基于S7300程控器的傾動式保溫爐系統(tǒng)設計.doc

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1、 江 西 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）開 題 報 告 機電學院 自動化專業(yè) 07級（ 屆） 一 班 學號 25 學生 嚴學明 題 目：基于S7-300程控器的傾動式保溫爐系統(tǒng)設計 本課題來源及研究現(xiàn)狀： 本課題來源 本課題以中國鋁業(yè)某分公司的鋁水保溫爐系統(tǒng)為背景，該系統(tǒng)負責整個工 業(yè) 生產(chǎn)流程中的鋁水保溫和控制鑄造速度的快慢。此公司有兩臺傾動式保溫爐，爐體采用10mm鋼板﹙Q235－A﹚及軋制型鋼焊接而成，整個爐殼是一個網(wǎng)絡狀加固剛體，爐子后墻設置兩個高強度的回轉(zhuǎn)支座，具有足夠的靈活性和同心度，側(cè)面安裝兩個重型液壓缸，行程可使爐

2、體沿一個方向最大傾翻27.5。 本傾動式保溫爐控制系統(tǒng)按照安全可靠、經(jīng)濟高效、人機和諧、優(yōu)化管理的方針進行設計。利用先進的計算機網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場保溫爐系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行，運程各種操作站的信息融合、集中監(jiān)控，提高控制系統(tǒng)的自動化水平和管理水平。 研究現(xiàn)狀 傾動式保溫爐是冶煉、化工、鑄造等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的能源保護設備。拿工業(yè)鋁水保溫爐來說，熔煉爐中剛出來的鋁水是不能直接拿去鑄造的，根據(jù)鑄造的各項要求必須保證流入鑄造的鋁水大小是一定的，否則出來的都成廢品。保溫爐在此過程中不僅起到保溫防止爐水硬化，而且使得鋁水的流量大小恒定的流入鑄造流口。由此可見，保溫爐的地位在工業(yè)生產(chǎn)中是舉足輕

3、重的。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，生產(chǎn)設備的不斷創(chuàng)新，做為工業(yè)領域鑄造前提的核心設備，保溫爐也向著大容量、高效率、全自動發(fā)展。為確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，提高管理水平，保溫爐設備的控制系統(tǒng)顯得愈加重要。 保溫爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要能源保護設備。爐體耗能巨大，我國每年就生產(chǎn)金屬的產(chǎn)量都以百億為單位，而這些金屬在冶煉的過程中都必須經(jīng)過保溫爐，保溫爐是通過燃燒重油類物質(zhì)從而達到爐內(nèi)溫度恒定的設備。由此可見，提高保溫爐的計算機控制水平不僅具有客觀的經(jīng)濟效益，還具有重要的環(huán)保意義。但是我國目前運行的大多數(shù)保溫爐系統(tǒng)控制水平不高，效率明顯低于發(fā)達國家，操作工人水平參差不齊，經(jīng)常憑借經(jīng)驗和感覺去操作，長期使

4、得保溫爐體處于高消耗、低安全、環(huán)境污染嚴重的狀況。 隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，自動化控制水平越來越高，用戶對保溫爐系統(tǒng)控制系統(tǒng)的工作效率要求也越來越高，為了提高保溫爐的工作效率，減少對環(huán)境的污染問題，所有利用計算機與組態(tài)軟件技術(shù)對傾動式保溫爐的工作過程進行自動控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：其一，通過對保溫爐燃燒系統(tǒng)進行有效控制，使燃燒在合理的空燃比條件下進行，可以提高燃燒效率，減少能源。其二，保溫爐的傾動速度是根據(jù)鑄造快慢來調(diào)節(jié)的，利用計算機控制可以提高其傾動速度的精度，達到嚴格的工藝要求。其三，保溫爐控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面使運行參數(shù)在CRT上的集中監(jiān)測，操作人

5、員在監(jiān)控計算機上根據(jù)控制效果及時修改運行參數(shù)，這樣能有效減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術(shù)應用的普及、可靠性的提高及價格的下降，工業(yè)保溫爐的微機控制必將得到更加廣泛的應用。保溫爐做為工業(yè)生產(chǎn)的重要設備，其工作的各個主要參數(shù)必須嚴格控制，保溫爐是一個多輸入、多輸出的復雜控制對象，這些輸入變量和輸出變量是相互關聯(lián)的。例如在鋁液保溫爐中，如果爐體溫度發(fā)生變化，必將引起鋁水溫度和爐膛壓力等的變化；供風系統(tǒng)的不平衡也影響爐溫和爐壓的變化；爐體內(nèi)油量的供應大小不僅影響爐體溫度，而且影響鋁水溫度和爐膛壓力的大小。 研究意義（可選項） 自改革開放以來，我國經(jīng)濟每年突

6、飛猛進，中國已成為世界上最具有發(fā)展?jié)摿Φ慕?jīng)濟大國之一，中國的興起已成當今世界的熱門話題。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，帶動社會生產(chǎn)的發(fā)展，人類對資源的需求不斷增加，世界各國都在為解決能源緊張而帶給各行業(yè)的沖擊，都努力在研發(fā)能源的同時，致力于節(jié)能新方法的研究。 我國目前生產(chǎn)金屬及加工金屬的工廠之多，各類保溫爐數(shù)量之和亦龐大。由于各方面原因，目前，很多保溫爐設備陳舊，對工人勞動強度過大，而且存在保溫爐熱效率低的現(xiàn)象。降低能源消耗，把工人從頻繁的勞動中解放出來，促進文明生產(chǎn)，保溫爐實現(xiàn)自動控制是以個急待解決的問題。若平均一臺保溫爐每天就按消耗100斤重油來計算，如果能提高效率1﹪，一臺保溫爐每年就可以節(jié)

7、約重油量365斤，約人民幣785元﹙4300／噸﹚，再算上各類保溫爐數(shù)目，此數(shù)據(jù)將不計其數(shù)，再說保溫爐平均每天的耗油量遠遠不至假設的數(shù)據(jù)。由此可見，經(jīng)濟效益是很明顯的。又對保溫爐燃燒系統(tǒng)進行改進，實現(xiàn)自動控制，在不需要人工干預的情況下，根據(jù)參數(shù)設定的大小隨時自動調(diào)節(jié)供油量、送風量及引風量，維持爐內(nèi)液體溫度、爐溫、爐膛壓力等的恒定，就有可能將保溫爐的熱效率提高5﹪以上。另外，使保溫爐達到經(jīng)濟燃燒狀態(tài)，還可以減少煙氣中的含塵量，使燃燒更加充分，減少對環(huán)境的污染。本課題根據(jù)該公司對鋁棒生產(chǎn)的實際情況，設計的集成自動化系統(tǒng)將現(xiàn)場的保溫爐控制運行和管理有機的良好結(jié)合，實現(xiàn)保溫爐系統(tǒng)安全的管理水平。該系統(tǒng)

8、代表著我國比較先進的保溫爐現(xiàn)場集成自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向和較高的管理水平，它不僅是一個科研任務，而且是把理論與實踐結(jié)合，開發(fā)出的一個真正的產(chǎn)品。對提高我國國民經(jīng)濟效益，促進國家工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展都有著重要的作用和意義。 課題研究目標、內(nèi)容、方法和手段： 研究目標 本課題的研究目標為傾動式保溫爐的控制系統(tǒng)。 研究內(nèi)容 根據(jù)該系統(tǒng)的功能，并結(jié)合實際情況本系統(tǒng)的研究內(nèi)容有以下幾個方面： 1.溫度控制：溫度控制為設備控制的核心，設有爐氣定溫控制和鋁液溫度串級控制兩種，兩種控制方式的切換設置為人工手動切換，切換操作在觸摸屏上進行。爐氣溫度控制是根據(jù)熱電偶采集到的溫度信號送入PLC中的模擬量輸

9、入模塊經(jīng)冷端補償，線性化處理，與給定溫度比較，經(jīng)PLD運算后，輸出電信號連續(xù)控制和調(diào)節(jié)燒熱負荷的大小，以達到溫度自動調(diào)節(jié)的目的；串級控制是由鋁液溫度熱電偶采集的溫度信號送入溫度控制模塊經(jīng)冷端補償，線性化處理，與給定值一起經(jīng)PLD運算，其結(jié)果與爐氣溫度熱電偶采集的溫度信號一起輸入到溫度控制模塊。經(jīng)處理后輸出信號連續(xù)控制和調(diào)節(jié)燃燒負荷的大小，達到溫度自動調(diào)節(jié)的目的。 2.爐膛壓力控制：爐壓控制是保證安全生產(chǎn)及節(jié)能的重要手段。在燃燒過程中，應使引風量和送風量想適應，保溫爐正常運行中，爐膛壓力應保持在微負狀況下，負壓過大，漏風嚴重，總的風量增加，煙氣熱量損失增大，不利于安全生產(chǎn)和環(huán)境衛(wèi)生。

10、爐壓控制是通過差壓變送器將采集的爐氣壓力信號轉(zhuǎn)換成4～20mA信號，送入PLC中的閉環(huán)控制模塊，經(jīng)PLD運算后輸出控制信號，控制排煙管道上的煙閘開口度，從而保證爐氣壓力在合理的范圍內(nèi)，保證正常燃燒工作。 3.吹掃控制：燃燒系統(tǒng)啟動后，PLC發(fā)出指令按設定的時間，以助燃風為介質(zhì)對爐膛空間進行吹掃﹙吹掃時間一般為3min﹚，置換掉爐內(nèi)可能殘存的燃料，保證安全點火；當爐溫大于760C和一個燒嘴處于正常燃燒狀況的情況下將不進行吹掃。 4.點火控制：由PLC檢測各有關參數(shù)，如爐頂是否超溫、爐壓是否超高限、助燃風壓和燃氣壓力是否低于底限等安全限制，并據(jù)此來判斷是否可以點火。若滿足條

11、件則啟動點火程序控制器，由點火程序控制器送電給點火變壓器，開始點火。若點火失敗后，即紫外線火檢探頭未檢測到火焰信號，則點火程序控制器迅速發(fā)出指令，自動關閉各安全電磁閥，實現(xiàn)熄火保護，同時發(fā)出聲光警示信號，提醒操作人員。查明原因后按下復位按鈕，由PLC重新發(fā)出啟動指令，重復執(zhí)行點火程序，整個點火過程的控制都是由點火程序控制器來實現(xiàn)的。 5.傾動控制：傾動控制采用連續(xù)控制，液壓缸分慢升、慢降、快升、快降四種工作狀態(tài)。安裝在流槽上方的激光測距裝置可以精確的測量流槽中鋁液液位，并將液位信號傳給PLC，PLC根據(jù)設定液面參數(shù)和工況，經(jīng)過PID計算，控制液壓泵站進油管路上的比例閥，通過調(diào)整比例

12、閥的開度使鋁液液面保持在一定穩(wěn)定的高度上。液位的控制精度為2mm。 6.傳動機械控制：傳動機械控制的功能是控制助燃風機、爐門提升電機、泵站電機等的啟／停以及電機過載等故障進行保護。其主要電氣元件選用SIEMENS產(chǎn)品及國內(nèi)合資企業(yè)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，這些器件與柜體一起構(gòu)成一馬達控制中心﹙MCC﹚。MCC控制回路接收PLC的DO模塊輸出指示，從而實現(xiàn)自動控制功能，電機的啟／停、各電磁閥的動作均通過PLC數(shù)字量I／O模塊實現(xiàn)。 研究方法和手段 本課題主要采用觀察法和文獻法進行研究。 設計（論文）提綱及進度安排： 論文提綱： 摘要 英文摘要 第一章 緒論 1.

13、1 保溫爐控制系統(tǒng)現(xiàn)狀 1.2 選題的背景和意義 第二章 傾動式保溫爐控制系統(tǒng)總體簡介 2.1 PID控制算法簡介 2.2 傾動式保溫爐控制系統(tǒng)組成 2.2.1燃燒系統(tǒng) 2.2.2 排煙系統(tǒng) 2.2.3 爐壓控制系統(tǒng) 2.2.4 溫度檢測系統(tǒng) 2.2.5溜槽液位系統(tǒng) 2.2.6 液壓系統(tǒng) 2.3 傾動式保溫的自動調(diào)節(jié)任務 第三章 控制系統(tǒng)下位機的設計 3.1 PLC軟件介紹 3.1.1 模塊式PLC的基

14、本結(jié)構(gòu) 3.1.2 PLC的特點 3.2 STEP7軟件簡介 3.3 系統(tǒng)控制所用的功能塊 3.4 傾動式保溫爐控制系統(tǒng)的硬件組態(tài) 3.5 控制系統(tǒng)I／O點及地址分配 3.6電氣控制系統(tǒng)原理圖 3.6.1 保溫爐電機供電系統(tǒng)圖 3.6.2 主控制柜及傾爐操作系統(tǒng)圖 3.6.3 燒嘴點火控制器電氣圖 3.6.4 PLC及機架模塊電氣原理圖 3.7 系統(tǒng)下位機控制子程序 3.8 保溫爐控制系統(tǒng)流程圖 第四章 控制系統(tǒng)上位機設計 4.1 WINCC軟件簡介

15、 4.2 WINCC的系統(tǒng)組成與功能 4.3 WINCC的特點 4.4 項目組態(tài) 4.5 系統(tǒng)監(jiān)視軟件界面設計 第五章 系統(tǒng)的抗干擾性設計 5.1 PLC系統(tǒng)的抗干擾性 5.2 PLC控制系統(tǒng)的干擾源及分類 5.3 PLC控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源 5.3.1 空間的輻射干擾 5.3.2 系統(tǒng)外引線的干擾 5.3.3 PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾 5.4 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾性設計 5.5 控制系統(tǒng)的主要抗干擾

16、措施 第六章 總結(jié)與致謝 6.1 總結(jié) 6.2 致謝 參考文獻 附錄﹙部分程序﹚ 進度安排： 第六周：研究溫度控制和爐膛壓力控制方式。 第七周：研究供風系統(tǒng)和點火控制系統(tǒng)。 第八周：對本系統(tǒng)所需的各電器元件、管道和液壓系統(tǒng)進行研究。 第九周：研究系統(tǒng)總電氣原理圖和控制流程圖。 第十周：對以上各研究進行總結(jié)，寫好報告，并不斷晚善。 主要參考文獻和書目： [1]蔣慰．孫愈全．過程控制工程．北京：中國石化出版社，1999．8 [2]翁維勤．孫洪程．過程控制系統(tǒng)及工程．北京：化學工業(yè)出版社，2002．7 [3]

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