矸石制浆材料工业生产线系统设计.docx
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矸石制浆材料工业生产线系统设计
矸石制浆材料工业生产线系统设计
第1章绪论
1.1前言
能源、人口、环境问题是当今世界面临的重大挑战，也是我国面临的重大课题。
从可持续发展的战略高度来审视，必须处理好经济建设、生态平衡和环境保护协调发展的关系。
能源是国民经济发展的物质基础，从长期供需预测看，供需矛盾仍很突出，从消耗能源产生“温室效应”导致全球气候变暖的现实，我国更面临环境问题的新挑战。
因此，促进能源的合理和有效利用，对我国经济发展和环境保护具有深远的战略意义。
本工业系统就选择了煤矸石这种材料作为解决能源的一种方法。
煤矸石（煤矸石是煤矿地层中的脉石，开采煤炭时，从煤层的顶板或低板部位上，以及在掘进中从煤层周围挖掘和爆破出来的炭殖岩、泥殖岩、砂殖岩、粉沙岩和少量石灰石、夹杂着数量不等的碎屑矿物和碳质统称煤矸石）在采煤、选煤过程中被剔除而丢弃，所有煤矿矿区都堆积如山。
在我国，每吨煤矸石的基建和运输管理费平均达8元人民币；如果放任煤矸石的堆放，不仅压占大量土地，影响生态环境，而且煤矸石在遭受淋溶水的作用下，将污染周围的土壤和地下水。
同时，因煤矸石中含有一定的可燃物，在一定条件下会发生自燃，排放出二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体，污染大气环境，严重影响矿区居民的身体健康。
如果煤矸山堆存方式不当，还可发生塌方、垮塌、崩塌等灾害事故。
矸石常是煤的灰分增加的重要原因。
1.2选题背景
世界各国都很重视煤矸石的综合利用研究。
依靠技术进步来降低能源消耗是措施节能的根本途径。
不论是从国家战略层面考虑，还是从环保方面考虑，我们应该重视对矸石的工业利用。
煤矸石的开发利用，在经济和技术途径上，主要分为二大类，一是索取能源；二是选择灰份作为工业原料。
坑口电站和沸腾锅炉新技术使部分含碳高的煤矸石能源得以充分利用，但其经济效果不太好，而且烧后大量灰渣未能得到妥善处理，造成二次污染。
目前我国煤矸石制砖工艺、炉窑设计、生产设备基本接近发达国家水平，煤矸石制砖企业正在向集约化、大型化方向发展，产品由实心砖向多孔砖和空心砖方向发展。
如山东新汶矿业集团等单位建成煤矸石砖生产线20多条，每条生产线的能力均在6000万块/年以上。
利用煤矸石生产高附加值产品。
我国已开发出煤矸石生产增白和超细高岭土、生产无机复合肥和微生物有机肥料等技术，完善了利用煤矸石生产氯化铝、聚合氯化铝等化工产品、石棉及其制品、特种硅铝铁合金、铝合金等技术。
利用煤矸石复垦塌陷区、修路等取得了较好的社会效益和环境效益。
煤矸石在充填塌陷区、修路、水土保持、作物种植等技术上也取得较大突破，有效地提高了矸石和土地的利用率。
如山东新汶矿业集团累计利用200多万吨煤矸石，来治理流经矿区的柴汶河两岸采砂坑和部分矿井开采塌陷区，复垦开发土地500余亩。
存在的主要问题。
一是矸石山灾害治理投入不足，技术管理标准不完善。
分析近年来矸石山重大事故原因，一方面是煤矿企业安全欠账较多，即使加大了安全投入，也主要用于井下或生产工程的隐患治理，忽视了对矸石山灾害必须的防范治理。
另一方面是矸石山灾害治理技术标准、管理规范不健全，对防范治理矸石山灾害技术研究较少，缺少有效的技术支持。
二是煤矸石综合利用总体水平不高。
技术装备落后，企业规模小，竞争能力不强，发展后劲不足。
如全国煤矸石砖厂的平均生产能力不足1000万块标准砖，且品种单一，不能适应市场需要。
三是各地煤矸石综合利用发展不平衡。
在能源相对短缺的地区，煤矸石综合利用发展较快，如华东、西南地区，煤矸石综合利用率一般在60%以上。
而在煤炭资源相对丰富的地区，综合利用发展较慢。
四是优惠政策落实难，不利于调动煤矿治理矸石山的积极性。
国家在煤矸石发电、上网、电价、调峰等方面已出台了一些优惠政策，但由于种种原因，在项目审批、并网发电等方面还比较困难，贷款条件也比较苛刻。
1.3矸石制喷浆材料工业生产线的研究意义
要真正使煤矸石变成可以节约资源、能源、保护环境，取得综合优化效果的矿产资源，最有效的措施应该是资源化地开发利用。
未来实现这个目标，可用作一是重点发展低热质煤（矸石）发电；随着国家在基础建设方面的大量投入，这就需要大量的建筑材料，重点发展全矸石烧结砖，实现新型墙材的高废渣掺加量、高孔洞率、高保温性能、高强度要求。
，烧结粉煤灰陶粒、烧结粉煤灰陶粒砌块、烧结粉煤灰煤矸石页岩多孔砖、烧结粉煤灰煤矸石页岩高保温复合空心砖、压制烧结粉煤灰煤矸石砌块，、利用煤矸石制备微米级多孔陶瓷.煤矸石风化物复垦种植中的氮素营养，提取化工产品、烧制水泥、充填塌陷区、修路等。
综合开发利用煤矿矸石山，不仅可有效改善矿区环境，避免矸石山意外灾害事故，而且可变废为宝，节约能源，治理环境污染，具有重要的经济效益与社会效益。
这些都是对矸石的综合利用。
但是这样的话，所有的产品就必须被利用在我们的生活中，需要解决运输问题，这样就无形的增加了成本。
矸石制喷浆材料的应用将在本设计中得到体现。
为了将煤矸石转化为对我们有益的资源，本工业生产线将会把它转化为制浆材料来作为建筑用材，更加作为加固巷道的材料。
这样就可以就地取材，就地利用，减少了中间的环节；同时，也从根本上解决了地面下沉给人们的生产和生活造成的种种不便的问题；再者，也减少了地下开采中瓦斯爆炸所产生的破坏力。
第2章对我国现有的工业生产线的介绍
2.1继电器控制系统
首先是电动机拖动生产机械,我国现有的有相当多的机械设备是七八十年代的产品,完全是手工操作的机械,他们的精确度很低而且生产效率很低下,人为的操作故障有不可避免的增加了生产成本,导致了我们国家的生产能力较大,生产成本同样很高,进入20世纪以来,流水线,社会化大生产蓬勃发展,继电器控制系统已经被广泛的应用在工业生产的各个领域,创造了一个个成功的控制系统范例,并且对一些典型的逻辑控制关系建立了固定的继电器逻辑控制组合（也称功能单元）..继电器控制电路实现的控制功能比较简单,只限于逻辑,定时,记数等一些简单的控制,由于这种控制关系往往是针对某一个固定的生产工艺设计的,当生产过程发生了改变,就需要重新设计,改变继电器和接线.同时,由于继电器的机械动作还会造成控制速度低,安装施工工程大,系统不容易扩展,维护工作量大,故障不容易查找等缺点.
2.2电力拖动自动控制
但,20世纪60年代末,由于市场的需要,工业生产从大批量生产,少品种的生产方式转化为小批量,多品种的生产方式,然而,当时这样的大规模生产线的控制爱主要是继电器控制系统,体积大,耗电多,改变生产程序非常的困难.但对于当时的我们国家来说,那还是一种比较先进的控制方式,我们国家有廉价的劳动力,虽然我们的生产力低下,我们同样可以生产大量的生产资料.而且,这样的控制方式还是比较容易学习的,并不需要大量的科学知识.简单方便.但是随着我们国家的开放,大量的机械设备的高度自动化,高度的精密化和高度的无人化等.我们就需要更新我们的生产方式和管理理念.电力拖动自动控制已经向无触点,连续控制,弱电化,微机控制方向发展.
第3章系统的总体设计
3.1矸石工业生产线的工作原理
物料（大于200MM已经甩出）由某处经过输送机到达破碎机，在破碎机内被破碎成不同粒度的矸石块，然后，被二级输送机输送到筛分机，它将不同粒度的矸石分成不同的七份，大于15MM的经过滑道返回破碎机，被二次破碎，小于0.5MM的直接进入料池，被用于生产空心砖。
在15MM和0.5MM之间的矸石被分成五份，经过滑道进入配料机，它把矸石按照预先的程序进行配比，再经过滑道进入混合机，把经过配比的矸石进行混合，混合后的矸石即成为矸石制浆材料，最后，经过三级输送机后进入仓库或是进入下一个流程即进行装袋。
矸石工业生产线的工作流程示意图3-1
图3-1【】矸石制喷浆材料工业生产线工作流程
3.2设备的控制要求
控制系统要求四能实现“正常运行”和“正常停止”和“强制停止”和“故障停止”四种控制方式。
1）正常运行
正常运行方式具体控制要求如下：
按下启动按钮，一级输送机开始运转并保持，5秒后，破碎机开始运转并保持，由于破碎机的功率大于11千瓦故需要进行换接启动并保持，8秒后，二级输送机开始运转并保持，5秒后，筛分机开始启动并保持运转，5秒后，配料机开始启动并保持运转，5秒后，混合机开始启动并保持运转，由于配料机的功率大于11千瓦故需要进行换接启动并保持，7秒后，三级输送机开始启动并保持运转。
2）正常停止
正常停止方式具体控制要求如下：
按下停止按钮，三级输送机开始延时5秒，并停止，同时，混合机开始延时5秒，后停止，同时，配料机开始延时5秒，后停止，同时筛分机开始延时5秒，后停止，同时二级输送机开始延时5秒，后停止，同时，破碎机开始延时5秒，后停止，同时，一级输送机开始延时5秒，后停止。
3）强制停止
强制停止方式具体控制要求如下：
按下强制按钮，所有的电路全部都断开，即整个工业过程停止。
4）故障停止
故障停止方式具体控制要求如下：
当三级输送机电动机出现短路或过大的电枢电流（如严重过载）而损害电动机，就要断开，前面的混合机开始延时5秒，后停止，同时，前面的配料机开始延时5秒，后停止，同时前面的筛分机开始延时5秒，后停止，同时，前面的二级输送机开始延时5秒，后停止，同时，前面的破碎机开始延时5秒，后停止，同时，前面的一级输送机开始延时5秒，后停止。
当混合机电动机出现短路或过大的电枢电流（如严重过载）而损害电动机，就要断开，后面的三级输送机立刻停止，同时，前面的配料机开始延时5秒，后停止，同时，前面的筛分机开始延时5秒，后停止，同时，前面的二级输送机开始延时5秒，后停止，同时，前面的破碎机开始延时5秒，后停止，同时，前面的一级输送机开始延时5秒后停止。
当配料机的电动机出现短路或过大的电枢电流（如严重过载）而损害电动机，要断开，后面的三级输送机，混合机就要立刻停止，同时，前面的筛分机开始延时5秒，后停止，同时，前面的二级输送机开始延时5秒，后停止，同时，前面的破碎机开始延时5秒，后停止，同时，前面的输送机开始延时5秒，后停止，同时，前面的一级输送机开始延时5秒，后停止。
当筛分机的电动机出现短路或过大的电枢电流（如严重过载）而损害电动机，就要断开，后面的三级输送机，混合机，配料机就要立刻停止，同时，前面的二级输送机开始延时5秒，后停止，同时，前面的破碎机开始延时5秒，后停止，同时，前面的一级输送机开始延时5秒，后停止。
当二级输送机电动机出现短路或是过大的电枢电流（如严重过载）而损害电动机，就要断开，后面的三级输送机，混合机，配料机就要立刻停止，同时，前面的破碎机开始延时5秒，后停止，同时，前面的一级输送机开始延时5秒，后停止。
当破碎机电动机出现短路过大的电枢电流（如严重过载）而损害电动机，就要断开，后面的三级输送机，混合机，配料机，筛分机，二级输送机就要立刻停止，同时，前面的一级输送机开始延时5秒，后停止。
当一级输送机电动机出现短路或过大的电枢电流（如严重过载）而损害电动机，就要立刻断开，后面的三级输送机，混合机，配料机，筛分机，二级输送机，破碎机都要停止。
3.3生产设备的选择
1）生产设备工业生产线是由破碎机，筛分机，输送机，配料机，混合机等机械设备组成，输送机则是由一级输送机，二级输送机，三级输送机组成。
由于我做的是系统设计,所以这里的机械设备都是根据系统的需要进行必要的选择.如图3-2
设备
名称
电机
功率
生产
能力
电流
电压
频率
转速
输送机
7．5KW
60-130T/H
15A
380V
50HZ
970
N/M
破碎机
75KW
60T/H
140A
380V
50HZ
960
N/M
配料机
5．5KW
40-70T/H
11.1A
380V
50HZ
960
N/M
混合机
11KW
50-70T/H
21.8A
380V
50HZ
970
N/M
筛分机
1.5KW
50-100T/H
3.44A
380V
50HZ
970
N/M
图3-2设备的选择
2）控制系统出了要满足能正常的生产以外，要想长期的无故障运行工作，还必须要有各种保护措施。
保护环节是所有的控制系统不可缺少的组成部分，利用它来保护电动机，电网，控制设备以及人身安全等。
（1）过载保护
电动机长期工作超载运行，电动机绕组温度升高超过其容许值，电动机的绝缘就要便脆，寿命就要减少，严重时候使电动机损坏。
选择的根据：
根据电动机的额定电流来确定其型号与规格。
热继电器元件的额定电流应接近或大于电动机的额定电流。
故热继电器（保护输送机）选择型号：
JR16B-20/3（16）
故热继电器（保护破碎机）选择型号：
JR16B-150/3（160）
故热继电器（保护筛分机）选择型号：
JR16B-20/3（3.5）
故热继电器（保护配料机）选择型号：
JR16B-20/3（16）
故热继电器（保护混合机）选择型号：
JR16B-20/3（22）
故主路热继电器选择型号：
RT0-400（250）
（2）过电流保护
电动机短路或过大的电枢电流（如严重过载）而损坏电动机，就要采用过电流保护。
当然过电流保护是快保护；而热继电器保护是慢保护。
选择的依据：
线圈的额定电流*80%>负载电流
过电流继电器（保护输送机）选择型号：
JL12-20
过电流继电器（保护破碎机）选择型号：
JL12-150
过电流继电器（保护筛分机）选择型号：
JL12-5
过电流继电器（保护配料机）选择型号：
JL12-15
过电流继电器（保护混合机）选择型号：
JL12-30
（3）接触器
用于带有负载的主电路的自动接通或切断。
选择根据：
主触点额定电流，一般根据电动机容量计算触点电流：
接触器（保护输送机）选择型号：
CJ10-20
接触器（保护破碎机）选择型号：
CJ10-150
接触器（保护筛分机）选择型号：
CJ10-5
接触器（保护配料机）选择型号：
CJ10-10
接触器（保护混合机）选择型号：
CJ10-20
（4）自动空气开关
它能接通或分断正常工作电流，也能自动分断过载或短路电流，有欠电压和过载短路保护作用。
选择根据：
保护电动机时，电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流为电动机启动电流的1.7倍
故主路自动空气开关型号：
DW10-400
（5）控制变压器的选用
依据控制线路最大工作负载所需要的功率计算，一般可根据下面的计算：
变压器容量＞（1.1—1.26）*控制线路最大负载的工作功率；显然对于交流电器，负载的工作功率要取吸持功率值。
故选择控制变压器的型号：
BK-1000
第4章控制系统的PLC选型和资源配置
4.1.PLC控制系统的硬件设计
PLC控制系统的硬件设计是指硬件选型.机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下,保证系统工作可靠,维护使用方便极其最佳的性价比.具体考虑下面的因素.
1）结构合理
由于工艺过程相对固定,但生产环境不好,噪声比较大,空气流通不好等选择模块式结构的PLC.
2）功能强,弱恰当
对于开关量控制的工程项目,本设计没有控制速度的特别要求,一般选择低档的PLC.如西门子的S7---200系列机.如图4-1
性能指标
CPU224
外型尺寸
120.5*80*62
本机数字量
14个输入/10个输出
程序空间
4096字
数据空间
2560字
用户储存器类型
EPROM
扩展模块数量
7个模块
数字量I/O
128个输入/128个输出
模拟量I/O
32输入/32输出
定时器/计时器
256/256
内部继电器
256
布尔指令执行速度
0.37MS/指令
通信口数量
1（RS—485）
图4-1SIMATICS7—CPU224主要性能指标
3）PLC环境适应性
由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器,生产厂家把它设计成在恶劣的环境条件下工作.尽管这样,每一种PLC都要有自己的环境技术条件.一般的PLC及其外部电路（I/O模块等）都能满足:
温度:
工作温度0---55度
湿度:
-40------+85度
电源:
交流200V,容许变化范围为-15%---+15%,频率为47---53赫兹,瞬间停电保持10MS.
4.2PLC框架配置图
矸石制浆材料工业生产线控制系统采用西门子的S7---200系列整体式PLC。
PLC框架配置图如图4-2
图4-2PLC框架配置图
1）PLC的I/O模块的选择
PLC是一种工业控制系统,它的控制对象是工业生产设备或是生产过程,它与工业生产过程的联系就是I/O接口模块来实现的.
通过它来检测被控制的生产过程.同时,控制器又通过接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控制设备,驱动各种执行机构来实现控制.首先是确定I/O点数，I/O点数的确定要充分考虑到容量，能方便的对功能进行扩展。
对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。
由于西门子S7-200系列整体式PLC-CPU模块有14个数字量输入，有14个数字量输出。
所以需要输出、输入扩展模块，扩展模块为：
SE223输出、输入为8输出、8输入，需要两个扩展模块，扩展模块功能概述图4-3：
EM22324VDC8输入/输出
输入特性
I/O端子排
可拆卸
输入
8点
·类型
漏型/源型
输入电压
·额定值
24VDC
·“1”信号
15---30VDC
·“0”信号
0---5V
隔离
光耦
·每组点数
4
输入电流
·“1”信号
4MA
输入延迟
·额定输入电压
4.5MS
2线BERO连接
·容许漏电流
1MA
输出特性
输出
8点
额定负载电压L+/L1
24VDV
·容许范围
20.4---28.8VDC
输出电压
·“1”信号
最小20VDC
隔离
光耦
·每组点数
4
最大输出电流
·“1”信号
40℃时额定值
0.75A
55℃时额定值
0.75A
最小电流
--
·“0”信号
10MA
接点开关量
·阻性负载
0.75A
·感性负载
0.75
·灯负载
5W
短路保护
外部提供
能量损耗
·从背板总线（5VDC）
80MA
·从传感器电源
32MA
图4-3扩展模块功能
其次，开关量I/O：
标准的I/O接口用于同开关（按钮等）及控制开关设备（如：
指示灯、报警器等）进行数据传输典型的I/O信号为24-240V（AC）
（1）选择开关量输入模块主要从以下两个方面考虑：
一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低，一般24V以下属于低电平，其传输距离不易太远，如12V电压模块，一般不超过10米。
二是高密度的输入模块，能允许接通点数取决于电压和温度环境，一般同时接通的点数不超过总输入点数的百分之六十。
（2）选择开关量输出模块应从以下三个方面来考虑：
一是输出方式的选择，输出模块有三种输出方式，继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出，其中，继电器输出价格便宜使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，并且有隔离作用，非常适合本工业生产线控制系统的应用。
二是输出电流的选择。
模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。
对于电容性负载，热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。
三是允许同时接通的输出点数。
在选用点数时，不但要核算一个输出点的驱动能力，还要核算整个输出模块的满负荷负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值，不得超过模块规定的最大允许电流值。
若I/O设备由不同电源供电，应当使用带隔离公共线的接口电路。
结合以上的方法，本系统输入模块为开关量和继电器的触点。
共有十一个输入，二十个输出
电源模块的选择：
电源模块的选择一般只需考虑输出电流。
电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。
以下步骤为选择电源的一般规则：
（1）确定电源的输入电压；
（2）将框架中每块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电流值；
（3）I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流；
①框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；
②当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。
由此可知，电源的输入电压为24V，输出电压（指示灯和报警器等）为6V，输出电压（接触器等）为220V。
第5章自动控制系统程序设计和调试
5.1编程软件
编程软件采用西门子公司为其生产的PLC而设计的编程软件STEP-Micro/Win32，它可以在Windows平台上运行，而且提供了一个完整的编程环境，可以进行离线编程和在线编程和调试，并能实现梯形图和语句表的相互转换。
1）系统要求
●586CPU以上的计算机
●16MB的内存配置，50MB的硬盘空间。
●WIN95、WIN98、WindowsNT
2）软件安装
●启动Windows，将装有STEP7-MICRO/WIN32的光盘插入光驱；
●在我的电脑中找到光盘驱动器，然后双击，打开光盘，找到SETUP.EXE文件并双击该文件，开始运行安装程序；
●在安装过程中，会出现PC/PC接口对话框，可以点击“CANCEL”继续下一步；
●按照提示，完成剩余的安装操作。
5.2程序的流程图、构成和相关设置
5.2.1正常运行流程部分图
正常的运行流程部分又可以分成两个小的部分，就是正常的起动部分和正常的停止部分，正常的起动就是不涉及到故障的部分，下面的是整个工业生产线的正常的工作状态，而且也是正常的起动并保持工作的状态。
当整个工业生产产线要工作的时候，按下启动按钮开关，整个系统就开始进入正常的工作状态，可以说很简单地就控制了电动机的顺序起动，这样的顺序起动是利用了时间继电器的作用，利用它的延时功能来实现的，即当一级输送机电动机起动时候，与它相连的时间继电器就开始工作，就是开始记时，时间一到，破碎机就开始起动，避免了外用的不必要的麻烦，按照这样的顺序整个工业系统就开始；当然，在起动过程中，电动机也可能出现一些故障而导致电动机停机，这样就属于故障范围的，一旦任何一台电动机在起动过程中出现了故障（过流或是过载），与它相连的过流继电器或者是热继电器就会根据具体的故障的问题的出现来使它们的触点进入工作状态，这样就使触点动作，使故障电路处于接通状态，报警电路开始工作，信号灯工作，蜂鸣报警器也开始处于工作状态，直到确认按钮开关处于断开的状态。
如图5-1-1。
正常的停止部分就是按下停止按钮开关以后，所有设备的电动机就要按照控制程序开始动作，比如按下以后，5秒后，一级输送机电动机就要停止，而在经过5秒后，后面的电动机也要停止工作，按照这样的顺序，所有的电动机停止；也可以说正常的起动是按照从后面的设备的电动机先开始起动，而当关闭的时候，则是从前面的设备的电动机开始先停止。
如图5-1-2
图5-1-1正常起动运行流程部分
图5-1-2正常停止运行流程部分
配料机电动机停止
结束
图5-2故障流程运行流程部分
5.2.2故障运行流程部分图
一套完整的工业控制系统要有必要的故障系统，保证正常的运行，否则这样的工业系统如果出现了故障，就不能进行正常的工作，却需要更多的时间去检查事故的地点。
一旦出现了故障，就要判断故障的类型，和故障出现的地点，保证能让维修人员在第一时间去修理，保证在最短的时间内将故障处理掉，再进行生产，本工业系统主要考
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