1、高炉联合泵站自动控制系统设计本科论文学 号： HEBEI UNITED UNIVERSITY毕业设计说明书GRADUATE DESIGN设计题目：高炉联合泵站自动控制系统学生姓名： 专业班级： 学 院：电气工程学院指导教师： 2014年5月30日摘 要钢铁行业是我国重工业之一，是我国的支柱产业。高炉冷却系统是炼铁生产的重要环节，其控制方案与设计直接影响高炉的寿命和产量。高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程，正确、合理选择高炉的冷却水循环系统控制方式对提高我国炼铁工业的节水降耗水平、延长高炉寿命具有重要的指导作用和现实意义，将对我国的钢铁业产生深远影响。现在国内外钢铁企业都非常关注高
2、炉产量和寿命如何提高的问题，也都在积极应用高炉自动化冷却系统。本设计是基于PLC控制、组态软件监控显示的高炉联合泵站自动控制系统，高炉联合泵站包括高炉冷却水循环水泵、各类阀门等设备，为高炉生产提供冷却用水。本课题按照生产工艺的要求，研究设计泵站设备的电气控制回路、泵阀逻辑控制、温度检测与控制、泵机状态检测预警等。完成电气、自动化设备生产图纸的设计、PLC控制程序和HMI人机界面软件的设计开发，最终使设计达到生产现场应用的条件。现代高炉自动化主要是指检测及控制系统、电气控制系统和过程及管理用的上位机。即高炉“三电”一体化。关键词 高炉；泵站；自动化；控制系统AbstractIron and st
3、eel industry is one of Chinas heavy industry, is the pillar industry of our country. Blast furnace cooling system is an important link of ironmaking production, the control scheme and design directly influence the life of the blast furnace and yield. The blast furnace smelting process is a continuou
4、s, large-scale, high temperature production process, correct, reasonable selection of circulating cooling water system of blast furnace control mode has an important guiding role and practical significance for improving Chinese ironmaking industry water consumption, prolong the service life of the b
5、last furnace, will produce far-reaching effect to our country iron and steel industry.Domestic and foreign steel companies are very concerned about how to improve the yield and the life of furnace problems, are also active in the application of automation of blast furnace cooling system. The design
6、of automatic control system of PLC control, configuration software monitoring display based on blast furnace blast furnace combined pumping station, pump station including blast furnace cooling water circulation pumps, valves and other equipment, to provide cooling water for the blast furnace produc
7、tion. According to the production process requirements, design the electric control circuit of the pumping equipment, pump & valve logic control, temperature detection and control, pump machine state detecting and early warning. Complete electrical, automation equipment production drawings desig
8、n, PLC control program and the HMI interface software design and development, the design to reach production site application conditions.The modern blast furnace automation mainly refers to the detection and control system, electrical control system and the process and management with computer. The
9、three integration of blast furnace.Keywords the blast furnance;pumping station;automation; control system第1章 绪论1.1 高炉联合泵站自动控制系统的背景和意义随着炼铁技术的进步，对高炉的长寿、优质、高产、低耗提出了更高的要求，从我国高炉生产实践来看，影响高炉寿命的主要问题是炉底、炉缸以及炉身下部的寿命问题，例如：炉缸因蘑菇状侵蚀，产生炉缸烧穿，炉身下部、炉腰等部位的冷却壁过早大量损坏，失去砖衬，造成炉壳开裂，影响高炉寿命，因此，为了达到较高的高炉寿命，除了需要合理的高炉炉型，优质的高炉耐
10、火材料，正常的高炉操作制度外，高效、稳定的高炉冷却系统将是保证高炉高产、长寿的关键。高炉各种供水冷却系统除工业水直流供水冷却系统已被淘汰外,还有开路过滤水净循环冷却系统,软水汽化冷却系统,闭路软水(除盐水、纯水) 净循环冷却系统,开路软水净循环冷却系统。上述系统可以根据高炉对水量、水质、水温等供排水条件的要求,结合工程投资、厂方运营经验、节水节能等具体情况,进行具体分析,最后做出决策。正确、合理选择高炉的冷却水循环系统控制方式对提高我国炼铁工业的节水降耗水平、延长高炉寿命具有重要的指导作用和现实意义，将对我国的钢铁业产生深远影响。根据技术合同、资料与要求，本次设计、施工、投产运行的1080m3
11、高炉,按照甲方要求采用开路软水净循环冷却系统。1.2 高炉联合泵站自动控制系统国内外研究现状在炼铁高炉生产过程中应用可编程序控制器(简称PLC)进行电气控制和仪表检测系统的改造已经十分普遍，随着PLC和网络技术的飞速发展，使得PLC的联网通讯功能日益强大，也对炼铁高炉自动化系统提出了更高的要求。高炉控制系统规模由原来单独一个系统控制，发展到包括槽下上料、炉顶装料、高炉本体、热风炉、煤气除尘、煤粉喷吹等高炉全套控制，并实现各系统之间互相通讯，多座高炉联网，实现系统冗余、数据共享、整理并统计生产数据，从而为实现高炉生产过程控制和生产管理自动化提供有力的系统支持。但是目前作为高炉的冷却水循环系统的控
12、制一般采用的都是手动控制，这给整个系统的联网和统一管理带来了很大不便。影响整个高炉系统的效率，并且造成一定的能源和资源的浪费。为了降低泵站运行费用，提高泵站的自动化程度，根据泵站的运行工艺特点，采用可编程序控制器（PLC）进行控制，通过设定运行程序对整座泵站进行运行和监控，实现半无人值守或无人值守。通过传输设备联网，可以实现无人值守泵站运行，大大降低泵站运行人工费用，让有限的运行费用更多的用于泵站设备改造、维修和维护，更有效提高泵站设备完好率和可用保证率。1.3 高炉联合泵站自动控制系统的应用价值1.高炉是连续生产的，给水特别是高炉炉体的冷却是至关重要的，高炉在生产过程中，任何短时间的断水，都
13、会造成严重事故，高炉供水系统必须安全可靠，所以光靠手动是无法实现高效合理的供水，所以必须借助自动化技术。2.随着高炉的大型化、自动化程度的发展,高炉使用寿命的延长便成为突出的问题。而延长使用寿命的首要问题则是冷却方式和冷却水水质。采用适宜的冷却系统和冷却水质可以安全、稳定、可靠地使高炉正常生产,延长使用寿命1015 年。各国对高炉的高热负荷关键性被冷却构件,诸如:炉底、炉缸、炉腹、炉腰、炉身等冷却壁,风口大小套,热风阀等,都提出了很高的水质要求。有的不仅需要软化水,还有的需要除盐水,甚至纯水。由于高炉供排水系统是工艺连续化、前后工序关联化的，为了实现这些要求，光靠手动是无法可靠保障的，所以需要
14、可靠的自动化技术。1.4 本章小结本章通过讲解高炉联合泵站自动控制系统的背景、高炉联合泵站系统的国内外现状以及高炉泵站应用自动控制系统的意义，阐明了随着高炉炼铁的发展，高炉泵站自动控制系统对高炉长寿、稳定生产的重要作用，说明了本课题的研究的价值。第2章 高炉联合泵站控制系统概述2.1联合泵站系统工艺简介炼铁厂的给水主要用于：高炉热风炉的冷却、高炉的清洗、鼓风机冷却、铸铁机及其产品冷却、炉渣的粒化处理及水力输送等。从水在使用的过程中的作用大致可分为：（1）设备间接冷却用水，主要是净循环水、纯水循环系统，对象是高炉炉体，包括炉腹、炉腰、炉身和风口冷却等，净循环水由于经冷却塔喷淋等过程中会使各种离子
15、物质的平衡破坏而会形成水垢和腐蚀管道，故需加药平衡。（2）设备及产品冷却直接用水，包括高炉炉缸喷水冷却、高炉生产后期的炉壳直接喷水冷却、铸铁机及铸铁块的喷水冷却等。（3）生产工艺过程用水，如高炉煤气洗涤用水及水冲渣用水等和其他杂用水。高炉是连续生产的，给水特别是高炉炉体的冷却是至关重要的，高炉给排水的特点是：高循环率和串级使用、安全供水以及循环水的水质稳定。系统设计的循环水量、补水量、冷却水进出口温差等依据工程技术要求而定。高炉给排水自动控制系统见图2-1。图2-1 高炉给排水自动控制系统图高炉在生产过程中，任何短时间的断水，都会造成严重事故，高炉供水系统必须安全可靠。为此，水泵站供电系统须有
16、两路电源，并且两路电源应来自不同的供电回路。为了在转换电源时不中断供水，应设有水塔，塔内要储有30min的用水量。泵房内应备有足够的备用泵。由泵房向高炉供水的管路应设置两条。串联冷却设备时要由下往上，保证断水时冷却设备内留有一定水量。2.2 高炉联合泵站控制要求本次设计应实现高炉对冷却水的实时性和可靠性要求。1.自动控制系统能正常运行，满足系统的温度、压力、流量等工艺参数要求，系统可靠性高。2.泵站系统的过载检测、故障实时报警，并实现故障紧急处理，避免危险情况的发生。系统的可维护性强，发生故障能迅速定位，出现故障能快速修复。整个设计合理切合工程实际，便于施工且性价比合理。3.实现整个系统可以与
17、钢厂的网络系统联网，能进行通信，上位机可以监控所有设备的运行情况，能对所有设备进行管理。系统的通信总线采用PB总线或光纤。4.高炉给排水电气传动控制主要是电气连锁、自动起动和顺序控制。净循环水系统主要是设备间接冷却水，包括炉体和高炉辅助设备的冷却，主要电气设备有：炉体供水泵的电动机，风口高压送水泵，安全供水电动机，冷却塔扬送泵、冷却塔风机的电动机。5.水压、流量和水温差的参数控制（1）确定冷却水压力的重要原则是冷却水压力要大于炉内静压，防止个别冷却设备烧坏时煤气进入冷却器中，造成大量冷却器烧坏，这在高压操作时更为重要，特别是风口冷却，更是注意的重点。（2）冷却水的进水温度与大气温度和回水冷却状
18、况有关，一般情况下应小于33。出水温度与水质有关，一般不应超过50-60，即反复加热时水中碳酸盐沉淀温度，不然钙镁盐类会沉淀出来形成水垢，导致冷却器烧坏。工作中考虑到热负荷的波动和侵蚀状况的不同，实际的进出水温度应该比允许的进出水温差适当低些，各部位要用一个合适的后备系数。2.3 高炉联合泵站设计方案本系统控制对象为高炉及风口的水压，系统有较大的时间常数，由于高炉的特性系统要求控制精度不太高，针对这些特性对系统可以进行如下结构设计：1.系统的被控对象为：冷却炉内的水压。2.系统的控制器为：PLC。3.系统的检测单元为：压力检测部分、液位检测部分、流量检测部分和温度检测部分。4.系统的执行机构为
19、：6个泵。5.系统的控制方式为PLC开关控制。该系统为开关量的逻辑控制，当系统采用自动控制策略时，首先设定压力给定，然后各启动2个水泵，经过一定的时间延迟后对压力进行检测比较然后确定启动泵的个数，通过改变泵的个数来改变冷却炉壁和风口的压力。被控对象为冷却炉内和风口的水压。传感器和变送器包括压力、温度、流量和液位传感器、电流互感器，传感器和变送器在系统中起到检测系统参数并转换为标准信号供控制系统检测系统运行情况。系统的控制器为PLC。PLC是整个系统的核心部分，由PLC来控制各个泵的启停，保证水压要求。系统的执行器真空断路器，由PLC发出的信号经继电器后驱动真空断路器。系统的连锁保护机构包括报警
20、指示灯和扬声器，在PLC内部程序上采用连锁保护。系统的控制框图如图3-2所示。当系统上电启动后首先有压力给定，然后系统启动三个泵，五分钟延迟后系统检测压力回馈信号，决定采用什么控制策略，再等五分钟后系统根据压力回馈决定采用该策略是否能满足压力要求。在每个泵启动的时候，过10s后检测该泵的流量信号，如果有流量流过，则说明水泵起动正常，若果没有流量信号，则关闭该泵，启动备用泵并报警。图2-2 系统工艺图系统主要工作流程，当系统启动后，首先有PLC对系统进行初始化，当主程序开始时系统做初始准备，系统首先检测是采用集中控制还是本地控制，也就是采用手动控制还是自动控制，根据系统的控制方式来确定采用的控制
21、方法。当采用手动的控制方式，则系统等待输入各个泵的启动信号，由于系统的特性，最多需要启动2个泵就能满足水压的要求，所以手动操作时最多只需要启动2个泵，留一个作为备用。当采用自动控制策略的时候，系统首先启动三个泵，五分钟后检测冷却炉壁处的水压，如果此时压力超过压力上限，则关闭一个运行泵，等系统运行十分钟后再进行压力检测，如果压力没有低于压力下限，则系统采用两备两用的控制策略，否则采用三用一备的控制策略。如果五分钟检测的时候压力没有达到上限，则采用三用一备的控制策略。采用三用一备的控制策略时，系统采用三用一备的工作流程倒泵，各泵之间会为备份。采用两备两用的控制策略时，系统采用两备两用的工作流程倒泵
22、，各泵之间互为备份。6.设备选型，高压配电套系统设计及硬件选型根据具体技术资料、技术协议及实现功能，完成高炉联合泵站自动控制系统的高压配电图完整设计。 7.PLC编程及WinCC组态根据I/O分配表和逻辑要求、控制策略编写梯形图，通过WinCC组态实现人机交互2.4本章小结本章对高炉联合泵站自动控制系统进行了研究。首先介绍和分析了高炉冷却水系统的工艺要求，接着介绍了高炉联合泵站的自动控制要求，系统的介绍了高炉联合泵站的设计方案。第3章 高炉联合泵站自动控制系统低压电气设计低压配电屏按其结构形式分，有固定式和抽屉式两种类型。固定式低压配电屏的所有电器元件都固定安装、固定接线，适用于发电厂、变电所
23、和厂矿企业的低压供配电系统中，做动力和照明配电之用。固定式低压配电屏结构简单，价格低廉，故应用广泛。目前使用较广的固定式低压配电屏有GGD型。GGD型交流低压配电柜适用于发电厂、变电所、厂矿企业等电力用户的交流50Hz，额定电压380V，额定电流至3150A的配电系统中，作为动力，照明及配电设备的电能转换、分配、控制之用。GGD交流低压配电柜是本着安全、经济、合理、可靠的原则设计的新型低压配电柜。产品具有分断能力高，动热稳定性好，电气方案灵活、组合方便，系列性、实用性强，结构新颖、防护等级高等特点。可作为低压成套开关设备的更新换代产品使用。GGD型交流低压配电柜符合IEC439低压成套开关设备
24、和控制设备，GB7251低压成套开关设备等标准。3.1联合泵站低压设备表表3-1 低压设备表编号设备号设备名称传动方式备用28BSF2上塔泵出水总蝶阀电动阀29LQT1冷却塔1低压电机30LQT2冷却塔2低压电机31LQT3冷却塔3低压电机32LQT4冷却塔4低压电机33LQT5冷却塔5低压电机34LQT6冷却塔6低压电机35LQT7冷却塔7低压电机36LQT8冷却塔8低压电机3.2 联合泵站低压设备控制方式设备数量备用冷却塔风机8上塔泵蝶阀11.机旁箱手动控制。用于设备的启停操作。操作方法是：将控制方式选择开关打到“机旁”位置，然后对冷却塔风机进行操作。操作结束后，将控制方式选择开关打到“集
25、中”位置，由PLC进行控制。2.集中手动控制。由操作者在中控室CRT上将冷却塔风机设为手动式，然后在CRT上进行开、关、停操作。3.3 联合泵站低压电机启动方式选择三相异步电机起动方式1、直接起动，电机直接接额定电压起动。2、降压起动：（1）定子串电抗降压起动 （2）星形-三角形启动器起动（3）软起动器起动（4）用自耦变压器起动三相异步电机降压起动方式选择比较（1）实行降压起动的目的是为了减小线路的浪涌，保障变压器正常供电。电机直接启动它的启动电流是额定电流的7倍。（2）星-三角降压起动：启动电流是额定电流的2.3倍。但星三角启动的力距较小，只能轻负载的电机可以启动。一般叫重负启动荷设备不能用
26、。星三角启动造价轻、体积小、操作方便。（3）软起动：软启动是电机由软启动器启动，一般用于不能直接启动的设备上。造价最大、使用方便、运行平稳。（4）自耦变压器降压起动：自耦变压启动由于它可以按要求调整启动电流，所以它的启动力距比较大，适合重负载启动，或大型机械设备。但它的体积大、造价也大、操作麻烦。本设计低压45kw电机采用直接启动方式，电路图如下图3-1 一次系统图控制回路如下图3-2 控制回路图3.4 联合泵站低压电机一次系统器件选择3.4.1 断路器选型断路器正常情况下接通和断开高压电路中的空载及负荷电流。在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相配合，迅速切断故障电流，防止事故扩大，从而保
27、证系统安全运行。 其实断路器就是一种开关，它和其他普通开关的不同点主要在: (1)适用电压等级高 (2)灭弧介质及方式，有真空，少油，多油及六氟化硫等等 (3)灭弧能力强，效果好 一般情况下断路器本身不存在润滑方面的问题，需要润滑的常常是它的操动机构 根据断路器额定工作电压和额定电流分别不低于线路额定电压和计算电流。3.4.2 接触器选型接触器广泛用作电力的开断和控制电路。（起到频繁开关作用） 接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。接触器的接点，由银钨合金制成，具
28、有良好的导电性和耐高温烧蚀性。 接触器的动作动力来源于交流电磁铁，电磁铁由两个“山”字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定，在上面套上线圈，工作电压有多种供选择。为了使磁力稳定，铁芯的吸合面，加上短路环。交流接触器在失电后，依靠弹簧复位。另一半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的开断。20安培以上的接触器加有灭弧罩，利用断开电路时产生的电磁力，快速拉断电弧，以保护接点10。根据接触器的额定通断能力应高于通断时电路中可能出现的电流值，耐受过载电流能力应高于电路中的可能出现的工作过载电流，以及主电路的额定工作电压，额定工作电流。设计中选用接触器：LC1-D620QDCLC1-D18
29、Q7C LC1-D80Q5CLC系列接触器适合于交流50HZ，额定工作电压至660V，额定电流至620A中的电路中供远距离接通分断电流及控制电动机，并可与热继电器或其他保护一起组成电磁启动器。其产品型号含义为：LC表示接触器交流控制线圈，1表示单个接触器，D620表示D2系列620A电流，Q表示380V，D、7、5表示直流、50Hz/60Hz、50Hz，C表示标准型SSIC制造。3.4.3 中间继电器选型 继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中
30、起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器：根据中间继电器的整定电流等于或大于被保护电动机额定电流，选择设计中用到的适用的中间继电器。3.5 本章小结本章首先介绍了低压配电柜柜型，然后根据被控制设备进行启动方式的选择，最后介绍了工程设计上选型的方法与一些元器件的选型并给出了主要元器件型号列表。第4章 高炉联合泵站自动控制系统高压电气设计高压开关柜是高压系统中用来接受和分配电能的成套配电设备，主要用于335kV系统中。高压开关柜按开关电器的安装方式分，有固定式和手车式；按开关柜隔室的结构分，有金属封闭铠装式，间隔式和箱式等；按断路器手车安装位置分，有落地式和中置式。目前我国大量生产和广泛应用
31、的手车式开关柜产品有JYN型间隔式和KYN型铠装式。KYN28-12开关柜是广泛吸收国内外同类产品优点的基础上研制开发的新一代开关柜。该开关柜完全金属铠装，由金属板分割成手车式、母线室、电缆室和仪表室，每一单元的金属外壳均独立接地。该开关柜具有完善的“五防闭锁功能”，试用与312kV户内单母线或单母线分段系统中，作为接受和分配电能之用，并对电路实行控制、保护和监测。4.1 KYN28-12铠装移开式交流金属封闭开关设备4.1.1开关柜组成4.1.2断路器隔室在断路器室安装了供断路器手车滑行的导轨。手车能在工作位置、试验/隔离位置之间移动。活动帘板由金属板制成，安装在手车室的后壁上。手车从试验/隔离位置移动至工作位置过程中，装在母线小室和电缆室内的静触头盒上的静触头前的活动帘板自动地打开，反方向移动手车，活动帘板自动闭合，把静触头盒封闭起来，从而保障了操作人员不触及带电体。4.1.3母线隔室母线从一个开关设备引至另一个开关设备,通过分支母线和静触头盒固定。主母线与联络母线为矩形截面的圆角铜排。用于大电流负荷时需要用二根矩形母线。扁平的分支线通过螺栓接线与静触头盒主母线相连接。母线穿越开关设备隔板处用绝缘套管支撑，如果柜内出现内部故障电弧，能防止母线贯穿熔化，保证事故不致蔓延到邻柜
