1、毕 业 设 计 ( 论 文 )题 目 小 方 坯 连 铸 拉 矫 机 控 制 系 统 设 计 专 业 自 动 化 班 级 电 气 101 学 生 沙 玉 楠 指 导 教 师 李 好 文 2014 年2小 方 坯 连 铸 拉 矫 机 控 制 系 统 设 计专 业 : 电 气 工 程 及 其 自 动 化班 级 : 电 气 101作 者 : 指 导 老 师 : 职 称 :答 辩 日 期 :摘 要近 年 来 , 板 坯 连 铸 机 成 为 大 型 钢 铁 公 司 的 主 要 设 备 , 它 提 高 了 钢 铁的 综 合 成 材 率 , 降 低 了 能 源 消 耗 , 并 且 更 容 易 实 现 机 械
2、 自 动 化 。 而 小 方坯 连 铸 机 则 以 其 良 好 的 投 资 回 报 , 赢 得 了 国 营 中 小 钢 铁 公 司 和 私 营 钢 铁企 业 的 青 睐 。 拉 矫 机 作 为 连 铸 机 的 核 心 设 备 , 它 是 连 铸 机 的 指 挥 中 心 ,其 他 设 备 的 工 作 状 态 都 必 须 与 拉 矫 机 相 协 调 。本 设 计 的 内 容 是 通 过 PLC 对 拉 矫 机 进 行 控 制 , 完 成 连 铸 过 程 中 送 引锭 、 拉 坯 、 拉 尾 坯 三 个 工 作 流 程 。 其 中 用 到 两 台 电 动 机 , 其 速 度 控 制 由变 频 器 完
3、 成 ; 拉 矫 辊 的 压 下 和 抬 起 动 作 由 电 磁 阀 控 制 。 由 S7-300PLC 模块 构 建 控 制 系 统 , 采 用 西 门 子 公 司 的 STEP7 编 程 软 件 完 成 拉 矫 机 控 制 系统 梯 形 图 的 程 序 编 制 。变 频 器 既 可 以 实 现 电 机 速 度 连 续 可 调 , 也 可 以 控 制 电 机 以 固 定 速 度运 转 : PLC 通 过 0-10V 或 4-20MA 的 模 拟 量 信 号 来 控 制 变 频 器 频 率 输 出为 0-50Hz, 即 可 完 成 电 机 速 度 连 续 可 调 的 控 制 ; 用 几 个 数
4、 字 量 输 出 点 控制 变 频 器 的 高 、 中 、 低 速 , 电 机 即 可 按 所 需 的 固 定 速 度 运 转 。关 键 词 : 连 铸 拉 矫 机 、 PLC 控 制 、 梯 形 图 、 变 频 器3AbstractIn recent years, the slab casting machine has become the main equipment of a large Steel Corp, it improves the steel finished product rate, reducing energy consumption, and easier to
5、realize mechanical automation. While the small billet continuous casting machine with its good investment returns, won the state and Steel Corp and private iron and steel enterprises. Straightening machine as the core equipment of continuous casting machine, it is the continuous casting machine comm
6、and center, other equipment working state must be coordinated with the straightening machine.The contents of this design is through the PLC to control the tension leveller, completed in the process of continuous casting, casting, feeding dummy ingots pull tail billet three working process. Which use
7、s two motors, its speed is controlled by the inverter; pulling straightening roller pressure and lift the action is controlled by electromagnetic valve. Construction control system is composed of S7-300PLC module, the Siemens company STEP7 programming software to complete the withdrawal straightener
8、 control system trapezoidal chart programming.Frequency converter can realize a continuous and adjustable speed motor, can control the machine running at a fixed speed: PLC through the analog signal 0-10V or 4-20MA to control the inverter output frequency is 0-50Hz, to complete the control of motor
9、speed adjustable; several digital output control frequency converter, motor, high in speed, can according to fixed speed required for the operation.Keywords: continuous casting machine, plc control, ladder diagram4目 录前 言 .1第 1 章 绪 论 31.1 连 铸 机 研 究 的 意 义 31.2 国 外 连 铸 技 术 的 发 展 近 况 31.3 我 国 连 铸 技 术 的
10、发 展 近 况 41.4 小 方 坯 连 铸 的 发 展 近 况 5第 2 章 连 铸 拉 矫 机 主 要 设 备 简 介 72.1 S7-300 系 列 PLC 系 统 特 性 及 硬 件 构成 72.1.1 S7-300 系 列 PLC 硬 件 系统 72.1.2 S7-300 系 列 PLC 模 块 性 能 简介 92.2 变 频 器 简 介 102.2.1 概 述 102.2.2 基 本 组 成 112.2.3 工 作 原 理 112.3 光 电 开 关 简 介 12第 3 章 硬 件 设 计 133.1 PLC 硬 件 组 态 及 地 址 分 配 133.2 PLC 系 统 各 模
11、块 电 路 图 133.3 变 频 器 控 制 速 度 原 理 15第 4 章 PLC 梯 形 图 程 序 164.1 程 序 流 程 图 164.2 I/O 口 地 址 分 配 1854.3 部 分 梯 形 图 程 序 20第 5 章 总 结 21第 一 章 绪 论1.1 连 铸 机 研 究 的 意 义钢 铁 工 业 在 国 民 经 济 中 的 巨 大 作 用 , 在 于 它 能 够 提 供 一 切 工 具 和 机器 设 备 的 原 材 料 , 它 是 现 代 社 会 生 产 和 扩 大 再 生 产 的 物 质 基 础 。 从 最 简单 的 手 工 劳 动 工 具 直 到 最 复 杂 的 航
12、 天 技 术 , 没 有 一 个 工 业 部 门 不 和 钢 铁工 业 发 生 直 接 和 间 接 的 关 系 。 而 连 铸 机 大 大 的 提 高 了 钢 铁 的 生 产 效 率 ,所 以 连 铸 机 的 研 究 与 设 计 意 义 重 大 。钢 铁 冶 金 技 术 发 展 的 趋 势 与 时 代 要 求 是 高 效 、 优 质 、 低 消 耗 与 低 排放 。 连 铸 作 为 钢 铁 生 产 流 程 中 承 上 启 下 的 关 键 环 节 , 是 当 前 国 家 钢 铁 生产 结 构 调 整 与 技 术 升 级 战 略 中 值 得 重 点 关 注 的 核 心 环 节 【 1】 。1.2
13、国 外 连 铸 技 术 的 发 展 近 况钢 铁 全 连 铸 的 实 现 是 连 铸 技 术 成 熟 发 展 的 体 现 。 建 立 在 炼 钢 钢水 炉 外 处 理 连 铸 组 合 优 化 基 础 上 的 全 连 铸 生 产 体 制 已 成 为 高 水 平 现代 化 钢 铁 工 业 生 产 的 综 合 标 志 。 1966 年 前 苏 联 的 新 里 别 茨 克 钢 铁 厂 新 建了 第 一 转 炉 车 间 , 并 最 早 开 创 了 连 铸 与 氧 气 转 炉 相 结 合 的 先 例 。 1979 年 ,该 厂 又 新 建 了 第 二 转 炉 车 间 , 并 配 置 了 弧 形 连 铸 机
14、 , 使 两 个 转 炉 车 间 实现 了 全 连 铸 , 年 产 量 达 到 了 800 万 吨 。但 是 , 由 于 前 苏 联 的 炼 钢 生 产 一 直 以 平 炉 为 主 , 氧 气 转 炉 炼 钢 发 展迟 缓 , 因 此 , 限 制 了 连 铸 的 发 展 。 70 年 代 以 后 日 本 , 德 国 等 工 业 发 达 国家 后 来 居 上 。 尤 其 是 日 本 , 60 年 代 后 期 才 从 前 苏 联 、 德 国 等 国 家 引 进 连铸 技 术 , 接 着 投 入 大 量 的 人 力 物 力 进 行 消 化 吸 收 和 研 究 开 发 , 促 进 了 连铸 技 术 的
15、 应 用 和 发 展 。 但 是 , 日 本 在 70 年 代 前 , 连 铸 主 要 设 置 在 电 炉 钢6厂 , 以 生 产 小 方 坯 为 主 , 大 型 钢 铁 联 合 企 业 几 乎 没 有 连 铸 机 , 因 此 , 连铸 比 很 低 。 70 年 代 后 , 经 过 两 次 能 源 危 机 , 使 连 铸 技 术 得 到 迅 速 的 发 展【 2】 。 法 国 也 是 开 发 研 究 连 铸 技 术 较 早 的 国 家 。 但 在 70 年 代 以 前 发 展 非常 缓 慢 。 70 年 以 后 发 展 加 快 , 连 铸 比 迅 速 提 高 。 美 国 的 连 铸 技 术 是
16、 与 康卡 斯 特 公 司 和 日 本 设 备 制 造 厂 家 合 作 发 展 起 来 的 。 80 年 代 以 来 发 展 速 度缓 慢 。 80 年 代 以 后 , 美 国 政 府 开 始 重 视 连 铸 技 术 的 发 展 , 首 先 是 增 加 连铸 投 资 , 其 次 是 把 发 展 重 点 放 在 大 型 钢 铁 联 合 企 业 的 板 坯 、 大 方 坯 及 组合 式 连 铸 机 的 建 设 上 , 使 大 型 钢 铁 联 合 企 业 的 连 铸 比 很 快 得 到 提 高 , 从而 也 提 高 了 全 国 的 连 铸 比 【 3】 。国 外 连 铸 钢 厂 的 特 点 : (
17、1) 以 最 少 或 较 少 的 连 铸 机 实 现 全 连 铸 ( 2) 改 造 旧 连 铸 机 , 提 高 作 业 率 。 ( 3) 配 备 炉 外 精 炼 设 备 。 国 外 的 全连 铸 钢 厂 都 配 有 炉 外 精 炼 设 备 , 这 样 既 可 以 满 足 钢 种 和 钢 水 质 量 要 求 ,又 可 以 以 多 炉 连 铸 作 缓 冲 , 并 且 还 可 以 进 行 钢 水 温 度 补 偿 和 为 挽 救 事 故而 避 免 将 钢 水 回 炉 或 冻 结 在 钢 包 中 。 ( 4) 增 设 计 算 机 。 增 设 的 计 算 机 用于 生 产 组 织 、 管 理 、 调 度
18、、 控 制 工 艺 过 程 , 使 各 环 操 作 处 于 最 佳 状 态 ,减 少 任 务 的 失 误 【 4】 。1.3 国 内 连 铸 技 术 的 发 展 近 况近 年 来 , 我 国 钢 铁 冶 金 精 炼 技 术 得 到 大 力 发 展 , 钢 坯 冷 轧 成 形 加 工技 术 也 取 得 快 速 发 展 。 作 为 钢 材 生 产 流 程 的 中 间 环 节 , 连 铸 技 术 的 发 展表 现 出 如 下 几 个 明 显 特 征 : (1)流 程 紧 凑 。 如 各 类 近 终 形 铸 机 与 常 规 连 铸的 带 液 芯 压 下 和 动 态 轻 压 下 技 术 的 发 展 与
19、应 用 ; (2)技 术 密 集 。 浇 注 与凝 固 、 机 械 与 液 压 、 自 动 控 制 、 过 程 检 测 与 多 级 通 讯 的 技 术 集 成 度 大 大提 高 。 (3)功 能 扩 大 。 钢 水 精 炼 、 浇 注 与 凝 固 控 制 、 近 终 形 、 铸 轧 与 组 织控 制 等 系 统 集 成 技 术 受 到 重 视 。 可 以 说 , 现 代 连 铸 技 术 在 冶 金 工 业 中 的作 用 与 地 位 已 愈 发 重 要 。采 用 连 续 铸 造 方 法 , 可 以 使 全 连 续 和 自 动 化 操 作 成 为 可 能 , 提 高 了7铸 坯 质 量 , 减 少
20、 了 生 产 工 序 , 降 低 生 产 成 本 , 故 在 大 型 的 钢 铁 企 业 中 得到 广 泛 地 推 广 应 用 。近 年 来 , 通 过 自 主 开 发 、 跟 踪 转 化 以 及 联 台 设 计 , 国 内 连 铸 设 计 水平 取 得 了 较 大 的 进 步 。 尤 其 是 些 先 进 的 单 体 技 术 装 备 设 计 基 本 都 实 现 了国 产 化 , 如 结 晶 器 液 面 控 制 、 自 动 下 渣 监 测 、 电 磁 搅 拌 (箱 式 与 辊 式 )、漏 钢 预 报 、 动 态 配 水 、 动 态 轻 压 下 、 质 量 跟 踪 与 判 定 等 。 整 体 装
21、备 水 平以 及 性 能 的 稳 定 性 还 有 待 提 高 。我 国 冶 金 企 业 投 放 的 技 改 资 金 比 较 大 , 新 上 项 目 较 多 , 连 铸 项 目 也较 多 。 但 先 进 铸 机 设 备 和 技 术 还 是 多 习 惯 于 引 进 , 其 中 我 国 薄 板 坯 连 铸连 轧 已 经 引 进 了 10 多 条 生 产 线 。 自 2000 年 , 我 国 先 后 全 部 引 进 或 引 进核 心 部 位 设 备 与 技 术 的 常 规 扳 坯 连 铸 机 共 有 24 台 27 流 。 还 有 继 续 引 进的 趋 势 : 中 薄 板 坯 连 铸 机 、 异 型
22、坯 连 铸 机 几 乎 全 部 引 进 。 大 方 坯 连 铸 机也 有 引 进 的 倾 向 。 此 外 , 国 内 新 上 的 高 规 格 铸 机 多 采 用 国 外 知 名 连 铸 商(VAI、 DANIELI、 CONCAST、 SMS 德 马 克 等 )和 国 内 设 计 单 位 联 合 设 计 。实 际 上 , 国 内 合 作 单 位 主 要 工 作 为 利 润 很 少 的 详 细 设 计 , 一 些 关 键 装 备的 制 造 也 由 国 外 公 司 所 控 制 。 这 种 局 面 促 进 了 国 内 相 关 技 术 水 平 的 提 高 ,但 不 利 于 自 主 知 识 产 权 品
23、牌 的 应 用 与 提 升 。 可 喜 的 是 , 随 着 国 内 设 计 水平 的 提 高 , 尤 其 是 新 技 术 开 发 及 其 成 熟 度 的 提 高 , 加 之 投 资 和 后 期 维 护成 本 优 势 , 一 些 钢 铁 生 产 用 户 开 始 陆 续 使 用 全 套 国 产 装 置 , 铸 机 配 置 水平 也 逐 渐 提 高 。 尤 其 是 大 方 坯 、 大 圆 坯 连 铸 工 程 设 计 等 已 经 表 现 出 很 强的 竞 争 力 。目 前 , 我 国 机 械 加 工 行 业 能 力 和 规 模 发 展 很 快 , 转 化 能 力 强 , 国 内连 铸 设 备 公 司
24、基 本 上 都 能 从 设 计 到 制 造 形 成 完 整 的 链 条 。 引 进 先 进 装 备 、机 械 零 配 件 的 维 护 也 都 可 全 部 立 足 国 内 【 5】 。1.4 小 方 坯 连 铸 的 发 展 近 况与 普 通 连 铸 相 比 , 小 方 坯 连 铸 具 有 以 下 优 点 :8( 1) 钢 的 收 得 率 平 均 提 高 14.5%;( 2) 铸 坯 质 量 均 匀 、 良 好 ;( 3) 能 耗 低 、 投 资 费 用 及 成 本 费 用 低 ;( 4) 劳 动 条 件 及 工 作 环 境 得 到 改 善 ;( 5) 便 于 自 动 化 控 制 。随 着 钢 铁
25、 工 业 的 发 展 ,我 国 小 方 坯 连 铸 生 产 技 术 也 得 到 了 迅 速 的 发 展 。我 国 钢 产 量 已 由 1979 年 的 3448 万 t, 增 加 到 1995 年 的 9350 万 t; 连铸 机 总 台 数 已 由 1979 年 的 24 台 增 加 到 1995 年 的 247 台 ; 铸 机 的 设 计能 力 由 385 万 t/年 , 增 加 到 5294 万 /年 ; 实 际 年 产 连 铸 坯 已 由 150 万t/年 增 产 到 4398 万 t/年 ; 连 铸 比 由 1979 年 的 3.55%,增 加 到 1995 年 的46.79%。 截
26、 止 1995 年 底 , 我 国 已 经 建 成 投 产 小 方 坯 连 铸 机 近 200 台 ,能力 约 为 3000 万 t/年 ,1995 年 实 际 生 产 小 方 坯 达 2500 万 t 以 上 。10 年 来 我 国 小 方 坯 连 铸 生 产 技 术 有 了 很 大 的 进 展 。 但 就 目 前 整 体 水平 来 看 , 小 方 坯 连 铸 现 在 依 然 还 处 在 普 及 、 发 展 、 改 造 、 提 高 的 阶 段 。到 目 前 为 止 , 我 国 虽 然 拥 有 小 方 坯 连 铸 机 200 多 台 , 但 绝 大 多 数 铸 机 还处 在 较 低 水 平 。
27、 其 中 也 包 括 早 期 引 进 国 外 的 小 方 坯 连 铸 机 , 特 别 是 引 进国 外 的 二 手 设 备 , 大 部 分 都 因 备 品 备 件 配 备 不 齐 或 质 量 问 题 , 而 造 成 生产 不 正 常 , 有 的 至 今 还 闲 置 没 有 投 产 , 小 方 坯 连 铸 机 普 遍 存 在 着 拉 速 低 ,作 业 率 、 自 动 化 控 制 程 度 低 和 铸 坯 品 种 少 ,质 量 差 等 问 题 。 据 调 查 统 计 ,我 国 小 方 坯 连 铸 机 除 少 数 铸 机 达 到 了 高 效 铸 机 水 平 之 外 , 还 有 80%以 上的 小 方
28、坯 铸 机 作 业 率 都 在 60%以 下 , 拉 速 多 数 都 在 1 2m/min 左 右 ; 绝大 多 数 小 方 坯 铸 机 只 能 连 铸 普 通 低 碳 钢 、 低 合 金 钢 , 很 少 有 能 连 铸 中 、高 碳 钢 ; 小 方 坯 连 铸 机 很 少 有 采 用 完 全 自 动 控 制 系 统 操 作 的 ,大 都 采 用人 工 手 动 或 部 分 自 动 操 作 。 因 此 , 我 国 小 方 坯 连 铸 生 产 技 术 要 赶 上 国 际水 平 还 有 一 段 相 当 大 的 差 距 【 6】 。1.5 本 文 研 究 的 内 容9小 方 坯 连 铸 有 送 引 锭
29、 、 拉 坯 、 拉 尾 坯 三 个 工 作 流 程 , 本 次 设 计 共 用到 两 台 电 机 , 引 锭 杆 电 机 和 拉 矫 电 机 。 引 锭 杆 电 机 主 要 负 责 送 引 锭 和 引锭 杆 的 回 收 ; 拉 矫 电 机 负 责 送 引 锭 、 拉 坯 以 及 拉 尾 坯 。 拉 矫 辊 的 抬 起 、一 压 压 下 、 二 压 压 下 的 动 作 由 电 磁 阀 控 制 。 还 有 三 个 光 电 开 关 , 第 一 个光 电 开 关 是 引 锭 杆 回 收 到 位 停 引 锭 电 机 光 电 开 关 , 第 二 个 光 电 开 关 是 引锭 电 机 减 速 光 电 开
30、关 , 第 三 个 光 电 开 关 为 送 引 锭 状 态 下 停 引 锭 杆 电 机 光电 开 关 。送 引 锭 开 始 后 , 当 引 锭 杆 头 部 出 了 第 三 个 光 电 开 关 的 位 置 时 , 第 三个 光 电 开 关 会 得 到 一 个 上 升 沿 信 号 , 则 进 行 停 引 锭 电 机 与 拉 矫 辊 一 压 压下 的 动 作 , 当 一 压 压 下 到 位 时 , 位 置 检 测 开 关 发 出 信 号 , 延 时 5S 启 动拉 矫 电 机 。 在 拉 坯 模 式 下 , 当 引 锭 杆 尾 部 再 次 经 过 第 三 个 光 电 开 关 时 ,第 三 个 光 电
31、 开 关 会 得 到 一 个 下 降 沿 信 号 , 则 进 行 脱 引 锭 的 操 作 , 延 时 5S确 保 脱 引 锭 完 成 , 启 动 引 锭 电 机 , 同 时 拉 矫 辊 再 进 行 一 压 转 二 压 操 作 。所 以 第 三 个 光 电 开 关 也 是 脱 引 锭 光 电 开 关 。当 引 锭 杆 回 收 引 锭 杆 尾 部 到 第 二 个 光 电 开 关 的 位 置 时 , 第 二 个 光 开会 发 出 一 个 下 降 沿 信 号 , 则 引 锭 杆 电 机 减 速 , 以 确 保 引 锭 电 机 安 全 停 止 。当 引 锭 杆 尾 部 回 收 到 达 第 一 个 光 开
32、 时 , 第 一 个 光 电 开 关 发 出 下 降 沿信 号 , 进 行 停 引 锭 电 机 操 作 。 延 时 5S 确 保 引 锭 电 机 停 止 , 插 引 锭 杆 插 销 。由 于 连 铸 的 工 艺 流 水 线 较 长 , 而 且 热 坯 和 引 锭 杆 在 不 同 的 位 置 时 ,有 时 需 要 人 为 观 察 和 手 动 操 作 , 所 以 在 整 个 流 水 线 上 分 了 两 个 操 作 台 ,一 个 是 切 割 室 , 在 引 锭 电 机 和 拉 矫 电 机 的 交 界 处 , 以 方 便 送 引 锭 操 作 ;另 一 个 是 悬 挂 箱 , 在 整 个 流 水 线 的
33、 上 方 靠 近 中 间 包 处 , 以 便 于 送 引 锭 时对 拉 矫 机 进 行 点 动 操 作 , 使 引 锭 杆 停 在 合 适 的 位 置 ; 拉 坯 模 式 下 , 便 于操 作 工 人 控 制 拉 速 调 整 结 晶 器 液 面 高 度 。本 次 设 计 , 采 用 了 S7-300PLC 对 连 铸 拉 矫 机 进 行 控 制 , 通 过 变10频 器 对 电 动 机 正 反 转 以 及 速 度 的 调 节 , 使 其 完 成 送 引 锭 、 拉 坯 、 拉尾 坯 三 个 工 作 流 程 。第 2 章 连 铸 拉 矫 机 电 控 设 备 简 介2.1 S7-300 系 列 P
34、LC: 标 题 上 不 要 冒 号2.1.1 S7-300 系 列 PLC 特 点 :SIMATIC S7 系 列 PLC 是 德 国 西 门 子 公 司 在 S5 系 列 PLC 基 础 上 于1995 年 陆 续 推 出 的 性 能 价 格 比 较 高 的 PLC 系 统 。 其 中 , 微 型 的 有SIMATIC S7-200 系 列 , 最 小 配 置 为 8DI/6DO, 可 扩 展 2 7 个 模 块 , 最大 I/O 点 数 为 64 DI/DO、 12AI/4AO; 中 小 型 的 有 SIMATIC S7-300 系 列 ;中 高 档 性 能 的 有 S7-400 系 列
35、。 SIMATIC S7 系 列 PLC 都 采 用 了 模 块 化 、无 排 风 扇 结 构 且 具 有 易 于 用 户 掌 握 等 特 点 , 使 得 S7 系 列 PLC 成 为 各 种从 小 规 模 到 中 等 性 能 要 求 以 及 大 规 模 应 用 的 首 选 产 品 。SIMATIC S7-300 的 大 量 功 能 能 够 支 持 和 帮 助 用 户 进 行 编 程 、 启 动 和维 护 , 其 主 要 功 能 如 下 :(1) 高 速 的 指 令 处 理 。 0.1 0.6 us 的 指 令 处 理 时 间 在 中 等 到 较 低的 性 能 要 求 范 围 内 开 辟 了
36、全 新 的 应 用 领 域 。(2) 人 机 界 面 (HMI)。 方 便 的 人 机 界 面 服 务 已 经 集 成 在 S7-300 操 作系 统 内 , 因 此 人 机 对 话 的 编 程 要 求 大 大 减 少 。(3) 诊 断 功 能 。 CPU 的 智 能 化 的 诊 断 系 统 可 连 续 监 控 系 统 的 功 能 是否 正 常 , 记 录 错 误 和 特 殊 系 统 事 件 。(4) 口 令 保 护 。 多 级 口 令 保 护 可 以 使 用 户 高 度 、 有 效 地 保 护 其 技 术机 密 , 防 止 未 经 允 许 的 复 制 和 修 改 。SIMATIC S7-300 系 统 基 本 构 成 :