毕业设计高炉防灌渣拨风控制系统

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1、111河北联合大学轻工学院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY毕毕业业设设计计说说明明书书设计（论文）题目：设计（论文）题目：高炉防灌渣拨风控制系统高炉防灌渣拨风控制系统学生姓名：学生姓名： 学学 号号：专业班级：专业班级： 学学 部：部： 指导教师：指导教师： 2012 年 05 月 20 日摘 要-I-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

2、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

3、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-II-Abstract Alo

4、ng with the development of national industries, in metallurgical enterprise in the improvement of the ironmaking technology, the stability of the blast furnace of demand is higher and higher, and as a blast furnace ironmaking system of airing system of blast furnace ironmaking is one of the importan

5、t auxiliary process, the automation of airing system relates to the stability of the system, wind supply interruption, extremely easy will cause the blast furnace malignant accident, the serious influence blast furnace production, it will cause the blast furnace damaged, and have a great effect on t

6、he stability of the blast furnace, influence the whole the production and operation of enterprises. The automatic dial the air control system development for the safety and stability of blast furnace production and enterprise high efficiency of the operation has the great security and economic benef

7、its.The purpose of the setting of the switch control system designed in this paper is a timely action when a wind turbine failure off the wind, influence the blast furnace production, use of airing system to determine the requirements of the the fan. By control dial wind valve opening, to ensure tha

8、t the fault blast furnace can maintain the normal production . The safety and stability of blast furnace production and enterprise high efficiency of the operation system has the great security and economic benefitFirstly, the development of configuration software, the fundamental constitution for c

9、onfiguration software and characteristics are analyzes, and the configuration software system construction is also introduced. This paper considers that building a process control system with configuration software is important. Secondly, the system using Wincc control software ,which principle ,des

10、ign ,choice of valve and the control calculation of volume of the wind. furthermore, on the basis of air intake system, I employ the Wincc Control software to design and make the drawing of air intake system. Finally, put the system and drawing that have been designed into use in factory to test the

11、ir performance. Then summarize the result.Keywords the blast furnace; onfiguration; Programmable Logic Controller; air intake control system 目 录-III-目 录摘 要.IABSTRACT .II引 言.IV第一章 绪 论.11.1 高炉炼铁工艺概述.11.2 高炉供风系统概述.21.3 本论文选题的背景及意义.41.4 本论文完成的主要工作.5第二章 拨风系统原理及设计.62.1 拨风装置的原理设计 .62.2 拨风系统的设计 .82.3 拨风管道与阀

12、门的设计选择 .102.4 拨风系统拨风量的控制机算 .12第三章 西门子 PLC_S7-300 配置.183.1 应用 PLC 的优点 .183.2 S7-300 硬件组成.193.3 工程设计选型.20第四章 拨风装置组态及控制画面设计.264.1 组态软件的发展.264.1.1 组态软件产生的背景 .264.1.2 主要组态软件产品介绍.274.2 组态软件的任务及功能特点发展方向 .294.2.1 组态软件的应用前景 .294.2.2 组态软件的功能特点 .324.2.3 组态软件的发展方向 .334.3 WINCC 组态软件 .344.4 拨风装置计算机控制逻辑条件的确定及检测点分布

13、 .364.5 拨风装置计算机控制逻辑的设计 .384.5.1 工程图形界面的设定 .40结 束 语.43谢 辞.44参考文献.45 引言-IV-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

14、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 Step7 SIMATIC Manager 与 SIMATIC WinCC Explorer 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，STEP 7 编程软件用于西门子系列工控产品包括SIMATI

15、C S7、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

16、信息反馈到管理人员，方便管理人员管理、控制。第一章 绪论-1-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（10001300 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

17、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

18、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。河北联合大学轻工学院-2-3.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

19、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

20、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第一章 绪论-3-的氧气。另外，还要有一定的风压克服送风

21、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

22、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：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。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

23、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。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 72135。当开大角度时，流量大幅度增加，压比上升，效率提高，开始河北联合大学轻工学院-4-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

24、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）

25、 ，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

26、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

27、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，并对高炉木身产第一章 绪论-5-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

28、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：表表1-11-1 所选高炉鼓风机基本

29、技术参数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(m3/min)排风压力(Mpa)1#,2#(6000风机)静叶可调轴流式VAS-90183350386057650.46(绝)3#,4#(5500风机)静叶可调轴流式12AVA99B3000370050000.44(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、河北联

30、合大学轻工学院-6-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0.1M pa 以下

31、，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：表表2-12-1 各高炉所需冷风情况各高炉所需冷风情况风量(m3/min

32、)高炉高炉侧风机吸入风量风 压(Mpa)(表压力)1#425047000.322#42504700 0.323#42004800 0.3264#42004800 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.第二章 拨风系统原理及设计-7-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

33、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

34、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。河北联合大学轻工学院-8-高炉不灌渣要求风压不低于 0.18Mpa，风量不低于 2500N。当风Minm3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P1T1P2T2就要求拨风系统的启动设计限定时间内完成拨风。TTT12对于高

35、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1200 m3/minc 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行的高炉避免灌渣。风机具备鼓风的最低条件必须具备才允许对故障风机进行鼓风即：提供鼓风的母管风压大于0.3Mpa，风量大于4000N，压力变送器工作正常，流Minm3量变送器工作正常。除此之外，风机正常运行时可能处于定风量或定风压模式，当拨风后为避免风机快速追赶设定的风量或风压而引起喘振或逆流，在开始拨风前必须先将风机模式由自

36、动模式切换到手动模式。在实际运行中，其中一台高炉鼓风机发生故障时，由于供风管道容积较大，入炉风压下降至0.12Mpa尚需一定时间。因此只要我们所选择的拨风阀(快切阀)能够在一定的时间内打开给系统充压，就可以保证入炉风压大于等于0.12Mpa。风机在正常运行时吸入风量一般为4500N以上，折算到0.12Mpa风压所Minm3对应的风量为3060 ，即使拨出1200 的风，剩下的冷风依然可Minm3Minm3以基本满足原高炉的生产需要。综上所述 ，如果设计合理，使用拨风装置既可以保证事故高炉不灌渣，又可以保证原授风高炉的极限生产，也就是说上述拨风原理可行。2.2 拨风系统的设计鼓风车间管道布置较为

37、集中，根据实际现场工艺情况，我决定在鼓风车间高炉冷风供出管道上施工、安装拨风装置，实施所设计的拨风系统。根据两台高炉鼓风机的配置及其供风能力的介绍，以及两座高炉的炉容量和正常运行时对冷风的需求等情况，在正常生产工况下，1#,2#,3# 风机分别独立给1#,2#,3#三座高炉供风,若出现故障,两两之间可以互相拨风以维持极限生产。第二章 拨风系统原理及设计-9- 图2.2 增设了拨风控制系统的鼓风机供风系统 图中 V13表示1# 高炉送风母管与2# 高炉送风母管之间的拨风阀，V23表示2#高炉送风母管与3# 高炉送风母管之间的拨风阀，V33表示3# 高炉送风母管与1# 高炉送风母管之间的拨风阀。V

38、12、V14、V22、V24、V32、V34表示拨风阀两侧的电动蝶阀; 系统中 V13、V23、V33这个拨风阀为快速开启阀，设开、关、停三个位置，动作时间小于10秒，正常工作时处于全关位置，可以分别在控制室内实行远程操作和在阀门旁实行就地操作。V12、V14、V22、V24、V32、V34这6个关断阀，设开、关、停三个工作状态，系统正常工作时依据所要控制的冷风流量将阀门锁定在指定开度位置。在拨风阀动作后，该开度将保证所需要的冷风流量通过;系统正常工作时，为防止误操作，而将开、关操作电源拉掉。这样我们就可以根据高炉及风机生产实际情况的需求使拨风阀V13、V23、V33的动作，以满足在某一风机故

39、障时，将预定的某一正常运行的风机给故障风机所对应的高炉拨一部分风，来满足该高炉的极限生产，保证该座高炉不灌渣。4#备用风河北联合大学轻工学院-10-机采用V41、V42、V43与三个拨风管道相连，当1#、2#、3#风机其中一台休风时，可通过控制V44、V41、V42、V43的开启与关断来启用备用风机维持高效生产。2.3 拨风管道与阀门的设计选择1、拨风管道的设计我们选用D630 X 8螺旋卷焊钢管作为拨风管道联通管，管子表面不得有裂缝、结疤、毛刺、压痕和深的划痕存在，氧化铁皮、毛刺等必须清除。管道采用焊接连接，管子焊缝不得有以下缺陷:(1)焊缝高度、宽度不均匀(2)夹渣、气孔、裂纹等(3)焊缝

40、表面应光滑，不允许有飞边和尖角(4)焊缝进行5%射线探伤为减少拨风管系对原有送风管道的推力，我采用了两个SPT6-600型旁通式直管压力平衡型补偿器，要求补偿器轴向刚度小于350N/m/m。在安装时，必须防止其损坏，如压痕、划伤、引弧和焊接飞溅物，焊接管道时，应用无氯湿石棉保护。图2.3 拨风管道结构示意2、拨风阀门的选择在此项设计中，工作介质为空气，介质温度为180260之间，而且在工艺上严格要求阀门的严密性，以防各高炉之间的窜风，从而保证各座高炉的安全生产。因此拨风阀的选择极为关键。通常所涉及的系统较多，因而所使用的阀门也较多，尤其是在风系统上使用的阀门，常常由于质量不过关而发生卡涩现象，

41、如果这个阀门为两座高炉冷风管道之间的连通阀门（例如拨风阀)，这样在检修故障阀门时常常最少要涉及两座高炉和两台风机，就会严重影响高炉的生产，因此供风系统阀门的选择非第二章 拨风系统原理及设计-11-常重要。以往在送往各高炉的配风门上，我们使用最多的是闸阀，其优点是关闭严密，但其缺点是开关时间太长、而且需要旁路门，这样就会使系统更加复杂，维护起来更加麻烦。随着阀门制造工艺水平的提高，蝶阀以其开度线性好、密封严、维护简便逐渐成为我们的首选。通过技术及经济性比较，我选用德国阿达姆斯生产的MAK双向零泄漏三偏心硬密封电动快启蝶阀，在结构上，其三偏心斜置锥形基座密封系统中，轴与阀体中心线相对偏心;轴与阀板

42、平面相对偏心，蝶板相对阀体斜置:轴与圆锥形密封基座中心线相对偏心。而最重要的一点，该阀门全开可在6秒之内完成，完全符合炼铁工艺所提出的10秒内给系统充压的需求。由于需要该阀具有快速开启的功能，因此，对于阀门的执行机构也有特殊的要求。另一方面，在本拨风系统中，要实现阀门的计算机自动控制，执行机构是控制系统不可缺少的组成部分，它的作用是接收计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作。因此各拨风阀门执行机构的功能与技术指标直接关系到自动控制的成功与否。执行机构分为气动、电动、液压三种类型。气动执行机构的特点是结构简单、价格低、防火防爆;但其缺点是需要较高压力的气体作为原动力，因此需设外部系统，

43、系统结构复杂，维护量大。液压执行机构的特点是推力大，精度高，以其开关快捷、准确、时间短而在很多重要部位使用，例如某厂高炉鼓风机组的防喘振阀门基本选用此种阀门，其全开时间在3秒之内。但是由于其为液压控制阀，需要液压介质和油泵，这样造价比较高，而且又附加了许多设备，维护工作量大。电动执行机构的特点是体积小、种类多、使用方便，而且附属设备少，维护起来比较简单。因此在满足拨风系统6-8秒全开的工艺要求下，我们选择了Rotork 1Q型执行机构。该执行机构有很多优点，可以满足拨风系统计算机自动控制所需要的功能:(1) 该执行器具有现场/停止/远程操作选择器。(2) 该执行器可在接线完成后，不必打开电气端

44、盖即可进行调整。用红外线设定器可实现力矩、限位以及其他功能的设定。(3)IQ执行器带有一个可接受4个辅助输入(AUXI- A11X4) 的装置。用于对带有Modbus模块、并需增加远程控制或数字辅助输入的控制和反馈功能的执行器，也可同时提供远程控制和无源输入信号。在PF功能下显示的卜六进制数字可以被认为是一个“软件掩码”。这个掩码可以告诉Modbus模块所期望的输入形式，控制或输入信号，以及输入触点的形式(即常开或常闭)。河北联合大学轻工学院-12-所以通过技术性能和经济性比较，我们选择德国阿达姆斯生产的MAK双向零泄漏三偏心硬密封电动快启蝶阀作为拨风阀。在拨风系统使用过程中，拨风阀处于全开或

45、全关状态，而两边不参与控制的电动蝶阀的作用主要为限制拨风量为所需值，及在进行拨风阀检修或试验时，用来切断拨风管与原系统的联系。2.4 拨风系统拨风量的控制机算拨风系统正常运行要求其既要保证事故机组供风的高炉不断风，维持其极限生产，又要在拨风后对拨风机组所供高炉影响最小。这就要求我们对拨风量进行控制，即通过控制两边电动蝶阀的开度来控制拨风量。根据高炉的需求，入炉风量为1200 3m/min，风压不低于0.12Mpa,高炉就能维持极限生产。所以必须通过计算才能确定两边电动蝶阀的阀门开度与风量的对应关系，从而通过控制拨风阀两边蝶阀的开度来控制拨风量。实际流体在管内流动时，由于存在阻力，要损失一部分机

46、械能，称为能量损失。管流的能量损失由两部分组成:一部分是由于流体的粘性力所引起的，发生在整个流程上的“沿程损失”，这种损失的大小与流体的流动状态有着密切的关系;另一部分是发生在局部管段上的，由流动状态急剧变化所产生的旋涡和速度分布变化所引起的“局部损失”。 通常管道流动中单位重量流体的沿程损失用下式表示: （31） gvdlhf22=式中 为沿程阻力系数，它与流体的粘度、流速，管道内径以及管壁粗糙度等有关，是一个无因次系数，由实验确定; 为管道长度;d为管道内径;为单位lgv22重量流体的动压头(速度水头)。由式(3-1)可以看出，在同样条件下，管道越长，损失的能量越大，这是沿程阻力的特征。管

47、流中单位重量流体的局部能量损失用下式表示: (3-2) gvhf22= 式中为局部阻力系数，是一个无因次的系数，根据不同的管件由实验确定。工程上的多数管道系统既有许多等直管段，又有许多管件(例如变管、接头阀门等)连接着。这时整个管道的能量损失显然应该分段计算，而后把它们叠加起来，即：第二章 拨风系统原理及设计-13- （33）jfwhhh+=空气在不同的压力和温度下其密度是不同的，根据不同工作状况，空气的密度可根据下式计算: （34）1013. 02732730pt+=式中，某温度t与压力p状态下干空气的密度，kg/m30oC、压力为0.1013MPa状态下千空气的密度，030/293. 1m

48、kg=P - 绝对压力 MPat - 摄氏温度 在工程上一般气体被看作可压缩流体，如果忽略气体流动时的位能变化，则可压缩气体绝热流动伯努利方程为： （35）式中，whVpkkVpkk+=+212122222111k绝热系数，对于空气k=1.4P1、P2截面1, 2处的压力 Pa、-截面1, 2处流体的密度 213/mkgV1、V2-截面1, 2流体的平均流速 m/s根据流体的连续性方程，流体在管道中作稳定流动时，在同一时间内流过管道每一截面的质量流量相等，即 （36）222111AVAV= 式中，、-截面1, 2处流体的密度 123/mkgV1、 V2 - 截面1、2 流体的平均流速 m/sA

49、1、 A2 - 截面1,2 处的截面积 m2管道容积流量计算公式如下: （37）VAQ = 管道面积计算公式如下： （38）42dA=式中，d-管道直径 阀门生产厂家提供了蝶阀局部阻力系数与蝶阀开度的关系(表3-5): 河北联合大学轻工学院-14-表表2-22-2 蝶阀局部阻力系数蝶阀局部阻力系数与蝶阀开度的关系与蝶阀开度的关系开度 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100200 65 26 16 8.3 4 1.80.850.480.30另外，阀门厂家还提供了流量阀门开度的特性曲线图5：流量系数C % 图2.4 蝶阀流量特性图中纵坐标为阀门开启程度(角度)，即阀门全关对应

50、于蝶阀开度为0度，阀门全开对应于蝶阀开度为90度;横坐标为流量系数C值，它的定义为对应于阀门一定的开度所通过的流量与阀门全开时所通过的流量的比值百分数。从该图我们可以看出，流量与阀门开度的关系基本呈线性关系，而对于定常流动，流量与通流面积成正比，这样我们就可以计算出阀门开度同流量及面积的关系。在拨风阀未动作前，风机正常给高炉送风，根据上文高炉正常工作时风量、风压的统计，可知风机吸入风量一般为4500m3/min，排风压力为0.325MPa(表压力)，换算为绝对压力为0.415 MPa，吸入风压为当地大气压0.09 MPa(绝对压力)，吸入风温我们取00C，排风温度平均为2300C(实际测量值)

51、。为计算方便，将吸入冷风截面定为01-01截面，风机出口截面为1-1截面，拨风阀动作后拨风动作截面为2-2界面，拨风阀动作后原授风高炉供风截面为3一3截面。见下图： 第二章 拨风系统原理及设计-15-图2.5 冷风流向示意图这样根据前面介绍，就可以知道如下已知参数:拨风阀未动作前:吸入风压P01=0.09MPa(绝对压力)，吸入风温t01= 00C，吸入风Q01=4500m3/min，将P01、t01代入式(3一4)得此时空气密度为01 =1.149kg/m3;风机出口排风压力P1=0.415 MPa(绝对压力)，排风温度t1=2300C,将P1、t1代入式(3-4)得此时空气密度为1=2.8

52、75kg/m3,该处的管道内径为d1=1400 mm。对01-01截面，1一1截面，根据连续性方程(3一6),( 3一7)，计算可得V1=20m/s拨风阀动作后，截面2-2参数则为:在保证高炉不灌渣的前提下风量为1200 m3/min，即Q2=1200 m3/min，风压为0.12 Mpa(表压力)，即P2=0.21 Mpa绝对压力)，此时的排风温度为t2=160(实际测量值)，将P2、t2代入式(3-4)得此时空气密度为。32/69. 1mkg= 拨风管道及阀组布置在现有6鼓风机滤风室附近，在这里送往各高炉的风管道之间的距离很近，因此沿程阻力很小，在计算中可以将其忽略，而只考虑阀门开关程度所

53、造成的局部损失，即。jwhh =河北联合大学轻工学院-16-另外，拨风系统的三个阀门都为蝶阀，为使计算简便，我们在实际控制中将其中一个电动蝶阀打到全开位置，而拨风阀在动作后也为全开位置，这样由于阀门而引起的局部损失就分为三部分，其局部阻力系数分别为（阀321、门编号示意图见图2），根据表3.1，现在只有的值无法知道。30. 032=1即gVhhhhhjjjjw2)(22321321+=+=将数值代入伯努利方程（35），得（39）式中，为未知数，假设阀门开度为40，则16，总的局部阻力系数1116.6，代入上式，可得V2=229 m/s. 将V2、Q2代入式(3-7)得A2=0.0873 m2从

54、管道设计知拨风管道直径，这样拨风管道总的通流面积为mmd6002=222028274. 046 . 04mdA=30. 002=AA对于定常流动，在相同工况下，流量与通流面积成正比，所以流量系数可以看成为通流面积比，即阀门开度所产生的通流面积与管道总的通流面积的比值。也就是说%303 . 002=AAC根据 C 值，由蝶阀流量特性曲线得阀门开度为45度，对应的蝶阀开度百分数为50%.根据计算得到的蝶阀开度应为50% ，查表得=8 .3，代入式(3-9),得到一1个V2值，再将V2、Q2代入式(3-7)得到一个A2值，又可以得到一个值，即C值，02AA根据C值，查蝶阀流量特性曲线得阀门开度，又可

55、以计算得出一个对应的蝶阀开度。这样反复迭代最终就可以得到一个恰当的阀门开度。经过计算最终阀门开gVV230. 030. 0 (269. 11021. 014 . 14 . 1220875. 210415. 014 . 14 . 122122626）+=第二章 拨风系统原理及设计-17-度应为47% ，对应的阀门开启角度为42度。正常运行的高炉给事故高炉拨出风压为0.12MPa、风量为1200m3/min的风以后，这座高炉能够维持其极限的生产吗?从前文可知，要维持炉容为2200m3及以下的高炉的极限生产，必须保证压大于等于0.12Mpa的入炉风量不得小于1200 m3/min。也就是说，要维持两

56、座高炉的正常极限生产，一共需要对应于风压为0.12Mpa的冷风2400 m3/min.根据流量连续性方程(3一6)，对应的风机的吸入风量为3530 m3/min即可满足要求。根据前面所统计的高炉实际运行工况(表2)，在高炉正常运行时，1#, 3# ,4#高炉的风机吸入风量一般为4700 m3/min以上，因此说原授风高炉所剩余的风量可以满足原授风高炉的极限生产需要，完全可以维持其极限生产。根据上述计算，最终将两个固定开度的蝶阀中的一个开度定为47% 、即42度，另一个开度为100% 、即90度，这样就可以满足故障高炉的基本需求，又可以维持正常运行高炉的极限生产。河北联合大学轻工学院-18-第三

57、章 西门子 PLC_S7-300 配置3.1 应用PLC 的优点 1抗干扰能力强，可靠性高微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动,机械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而 PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，IO 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使 PLC 具有较高的抗干扰能力。PLC 采用微电子技术

58、，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。 2控制系统结构简单，通用性强 PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在 PLC 构成的控制系统中，只需在 PLC 的端子上接人相应的输入输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个 PLC 装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。PLC 的输入输出可直接与交流 220 v，直流 24v 等强电相连，并有较强的带

59、负载能力。 3编程方便，易于使用 PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。 4功能完善 PLC 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出。在 PLC 内部具备许多控制功能，诸如时序、计算器、主控 继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时，锁存、比较、跳转和强制 IO 等诸多

60、功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和其他微机系统、控第三章 西门子 PLC_S7-300 配置-19-制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此 PLC 具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。 5设计、施工、调试的周期短用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏(柜)的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用 PLC 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积

61、木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量(输入输出点数、内存大小)等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在 PLC 到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。因为 PLC 是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。 6体积小维护操作方便 PLC 体积小，质量轻，便于安装。PLC 的输入输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信

62、状态、IO 点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。3.2 S7-300 硬件组成S7-300 系列 PLC 的硬件包括 CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块、编程设备。1CPU 模块CPU 模块主要由微处理器(CPU 芯片)和存储器组成。在 PLC 控制系统中，CPU 不断地采集输入信号，执行用户程序、刷新系统的输出。2信号模块信号模块包括输入模块和输出模块。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入

63、模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数显装置和报捷装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行机构。河北联合大学轻工学院-20-CPU 模块内部的工作电压一般是 DC5V，而 PLC 的输入/输出信号电压一般较高，例如 DC24V，AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏 CPU 模块中元器件，或使 PLC 不能正常工作。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离 PLC 内部电路和外部的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用

64、。3功能模块主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。4接口模块如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。5通信处理器通信处理器用于 PLC 之间、PLC 与远程 I/O 之间、PLC 与计算机和其它智能设备之间的通信，可以将 PLC 接入 MPI、PROFIBUS-DP、AS-i 和工业以太网、或者用于实现点对点通信等。CPU 模块集成有 MPI 通信接口，有的还集成了其它通信接口。6电源模块PLC 一般使用 AC220V 电源或 DC24V 电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24

65、V 电压和背板总线上的 DC5V 电压，供其它模块使用。7编程设备S7-400 使用安装了编程软件 STEP7 的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序上传到计算机。编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断功能。3.3 工程设计选型工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 PLC

66、和设计相应的控制系统。1、输入输出（I/O）点数的估算 I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加第三章 西门子 PLC_S7-300 配置-21-10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行调整。2、存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（16 位为一个字） ，另外再按此数的 25%考虑余量。控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 运算功能 简单 PLC 的运算功能包括逻辑运