马钢三钢厂50吨电弧炉自动控制系统设计.doc

1、共 页 第页 安 徽 工 业 大 学 毕业设计任务书 学 院、系 ： 电气信息学院 专 业 ： 自动化 学 生 姓 名： 学 号： 设 计 题 目 ： 马钢三钢厂 50 吨电弧炉自动控制系统设计 起 迄 日 期 : 2013 年 设 计 地 点 : 安 徽 工 业 大 学 指 导 教 师 : 系 主 任 : 发任务书日期 :2013 年 02 月 25 日 共 页 第页 毕 业 设 计 任 务 书 1毕业设计课题的任务和要求： 在工业过程控制中，计算机控制是目前应用较为广泛的控制方法之一， 计算机及其网络是用 得最多，应用范围最广的自动化产品。本课题的任务是设计基于西门子 PLC的精炼 炉自动

2、 控制 系统， 要求学生能掌握计算机控制的基本工作原理和输入输出接口技术和过程控制基本要求，根据精炼炉控制系统的基本工艺过程和基本原理进行软、硬件设计，在设计过程中，以硬件设计为主，整个控制系统软件需要自行编制，自行调试，并完成模拟运行。 2毕业设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 本课题的主要内容为在掌握计算机控制系统设计基本原理及其精炼炉过程控制的基本知识的基础上，进行电弧炉的计算机控制系统设计， 了解控制系统所要完成的控制任务，完成被控过程的输入输出点配置，连锁系统的逻辑控制、简单的控制算法和报警系统的设计等内容，并利用模拟设备设计完成计算机监控系统的调试。 安

3、徽工业大学 马钢三钢厂 50 吨电弧炉自动控制系统设计 共 页 第页 毕 业 设 计 任 务 书 3对毕业设计课题成果的要求包括毕业设计、图纸、实物样品等： 1、毕业设计说明书（包括纸质版和电子版） 2、毕业设计说明书应包括英文资料全文及翻译稿， 3、必要的程序和电路图。 4毕业设计课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2013 年 2 月 25日 3月 31日 4月 1日 4月 30日 5月 1日 6月 10日 6月 11日 6月 15日 6月 16日 6月 20日 6月 20日 6月 25日 检索并仔细阅读有关技术资料，严格按学校对毕业设计开题报告的要求认真完成毕业设计开题报

4、告； 翻译英文资料，原稿和译文要附于论文之后； 按 毕业论文课题的具体工作内容要求，撰写论文， 一定要注意的是论文格式严格按系里的要求完成 。 指导教师审阅论文的电子稿； 严格按要求修改论文，打印装订，评阅老师评阅； 论文答辩。 学生所在系审查意见： 系主任： 年 月 日 安徽工业大学 马钢三钢厂 50 吨电弧炉自动控制系统设计 共 页 第页 摘要 电弧炉 是利用电弧的能量来熔炼金属的一种电炉。电弧炉控制系统包括基础自动化和过程自动化。它是一个多变量、非线性、强祸合、时变、工作环境恶劣及随机干扰性较强的系统，各种参数的多变使得系统电极位置、电弧长度、电弧电流 /电压、系统功率及功率因数很难保持

5、在最佳状态下运行，也一直阻碍着电弧炉过程控制技术的进一步发展。电弧炉炼钢是靠电极和炉料间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热 并熔化金属和炉渣，是冶炼某些特殊金属及合金必须使用的炼钢方法。 论文以马钢三钢厂 50 吨电弧炉计算机控制系统为研究对象，在查阅了大量国内外相关文献的基础上，综述了电弧炉控制技术的发展历程、研究现状及今后的发展趋势。根据电弧炉熔炼工艺对控制系统的控制要求，给出了控制系统总体设计方案，对电弧炉计算机控制系统的硬件系统配置作了详细的说明。在电极调节器控制方案设计的基础上给出了实用的控制算法的实现方法，应用德国西门子公司 S7-300 系列

6、编程软件编写了整个控制系统控制软件，包括电极调节控制单元、液压站控制单元、真 空开关合、分闸控制单元、变压器调压换档控制单元和其它逻辑控制单元。电弧炉炼钢过程一般是以物料、热量和化学平衡为基础，采用理论与经验相结合的方法，建立的超高功率电弧炉冶炼工艺静态控制模型和动态控制模型，并对主要参数进行了计算。静态模型的建立能确定主要操作参数的计算，并对钢质量影响较大的终点温度及碳的含量进行神经网络预报。在电极调节器控制方案设计的基础上给出了实用的控制算法的实现方法，应用德国西门子公司 S7-300 系列编程软件编写了整个控制系统控制软件，包括电极调节控制单元、液压站控制系统单元、真空开关合、 分闸控制

7、单元、变压器调压换档保护控制单元和水冷事故单元以及电弧炉炉体操作部分单元等其他控制单元。 关键词：电弧炉 电极调节 变压器保护 液压控制 水冷事故 安徽工业大学 马钢三钢厂 50 吨电弧炉自动控制系统设计 共 页 第页 Abstract Electric Arc Furnace is the use of electric arc energy to a metal melting furnace. Arc furnace control system includes basic and process automation. It is a multivariable, nonlinear

8、 and strong coupling, time-varying, poor working conditions and strong system of random interference, changing various parameters makes the system electrode position, arc length, arc current / voltage, system power and power factor is difficult to maintain in the best condition, it has been hampered

9、 EAF process control technology for further development.The steel-making of Electric Arc Furnace transfers the electricity to heat by the arc between electrode and charging. The Arc and its radiation melt the metals along with slags, it is the essential way to produce the special steel and alloy. Pa

10、pers are Ma an shan Iron and steel 50t EAF computer control system for the study, in view of the large number of relevant literature, based on an overview of the development process of electric arc furnace control technology, research status and future trends. EAF melting process under the control o

11、f the control system requirements, given the overall design scheme of the control system, computer control system for electric arc furnace hardware system configuration been described in detail. The electrode regulator control scheme is given based on the design of practical control algorithm method

12、, applied Siemens S7-300 series programming software to write the entire control system control software, including electrode regulator control unit, hydraulic control unit, vacuum switch, sub-gate control unit, the shift control unit regulating transformers and other logic control unit. EAF steelma

13、king process is generally based on the material, heat and chemical balance basis using a combination of theoretical and empirical ways to build ultra-high power electric arc furnace smelting process control model of static and dynamic control model, and the main parameters were calculated . Static m

14、odel can determine the main operating parameters of the calculation, and the greater impact on the quality of steel endpoint temperature and carbon content of the neural network prediction. The electrode regulator control scheme is given based on the design of practical control algorithm method, app

15、lied Siemens S7-300 series programming software to write the entire control system control software, including electrode regulator control unit, hydraulic control system unit , vacuum switches, sub-gate control unit, transformer protection and control unit and voltage regulator cooling shift acciden

16、t unit and electric arc furnace operation section unit and other control units. Keywords: Electric Arc Furnace, ;Electrode Regulator; Transformer Protection; Hydraulic control; Water Accident安徽工业大学 马钢三钢厂 50 吨电弧炉自动控制系统设计 共 页 第页 目录 1. 概述 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 电弧炉系统 . 1 1.2.1 电弧炉炼钢发展概况 . 1 1.2.2 电弧炉炼钢的特点

17、. 2 1.3 电 弧炉工艺发展概况 . 3 1.3.1 电弧炉的历史发展 . 4 1.3.2 电弧炉在国内的发展 . 4 1.4 电弧炉自动化技术的发展趋势 . 5 1.4.1 电弧炉控制方法理论研究 . 5 1.4.2 电弧炉自动化发展趋势 . 6 1.5 电弧炉炼钢设备概括 . 7 1.5.1 电弧炉炼钢的机械设备 . 7 1.5.2 电弧炉炼钢的电气设备 . 9 1.6 电弧炉炼钢过程及工艺简介 . 10 1.6.1 电弧炉炼钢过程 . 10 1.6.2 电弧炉工艺简述 . 11 1.6.3 电弧炉工艺对控制系统的要求 . 12 1.6.4 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求 . 12

18、2. 电弧炉炼钢控制系统 . 14 2.1 电极升降自动控制系统 . 14 2.1.1 电极调节器的特点 . 15 2.1.2 电极调节控制原理 . 16 2.2 液压、水冷、气动控制系统 . 18 2.2.1 液压控制系统 . 18 2.2.2 水冷控制系统 . 18 2.2.3 气动控制系统 . 19 2.3 计算机在电弧炉炼钢过程中的应用 . 19 2.4 PLC 控制系统 . 20 2.4.1 电弧炉 PLC 控制系统的构成 . 21 2.4.2 电弧炉 PLC 控制系统的功能 . 21 3. 电弧炉控制系统的软硬件设计 . 23 3.1 电弧炉控制系统硬件设计 . 23 3.1.1

19、系统硬件选型 . 23 3.2 电弧炉控制系统软件设计 . 24 3.2.1 变压器保护系统 . 24 3.2.2 液压站控制 . 26 3.2.3 炉体操作 . 30 3.2.4 水冷系统 . 34 3.2.5 事故警报 . 36 3.6 电弧炉控制系统程序的检查和编译 . 37 结束语 . 42 安徽工业大学 马钢三钢厂 50 吨电弧炉自动控制系统设计 共 页 第页 参考文献 . 43 致谢 . 44 附录 . 45 安徽工业大学 马钢三钢厂 50 吨电弧炉自动控制系统设计 共 76 页 第 1 页 1. 概述 1.1 引言 据统计，近 40 年来，世界电弧炉炼钢得到迅速发展，电炉钢产量占

20、钢总产量的比例逐年增长，目前全世界粗钢产量的 56%由电炉生产，我国电炉钢也约占总钢产量的 45%左右。电弧炉电气运行是电炉冶炼生产最基本的保障，它关系到冶炼工艺、原料、电气、设备等诸多方面的问题，直接影响电炉炼钢生产的各项技 术和经济指标，因此对其进行最佳化的研究意义重大，不但可保障冶炼工艺的顺行和充分发挥设备资源的作用，还能提高生产率，节能降耗。 可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的，并逐渐发展为以微处理器为核心，把自动化技术，计算机技术，通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。随着位处理器、计算机、网络和数字通信技术的飞速发展，工业生产自动化控制技术已扩展到了几乎

21、所有的工业领域。应用计算机网络技术来解决工业自动化任务已逐渐成为普通的技术。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用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实现工具，无论是国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，普遍把可编程序控制器作为控制系统的核心器件。可编程序控制器在取代传统电气控制方面有着不可比拟的优点，在自动化领域已经形成了一种工业控制趋势。电气设备能否方便可靠的实现自动化，很大程度上取决于我们对可编程序控制器的应用水平。 可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制，顺序控制，定时，计数和算术运

22、算等操作功能，并通过开关量，模拟量的输入和输出完成各种 机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要来选配，其软件则需根据控制要求进行设计。 1.2 电弧炉 系统 1.2.1 电弧炉炼钢发展概况 近年来世界电弧炉的生产发展很快，随着二步炼钢法的兴起和 20 世纪 70-80 年代电炉自身采用了诸如超高功率技术、水冷炉壁、水冷炉顶、偏心炉底出钢、氧燃烧嘴、吹氧、喷碳、泡沫渣工艺等新技术，使得电炉钢生产不仅在传统的合金钢领域中继续保持优势，而且在普通钢范围内也表现了强大的竞争力。自 20 世纪 80 年代初世界上第一座直流电弧炉问世以 来，电炉钢的

23、生产突飞猛进。 2000 年，电炉钢约将占世界钢产量的 34.4%， 2004 年世界粗钢产量达 10.548 亿 t，其中转炉钢 66452 万 t，占 33.8%，我国钢产量 27470 万 t，其中转炉钢 23271 万 t，占 85.72%，电炉钢 4167.1万 t，仅占 15.17%。 目前，我国仍以交流电弧炉生产电炉钢为主，这种趋势目前仍不会改变。交流电弧炉在受到新兴直流电弧炉冲击的同时，在提高生产率和改善各种单耗方面也不断取安徽工业大学 马钢三钢厂 50 吨电弧炉自动控制系统设计 共 76 页 第 2 页 得进展；而直流电弧炉的诸多优点使其在未来的电弧炉炼钢中具有广阔的发展前景

24、。 1.2.2 电弧炉炼钢 的特点 电弧炉炼钢是以电能为热源，利用电极与炉料间产生的电弧的高温来加热和熔化炉料。电弧炉炼钢是以废钢铁料为主要原料，以各种微量合金和造渣料为辅料，以电能为热源，利用电极与炉料间产生的电弧的高温来加热和熔化炉料，经过一系列的物理化学反应，最后形成成分和温度合格的钢产品。 电弧炉炼钢有一系列的优点 1 （ 1） 能灵活掌握温度。电弧炉中电弧区温度高达 4000 以上，远远高于炼钢所需的温度，因而可以熔化各种高熔点的合金，通过电弧加热，钢液的温度可达1600 以上。在冶炼过程中通过对电流和电压的控制，可以灵活掌 握冶炼温度，以满足不同钢种冶炼的需要。 （ 2） 热效率高

25、。电弧炉炼钢没有大量高温炉气带走的热损失，因而热效率高，一般可达 60%以上，比转炉炼钢和平炉炼钢的热效率高。 表 1-1 高炉 -转炉炼钢和电弧炉炼钢两大流程的比较 类别 高炉 -转炉流程 电弧炉流程 投资，美元 /吨钢 10001500 500800 从原料到钢水的能耗，标煤 /吨钢 703.17 213.73 从原料到成品材的运输力需求，吨 /吨钢 15.8 9.48 二氧化碳排放，公斤 /吨钢 20003000 800 （ 3） 炉内气氛可以控制。氧气转炉吹入大量氧气是熔炼得以进行的必要条件，平炉熔炼过程中为了保证燃料（煤气或重油）完全燃烧，必须在熔炼室中保持一定的过剩空气系数，因而在

26、这些炉子中，熔炼自始至终是在不同程度的氧化性气氛下进行的。在电弧炉中没有可燃气体，根据工艺要求，既可造成炉内的氧化性气氛，也可造成还原性气氛，这是转炉和平炉无法达到的。因而在电弧炉炼钢过程中能够大量地去除钢中的磷、硫、氧和其他杂质，提高钢的质量，合金的回收率高且稳定，钢的化学成份比较容易控制，冶炼的钢种也较多。 （ 4） 设备简单，工艺流程短。电弧炉 的主要设备为变压器和炉体两大部分，因而基建费用低，投产快。电弧炉以废钢为原料，不象转炉那样以铁水为原料，所以不需要一套庞大的炼铁和炼焦系统，因而流程短。由于电弧炉炼钢法具有上述一系列优点，所以世界各国都在稳步地发展电炉炼钢。多年以来，世界电炉钢产

27、量的增长速度一直高于世界钢总产量的增长速度。随着科技的发展，炼钢技术研究水平的不断进步，炼钢方法由以前的一炉直接出钢发展为炉内初炼和炉外精炼两步炼钢。目前这种以超高功率电炉炼钢、炉外精炼和连铸组成的工艺路线被称为最佳工艺流程。电炉炼钢主要指电弧炉炼钢，其他电炉如感应 电炉、电渣炉等所炼钢数量很小，因此电弧炉炼钢在冶炼工艺中的地位是十分重要的。电弧炉是实现炉内初炼、生产粗钢的重要冶炼设备。冶炼过程在电弧炉内进行，靠电极和炉料间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化废钢料和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法。电炉炼钢一般是以从各处搜集的废钢铁作为固

28、体炉料，安徽工业大学 马钢三钢厂 50 吨电弧炉自动控制系统设计 共 76 页 第 3 页 所以电弧炉利用电极把电能转化为热能使炉料熔化并使之升温，然后在本炉或精炼炉中进行精炼，去除钢水中的气体有害元素及杂质，测定并检验化学成分 ,调整到成品规格范围，同时使钢液在 出钢时达到适合浇铸的温度。炼钢电弧炉根据炉衬的性质不同，可以分为碱式电弧炉和酸式电弧炉。由于炉衬性质不同，炼钢过程中所采用的造渣材料也不一样，碱式电弧炉用碱性材料造碱性渣，以石灰为主，而酸式电弧炉则是以石英砂为主材料造酸性渣。碱式电弧炉和酸式电弧炉各有其优缺点。碱式电弧炉能利用碱性炉渣有效去除钢中的有害元素磷、硫，适用于以钢锭和连铸

29、坯为产品的电炉钢厂。而酸式电弧炉渣阻止气体透过的能力要大于碱性渣，因此使钢液升温快，比较适合异型铸造车间。电弧炉炼钢用电能加热能精确地控制温度。因为炉内没有可燃烧气体，所以可以根 据工艺要求在各种不同的气氛中进行加热，也可以在任何压力或者真空中进行加热。 综上 ,由于电弧炉的上述特点，能保证冶炼含磷、硫、氧低的优质钢，能使用各种元素（包括铝、钛等易氧化的元素）来使钢合金化，冶炼出各种类型的优质钢和合金钢。电弧炉炼钢由于要将电能转化为热能，在炼钢过程中需要消耗大量的电能，是工矿企业中大的电能用户。在生产到销售的整个环节中，节省电能成为降低生产成本的重要环节，因此如何节约电能、提供最佳的供电曲线、

30、给定一个最佳的电弧电流设定值成为许多国内外专家学者的研究方向。 1.3 电弧炉工艺发展概况 电弧炉炼钢技术发展至今已有近 100 年的历史，其钢产量在世界钢总产量的比例逐年上升。经过世界相关专家多年的研究使得电弧炉炼钢本体技术的不断完善，相关技术的不断涌现并不断充实到电弧炉炼钢工艺流程中，并且他吸取了其他炼钢方法的重要功能使电弧炉对原料适应性不断增强 ,能源的损耗不断减少 ,控制性能不断的完善。 表 1-2 世界历年来电炉钢占钢总产量的比例 表 1-3 我国历年来电炉钢占钢总产量的比例 年代 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 电炉钢量比（ %） 1.2 2.0 2.3 6.9 9.7 13.8 22.0 27.4 33.5 38.5 年代 1950 1960 1970 1980 1985 1988 1993 2000 2005 2010 电炉钢量比（ %） 12.38 17.15 22.17 19.1 21.15 20.05 21.8 22.5 28.4 33.5