气动系统课程设计报告说明书

燕山大学课程设计（论文）任务书
小组分工及贡献
备注：为实现课程设计学习最优效果，本组实行主要负责、共同进行的工作方式。

每个人主要负责一部分内容，但每一项任务都由4人共同完成。

从而，更好的发挥团队力量，使每个人对项目有整体的了解，各方面
得到锻炼。

摘要
本项目名称为鼓风炉钟罩式加料装置气动系统程序控制，主要目的实现鼓风炉钟罩式加料装置的自动和手动控制。

从基础气压传动系统的设计开始，到电器控制和PLC控制的电-气控制的综合设计与实验。

通过对复杂多缸无障碍信号的设计与实现，最终完成了纯气动控制、电气控制和PLC程序控制的三种控制方法。

对实际工况下的执行元件进行计算选型，绘制了气动系统原理图和气缸装配图。

关键词加料装置、自动与手动、气压传动、电气控制、PLC控制
目录
小组分工及贡献 (2)
摘要 (4)
第1章绪论 (7)
1.1课题背景 (7)
1.2课题内容 (7)
第2章气动系统的设计 (8)
2.1明确工作要求 (8)
2.2设计气控回路 (8)
2.3选择、设计执行元件 (11)
2.4选择控制元件 (13)
2.5选择气控辅件 (13)
2.6确定管道直径、计算压力损失 (14)
2.7选择空压机 (15)
第3章实验方案、结果及分析 (16)
3.1实验方案 (16)
3.2电气及PLC控制 (16)
3.2.1电气控制 (16)
3.2.2 PLC控制 (19)
3.3综合比较 (26)
结论 (2)
心得 (4)
参考文献 (7)
第1章绪论
1.1 课题背景
鼓风炉是冶金设备中的竖炉。

鼓风炉是将含金属组分的炉料（矿石、烧结块或团矿）在鼓人空气或富氧空气的情况下进行熔炼，以获得锍或粗金属的竖式炉。

鼓风炉具有热效率高，单位生产率（床能力）大，金属回收率高，成本低，占地面积小等特点，是火法冶金的重要熔炼设备之一。

鼓风炉由炉基、炉底、炉缸、炉身、炉顶（包括加料装置）、支架、鼓风系统、水冷或汽化冷却系统、放出熔体装置和前床等部分组成。

1.2 课题内容
设计某厂鼓风炉钟罩式气动加料装置如图1所示，Z A、Z B分别为加料装置上、下部分两个料钟（顶料钟、底料钟），W A、W B分别为顶、底料钟的配重。

在配种的作用下，料钟平时均处于关闭状态。

在装置外部的适当部位（图1b）安装两只气缸，它和配种配合分别用以操纵顶、底料钟的开和闭。

二台鼓风炉加料装置共用一个气源。

图1 鼓风炉加热装置示意图
第2章气动系统的设计
2.1 明确工作要求
1）工作要求具有自动与手动加料两种方式。

自动加料：加料时，吊车把物料运来，顶钟Z A开启卸料于两钟之间；然后延时发信号，使顶钟关闭；底钟打开，卸料到炉内，再延时（卸完料）关闭底钟，循环结束。

顶、底料钟开闭动作必须联锁，可全部关闭但不许同时打开。

2）运动要求料钟开或闭一次的时间t≤6s，缸行程s均为600mm。

所以气缸活塞杆平均速度
V=s/t=600/6mm/s=100mm/s=0.1m/s
(2-1)
要求行程末端平缓些。

3）动作时，顶部料钟和底部料钟被打开时所需克服的阻力（包括配种的阻力在内）分别为F ZA≤5.10×103N和F ZB≤2.10×104N；两料钟的关闭和气缸的复位靠配种实现。

4）工作环境环境温度30～40℃，灰尘较多。

2.2 设计气控回路
2.2.1 列出气动执行元件的动作程序及程序循环图：
2.2.2 画X-D 状态线图（图2） 为消除由a 0信号线长于其所控制的B 0动
作线引起的障碍，采用单记忆逻辑元件K 10a b ，使实际执行信号变为a 0*（B 0）=K 1
0a b 。

2.2.3 画逻辑原理图（图3） 为实现手动、自动两种控制方式，图中增设了手动信号发生器S 。

2.2.4
1和YA 2为延时换向阀（常
断延时接通型），由其延时推动主控阀QF A和QF B动作。

两缸的动作由QF A和QF B控制，配种在汽缸返程中起作用。

2.3 选择、设计执行元件
（1）系统压力和执行元件类型本系统为一般的气动系统，故选系统压力为0.4Mpa。

执行元件用气缸，但由于炉体结构所限，料钟中心线上下不便安装；料钟开闭行程较小及安全性要求，拟采用尾部单耳环支撑单杆双作用气缸，并用配种和摆动机构传动和封闭料钟。

为实现料钟的平稳开闭，宜采用缓冲式气缸。

（2）执行元件主要规格的确定
内径D 顶钟气缸D A，取ηF=0.7，则
D A =7
.0104.014.3101.5433
⨯⨯⨯⨯⨯=0.152 m (2-2)
底钟气缸D B ，因结构布置限制，采用内缩为工作行程（图1b ），进气腔为有杆腔。

此时
D B =φF
p F ηπmax 4 (2-3) φ=2
)/(11D d - (2-4) φ取值一般为1.01~1.09，今因缸径较大，取较小φ=1.03，则
D B =1.037
.0104.014.3101.2463
⨯⨯⨯⨯⨯=0.318m (2-5)
行程S ：据动作要求并考虑两端余量取标准S=600mm 。

查气动执行元件样本，取用JB 系列缓冲气缸，其中顶钟气缸为JB160×600-S ；底钟气缸为JB320×600-S （活塞杆直径为φ90）。

（3）系统耗气量计算 在设备的一个工作周期内，由压缩空气推动活塞并打开料钟的单行程次数缸A 和缸B 各为一次（回程靠配种不消耗压缩空气），故两缸的压缩空气耗量为
q VA =4
πD 2V A t S η=(3.14×0.162×0.6)/4×6×0.9=2.23×10-3m 3/s (2-6)
q VB =4
π(D 2-d 2) V B t S η= =(3.14×(0.322-0.092)×0.6)/4×6×0.9=2.23×10-3m 3/s (2-7)
式中：q VA 、q VB 为A 缸、B 缸工作行程中的压缩空气耗量（m 3/s ）；t A 、t B 为气缸A 、B 单行程时间（s ）；ηV 为气缸的容积效率，取ηV =0.9。

两缸的自由空气耗量q ZA 、q ZB 为
q ZA =（2.23×10-3×（0.4-0.1013））/0.1013=11.04×10-3m 3/s
(2-8)
q ZB =（8.23×10-3×（0.4+0.1013））/0.1013=40.73×10-3m 3/s
(2-9)
整个系统（一台设备）在一个工作周期内的平均自由空气耗气量
q Z =
T t q t q B ZB A ZA )(+=626210)673.40604.11(3⨯+⨯⨯⨯+⨯-=12.94×10-3m 3/s
(2-10) 2.4 选择控制元件
主控换向阀：QF A 采用23JQ b -L15，该阀通径φ15mm ，其额定流量为10 m 3/h ＞2.23×10-3m 3/s ；QF B 采用23JQ b -L25，该阀通径φ25mm ，其额定流量为30 m 3/h ＞8.23×10-3m 3/s 。

以上两阀均为截止式、双气控、管接式换向阀。

其他用于对主换向阀控制的各类阀，采用φ3~φ6mm 通径的相应类型的气阀，详述如下：
行程发讯器x 0：选用可通过式行程阀23JC4-L3；
行程发讯器a 0、a 1、b 0：均选用杠杆滚轮式行程阀23JC3-L3；
单记忆逻辑阀QF 1：因无两位三通双气控阀，故以二位五通双气控阀25Q 2-L6代用；
梭阀QF 2：选用S-L3；
手动发讯器S ：选用二位三通手动推拉式气阀23JR 5-L3；
手动气开关a ：选用二位三通手动按式气阀23JR 1-L3。

2.5 选择气控辅件
减压阀和其他辅件考虑两套系统用两套气源处理（减压阀）辅助元件，同时因每套系统中A 、B 两缸具有连锁动作的特点，系统流量消耗的最大值等于B 缸的平均流量q vB =8.23×10-3m 3/s=29.6 m 3/h ，故选用QTY-25减压阀（通径φ25mm ）和QSL-25型分水滤气器、QIU-25型油雾器。

在两只主控阀和气缸排气口，分别配以KXY-15和KXY-25型消声器。

如孔口螺纹尺寸和消声器不相配，应考虑制造过度接头。

2.6 确定管道直径、计算压力损失
（1）确定管径 按管道直径与气动元件通径相一致的原则，确定d 3=φ15mm ，d 4=φ25mm ，考虑到A 、B 两缸因连锁动作而不同时工作的特点，确定d 1= d 2=φ25mm 。

总气源管直径d t 应按两台炉子同时供气考虑，按流量连续性原理有
[]v d t 24
⨯π=[]v d 214⨯π+[]v d 22
4⨯π ([v]-允许流速) (2-11) d t =2
221d d +=222525+=35.4mm (2-12)
取标准管径d t =40mm 。

（2）验算压力损失 初步估算，取k Δp =1.3
∑∆2ξ
p =Δp b +Δp d +Δp g +Δp j
(2-13) 式中，Δp b 、Δp d 为流经分水滤气器、油雾器的压力损失；Δp g 、Δp j 为流经截止式换向阀和减压阀的压力损失。

为使系统气压（减压阀输出压力）稳定，减压阀输入、输出压力应有一定的差值，若此处取Δp j =0.1 Mpa ，其余元件的损失按表5-3取为Δp b =0.02 Mpa ，Δp d =0.015 Mpa ，Δp g =0.015 Mpa ，则
∑∆2ξp =0.1+0.02+0.015+0.015=0.15 Mpa
(2-14)
k Δp ∑∆2ξp =1.3×0.15 Mpa=0.195 Mpa
(2-15)
因此，供气压力p ≥0.4+0.195=0.595 Mpa ，取p=0.6 Mpa ，此值由贮气罐
处的压力继电器调定（也可由点接点压力表调定）。

若不算减压阀上压降，则
k Δp ∑∆2ξp =1.3×0.05=0.065＜[Δp ξ]=0.1 (2-16) 由此可见，系统压力损失可以为压缩机接受，一般也为规定值所允许。

如要精确知道管路系统压力损失，则可在确定管道布局的基础上，计算管系的沿程损失、局部损失，从而计算出包括元、辅件在内的系统压力损失。

2.7 选择空压机
由以上算得的一台设备两汽缸的自由空气耗气量运用公式便可算得驱动两台炉子气动系统的空气压缩机供气量q g （取φ=0.95、k 1=1.2、k 2=1.4）：
q g =0.95×1.2×1.4∑=21t z q
=0.95×1.2×1.4（12.94×10-3）×2
=41.3×10-3m 3/s
=2.48 m 3/min (2-16)
如无现成气源系统借用，则单独设置的气源中空压机可按供气压力p g ≥0.5MPa ，流量2.48 m 3/min 查有关产品样本。

今选用4S-2.4/7型压缩机，该空压机的额定排气压力为0.7 MPa ，额定排气量为2.48m 3/min 。

第3章实验方案、结果及分析
3.1 实验方案
在设计的气动回路基础上，为对系统有一个整体上的认识，设计项目的实验方案。

根据实验室条件和课程设计项目的性质，本项目制定了两种深一步的实验方案。

采用电气空气和PLC控制来实现系统的动作效果。

通过电气控制，了解继电器之间的互锁和信号之间障碍的排除，加深对电气系统在实际上应用的认识。

通过PLC系统的搭接和程序的编写，了解力士乐PLC实验台的应用以及工程上自动控制的优越性。

3.2电气及PLC控制
3.2.1电气控制
1）依据系统动作要求设计系统的控制电路图（图6）
动作顺序：
3.2.2PLC控制
在深入了解和分析鼓风炉钟罩式加料装置气动系统的动作要求和控制要求后，制定PLC程序编写的初步规划。

在深入了解PLC控制的硬件和软件后，制定本项目的相应硬件接口和软件编程方法。

硬件配置
1.首先打开应用程序，选择文件---新建----工程；
2.将L20的模块拖到新建的工程中（图7）；
图7 新建工程
3.出现如图8的对话框，依次继续；
4.点击新建，选择图示设备（如图9）；
图 8
5.将图示IP 地址改为192.168.1.10（如图10）；
6.点击结束，完成；
图 9
图 10
7.打开L20-DP,打开logic
9.选择LD
梯形图
8.定义步的名称，进行编程。

编程过程
通过对工艺的分析和PLC 编程的了解，将系统动作分为5部，部与部之间存在转换条件，最终形成循环。

动作循环图：
图 11
图 12
表1
分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表及输入输出端子的接线图。

程序流程图：
图14 PLC程序
3.3综合比较
通过电气和PLC控制系统回路的设计和搭接实验，了解了二者的应用领域和部分优缺点，加上最初设计的纯气动控制回路，对三者有一个综合的认识和比较。

由于项目为双缸往复运动控制系统，其中存在动作信号之间的干扰与障碍，需要在控制系统中进行信号障碍之间的消除。

通过纯气动控制、电气控制和PLC控制三种控制方案的实施，对各控制系统的应用有较为直观的了解。

其中气动控制系统实施稳定，系统的控制和走向较为明确，容易理解。

另一方面，气动控制也易应用于工程，对实际方面的系统有较为直观的认识。

电气控制系统可实现行程上的自动控制，易于实现自动化。

当然，电气控制系统稳定性较差，容易产生信号之间的错乱，当存在较多障碍时回路设计较为复杂。

PLC控制系统是针对日益强大的自动化方向设置的较现代的控制方法。

其可靠性高、抗干扰力强，另外，其系统适用性较强，功能完善，易学易懂，得到现广大工程技术人员的欢迎。

当然，每种控制系统存在自身的优缺点，在实际应用中需根据实际情况确定系统的控制方法。

结论
本项目为鼓风炉钟罩式加料装置气动系统程序控制。

通过将近一个月的设计和实验，我们对气动控制系统进行了全面的设计。

依据实际的工艺条件，设计了两缸的气动控制系统，绘制了气动系统的原理图。

通过实际的计算，选定了实现系统用的各类执行、控制和辅助元件。

绘制了气缸装配图1张，活塞零件图1张。

在实验室允许的条件下对系统回路进行了搭接，完成气动系统的模拟实现。

为了充分理解回路性质和原理，进行了电气控制和PLC 控制的设计和实验。

完成了电气控制原理图和实际接线图，并实现动作过程。

完成PLC控制设计和实验，进行了程序的编制和实际的动作调试。

通过本次课程设计，我们系统的学习了气动控制原理和方法。

对现阶段气动系统的发展有了大体的认识。

另外，通过电气控制和PLC控制系统的设计和实验，也使大家对这两方面的知识有了全新的认识。

尤其是PLC程序控制，使大家对先进的程序控制有一个亲身的体会，对以后的学习和工作都会有较大的帮助。

通过整体上的实验、调试，提高了大家的动手和协作能力。

通过实验报告的撰写和PPT的制作，使得大家的查阅能力和综合整理能力得到充分的锻炼。

在此，感谢指导老师在课程设计中的指导和教诲，感谢实验室的辅导老师在实验过程中给予的大力帮助。

感谢机控系给大家提供这样好的学习和交流的机会。

最后，希望此种课程设计能够继续保持使更多的学生从中收获感悟。

.
心得
为期四周的课程设计就要结束了，我们组四个人经过团结合作、明确分工、互帮互助，较出色的完成了老师布置的各项任务。

从最开始的数据计算，气动控制原理图的绘制，电气图的绘制，到中期我们去气动试验台亲自搭建电气控制回路、气动控制回路及PLC控制回路。

我们都严格按照规定完成了任务。

在数据计算和气动控制等控制原理图的绘制过程中，我们查阅了大量相关资料，这既巩固了以前我们学习的课本上的知识，也学习到了一些课堂上学习不到的东西，在整个过程中我们认识到，首先要做到的是认真，要态度认真，计算过程中更要认真。

在气动实验台搭建各种回路的过程中，我遇到了许多棘手的问题，与我们当初设想的状态多种不一样，我们认识到理论与实践行动的区别，但最终在老师们和其他同学们的帮助下，我们一一解决了这些问题，这无疑培养了我们解决实际问题的能力，培养了我们团队合作与实际动手能力，这对我们的将来不管是工作还是继续学习都是有帮助的。

最后的几天课设过程中，我们对以上部分进行了总结，并编写了设计说明书和PPT演示。

在整个课程设计中，我们学习到了很多知识，既有课本上知识的延伸括展，又有书本上没有的知识，我们学会了团队协作，通过团队协作我们又完成许多令人棘手的问题，最后也感谢老师对我们的帮助与指导。

随着课程设计任务的逐项完成，为期一个月的课程设计马上就要结束了。

在这一个月里，充分锻炼了我们专业知识在实际上的应用以及团队成员之间的合作意识。

从最初拿到课设任务书的一头雾水，到最后一项项任务的完成，我们体会到课程设计给大家带来的一次次学习和交流的机会。

由于我们组的项目为气压传动，在进行项目的过程中充分了解了气动系统的诸多知识和实际应用。

在实验室进行实验的过程中是每个人收获最多的时候。

通过气动系统实验回路的搭接以及电气、PLC控制系统的尝试，对各种控制方式有了较为直观的认识，相信对以后的学习和工作都会有较大的帮助。

在进行系统设计和实验的同时，我们还绘制了气缸的装配图，撰写了课程设计的报告，以及其他的工作。

每一项内容都需要我们认真对待，每一项内容都充分锻炼了大家的耐心和信心。

虽然在项目进行的过程中出现了许多困难，但在实验室老师和指导老师的帮助下都得到了解决。

总之，通过本次专业课程设计使大家对专业知识有了更深层次的了解，充分锻炼了大家的实际操作能力和团队协作意识。

最后，感谢指导老师在课程设计中的指导和教诲，感谢实验室的辅导老师在实验过程中给予的大力帮助。

希望此种课程设计能够继续保持使更多的学生从中收获感悟。

在为期一月的课程设计中，我们根据老师布置的任务，团结合作，动手完
成了转炉装置的全气动控制系统，自行设计电气回路，自主编写了PLC程序，分别实现了全自动、半自动转炉装料装置的气动、电气、PLC控制。

通过这次课设，在完成气动回路的过程中，我充分熟悉了各类气动控制阀（单向节流阀、延时控制阀、二位五通气动控制阀等）的功能、结构和用法，同时掌握了气动系统设计中的消障方法。

在电气回路设计与连接中，我深刻意识到了理论与实际相联系的重要性；（1）我们设计的回路中，所用元件与实际实验室中提供的器件有些差异；（2）在完成回路，缸运行时，我们发现了新的问题；（3）在解决问题的过程中，我们提高了对所学知识的认识水平！PLC回路从所用器件上看相对简单、方便，我们几个组可共用一个实验回路，只需重新编程并改变输入输出地址即可，但由于我们在课设前，从未接触过PLC编程，编程过程中也出现了许多问题，但在老师的指导下，我们最终完成了任务！
总之，在这次液压课程设计中，我受益匪浅。

在老师的指导与帮助下，我无论是对所学知识的掌握程度，还是解决实际问题的能力都有很大程度上的提高！
此次课程设计是在毕业设计之前的最后一次也是知识应用最全面的一次课设。

我们这组的课题是鼓风炉钟罩式加料装置气动系统多缸多往复程序控制系统。

在课设过程中，要求我们分别搭建气动控制回路、电气控制回路和PLC 控制回路。

在搭建的过程中，我们遇到了很多理论设计中没有发现的问题，比
如，对于双气控二位五通阀在两边都无压力的情况下的停留位置问题；电气控制中，用中间继电器自锁互锁消除多个障碍的问题；对力士乐IndraWorks 软件应用中初始位置的定义及置位、复位的使用问题。

总之，实验使我们对课程中的细节问题有了初步的了解及认识，给我们以后的工作学习提供了许多解决问题的方法。

另外，我们很幸运的成为力士乐气动试验台的第一批使用者，气动试验台不似液压试验台，它特别干净，它的工作介质是空气，用压缩机可以很简单的得到压缩空气，而且作完功的空气可直接排向大气，不会污染环境；气动系统的连接、维修及元件的更换都特别方便；它的动作迅速反应很快，因此为了更明显地看到实验动作经常需要装节流阀。

课程设计使我们充分认识到团队合作的重要性，每个人思考问题的方法和方向都不尽相同，正是这些冲突使我们能更好的认识到自身知识的误区和盲点，对我们系统的掌握知识有很大的帮助。

参考文献
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燕山大学课程设计评审意见表。