xxxxx corex炉烘炉小车联动自动控制的改造2014年11月1日

1、 1维维修修电电工技工技师专业论师专业论文文烘炉小车联动自动控制的改造烘炉小车联动自动控制的改造姓 名： xxx职 业： 维修电工鉴定等级： 技 师单 位： xxxxxxx2014 年 10 月 7 日 2烘炉小车联动自动控制系统的改造烘炉小车联动自动控制系统的改造姓名：xxxxxxxxxxx摘 要:本文是关于八钢 1#corex 炉烘炉自动控制系统的设计， COREX 炉烘炉升温过程是一个具有多变量、非线性、分布参数、快过程和慢过程交织在一起等特点而复杂的控制对象，为了保证 COREX 炉砌体的严密性，必须按照 COREX 炉硅砖膨胀规律在烘炉前制定烘炉升温曲线,严格按计划升温。仅仅靠人工手

2、动操作烘炉方法，温度控制不准确、烘炉质量难以保证。本文设计烘炉小车自动控制系统采用模糊 PID 算法进行炉温自动控制，提高了控制精度，实现炉温的自动控制与数据处理。关键词: 烘炉小车、PID、PLC 自动化控制 3目 录摘 要.2引 言.4一、烘炉小车手动控制分析.51. 烘炉小车手动控制的不足：.5二.、项目改造实施技术要求.61.控制功能描述： .62. 技术难点：.7三、系统的设计 .71.闭环控制系统 .72.PID 原理 .73. PLC 的 PID 控制器实现.7四、硬件的设计 .81. PLC 系统设备选型 .7五、软件的设计 .101.I/O 地址表分配 .102. 自动化软件

3、开发实施过程.103. 自动化软件开发实施过程.104. 程序的开发.13结 论 .14参考文献 .14致 谢 .14 4引 言：corex 炉又称为熔融还原炼铁装置，具有流程短、污染低等优势，是对传统高炉炼铁技术的一次革命，当前，世界上先后投产了 C1000 型炉和 C2000 型炉，宝钢股份罗经工程在世界上首家采用 corex C3000 型炉，设计产能扩大到 150 万 T，全世界年产量最大的 corex 炉在宝钢建成，八钢和宝钢合并后宝钢股份将罗经 corex C3000 型炉搬迁至八钢，标志着八钢非高炉炼铁进入一个全新的阶段。 corex炉的本体内衬在砌筑过程中耐材及灰浆中含有大量的

4、水份，而corex生产自投产开始就一直处于高温的工作环境，是一个长期高温工作的密闭容器，并且要尽量维持平稳的温度。为了使内衬耐材尽快适应corex炉内的冶炼环境，并发挥出保护corex本体的作用，在corex点火之前，必须进行烘炉作业，以彻底去除本体上的绝大部分水份，使corex顺利点火投产。本系统的烘炉设备为安装在风口的 11 组和粉尘烧嘴 4 组烘炉烧嘴，利用焦炉煤气烧嘴燃烧产生的温度，逐渐将本体中的水份升温，最终以水蒸气的形式从排气孔以及废气排出口排走。本项目改造根据 1#corex 炉烘炉工艺控制需求及连锁条件，结合现有罗泾搬迁烘炉设备完成系统软件开发实现远程电气、自动化控制，集中监控

5、升温曲线，设定煤气流量达到按照预定升温曲线进行远程集中控制。烘炉烧嘴布置图 1 5一、手动控制燃气烘炉小车的分析1.烘炉小车手动控制的不足烘炉小车手动控制的不足目前，在我们八钢新建的高炉烘炉都是先用焦炉煤气先烘热风炉，而后用热风炉的热风烘高炉本体，corex 炉在宝钢罗经采用天然气使用烘炉小车远程监控集中自动控制烘炉，如采用手动控制烘炉小车进行烘炉这种方式有以下不足：1.11 操作工必须长时间工作在现场，距工作点近，注意力高度集中，精神高度紧张，劳动强度大，易疲劳，长时间安全操作无法保证；现场手动控制 15 台燃气烘炉小车的各个阀门需要大量的人员，由于 烘炉使用的是焦炉煤气，控制阀门使用的氮气

6、，都是有毒有害气体、再加上 热气、粉尘、，使工作环境更加恶劣，严重威胁操作工身体健康，存在一定安全隐患，也容易发生煤气中毒及氮气窒息人员伤亡等。1.12 手动控制煤气的点火和燃烧存在一定危险，可能发生闪爆等危险因素，造成人员受伤。1.13 更主要是手动控制 15 台燃气烘炉小车，无法保证进行预定升温曲线的控制，这将进一步影响 corex 炉本体的使用寿命。 根据宝钢罗经经验采用烘炉小车远程电气、自动化控制，集中监控升温曲线，设定煤气流量达到按照预定升温曲线进行远程集中控制，是唯一可行性方案，corex 炉烘炉升温曲线如图： 6烘炉缸用装置布置图 2（俯视图）二、 项目改造实施技术要求1、 控制

7、功能描述控制功能描述点火前一切准备工作就绪，所有控制阀门均在关闭状态下，在机旁引风机控制柜现场开启引风机进行吹扫及点火炉管道内的气体置换，等待一段时间后（2 分钟） ，空气调节阀在手动状态下，按照预先设定的点火流量设定空气调节阀开度。中控室远程打火，1 秒后并开启煤气旁通电磁阀，监测点火火焰，若监测有火观察火焰平稳（此时煤气气动调节阀在手动位置，流量设定值跟随煤气流量实际值） ，点火空气流量调节阀转入自动控制（流量设定根据空燃比计算） ，远程开启煤气快切阀，后手动设定煤气调节阀开度（操作可调整） ，断开点火器，等待几分钟，若仍监测有焰，此时点火成功，可将煤气调节阀选择自动模式，手动设定煤气流量

8、，空气调节阀按空燃比自动调节，若无检测到火焰或者煤气压力低，则切断小烧嘴电磁阀同时关闭煤气气动快切阀和煤气气动调节阀，延时一段时间（操作可设定）后自动关空气调节阀。安全连锁：火焰自动实时监控，一旦发现火焰熄灭或者煤气压力低，自动关闭煤气气动快切阀和煤气气动调节阀，并发出点火失败故障信号，空气风机跳机，煤气执行快切阀关指令、燃气流量气动调节阀开度 0%指令。 72 技术难点技术难点 corex 炉烘炉小车联动自动控制系统能够根据工艺的烘炉曲线自动的控制 15 套小车的燃烧温度，使拱顶温度达到温升曲线要求，由于 15 套小车安装在炉体风口位置，而拱顶温度的升温存在一定的滞后性，且 15 套烘炉小车

9、同时需要对燃烧温度进行 PID 调节，控制要求较高。三、系统的设计1、闭环控制系统、闭环控制系统控制系统一般包括开环控制系统和闭环控制系统，开环控制系统是指被控对象的输出对控制器的输出没有影响，在这种系统中，不依赖被控量反送回来以形成任何闭环回路；闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出会反送回来影响控制器的输出，形成闭环。闭环控制系统性能远优于开环控制系统，因此烘炉小车自动控制系统采用闭环控制系统。2、PID 的原理的原理在过程控制中，按偏差的比例（P） 、积分（I）和微分（D）进行控制的 PID 控制器是应用最广泛的一种自动控制器，它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数选

10、定简单，调整方便等优点；PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制，当被控对象得不到精确的数学模型，系统控制器的结构和参数依靠经验及现场调试确定，此时应用 PID 控制技术最为理想。3、PLC 的的 PID 控制器实现控制器实现PLC 的 PID 控制设计是以连续的 PID 控制规律为基础，将其数字化，写成离散式的 PID 方程，再根据离散方程进行控制程序设计。在连续系统中，典型的 PID 闭环控制如图所示：sp(t)是给定值，pv(t)为反馈量，c(t)为系统的输出量,PID 控制器的输入/输出关系为 8M(t)为控制器输出，Mo 为输出初始值，e(t)=s

11、p(t)-pv(t)为误差信号，KC 为比例系数，TI 为积分时间常数，TD 为微分时间常数。等号右边前三项分别为比例、积分、微分，他们分别与误差、误差的积分和微分成正比。四、硬件的设计1、PLC 系统设备选型这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的 PLC 有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行 I/O 点数和 I/O 点的类型(数字量、模拟量等)统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型(小、中、大形机器)。并且结合高炉分厂情况，了解库存最终选择西门子厂家的产品 S7-300机型。 依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定

12、使用西门子 s7-300 CPU 型号 315-2AG10-0AB0 模块，通讯模块选用 CP343 型号 6GK7 343-1EX30-0XE0，子站通讯模块使用 ET200，型号6ES7 153-2BA02-0XB0（可带 12 个输入输出模块） ，具体使用模块见下表：模块名称模块订货号模块数量 厂家S7300CPU315-2AG10-0AB01 块西门子通讯模块 CP3436GK7 343-1EX30-0XE01 块西门子通讯模块 ET2006ES7 153-2BA02-0XB03 块西门子开关量输入模块6ES7 321-1BH02-0AA07 块西门子开关量输出模块型号是6ES7 32

13、2-1BH01-0AA03 块西门子模拟量输入模块6ES7 331-7KF02-0AB013 块西门子模拟量输出模块6ES7 331-7KF02-0AB012 块西门子电源模块6ES7 307-1KA01-0AA02 块西门子 9图3西门子 CPU及输入输出模块图 4 西门子电源模块根据 PLC 输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及 PLC 输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。PLC 输入电路电源一般应采用 DC 24V, 同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这

14、对系统供电安全和 PLC 安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响 PLC 的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC 输入电路电源支路加装适宜的熔丝或保险，防止短路。对于两个重要输出量，不仅在 PLC 内部互锁，建议在 PLC 外部也进行硬件上的互锁，以加强 PLC 系统运行的安全性、可靠性。 五、软件的设计五、软件的设计 1、I/O 地址的分配地址的分配 10 根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后调整和扩充，I/O 点数一般应加上 10%-15%的预留量。下图为部分符号表。 11图 5 输入输出符号表2、自动化软件开发实施过程、自动化软件开发实施过程选择一

15、台研华工控机配置要求：在 Windows 2000/XP 专业版中安装 STEP 7 V5.4 和WINCCV6.0，至少 512 MB 内存，主频至少 600 MHz ，IE 浏览器版本要求 6.0，安装好系统及工控软件后，打开 STEP 7 V5.4 及 WINCCV6.0 新建程序和项目，并进行硬件组态和下装，程序编写完毕需进行模拟测试，功能需满足工艺要求。3 监控画面的制作监控画面的制作打开 WINCC V6.0 新建项目，项目名一般要求英文名称，存放路径根据自己确定要求英文，在项目中添加 S7 连接，选中以太网通讯模式（industrial etherent）添加变量，新建画面并添加

16、变量连接，更改通讯设置激活画面，查看画面显示进一步完善，画面本着简单、直观、明了、安全的原则进行，在烘炉小车主画面系统总目录中列出了 1#-15#小车系统和炉温温升系统、操作说明各分画面的目录，由此可直接进入各分画面。同时在左上角还设置了“返回主画面”键，可方便地返回主画面。主要设有以下画面，分别为：主画面和 115 台小车操作画面。其中主画面包括 15 台小车监视、报警记录画面、炉温趋势画面、操作说明画面等，在此只列举个别几个画面。主画面： 12 1#小车单车控制画面：在小车控制画面中，按下“1#煤气调节阀”红色字后弹出“1#煤气调节阀 PID 调节小窗口和趋势”对煤气阀具体调节。有手动/自

17、动调节选择和状态显示。手动下可直接输入阀位或进行微调，空气调节阀 PID 调节画面中有空气调节阀延时关时间设定。煤气调节阀画面： 13 工艺控制说明画面：趋势画面： 14在趋势画面中上面是实时曲线，下面是炉温控制的理想曲线。4 程序的开发程序的开发下位控制软件编程主要使用 LAD 语言，新建程序的硬件组态根据实际的模块进行配置，通讯设置将 CP343 模块的 MAC 地址加入并新增以太网连接，S7 program 中需加入一定的组织块 OB，具体要求根据 CPU 的型号不同而定，气体流量计算需要进行温压补偿，温压补偿公式及参数向仪表专业获取， （流量计算公式：Q 流量=Qm* Sqrt(Ta+

18、273.15)/(T+273.15)* (P+92.7)/(Pa+92.7)* Pcy/PmaxPa= 设计压力 P =实际压力 kPa Ta=设计温度 T=实际温度 Qm= 设计刻度流量 m3/h Pcy=实测差压值 Pmax=差压量程值 kPa）做成功能块 FC，使用时调用即可，PID 调节程序编写使用 STEP7 5.4 软件中集成功能块 FB41，PID 参数根据以前经验临时给定，具体调节时进一步微调，调节阀操作有手动和自动两种方式，其手动调节时是调节的阀位开度，自动调节时是调节的流量设定值，但在自动和手动之间的切换是实现无扰动切换，逻辑控制按照工艺要求进行程序编写，以满足 corex 炉烘炉点火的需要。程序结构如图：（具体程序见附件） 15结 论本项目顺利实施完成后，于 2014 年 9 月 11 在 1#corex 炉试烘炉阶段，现场 15 套燃气烘炉设备全部实现远程集中监控及控制，控制效果完全满足烘炉工艺控制需求，达到预期现场设备改造的目的，同时为公司降本增效工作做出可观的经济效益约 20 万元（现场电器设备配盘及接线节省费用约 10 万元，控制软件开发及打点调试节省费用约 10 万元） 。参考文献1.机械工业出版社 西门子 STEP7 编程语言与使用技巧 20092.机械工业出版社西门子 WINCC 使用手册大全 2009个人简介：李军伟 八钢公司检修