644522985毕业设计(论文)PLC电弧炉控制系统总体设计.doc
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1、摘要电弧炉炼钢是靠电极和炉料间放电产生的电弧,使电能在弧光中转变为热能,并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉渣,是冶炼某些特殊金属及合金必须使用的炼钢方法。论文以40吨电弧炉计算机控制系统为背景,在查阅了大量国内外相关文献的基础上,综述了电弧炉控制技术的发展历程、研究现状及今后的发展趋势。根据电弧炉熔炼工艺对控制系统的控制要求,给出了控制系统总体设计方案,对电弧炉计算机控制系统的硬件系统配置作了详细的说明。在电极调节器控制方案设计的基础上给出了实用的控制算法的实现方法,应用日本欧姆龙系列编程软件编写了整个控制系统控制软件,包括电极调节控制单元、液压站控制单元、真空开关合、分闸控制单元、
2、变压器调压换档控制单元和其它逻辑控制单元。关键词:电弧炉,电极调节,计算机控制,PLC ABSTRACTThe steel-making of Electric Arc Furnace transfers the electricity to heat by the arc between electrode and charging. The Arc and its radiation melt the metals along with slag, it is the essential way to produce the special steel and alloy.The thes
3、is is based on the 40-Ton electric arc furnace computer distributed control system of the Second Steel-making plant. The summaries of the historic, present state and perspective trend of control techniques of electric arc furnace are based on consulting a great deal of documentation. According to th
4、e control demands of the system, the systems solving scheme is presented. The thesis thoroughly describes the hardware configuration of the computer distributed control system of electric arc furnace. Based on the design of the electrodes position control algorithm, the realization method of control
5、 algorithm is proposed. The control software is designed with the Omron series programming language produced by Siemens Company, including electrodes position control unit, hydraulics control unit, vacuum switch on/off control unit, changing the level of transformer control unit, oxygen gun movement
6、 control unit and other logical control units.Key words: Electric Arc Furnace, Electrode Regulator, Computer Control.,PLC第一章 概述51.1引言:51.2 电弧炉系统51.2.1 电弧炉炼钢发展概况51.2.2 电弧炉炼钢的特点61.2.3 电弧炉炼钢计算机控制发展概况71.3 电弧炉炼钢设备概括71.3.1 电弧炉炼钢的机械设备81.3.2 电弧炉炼钢的电气设备91.4 电弧炉炼钢过程及工艺简介111.4.1 电弧炉炼钢过程111.4.2 电弧炉炼钢工艺简述121.4.3
7、 电弧炉工艺对控制系统的要求131.4.4 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求131.5 本论文所做的工作14第二章 电弧炉控制系统152.1 电极升降自动控制系统152.2 液压、水冷、气动控制系统162.2.1 液压控制系统162.2.2 水冷控制系统172.2.3 气动控制系统182.3 PLC控制系统182.3.1 计算机在电弧炼钢中的应用182.3.2 电弧炉PLC控制系统的构成202.3.3 电弧炉PLC控制系统的功能20第三章 电弧炉电极控制的建模223.1 电极系统电气部分建模223.1.1 单向电极的建模223.1.2 三相电极的建模243.2 电极工作原理及性能要求273.2
8、.1 工作原理273.2.2 性能要求283.3 传动系统的建模29第四章 电弧炉控制系统的软硬件设计314.1 变压器保护314.2 液压站控制334.3 炉体操作384.4 水冷系统434.5 事故报警454.6 上料系统464.7 电弧炉控制系统程序的检查和编译49结束语52参考文献53致谢54第一章 概述1.1引言:钢包精炼炉,是用来对初炼炉(电弧炉、平炉、转炉)所熔钢水进行精炼,并且能调节钢水温度,工艺缓冲,满足连铸、连轧的重要冶金设备。近年来,钢包精炼炉由于具有投资少、功能强的特点,在炼钢厂占据越来越重要的地位,对钢包精炼炉的自动控制技术既提供了机遇,又提出了挑战。目前世界上电炉钢
9、产量95%以上都是由交流电弧炉生产的,已成为主要的炼钢方法之一,电弧炉是利用电弧的能量来熔炼金属的一种电炉,分为直流电弧炉和交流电弧炉两种。电弧炉控制系统包括基础自动化和过程自动化。它是一个多变量、非线性、强藕合、时变、工作环境恶劣及随机干扰性较强的系统,各种参数的多变使得系统电极位置、电弧长度、电弧电流/电压、系统功率及功率因数COS中很难保持在最佳状态下运行,也一直阻碍着电弧炉过程控制技术的进一步发展。随着电力工业的进步,大型超高功率电炉技术的发展以及炉外精炼技术的采用,使电弧炉炼钢技术有了很大的进步。高产、优质、多品种、节能降耗达到降低成本,以获得最大利润一直是钢铁工业在竞争中获得生存和
10、发展的目标。但传统的以数学模型为基础的经典控制框架显然已不能适应这一要求。随着信息技术和计算机技术的相结合,一种以人工智能、控制理论和计算机科学为基础的新型控制技术一智能控制的出现,为控制领域解决传统难题带来了新的生机,以实现过程控制的自动化。 1.2 电弧炉系统1.2.1 电弧炉炼钢发展概况 近现代炼钢方法主要有转炉炼钢法,平炉炼钢法和电炉炼钢法。平炉炼钢法基本被淘汰,电炉炼钢法与转炉炼钢最基本的差别在于,电炉炼钢是以电能作为热源,而电弧炉炼钢是应用最为普遍的电炉炼钢方法。电弧炉炼钢是靠电极和炉料间放点产生的电弧,使电能在弧光中转变为热能,并借助辐射和电弧的直接作用加热加热并融化金属和炉渣,
11、冶炼出各种成分的钢和合金的一种冶炼方法1。电弧炉炼钢技术发展至今已有近100年的历史。虽然始终面临着其他炼钢方法的挑战和竞争,特别是高效率的氧气转炉炼钢的冲击,但是电弧炉钢产量在世界钢总产量的比例仍然逐年上升。而经过电弧炉炼钢本体技术的不断完善,相关技术的不断涌现并不断充实到电弧炉炼钢工艺流程中,以及吸取其他炼钢方法的重要功能使电弧炉炼钢对原料适应性的不断增强,电弧炉炼钢以飞快的速度发展并成为21世纪钢的生产技术的主流。19世纪中叶以后,各种大规模实现电热转换的冶炼装置陆续出现:1879年西门子(William Siemens)首先进行了使用电能熔化钢铁炉料的研究,1889 年出现了普通感应炼
12、钢炉,1900年法国人赫洛尔特(Paul Heroult)设计的第一台炼钢电弧炉投入生产。从此,电弧炉炼钢在近一百年中得到了长足的发展,已成为最重要的炼钢方法之一。20世纪以来世界总钢产量、电炉钢产量和电炉钢所占百分比(表1.1,1.2)的变化可以看出2:(1)五十年代前电炉钢占百分比很低,是一类特殊的炼钢方法。(2)五十年代以后,电炉钢得到迅速发展,19501990 年间世界电炉钢总产量增长近17 倍。电炉钢所占百分比也由6.5增至27.5。(3)九十年代以来,世界电炉钢保持高速发展,19901998 年间世界电炉钢年产量增加5123 万吨,电炉钢占百分比增长至33.9。电弧炉炼钢发展过程中
13、,经历了普通功率电弧炉高功率电弧炉超高功率电弧炉。其冶金功能也发生了革命性的变化,其功能由传统的“三期操作”发展为只提供初炼钢水的“二期操作”。表1.1 世界历年来电炉钢占钢总产量的比例年代1920 193019401950196019701980199020002010电炉钢量比%1.22.02.36.99.713.822.027.433.538.5 表1.2 我国历年来电炉钢占钢总产量的比例年代1950 196019701980198519881993200020052010电炉钢量比%12.3817.1522.1719.121.1520.0521.822.528.433.51.2.2 电
14、弧炉炼钢的特点电弧炉炼钢是以电能为热源,利用电极与炉料间生产的电弧高温来加热和熔化炉料。因此电弧炉炼钢有以下一系列的优点3:(1)电能为热源,避免燃烧燃料对钢液污染,热效率高,可达65%以上;(2)冶炼熔池温度高且容易控制,满足冶炼不同钢种的要求;(3)电热转换,输入熔池的功率容易调节,因而容易实现熔池加热制度自动化,操作方便;(4) 电弧炉炼钢可以消纳废钢,是一种铁资源回收再利用过程,也是一种处理污染的环保技术 。相当于是钢铁工业和社会废钢的回收工具。由于钢铁良好的可再生性及环境、资源和能源等方面日益苛刻的要求,使得尽可能多的利用废钢成为国际趋势。废钢如得不到有效的回收和利用,将成为巨大的潜
15、在环境污染源,有些甚至可能对水质、土壤等构成严重威胁。大量锈蚀的钢铁废料,不但造成资源的浪费,也将造成严重的粉尘污染。废钢的堆积本身也给环境带来不利影响。(5)炼钢过程的烟气污染和噪声污染容易控制;(6)设备简单,炼钢流程短,占地少,投资省、建厂快,生产灵活。钢铁工业产生的大量固体钢制品若不认真对待,将是巨大的潜在环境污染源,有些甚至可能对水质、土壤等构成严重威胁。当今钢铁生产可分为“从矿石到钢材” 和“从废钢到钢材” 两大流程。相对于钢铁联合企业中以高炉转炉炼钢为代表的常规流程而言,以废钢为主要原料的电弧炉炼钢生产线具有工序少、投资低和建设周期短的特点,因而被称为短流程。近年来,短流程更特指
16、那些电弧炉炼钢与连铸连轧相结合的紧凑式生产流程。由最近的统计将两种流程作一比较(表1.3),可见在投资、效率和环保等方面, 以电弧炉为代表的短流程炼钢具有明显的优越性。表1.3 高炉转炉炼钢和电弧炉炼钢两大流程的比较 类别 高炉-转炉流程 电弧炉流程投资,美元/吨钢 1000-1500 500-800从原料到钢水的能耗,标煤/吨钢 703.17 213.73从原料到到成品材的运输力需求,吨/吨钢 15.8 9.48二氧化碳排放,公斤/吨钢 2000-3000 800但是,电炉炼钢也有其不可避免的缺陷,如电弧是点热源,炉内的温度分布的不均匀,各部分的温差比较大;炉气或水分,在电弧的作用下,能电解
17、出大量的H、N,从而使钢中的气体含量增高。1.2.3 电弧炉炼钢计算机控制发展概况随着计算机技术、微电子技术和检测技术的飞速发展,以计算机为核心的自动化技术已成为电炉钢厂的重要生产工具,其应用程度从只能完成比较简单的熔炼控制和电极升降控制,到对整个炼钢厂的控制和管理。应用计算机控制的目的是为了提高生产率,改善劳动条件,降低冶炼电耗和操作成本,提高钢的质量,实现电炉生产的综合自动化和生产过程的最优化。在发达国家的电炉生产中,计算机的应用己相当普及,并已研制出系列化的硬、软件系统,如Danieli公司的Process control system, ABB公司的Master melter syst
18、em, Krupp公司的Geisweid model, Mannesmann Demag公司的Process control system, Proces公司的Production management system等。我国炼钢用计算机控制起步不久,Z作尚薄弱,但已取得一定的效果。由于炼钢技术上的复杂性,首先工艺上对计算机控制系统有一严格的时序要求。其次是它的整个生产工艺上过程计算机管理,使物料的走向趋于合理,各种配比要求达到经济、合理,全过程控制要达到它的鲁棒性、最优化、同时要在系统控制中采用人工智能、专家系统、模糊控制等多种现代化的控制手段。1.3 电弧炉炼钢设备概括1.3.1 电弧炉炼钢
19、的机械设备电弧炉的构造主要由炼钢工艺决定,同时与电弧炉的容量大小、装料方式、传动方式等有关4。电弧炉的基本结构如图1.1。图1.1 炼钢电弧炉示意图1-倾炉用液压缸;2-倾炉摇架;3-炉门;4-熔池;5-炉盖;6-电极;7-电极夹持器;8-炉体;9-电弧;10-出钢槽。电弧炉的主要机械设备由炉体、电极夹持器、电极升降装置、炉体倾动装置、炉盖提升、旋转装置和炉顶装料系统等以及液压系统、水冷系统、气动系统等辅助系统组成。炉体:是电弧炉的主要装置,用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉的炉体由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。电弧炉的金属构件包括炉壳、炉门、出钢槽、炉盖圈和电极密封圈。炉壳由
20、钢板焊成,上部有加固圈。炉门可以用来观测炉内情况及进行扒渣等操作,炉盖的上方一有三个呈正三角形不知的电极孔,在孔与电极之间设有电极密封圈。炉壳的上部、炉盖和电极密封圈都通水冷却,炉壳内部、炉盖及出钢槽内部都是用耐火砖砌成的。电极夹持器及电极升降装置:电极夹持器可以用来夹紧和放松电极,还可以把电流传送到电极上。在熔炼过程中,由于炉料不断熔化,不同的熔炼阶段要求给出不同的电能。同时,电极自身的长度也会存在自消耗。因此,需要随时升降电极以调整电弧的长度。电极通过电极夹持器固定在电极升降装置上。电极升降装置由导电横臂、立柱和传动装置组成。导电横臂由铜钢复合板制成,作为支持用的机械结果部分,用来固定电极
21、夹头。立柱和导电横臂连接成“”形支架,一起在固定的框架内升降,框架固定在炉体的摇架上,框架内装有滚轮,立柱沿滚轮升降。电极夹头、导电横臂都是内部通水冷却。传动方一式为液压传动。电极升降机构包括电极升降液压缸、电极升降立柱、电极喷林环、夹头喷吹等部分。炉体倾动装置:为底倾机构,传动形式为液压传动。炉子装在专门的摇架上,摇架两侧的扇形板支撑在底座上,倾动时摇架的扇形板沿底座摆动,出钢槽末端的运动轨迹为摆线。倾动时工作液进入液压缸,使液压活塞杆推动摇架,摇架沿水平底座滚动,带动炉体倾动,为防止摇架和水平底座发生相对滑动,在它们的整个接触面上,分别加工上导钉孔和导钉。倾炉机构包括倾动摇架、倾动轨道、倾
22、动液压缸、水平支撑机构与炉盖旋转轴承和旋转锁定等。倾动摇架下部为弧形结构,在轨道平面上进行滚动,定位准确、可靠。两个活塞式倾动炉液压缸下支座固定在水泥基础上。上支座固定在摇架平台的底部。倾动油路上安装有液压锁,以保证炉子在任何倾动位置失压时,停止不动。水平支撑状态,不得向出渣侧倾动。炉盖提升及旋转装置:该机构包括炉盖旋转架、炉盖提升缸、提升连杆机构、炉盖旋转机构及锁定机构等。旋转架通过旋转轴承连接在倾动摇架平台上。当固定在平台上的液压缸活塞杆伸出时,可使炉盖旋开。液压缸活塞杆缩回时,炉盖即可复位。旋转架伸出臂下通水冷却,以防止高温变形。液压系统:液压系统包括液压源、控制阀门、蓄液箱、蓄能器等。
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