1、 铁厂烧结配料的 PLC 控制系统的设计 第一章 绪论1目前，国内外大部分烧结厂主要是通过控制原料场和配料系统来实现对烧结矿化学成分的前馈控制。这里主要介绍自动配料系统。配料精度在很大程度上取决于所采用的配料方法，20 世纪 60 年代以前，国内烧结厂大多采用容积配料法，60 年代以后，开始采用重量配料方法。目前大多数厂是按重量配料法进行的（如图 1 所示配料系统中的铁精矿是从集料胶带机上的电子皮带秤得出流量信号与设定配料量进行比较的，通过控制器改变圆盘给料机的转速以保持精矿配料量不变，而辅助原料则是通过给定量胶带给料机实现定量给料的。系统设有各种原料的配比设定和总给料量的设定，可以根据各原料
2、情况按烧结矿的要求灵活改变配比。而 PLC 是面向工业发展起来的一种新型的工业控制器, 它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与传统继电器控制系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来, 且其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点, 在工业生产过程控制中得到了广泛的应用。近几年, 在电石厂、冶炼厂、钢铁厂等重型工业的配料系统和输送系统中广泛采用了 PLC 控制, 改善了工人的工作环境, 精简了操作人员, 减少了配料中的人为误差, 取得了良好的经济效益。2.研究意义（1） 提高烧结成分的稳定性对高炉顺行、对增铁节焦具有重大意义，搞好配料是高炉优质、高产、低耗的先决条件
3、。实践证明烧结矿成分的波动将会破坏高炉顺行。例如，烧结矿含铁突然升高或降低时（即使波动只有1%-2%）都会引起高炉炉温急剧下降或升高。炉温波动过大，会引起炉矿失常并造成生铁成分不合格。炉温过高，生铁含硅量易出格，炉温过低，脱硫不好，生铁含硫量易出格。所以在烧结矿成分波动较大的情况下，高炉操作往往被迫有较多的风温储备并将炼铁含硅量（炉温标志）和碱度保持在 较高水平。实践证明每升高或降低 100 风度，相当于降低或升高 30kg/t 左右，生铁含硅百分之零点五相当于 20kg/t 焦比。（2） 精心配料是获得优质烧结矿的前提。适宜的原料比可以生产出足够的性能良好的液相，适宜燃料用量可以获得强度高、
4、还原性能良好的烧结矿，适宜的烧结料透气性可以提高烧结矿产量。烧结配料系统是烧结机的重要上游设备,担负着为烧结机乃至高炉供应多种生产原料的任务,改造前采用的是 13 台调速电动单元组合手动闸门,采用人工手动控制,下料量需由操作人员手动从下料处捡斤,通过磅秤测量,精低、劳动强度大,严重影响了配料质量,已不能满足公司生产的需要。因此,必须运用可靠的自控系统,提高其生产效率。3 铁厂烧结基础知识及相关技术分析 从人类开始学会炼铁到 20 世纪以前的漫长岁月，炼铁生产都是以天然矿石为原料。天然富矿的储量原本就不多，随着时间的推移和工业的发展，对铁的需要不断增加，而天然富矿日趋枯竭；在开采块状富矿的同时，
5、又产生了堆积如山的富矿粉；在高炉生产中排放的副产品（炉尘）同样也堆积如山，甚至造成灾害。经过前人长期的探索和实践，找到了从贫矿中提取精矿，以及把精矿粉、富矿粉和炉尘等不能直接如炉冶炼的粉状物料加工成品位高、冶炼性能好的块状熟料的途径，即生产除了人造富矿烧结矿。生产过程烧结生产的主要产品是为高炉炼铁提供的人造富矿烧结矿，这是将贫矿经过烧结变成富矿的生产过程。所谓烧结矿，是将各种粉状含铁原料，配入适宜的燃料和熔剂，经过均匀混合，然后利用烧结设备进行烧结，在燃料产生高热和一系列物理化学的作用下，部分混合料表面发生了软化和熔化，产生一定数量的液相，并润湿其他未熔化的矿石颗粒，在冷却后，液相将矿粉颗粒黏
6、结成块。烧结矿的生产工艺主要有原料的组织、原配料、混合、烧结过程及冷却和筛分。主要生产设备有翻车机、矿槽、给矿机、空冷机、成品筛等烧结车间生产工艺流程见图 3-13.1.3 生产活动烧结生产的主要生产活动包括：精矿粉的装卸，石灰石、白云石、碎焦、无烟煤等经过破碎与筛粉，使其达到烧结原料所需的粒度，按生产工艺要求，通过贮矿槽圆盘给料机、皮带秤，将各种原料、燃剂按一定比例配制成混合料，该过程主要由计算机自动控制，但需操作人员现场巡查，作业环境的粉尘污染大。配好的原料由二级圆筒或混合几 6 进行加水混合，主要目的是将料混合造成小球，以利用于烧结，该过程主要是自动化控制，但需操作人员现场巡检。混合好的
7、原料由皮带机输送到烧结机进行布料，点火烧结。该过程为机械化、计算机过程控制，看火工观察燃料情况，调整火势。该作业环境温度高，烧结机尾粉尘量大。烧结好的烧结矿经过破碎、冷却、筛分后，变成成品烧结矿，由皮带机输送到高炉，供炼铁用。该过程为机械化、自动化操作，作业人员负责巡回检查设备运转情况烧结。烧结生产不同生产区域主要工种分布及生产活动范围情况见表 3-2第二章烧结配料系统组成及其计算机控制系统功能2.1 配料工艺过程简介随着钢铁工业的发展，现在的富铁矿己经不能满足需求，这样必须采用含铁 t较低的贫矿，但贫矿不能直接入炉炼铁，必须经过破碎、筛分和选矿，使其成为含铁较多的富矿粉，而这些粉矿仍不能直接
8、入高炉冶炼，必须经过造块，造块的方法之一就是烧结法。烧结的目的，是将碎矿石在高温下固结成适合于冶炼的矿块，改善铁矿石的冶金性能，除去有容杂质，为高炉提供具有合理的化学成分和物理机械特性的块状料。烧结过程主要包括原料、燃料的接受和贮存，熔剂、燃料的准备，配料，混合，点火烧结，热矿筛分、冷却，冷矿筛分及破碎，铺底料，成品的贮存及输出，返矿贮存等工艺环节。概括起来说分为烧结配料和混匀料烧结两个方面。一般来说，烧结的配料过程指的是从配料矿仓开始，经过一次混合和二次混合后，到烧结室的配合料矿仓为止。烧结原料包括铁矿粉(原矿和精矿粉)、熔剂(石灰石、白云石或生石灰)、燃料焦粉或无烟煤)、附加物(硫酸渣、轧
9、钢皮、钢铁厂回收的粉尘、铁屑等)及返矿。按一定的比例配合的烧结原料经过混合后成为混匀料，混匀料不仅要有一定的化学成分，而且又要具有一定的化学成分稳定性和良好的透气性。因用于烧结的含铁原料、熔剂和燃料的品种甚多，而且它们在化学成分和物理性质方面又有很大差异，所以必须根据炼铁对烧结矿化学成分的要求以及原料的供应状况把各种原料按一定的比例进行配料，因此，在现代烧结生产过程中，需有专门的配料作业。这样，通过烧结生产出来的烧结矿才能在化学成分方面和物理性能方面都合乎高炉炼铁的要求。配料的方法有容积配料法和重量配料法。容积配料法配料量由于原料堆积密度随其水分以及料仓料位的不同而发生变化，配料比易发生较大误
10、差。重量配料法配料准确，对添加量少的物料(如燃料、生石灰等)，采用重量配料法更为必要。经过混匀的原料，品位波动范围很小，尤应采用重量配料法。配料过程可以采用集中配料和分散配料。集中配料是把准备好的各种烧结原料全部集中到配料室进行配料;分散配料则是把烧结原料分为若干类，各种原料在不同的地方进行配料。与分散配料相比，集中配料具有如下优点:(1)配料准确。在系统启动和停机时或者改变配比时不会发生配比混乱，各种原料集中在配料室配料时，配料仓位置差异对配料的影响，可以借助 PLC 通过延迟处理使各矿仓的排料量设定值能按矿仓位置的先后顺序给出，从而使配料系统在顺序启动、停机或改变配比时不发生混乱。而采用分
11、散配料时，矿仓位里的差异对配料带来的影响不易消除，当配料系统和烧结系统的生产 t 不平衡时往往容易引起配比混乱。(2)便于操作管理，有利于实现配料过程自动化。(3)配合料的输送设备少，有利于提高作业率。因此，新建烧结厂或烧结厂配料系统改造的方向是采用集中式重 t 配料的方法。2.2 配料系统的组成本溪钢铁公司二铁厂共有 75m烧结机 5 台，正常情况下由两个配料系统进行供料.配料系统将各种原料存放于不同的料仓，根据高炉生产的需要把各种原料在集料皮带上进行混合。为了达到所需要求，需对各给料设备进行控制，以此来控制各原料的下料 t.两个配料系统的示意图如图 2.1 和图 2.2 所示。图 2.1
12、配料系统示意图料系统有两种工作方式:即手动控制和自动控制。都是通过控制台上的选择开关来实现的。它有三个选择位置，中间位置为零位即非工作状态，在+450 位 W.时是处于自动工作状态，通过微机，可编程进行顺启动、顺停止和同启动、同停止自动控制。而处于一 45“位置时，是属于手动状态，通过控制台上或机旁仪表箱的控制按钮进行控制。在进行自动控制时有三种控制方式;第一种是按物料流动方向顺序启动各种给料设备;01 03 0507第二种是停机时，按物料流动方向顺序停止各给料设备;第三种是配料系统在作业中，遇到特殊情况时进存同停，正常后方能同时启动.物料全部流 t 参数均在操作台上进行集中给定。为了提高给定
13、值的精确度，装有五位数显示电压表。在系统设备出现事故时，有事故报警。这时可按解除按钮，以消除音响，而灯光保留到事故处理完毕恢复正常为止。配料自动控制系统如图 2.3 所示图2.3配料自动控制系统方框图2.3 配料 PLC 控制系统功能通过分析配料的工艺过程，新配料系统应具备如下控制功能。(一)上位机通过菜单提示，人机对话方式进行设定、操作，做到简单、易行.上位机显示的画面有:工艺流程图、模拟显示图、流量和累计量的趋势图、配比计算图、累计量计算图、校秤显示图。(二)配比、流量、累计 t 的计算， 8-(1)配比计算:根据每台秤的配比和总料量自动完成设定流量的计算。(2)流量计算: 程序控制器根据
14、采集的物料量和皮带速度计算皮带机的瞬时运送物料量。(3)累计量计算:根据每台秤的流量和累计时间计算每台科的累计量，根据每台秤的累计量可以算出配料生产线的班产量、日产量、月产量及年产量。(三)配料的自动控制 :根据每台秤的设定流量和实测料流量的差值，通过 PID 运算和物料量的补偿运算来自动调整皮带机和圆盘机的转动速度，使得瞬时流量更接近于设定流量，从而完成配料过程的自动控制。(四)系统的联锁启动和停止(1)顺序启动与顺序停止:在正常情况下，根据软件的设置，设备将按照一定的顺序和一定的时间间隔进行启动和停止。(2)紧急停止与同时启动:当系统出现不正常情况而需紧急停车时，则需按紧急停止方式操作，设
15、备将立即同时停车，在此状态下，再次恢复设备运行时，需按称量皮带 压力传感器 A/D定量和圆盘机 调速电动机 双头切换开关手动操作器PLC系统同时启动，由此产生的物料配比的失衡需通过控制系统相应软件进行自动修正.(五)系统的单机启动与停止:该操作方式只是在安装设备过程和调试阶段以及上位机、下位机出现故障的情况下才运用，它通过现场操作箱中的工作方式选择开关以及上位机的功能操作来设定，从而进入单机启动、停止的操作状态。(六)皮带秤的标定 :包括秤的自动调零、半自动调零和满度调整。(七)系统的自动与手动方式:在自动方式下，系统是处于闭环状态，实测料流 t与给定流量之间的差值是通过系统的闭环控制来逐渐减
16、小而趋于零。手动方式下系统处于开环状态，即操作人员通过键盘操作来改变实际料流 I 以使其接近于给定流 t，此种方式只是在特殊情况下才采用。(八)双机并行功能 :两台上位机经数据高速通讯接口与两台下位机 PLC 相连，根据通讯定义，两台上位机可与任意一台 PLC 进行通讯与联机操作。(九)各种报带功能(1)各种电机故障: (2) 断料故障; (3)下料偏差故障。(十)数据处理与打印(1) 生产报表的制备与数据的存储; (2)定期报表的打印。根据系统的控制功能，进行系统的硬件设计和软件设计。本文将在后而的章节中对系统的硬件设计和软件设计做详细论述第三章 PLC 配料自动控制系统的控制方案3. 1
17、总体设计为了更好地完成配料过程的自动控制，要根据配料的工艺过程和设备状况提出各种控制功能，并构成比较先进的控制系统。3.2 配料系统工作原理某铁厂烧结的自动配料生产工艺流程见图 3.1。配料系统是铁厂烧结中系统的重要组成之一。原材料铁精矿、高炉灰、白石灰、燃料通过破碎、筛选后, 由配料系统按照其大小不同分别送入圆盘给料机, 每个料仓下有一个称量电子秤。根据冶炼工艺要求, 配料操作人员分别在铁精矿、高炉灰、白石灰、燃料和附加料的电子秤设定所需质量值和料的批数。按下启动按扭, 首先电子秤测量称量料斗的皮重, 将皮重存入电子秤并显示皮重, PLC 检测源盘给料机、称量料斗仓门的合位信号, 当各料斗门
18、合位到位, 启动配料皮带, 输出控制信号打开料仓下的气压阀, 开始下料, 配料皮带将料送入称量料斗 (每个称量料斗内装有两个称量传感器) , 电子秤连续检测称量料斗的质量并连续显示质量值当质量值达到该称量料斗的设定值时, 电子秤给 PLC 发信号, PLC 输出信号关闭料仓阀门和配料皮带电机, 停止给料, 然后启动运料皮带, 开启称量料斗底门, 运料皮带将物料送入斜桥料斗, 料斗通过斜桥将物料送入四层环行布料小车, 完成一个称量运料过程。当斜桥料斗送完物料返回到装料地沟处时, PLC 进行下一个配料过程。PLC 记录配料批数, 当配料的设定批数到时, 所有的设备停止运行, 处于准备状态, 等待
19、下一个炉顶要料信号的到来。当要料信号到来, 需要第二批上料时, 重复上述操作过程。3.3 系统的组成配料系统组成框图见图 3.2。它主要包括: 4 台电子秤(每个称量料仓放置 2 个称量传感器) , 4 个料仓, 4 条配料皮带, 2 条运料皮带, 1 个斜桥料斗电机, 8 个气动电磁阀。1）斗式电子秤的工作原理和功能该电子秤是型号为 PGL-1400 滚轮式皮带秤，由 2 个装于料斗底部的应变式重力传感器和信号处理部分组成, 其额定载荷为 250kg, 带宽 1400mm 承重台长度2000mm 它的输出信号驱动其微型输出继电器, 以开关量形式将信号送入 PLC, 它有调零、去皮重、加皮重和
20、拨码盘设定称量值等功能, 每个电子秤采集 2 个称量传感器的输出信号, 求其平均值, 所以其称量精度高。2）PLC 的选型由于该系统的控制量为开关量, 根据控制要求和可编程控制器的性能特点, 选择三菱公司的 FX2N 40MRPLC。FX2N 系列的特点是采用积木式模块化结构, 系统构成灵活, I.O 口扩展方便, 指令丰富, 编程方式多样化 , 既可使用梯形图语言, 又可使用 SFC 方式3.2 配料系统组成框图模拟盘及各种指示灯料斗合位信号运料斗在装料位 PLC 主机输出接口 电子秤的输出 数显仪表仓料底门电磁气动阀称量料斗底门气动阀配料皮带电机 运料皮带电机铁精矿 高炉灰炉灰白石灰 燃料
21、定量圆盘给料机定量皮带给料机配料皮带称量料斗运料皮带环形布料小车烧结炉布料管炉顶料仓图 3.1 艺流程图3.4 可编成控制器（PLC）介绍1）可编程控制器（Programmable Controller）简称 PC，个人计算机(Personal Computer)也简称 PC，为了避免混淆，人们把最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做 PLC （Programmable Logic Controller） 。可编程控制器的历史只有 30 多年，但发展极为迅速。为了确定它的性质，国际电工委员会(International Electrical Committee)多次发布及修订有关 PLC 文件。在
22、 1987 年颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 作了如下定义：“PLC 是一种专门为在工业环境下应用设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式是输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计” 。可编程序控制器随着计算机技术和微电子技术的发展而发展，随着微处理器的进步而进步，从1位机发展到8位机，进而发展到16位，32位机，并实现了多处理器和多通道处理。此外，通信技术，网络技术使可编程序控制器
23、得到了更为广泛的应用。可编程序控制器正朝着硬件体积小，容量大，速度高，集成度高，模块化，网络化的方向发展。可编程序控制器的软件也向简单易行，使用方便，功能强大，便于进行模拟和数字控制，便于网络通信，便于实现复杂或者分散控制任务的方向发展。2)可编程序控制器具有以下特征：(1) 可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个 PC 生产厂都可将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使 PC 的平均无故障时间达到 30 万小时以上，使用寿命长。(2) 控制功能强。PC 具有逻辑判断、 计数 、定时、 步进、 跳转、 位移、 记忆、 四则运算合数据传送等功能，可以实现顺序控制 逻辑控制 位置控制和过程控制等等。(3) 编成方便，易于使用。PC 采用与继电器电路相似的梯形图编制，比较直观，易懂易编，深受电器技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。(4) 适用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。(5) 具有各种接口，与外部设备连接非常方便。(6) 采用积木式结构或模块式结构，具有较大的灵活性和可靠性，扩展灵活方便(7) 维修方便。PC 上有 I/O 指示灯（LED） ，哪个 I/O 元件有故障，一目了然。(8) 可根据生产工艺要求或运行要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。3
