小车停止点。
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A
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图二 小车上料速度—时间图 n:速度，t：时间
高炉上料系统主要设备的应用 在高炉上料自动系统中，发挥着主要作用的设备有变频器、PLC、卷扬机。下面 对这三样器件做简单的功能介绍和在上料自动控制系统中发挥的作用。 A.变频器的应用 近年来，随着计算机技术和电子电力器件的迅速发展，电气传动和自动控制领 域日新月异。其中，具有代表性的是交流变频调速装置获得了日益广泛的应用，它 与传统的交流绕线异步电动机转子串电阻调速系统相比，具有如下特点： （1）.启动电流小、启动转矩大、机械特性好、调速范围广、平滑性好。 （2）.矢量控制技术使得速度控制的精度大大提高，动态响应特性越来越好。 （3）.内置 PID 调节器，能够极为方便的构成闭环控制系统。 （4）.具有极强的自诊断和保护功能。能够对短路、过电流、过热、过电压、 欠电压、接地等故障进行快速、有效的诊断和保护。 （5）.具有 RS232C 接口，能够实现与计算机、PLC 之间的通讯，构成集散型控
图一 小车上料的系统组成和工艺及创新 随着钢铁冶金行业的飞速发展，生产过程自动化的要求越来越高，但受到投资 规模和高炉上料系统场地的限制，不少在大型高炉上已经成功应用的上料工艺与设 备难以应用。而上料系统操作人员的劳动强度大，粉尘污染较为严重。因此只有提 高我国高炉上料工艺设备，特别是大量中型高炉上料工艺设备才能提高钢铁生产过 程中上料、卸料的效率，从而提高了生产能力。 1.其系统组成及工作过程如下： 料车上料机主要由斜桥、料车、卷扬机 3 部分组成。
河北联合大学 本科生毕业设计开题报告
题目： 高炉上料小车自动控制系统
学 专 班 姓 学
院： 业： 级： 名： 号：
电气工程学院 自动化 10 电 2 张金山 201001010226 王福斌 宋占贤
指导教师： 企业导师：
2014 年
3月
4日
一、选题背景 我的毕业设计课题是针对正在实施的 1080m³高炉上料小车进行软硬件设计、部 分参与设备的生产、检验、安装和现场的调试，编制高炉上料小车的自动化控制软 件。 1.高炉上料自动化的意义 钢铁是现代社会最重要的原材料之一,钢铁工业是国家的支柱产业之一,钢铁的 产量和质量是一个国家发达程度和经济实力的重要标志,全世界对钢铁的需求量和 钢铁的产量都随着经济的发展在不断增加,高炉是钢铁厂利用铁矿石作原料生产铁 水的主要设备,而铁水是转炉炼钢的主要原料,因此高炉也是钢铁联合企业生产线中 最重要的基础设备,高炉生产的优劣直接关系到钢铁联合企业的炼钢生产。由于高炉 在钢铁厂处于喉舌位置,需及时和稳定地供应合格的铁水,故其稳定工作是很重要 的。基于下列原因。 (1)工艺操作复杂，高炉生产需要正确的配料和及时装入炉内。保持煤气流与炉 料良好的接触，使炉料均匀下降,维持一定炉缸热状态,这些工艺要求人工操作时很 难达到。此外,高炉是密闭的,必须借助于许多检测仪表才能判断其内部情况,故自动 化是必不可少的。 (2)原料用量大,运输量大,且要按严格的配比和顺序装入,没有自动配料装料和 批重以及水分补正系统不仅耗费人力,且无法获得良好技术指标。 (3)设备要有高的运转率同时要长寿，例如要减少高炉的休风率,就得自动监视 设备状态,出现故障先兆时就设法排除。 因此,炼铁自动上料生产应用自动化已经成为必然趋势,它不仅是炼铁工业现代 化的标志,且投入产出比显著。 高炉上料装置是炼铁生产中的重要环节,提高其自动化水平,可以大大减轻工人 劳动强度,提高生产效率,同时通过原料的精确配比,又可提升产品的品质和质量。采 用传统的继电器控制方式可以实现对该装置的控制,但是体积大,故障率高,抗干扰 能力差,控制不精确,使用寿命较短。采用现代 PLC 技术控制高炉上料装置,可以克服 传统的继电控制系统的不足之处,使控制更精确,工作效率更高,可靠性更好,故障率 更低。 2.高炉上料小车和上料皮带的比较 现今有些高炉有采用皮带自动控制的上料和小车自动控制上料两种方式。对于 皮带上料方式，皮带上料能够满足持续的不断的上料，但是皮带上料运行时间长， 因此运行费用高。功耗大、占地大、投资多。设备成本也相对上料小车更高 小车上料方式的缺点是不能连续不断的将原料投入高炉当中，其中有一小段的 空余时间是没有小车往高炉内进料的。但上料小车具有较高的灵活性，对场地环境
斜桥上的料车行走轨道分为 3 段，料车按一定的速度图运行，料车在曲轨上运 行要求平稳，钢绳张力要求无急剧变化，禁止出现严重冲击现象，以免料车进入炉 内发生事故。 料车式上料机有足够的上料能力，能实现自动控制，并且运转可靠。 2.料车式上料机的结构特点（如图一） ： （1）工作过程中，2 个料车交替上料。当装满炉料的料车上升时，空料车下行， 空料车重量相当于一个平衡锤，平衡了重料车的车厢重量。这样，当上行和下行两 个料车用一个卷扬机拖动时，不但节省了拖动电机功率，而且，电机运转时，总有 一个重料车上行，没有空行程。从而，使得电动机始终处于电动状态运行，免去了 电动机处于发电运行状态所带来的种种问题。 （2）料车运动由卷扬机通过钢绳传动。当卷扬机反转时，空料车依靠自重返回， 另一个重料车上行，重料车上行到顶空料车下行到底。下料的动作完全依靠机械的 方式自动完成。 3.根据料车运动的工作过程，其工作特点是： (1).能够频繁启动、制动、停车、反向； (2).能按照设定的速度运行； (3).平稳启动—平稳运行—稳定运行—减速--平稳运行—平稳停车，过滤时间 段； (4).能够广泛的调速，范围为 0.20~2.05m/s；e.在进入曲轨即离开斜坑时不能 有高速冲击，停车时稳定，精确定位，防止料车过头。 4.小车自动上料系统属于自动控制与手动控制相结合的系统。 手动：通过按钮控制其运行和停止，主要用于检修。 自动：由主令控制器和 PLC 联合控制变频器按照设定的速度曲线运行。因此， 由主令控制器和 PLC 联合控制变频器具有故障保护，控制设备一备一用。 上行或是下行料车用一个电动机拖动，电动机正传，左料车（满车）上行，右 料车下行；电动机反转，右料车（满车）上行，左料车下行。 为保证小车停车装料及下料正确，小车分为多段速度运行。各个变速点采用行 程开关进行检测。 各个信号进入 PLC， 由 PLC 对整个小车的装料、 下料过程进行控制， 大大提高了上料系统的自动化控制水平。 5.上料小车运行分析 料车在斜桥上的运动分为启动、加速、稳定运行、减速、倾翻和制动六个阶段。 在实际生产中料车卷扬机一般有 3 档速度控制 1 次加速， 2 次减速， 如下图所示， OA 为料车启动并以等加速度加速到最大速度的加速段；AB 为料车高速运行段；BC 为 料车的一次减速段；CD 为料车的中速运行段；DE 为料车的二次减速段。E 点为上料
变频器在上料系统优点总结 在高炉上料的电气传动中，应用变频调速控制系统，能够较好地改善异步电动 机串电阻调速系统的能，可以较好地解决由于频繁地可逆起停切换运行对转子集电 环、电刷的磨损大、附加电阻上的能量损耗大、功率因数较低，电动机的机械特性 变软、电动机在起动和切换附加电阻时仍有较大的冲击电流、调试繁琐和维护困难 等一系列问题。电动机采用变频调速后，尽管在低频起动运行时电动机的输出转矩 会有所降低，但仍比转子绕组中串电阻方式起动时的机械特性硬。根据需要可适当 地加入转矩提升功能。在应用中，只要注意机械制动器打开的时刻同最低运行频率 及转矩电流的建立相配合，则完全能够胜任大起动转矩的负载特性要求。起车平稳 无冲击电流，停车准确无冲程。机械设备和机械制动器的磨损小、钢丝绳使用寿命 延长，滚筒紧钢丝绳工作的周期延长。线路行程开关由转子绕组串电阻的7对减少了 3对，简化了控制，减少了对行程开关调试工作量，降低了成本。采用变频调速时， 由于加减速时间的延长使得比转子绕组串电阻工作方式时间上增加约10％，但并不 影响输送原料的总节奏。采用变频调速后，缓慢的起车和平稳的停车，减少了对机 械的冲击；同时，通过对变频器参数的设定，能自动检测电动机定子给定频率和转 子实际频率之差，在可能出现溜车和掉轨现象之前，能够在1~2s时间内及时地通过 机械制动器给予停车保护，在实际的模拟试车中证明是行之有效的。 综上所述，在高炉上料的电气传动中，由于变频调速控制系统具有电动机参数 自识别、参数自适应，自动调节等功能，因此调试方便，保护功能齐全，安全可靠。 B.PLC 的应用 PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为 基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器， 定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类 可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算 术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生 产过程.PLC 是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面 有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用 可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数 和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。 在小车自动上料系统中，使用 PLC 与变频器提高了设备的可靠运行和自动化程
没有较高的要求，而且小车占地面积小，设备成本地，功耗相对于皮带上料也小很 多。 在 1080m³高炉建设项目中采用的则是小车上料的自动控制系统。 3.高炉上料自动化技术的现状 自动化包括:基础自动化、过程自动化、管理自动化三级,其中基础自动化是生 产过程自动化中最底层，最基础的部分,由各种电子液压气动控制装置组成,承担各 种生产工艺参数的计量检测和设备控制。过程自动化指的是利用计算机技术,实现对 炼铁过程跟踪、生产过程控制等。管理自动化指的是对企业各种资源进行有效管理 等。高炉上料自动控制系统所涉及的自动化为基础自动化。国内钢铁行业装备的基 础自动化己经达到了较高的水平,根据中国钢铁协会统计,我国 100%的高炉都实现了 基础自动化。PLC、IPC、DCS 等信息化装备已经被广泛应用于单一装备的控制当中。 高炉上料小车自动化系统主要由电气控制、仪表控制、计算机三部分组成(称为 三电系统 EIC),其功能分配如下: (l)计算机是整个自动控制系统的人机界面,通过通讯装置采集生产数据,对生 产工艺数据进行显示、加工处理、输出控制命令等; (2)仪表系统是对高炉生产过程中的各种参数(压力、温度、流量、物位、成分 等)进行检测与控制,以及进行主、副原料、铁合金等物理量的称量; (3)电气系统用于对各执行元件(各种阀站，输送皮带等)进行动作控制,并实现 原料装入顺序控制及各类安全连锁保护等。 小车上料的系统组成和工艺流程如图一所示。