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14开题报告

毕业设计开题报告

题目：

转炉氧枪PLC自动控制系统设计

学生姓名：

贾广浩学号：

100801427

专业：

电气工程及其自动化

指导教师：

甄然（副教授）

2014年3月20日

开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册）；

4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。

如“2004年2月26日”或“2004-02-26”。

1.文献综述：

1.1本课题的意义

转炉炼钢起源于1855年的贝塞麦法,即酸性空气底吹转炉炼钢法,1879年开始生产的托马斯法为碱性空气底吹转炉炼钢法。

1952年在奥地利的林茨（Linz）炼出了世界上第1炉纯氧顶吹转炉钢,接着在1953年,多纳维茨（Donawitz）的LD（Linz-Donawitz命名）炼钢厂投产,从此转炉炼钢进入了一个新的阶段,标志着LD炼钢方法的诞生[1]。

近年来,随着全球经济的飞速发展，人类生产的机械化越来越明显，人们对钢的品种、质量要求不断提高。

比如提高强度以减轻结构的重量，改善韧性以保证使用安全（特别是在零度以下的使用）；改善冷成型性和表面质量以适应汽车生产发展；改善焊接性能以适应经济型更好的大输入焊接工艺等。

而转炉炼钢工艺较复杂,检测参数多,设备动作频繁，且工艺参数检测的准确与否,自动控制水平的高低,直接关系到钢水质量与产量的高低。

因此,必须有一套检测准确及时,自动控制水平较高的控制系统,才能稳定生产,满足企业生存与发展的需求[2、3、4]。

PLC是一种集计算机技术!

自动控制技术与通信技术为一体的数字运算操作的电子系统。

PLC的开发初衷就是专门针对工业环境，逐步实现从单台设备的控制到整个工厂流程自动化的发展要求。

随着软、硬件的设计与开发，使编程过程简单化从而使得PLC的控制更为灵活，并具有高度的可靠性与抗干扰能力等优点功能也有了本质的变化，从最初简单的逻辑控制、顺序控制，逐步进化到复杂的连续控制和过程控制领域，这一系列的演变过程代表了工业自动化程度的不断提高，为现代炼钢提供了更为行之有效的手段[5]。

其中在转炉炼钢生产过程中,氧枪系统的控制是非常重要的环节,它直接影响着转炉炼钢生产的高效及钢水质量。

同时转炉氧枪控制也是一个安全性、可靠性要求极高的系统,稍有不慎即可酿成大祸。

我们应仔细研究系统原理和考察现场实况,对系统进行改进和程序修改,避免发生坠枪之类的事故,有力地保证了生产,极大地减轻了维护维修的工作强度[6]。

1.2国内外发展状况

在转炉造渣过程中,氧枪操作是控制炉况的有效手段之一。

目前,转炉炼钢普遍采用的分阶段定枪位的操作方法已不能适应整个炉役期炉容的变化,现在一般采用模糊控制和自适应控制技术,以根据具体炉况连续的调节枪位,使转炉吹炼过程平稳进行转炉出完钢并将残渣倒入渣罐之后把炉子转到装废钢的位置。

废钢装完后,将炉子转过垂直位置,以倒平炉内的废钢。

然后将炉子转回到炉内。

接着将炉子转到垂直位置,并将水冷氧枪降至预估的最终钢水面以上的一个预定高度。

通常是在将氧枪向起始位置下降的过程中开始吹氧。

氧枪到达起始位置以后,一般很快就点着火了。

点火后片刻就开始加入造渣材料,如石灰、锻烧白云石、萤石和氧化铁。

根据炉子情况和钢种要求,有时需要在整个吹氧期中改变氧枪高度和供氧强度。

吹氧的时间主。

要决定于供氧强度和所捧钢种,通常为15一30分钟。

根据所采用的终点控制系统,确定正确的停吹时间[7、12]。

2000年以来，我国的转炉钢比例始终保持在80％以上，高于世界平均水平，且总体呈上升趋势。

2006年转炉钢产量37671.4万t，比例达到创记录的89.48％，相当于当年电炉钢的9倍。

根据对2006年我国重点大中型钢铁企业转炉钢铁料消耗的统计，平均为1081.67kg/t，比2000年的1094kg/t下降了12kg/t，部分转炉厂的钢铁料消耗已降到1060kg/t左右，达到了世界先进水平。

同时我国重点大中型钢铁企业转炉的工序能耗平均为10.11kg标准煤/t，比2005年大幅度减少，降幅达67.33％，很多转炉厂都加强了对煤气蒸汽等二次能源的回收，大大降低了转炉工序能耗，一部分企业实现了负能炼钢。

但是我国转炉生产消耗石灰40～80kg/t，消耗波动范围大，整体上与国外先进水平有一定的差距，这是因为我国钢铁企业间先进与落后的技术装备水平多层次并存，石灰的质量参差不齐，少数转炉钢厂的石灰消耗达国外同等水平，这些厂多配备了铁水预处理和精炼设备，预处理和炉外精炼比例高，转炉容量大，技术装备先进石灰质量好[8]。

某钢厂转炉上世纪八十年代投产,采用常规电气控制,本世纪初进行了升级改造,控制系统选用西门子S7-PLC、传动采用西门子SIMOVERTMASTERDRIVERS变频器。

由于技术局限和拘泥于原有操作习惯,氧枪仍然采用主令控制器进行速度和升降控制,枪位指示则保留了机械标尺。

两套氧枪一用一备,控制系统基本独立、只能整体备用,一套系统的某一设备如速度编码器、变频器有故障,此氧枪就不能使用,对生产和操作有较大影响[9]。

目前，我国的转炉副枪系统技术已实现国产化，国内有条件的大型转炉厂应采用副枪、动态模型控制实现自适宜采用价格便宜、维护成本低，不用对设备、厂房大改造的烟气分析技术[10]。

随着社会的发展，对洁净钢需求的不断增加,迫切需要建立起一种全新的、能大规模廉价生产纯净钢的生产体制。

同时,单纯依赖生产工序的技术改进,很难达到最佳的经济效果。

为实现这一目标,日本冶炼专家提出了“分阶段冶炼”的思想,经过近10年的实践,日本基本解决了新流程所面临的技术问题。

采用新工艺后,原转炉的钢水质量和生产效率明显提高,改变了“三吹二”或“二吹一”的传统模式,建立起一座转炉的生产体制。

日本钢管公司开发了NK-CB复吹技术,并先后在福山一炼钢厂180t转炉和福山二炼钢厂250t转炉上采用。

从转炉底部喷吹CO2气体,冶炼极低碳钢时吹入N2和Ar,底部喷入气体量≤0.1m3/（t·min）,采用单管喷嘴,炉底设4支喷嘴。

采用NK-CB复吹技术冶炼低碳铝镇静钢时,金属收得率可提高0.6%,铁合金消耗有所降低,其中铝降低0.35kg/t钢,Fe-Mn降低1.2kg/t钢;石灰消耗降低3kg/t钢,转炉吹炼时间可缩短1min。

不仅如此，还有蒂森公司TBM法、阿尔贝德萨尔钢公司LBE法、新日铁公司LD-AB复吹技术等等[11]。

参考文献：

1谢书明，柴天佑.转炉炼钢自动化现状与发展.冶金自动化1998

（1）：

1~5

2张涛，李龙云.转炉自动控制系统的设计与实践.冶金设备，2004

（1）：

64~65

3罗振才.炼钢机械.第2版.北京:

冶金工业出版社,2001

4宋大为,黄泽仁.转炉副枪测温定碳变换器.冶金自动化.1978

（2）：

26~33

5黄干将.PLC在工业自动化控制领域中的应用及发展.价值工程，2010（24）：

224

6张跃，戴峻浩.转炉氧枪自控系统及改进.涟钢科技与管理，2004

（2）：

19~22

7张海波.氧枪自动控制系统.2009年河北省冶金学会炼钢—连铸技术与学术年会,2009（9）

8姜晓东.小议我国转炉炼钢的现状和发展.冶金经济与管理.2008（4）：

19~22

9顾宏.转炉氧枪控制系统的改造实践.自动化技术与应用，2012（5）：

58~63

10章文超.转炉副枪系统型式与国产化.世界钢铁，2010

（2）：

23~26

11潘秀兰,王艳红,郭艳玲,刘丽娟.国内外转炉炼钢技术的新进展.鞍钢技术.2004（6）：

1~7

12Yanrui Wu．The Chinese steel industryrecent developments 

and prospects.ResourcesPolicy,2000,Vol.26（3）：

171~178 

2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：

2.1课题要求

2.1.1设计主电路，利用整流装置产生可调直流电压，利用直流电机拖动。

2.1.2转炉氧枪升降装置

每个转炉均有互为备用的两套氧枪升降装置，当其中一支氧枪出现故障或烧枪时，立即进行移枪操作，用另一支氧枪进行炼钢。

每支氧枪的驱动系统是独立的，而其控制系统公用。

每套系统都是由电气室内的PLC控制独立的变频器，再由变频器驱动各自的氧枪升降电动机工作，电动机通过减速机带动氧枪钢丝绳滚筒运转，钢绳牵引着装有氧枪的小车在固定的轨道上进行升降运动。

为了将氧枪小车的位丝置信号反馈给PLC，在电机另一端装有氧枪高度编码器，在减速机另一端装有凸轮控制器。

为了控制氧枪不至于冲顶或坠地，另外在氧枪的活动轨道上方还有两个机械上极限限位，在氧枪的固定轨道上还装有一个机械下极限限位。

为了检测钢丝绳是否松驰，在钢丝绳的另一端装有张力检测传感。

图1氧枪升降位置示意图

2.1.3氧枪自动控制

整个氧枪自控系统是由西门子S7-300的PLC进行控制的。

操作室手柄发出的提枪或下枪指令传入PLC的模拟量输入模块时，同时检测氧枪升降的条件是否具备，包括张力是否正常、最高点或最低点是否工作，其它条件是否满足下枪或提枪条件，如不具备条件则氧枪不工作，如条件具备则给变频器发出运行信号，变频器控制电机正常工作，同时反馈力矩或电流值给PLC，与电动机同轴的编码器和减速机上的凸轮控制器反馈氧枪高度信号，从而确保氧枪安全运行。

2.1.4氧枪精确定位控制

在转炉动态炼钢中,枪位制度是重要的控制参量,氧枪定位的精确性直接影响吹炼终点的钢水温度和碳含量,同时,对生产安全和炉龄、枪龄也有很大的影响。

定位数据的处理采用点线结合的方法,对于极限位、待吹位、开氧/闭氧位、变速位等需精确定位的关键点,采用10次往返计数值加权平均的方法,以抵消提升加速和下降加速引起的卷扬钢绳弹性形变所造成的定位误差。

对于纵轴线上的枪位显示数据,则采用自动定量补偿和人工校准相结合的方法予以处理:

即当氧枪提升和下降的过程中,在编码器读数的基础上,分别加或减一个补偿量,这个补偿量是对氧枪1000次往返读数与实测枪位误差的统计处理结果,用这一数据补偿,在氧枪的工作行程上,可以达到±2cm的定位精度,完全能够满足枪位指示的精度要求。

枪位计算公式如下:

L升=（W+M-N升）*（3.1416*D）/S（2.1）

L降=（W+M+N降）*（3.1416*D）/S（2.2）

式中,L升为提升过程实际枪位;L降为下降过程实际枪位;W为计数模板当前计数值;M为校准点初始计数读数;N升为提升过程补偿量;N降为下降过程补偿量;D为提升装置卷扬辊直径;S为编码器每周脉冲数。

增量型编码器安装在减速机主轴上,氧枪的运动位置由编码器测得,编码器将位置信号按脉冲信号的形式传送到西门子FM350高速计数模板,应用中使用差分技术方式进行计数。

高速计数模板累计处理脉冲信号并与由程序设定的控制点位置信息比较,如检测位置与设定位置匹配,则相应的输出点输出,传入变频器,作用于拖动设备实现调速和启停。

在氧枪卷筒处安装绝对值编码器,测量实际枪位。

2.1.5转炉氧枪联锁要求

①氧枪在换枪打渣点以上，横移小车才能横移；

②横移小车到限位锁定后，氧枪才能下降；

③锁定装置松开后，横移小车才能横移；

④刮渣器张开后，氧枪才能下降；

2.1.6PLC中氧枪位置信号处理

为保证氧枪位置的精确性,采用硬件标定和软件标定相结合的方法。

采用氧枪上极限位为硬件标定点,当氧枪处于上极限位时,在软件中设定初始值为50000,并以此为判定枪位的依据。

随着氧枪的下降,数值随之增大。

当氧枪降到待吹点,开、关氧点,上、下变速点,软上、下限,机械上、下极限等需精确定位的关键点位置时记录其数值将其与初始值比较,从而判定氧枪位置,从而进行开关氧的控制。

为提高系统的可靠性,通过MMI设置了枪位标尺显示和校准按钮,操作人员当发实际标尺与MMI上标尺数值相差较大时,需要重新校枪。

把氧枪上升到上极限位,按下校枪按钮进行软手动校枪,此时定位系统自动初始化,恢复设定精度。

2.2拟采用的研究手段及途径

整个系统的自动控制由PLC控制程序完成,通过开放的Profibus一DP现场总线连接各个部件,构成分布式控制系统,实现顺序逻辑控制、联动联锁控制以及信号传输、报警和数据采集等,同时设有人工紧急停车处理按钮。

选用西门子公司最新推出的过程控制系统PCS7,其硬件主控制站采用AS416-2DP,远程I/O采用ET200M,软件开发平台采用西门子公司PCS7ES工程师软件和PCS7OS操作站软件。

此控制系统集原SIEMENS系列PLC的优点和现代DCS功能于一体,系统通讯功能强大,故障诊断、调试手段丰富,对于既有顺序控制（如氧枪升降及定位、横移小车行走及定位、各种控制阀的开/关、炉体倾动、配料等逻辑联锁和数据比较运算、各种工作状态判断及报警等）又含有大量连续调节（如氧气、氮气、氩压力、流量等回路调节控制及各种模拟量的运算、显示和上下限报警等）的转炉的系统特别适用。

工程师站及操作站选用DELL商用机（CPUP4/2.4、内存256M、硬盘40G）,运行PCS7ES工程师软件和PCS7OS操作站软件。

氧枪系统采用双小车双卷扬系统，氧枪升降采用交流电动机驱动，变频调速，停止时用启动马达提枪，通过计算机键盘控制氧枪枪位，CRT来显示枪的实际位置。

氧枪控制分自动和手动，以实现更便捷的控制。

图2控制系统结构

指导教师意见

指导教师：

年月日