毕业设计(论文)-VD炉PLC控制系统设计.doc
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1、第 i 页 共 64 页 VD 炉 PLC 控制系统设计 摘 要 目前,真空脱气(VD)处理工艺作为炉外精炼的一种,在冶金工业中得到 广泛使用。其原理是利用对真空室进行抽真空,在真空状态下对钢水进行脱气, 降低钢水中的H、N。在大型现代化冶金生产中,VD 钢包处理已成为现代 二次冶金的基本手段。该处理工艺系统控制的实现包括下位机控制程序的实现 和上位机监控系统的实现两个部分。本课题主要研究的是真空脱气系统下位机 (PLC)自动控制系统的设计,具体包括系统的总体设计,电气设备组成设计, PLC 控制电路、输入模块、输出模块的设计,程序的编写,以及与上位机的通 信。下位机程序编制主要完成数据采集、
2、转换、传递任务以及实现各种工艺控 制、连锁保护等控制回路功能。最后,与上位机进行通讯。 关键词:PLC,VD,控制 第 ii 页 共 64 页 The Design of Programmable Logic Controller Control System in Vacuum Furnace Abstract At present,the Vacuum Degassing (VD) process craft,as one kind of the stove outside fining,obtains the widespread use in the metallurgical ind
3、ustry. Its principle is using the vacuum chamber takes out the vacuum,degassing to the molten steel under the vacuum state, reduce the hydric and nitrogen of molten steel. In the large-scale modernized metallurgy production, VD ladle processing has become the essential method of modern two metallurg
4、y. This process craft system realization including lower position machine control programme realization and on position machine supervisory system realization two parts. This topic main research is the design of vacuum degasification system lower position machine (PLC) the automatic control system ,
5、 specifically includes the system general design, the electrical equipment composition design, the PLC control circuit, the input module, the output module design, compile the program, as well as with on position machine communicate. The lower position machine programming mainly completes the data a
6、cquisition, the transformation, the transmission duty as well as realizes each control loop functions and so on craft control, chain-like protection. Finally,carries on the communication with on position machine. Keywords: Programmable Logic Controller,Vacuum Degassing,control 第 iii 页 共 64 页 目录 1 绪论
7、.1 1.1 课题背景与研究意义 .1 1.2 国内外发展现状与应用情况 .2 1.3 PLC 技术概况3 1.4 本文所作的工作 .4 2 VD 炉系统概况 5 2.1 电气设备组成 .5 2.2 电气系统分析 .5 2.2.1 低压电源 .5 2.2.2 液压传动 .5 2.2.3 盖车传动 .6 2.2.4 PLC 控制6 2.3 VD 抽真空系统原理.7 2.3.1 VD 处理工艺操作.7 2.3.2 抽真空原理 .7 2.3.3 节约蒸汽和缩短抽气时间的实现 .8 2.4 VD 生产过程中的注意事项.9 3 可编程控制器(PLC)基本原理介绍.10 3.1 可编程控制器的产生与发展
8、10 3.1.1 可编程序控制器的产生.10 3.1.2 可编程控制器的发展与展望 11 第 iv 页 共 64 页 3.2 可编程控制器的定义 13 3.3 可编程控制器的特点 14 3.4 PLC 的工作原理.15 3.5 PLC 的组成.17 3.6 可编程控制器的应用 20 3.7 PLC 的编程语言.21 4 VD 炉 PLC 控制系统的设计 .23 4.1 PLC 控制系统设计的原则及步骤.23 4.1.1 可编程控制器控制系统设计的基本原则 23 4.1.2 可编程控制器设计的基本步骤 23 4.2 VD 炉 PLC 控制思路26 4.2.1 人机界面 26 4.2.2 工作方式
9、 26 4.3 下位机 PLC 的选择 27 4.4 PLC 控制软件设计.30 4.4.1 下位机软件开发平台的确定 30 4.4.2 PLC 输入输出分配.31 4.4.3 系统流程图设计 36 4.4.4 程序设计 38 4.5 程序调试 39 5 可编程控制器的数据通信41 5.1 简述 PLC 的通信 41 5.2 S7-300 与 WINCC 之间通信的实现 42 总结43 第 v 页 共 64 页 致谢44 参考文献45 附录47 第 1 页 共 64 页 1 绪论 1.1 课题背景与研究意义 炉外精炼处理技术在炼钢生产中,是提高产品质量、扩大品种、提高生产 率和实现连铸直轧的重
10、要手段,也是进一步提高钢的清洁度和降低钢中杂质含 量的有效措施。LF钢包炉和VD(Vacuum Degassing)真空脱气炉是炉外精炼 处理常用的两种方法,而VD炉外精炼是炼钢工艺路线的重要中间环节,是现 代化短流程生产线的主要工序,VD炉外精炼可以提高钢液纯净度、改善成品 内在性能,是开发纯净钢和超纯净钢,生产双高产品的必须设施,对协调转炉 炼钢和连铸机操作有举足轻重的作用。努力提高钢液精炼比是冶金工业又一个 重要的经济技术指标。 目前,我国工业炉大多数的管理水平、运行水平和自动化水平不高,尤其 以前建成投入使用的工业炉更是如此,热效率也经常达不到制造厂家的设计指 标。其中比较突出的原因是
11、管理不完善,设备落后,既没有必要的自动检测和 控制仪表,也缺乏应有的技术力量,其运行水平主要取决于司炉人员的技术水 平、生产经验和工作的责任心。我国是一个能源大国,多数工业企业的能源利 用率较低,能耗高,浪费大。工业炉是冶金、化工、机械等行业的主要设备, 也是能源消耗大户。如何提高它的热效率,降低能耗,是当前技术改造和节能 工作中的重要课题。 从现在生产情况看,工业炉使用车间多处于机械化或半自动化状态,车间 的生产环境差且劳动强度大。随着科技发展,人们对生产过程自动化水平的要 求也越来越高,这就迫切需要开发出高水平的工业生产自动化控制系统。使人 们从繁重的体力劳动中解放出来。我们需要结合实际
12、第 2 页 共 64 页 工业炉设备的特性,将现有的网络通信技术与先进控制策略应用于控制系 统中去,设计出适合于多种加热工艺的性能优异的控制系统。 本课题的实施,不仅是对控制理论应用的一种拓展,而且对于实现如真空 脱气处理设备这样的复杂工业过程的综合自动化控制也有着重要意义。 1.2 国内外发展现状与应用情况 我国早在1996年钢产量就超过1亿吨,成为世界第一产钢大国,但是,优 质精炼钢的比例却很低,而发达国家大型钢铁联合企业的炉外精炼处理能力与 钢产量基本相当或略大,所以,炉外精炼在我国还是非常有前景的。近年来, 随着国民经济的发展,纯净钢的需求越来越大,各企业纷纷对老设备进行技术 改造,对
13、钢水进行RH(0B)、LF-VD、ASEA-SKF等精炼处理,尤其是VD精炼,因 投资少,精炼效果好而成为众多钢厂首选的精炼方式。日本、欧美等一些先进 的钢铁生产国家,炉外精炼比超过90%,其中真空精炼比超过50%,有些钢厂已 达到100%。 回顾20世纪炉外精炼工艺技术的诞生和发展历史,可以预言:在21世纪, 炉外精炼作为最重要的炼钢生产工序,将会得到进一步地发展,新世纪炉外精 炼技术的发展趋势表现为: (1)真空精炼技术将会更普遍地应用,进一步提高钢水真空精炼的比例。 随着钢材纯净度的日益提高,要求真空处理的钢种逐渐增多,真空精炼技术的 应用将更加普遍。最近,日本新改建的面向21世纪的炼钢
14、厂已明确提出:全部 钢水100%进行真空处理的发展目标。因此,21世纪真空冶金和真空精炼技术将 会进一步发展。 (2)炉外处理设备将实现“多功能化”,在一台钢水精炼设备中将渣洗 精炼、真空冶金、搅拌与喷粉工艺以及加热控温功能全部组合起来,实现多功 能精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。 第 3 页 共 64 页 (3)炉外精炼工艺进一步实现高效化和高速化。目前,转炉和连铸工艺 的发展均以高速化为目标,采用高速吹炼和高拉速工艺,提高设备的生产效率, 加快生产节奏,缩短生产周期。在此条件下,精炼往往成为炼钢生产流程中的 “瓶颈”。特别是LF工艺,受升温速度的限制,生产节奏已很难适应高效转炉 或高速
15、连铸的要求。因此,如何进一步提高炉外处理设备的加热功率和精炼速 度,缩短精炼周期,将是21世纪炉外处理工艺发展的重要课题。 (4)在线配备快速分析设施。21世纪对钢材成分的控制将更加严格,炉 外精炼作为最终钢水成分控制的工序,为缩短精炼周期,需在线配备快速分析 设备,实现数据联网,减少等待时间。 (5)实现炉外精炼工艺的智能化控制。主要内容包括:准确预报钢水精 炼的终点成分与温度,选择最佳的精炼工艺并利用计算机控制精炼过程中吹氧、 搅拌、加料、合金调整与钢水加热和温度控制等操作。 1.3 PLC 技术概况 对于由继电器控制装置构成的自动控制系统,每一次设计或改进都直接导 致继电器控制装置的重新
16、设计和安装,十分费时,费工,费料,甚至阻碍了更 新周期的缩短。因此,可编程控制器这一新的控制装置应运而生,并取代了继 电器控制装置。 可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继 电器控制系统与计算机技术结合在一起,具有可靠性高、灵活通用、易于编程、 使用方便等特点,近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面 得到普通应用,越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器 件来控制,使设备自动化程度越来越高。 现代工业生产是复杂多样的,它们对控制的要求也各不相同。可编程控制 器(PLC)由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员的欢迎。 第 4 页 共 6
17、4 页 (1)可靠性高,抗干扰能力强: PLC生产厂家在硬件和软件上采取了一 系列抗干扰措施,使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。目前各生 产厂家的PLC,其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时,同时,有些 PLC还采用了冗余设计和差异设计,进一步提高了其可靠性。 (2)适应性强,应用灵活:由于PLC产品均成系列化生产,品种齐全,多 数采用模块式的硬件结构,组合和扩展方便。 (3)编程方便,易于使用:PLC的编程梯形图语言与顺控流程图语言。 (4)控制系统设计、安装、调试方便:设计人员只要有PLC就可进行控制 系统设计,并可在实验室进行模拟调试。 (5)维修方便,工作量小:PL
18、C有完善的自诊断、历史资料存储及监视功 能,PLC对其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工 作人员可以方便的查出故障原因,迅速处理。 (6)功能完善:除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外, 配合特殊功能块,还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功 能,既方便工厂管理又可与上位机通信,通过远程模块还可以控制远方设备。 由于具有以上特点,使得PLC的应用范围极为广泛,可以说只要有工厂、 有控制要求,就会有PLC的应用。 1.4 本文所作的工作 本文主要进行 VD 炉 PLC 控制系统的设计,采用西门子的 S7-300 对 30t-VD 精炼炉进行控制
19、,该系统应实现下述目标: (1)统计 VD 炉生产工艺监控点数,详细列写模拟量及开关量点数,参数 变化范围; (2)列出所采用的仪器、设备清单,包括设备型号、台件数、生产厂家; (3)针对监控参数,画出程序流程图,编写监控程序; (4)正确调试通信及监控程序,完成系统调试。 第 5 页 共 64 页 2 VD 炉系统概况 2.1 电气设备组成 依照本课题的设计,VD-30t 精炼炉电气设备组成如下:低压电源柜,盖 车传动柜,PLC 柜,主操作台和计算机操作台,这些均放在主控室;液压传动 箱置于液压站内;炉前操作台置炉子前便于操作处。机械配套的电气设备及元 器件,如电流,流体信号的检测仪表及传感
20、器变送器等,随其所服务的机械设 备或流体管道安装,或置车间内便于操作的地方。 2.2 电气系统分析 2.2.1 低压电源 低压电源供精炼炉全部设备的动力电源和操作控制电源。由一面低压电源 柜 A1 组成。来自车间配电的容量为 100A 的 3N380V 动力电源送到本柜空气 开关 Q1 的上口,通过信号灯 H1 可观察电源是否来电。人工推合总电源空气开 关 Q1,电压表 PV1 显示电源电压,表明低压电源已送电。在电源柜中推合控制 电源空气开关 Q2,KA12,101102 吸合,用作控制电源送电指示及其它连锁 保护。控制电源送电后,主台上的信号灯 H8 点亮。本柜中装有一个 200VA/22
21、0V 的隔离变送器 T1,其输出为 PLC 提供220V 供电。装有两 个220V/24V 8A 的空气开关电源 VC12,VC1 为 PLC 的输入信号转换小型 继电器,电器测量用的电量变换器提供-24V 电源;VC2 为开关量输出模块所带 的电磁阀提供-24V 电源。 第 6 页 共 64 页 2.2.2 液压传动 液压传动所控制的设备为罐盖升降。电控由一面液压传动箱 A4 和炉前操 作台 A7 组成。动力电源来自低压电源柜。控制操作可在炉前台和站内的转动 箱上两地进行,又转换开关 SA4 切换。当 SA4 置“站内操作”位置时,可在站 内的操作箱上通过操作 SA13 旋钮对 1#泵、2#
22、泵和加热器启动和停止。当 SA4 置“炉前台操作”位置时,通过在炉前台上操作 SB16 按钮控制 1#泵、 2#泵和加热器启动和停止。液压站的液位低、温度低、滤油器堵塞信号有信号 灯 H2、4、6 在炉前台上作故障显示。液位低时油泵不能启动,油温低时人工 启动加热,油温高时自动停止加热。 2.2.3 盖车传动 盖车由两台 5.5KW 的交流电机传动。电控有一面柜 A2。有一台三菱变频调 速器 BP 供电,速度可以调节。 盖车的运行通过人工在炉前台 A7 上操作,由 PLC 控制。首先 SB26 带灯按 钮给变频器送电,然后通过旋钮 SB28 旋钮使盖车高速开进、开出或停止。进 入途中经减速限位
23、开关 S42 或退出途中经 S45 时由高速自动转为低速,或者说 当盖车处在进减速限位 S42 和退减速限位 S45 之间时为高速运转。若一直按住 SB31 或 SB32, 包车低速开进或开出,放开旋钮停止。不用包车时,SB27 按钮 使变频器断电。 2.2.4 PLC 控制 PLC 控制有一面柜 A3,其中主要装有一套西门子 S7-300 型可编程序控制 器。它由主机架和一个扩展机架组成,五个数字输入模块,三个模拟输入模块, 和三个数字输出模块分装在主机架和扩展机架上。PLC 的控制主要包括:真空 泵系统,罐盖车控制,冷却水的压力,温度信号的采集和传送,氩气压力及流 量信号的采集和传送等。
24、第 7 页 共 64 页 2.3 VD 抽真空系统原理 2.3.1 VD 处理工艺操作 VD 精炼法,是将电炉的初炼钢液置于密封罐内抽真空,同时钢包底部吹 氩搅拌的一种钢液真空处理方法。在电炉中经过熔化、初步吹炼,再置于真空 罐内通过底吹氩搅拌加速脱气过程,以获得纯净的钢液。VD 精炼的用途主要 是提高钢水的纯净度,降低钢中气体含量,使钢材质量得到进一步的提高。同 时利用钢渣界面反应进行脱硫处理。在大型现代化冶金生产中,VD 钢包处理 已成为现代二次冶金的基本手段。 真空系统是VD炉的关键设备,它将真空罐从常压最低可抽到67pa左右,并使 系统在真空条件下保持10min以上,以保证真空脱气的要
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