【正文】 ................57 主要腳本程序 ..........................................................................................................59 畢業(yè)設計（論文）說明書 3 組態(tài)仿真 ...........................................................................................................................65 7 結論 ...................................................................................... 68 本設計完成的主要工作 ..................................................................................................68 優(yōu)化設計可以進行的工作 ..............................................................................................68 設計心得 ...........................................................................................................................69 致 謝 ......................................................................................... 70 參 考 文 獻 .............................................................................. 71 畢業(yè)設計（論文）說明書 4 1 緒 論 選題意義 及 課題來源 目前我國經濟正處于高速發(fā)展階段，鋼材的市場需求也平穩(wěn)增長，鋼鐵產品依然呈現供不應求態(tài)勢，導致價格連續(xù)上漲，企業(yè)銷 售收入、利潤等指標大幅提高。 目前 我國鋼鐵行業(yè)的高爐循環(huán)水泵房低壓冷卻水泵系統(tǒng)采用的大部分都是人工控制，這造成了大量的人力物力以及水資源和電能的浪費，這與國家十一五規(guī)劃的節(jié)能降耗相悖甚遠。 滄州縱橫 四個 高爐建成于 60 年代 ， 整個高爐系統(tǒng)已經不能滿足當前自動化發(fā)展的需要， 為提高高爐 的效率，準備對滄州縱橫 1高爐進行重建 。 國內外現狀簡介 PLC 在高爐中的應用 在煉鐵高爐生產過程中應用可編程序控制器 (簡稱 PLC)進行電氣控制和儀表檢測系統(tǒng)的改造已 經十分普遍，但是通常只進行單個系統(tǒng)上如上料系統(tǒng)或熱風爐系統(tǒng)的控制 ，或者一座高爐部分的改造 控制 。高爐控制系統(tǒng)規(guī)模由原來單獨一個系統(tǒng)控制， 發(fā)展到包括槽下上料、爐頂裝 料、高爐本體、熱風爐、煤氣除塵、煤粉噴吹等高爐全套控 ，并實現各系統(tǒng)之間互相通訊，多座高爐聯(lián)網，實現系統(tǒng)冗余、數據共享，系統(tǒng)整理并統(tǒng)計生產數據，從而為實現高爐生產過程控制和生產管理自動化提供有力的系統(tǒng)支持。影響整個高爐系統(tǒng)的效率，并且造成一定的能源和資源的浪費。 為了降低小型泵站運行費用，提高小型泵站的自動化程度，根據小型泵站的運行工藝特點，采用可編程序控制器（ PLC）進行控制，通過設定運行程序對整座泵站進行運行和監(jiān)控，實現半無人值守或無人值守。 目前國內對小型泵站自動化的研究還處于起步階段，尤其對高爐爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的研究設計還剛剛開始。將國內外對小型泵站的研究的 成果和技術方案轉化到高爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中。通過本次設計要探索出一種 小型泵站的 PLC 自動控制方法，得出性價比 較高的控制器選型方案，得出合理的軟硬件設計方案。 本次設計的主要工作 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是整個煉鋼高爐的重要環(huán)節(jié) ， 由管道設備及水泵和控制電路按一定的組織方式所構成， 原 滄州縱橫 1高爐冷卻 水循環(huán) 系統(tǒng)水源畢業(yè)設計（論文）說明書 6 為地 表水，冷卻對象主要為高爐冷卻壁，其冷卻強度對高爐 壽命起著決定性的作用?？紤]到原供水方式已暴露出如上很多弊端，且無事故供水措施，嚴重制約了煉鐵廠生產的發(fā)展和經濟效益的提高 。 系統(tǒng) 從水池中抽水，通過管道傳輸，利用對壓力、流量、電流等參數的檢測來決定泵站的水泵的 控制策略 和各個泵站間的切換。 根據實際工程中工藝參數的要求，設計出泵站控制系統(tǒng)的軟硬件結構，可編程控制器做為整個系統(tǒng)的中心，完成對泵站內各泵啟動、停止的控制、上傳本站運行情況至上位 機 和上位機對本站的控制 。整個泵站系統(tǒng)相對于人工控制系統(tǒng)在可靠性、實時性有很大的提高。 畢業(yè)設計（論文）說明書 7 2 系統(tǒng)工作原理 控制系統(tǒng)要求 控制系統(tǒng)功能要求 本次設計應實現：滄州縱橫 1高爐的實時性和可靠性要求；無人值守系統(tǒng)能正常運行，滿足系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等工藝參數要求；系統(tǒng)可靠性高，故障自動排除；泵站內的各泵采用互備技術，任何一個泵出故障都不影響系統(tǒng)正常工作；泵站系統(tǒng)的過載檢測、故障實時報警，并實現故障緊急處理避免危險情況的發(fā)生；系統(tǒng)的可維護性強，發(fā)生故障能迅速定位，出現故障能快速修復；整個設計合理切合工程實際，便于施工且性價比 合理。系統(tǒng)的通信總線采用 RS485總線。本地設備通過報警檢測，系統(tǒng)應具有一定的自診斷能力，能實現 部分故障的自我修復，對于不能修復的故障，應能迅速指示出故障所在處，以便檢修人員能迅速的對故障做出處理。 （ 2）冷卻爐壁的壓力不低于 ；冷卻出水溫度 ≤40℃ 。 （ 4） 設置事故 泵站 及事故水泵，確保安全供水 。水資源循環(huán)利用，電能節(jié)約利用，降低能耗提高效率，不給環(huán)境造成不良影響。高爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的設計，必須從全局出發(fā)，工藝參數、工程特點和高爐的實際條件，結合國情合理地確定設計方案；必須堅持節(jié)約用地的原則；同時還應符合現行的國家有關標準和規(guī)范的規(guī)定。通訊和組態(tài)也采用統(tǒng)一的標準，確保整個系統(tǒng)兼容性強，擴充改造方便。對流過空氣開關的電流進行檢測，防止出現大電流。當系統(tǒng)發(fā)生大電流時，系統(tǒng)發(fā)生報警，比對上位機發(fā) 出信號，請求關閉當前泵站，啟動其他泵站，待上位機回復確認信息后 系統(tǒng)關閉。利用流量檢測來去定水泵中是否有水流過，如有流量則該泵啟動正常，如果沒有則該泵啟動異常，需要啟動備用泵。整個工廠的控制層能獲得系統(tǒng)的所有信息，有利于工廠的統(tǒng)一管理和資源的統(tǒng)一分配利用?？梢栽O定系統(tǒng)的各個參數，保證系統(tǒng)的安全可靠運行，實現冷卻系統(tǒng)的不間斷供水循環(huán)。 表 21 常見故障及處理方法 可能出現的報警指示 解決辦法 上電后系統(tǒng)不工作，且無指示 檢查電源 泵起異常指示燈亮 檢查該泵及其相關電路是否正常 溫度過高指示燈亮 換用其他泵站或給站水循環(huán)系統(tǒng)加冷水 液位過低指示燈亮 換用其他泵站或給站水循環(huán)系統(tǒng)加水 電流過大報警 逐個關閉水泵并換用其他泵站 系統(tǒng)控制方案的確定 方案概述 根據工廠的規(guī)劃擬采用三個泵站對工廠冷卻系統(tǒng)供水，本設計只是對其中的一個進行設計。故障水泵的要求，設計本身采用的是各個泵之間的互備技術，任何情況下每個泵都有一個或兩個泵作為其他泵的備份，個泵循環(huán)作為備用泵，確保不會因為長時間不用損壞而不能起到備用的可靠性，互備技術不用一對一的給各個泵做備份，節(jié)約了成本，也減輕了控制系統(tǒng)的負擔。 方案（ 1） 采用模擬量的 PLC 控制變頻調速方案 采用電動機調速裝置與 PLC 構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制 ,完成供水壓力的恒定控制，在管網流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。 通過安裝在管網上的壓力傳感器，把水壓轉換成 4～ 20mA 的模擬信號，通過變頻器內置的 PID 控制器，來改變電動水泵轉速。 工作流程是利用設置在管網上的壓力傳感器將管網系統(tǒng)內因用水量的變化引起的水壓變化，及時將信號（ 420mA 或 010V）反饋 PID 調節(jié)器， PID 調節(jié)器對比設定控制壓力進行運算后給出相應的變頻指令，改變水泵的運行或轉速，使得管網的水壓與控制壓力一致。 ，不利于施工和后期維護。 ，當受到強干擾的的是緊急應對能力弱。 PLC是以控制開關量起家的，采用循環(huán)掃描方式，為了不丟失輸入信號，要求循環(huán)掃描周期短，這就使得在 PLC 中配置的處理器性能好，速度快。后來發(fā)現處理好不同性質的實時多任務的調度，在 PLC 中加入針對慢連續(xù)量的過程控制并不困難。通過對檢測壓力對泵的開啟進行控制，達到穩(wěn)定冷卻爐輸入部分壓力的穩(wěn)定。系統(tǒng)的框圖如 圖 21 所示。 ，初期投入少，系統(tǒng)的性價比高。 ，可以實現無人值守，節(jié)約了人力物力。綜合考慮方案 I 和方案 II 并結合高爐的實際情況決定采用方 案 （ 2） 。系統(tǒng)的被控對象為：冷卻爐內的水壓，系統(tǒng)的控制器為： PLC， 畢業(yè)設計（論文）說明書 12 系統(tǒng)的檢測單元為：壓力檢測部分、電流檢測部分、流量檢測部分和電流檢測部分，系統(tǒng)的執(zhí)行機構為：四個泵，系統(tǒng)的控制方式為 PLC 開關量控制， 系統(tǒng)的整體結構圖 21。本系統(tǒng)的被控對象為冷卻爐，冷卻爐為整個高爐的冷卻系統(tǒng)，為高爐煉鋼做保證，被控對象為冷卻爐內的水壓。系統(tǒng)的控制器為 PLC， PLC 是整個系統(tǒng)的核心部分，由 PLC 來控制各個泵的啟停， 保證給水壓的提供。系統(tǒng)的執(zhí)行機構為泵和閥，通過泵和閥來改變壓力。系統(tǒng)由以上部分組成閉環(huán)，由于系統(tǒng)本身特性，系統(tǒng)為有差系統(tǒng)。當系統(tǒng)上電啟動后首先有壓力給定，然后系統(tǒng)啟動三個泵，五分鐘延遲后系統(tǒng)檢測壓力回饋信號，決定采用什么控制策略，再等五分鐘后系統(tǒng)根據壓力回饋決定采用該策略是否能滿足壓力要求。 圖 22 系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng) 主要 工作流程 當系統(tǒng) 啟動后，首先有 PLC 對系統(tǒng)進行初始化。如果采用手動的控制方式，則系統(tǒng)等待輸入各個泵的啟動信號，由于系統(tǒng)的 特性，最多需要啟動三個泵就能滿足水壓的要求，所以手動操作時最多只需要啟動三個泵，留一個作為備用。如果五分鐘檢測的時候壓力沒有達到上限，則采用三用一備壓 力 設 定P L C繼 電 器 泵閥流 量 檢 測壓 力 檢 測冷 卻 爐 壁 壓 力 畢業(yè)設計（論文）說明書 14 的控制策略。采用兩備兩用的控制策略時系統(tǒng)采用 兩備兩用的工作流程倒泵，各泵之間會為備份。對這兩部分的設計要相互結合， 也要和 系統(tǒng)的 軟 件設計時要相互結合，這樣系統(tǒng)才設計出最佳的配置。 系統(tǒng)的硬件之間之間相互配合工作，電氣部分為系統(tǒng)提供控制信息 和電能，流體機械部分將電能轉化為機械能，并將將機械能傳遞給水，以壓力的形式表現出來，機械流體部分又受到電氣信息部分 的控制，使系統(tǒng)資源配置在最佳狀態(tài) ，對于系統(tǒng)的硬件在設計上要求可靠性高，性價比合理。 圖 31 系統(tǒng)硬件組合圖 系統(tǒng)機械流體部分 組成 系統(tǒng)機械流體部分主要包括泵、管道和閥門等設備， 系統(tǒng)的管道直徑和閥的選擇有機械設計人員完成，本設計 只對泵 的流量和揚程進行簡單的計算，便于將來做電流檢測報警時電流的計算和其他設備的選型。 根據滄州縱橫 1高爐項目 整個工程要求 要求， PLC 應采用三菱公司的產品，便于系統(tǒng)的聯(lián)網。經查相關資料可知：冷卻爐阻力約為 30kPa； 目前設計中冷水管路的比摩組宜控制在 150~200Pa/m 范圍內，管道的總長度在 30m 左右，則管路阻力約為 6kPa； 閥的阻力約為 4kPa；水泵揚程應 取 10%的安全系數。 390kPa壓力可以換算為 33m 水柱高度，加上高爐高度，則系統(tǒng)的揚程最少應為47m，考慮到系統(tǒng)的安全性對揚程留 10%的冗余，則每個泵最終的揚程應為 52m。 擬選用的元件 根據系統(tǒng)的要求每個泵的流量為 40m3/h，揚程為 52m，系統(tǒng)為高爐供水，根據這些特張系統(tǒng)應該 DL型多級泵。 主要 應用 于 市政供水及增壓 、 工廠供水 、 高層及住宅群的供水 、空調 采暖系統(tǒng)的冷凍 .冷卻循環(huán)供水 、消防噴淋系統(tǒng)的供水 尤其適合高層建筑分區(qū)消防供水 、 鍋爐給水及冷凝系統(tǒng) 。該泵的主要參數如下： 畢業(yè)設計（論文）說明書 17 流量 ： ~ 立方米 /時 揚程 ： ~ 米 功率 ： 15 千 瓦 備注 ： 轉速 1480，效率 70～ 71%，必需氣蝕余量 ～ 米，尺寸 (毫米 )H=1421， H2=302， H3=107+90 (N1)， H4=136， H5=45， A=405， B=480，C=280，螺栓 4－ Φ 28，重量 496Kg，進出口直徑 DN80。 PLC 控制部分的的設計 PLC 的 I/O 需求和分配 系統(tǒng)的 PLC 采用三菱公司的 FX2N 系列的產品， 系統(tǒng)的輸入對象主要有按鈕和 傳感器，系統(tǒng)的輸出對象主要是泵的啟動和關閉信號和 報警顯示。 減少了系統(tǒng)的硬件成本。 系統(tǒng)的 輸出 I/O 分配情況如表 31 所示。 系統(tǒng)的輸入點共用 15 個 I/O 口。 KM 為泵， YV 為閥， HL 為 指示燈， S