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UniMAT PLC在 10M2豎爐控制系統中的應用

 

一、系統設計的依據

本系統依據某公司新建10M2豎爐工程的總體圖紙資料對電氣、儀表、自動化控制系統的要求,經過與甲方相關工程技術人員進行交流,并在我公司同類系統的成功經驗及豎爐生產的工藝要求、系統結構、主要功能基礎上進行設計的。

系統包括高壓、低壓、儀表及自動化四個部分。在此,我們主要介紹豎爐自動化控制系統。


二、 系統概述

2. 1  主要功能說明及設備

工藝中采用了大量的儀表、傳感器,用于采集溫度、壓力、流量等數據,我公司將多種信號集成于計算機自動控制系統實現了生產過程中工藝參數的實時監測及控制。

 豎爐自動化系統采用全網絡、全數字化結構,采用西門子S7-300PLC和億維UniMAT的I/O模塊構成、研華ADAM模塊與上位機組成電控、儀控、計算機控制的“三電”系統結構。

豎爐生產工藝主要設備有:配料、烘干、造球、生篩、布料、焙燃、卸料、成品卷揚機等。輔助設備有:鼓風機、循環水泵、軟水泵、煤氣加壓、汽包冷卻、電除塵、稀油潤滑、電氣自動化系統和儀表系統等。

2. 2  工藝概述

豎爐球團生產是一個集制氣、潤磨、配料、烘干、造球、布料、燒結、卸料等于一體的復雜過程。首先,來自原料廠粉末狀鐵精礦與膨潤土,按照一定的配比,經過配料系統后形成混合物料,由皮帶機運至烘干機,經過烘干機除濕并混合均勻后送入圓盤造球機,使原料形成一定大小的圓球(生球)。然后,生球經過布料車布料后進入豎爐,對生球按照一定的規律進行燒結,形成的成品球輸出到成品球料場,作為煉鐵的爐料。

生產中最主要的控制環節為豎爐本體工段,其工藝流程如圖1 所示。從造球工段來的生球通過布料車送到烘干床上;烘干后的生球送入豎爐后,要經過預熱、培燒和均熱帶,生球在這三個溫度帶中進行熱交換,所需要的熱量均來自于豎爐本體的兩個燃燒室;高溫熟球經冷卻后,通過齒輥的轉動,排出到電磁振動給料機上;最后振動給料機將熟球送至出料小車運至料場。


三、 系統要求

從功能上看,豎爐系統由四個環節組成,各環節工藝過程和影響因素如下:

3.1溫度控制環節:

豎爐內溫度分布是球團礦質量的決定因素之一,一般認為豎爐焙燒球團礦存在五個帶,分別為干燥帶、預熱帶、焙燒帶、均熱帶和冷卻帶,理想的溫度分布曲線大致如圖2 所示

                         圖2

      實際上,豎爐溫度分布往往很難形成明顯的溫度帶,因此想要直接精確地控制其溫度是不可取的。通常采用控制燃燒室的溫度來間接控制豎爐中的溫度。影響燃燒室溫度的主要因素是煤氣和助燃風的流量,所以在溫度控制環節中,主要是控制煤氣和助燃風的流量。

3.2空氣控制環節:

它是非常重要的,不僅是溫度控制環節中的助燃風,而且研究和應用表明,改變氣流成分和分布(主要是冷卻風) ,可以一定程度上改變爐內部溫度分布。

3.3布料控制環節:

布料均勻對優化焙燒和爐況是非常重要的。造成布料不均勻的因素主要有:生球來料不均勻、布料車的工作機制等。在此系統中假定生球來料均勻,針對布料車的工作機制,我公司通過引入PLC邏輯控制,以達到料車的動作要求。

3.4卸料控制環節:

影響均勻卸料和保持物料平衡的主要因素有:爐內物料的結塊狀況和卸料機制等。如果在卸料機制方面做到勤排或連續排料,對改善爐況是比較有利的。卸料口的物料檢測非常重要,一方面可用于物料平衡控制,另一方面可用于預警和報警,如果爐內有燒結現象,在卸料過程中會有反映,預警功能會提醒崗位工人馬上處理,把故障消滅在萌芽狀態。

 

四、系統配置與功能實現

根據以上對豎爐系統設計思想、工藝通過分析, 采取控制方案如下:

4.1、自動化系統組成

   自動化控制系統根據功能設置為:原料系統、烘干系統、造球系統、生篩布料系統、豎爐本體系統,分別對本系統內的電氣、儀表參數進行監測和控制.原料配料部分主要由單片機構成的皮帶秤控制系統、生篩布料系統分別由PLC進行工藝控制;豎爐本體系統由研華數據模塊進行工藝控制,以上各系統配用網絡通訊模塊,保證上位機與PLC的正常通訊及便于在線監視及在線修改,由上位機進行監控和發布指令,完成對豎爐的整個工藝生產過程的控制。

4.2  控制功能

該系統主要完成以下四種功能:

4.2.1數據采集

ADAM數據采集模塊負責采集煤氣、助燃風、冷卻風的流量、壓力及豎爐各部位的溫度,經過處理后,把對應的有效工藝參數通過通訊模塊傳給豎爐工段工控機,由上位機根據設定的算法來進行自動調節。

例:壓力測量的變換單元均采用精度0.2級的電容式壓力變送器,變送器產生一個與實際壓力相對應的4~20mA信號再由研華模擬量采集模塊接收,在組態畫面上顯示實時的壓力值。

4.2.2閥門控制

閥門控制主要是對各個電動調節閥的開度量大小進行控制。閥門控制器的輸入控制信號為4~20mA 電流信號,電動調節閥產生4~20mA的閥位反饋信號輸出。閥門控制系統由伺服調節器和ADAM模塊構成,控制信號通過工控機發送給控制模塊,控制模塊輸出控制信號給操作器,操作器輸出控制信號驅動執行機構使電動調節閥達到指定開度,并反饋閥位開度信號,通過數據采集模塊傳給工控機。

4.2.3生產過程控制

控制的主要對象是布料車和卸料機、造球工段圓盤給料機、造球工段圓盤造球機、皮帶等。考慮到生產過程中各設備之間的配合與聯鎖,及控制系統的安全、穩定和可靠性要求,采用西門子300CPU和億維的分布式I/O系列模塊進行控制

4.2.4用戶界面

用戶界面功能主要包括:處理來自數據采集系統的生產工藝參數,形成生產中的用戶界面;根據工藝參數,采用相應的控制策略和算法,形成合理的控制量輸出給閥門控制系統或生產過程控制系統;各生產過程工藝流程圖顯示;重要工藝參數的實時顯示、歷史趨勢圖顯示;故障報警和事件記錄顯示、煤氣用量報表顯示等。


4.3、控制系統的組成



4.3.1 豎爐系統的控制

豎爐系統的控制主要包括:原料控制系統、造球室系統、烘干控制系統、生篩布料、焙燒系統、成品系統;輔助系統:循環水泵房、軟水站系統、鼓風機站系統、電除塵系統、煤氣加壓系統等幾大系統. 以下將對各部分分別予以闡述

4.3.2 原料控制系統

原料系統主要由圓盤給料機、皮帶秤組成,設備采用變頻調速對圓盤進行控制,可以根據需要的料流隨時進行調節。控制方式:集中控制和機旁手動相結合的方式,機旁時可以根據需要進行手動調速,并與機旁箱上的速度顯示表進行對照達到速度要求,集中時可在上位機通過組態畫面進行料流速度設定,在畫面中輸入相應的參數,系統可根據設定的參數自動調整圓盤給料機與皮帶秤之間的匹配速度,配好的原料由1#皮帶送至烘干機。此系統主要由單片機自動控制的邏輯過程來完成。

4.3.3 烘干機控制系統

由1#皮帶機送進的原料,經振動給料斗送入烘干機。烘干機系統由烘干機、助燃風機、加料皮帶、倉壁振動器、儀表組成,用于原料廠粉末狀鐵精礦與膨潤土按照一定比例混合的原料,經過烘干機去除多余的水份并使原料混合均勻。烘干機采用軟啟動進行控制,減少電流沖擊。

烘干機控制的聯鎖條件為:2#皮帶運轉→烘干機1#皮帶

儀表監測點如下

溫度測量:共有兩點,燃燒爐出口溫度1點、烘干機尾罩溫度1點。

壓力測量:共有兩點,分別為助燃風總管壓力、煤氣總管壓力。

流量測量:共有1點,煤氣總管流量。

儀表柜上配有手動/自動調節儀,進行對煤氣總管壓力和燃燒爐出口溫度的調節。

4.3.4 造球系統

圓盤造球機把烘干混合均勻后的生料制成一定大小的圓球(生球)。系統中的圓盤給料機均由變頻控制,造球機由軟啟動控制,因生產中對原料中的水份難以控制且要求球的大小均勻,需操作工對此進行實時觀察并采取相應的措施,因此控制方式采用自動的PID不太適用而多為手動,在每臺圓盤造球機處配有機旁操作箱,通過調節電位器來控制圓盤給料機的速度及電振、造球機的啟動停止。造好的生球由4#皮帶運至生篩機。

4.3.5篩分焙燒系統:

從造球機出來的生球經過篩分、布料車布料后進入豎爐,對生球進行燒制,各設備之間的聯鎖如下:

    

4.3.6本體焙燒系統:

需要控制的對象主要包括:煤氣總管、支管電動調節閥,助燃風總管、支管電動調節閥,冷卻風總管流量電動調節閥,布料車和卸料機。為了充分發揮設備的性能,保證整個生產過程安全可靠,自動控制系統采用兩級計算機控制方案,上位機采用工控機,下位機采用西門子PLC 和億維的UNIMAT的I/O模塊。

對于自動布料系統,主要是開環控制,控制布料車來回行駛的速度,以實現布料均勻。對豎爐溫度控制環節,采用PID 和神經網絡相結合的控制方法。

豎爐溫度控制環節主要是控制燃燒室的溫度在工藝要求范圍內,可運用兩個閉環PID 調節回路構成煤氣、助燃風比例調節系統以控制燃燒室的溫度。其系統控制框圖如圖3 所示。

                                        圖3  豎爐溫度控制框圖

其中PID 控制器設計為單神經元自適應PID控制器,可動態地調整PID 控制器的3 個參數,以滿足實時控制的要求。


4.4各控制系統監控畫面如下

4.4.1焙燒系統畫面中如下圖:

通過此畫面可以對焙燒各點溫度、壓力、流量、閥門開度進行監控,并可以對各調節閥門進行調節。畫面還包括汽包液位、軟水泵的啟停、運行狀態等。

4.4.2 生產中對煤氣的用量要進行報表記錄,以方便對煤氣的使用情況進行定時統計,給生產調度帶來方便。煤氣累計流量報表畫面如下:


4.4.3 溫度曲線有兩部分:<溫度曲線一>主要為燃燒室各點溫度、焙燒帶溫度、均熱帶溫度。<溫度曲線二>主要為烘干床、排料、煙罩溫度。通過此曲線可以分析生產中各段溫度。使各點溫度與工藝要求對比,給生產操作帶來依據。


4.4.4 報警畫面:包括主畫面中所有的點,通過設置上限、下限或狀態可對采集的參數進行有效的報警,提醒操作人員及早發現以便對問題及時進行處理。也可在發生故障后通過報警記錄對問題進行分析,防止以后類似問題再次發生。


4.4.5 煤氣流量曲線:可觀察不同時刻點的流量,實時進行監控。


4.5   高壓系統在此不作說明

 

五、使用效果分析

    本自控系統在滿足技術要求的情況下,根據各設備的工作要求,選擇了西門子(SIEMENS)公司的PLC-300系列CPU和億維的I/O模塊構成,提高了系統穩定性,又在一定程度上節省了系統成本。該系統在投入運行后狀態良好。



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