河北联合大学 烧结配料自动控制系统设计.docx

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河北联合大学烧结配料自动控制系统设计

摘要

烧结生产做为高炉炼铁顺利进行的前提，在冶金生产中起着相当重要的作用。

配料是烧结的重要工艺环节之一，为了达到降低烧结矿成本，提高烧结矿产量和质量的目的，提高配料系统的管理和控制水平成为首要问题。

可编程程序控制器（PLC,ProgrammableLogicController）因其高可靠性和较高的性价比，而在工业控制中被广泛应用。

组态软件由于计算机的普及和其本身价值（实时多任务、开放性、灵活性、通用性和可靠性）的被认知，也在快速的发展中。

本文基于可编程序控制器PLC设计自动配料系统的控制系统。

首先，利用德国西门子公司的S7-300系列PLC对自动配料系统进行控制。

运用与之相配的STEP7编程，通过LAD编程语言编制了下位机的控制程序，从而使该配料系统可以按要求完成自动配料全过程。

本文的主要内容包括对生产过程控制系统发展、配料系统工作原理和配料控制系统的总体设计，重点描述了包括硬件设计、编程环境及软件设计在内的西门子PLC在配料系统中应用的一些细节。

关键词:

烧结配料；PLC系统；计算机系统；系统设计；自动控制

Abstract

Sinteringastheprerequisiteforthesmoothconductoftheblastfurnace，playsanimportantroleinmetallurgicalproduction.InordertoreducethecostoftheSinterincreasetheproductionandimprovethequality,itisnecessarytoimprovethemanagementandcontroloftheburdensystem.

ProgrammableLogicController（PLC）iswidelyusedinindustryforitshighreliabilityandperformance/priceratio.Theconfigurationsoftwarealsoenjoysfastdevelopmentduetothepopularizationofpersonalcomputer,andisrecognizedofthevalueoriginatedfromthemeritssuchasreal-timemultitasking,openness,flexibility,versatility,andreliability.

BasedonPLCand,thecontrolsystemofautomaticingredientsystemaredesignedinthispaper.First,theSiemensPLCS7-300isusedtocontrolautomaticproportionsystem.Theproportioningsystemincludedtherequirementsofautomaticproportioning,weighing,andloading.Nexttheconfigurationsoftwareisusedtobuildthereal-timesupervisorysystem.Thesystemcanrealizethereal-timedata-logging,aswellasvariousvisual.

Paper’scontentsmainlyincludethattheindustrialcontrolsystemdevelopmentandpresentsituationoutline.Theingredientsystemprincipleofworkandtheingredientcontrolsystem'sdesign,describedwithemphasisincludingthehardwaredesign,theprogrammingenvironmentandsoftwaredesignSIMENSPLCiningredientsystem'sapplicationsomedetails.

Keyword:

sinteringburden；PLCsystem；computersystem；

systemdesign；automaticcontrol

绪论

自上个世纪60年代冶金自动化装备问世以来，取得了极其迅猛的发展。

特别是上世纪80年代种类繁多的PLC和DCS的出现，冶金自动化装备的可靠性和实时性、可操作性和可维护性都得到极大地改善。

方便的软件编制和友好的人机界面，不断提高的性能价格比，使冶金自动化装备技术得到极快的推广和使用。

“十五”期间,我国重点发展冶金生产过程自动化、工艺智能化和管理信息化技术，其中重点推广和研发技术中就有烧结过程自动化系统。

烧结是把粉状物料转变为致密体，是一个传统的工艺过程。

人们很早就利用这个工艺来生产陶瓷、粉末冶金、耐火材料、超高温材料等。

一般来说，粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料，其显微结构由晶体、玻璃体和气孔组成。

烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布。

无机材料的性能不仅与材料组成（化学组成与矿物组成）有关，还与材料的显微结构有密切的关系【2】。

烧结配料自动控制系统在现在应用十分广泛，是在自动控制仪表方面尤其突出。

在此方面根据烧结工艺需求能将各种矿按照所需量自动投入，由皮带运到混合机中进行下一步工艺的生产。

而近年来，我国的钢铁冶炼行业发展十分迅速，烧结矿是炼铁的主原料，而配料这一工艺是影响烧结质量的重要环节，各称量设备只有达到一定精度才能保证矿的质量。

因此烧结配料自动控制系统是各大型钢铁厂必不可少的，也可大大提高生产效率。

据相关统计，目前我国有烧结机近500台，其中在建和投产的180～660m2的大中型烧结机有125台，烧结机面积已达近40000平方米。

未来，我国的烧结机将继续推进全流程工艺技术装备的升级换代，西门子提供的全集成过程控制系统SIMATICPCS7，可以帮助钢铁企业在提升产品质量的同时也将进一步降低能源消耗、减少污染物排放。

由此可见，烧结配料自动控制系统的前景十分乐观，对它的需求只会越来越大，不会减少。

烧结工业的迅速发展是近些年的事，主要的技术新进展表现在:

1.烧结工艺进一步完善;

2.烧结设备进一步改进;

3.新工艺研究。

目前我国钢铁仍然多数生产设备陈旧，部分采用手动操作，自动化程度不高，在配料系统中由于自动化程度较低，而传统烧结工艺中主要依靠工作经验进行调节，因此存在以下几方面的问题：

1.过分依靠配料工经验，配料工要熟知各个圆盘每变化1Hz频率所对应的各秤的流量变化应为多少，若配料工经验不足，就会延长调节时间

2.调节不及时，圆盘下料始终为给定频率，若料重发生变化，就会使各秤之间配比发生变化；

3.配料工半个小时跑盘一次，工作量较大。

4.由于物料的粉尘污染较严重，严重影响工人的身体健康。

随着烧结厂配料系统自动化程度的逐步提高，工业对配料的要求也越来越严格，如果配料系统异常，会造成烧结矿矾矿率增加，结矿率低，同时导致烧结矿消耗燃料上升，烧结矿应有成分波动较大、过少氧化等众多问题。

因此，完善烧结配料系统对提高工厂的技术经济指标十分重要。

本文介绍的事在配料系统中采用西门子S7-300/400系列PLC系列在实际中的成功设计及应用。

第1章烧结配料自动控制系统的概述

1.1烧结工艺简介

1.1.1烧结的定义及分类

1、烧结的定义

烧结的定义：

粉体原料经过成型、加热到低于熔点的温度，发生固结、气孔率下降、收缩加大、致密度提高、晶粒增大，成为坚硬的烧结体，这个过程称为烧结。

烧结的分类可分为常规烧结和非常规烧结两种。

（1）常规烧结

按是否出现液相可将常规烧结分为固相烧结和液相烧结两种。

固相烧结：

在烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程。

液相烧结：

有液相参与下的烧结，如多组分物系在烧结温度下常有液相出现，<45%。

（2）非常规烧结

非常规烧结也是特种烧结，它分为反应邵杰、热压烧结、电火花烧结、等静压烧结、活化烧结和微波烧结六种

1.1.2混合料的分层

目前世界上使用最广泛的是连续生产的抽风带式烧结机。

带式烧结机的抽风过程是自上而下进行的，根据混料高度温度变化的情况可分为五层，点火开始后，由上而下依次出现烧结矿层，燃烧层，预热层，干燥层和过湿层，后四层又相继消失，最后只剩下烧结矿层。

1.烧结矿层：

借助于点火器的高温作用和被吸入的空气，料层表面上的燃料着火燃烧，在燃料燃烧放出大量热量作用下，料层中产生一定数量的熔融物。

烧结矿层的主要变化是高温熔融物凝固成烧结矿，伴随着结晶析出新矿物。

吸入的冷空气被预热，烧结矿被冷却，烧结矿中低价氧化物和空气接触可能被氧化。

2.燃烧层

预热料中的固体燃料在燃料层内燃烧，使此处料温达到1350OC-1600OC，许多反应激烈进行。

一切矿物软化熔融，使矿粉粘结成块。

燃料层内除燃料的燃烧反应之外，还发生固体物料的熔化，还原，氧化以及石灰石，硫化物的分解等反应。

3.预热层：

从燃料层下来的高温废气，把下部混合料很快预热到着火温度，温度范围一般为400OC-800OC。

在此层只有气相与固相或固相与固相之间的反应，没有液相生成。

4.干燥层：

从预热层下来的热废气把此层料加热，温度很快上升到100以上，混合料中游离水大量蒸发。

该层中料球被急剧加热，迅速干燥，易被破坏，恶化料层透气性。

5.过湿层：

从干燥层下来的热废气中含有大量的水分，到底部料层被冷却到水蒸气的零点以下时，废气中的水蒸气即重新凝结成水，使混合料中的水分大量增加，形成过湿层。

过湿层对烧结的影响很大，因为混合料中含水过多，严重降低烧结速度，所以必须采取适当的措施减少或消除过湿现象出现。

烧结过程是许多物理和化学反应的总合。

其中有：

燃料燃烧和热交换；水分的蒸发和凝结；碳酸盐的分解及矿化作用；有害杂质的去除；氧化及还原；液相生成急固相成型以及气体动力学等过程。

1.1.3烧结工艺流程

烧结生产的工艺流程一般包括：

原燃料接受，贮存及熔剂，燃料的准备，配料，混合，布料，点火烧结，热矿破碎，热矿筛分及冷却，冷矿筛分及冷矿破碎，铺底料，成品烧结矿的贮存及输出，返矿贮存等工艺环节。

烧结生产的主要目的是为高炉提供质量优良，强度高，粉末少，还原性好和成分稳定的烧结矿。

国内外普遍采用的是常式抽风烧结机，在我国地方小铁厂还有相当一部分用平地吹风堆烧和箱式抽风烧结。

此外，还有回转窑烧结法、悬浮烧结法。

烧结生产工艺流程大体如下：

原料接受、贮存、准备及配料

受料系统-----主要包括翻车机系统，受料槽，精矿仓，溶剂仓，储煤仓，主要任务是担负厂内的原料接受、运送和储备。

原料准备系统-----包括含铁原料的中和，燃料的破碎，熔剂的破碎和筛分。

其任务是为配料工序准备好符合生产要求的原料、熔剂和燃料。

配料系统-----包括配料间的矿槽、给料圆盘、称量设备等。

根据规定的烧结矿化学成分，通过计算，按配比、重量进行给料，以保证混合料和烧结矿化学成分稳定，并担负生石灰的加水和燃料的调整。

混合、烧结、抽风、冷却

混合、造球系统-----主要包括一次混合，混合料矿槽，二次混合等工作（如果使用热返矿，包括返矿打水），其任务是加水，湿润混合料，再经混合机将混合料混匀，造成小球，并对混合料进行预热。

烧结系统-----包括铺料，点火，烧结等。

抽风系统-----包括风箱，集尘管，除尘，抽风等。

产品处理系统-----包括破碎，冷却、筛分、返矿处理和铺底料的分出，成品运输等[2]。

1.1.4烧结系统组成

烧结工艺过程主要控制系统包括：

破碎筛分系统

配料系统

混合制粒系统

烧结系统

排矿系统

点火炉系统

水泵房系统

风机和除尘系统

1.2烧结配料及方法简介

所谓配料就是根据高炉对烧结矿的产品质量要求及原料的化学性质，将各种原料、熔剂、燃料、以及高炉炉尘、铁屑和热返矿等按一定比例进行配加的工序。

配料的目的是根据烧结过程的要求，将各种不同的含铁原料、溶剂和燃料进行准确的配料，以获得较高的生产率和理化性能稳定的优质烧结矿，符合高炉冶炼的要求。

目前国内常用的配料方法有两种，即容积配料法和重量配料法。

1.容积配料法

容积配料法是利用物料的堆积密度，通过给料设备对物料容积进行控制，达到配料所要求的添加比例的一种方法。

此法优点是设备简单，操作方便。

现在国内中小企业大多数采用这种配料方法。

其缺点是物料的堆积密度受物料水分、成分、粒度等影响。

所以，尽管闸门开口大小不变，若上述性质改变时，其给料量往往不同，造成配料误差。

2.重量配料法

重量配料法是按照物料重量进行配料的一种方法，通常称为连续重量配料法。

该法是借助于电子皮带称和定量给料自动调节系统来实现自动配料的。

电子皮带秤给出称量皮带的瞬时送料量信号，而后信号输入给料机自动调节系统的调节部分，调节部分根据给定值和电子皮带秤测量值的信号偏差，自动调节圆盘转速，以达到给定的给料量。

优点是：

重量配料比容积配料更加精确，特别是对添加数量较少的原料，这一点更明显。

1.3烧结配料的生产过程

1.3.1配料的重要作用

为了使烧结矿满足高炉冶炼的要求，必须根据原料条件，准确地计算出铁料、溶剂、燃料的配比，并根据配料比进行配料，使配合料的主要成分如铁、氧化钙、二氧化石硅、硫、固定碳等的含量合乎规定的技术标准。

烧结厂使用的原料品种比较多，各种原料的化学成分相差也较大，即使是同一品种的原料，其化学成分也有波动。

配料工序就是根据烧结矿的质量指标要求，进行计算配料，控制和稳定烧结矿的化学成分在允许的范围内波动。

同时还可根据各种原料的粒度、熔点及烧结性能配入适量的燃料，保证烧结料含碳量适合于烧结生产的要求，并为有效地除去有害渣质和控制FeO的含量创造条件。

混合料的配碳量的最佳值在生产过程中是大有文章可作的，固定碳含量偏高，不但浪费燃料而且还会使FeO增高;固定碳含量偏低，烧结过程热量不足。

生产实践还指出，混合料的固定碳由4%升至5%时，脱硫率相应地从90.5多降至88.3%，同时烧结矿的FeO也跟着上升。

特别是烧结高硫矿粉时，固定碳、碱度的波动对脱硫的影响尤为显著。

因此，确定精确的配料比进行配料，对烧结矿的产品质量影响极大。

1.3.2配料操作与调整

加强配料操作，及时地进行配比和给料量的调整，是为了使生产稳定，减少误差，使成品质量满足规定的要求。

1.配料操作

即使配料计算准确无误，如果没有精心操作，烧结矿的化学成分也是难以保证的。

在生产上，影响配料精确的因素较多，故操作上应注意以下几方面:

（1）由于给料机圆盘盘面的水平度、衬板的光洁度、大小套的偏心等因素的影响，圆盘各点的下料量不等，故要定期标定给料机的下料量。

一般是在圆盘上等分八点作上标记，从中取接近八点平均下料量的两点作为下料点，并作统计，统一操作。

（2）随着配料矿槽料位的变化，下料量也发生变化。

在给料机开口度不变的情况下，料位越低，下料量越小。

故矿槽的料位应保持一定的高度，使矿槽在常压下操作。

（3）原料水分和粒度的变化也会影响下料量。

如原料水分在一定范围内增大时，下料量偏大，应根据干料量的变化来进行调整。

（4）同一品种料量过大时，最好用两台给料机给料，可减少下料量的波动。

由于影响下料的因素较多，在人工操作中就要求勤称量、勤校正。

铁料每项15分钟校正一次，熔剂和燃料每项10分钟校正一次，并根据实际情况，具体规定各种下料量的误差范围。

2.配料调整

生产上常常出现实际的烧结矿成分与配料计算发生偏差的问题，其原因，一是计算有错误，二是原料成分发生波动，三是给料机的下量误差大，四是烧结矿取样缺乏代表性，或者粉矿或熔剂的粒度过大。

要分析烧结矿成分波动的真实原因应从下面几个方面入手:

（1）验算配料比是否准确；

（2）检查下料量是否超出规定的误差范围；

（3）原料的物理化学成分是否发生波动；

（4）分析烧结矿化学成分变化的总趋势；

（5）供料系统有无混料现象；

3.配料调整要注意的几个问题：

（1）滞后现象:

配料比或给料调整后有滞后现象。

取样时要到第二、第三个样品才能反应出来

（2）兼顾其他成分的变化:

调整铁分时，要注意碱度等因素的变化。

如铁分正常，碱度低时，调整时除增加石灰石用量外还要适当调高铁分。

又如烧结矿的铁分和碱度偏高时，可用低铁原料置换高铁原料。

因为低铁原料的Si02含量高，故可以不增加或少增加熔剂的用量。

（3）返矿的影响:

在返矿不参加配料的工艺中，当烧结操作失常产生返矿恶性循环时，返矿量大幅度增加会造成烧结矿的铁分降低以及碱度的暂时偏低。

但当烧结过程恢复正常时，这一趋势又会向相反的方向发展。

1.3.3配料生产过程存在的问题

配料过程是具有大惯性、纯滞后和强耦合特性的高度非线性对象；常规控制理论满足不了对象特性的要求。

控制参数复杂，原料品种多，有混匀矿、杂返矿、高炉返矿、高炉灰、石灰石、生石灰和焦炭等。

另外，有前一节可知，系统各因素之间的相互影响情况复杂，配料过程的滞后时间长，通常从配料到烧结矿产品，再到产品成分化验结果出来，大约需要一个半小时。

由于以上各因素的影响，使得控制系统主要有以下两方面的问题：

检测与控制的内容和关键

1.各物料配比的计算；

2.各物料配比的调整；

3.烧结矿各性能指标的监测；

4.物料流量的检测与控制；

5.工艺过程的综合控制；

6.安全管理功能；

配料过程控制的难点

要实现以上内容，主要有以下难点：

1.检测的难点:

烧结矿和各种物料的性能指标，即它们的理化特性，日前很难做到在线的检测，从而使得很难实现过程的自动控制。

2.建模的困难:

计算机控制离不开数学模型，而整个生产过程的状态十分复杂，加上工艺参数的频繁波动，干扰因素很多，使得由烧结矿的性能指标的波动确定物料配比的调整之间的数学模型难以建立。

所以，大部分烧结厂的配料过程都是手工配料，物料的调整也是依靠生产经验来进行人工调整:

虽然，物料配比的计算有很多方法，但是要实现既简单又准确的物料配比计算，还存在着一定的困难。

1.3.4工艺上对控制系统的要求

配料系统的主要任务是按烧结机对物料的需求量，计算、分配、控制原料矿槽的下料量，以保证物料平衡和化学成分符合要求。

工艺上对控制系统的要求是:

1.实现各调速秤和集料皮带机的顺序起停、单机起停和 立即起停

2.流量计算功能

根据检测到的重量信号和皮带速度信号，计算一段时间内物料的平均流量，以此平均流量作为反馈量进行PID调节;

3.报警功能

对经常出现的故障如集料皮带转速异常，调速秤运行异常，震动料斗不动作等进行声光报警。

第2章PLC的概述

2.1PLC的介绍

2.1.1PLC的结构

PLC的实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上是与微型计算机相同的，如下图所示。

图2.1PLC的结构

1.中央处理单元（（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/0以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

2.存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

3.电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

一般交流电压波动在10%--15%范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

4.输入输出元件（I/O模块）

I/O模块是CPU与现场I/O装置或其它外部设备之间的连接部件。

将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常工作。

5.编程器

编程器适用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。

它通过通讯端口与CPU联系，完成人机对话连接。

6.外部设备

一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPA写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。

2.1.2PLC的工作原理

PLC采用了一种不同于一般计算机的运行方式，即扫描方式。

1.工作过程

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，如下图所示。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

图2.2PLC的工作过程

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

（3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时才是PLC的真正输出

。

2.扫描周期

PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示。

一个周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间之和。

图2.3PLC的扫描周期

2.1.3PLC的分类

1.小型PLC

小型PLC的I/O点数一般在128点以下，具有体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其它各种特殊功能模块。

它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。

2.中型PLC

中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256－1024点之间。

I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。

它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，

指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

3.大型PLC

大型PLCI/O点数一般在1024点以上。

大型PLC的软、硬件功能极强，具有极强的自诊断功能;通讯联网功能强，有各种通讯联网的