基于S7-200的高炉泥炮控制设计(26页).doc

-基于S7-200的高炉泥炮控制设计-第 21 页 毕业设计（论文）题目 基于S7-200的高炉泥炮控制设计学生姓名 学号 专业 班级 指导教师 评阅教师 完成日期 年 月 日学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：_ 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：_ 年 月 日 导师签名：_ 年 月 日 目录摘要1前言21 绪论31.1 高炉泥炮的概述31.1.1 高炉泥炮的意义31.1.2高炉泥炮工作的基本流程31.1.3我国高炉泥炮存在的问题51.1.4高炉泥炮在国内外的发展前景51.2泥炮工艺流程中传感器的技术特点71.2.1压力传感器的介绍71.2.2温度传感器的介绍71.2.3超声波流量传感器的介绍71.3 PLC的主要应用近况71.4泥炮驱动系统91.4.1液压系统作用及组成91.4.2气动系统主要特点101.5 3200m3泥炮液压系统简介112.系统设计方案152.1控制系统设计要求152.2控制系统结构图设计152.3液压系统原理图及工作过程描述162.4液压系统油泵电机电路图及简述173设备选型183.1控制器的选择及I/O口的分配183.2所用测量设备选型203.2.1压力测量设备选型203.2.2温度测量设备选型213.2.3流量测量设备选型224程序设计234.1高炉泥炮工业控制流程图234.2程序设计255基于MCGS的人机组态界面315.1 MCGS与PLC的网络通信315.2高炉泥炮的人机组态界面设计326总结35致谢36参考文献37附录38基于S7-200的高炉泥炮控制设计学 生： 指导教师： （三峡大学 电气与新能源学院）摘 要:本次毕业设计主要阐述了基于S7-200高炉泥炮液压控制系统设计，简述了泥炮的工艺，液压系统原理，以及泥炮液压系统的工艺流程和控制系统从启动系统到停止系统的自动控制过程。本次设计包含：课题本身的背景、由来、意义、主要工艺类型、国内外高炉泥炮液压技术的发展现状以及对未来发展的展望；阐述了所需传感器、阀、PLC等硬件设备，主要进行了液压系统的工艺流程和控制设计；本设计主要选用的PLC控制系统的选型、硬件配置选择、I/O表编写的工作。关键词：PLC；高炉泥炮；液压系统Abstract: The graduation project is  mainly described  the  hydraulic control system design based on the S7-200 blast furnace clay gun, the process of the clay gun , hydraulic system and hydraulic system of the clay gun process and control system from the start the system to stop the automatic control system.The design includes: the background of the subject itself, the origin, meaning, the main process types, domestic and foreign blast furnace clay gun hydraulic technology development status and future development outlook; described the required sensors, valves, PLC hardware, mainly for process and control design of the hydraulic system; this design choice of the selection of the PLC control system, hardware configuration options, the I / O table to write the work.Key Words：PLC； blast furnace pulverized coal injection； hydraulic system.前言泥炮又称为堵出铁口机器。炼铁炉出铁后，必须迅速用耐火泥将出铁口堵塞住，堵铁口操作就是用泥炮进行的。泥炮需要在高炉不停风的全风压情况下把堵铁口泥压进出铁口，其压力应大于炉缸内压力，并能顶开放渣铁后填埋铁口内侧的焦炭。因而对泥炮就有一定的要求，泥炮的泥缸应具有足够的容量，保证供应足够的堵铁口泥，能一次堵住出铁口，打泥活塞应具有足够的推力，以克服比较密实的堵铁口泥的运动阻力，并将堵铁口泥分布在炉缸内壁上；此外，炮嘴应具有一定的运动轨迹，并能使炮嘴在进入出铁口泥套时，尽量沿直线运动，以免损伤泥套，在工作位置上应有一定的倾斜角度并能进行远距离操作。这样就能可靠的工作，并安全实施。按照驱动方式的不同泥炮可分为气动式、电动式和液压式。气动式泥炮由于活塞推力小以及打泥压力不稳定而被淘汰。目前我国高炉上广泛使用电动泥炮，由于高炉大型化和高压操作技术的实现以及炉前操作机械化的要求；再加上电动泥炮在实际使用中存在的问题，例如：外形尺寸大，特别是高度太大，妨碍出铁口附近的风口进行机械化更换工作；打泥活塞推力不足，尤其采用无水泥炮时；丝杠及螺母磨损快、更换困难等等原因；促使液压泥炮得到迅速发展。液压泥炮打泥推力大，打泥致密，能适应高炉高压操作；压紧机构具有稳定的压紧力，使炮嘴与泥套始终压得很紧，不易漏泥；泥炮结构紧凑，高度矮小，便于操作；油压装置不装在泥炮本体上，从而简化了泥炮的结构。鉴于液压泥炮的优点和电动泥炮的缺点，国内外都在研制液压泥炮。液压泥炮由打泥机构、压紧机构、回转机构、锁紧机构、和液压控制系统组成。打泥机构的液压缸与泥缸在同一种心线上，泥缸在前，液压缸在后。液压缸和泥缸之间用法兰和螺栓连接起来，并吊挂在炮架的小车上。在压紧机构中，用液压缸来代替电动泥炮压紧机构中的电动机、齿轮和螺母传动。液压缸活塞的前端与泥炮移动小车前轮的轴相联结。活塞杆做前后转移时就带动小车沿炮架的导向槽移动。回转机构采用特殊的回转油缸，由定叶用联接键和联接螺栓与固定的中心轴套相固定，动叶则用联接键和联接螺栓与回转缸体相固接。1 绪论1.1 高炉泥炮的概述1.1.1 高炉泥炮的意义文献1陈述了高炉泥炮的技术革命。所谓高炉泥炮，就是指从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的煤粉（无烟煤、烟煤或两者的混合煤粉以及褐煤），以代替焦炭向高炉提供热量和还原剂。泥炮是堵铁口的专用设备，是高炉的重要组成部分，它的意义在于：a.以低价的煤代替了日趋贫乏且价格昂贵的冶金焦，降低了焦化，使高炉炼铁的成本大幅下降。b.高炉泥炮可以作为一种调剂炉况的手段。c.高炉泥炮可以改善炉缸工作状态，是高炉稳定顺行。d.为高炉提高风温和富氧鼓风创造条件。因为喷吹煤粉会使风口前理论燃烧温度降低，导致理论燃烧温度降低的主要原因有：高炉喷吹煤粉后煤气量增加，加热煤气需要消耗热量；喷吹煤粉带入的热量少，而焦炭进入风口区时已被充分加热，温度高达14501500，而喷吹的煤粉温度不超过100；煤粉中的碳氢化合物分解需要热量。e.喷吹煤粉中的氢含量比焦炭带入的多，氢气提高了煤气的还原能力和穿透扩散能力，有利于矿石的还原和高炉操作指标的改善。f.喷吹煤粉代替了部分焦炭，不仅缓解了焦煤的供需紧张状况，也减少了对炼焦设施的投资和建设，更降低了炼焦生产对环境的污染。1.1.2高炉泥炮工作的基本流程根据制粉装置到高炉距离的远近、煤粉仓，喷吹罐安放位置的差异、喷吹管路的粗细、喷吹压力的高低、输送浓度的大小以及喷枪形式的不同，可以有直接喷吹、间接喷吹；串罐喷吹、并罐喷吹；总管喷吹、多支管喷吹；高压喷吹、常压喷吹；浓相喷吹、稀相喷吹和氧煤枪喷吹、常规枪喷吹等各种形式的喷吹。不同的设备结构和组合可以产生以下几种较成熟的工业性生产流程2。 a德国KvTTNER流程煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接流化小罐喷吹支管喷枪；支管上装有流量计和二次风入口，安装位置前者靠近喷吹罐出口，后者靠近高炉。近十多年来，KvTTNER公司又推出了一种新流程：煤粉仓并列喷吹罐流化小罐总管一分配器一支管一氧煤喷枪，并得到了更多的推广。新流程为双罐、双总管和双分配器形式，仍然使用氮气加压、流化，采用浓相输送。上钢一厂2500m3高炉泥炮选用的即是KvTTNER新流程，但是未用氧煤喷枪。此外，重钢高炉泥炮也选用了KvTTNER新流程(常规喷枪)，所不同的是该厂3、4、5号三座高炉共用一套喷吹装置，这套装置已于2001年11月投产，运行正常。b. 美国阿姆科(ARMCO)流程煤粉仓并列喷吹罐总管分配器支管常规喷枪。与新KuTrNER流程不同的是ARMCO流程使用3个喷吹罐，一根总管、一个分配器；总管既变径，局部还要变形，为确保足够的分配精度，分配器必须置于高炉炉顶，所有支管也必须等径、等长、等形状。加压、流化使用氮气，因为是稀相输送，所以还需添加压缩空气。宝钢1高炉泥炮即属阿姆科流程。c日本住友流程煤粉仓并列喷吹罐旋转给料器喷吹小罐总管第一分配器第二分配器支管喷枪。住友流程总管上装有压差式流量计与旋转给料器共同调节喷煤总量，控制和设备组成均较复杂，和歌山4、5高炉泥炮即为这种流程。d日本川崎流程煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接多支管喷枪；喷吹罐上出料，底部设有搅拌器并在支管出口处接人二次风(压缩空气)稀释。宝钢2高炉泥炮即属川崎流程。e卢森堡Paul Wurth流程历史上PW公司与KvTTNER公司曾有过一段较长时间的合作，因此无论新流程还是老流程，两家的差异都不大，基本上大同小异，仅在个别设备的选用上有出入。如老流程中PW用旋转给料器代替了KvTTNER的流化小罐；新流程中用声纳管代替了阻损管、用流化喷嘴代替了流化罐、增设泄压气回收装置等。武钢4、5号高炉泥炮选用的即是PW流程，已于2002年投产。f混合型流程煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接总管分配器支管喷枪；这是在上述多支管流程基础之上的一种改良流程。也可以称作混合流程。宝钢3号高炉泥炮用的即是该种流程。g英钢联粒煤喷吹流程煤粉仓、中间罐、喷煤泵三罐串接总管分配器支管喷枪；主要特点是用喷煤泵代替了传统的喷吹罐，中间罐与喷煤泵之间使用圆顶阀联接，同样条件下，喷煤泵工作压力通常小于传统喷吹罐工作压力，喷煤泵出口设有由变频电机驱动的旋转给料阀。斯肯索普安娜女王号高炉及克里夫兰4号高炉采用的即是典型的粒煤喷吹流程；其中，克里夫兰4号高炉的设计喷煤比竞高达匪夷所思的400kgt，是迄今为止煤比最高的设计。以上各流程均有吨铁喷吹200kg的能力和生产实绩，但无论是浓相或稀相，无论使用氧煤喷枪与否，抑或喷吹粉煤粒煤，近十年来新建喷煤装置采用较多的流程当属并罐、总管加分配器流程。1.1.3我国高炉泥炮存在的问题尽管我国高炉泥炮技术有了长足的进步和发展，但还存在下列问题：（1）.当打泥装置前进时，转炮装置会发生后退现象，并且系统运行时会出现动作保压不正常、冲击过大等现象，从而影响打泥质量。（2）.泥炮打泥堵口时，炮身出现明显的后座现象，泥炮很快从炮头周围挤出，挤出的泥块较大并堆积成堆，观察旋转油缸，油缸活塞杆慢速有节奏的往回缩，并且油缸无杆腔伴随着咔哒、咔哒的响声，响声较正常时大且节奏快。（3）.炮堵上口打泥时，炮身明显向后退，打入炉门内的泥炮很快被铁水冲出（俗称堵不上口）。这种现象很危险，高炉需要及时减压堵口或者休风处理。（4）烧结强度大，其突出的问题是在高炉上应用时，开铁口困难，有时只能使用氧枪冲开，破坏了铁口的结构。（5）抗侵蚀及抗冲刷性能差，表现在高炉上为铁口容易扩孔，影响了出铁，同时铁口无法维护。（6）潮泥现象，需要干燥的时间过长，出铁时炮泥没有干燥，开口机开口困难。（7）可塑性差，打泥困难。1.1.4高炉泥炮在国内外的发展前景（1）国内发展状况我国是产铁大国，有炼铁高炉上千座，炉容大小不等，小的不足100m3，大的超过4000m3。这其中的中小高炉居多，约占23。长时间以来，我国的中小高炉一般都同时设有出铁口和出渣口，在出铁前先通过出渣口放上渣。由于放上渣存在不安全等不利因素，最近几年许多炼铁厂已停止了放上渣操作，仅留有出铁口出铁渣熔液。铁口的打开方式一般都是钻孔法，即用带有冲击性的钻机在铁口中心将炮泥强制性钻出孔道，让铁水通过孔道排出炉外。铁水所用炮泥大部分是传统炮泥，这种炮泥以焦炭粉、粘土粉、铝矾土熟料及焦油沥青为主要原料，用水拌合，在混碾机中经一定时间的混碾成为高炉铁口所用的炮泥，因此这类炮泥称为有水炮泥。这种炮泥体积密度小，耐渣铁侵蚀性差，在堵高炉出铁口时，易造成铁口长度不够，在出铁期间往往跑焦炭，出铁放风，出不净渣铁熔液等，影响高炉正常生产。特别是随着各炼铁厂进行扩容改造后，产量增加，冶炼强化，这种炮泥不能满足铁口维护的需要，但由于其成本低，经改进后，仍在我国的绝大多数中小型高炉上使用，其单耗在1.0kgt铁以上。我国的大中型高炉一般都是20世纪80年代后改建或新建的，一般不设出渣口，仅设有1-4个出铁口，铁口每天排出的铁渣量很大，如宝钢两座4063m3的大型高炉，日最大出铁量为10000t，出渣量为3200t，出铁渣的速度为5.87.5tmin。要满足这些工作条件，有水炮泥显然不行，为此采用了另一类型的炮泥无水炮泥。无水炮泥一般由刚玉、碳化硅和焦粉为主要原料，同时配加不同的外加剂，以焦油作为结合剂。这种炮泥由于采用高纯原料，并以碳质原料为结合剂，其耐渣铁熔液的侵蚀性能比有水炮泥大为提高，可以使铁口出铁时间延长，降低出铁次数。另外，无水炮泥在使用中也有一个不断改进完善的过程。国内不少炼铁厂在无水炮泥的改进方面做了许多有益偿试，研制了多种类型的无水炮泥，或采用特殊材料作为炮泥的原料，如含钛炮泥等。（2）国外发展状况国外各主要产铁国家对炮泥的质量都十分重视，其发展经历了两个阶段。第一阶段为有水炮泥，和国内的相差不多，为满足现代大型高炉的生产需要，改善高炉出铁口状况，20世纪70年代初至80年代初，世界各国相继推出了无水炮泥。而实际使用无水炮泥后，铁口泥套的使用寿命提高10倍以上，出铁过程中消灭了喷焦炭现象，最早的无水炮泥都是用焦油作结合剂，但焦油在使用中遇高温铁水会产生烟雾，恶化工作环境。为克服这一缺点，日本和德国等国研制出了树脂为结合剂的无水炮泥。名古屋厂对以焦油和以酚醛树脂为结合剂的Al2O3-SiC-C系无水炮泥进行了比较，以酚醛树脂为结合剂的无水炮泥明显优越于以煤焦油为结合剂的无水炮泥。除结合剂方面的改进外，日本在1979年到1987年还先后开发了SiO2炮泥，高耐用性SiO2炮泥及特别耐用氧化铝炮泥。由于无水炮泥开铁口困难，日本于1985年开发出了插棒法开铁口，它结合改进炮泥，显著降低了炮泥的单位耗量和减少了出铁次数，达到最佳的出铁量，稳定操作以及减轻工人劳动强度的目的。总体来说，国外无水炮泥的生产注重选择优质高纯原料或人工合成原料作为炮泥的主要使用原材料，而且注意采用新型结合剂和外加剂，使得无水炮泥质量提高性能稳定，即可以长时间出铁，又可减少炮泥单耗。1.2泥炮工艺流程中传感器的技术特点1.2.1压力传感器的介绍压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及石油管道、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、液压机械等众多行业。压力传感器的工作原理是压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。液体介质流过一体化传感器时，流体压力作用到安装在传感器壳体上的不锈钢上，再经密封硅油传输到扩散硅膜片上，同时参考端的压力作用于膜片的另一侧。这样在膜片的两侧加上的压差产生一个应力，使膜片的一侧受压，另一侧受拉，一对应变片位于压缩区内，另一对应变片位于拉伸区内，将两对应变片接成一个全动态电桥，以增大输出信号。该电桥采用恒流源供电，以减小环境温度的影响。当压力改变时，桥臂阻值发生变化引起输出电压变化，经过差分归一化放大器放大转换后，再变换成相应的电流信号，该电流经非线性矫正环路补偿后，即产生输入压力信号成近似线性关系的直流420mA的标准输出信号1.2.2温度传感器的介绍温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻测量精度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。 1.2.3超声波流量传感器的介绍超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和积累系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接受到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。1.3 PLC的主要应用近况为工艺需求而诞生的 PLC，以其优越的性能，成为工业控制不可确缺少的装置，被广泛应用在工业的各行各业中。根据国外资料统计，在业控制中，顺序控制是工控不可缺少的一环，几乎任何一个过程控制和生产管理都是有步骤地进行的，因此都可以采用 PLC 工控中的 80%都由 PLC 来完成。目前国外 PLC 应用于自动控制这一领域占 60%，应用于数据管理占 20%，用于生产管理占 18%，用于人机接口占 22%。可见对于工控来说 PLC 占主导地位 ,而数据处理、 生产管理等目前计算机仍是主体。在中国的 PLC 市场中分为大型 PLC，中型PLC 和小型 PLC 市场。罗克韦尔自动化 Control Logix 占据着大型 PLC 市场的领导地位，其次是施耐德 Quantum 和西门子 ST400。中型 PLC 市场西门子份额最大，其次是 Omron 和罗克韦尔自动化。三菱、西门子在小型 PLC 市场份额较大。台达等小型 PLC 中也有一定的市场。西门子总体市场份额排名第一。 目前，PLC 已成为美国、日本、德国和英国等国家工业自动化控制的标准设备，它的应用几乎覆盖了冶金、石油、化工、建材、机械制造、轻工、交通、汽车、电力、环保及娱乐、食品等所有工业行业，成为自动化领域最重要、应用最多的控制设备。全球 PLC 发运件数1998 年为 1456 万件，1999 年为 1620 万件，2001 年达到 1778 万件。在 2001 年发运的 PLC中，按最终用户分:汽车占 23%，粮食加工占 16.4%, 化学药品占 14.6%，金属、矿山占 11.5%，纸浆、造纸占 11.3%，其他占 23.2%。2000 年 PLC 的销售额在控制市场份额中超过 50%。2008 年，PLC 的国内市场销售达到 60 亿元，其中进口约占 60%左右国内 PLC 的年均需求增长率为 15%，以满足石油、化工、电力及市政等行业技改的需要。 下面以汽车行业为例，介绍 PLC 的具体应用。采埃孚转向泵金城有限公司投资的转向泵自动装配线采用 S7-200 PLC 设计的一种程序控制系统，结合 Kistler 的 CoMo II-S 智能测量仪表，该系统实现了对压力和位移的高精度实时监控，保证了汽车转向泵的高质量装配要求。与 2001 年成功投入生产。奇瑞公司鉴于一期工程采用罗克韦尔自动化公司 A-B 品牌的 PLC 产品的良好运行状况，再次选用罗克韦尔自动化公司的 PLC-5 可编程序控制器、RSLogix 5 编程软件、RSNetWork 控制网组态软件以及 RSView 监控软件组成的自控系统，来控制二期工程的总装车间整个生产装配线，实现各项功能，满足整个车间对自动化控制系统的要求。此外，奇瑞公司二期工程的焊装输送线和涂装输送线也采用了罗克韦尔自动化公司的 A-B 品牌 PLC。海大众汽车二厂焊接车间主要生产桑塔纳 2000 型轿车的车身。由 44 台西门子公司的 PLC（由 S5-115U、S5-135U 和 S5-55U构成）分别控制六条生产流水线上的各种加工设备，使其相互协调地、连续地、自动地运行，使车间达到每 56 秒钟生产一部白车身的的生产节拍的能力。上海大众汽车有限公司应用SIEMENS PLC 为基础的控制系统，结合 Profibus 现场工业总线技术和 WinCC 工业组态软件的SCADA 技术，成功开发了高速旋杯自动静电喷涂机该监控系统，从 2004 年安装在现场运行至今，系统稳定、可靠。北汽福田公司选用 OMRON 的 CQM 1H 系列紧凑型 PLC，结合上位机和现场大屏幕，组成轻卡生产线的生产关管理系统，完成对轻卡的内饰、吊装等内容。 除了上述已经确切投入使用的 PLC 实例外，目前，各学校、企业对 PLC 的应用研究十分多。例如对铁路发电车的 PLC 逻辑控制研究，由三台 PLC 分别采集三台柴油发电机的水温、油温、机油压力、运行转速等，控制柴油机的启动及运行；基于 PLC 的重型载车自动调平系统采用 PLC 来控制大型军用车辆上的液压自动调平系统，以便实现精确打击、快速反应，以适应未来战场。又如台州学院结合汽车起动机耐久性试验的特点，给出了实现 PLC 控制的汽车起动机耐久性试验系统的研究方案；广州工业大学和广州机械科学研究院利用 PLC 对汽车制动软管爆裂试验台控制系统做了改进和研究等等。许多生产厂家还提出了基于 PLC 的各种汽车零件检验检测、汽车装配的行业解决方案。因此可以预计，不仅在汽车生产上，在汽车试验、汽车检测与维修、军工车辆及其它特种车辆上，PLC 都将得到更广泛的应用。1.4泥炮驱动系统1.4.1液压系统作用及组成液压系统的作用为通过改变压强增大作用力。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。（1）动力元件动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。（2）执行元件执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。（3）控制元件控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。 （4）辅助元件辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、快换接头、高压球阀、胶管总成、测压接头、压力表、油位油温计等。（5）液压油液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。 有一点机械常识的人都知道，能量会互相转换的，而把这个知识运用到液压系统上解释液压系统的功率损失是最好不过了，液压系统功率一方面会造成能量上的损失，使系统的总效率下降，另一方面，损失掉的这一部分能量将会转变成热能，使液压油的温度升高，油液变质， 导致液压设备出现故障。因此，设计液压系统时，在满足使用要求的前提下，还应充分考虑降低系统的功率损失。1.4.2气动系统主要特点气动技术是以压缩气体为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程自动化的一门技术，由于其传动介质为气体，具有安全、廉价、对环境无污染的特点，气压传动广泛应用于自动化生产线中，特别是轻工、食品、医药等行业。但空气可压缩性大，因此气动系统动作稳定性差，负载变化时对工作速度的影响大，气动系统的压力低，不易做大输出力度和力矩，气控信号传递速度慢于电子及光速，不适应高速复杂传递系统。而液压传动可以输出大的推力或大转矩，可实现低速大吨位运动，能很方便地实现无级调速，调速范围大，并且液压传动能使执行元件的运动十分均匀稳定，可使运动部件换向时无换向冲击，由于其反应速度快，故可实现频繁换向。因此，本设计采用液压控制系统。液压泥炮虽然解决了电动泥炮存在的一些问题，但仍存在泥炮高度大和回转机构的油缸易磨损等问题。液压泥炮在国外也得到了迅速的发展，在许多国家的大型高炉上均使用了液压泥炮。目前比较有代表性的液压泥炮有MHG型、IHI型和PW型。IHI型液压泥炮是由日本石川岛播磨公司设计制造的。该泥炮由打泥机构、压紧机构、回转机构、锁紧机构和液压装置等组成。我国首钢2号高炉使用了这种液压泥炮。使用过程中发现压紧机构的滑道易于积灰而迅速磨损，并经常出现因移动阻力大，炮嘴压不紧泥套等问题。MHG型液压泥炮是由日本三菱重工公司设计制造的。其由打泥机构、压紧机构、回转机构、锁紧机构和液压装置组成。我国宝钢1号高炉使用了这种液压泥炮。PW型液压泥炮是由卢森堡PW公司设计的，用于欧洲的一些高炉上。泥炮由打泥机构和回转机构组成，它没有专门的压炮机构和锁紧装置，依靠回转机构使炮嘴压紧在出铁口的泥套上。为了使炮身在转向和压紧出铁口时有一定的倾斜度，泥炮回转机构的支柱是倾斜的，当炮身绕倾斜支柱回转时，炮身边回转，边倾斜向出铁口。当炮嘴接近出铁口时，炮嘴在水平面内做近似直线运动。这种泥炮回转机构的特点是不用油马达，而是采用活塞油缸。油缸通过一组杆机构带动旋转臂架回转，打泥时，另由蓄压器向回转机构的液压缸补压，使炮嘴压紧在出铁口上。随着高炉大型化和高压操作技术的实现以及炉前操作机械化的要求，液压泥炮将会得到更广泛的使用，从而取代电动泥炮，成为将来泥炮机构中的主宰。1.5 3200m3泥炮液压系统简介唐钢炼铁厂3200 m3高炉泥炮为YP6000 E液压泥炮 ,其结构紧凑, 动作简单 。设备的运行由两个液压缸驱动完成 ,回转液压缸驱动转臂完成回转动作，打泥液压缸驱动打泥活塞完成打泥动作。由于是倾斜机架,回转动作完成时炮口同时对准出铁口,回转油缸同时担负泥炮压炮功能。回转油缸一端外置 ,便于拆装 。连杆机构等附件均设置在机体内 ,外部机罩加以保护 。其主要技术参数如下表1.1表1.1打泥机构泥缸有效容积0.31m3泥缸直径600mm回转机构回转工作角度143 o回转时间913s回转半径3600mm 唐钢 3200m3高炉设有四个铁口 , 每个铁口各设置一台液压泥炮 。高炉设有炉前集中液压站 ,内设泵源系统 ,为液压泥炮提供液压动力源 。高炉泥炮液压系统其主要技术参数如表1.2 ：表1.2额定压力31.5MPa液压系统工作压力28MPa转炮油缸技术参数如表1.3 ：表1.3活塞直径310mm活塞杆直径200mm油缸行程1390mm完成活塞行程所需时间913s 3200 高炉泥炮液压系统包括油箱 、泵组部分 、调压控制组部分 、循环冷却过滤装置 、泥炮液压控制主阀阀台 、泥炮液压控制操作阀台 、前置差动油路块等 。（1）油箱油箱上配备有油温控制器 、空气滤清器和回油过滤器 。液位控制器可实现油箱油位远程控制和仪表显示。图1.5.1油箱示意图 1液位计；2吸油管；3温度计；4空气过滤器；5吸油过滤器；6隔板；7回油管；8放油塞；9地脚（2）调压控制部分图1.5.2 YZ液压站结构型式及调压系统图（3）循环冷却过滤装置当系统油温偏高时，冷却泵能自动启动 ,油温正常后 ,冷却泵自动停止 。当系统油温偏低时 , 加热器能自动启动 ,油温正常后 ,加热器自动停止 。（4）泥炮液压控制阀台和前置差动油块实际设计时转炮缸前进采用差动油路 , 实现快进 ,并当泥炮转至铁口处后 , 自动脱离差动 ,保证转炮缸压力满足堵口需要 。同时差动回路的油流不需经过液动阀 ,减少液动阀的流量 。图1.5.3差动油路示意图其中，A是转炮油缸面积，Q是转炮油缸所需油量，q是有杆腔流出的流量，D为活塞直径，d为活塞杆直径。2.系统设计方案2.1控制系统设计要求本次设计主要就是对用西门子PLC S7-200对高炉泥炮控制系统进行设计，主要设计泥炮液压系统的程序，其中最关键的部分是：（1）泥炮控制系统的硬件设计；（2）西门子PLC S7-200的程序设计。泥炮控制系统的硬件设计主要包括PLC的型号选择、I/O模块的选择、绘制各种电路图、电机的正反转接线等。西门子PLC S7-200的程序设计主要包括运用西门子的设计软件对程序进行设计。2.2控制系统结构图设计图2.2.1控制系统结构图首先上位机发出的命令给下位机，即控制器PLC S7-200，PLC再根据此命令解释成相应时序信号直接控制液压系统，液压系统的控制阀动作，控制泥炮的动作，此控制过程通过传感器返回控制器S7-200。2.3液压系统原理图及工作过程描述图2.3.1 液压系统原理图如图2.3.1所示，转炮时，当液压比例阀XZ1通电时，高压油从单向阀进入A1和旋转缸无杆腔，推动泥炮前进，单向节流阀回油调速。当泥炮前进到位后，液压比例阀XZ2通电，液控单向阀保压。打泥时，液压比例阀XZ3通电，油从A2腔进油，B2腔回油，XZ4通电，退泥B2腔进油，A2腔回油。液压锁的作用是使无杆腔可靠保压，泥炮压紧铁口，为下一步的打泥运动做准备。当泥柄子后退时，泥柄子和泥缸缸体之间有倒泥现象，虽然在泥缸的下部有清除倒泥的入口，但是长时间使用，泥柄子后面肯定有干泥，为了保护泥柄子和油缸活塞，在泥柄子后退油路上增加了溢流阀。液压系统原理过程描述：油泵开始时，自动阀处于中位，比例阀接电，油泵卸荷，手动阀的阀芯处于无压状态，可减少油的漏损。当需要某个机构工作时，则手动操纵相应的手动阀向前或向后使阀换向，在这同时，比例阀失电，油泵停止卸荷。于是油缸一端进压力油，另一端排油，实现打泥、压紧、回转和锁紧的动作。打泥时，往前推手动阀。比例阀断电，柱塞泵的压力油经单向阀至手动阀，再经单向阀至打泥油缸右端推动活塞向前进。而油缸另一端的油经手动阀通路至油箱；装泥时，手动阀往后拉。比例阀断电，柱塞泵的压力油经单向阀至手动阀至油缸左端使活塞后退。油缸另一端的油经单向阀至手动阀相通至油箱。打泥机构液压系统的特点是没有锁紧回路，当打泥终了时，泥缸活塞仍然具有一定的压力顶往炉缸内的反作用力，待炮泥稍干结硬后，泥缸活塞方可退回在打泥过程中，压紧机构应使炮嘴压紧在泥套上以防漏泥。打完泥时，压紧机构退回使小车停在炮架导向槽上部，从而使炮身处于水平状态；为此在液压系统中采用单向阀实现双向锁紧。在打泥时压力油经单向阀补充到压紧机构的油路中，使炮嘴在打泥过程中始终紧压在泥套上。这种压紧方法既可防止压紧过大损坏泥套，又可防止炮嘴离开泥套而漏泥。同时为了保证设备的安全，在液压系统中装有溢流阀，当打泥压力超过某一负荷时，溢流阀卸荷，保证回路机构及设备的安全。2.4液压系统油泵电机电路图及简述图2.4.1 液压系统油泵电机电路图主电路由自动开关QA0、接触器QA1的主触点、热继电器BB1的热元件和电动机MA构成。3设备选型3.1控制器的选择及I/O口的分配PLC的选择主要从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块等方面加以综合考虑。（1）PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。（2）PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。（3）PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块、以及各种特殊功能模块等。不同的I/O模块，其电路及功能也直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。（4）PLC制造厂相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块，有的还推出了自带CPU的智能I/O模块，如高速计数器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。（5）电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。此泥炮液压控制系统有输入信号8个，输出信号6个。其中，外部输入元件包括：启动按钮、停止按钮、流量模拟量、温度模拟量、压力模拟量、前转炮限位开关和后转炮限位开关、转换开关；输出有一个液压泵电机的启动、前转炮电磁阀、后转炮电磁阀、打泥电磁阀、冷却泵、加热器。按照上述配置，所选S7-200 CPU226系列PLC。 根据液压泥炮控制要求，将各输入设备和被控设备详细列表，准确的统计出被控设备对数需求量，然后在实际统计的I/O点数的基础上增加15%20%的备用量，以便以后调整和扩充。同时要充分利用好输入和输出扩展单元，提高主机的利用率，例如S7-200 CPU224分为14输入、10输出，S7-200 CPU226分为24输入、16输出，还有各种输入和输出扩展单元，这样在增加I/O点数时，不必改变机型，可以通过扩展模块实现，降低了经济投入。在确定好I/O点数后，还要注意它的性质，类型和参数。而模拟量模块用EM235，含4个模拟量输入及1个模拟量输出。表3.1.1 I/O点分配输入名称信号符号地址启动按钮SB1I0.0前转炮限位开关SQ1I0.1后转炮限位开关SQ2I0.2转换开关SQ3I0.3停止按钮SB2I0.4流量模拟量AIW0压力模拟量AIW2温度模拟量AIW4输出前转炮比例阀XZ1Q0.1后转炮比例