高炉运矿皮带拣铁装置控制系统设计本科毕业设计论文.docx

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高炉运矿皮带拣铁装置控制系统设计本科毕业设计论文

毕业设计说明书

GRADUATEDESIGN

设计题目：

高炉运矿皮带拣铁装置控制系统设计

摘要

文章介绍了一种以西门子PLC为软件基础设计的高炉运矿拣铁装置控制系统。

PLC在工业自动化控制领域越来越受到重视，它的应用提高了机械装置控制系统的自动化水平和可靠性。

高炉运矿皮带拣铁装置控制系统的硬件部分主要包括：

金属探测器、行走小车机构、电磁吸盘、整流变压器、分离平台、除铁漏斗和金属机构支架。

这套拣铁系统适用于拣出弱磁性物料中的铁件，在高炉运矿中应用，防止铁件撕裂皮带或造成设备的损坏，本装置的使用，能可靠的保护运输机，破碎机，研磨机等机械的设备的正常的运转。

当金属探测器检测到有铁信号时，PLC接收来铁信号，PLC通过不同电压来控制电磁吸盘的强磁，保磁、弱磁、去磁四种状态。

通过限位开关对小车的位置监测，从而将废铁从皮带上检出。

本课题完成了高炉运矿皮带拣铁装置控制系统的硬件和软件部分的设计,模拟实现了PLC对高炉运矿皮带拣铁装置的自动控制。

关键词高炉运矿拣铁；PLC；金属探测器；电磁吸盘

Abstract

ThispaperintroducesakindofbasedonSiemensPLCforthesoftwaredesignoftheblastfurnaceironorepickdevicecontrolsystem.WithmoreattentionpaidtothePLCinthefieldofindustrialautomationcontrol,itsapplicationimprovestheautomationlevelandreliabilityofthemechanicaldevicecontrolsystem.Pickironblastfurnaceorebeltdevicecontrolsystemhardwaremainlyincludes:

metaldetectors,walkthecarbody,magneticchuck,rectifiertransformer,separationplatform,inadditiontoironfunnelandinstitutionsmetalstents.Thejianironsystemapplicabletopickouttheweakmagneticmaterialofiron,usedinblastfurnaceore,preventirontornbeltorcausesthedamageofequipment,theuseofthisdevice,canprotecttheconveyor,crusher,grindingmachineandothermechanicalequipmentnormaloperation.

Whenthemetaldetectortodetectironsignal,ThePLCreceivessignalsofironPLCcontrolthroughthedifferentvoltagemagneticchuckstrongmagnetic,magnetic,weakmagnetism,demagnetizationfourstate.Throughmonitoringoflimitswitchonthepositionofthecar,whichfromthescrapirononthebeltwillbecheckedout.

Thistopicfinishedpickironblastfurnaceorebeltdevicepartofthedesignofhardwareandsoftwareofthecontrolsystem.ImplementthePLCfortheblastfurnacepickironorebeltdeviceautomaticcontrol.

Keywordsthemineralstonepickironequips;PLC;ametaldetector;

magneticchuck;

第1章绪论

1.1高炉运矿皮带拣铁工艺简介

在现代工业中高炉运矿皮带拣铁工艺是一个相对复杂的工作流程，根据不同的需求高炉拣铁系统需要能够对高炉原料按不同种类根据不同特性进行分类，分拣出铁。

随着现在高炉加工过程的精细程度越来越高对铁矿选料系统的区分精度也变得更高，然而由于高炉原料在生产过程中往往伴随着多个不同种类的原料同时产生，这使得高炉选铁过程中如何有效地对不同种类的高炉原料进行区分成为一个有待解决的难题。

另一方面当前高炉拣铁系统在实践应用过程中往往需要针对高炉原料的不同特点及时调整高炉拣铁机械装置的工作方式和工作步骤，传统的拣铁过程中，对高炉拣铁机械装置的调整和控制往往是采用人工的方式进行控制，这种控制方式所得到的控制精度取决于操作人员的经验和技术水平，容易导致高炉拣铁系统的产品质量不稳定，同时依靠人工的控制方式工作效率很低[1]。

为了更好地提高高炉拣铁系统工作过程的自动化，提出了基于PLC的高炉运矿皮带拣铁控制系统。

高炉运矿皮带拣铁工艺是以金属探测器为传感器为主要检测元件，以电磁吸盘和行走小车为主要执行机构，以PLC为主要控制手段的机电一体化设备。

它主要适用于拣除弱磁性物质中的铁件，防止铁件进入下一道设备造成设备损坏，撕裂皮带，铁件卡堵各闸门和高炉下料喉口，影响高炉下料正常生产的关键设备。

它具有自动化程度高，可靠性好，动作迅速，反映灵敏，设备简单，调整方便等优点。

近几十年来，随着我国高炉炼铁行业的飞速发展，生产工艺不断优化，设备装备水平不断的提高，自动化，机械化，智能化高科技产品日新月异，特别是可编程序控制器的出现更是电气控制领域的一次革命，以体积小，重量轻，编程操作简单，易学易懂，修改程序方便，抗干扰能力强，可靠性灵活性强，工作稳定，可靠，适合工作在生产现场的诸多特点，而被应用到各个领域，因此，在高炉运矿皮带拣铁装置自动控制系统中，采用进行自动化的控制是非常的合适的，同时他为企业的生存的发展直接或间接的带来了巨大的经济效益。

有效拣除运矿皮带的铁件，消除皮带被刮伤的危险。

矿石拣铁装置虽然是一个辅助设备，但是它在生产中有着不可替代的的重要作用，它主要适用于检除弱磁性的物料中的铁件，防止铁件撕裂皮带或流到下一道设备里造成下道设备的损坏，本装置的使用，能可靠的保护运输机，破碎机，研磨机等机械的设备的正常的运转，高炉运矿皮带属于高炉上料系统中的关键的环节，该设备不但在生产中的位置重要而且费用也相当的可观，因此，该设备的安全，稳定长周期长寿命的运行，将会给企业的发展带来巨大的经济效益和社会效益。

另外，运矿拣铁装置把住了铁件进炉的关口，同时也有效的保护了高炉上料主皮带的安全和避免各种铁件卡住炉顶设备的可能，为高炉生产创造了条件。

例如：

1999年5月18日，高炉运矿皮带拣铁装置曾在一天之内拣出4块矿称斗内脱落的衬板，有效的保护了皮带，成功避免了高炉的休风事故。

PLC稳定可靠,控制功能灵活多样。

我们在不增加检测器件并简化控制接线的前提下,采用PLC作为核心控制器,不仅实现了除铁过程的全自动控制,而且使该除铁装置实现了初步的智能化,实现了部分故障自诊断和主要部件的智能化保护。

本装置控制系统采用的可编程序控制器PLC动作可靠，运行稳定，检测的环节由单匝铜线和屏蔽型的骨架，信号的处理电路等组成，抗干扰能力强，灵活度高，对铁磁材料尤为敏感，执行机构采用了直流电磁吸盘和减速行走小车组成，动作速度快，工作寿命长，有良好的机动性和制动效果，因此降低了操作人员劳动强度。

运矿皮带装置在炼铁里应用比较广泛，特别是在炉顶无料钟的新型大高炉生产中更发挥着其独特的作用，在首钢2560立方米的高炉矿石拣铁中采用了西门子系列的PLC控制系统；邯郸钢铁集团炼铁厂高炉运矿拣铁装置应用了施耐德可编程序控制器。

由此可见，矿石拣铁装置自动化控制系统中有着广阔的发展空间，它的各种功能不断的完善和发展，工作效率不断的提高，使拣铁装置日趋成熟。

因此拣铁装置自动控制的优劣，控制手段的好坏，直接影响着整个系统自动化程序及各项性能指标。

如：

系统的工作效率，系统的准确性，系统的可靠性，系统的灵敏程度等，虽然各个单位的矿石拣铁装置在设备上大同小异，只不过是采取的编程序方法不太一致而已。

1.2高炉运矿皮带拣铁装置的概况

1986年中国宝钢集团建成了我国第一座4000立方米高炉，该高炉从工艺上、设备技术水平上、管理模式上均是引进日本最先进的无料钟工艺和设备装备，一时曾成为国内同行业的榜样。

随后国家又在七五发展计划中先后批准建设四座1260立方米高炉，它们是攀钢，唐钢，邯钢，宝钢。

该四座高炉均是以宝钢4000立方米高炉为模型，由北京钢铁研究总院设计而成的。

不但引进了新生产工艺而且设备技术装备水平，自动化程度也比较高。

以唐钢炼铁北区1＃高炉为例，该高炉于1989年9月建成投产，采用日本U84PLC为高炉上料系统的控制核心，矿槽设备当中运矿皮带矿石拣铁装置也毫不例外的实现了自动化和机械化。

这一点对于唐钢今后的发展产生了积极的推动作用。

过去唐钢炼铁南区仅四座120立方米小高炉，运矿根本谈不上什么拣铁装置，仅有一台皮带式除铁器，效果也是非常差，然而当时四座小炉均采用料钟布料器，拣铁装置的性能好坏不会对生产构成威胁和不利影响，因此也没有被人重视。

目前，随着科技的发展，运输皮带越来越宽（已达2400mm）、带速也越来越高（已达5.7m/s）、料层也越来越厚（已达500mm）、处理量也越来越大（已达7200t/h）、除杂要求也越来越高（除净率要求达98%以上），因而对除铁器提出了更高的要求。

目前除铁器的发展方向主要由以下几个方面：

1.高磁场、高梯度

根据磁力是磁场强度与磁场梯度的乘积的原理，采用多种聚磁方法和应用更好的材料，使除铁器在额定悬挂高度中心的磁场强度已达到90、120、150mt，同时梯度也越来越大，所以磁力也越来越大。

出现了超强磁除铁器，其磁力指数是常规除铁器的4倍多。

2.精细除铁

由于原料在加工过程中难免混入一些细小铁件和设备磨损产生的细铁粉，有时还混入少量铁钛质矿物，而工业上对除杂要求越来越高，要除去这部分较细的铁杂质就必须提高除铁器的除铁能力，向精细方向发展。

3.自动化控制

过去除铁器的控制系统多采用断电器-接触器逻辑控制，其可靠性、灵活性、可维护性、自检能力、安全保障能力及通信能力等都不高。

现在除铁器的控制系统往往采用PLC进行控制，不仅提高了自身的可靠性，减少维护量，而且可以方便地与其它自动控制系统联网，在上位机的统一管理下，进一步提高整个系统乃至企业生产工序的自动化程度。

PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专门应用于工业环境下的生产现场，易与工业控制系统形成一个整体，监控能力强、易于扩展。

目前控制要求越来越高，如采用以太网等，对PLC的配置也从简单化、小型化向复杂化、中性化发展。

4.节能方面

电磁除铁器是靠电流产生磁场，在使用过程中消耗大量电能，而且其散热系统也需要消耗能量。

虽然永磁除铁器不需要消耗电能，但是节能降耗就成了电磁除铁器的发展趋势。

谭坤玲在分析了电磁除铁器的运行特点后，提出了一种技术方案，即当出现铁件时给激磁线圈加上100%的全额电压，当没有出现铁件，仅需保持已吸起的铁件不坠落阶段，加上10%左右的全额电压，使整个设备运行时基本处于冷态。

这样既可解决线圈散热与密封之间的矛盾，也可大大提高出现铁件时的磁吸引力，降低生产厂家的钢材铁材消耗和综合成本，降低使用厂家的成本。

5.开发大功率除铁器

除铁器除铁能力的判断原来往往以磁场强度来表征。

李勇等人对除铁器的除铁能力进行了研究，认为影响除铁能力的因素除磁场强度外，更重要是除铁器的功率。

因此，开发大功率除铁器以提高除铁能力，将是以后的发展方向。

6.研制新型电磁除铁器电源

电源是电磁除铁器的主要构件之一，其性能决定了除铁器的运行状态和性能。

尽管利用二极管和可控硅制造的除铁器电源具有制造工艺简单、成本低等优点，但其交流谐波分量大、功率因数低、相间容易不平衡和不宜于实现智能控制。

高学朋介绍了利用IGBT和MOSFET设计制造的新型除铁器电源。

它具有功率因数高，易于控制，成本低，节能和易于与其它智能设备连接等优点。

同时，在设计中充分利用了电磁除铁器的电感量大，直流电阻小的电感特性，省去了中间频变压器或滤波电感等一些常规电源必要的元器件，降低了成本，使之成为具有较强性价比的新型电磁除铁器电源。

近年来国内外对除铁器研究较少，但是大部分行业对产品的除杂要求却越来越高，所以今后一段时间需要不断寻找新型材料，寻求新方法，研究新型除铁器，以提高除铁器的性能。

同时，如何在现有条件下更好的利用除铁器，发展新工艺也是值得研究的方面。

除铁器按磁力来源不同，分为电磁除铁器和永磁除铁器。

电磁除铁器实质上是一种直流电磁铁，其励磁线圈在通电过程中产生强磁场，将非磁性物质中的铁件吸起。

永磁除铁器是以髙矫顽力、高剩磁的稀土磁性材料钕铁硼和铁氧体组成磁源，以形成强力磁场，用于吸除铁磁性杂物，整机不通电，无能耗。

1.3本课题的背景与意义

运矿皮带拣铁装置在高炉炼铁中有着非常重要的用途。

矿石中含有铁块对破碎机械，尤其对破碎机的易损部件有很大的影响。

若不及时除去，将严重影响破碎系统的正常运行，造成经济损失。

研制皮带拣铁装置，是高炉运矿中急需解决的关键性技术问题。

运矿皮带拣铁装置是一套综合的设备，在高炉炼铁中有着非常重要用途。

PLC智能控制除铁设备在高炉炼铁系统中应用的意义目前随着我国高炉炼铁行业飞速的发展，运输皮带越来越宽、带速也越来越高、料层也越来越厚、处理量也越来越大、除杂要求也越来越高（除净率要求达95%以上），这就需要生产工艺不断优化，设备装备水平不断的提高，产品的自动化，机械化，智能化的程度要越来越高，此时可编程序控制器的出现更是电气控制的领域的一次革命。

PLC以体积小、重量轻、编程操作简单，易学易懂，修改程序方便、抗干扰能力强、可靠性、灵活性强、工作稳定、可靠，适合工作在生产现场的逐多特点，而被应用到各个的领域，因此在高炉运矿皮带拣铁装置自动控制系统中，采用PLC进行自动化的控制是非常的合适的，同时它为企业生存的发展直接或间接的带来了巨大的经济的效益，简述以下几个方面：

1.有效拣除运矿皮带的铁件，消除皮带被刮伤的危险。

矿石拣铁虽然不时什么大设备，但是它在生产中却有着不可代替的作用，它主要适用于拣除弱磁性的物料中的铁件，防止铁件撕裂皮带或流到下一道设备里造成下道设备的损坏，本装置能可靠的保护运输机，破碎机，研磨机等机械设备的正常运转，高炉运矿皮带属于高炉上料的关键环节，该设备不但在生产中的位置重要，而且费用也相当可观，因此该设备的安全运行，将带来巨大的经济和社会效益。

另外，运矿拣铁装置把住了铁件进炉的关口，为高炉生产创造了条件。

2.控制系统的自动化，检测系统的智能化，执行系统的机械化，运行处理的快速化，提高了作业的效率。

本装置控制系统的可编程控制器PLC动作可靠、运行稳定，检测的环节由单匝铜管线圈和屏蔽型骨架，信号的处理电路组成，抗干扰能力强，灵活度高，对铁磁材料尤为敏感，执行机构采用了直流电磁吸盘和减速行走小车组成，动作速度快，工作寿命长，有良好的机动性和制动效果，因此降低了操作人员的劳动强度.由此可见，运矿拣铁装置控制系统在高炉炼铁中有着广阔的发展空间和巨大的作用，它的优劣直接影响着整个系统的自动化程序和各项性能质量指标。

各种功能不断的完善和发展，工作效率不断的提高，使拣铁装置日益成熟。

3.先进性。

矿石拣铁装置以金属探测器为传感器作为主要检测元件，以电磁吸盘和行走小车为主要执行机构，以PLC为主要控制手段的机电一体化设备。

它具有自动化程度高，可靠性好，动作迅速，反应灵敏，设备简单，调整方便的优点。

4.在高磁场、高梯度方面，根据磁力时磁场强度与磁场梯度的乘积的原理，采用多种聚磁方法和应用更好的材料，使除铁器在额定悬挂高度中心的磁场强度已达到90、120，150mt，同时梯度也越来越大，所以磁力也越来越大。

出现了超强磁除铁器，其磁力指数是常规除铁器的4倍多。

5.在节能方面，电磁除铁器是靠电流产生磁场，在使用过程中消耗大量电能，而且其散热系统也需要消耗能量。

虽然永磁除铁器不需消耗电能，但是在某些行业电磁除铁器有不可替代的优势（如陶瓷厂），因此节能降耗就成了电磁除铁器的发展趋势。

谭昆玲在分析了电磁除铁器的运行特点后，提出了一种技术方案，即当出现铁件时给激磁线圈加上100%的全额电压，当没有出现铁件时，仅需保持已吸起的铁件不坠落阶段，加上10%左右的全额电压，使整个设备运行时基本处于冷态。

这样既可解决线圈散热与密封之间的矛盾，也可大大提高出现铁件时的磁吸能力，降低生产厂家的钢材消耗和综合成本，降低使用厂家的成本。

1.4本课题的方案与设计原则

运矿皮带拣铁装置是一套综合设备，它由金属探测器、传感控制器、电磁吸盘、分离平台、除铁漏斗、行走小车结构等部分组成。

运矿皮带拣铁装置控制系统有全自动控制系统。

当第一个金属探测器检测到有铁信号时，给PLC发送来铁信号，PLC通过不同电压来控制电磁磁盘的强磁、保磁、弱磁及去磁等情况，通过限位开关实现行走小车的位置控制，从而将废铁从皮带上拣出。

当有漏拣情况时，第二个金属检测器会检测到有铁信号，第二台PLC控制装置启动，处理漏铁的情况。

本次设计主要完成运矿皮带拣铁装置及其自动控制系统所要设计的功能，以及整个系统的控制工艺，进行整体方案设计。

同时完成运矿皮带拣铁装置相关辅助设备，如小车、电磁盘的控制工艺设计，选择合适的可编程控制器PLC、金属探测器、传感器，完成其软件设计。

本次设计的研究方法：

①在图书馆和网络上，查阅有关运矿皮带拣铁装置的学术论文和专利等文献资料，了解国内外运矿拣铁装置的新动向和发展水平，对设计提供设计思路；②去现场参观拣铁装置的构造、各部分的运动规律、整个工艺流程，考察目前所采用的方法以及需要解决的问题；③了解PLC市场情况，选择合适的控制器，阅读用户手册，了解硬件结构及性能，熟悉编程环境；④编制PLC控制程序。

在设计之前，必须要有一个指导原则。

这次毕业设计的设计原则是：

以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑矿石拣铁装置的工作环境和工艺流程的具体要求。

在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化元件以降低成本，同时提高可靠性。

本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。

1.5本章小结

此章节主要分析了高炉运矿皮带拣铁装置系统在国内的应用现状，同时总结出皮带拣铁装置控制系统的特征，指出高炉运矿皮带拣铁装置控制系统存在的一些问题。

了解本课题的背景与意义，同时给出课题的方案和设计原则。

第2章控制系统整体方案设计

2.1控制系统的组成

高炉运矿皮带拣铁装置是一套综合性设备，它的控制系统硬件部分由金属探测器、除铁器、行走小车、整流变压器、除铁漏斗、分离平台等主要部分组成，同时需要西门子PLC来实现软件部分，其中包括PLC的选型，数字量输入输出点的确定，程序梯形图的汇编。

2.2控制工艺流程描述

矿石拣铁装置采用的是全自动的转换控制

自动拣铁的过程：

没有铁的情况下，电磁铁小车停在皮带运输机上方，等待过铁信号的到来。

当金属探测器1检测到过铁信号时，经过时间计算，PLC控制电磁铁通电，利用强磁力（350V）吸出混在皮带运输机上矿石中的含铁矿石及铁金属，电磁吸盘经过保磁（290V）一段时间，PLC给小车一个向分离台移动的信号，当小车移动到分离台的时，触碰到第一个限位开关，产生限位信号，此时PLC给电磁吸盘一个弱磁电压（100V），弱磁性的矿石掉落在分离台上，小车在分离台上方延时几秒钟，PLC再次控制小车移动到除铁漏斗，触碰到限位开关，产生限位信号，PLC给电磁吸盘负向电压（-100）去磁，电磁吸盘开始去磁，铁块被落到除铁斗中，经过延迟时间，小车开始向右回程移动，当小车行走到分离台时，触碰到限位开关时，产生限位信号，PLC给电磁吸盘强磁信号，落在分离台上的弱磁性矿石被捡起，经过延迟时间，PLC发出行走信号，小车继续向右移动到皮带上方，碰到限位开关，产生限位信号，小车停止移动，PLC给电磁吸盘加反向电压产生去磁信号，矿石被放回到运输皮带上，经过延迟时间，电磁吸盘断电并停留在原先的位置。

有的时候矿石太多，会出现漏捡的的情况，为了处理漏捡的现象，我们需要安装两个金属探测器，在第一个金属探测器的后面安装另外一个金属探测器，当第一个金属探测器出现漏捡现象时，第二个金属探测器会发挥作用，PLC会控制第二台除铁装置，行走小车的路线和除铁过程和第一个相同。

2.2.1控制工艺流程的特点

PLC内部时间继电器精度为0.001秒，能够满足系统控制要求，能处理比较复杂的工艺流程，速度快、灵活性强、可靠性高、吸铁准确无误，而且故障率很低。

2.2.2矿石拣铁工艺流程

图2.1控制工艺流程图

2.2.3数字量输入/输出点

系统数字量输入点共有36个：

启动按钮SB1、皮带运行停止按钮SB2、急停按钮SB3、有铁信号YT、1#金属探测器1常开触点KA1、1#小车左超极限开关SQ1、1#小车右超极限开关SQ2、1#分离台接近开关SQ3、1#除铁斗接近开关SQ4、1#皮带上方接近开关SQ5、1#小车过负荷KA2、1#电磁吸盘直流熔断FU1、1#整流变压器合闸按钮SB4、1#电磁吸盘回路合闸按SB5、1#小车回路合闸按钮SB6、漏铁信号LT、2#金属探测器常开触点KA3、2#小车左超极限开关SQ6、2#小车右超极限开关SQ7、2#分离台接近开关SQ8、2#除铁斗接近开关SQ9、2#皮带上方接近开关SQ10、2#整流变压器合闸按钮SB7、2#小车过负荷KA4、2#电磁吸盘直流熔断FU2、2#电磁吸盘回路合闸按钮SB8、2#小车回路合闸按钮SB9、皮带急停按钮SB10、金属探测器急停按钮SB11、小车急停按钮SB12、电磁吸盘急停按钮SB13、整流变压器急停按钮SB14、金属探测器停止按钮SB15、小车停止按钮SB16、整流变压器停止按钮SB17、电磁吸盘停止按钮SB18。

数字量输出点有31个：

1#小车左移指令、1#小车右移指令、1#磁盘强磁指令350V、1#磁盘保磁指令290V、1#磁盘弱磁指令100V、1#磁盘去磁指令-100V、1#金属探测器合闸指令、1#小车左超限报警、1#小车右超限报警、检测到铁信号警示灯亮、1#小车运行前电笛报警、1#电磁吸盘回路合闸指令、1#整流变压器合闸指令、1#拣铁设备运行中警示灯、1#小车回路合闸指令、2#小车左移指令、2#小车右移指令、2#磁盘强磁指令350V、2#磁盘保磁指令290V、2#磁盘弱磁指令100V、2#磁盘去磁指令-100V、2#小车左超限报警、2#小车右超限报警、2#金属探测器合闸指令、2#电磁吸盘回路合闸指令、2#小车回路合闸指令、2#整流变压器合闸指令、检测到漏铁警示灯、2#拣铁设备运行中警