据差值进行PID调节。
输出控制执行器动作的控制信号
图4PID控制流程图
一.13人机交互界面
安全、便捷的人机接口可以给工作人员的常操作和故障诊断带来了极大的好处,以下图片为三座热风炉的仪表相关操作画面。
图51#热风炉控制参数
这里介绍本系统3号热风炉的操作画面。
点击画面的阀门图标,会弹出各个阀门的操作窗口。
点击热风炉图标,弹出热风炉选择操作模式的窗口。
画面下方显示炉的实时数据、重要参数的历史趋势和时报警信息。
图6热风炉监视画面
图7参数设定画面
致谢
时光飞逝,实习阶段的学习生活即将结束。
在我做的定级设计过程中,师傅和工友们在资料收集、学习、设计等一系列工作中给予了我极大的帮助。
首先,我要非常感谢我的师傅黄悟奇。
在做我定级设计的过程中,给予了很大的帮助和悉心的指导,指导我完成了课题并为我的课题及论文提出了许多的宝贵意见;
感谢他在我遇到困难时给予技术上、技巧上关键性的启迪,提供热心、实质性的帮助。
对我的学习和生活给予的关怀和教导,将使我永远铭记在心。
黄老师渊博的知识、严谨的治学态度和一丝不苟的工作精神使我受益非浅,在此向我敬爱的导师表示最诚挚的感谢和无限的敬意!
同时,我还要感谢我们班主的其他几位老师傅,感谢他们提供了一个良好的学习、工作环境,以及在各方面给予我亦师亦友的帮助;
感谢他们悉心指导和大力支持,使得我能够顺利完成我的设计任务,在此表示衷心的感谢!
另外,我要感谢支持和帮助我的同学和朋友,他们的帮助和友谊使我受益良多,特别是与我一起工作的各位师兄,感谢在他们在论文进行中的帮助!
参考文献
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[4]王高.基于DSP的数字PID伺服控制系统设计,2008年微计算机信息第3期
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[7]郝广春.热风炉控制系统的设计与实现[J].自动化仪表,2004年
水钢炼铁厂2009年分配学生见习期
定 级 论 文
题目:
2#高炉热风炉PLC系统控制(仪表部分)
姓 名:
钱荣敏
专业:
测控技术与仪器
指导老师:
黄悟奇
初评成绩:
答辩成绩:
总评成绩:
年月日
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