基于PLC的高炉上料自控系统设计

基于PLC的高炉上料计算机控制设计

摘要

介绍了西门子S7-200PLC在炼铁高炉上料料控制系统中的运用，通过西门子S7-200PLC与高炉上料系统的结合，设计出可编程序控制器的控制装置，基本上完成了450m³高炉供料电气控制系统的硬件设计。实现了布料（槽上）和槽下卷扬的实时控制和生产过程自动化的目的。基于PLC 的高炉上料自控系统的设计，提高了高炉上料控制系统的自动化水平、可靠性,实现了上料系统的实时监控和灵活方便。具有一定的参考应用价值。

关键词：可编程序控制器高炉上料系统自动控制

1.绪论

1.1高炉上料系统的作用与地位

高炉是炼铁或者炼钢生产的核心设备，是一种规模大、要素多、要求严格的冶炼过程，其良好的运行能为后续的生产过程提供充足而优质的原料保证，这对控制系统的可靠性提出了较高的要求。尤其是高炉的大型化趋势越来越明显的情况下，用人工执行是非常困难的，故其能稳定、有序、准确的工作是很重要的。这就要求高炉实现自动化的生产方式。

高炉上料系统是炼铁高炉系统中最重要的一环，及时、准确的上料是保证高炉产量和产品质量的前提。高炉上料系统的整套动作过程包括料车上料系统和炉顶布料系统。料车上料系统必须快速严谨，如果上料慢，赶不上料线，影响产量，而上错料，高炉将不能正常生产，甚至得拉风、休风。

高炉布料指高炉炼铁过程中，炉料(主要是矿石和焦炭)在高炉炉喉的分布。高炉布料的基本规律是高炉冶炼工艺理论的重要组成部分，控制高炉布料是高炉操作的一个重要手段。习惯上称之为“上部调剂”。通常高炉炉料是分批装入高炉炉喉的。根据经验确定一批料的矿石量与按焦炭负荷确定的批料焦炭量组成料批，通过布料设备双钟和旋转布料器装入炉喉。高炉是一种逆流反应器，煤气在高炉下部产生，而后上升穿过料层；炉料从上部下降与煤气作用，完成加热、还原、造渣、熔化等冶炼过程。炉料在炉内由上而下，温度逐渐升高，直到熔化前，一直保持炉喉布料的层状结构。焦炭多的地方煤气流较发展，因而炉料温度升高快，可见高炉布料对煤气分布以及软融带的形状和位置等是有重要影响的，这关系到煤气能量的充分利用，炉料的顺利下降以及高炉一代寿命的长短。正常的高炉行程在炉内圆周方向上煤气与炉料的分布都是均匀或基本均匀的。

高炉上料装置是生产中的重要环节，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。

1.2高炉上料系统的传统控制方式

早期高炉上料控制系统多采用继电控制，主要存在两大缺陷，一是控制系统复杂，联锁环节多，外部连线多，故障频繁；二是工作模式只有手动和机旁两种操作方式，手动操作用于生产，机旁操作用于机构调整，不能实现自动化产。

虽然说继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是

庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。

1.3高炉上料系统计算机控制

随着电子技术的发展及普及应用,采用PLC作为主控制器实现高炉上料系统的自动控制成为技术进步的必然。它有效解决了传统继电控制的缺陷,提高高炉上料系统的稳定性、实全性、可靠性和自动化,为高炉的稳产、高产创造了技术和设备条件。使用PLC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比，在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰，但是由于PLC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想。

编程控制器以体积小功能强大所著称，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。P LC可以通过通迅接口与显示终端和打印机等外设相连。基于PLC本身扩展功能，加入计算机控制，实现上料系统的远程控制，减少人力物力投入。

2.总体方案设计

2.1炼铁工艺过程概述

高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。

2.2高炉上料设备及工艺简介

一个完整的上料工序分为配料和上料两个步骤。因本文主要考虑的是高炉上料系统，配料部分不做过多考虑。

上料系统由料车、卷扬机、布料器、大小钟、均压阀、左右探尺等设备组成。按流程可简单分为料车上料系统以及炉顶布料系统。

料车上料系统是料车按生产要求将中间仓内已配好的物料送到炉顶的过程。

炉顶布料指高炉炼铁过程中，炉料(主要是矿石和焦炭)在高炉炉喉的分布。高炉布料的基本规律是高炉冶炼工艺理论的重要组成部分，控制高炉布料是高炉操作的一个重要手段。习惯上称之为“上部调剂”。通常高炉炉料是分批装入高炉炉喉的。高炉是一种逆流反应器，

煤气在高炉下部产生，而后上升穿过料层；炉料从上部下降与煤气作用，完成加热、还原、造渣、熔化等冶炼过程。炉料在炉内由上而下，温度逐渐升高，直到熔化前，一直保持炉喉布料的层状结构。焦炭多的地方煤气流较发展，因而炉料温度升高快，可见高炉布料对煤气分布以及软融带的形状和位置等是有重要影响的，这关系到煤气能量的充分利用，炉料的顺利下降以及高炉一代寿命的长短。正常的高炉行程在炉内圆周方向上煤气与炉料的分布都是均匀或基本均匀的。

2.3设计概述

早期高炉上料控制系统多采用继电控制，主要存在两大缺陷；一是控制系统复杂，连锁环节多，外部连线多，故障频繁；二是工作模式只有手动和机旁两种操作方式，手动操作用于生产，机旁操作用于机构调整，不能实现自动化生产。随着电子技术的发展及普及应用，采用PLC作为主控制实现高炉上料系统的自动控制成为技术进步的必然。它有效解决了传统继电控制的缺陷，提高高炉上料系统的稳定性、实用性、可靠性和自动化，为高炉的稳产、高产创造了技术和设备条件。

高炉生产对可靠性要求极高，当上料系统故障或物流不畅通时，高炉不能长时间停止生产，必须及时排除故障，使生产得以进行。自动工作方式是以上料系统无故障、PLC控制器完好为前提，因此，上料系统除了具备自动方式外，还要保留手动、机旁、调试方式。PLC 主要实现自动控制，是主要生产方式，手动方式是辅助生产方式，机旁和调试方式用于单机操作和试机。当设备出现故障或物流不畅时，上料系统转入手动生产，直到排除故障，再切换到自动生产。特别强调的是，在手动工作时，PLC也要处于运行状态，实时监测并跟踪物料信息，对物料信息采取掉电记忆，以便转入自动时，真实再现物料信息，使自动生产得到以顺利进行。本次设计主要是针对槽下卷扬上料部分设计，高炉料钟装料系统。

3.PLC控制系统设计

3.1PLC简介

3.1.1可编程控制器的发展史

随着微处理器、计算机和数字通讯技术的飞速发展、计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。可编程控制器是应用面最广、功能最强大、使用最方便的通用工业控制装置、它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。

可编程控制器（ProgammableController）本来应简称为PC，为了与个人计算机（PersonalComputer）的简称PC相区别，一般将它简称为PLC （ProgrammerableLogicController）。