基于PROFIBUS和MODBUS的高炉渣粒化传动监控系统设计_硕士学位论文中期报告-.doc
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1、硕士学位论文中期报告论文题目:基于PROFIBUS和MODBUS的高炉渣粒化传动监控系统设计201002443 赵德琦学 号:_控制工程姓 名:_专 业 名 称:_ 指 导 教 师: 田海 2011年12月01日1 绪论1.1高炉渣处理技术研究背景国家“ 十一五” 规划提出了建设资源节约型、环境友好型社会的战略目标,并将节能和减排作为约 束性指标执行。钢铁行业作为国家建设基础行业和 能耗大户,将同时面临机遇和挑战。在现代钢铁工业中,高炉炼铁工序能耗约占钢铁工业总能耗60,是钢铁工业的能耗大户,其节能减排潜力巨大。高炉熔渣由于自身温度高,含热量丰富,对能源工业来说是一种很好的二次能源。通常,高炉
2、渣的处理方式为水力冲渣,在处理过程中不仅浪费、消耗大量的能源、水源,同时也排出大量的有害物质。因此,开展高炉渣显热回收利用的研究十分必要。高炉渣的主要成分是氧化钙、氧化镁、三氧化二铝、二氧化硅,属于硅酸盐质材料。在急冷处理 过程中,熔态炉渣中的绝大部分物质没能形成稳定 的化合物晶体,而是以无定形体或玻璃体的状态将 没能释放的热能转化为化学能储存起来,从而具有潜在的化学活性,是优良的水泥掺和料。因此,在高效回收高炉熔渣显热的同时,还要保证处理后的炉渣可用为水泥原料。1.1.1国内外高炉渣处理工艺现状目前,国内外在生产中应用的高炉渣处理工艺主要是水淬粒化工艺和干渣处理工艺H0。由于后者环境污染较严
3、重,且资源利用率低,现在已很少使用,一般只在事故处理时,设置干渣坑或渣罐出渣。现主要采用水淬粒化工艺,就是将熔融状态的高炉渣置于水中急速冷却,限制其结晶,并使其在热应力作用下发生粒化。水淬后得到的粒化渣(水渣) 绝大部分为非晶态,其含量超过95 ,可用作生产普通硅酸盐水泥的原料。按脱水方式可分为:1) 转鼓脱水法。经水淬或机械粒化后的水渣流入转鼓 脱水器进行脱水, 前者为因巴( INBA)法,后者为图拉( rrYNA)法,2)渣池过滤法。渣水混合物流入沉渣池,用抓斗吊车抓渣,池内的水则通过渣池底部或侧部的过滤层排出,一般称底滤(OCP) 法。3)脱水槽法。水淬后的渣浆经渣浆泵输送到脱水槽内脱水
4、,称为拉萨(RASA)法。4)提升脱水法。水渣由倾斜放置的螺旋输送机向上输送,靠重力实现水和渣的分离,称为明特克(MTC)法。1、因巴法因巴法是20世纪80年代初由比利时西德玛公司与卢森堡 P&W公司共同开发的炉渣处理工艺。于l981年在西德玛公司运行,我国首次引进用于宝钢2号高炉(4063m),于 1991年投产运行。因巴法工艺流程为:高炉熔渣由熔渣沟流人冲制箱,经冲制箱内的压力水冲成水渣进入水渣沟,然后经滚筒过滤器脱水排出。因巴法分为热因巴、冷因巴和环保型因巴,三种因巴法的炉渣粒化、脱水的方法相同,都是使用水淬粒化,采用转鼓脱水器脱水,不同之处在于水系统。热因巴只有粒化水系统,粒化水直接循
5、环;冷因巴粒化水系统设有冷却塔,粒化水冷却后循环使用;环保型因巴水系统分粒化水和冷凝水两个系统,冷凝水系统主要用来吸收蒸汽、二氧化硫、硫化氢。与冷、热因巴比较,环保型因巴最大的优点是硫排放量很低,它把硫大部分转移到循环水系统中。 2、图拉法图拉法水渣处理技术是由俄罗斯国立冶金工厂设计院研制,在俄罗斯图拉厂 2000 m 高炉上首次应用。该法与其他水淬法不同,在渣沟下面增加了粒化轮实现机械粒化,粒化后的炉渣颗粒被水冷却、水淬,产生的气体通过烟囱排出。该法最显著的特点是彻底解决了传统水淬渣易爆的问题。熔渣处理在封闭状态下进行,环境好、循环水量少、动力能耗低、成品渣质量好。 3、底滤法底滤法是在冲制
6、箱内用多孔喷头喷射的高压水对高炉熔渣进行水淬粒化,然后进入沉渣池。沉渣池中的水渣由抓斗抓出堆放在干渣场继续脱水,沉渣池内的水及悬浮物由分配渠流入过滤池,过滤池内设有砾石过滤层,过滤后的冲渣水经集水管由泵加压送入冷却塔冷却后循环使用,水量损失由新水补充。底滤法冲渣水的压力一般为0.30 .4 M P a ,渣水比为 1:l 01:l 5,水渣含水率为1015,作业率100,出铁场附近可不设干渣坑。4、明特克法 明特克法炉渣处理工艺是由首钢与北京明特克冶金炉技术有限公司联合研制、开发,整套系统于2002年7月在首钢 3号高炉上投入运行。明特克法核心设备是通过特殊设计和制造的一台螺旋输送机和一台过滤
7、器组成。螺旋输送机呈20度倾角安装 在水渣池内,随着螺旋输送机的转动,其螺旋叶片将水渣池底部的水渣向上输送,水则靠重力和渣的翻动挤压双重作用向下回流,从而实现渣水分离和脱水的目的。水渣经脱水离开螺旋输送机的u型槽后,通过皮带系统输送至水渣堆场;冲渣水经浊水渣池溢流日进入过滤器过滤成干净水后进入水循环系统循环使用。1.1.2 高炉渣处理技术的发展趋势在目前钢铁工业生产中,高炉渣的处理主要是采用水淬法进行,水淬处理后的炉渣作为水泥生产的掺合料。但是水淬法渣处理工艺也存在一些缺点,比如水淬法渣处理工艺的耗水量大,对我国钢铁工业的发展来说,水资源的短缺成为除铁矿资源短缺外的另一制约因素。高炉熔渣含有丰
8、富的热量,而水淬渣产生大量的低温蒸汽,除少数钢铁企业用于冬季取暖外,其余全部白白浪费。水淬处理后的炉渣含水率可达10,在做水泥原料使用时必须进行干燥处理,仍要消耗一定的能源。此外,对水淬渣系统而言,电耗和维护工作量大;水冲渣产生的二氧化硫和硫化氢等气态硫化物还带来空气污染。因此,开发能高效回收高炉渣显热、更环保的炉渣处理技术迫在眉睫。这些技术包括干式粒化工艺和化学粒化工艺。高炉渣处理是炼铁生产的重要环节,从目前来说,水淬法处理工艺安全性能最高,技术上最为成熟,应用也最广。但在能源日益短缺的今天,水淬法存在的浪费能源、污染环境等弊端显得尤为严重,急冷干式粒化工艺能有效解决这些困难,具有更好的发展
9、前景,与水淬法粒化工艺相比优势明显:水资源消耗少;炉渣显热回收率高;污染物排放少,可减少环境污染;工艺操作简单;成渣质量高,满足水泥掺合料的要求等。虽然干式粒化工艺还没有达到工业应用的程度,但符合我国建设资源节约型、环境友好型社会的大趋势,因此开发新型急冷干式粒化工艺来替代传统的渣处理工艺迫在眉睫。1.2课题来源及研究意义本文以包钢炼铁厂的高炉水冲渣系统作为背景,借用先进的可编程控制器技术、现场总线技术、组态技术对现有的高炉渣粒化传动监控系统进行改造,以达到实现提高生产线的生产效率、提高安全可靠性和完成全自动化的目的。现场总线技术是当前控制和自动化领域内发展最快、最为活跃的一项新技术,集合了自
10、动控制、数字通信、网络、计算机、智能传感器等多项技术的最新成果。我们采用现场总线技术对已有的生产线进行改造是有意义和能创造社会价值的。1.3 本论文主要研究内容论文以包钢炼铁高炉水冲渣传动系统的改造工作为背景,采用现场总线技术全面深入的探讨了基于Profibus和Modbus的炼铁高炉水冲渣传动监控系统的设计与研究,着重研究了系统控制的方案设计、硬件的选型与设计、Profibus总线技术、Modbus总线技术,PLC的Profibus网络组态、编写PLC控制程序、PLC通信及上位机监控软件WinCC的界面设计。2 现场总线技术对高炉渣粒化传动监控系统的改造2.1 工艺流程介绍原来生产线采用传统
11、的集中控制系统。原系统采用S7-300PLC作为主控原件,现场的传动设备、传感器与PLC之间仍然是采用I/O硬线传输方式,电缆数量多,信号的信号的传送过程中的干扰问题仍然很突出。整条生产线由一个PLC控制,生产效率低。下图为高炉渣粒化工艺流程图图2-1 高炉渣工艺流程图注:PGR12粒化泵、PCC13冷却泵、PDR13排污泵、PRC12回流泵、PSL12倒渣泵、PRY回收泵、PBO增压泵如上图,此工艺流程为高炉渣粒化的整体过程。主要设备是两个冷却塔、南北粒化泵以及转鼓塔。首先,由冷却泵向南北粒化塔抽取冷却水,粒化泵PGR1和PGR2互为备用。同时,炼铁过程中产生的高炉渣也进入南北粒化塔。冷却水
12、和高炉渣在粒化塔中冲洗产生粒化后的高炉渣,形态和普通建筑用黄沙类似。然后,粒化后的高炉渣进入转鼓塔,由于北粒化炉距离转鼓塔一定距离,要有倒渣泵PSL1和PSL2将粒化后的高炉渣打入转鼓塔。转鼓塔中有转鼓主电机和转鼓辅电机,转鼓主电机由变频器驱动,使进入转鼓塔的粒化高炉渣做离心运动,目的是使水和沙粒分离,离心运动产生出来的水进入转鼓塔下方的水池。此水池由三层嵌套,产生的浊水逐层沉淀净化。同时,由于沙粒中可能掺杂没有完全粒化的高炉渣,故由一二层水池的沉淀物经回流泵PRC1和PRC2向南粒化炉重新填入粒化,此过程循环进行。经转鼓电机分离出来的干粒经皮带卷扬机送入渣仓,待卡车运走。接着,由转鼓塔下第三
13、层水池过滤后的净水经冷却泵PCC1/2/3向冷却塔回收经冷却塔风扇对回收的水进行冷却,以备循环使用。转鼓塔下的水池中的水向向下方的排水池排水,排水池中的水经排污泵PDR1向集水池注水。集水池中的水经回收泵PRY回收进冷却塔1.集水池附近的数个回收池是为了平衡水位防止集水池中水位过高而设计的。其中,若冷却塔水位过高,可经排污泵PDR2向排水池排水。最后,在工艺图的最下方,分别有从外部进入系统的冲洗水及补水。冲洗水经增压泵PBO进入转鼓塔,定期对转鼓塔进行冲洗,另外冲洗水也可对系统各个管道及冷却泵、粒化塔进行冲洗。补水的作用是在于经一定时期运行后,整个系统的水难免流失造成水量不足,此时可打开补水进
14、水电动阀VE5103对冷却塔进行补水。2.2 改造方案设计2.2.1 现场总线技术的应用利用Profibus和Modbus现场总线技术,我们可以对将设备层的各个生产设备连到现场总线电缆上,大大节省电缆费用,并且控制功能分散到现场仪表中,实现了彻底的分散,提高了系统的可靠性。另外,借用现场总线技术可对PLC之间进行组网和通信,传输数据和控制信号。2.2.1 组态软件的使用利用组态软件WinCC对整个生产线实时监控,能及时触发报警并将重要参数进行数据归档,提高整条生产线的自动化程度。2.3 Profibus总线技术概述2.3.1 现场总线概述现场总线是应用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分
15、散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。IEC对现场总线一词的定义为:现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。其本质含义包括以下6个方面:1、现场通信网路。是一种用于过程以及制造自动化的现场设备或仪表互联通信网路。2、现场设备互连。现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等,这些设备通过一对传输线互连。传输线可以是双绞线、同轴电缆、光纤或电源线。3、互操作性。现场设备和现场仪表种类繁多,没有任何一个生产商能够提一个控制系统所需的全部现场设备。将不同厂家提供的设备按照最佳性价比的则实现“即接即用”,从而构
16、成控制回路,这就是现场总线设备互操作性的含义,即由第三方提供的现场设备自由地集成现场总线控制系统 FCS。4、分散功能模块。FCS 废弃了分布式控制系统(DCS)的输入/输出单元和控站,把 DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表,从而构成虚拟控制站。例如,流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和累加输入模块,而且还有比例、积分微分(PID)控制和运算功能块,并具有自诊断功能。由于功能模块分散在多台现场设备中,并且可以同一组态,可以灵活选用各种功能块,构成所需的控制系统。5、总线供电。总线供电方式允许现场仪表或设备直接从总线上获取能量。对于要求有本征安全的低功耗现场仪表可采用这种供电方式,如煤
17、矿、化工、等对安全性要求较高的行业。6、开放式互联网络。现场总线为开放式互联网络,它既可与同层网络互连,也可与不同层网络互连,还可实现网络数据库的共享。通过网络对现场设备和国内功能模块统一组态,把不同厂商的网络及设备融为一体,构成统一的。2.3.2 Profibus-DP技术Profibus-DP 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外,PROFIBUS-DP 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。1、Profibus-DP的基本功能(1)传输技术:R
18、S-485双绞线、双线电缆或光缆。波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。(2)总线存取:各主站间令牌传递,主站与从站间为主-从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点(主-从设备)数为126。(3)通信:点对点(用户数据传送)或广播(控制指令)。循环主-从用户数据传送和非循环主-主数据传送。(4)运行模式:运行、清除、停止。(5)同步:控制指令允许输入和输出同步。同步模式:输出同步;锁定模式:输入同步。(6)功能:DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。各DP从站的可动态激活。DP从站组态的检查。强大的诊断功能,三级诊断信息。输入或输出的同步。通过总线给DP从站赋予地址。通过总线对DP
19、主站(DPM1)进行配置。每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。(7)可靠性和保护机制:所有信息的传输按海明距离HD=4进行。DP从站带看门狗定时器(Watchdog Timer)。对DP从站的输入/输出进行存取保护。DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。(8)设备类型:第二类DP主站(DPM2)是可进行编程、组态、诊断的设备。第一类DP主站(DPM1)是中央可编程序控制器,如PLC,PC等。DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。2、Profibus-DP基本特征(1)速率:在一个有着32个站点的分布系统中,PROFIBUS-DP对所有站点传送512 bit/s输入和
20、512 bit/s输出,在12M bit/s时只需1毫秒。(2)诊断功能:经过扩展的PROFIBUS-DP诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级:a.本站诊断操作:本站设备的一般操作状态,如温度过高、压力过低。b.模块诊断操作:一个站点的某具体I/O模块故障。c.通道诊断操作:一个单独输入/输出位的故障。3、Profibus-DP设备类型和系统配置(1)1类DP主站1类DP主站(DPM 1)是系统的中央控制器,DMP 1在预定的周期内与分布式的站(如DP从站)循环地交换信息,并对总线通信进行控制和管理。DPM1可以发送参数给从站,读取DP从站的诊断信息,用G
21、lobal Control(全局控制)命令将它的运行状态告知给各DP从站。此外,还可以将控制命令发送给个别从站或从站组,以实现输出数据和输入数据的同步。下列设备可以做1类DP主站:a.集成了DP接口的PLC,如CPU315-2DP和CPU313C-2DP等。b.没有集成DP接口的CPU加上DP主站功能的通信处理器(CP)。c.插有PROFIBUS网卡的PC,如WinAC控制器,用软件功能选择PC做1类主站或是做编程监控的2类主站,可以使用CP5411,CP5511和CP5611等网卡。d.IE/PB链路模块。e.ET200/ETZOOX的主站模块。(2)2类DP主站2类DP主站(DPM2)是D
22、P网络中的编程、诊断和管理设备。DPM2除了具有1类主站的功能外,在与I类DP主站进行数据通信的同时,可以读取DP从站的输入/输出数据和当前的组态数据,可以给DP从站分配新的总线地址。下列设备可以做DPM2。a.以PC为硬件平台的2类主站。PC加PROFIBUS网卡可做2类主站。西门子公司为其自动化产品设计了专用的编程设备。不过现在一般都用通用的PC和STEP 7编程软件来做编程设备,用PC和WinCC组态软件做监控操作站。b.操作员面板/触摸屏(OP/TP)。操作员面板用于操作人员对系统的控制和操作,如参数的设置与修改、设备的启动和停机及在线监视设备的运行状态等。有触摸按键的操作员面板俗称触
23、摸屏,它们在工业控制中得到了广泛的应用。西门子公司提供了不同大小和功能的TP和OP供用户选用。(3)DP从站DP从站是进行输入信息采集和输出信息发送的外围设备,它只与组态它的DP主站交换用户数据,可以向该主站报告本地诊断中断和过程中断。a.分布式I/O。分布式I/O(非智能型I/O)没有程序储存和程序执行功能。通信适配器用来接收主站的指令,按主站指令驱动I/O,并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分布式I/O由主站统一编址,对主站编程时使用分布式I/O与使用主站的I/O没有什么区别。ET200是西门子的分布式I/O,有ET200M/B/L/X/S/is/eco/R等多种类型。它们都有
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