完整版毕业设计高炉防灌渣拨风控制系统.docx
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完整版毕业设计高炉防灌渣拨风控制系统
河北联合大学轻工学院
QINGGONGCOLLEGE,HEBEIUNITEDUNIVERSITY
毕业设计说明书
设计（论文）题目：
高炉防灌渣拨风控制系统
学生姓名：
学号：
专业班级：
学部：
指导教师：
2012年05月20日
摘要
随着国家工业的发展，在冶金企业中炼铁技术的提高，高炉容积的不断大型化，对高炉的稳定性的要求越来越高，而作为高炉炼铁系统中的鼓风系统是高炉炼铁当中重要的辅助工艺之一，鼓风系统中的拨风系统的自动化设置又是关系到整个鼓风系统稳定的关键因素，在高炉冶炼过程中如果一旦出现高炉鼓风机故障停机，供风中断等情况，就极易会造成高炉“坐料”、“风口灌渣”等恶性事故，严重影响高炉生产，不仅会造成设备的损失，也会对高炉的使用寿命、高炉的稳定性产生很大影响，阻碍整个企业的生产经营，直接和间接损失巨大,因此，自动拨风控制系统的开发对于整个高炉安全稳定生产和企业高效率的运转具有重大安全保障和经济效益。
本论文所设计高炉防灌渣自动控制系统的设置的目的是当一台风机出现故障断风，影响高炉生产时，自动控制系统及时动作，利用拨风系统判断出符合拨风要求的风机，通过控制拨风阀的开启，将满足条件的正在向其它高炉供风的风机的风量调拨一部分分给故障停风的高炉，以保证出现故障的风机所供应的高炉不至于灌渣从而维持高炉正常生产，同时不影响提供拨风的机组的正常工作。
本文首先介绍了组态软件的发展和组态软件的基本组成、特点及组态软件体系结构进行了较全面的阐述,通过分析,肯定了组态软件作为生产过程控制系统编程工具的意义.其次介绍本文西门子WinCC组态软件应用的系统–拨风控制系统的原理、系统设计、阀门的选择和拨风量的控制机算.此外,本文从拨风控制系统出发,应用西门子组态软件来设计并制作拨风控制画面.最后,将所设计的拨风控制系统及监控画面投入实际生产来检验其是否符合生产需求,并作出总结.
关键词：
高炉；组态；可编程控制器；拨风控制
Abstract
Alongwiththedevelopmentofnationalindustries,inmetallurgicalenterpriseintheimprovementoftheironmakingtechnology,thestabilityoftheblastfurnaceofdemandisofairingsystemrelatestothestabilityofthesystem,windsupplyinterruption,extremelyeasywillcausetheblastfurnacemalignantaccident,theseriousinfluenceblastfurnaceproduction,itwillcausetheblastfurnacedamaged,andthestabilityoftheblastfurnace,influencethewholetheproductionandoperationofenterprises.Theautomaticdialtheaircontrolsystemdevelopmentforthesafetyandstabilityofblastfurnaceproductionandenterprisethispaperisatimelyactionwhenawindturbinefailureoffthewind,influencetheblastfurnaceproduction,useofairingsystemtodeterminetherequirementsofthethefan.Bycontroldialwindvalveopening,toensurethatthefaultblastfurnacecanmaintainthenormalproduction.Thesafetyandstabilityofblastfurnaceproductionandenterprisesystemsoftware,thefundamentalconstitutionforconfigurationsoftwareandcharacteristicsareanalyzes,andtheconfigurationsoftwaresystemconstructionisalsointroduced.Thispaperconsidersthatbuildingaprocesscontrolsystemwithconfigurationsoftwareisimportant.Secondly,thesystemusingWincccontrolsoftware,whichprinciple,design,choiceofvalveandthecontrolcalculationofvolumeofthewind.furthermore,onthebasisofairintakesystem,IemploytheWinccControlsoftwaretodesignandmakethedrawingofairintakesystem.Finally,putthesystemanddrawingthatdesignedintouseinfactorytotesttheirperformance.Thensummarizetheresult.
Keywordstheblastfurnace;onfiguration;ProgrammableLogicController;airintakecontrolsystem
摘要I
AbstractII
引言IV
第一章绪论1
1.1高炉炼铁工艺概述1
1.2高炉供风系统概述2
1.3本论文选题的背景及意义4
1.4本论文完成的主要工作5
第二章拨风系统原理及设计6
2.1拨风装置的原理设计6
2.2拨风系统的设计8
2.3拨风管道与阀门的设计选择10
2.4拨风系统拨风量的控制机算12
第三章西门子PLC_S7-300配置18
3.1应用PLC的优点18
3.2S7-300硬件组成19
3.3工程设计选型20
第四章拨风装置组态及控制画面设计26
4.1组态软件的发展26
4.1.1组态软件产生的背景26
4.1.2主要组态软件产品介绍27
4.2组态软件的任务及功能特点发展方向29
4.2.1组态软件的应用前景29
4.2.2组态软件的功能特点32
4.2.3组态软件的发展方向33
4.3WinCC组态软件34
4.4拨风装置计算机控制逻辑条件的确定及检测点分布36
4.5拨风装置计算机控制逻辑的设计38
4.5.1工程图形界面的设定40
结束语43
谢辞44
参考文献45
引言
经过四年时间的学习，随着对测控技术与仪器这门专业的深入认识、学习，我们已经具备了一定的独立的工业设计基础，在学业的最后部分：
毕业设计当中，为了将我们四年所学的知识与真正的工业生产相联系起来，正确的应用到工业的生产生活当中去，我选择了高炉防灌渣自动控制系统的设计这个题目，结合实际应用来锻炼自己全面的分析问题、解决问题的能力，深入的了解当前工业控制当中所必须的基本的专业素质、专业技能，从而为自己步入社会提供良好地机遇。
高炉冶炼生产过程中，拨风系统通过管道风口进入高炉，为冶炼提供必要的燃烧空气，同时对炉料起到支撑作用，如果冷风突然降低或者消失，高炉内部的压力将致使铁、炉料倒灌甚至堵住风口，必须停产更换新的风口，这样不但造成设备的损失，对工厂的连续化生产也产生巨大的阻碍，如果在风机停机造成高炉煤气的倒流发生爆炸，对人身和设备的安全产生巨大影响，因此，高炉防灌渣系统的设计对于改善高炉稳定生产具有重大意义。
西门子的Step7SIMATICManager与SIMATICWinCCExplorer组态软件在工业上应用很广，该软件是自动控制系统监控层面的软件控制与开发平台，STEP7编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinCC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。
WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。
用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。
它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。
这次设计采用Step7与WinCC进行编程与组态，通过上位机对现场实时操作和监控，及时的将现场的信息反馈到管理人员，方便管理人员管理、控制。
第1章绪论
1.1高炉炼铁工艺概述
高炉生产是连续进行的。
一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。
生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风（1000～1300摄氏度），喷入油、煤或天然气等燃料。
装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。
在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。
铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。
铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。
煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。
现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。
图1.1高炉炼铁生产工艺流程图
高炉冶炼过程:
高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。
铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。
焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。
矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。
高炉冶炼工艺--炉前操作:
1.利用开口机、泥炮、堵渣机等专用设备和各种工具，按规定的时间分别打开渣、铁口，放出渣、铁，并经渣铁沟分别流人渣、铁罐内，渣铁出完后封堵渣、铁口，以保证高炉生产的连续进行。
2.完成渣、铁口和各种炉前专用设备的维护工作。
3.制作和修补撇渣器、出铁主沟及渣、铁沟。
4.更换风、渣口等冷却设备及清理渣铁运输线等一系列与出渣出铁相关的工作。
高炉冶炼主要工艺设备简介
高炉：
横断面为圆形的炼铁竖炉。
用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬。
高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。
由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，故这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。
高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。
在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。
炼出的铁水从铁口放出。
铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。
产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。
高炉冶炼的主要产品是生铁，还有副产高炉渣和高炉煤气。
高炉热风炉介绍:
热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。
提高风温可以通过提高煤气热值、优化热风炉及送风管道结构、预热煤气和助燃空气、改善热风炉操作等技术措施来实现。
理论研究和生产实践表明，采用优化的热风炉结构、提高热风炉热效率、延长热风炉寿命是提高风温的有效途径。
铁水罐车:
铁水罐车用于运送铁水，实现铁水在脱硫跨与加料跨之间的转移或放置在混铁炉下，用于高炉或混铁炉等出铁。
1.2高炉供风系统概述
一、高炉鼓风机的定义
高炉鼓风机定义：
它是能将一部分大气汇集起来，并通过加压提高空气压力形成具有一定压力和流量的高炉鼓风，再根据高炉炉况的需要进行风压、风量调节后将其输送至高炉的一种动力机械。
从能量的观点来看，高炉鼓风机是把原动机的能量转变为气体能量的一种机械。
鼓风机的作用：
向高炉送风，以保证高炉中燃烧的焦炭和喷吹的燃料所需的氧气。
另外，还要有一定的风压克服送风系统和料柱的阻损，并使高炉保持一定的炉顶压力。
高炉鼓风设备是为冶炼高炉提供足够的含氧空气，它是高炉生产的重要组成部分。
由于高炉冶炼的连续性，要求鼓风机均匀地供给一定量的空气，另外还应有一定的风压，以克服送风系统和料柱阻力，并使高炉保持一定的炉顶压力，在整个冶炼过程中，由于原料、燃料、操作等条件的变化，引起炉况经常改变，也相应地要求供风参数也要变化，所以要求高炉风机具有一定的稳定调节范围和可靠的安全控制系统。
2、鼓风机的工作原理
常用的高炉鼓风机有三种类型:
固定静叶角度轴流式鼓风机:
带有中间冷却器的多级离心式鼓风机;可调静叶角度轴流式鼓风机高炉鼓风机的驱动装置多选用变转速汽轮机（纯凝式或抽凝式）或同步电机，也有采用定转速汽轮机及小功率异步电机的机组。
常见鼓风机工作原理见下：
㈠离心式鼓风机工作原理
鼓风机在原动机带动下高速旋转，它利用旋转时产生的离心力，使流体获得能量，使流体通过叶轮后的压能和动能都能得到升高，从而能够将流体输送到高处或远处。
㈡轴流式鼓风机工作原理
风机在原动机带动下，利用旋转叶片的挤压，推进力使流体获得能量，升高其压能和动能。
气体从进风口轴向进入叶轮，由于叶轮的旋转，叶片对气体作功，使气体能量升高，然后流入导叶。
导叶的作用一方面将偏转的气流变为轴向的流动方向；另一方面将气流的动能变为压力能。
此后，气体流过扩散筒及整流体，随着过流断面扩大，进一步将动能转换为压力能。
轴流泵的流动情况也与此类似。
由此可见，在轴流式风机中流体都是沿轴向流动的，它们没有沿叶轮半径方向的流动。
㈢全静叶可调式轴流式鼓风机工作原理
目前大型高炉鼓风机采用的是进口全静叶可调。
如：
4＃，5＃，6＃，7＃机。
利用调节进口静叶角度开关大小来改变风机的性能参数，当进口角度开度小时，轴流式鼓风机性能参数随角度的关小而变小，反之变大。
因为鼓风机的原动机是定转速运行，故只有改变进口条件，才能满足用户要求经济运行。
全静叶可调的调节原理：
静叶可调有较大的风量变化范围，可达到设计流量的72~135％。
当开大角度时，流量大幅度增加，压比上升，效率提高，开始喘振的流量增大，稳定范围扩大，最大轴功率正向大流量区方向移动；当关小角度时，流量大幅度降低，压比下降，效率降低，开始喘振的流量减小，但小流量区稳定范围扩大，最大轴功率向小流量区移动。
鼓风机的防喘保护的作用：
鼓风机正常运行中，由于机组本身或外部原因可造成风压升高，风量下降，为防止风机的运行点进入不稳定工况区发生喘振，特设定了防喘振保护器，当风压、风量达到放风线后，防喘保护器动作，适当开启放风门，保持风压、风量在放风线的右下方运行。
喘振、逆流保护的作用：
鼓风机的喘振、逆流是鼓风机最危险的事故之一，如果不及时的消除，就会造成机组的损坏。
喘振、逆流保护的作用就是当鼓风机发生喘振逆流时（逆流时是指逆止阀失灵产生逆流，此时逆流保护动作，发出信号将放风阀打开），保护器立即动作，迅速开启放风门，降低风压，以防止再次喘振。
高炉供风统的结构：
高炉供风统的结构主要有两种:
单机单炉制和母管制。
单机单炉制即一台鼓风机单独对应一座高炉;母管制，即通过阀门切换控制实现任意一台风机可以给任意一座高炉供风的形式。
采用母管制在供风选择上可以更加灵活，更能适应大型冶金企业的设备检修和正常生产的需要。
高炉鼓风机所送出的冷风主要用于高炉冶炼，高炉鼓风机所产生的压缩空气通过几十个风口进入高炉炉膛内，提供冶炼所需要的氧气，同时具有一定的风压，用于克服送风阻力和料柱阻力，并维持一定的炉顶压力。
在高炉内，冷风通过热风炉被加热到1000℃以上形成热风，使铁矿石、焦炭、石灰石三种原料进行充分的还原反应，生成铁水并产生炉渣，沉入炉缸内。
到一定的时间,利用炉渣比重轻于铁水，分别出铁水和炉渣一次。
如果未到出铁时间，由于鼓风机出现故障而停止送风时，将导致冷风压力急剧下降，未分离的铁水和炉渣的混合物将下沉灌入风口并凝结，即为风口灌渣。
尤其在高炉即将出铁前（或出铁后40分钟后），风机突然停风往往导致高炉风口、直吹管、弯头大灌渣等重大生产事故。
一旦风口灌渣，处理一次灌渣事故约10多个小时，加大高炉恢复正常的时间，以及恢复风口的费用，将使企业产生重大损失。
高炉供风系统的供风是否正常将直接影响高炉的正常生产。
如果冷风供应系统可靠，满足高炉顶压需求，那么高炉利用系数将增加，高炉将稳产、高产。
如果高炉供风系统工作失常，即向高炉供应的冷风由于事故突然中断，那么高炉必将发生风口灌渣的严重事故，给企业造成巨大损失，并对高炉木身产生很大的损伤。
因此对高炉供风系统工作的可靠性要求较高。
1.3本论文选题的背景及意义
随着国家工业的发展，在冶金企业中炼铁技术的提高，高炉容积的不断大型化，对高炉的稳定性的要求越来越高，而作为高炉炼铁系统中的鼓风系统是高炉炼铁当中重要的辅助工艺之一，鼓风系统中的拨风系统的自动化设置又是关系到整个鼓风系统稳定的关键因素，在高炉冶炼过程中如果一旦出现高炉鼓风机故障停机，供风中断等情况，就极易会造成高炉“坐料”、“风口灌渣”等恶性事故，严重影响高炉生产，不仅会造成设备的损失，也会对高炉的使用寿命、高炉的稳定性产生很大影响，阻碍整个企业的生产经营，直接和间接损失巨大,因此，自动拨风控制系统的开发对于整个高炉安全稳定生产和企业高效率的运转具有重大安全保障和经济效益。
为尽量减少和避免由于风机故障而造成的高炉灌渣事故，本论文选择了两高炉鼓风机供风系统拨风装置及其自动控制系统研究与开发为论文选题。
设置拨风系统的目的就是:
当一台风机出现风机故障断风情况时，利用拨风系统将正在向其它高炉供风的风机的供风量调拨一部分供给故障停风的高炉，以保证该故障风机所供风的高炉不致灌渣，而维持该高炉的极限生产。
所选高炉鼓风机基本技术参数表：
表1-1所选高炉鼓风机基本技术参数
编号
形式
型号
转速
（转分）
吸风量
（m3min）
排风压力
（Mpa）
1#,2#（6000风机）
静叶可调
轴流式
VAS-9018
3350～3860
5765
0.46
（绝）
3#,4#（5500风机）
静叶可调
轴流式
12AVA99B
3000～3700
5000
0.44
（绝）
1.4本论文完成的主要工作
本论文是运用所学的自动控制理论基础，结合针对当前中小型钢铁厂的生产实际中存在的高炉灌渣事故而设计的一套可行的防灌渣拨风控制系统，采用西门子系列组态软件对其生产过程进行自动化控制。
以WinCC开放式体系结构的组态软件为开发工具，设计形象直观，实时有效的人机接口，实现画面、信息、控制理论的集中组态与管理，控制分散的过程控制系统。
第二章拨风系统原理及设计
2.1拨风装置的原理设计
在现代化冶金企业中，高炉供风系统是非常重要的系统，高炉供风系统的可靠性直接影响高炉的正常生产。
当运行的风机突然发生故障紧急停机时，如果此时正处在高炉出铁前，则会引起高炉风口灌渣的恶性事故，高炉被迫紧急休风。
然后，更换被灌渣的风口、风管等送风装置，一般需要8至16h，还要经过二至四天的炉况恢复，高炉才能恢复正常生产，如果因风机跳闸引起高炉煤气倒流发生爆炸，则直接威胁人身和设备安全。
由于风机故障停机往往具有突然性和不可预见性，一般在几十秒钟之内就会使风压降至0.1Mpa以下，而汽轮鼓风机的启动，从启动到正常需时90分钟左右，所以不可能预先采取开启备用机等有效措施来防止高炉断风，为避免高炉灌渣的恶性事故，结合钢厂的实际，我决定在三座高炉供风管道之间设计拨风装置，对所增设的拨风装置既要保证动作的灵敏性，又要确保供风的可靠性，最终达到既保护高炉、又能使鼓风机安全运行的目的。
本章针对钢厂高炉供风系统的实际情况，对拨风装置的原理及拨风系统进行设计，并对拨风管道与阀门的设计与选择进行了讨论最后对如何控制拨风量进行了详细的论述。
根据我们对高炉正常运行时工况的统计，目前各高炉的正常运行时所需冷风情况如下表：
表2-1各高炉所需冷风情况
高炉
风量（m3min）
风压（Mpa）
（表压力）
高炉侧
风机吸入风量
1#
4250
4700
0.32
2#
4250
4700
0.32
3#
4200
4800
0.326
4#
4200
4800
0.326
通过上表我们可以看出，在正常情况下,4个风机的出力都能满足彼此的需求，所以,在其中任意一台风机出现故障的情况下,另一台都能为其拨风.
拨风系统的工作原理设计
本拨风系统采用S7-300为三座高炉的四台鼓风机（一台备用）进行拨风的控制。
在各鼓风机之间设拨风系统，实现各鼓风系统风量及风压的调配，三台在线运行的鼓风机分别独立为三座高炉送风母管供风，为避免鼓风机故障停机而造成高炉断风事故，在三座高炉供风母管上特设双向快速拨风阀组。
当其中一台正常运行机组出现故障而造成突然断风时，通过管内风压、流量的测定，PLC经过检测后，控制快速拨风阀组将另一个正常工作的供风母管的部分风量送入故障机组提供给供风母管，从而使得两座高炉风压维持在可导致冶高炉灌渣的风压之上，最大程度减少经济损失。
我所设计的拨风装置结构是在送风管道之间，两两安装一条联络管道，并在其上安装三个阀门，左右两侧为电动蝶阀（该阀不参与拨风控制），正常处于开启状态;在进行拨风阀检修或试验时，两侧的电动蝶阀关闭。
中间为快速开启拨风阀，正常处于关闭状态;当风机故障停机时拨风阀迅速开启。
图2.1拨风装置结构
拨风系统需求分析
高炉与鼓风机在正常工作运转过程中对各项性能指标的要求比较严格，因此，拨风系统的设计既要满足当高炉鼓风系统出现故障时能及时通过PLC调配风量，也要考虑到各个参数的正常，一个鼓风机出现故障紧急停机后，为故障风机提供风量的鼓风机自身不能因为向另外供风母管供风而超负荷运转，杜绝因为超负荷运转而停机，造成事故的扩大化。
高炉不灌渣要求风压不低于0.18Mpa，风量不低于2500N。
当风机故障停机后，高炉进风口压力自正常生产压力降至判断供风系统故障风压的时间为，再进一步降至维持极限生产的供风风压的时间为，这就要求拨风系统的启动设计限定时间内完成拨风。
对于高炉炉容为2200立方米及以下的高炉，要避免高炉灌渣，根据炼铁高炉冶炼工艺专业技术人员提出的要求，必须满足以下三个条件:
a高炉在10秒钟以内复风
b入炉风量不得小于1200m3min
c入炉风压大于等于0.12Mpa
这三个条件为“与”条件，即必须同时满足才能保证正常运
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