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1、IV 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 基于PCS7的管式加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要:隨著工業(yè)自動(dòng)化過程控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,單一的過程控制系統(tǒng)及傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)的需要,先進(jìn)的全集成過程控制系統(tǒng)正在逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。本設(shè)計(jì)正是在這樣的背景下,通過西門子過程控制系統(tǒng)PCS7對(duì)新一代過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。論文針對(duì)西門子PCS7過程控制系統(tǒng),結(jié)合當(dāng)前工業(yè)控制的理論與技術(shù),分別對(duì)PCS7中的硬件模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊以及軟件部分進(jìn)行分析,為PCS7的實(shí)際工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。最后,結(jié)合以上理論聯(lián)系實(shí)際,以北京化工大學(xué)的高級(jí)多功能過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)SMPT-1

2、000為控制對(duì)象,以西門子PCS7為控制工具,按照工程化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的工程設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)管式加熱爐系統(tǒng)控制方案,并詳細(xì)介紹其具體實(shí)現(xiàn)過程。關(guān)鍵詞:過程控制系統(tǒng); PCS7; 管式加熱爐Design of Tube furnace Control System based on PCS7 Abstract:with the increasing development of industrial automation control technology and the continuous development of computer control technology, a si

3、ngle process control system and the traditional DCS system cant meet the needs of modern automation control system, advanced fully integrated process control system is gradually applied in modern industrial production fields.by Siemens PCS7 process control system for a new generation of process cont

4、rol system are analyzed,the design showed up. This design through the SIMATIC PCS7 process control system, combined with the modern industrial control theory and technology, seperately analyzed the PCS7 hardware module, communication module and the software part , laid a certain foundation for PCS7s

5、 future using.Combining the above theory with practice, in the concrete implementation, the Beijing university of chemical industry advanced multi-function process control training device SMPT - 1000 as control object, with SIMATIC PCS7 control tool, according to the standardization of engineering d

6、esign idea, design implementation tube heating furnace control system, and introduces in detail the specific implementation process.Key words: Process Control System, PCS7, Tube furnace目 錄第1章 緒 論11.1 過程控制技術(shù)概述11.2 西門子過程控制系統(tǒng)PCS7簡(jiǎn)介21.3 加熱爐控制系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀21.4 本論文主要研究?jī)?nèi)容3第2章 過程控制系統(tǒng)PCS7分析52.1 PCS7綜述52.2 PCS7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7、62.2.1 PCS7典型系統(tǒng)配置62.2.2 工程師站62.2.3 自動(dòng)化站72.2.4 操作員站82.2.5 PCS7網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)82.3 PCS7編程語(yǔ)言92.3.1 PCS7編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)92.3.2 CFC編程語(yǔ)言102.3.3 SFC編程語(yǔ)言102.3.4 SCL編程語(yǔ)言102.4 PCS7監(jiān)控軟件分析102.4.1 監(jiān)控軟件介紹102.4.2 視窗控制中心112.5 PCS7數(shù)據(jù)庫(kù)112.6 本章小結(jié)11第3章 基于PCS7的管式加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)123.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則123.2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)123.3 SMPT-1000實(shí)訓(xùn)裝置及加熱爐分析133.3.1 SMPT-1000

8、裝置分析133.3.2 管式加熱爐分析143.3.3 管式加熱爐工藝流程153.3.4 管式加熱爐控制系統(tǒng)要求163.4 硬件分析及選型173.4.1 自動(dòng)化站硬件分析及選型173.4.2 操作員站/工程師站硬件分析及選型183.4.3 泗博PM125模塊分析183.5 系統(tǒng)硬件地址分配183.5.1 PLC數(shù)字量輸入地址分配183.5.2 PLC模擬量輸入地址分配193.5.3 PLC數(shù)字量輸出地址分配193.5.4 PLC模擬量輸出地址分配203.6 系統(tǒng)控制策略203.6.1 出料流量算法設(shè)計(jì)203.6.2 出口溫度串級(jí)-比值控制算法設(shè)計(jì)203.6.3 爐膛負(fù)壓控制算法設(shè)計(jì)213.6.4

9、 空氣量控制算法設(shè)計(jì)213.6.5 順序控制設(shè)計(jì)223.7 本章小結(jié)22第4章 基于PCS7的管式加熱爐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)234.1 新建項(xiàng)目工程234.2 系統(tǒng)組態(tài)244.2.1 自動(dòng)化站硬件組態(tài)244.2.2 操作員站硬件組態(tài)264.2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)264.3 控制算法組態(tài)274.3.1 通信模塊設(shè)計(jì)274.3.2 CFC控制語(yǔ)言設(shè)計(jì)274.3.3 SFC控制語(yǔ)言設(shè)計(jì)294.3.3 操作員界面設(shè)計(jì)294.4 控制效果分析304.5 本章小結(jié)31結(jié) 論33致 謝34參考文獻(xiàn)35 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 第1章 緒 論1.1 過程控制技術(shù)概述過程控制指以實(shí)際生產(chǎn)過程的流量、溫度等物理量作為被

10、控變量進(jìn)行的自動(dòng)控制。了解過程控制技術(shù)首先需要了解實(shí)際的工藝流程、動(dòng)靜態(tài)特性等生產(chǎn)過程中重要特性,同時(shí)將理論知識(shí)與實(shí)際運(yùn)用結(jié)合,選用合適的技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制目標(biāo)。實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程主要可以分為連續(xù)過程工業(yè)、離散過程工業(yè)和間隙過程工業(yè)。其中連續(xù)過程工業(yè)所占的比重最大,涉及石油、化工、冶金、電力、紡織等行業(yè),連續(xù)過程工業(yè)的發(fā)展對(duì)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。本設(shè)計(jì)所涉及到的管式加熱爐控制系統(tǒng)就屬于連續(xù)過程工業(yè)控制系統(tǒng)。就過程控制技術(shù)的發(fā)展而言,它依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、檢測(cè)技術(shù)等相近學(xué)科作為技術(shù)依托,它們之間的發(fā)展密切相關(guān)。從總體來說,過程控制技術(shù)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段,過程控制技術(shù)

11、發(fā)展的具體情況如表1-1所示。20世紀(jì)70年代以前是一個(gè)階段,這一階段的自動(dòng)化水平比較低,大多以經(jīng)典控制理論作為依托,在這一階段的控制目標(biāo)也僅僅停留在保證平穩(wěn)生產(chǎn)、減少設(shè)備故障率階段。過程控制技術(shù)發(fā)展的第二階段是20世紀(jì)7080年代,這個(gè)階段出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng),同時(shí)魯棒控制、預(yù)測(cè)控制等控制策略也相繼出現(xiàn),這使過程控制技術(shù)的發(fā)展得到了很大提高。近年來多學(xué)科相互交叉滲透的現(xiàn)象在工業(yè)控制領(lǐng)域中出現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)得到了較大應(yīng)用,現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)沿用了DCS系統(tǒng)的部分優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也克服了DCS系統(tǒng)的部分缺點(diǎn)。過程控制技術(shù)從傳統(tǒng)的自動(dòng)化孤島模式時(shí)期不斷發(fā)展,現(xiàn)在正以較高的速度向集中控制、統(tǒng)一管理的綜合自動(dòng)化模

12、式靠近。表1-1 過程控制發(fā)展的三個(gè)階段階段一(20世紀(jì)70年年代以前)階段二(20世紀(jì)70至80年代)階段三(20世紀(jì)90年代之后)控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論控制論等學(xué)科交叉控制工具常規(guī)儀表分布式控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制要求安全、平穩(wěn)優(yōu)質(zhì)、高效柔性生產(chǎn)、創(chuàng)新管理控制水平簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)先進(jìn)控制系統(tǒng)綜合自動(dòng)化控制效果控制精度不高控制精度較高全集成、智能生產(chǎn)1.2 西門子過程控制系統(tǒng)PCS7簡(jiǎn)介隨著工業(yè)自動(dòng)化過程控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,在實(shí)際的生產(chǎn)過程中,工藝要求對(duì)過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、系統(tǒng)的可維護(hù)性、系統(tǒng)的可靠性、系統(tǒng)功能的完善性等各方面的要求愈來愈高,同時(shí)這些要求也指引著工業(yè)自

13、動(dòng)化過程控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。(1) 在控制系統(tǒng)中應(yīng)大力提倡使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù);(2) 控制系統(tǒng)應(yīng)提高系統(tǒng)與管理層、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的數(shù)據(jù)交換能力;(3) 控制系統(tǒng)應(yīng)提高系統(tǒng)之間的橫向數(shù)據(jù)交換能力;(4) 開放不同廠商的產(chǎn)品,通過通訊協(xié)議及技術(shù)手段可以使不同系統(tǒng)間能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;(5) 提倡過程控制系統(tǒng)向全集成、一體化方向發(fā)展。因此,傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)面前已顯得力不從心,不能滿足系統(tǒng)的發(fā)展需要。SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)就是西門子公司在這種背景下結(jié)合傳統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)研發(fā)的新一代過程控制系統(tǒng),PCS7結(jié)合了先進(jìn)的電子制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、圖形及圖像處理技術(shù)、現(xiàn)

14、場(chǎng)總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)自動(dòng)控制理論。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由大量的西門子硬件組件組成,具體的結(jié)構(gòu)包括現(xiàn)場(chǎng)儀表、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、I/O模塊,控制器、通訊處理器模塊、工程師站和操作員站等。整個(gè)控制系統(tǒng)中所有的硬件組件都可以在PCS7軟件工具中組態(tài)。PCS7的軟件系統(tǒng)可以滿足不同工業(yè)場(chǎng)所不同自動(dòng)化任務(wù)的設(shè)計(jì)、組態(tài)和調(diào)試方面的需要。過程控制系統(tǒng)PCS7的現(xiàn)場(chǎng)控制單元一般是S7自動(dòng)化系統(tǒng),通過分布式I/O接受現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)、發(fā)送信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PCS7在通訊方面采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在系統(tǒng)站之間的數(shù)據(jù)通訊使用PROFINET總線技術(shù);設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊通過PROFIBUS總線技術(shù)

15、。PCS7的編程軟件和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備庫(kù)均符合IEC 61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)支持使用連續(xù)控制、順序控制及其他的高級(jí)編程語(yǔ)言。PCS7的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備庫(kù)提供了很多常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及各種功能塊,可以大大縮短界面開發(fā)時(shí)的組態(tài)工作量,節(jié)省時(shí)間。1.3 加熱爐控制系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀管式加熱爐是指利用燃?xì)饣蛉加腿紵a(chǎn)生熱量,經(jīng)過熱輻射等方式將另一特定液體或氣體加熱到指定溫度的裝置,它是石油化工、煉鋼等工業(yè)過程中非常重要的加熱設(shè)備。由于加熱爐工作時(shí)系統(tǒng)較為復(fù)雜,因此耦合性較強(qiáng),測(cè)量參數(shù)、控制參數(shù)及擾動(dòng)參數(shù)相對(duì)較多,這些變量之間相互作用,存在明確和不明確的關(guān)系,一般一個(gè)變量變化將影響另外幾個(gè)參數(shù)同時(shí)改變。另一方面,在實(shí)

16、際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量參數(shù)經(jīng)常變化,存在一定的非線性,上述因素都加大了加熱爐控制系統(tǒng)的控制難度。同時(shí)由于傳統(tǒng)的加熱爐控制現(xiàn)場(chǎng)大多采用魯棒性較差的簡(jiǎn)單的PID控制,導(dǎo)致其控制效果不佳。但是由于加熱爐的復(fù)雜性,導(dǎo)致其建模過程較為復(fù)雜,建立開的數(shù)學(xué)模型也比較模糊,很難得到控制對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,先進(jìn)的控制具有局限性。目前,我國(guó)加熱爐控制系統(tǒng)與國(guó)外相比還存在一定差距。美、日、英等國(guó)家在加熱爐控制系統(tǒng)上領(lǐng)先于世界。我國(guó)80年代前還是人工加熱,通過人工觀察等落后方式進(jìn)行生產(chǎn),而國(guó)外80年代早已實(shí)現(xiàn)儀表控制及更高水平。就目前而言,國(guó)外的管式加熱爐基本上采用DCS控制系統(tǒng),熱效率、自動(dòng)化水平、可靠性都較高。國(guó)外甚至

17、有的企業(yè)已經(jīng)用到現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),使其可靠性更高,更加智能化。在國(guó)內(nèi),管式加熱爐控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平普遍不高,出現(xiàn)參差不齊的狀況。一般的DCS控制系統(tǒng)大多都是和整套生產(chǎn)線從國(guó)外引進(jìn),但是由于加熱的原油品質(zhì)等因素不同,導(dǎo)致控制系統(tǒng)不能發(fā)揮到最優(yōu)效果或者完全不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。國(guó)內(nèi)目前大部分企業(yè)使用的控制系統(tǒng)還是以PLC控制系統(tǒng)為主,甚至有些還達(dá)不到這個(gè)水平。1.4 本論文主要研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)主要工作是將先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)PCS7運(yùn)用于管式加熱爐控制系統(tǒng)中,從硬件、人機(jī)界面、控制算法等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過此次設(shè)計(jì),可以鞏固所學(xué)習(xí)的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、電氣控制與PLC、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、過程控

18、制與儀表等課程的知識(shí)。同時(shí)聯(lián)系實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,將理論知識(shí)與實(shí)際運(yùn)用融于一體,培養(yǎng)自己分析問題、解決問題的能力,以及工程技術(shù)人員所具有的基本素質(zhì),為即將步入社會(huì)打下堅(jiān)固的基礎(chǔ)。具體實(shí)現(xiàn)以管式加熱爐工藝流程為背景,北京化工大學(xué)的高級(jí)多功能過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)SMPT-1000為控制對(duì)象,依托西門子過程控制系統(tǒng)PCS7,對(duì)過程控制技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)研究。主要工作有:(1) 學(xué)習(xí)控制器特征及應(yīng)用技術(shù),掌握西門子S7-400系列PLC的硬件組態(tài);(2) 掌握系統(tǒng)通信技術(shù)應(yīng)用,對(duì)自動(dòng)化站、操作員站和被控對(duì)象之間建立通信鏈接;(3) 根據(jù)工藝要求確定控制算法;(4) 使用西門子過程控制系統(tǒng)PCS7的編程語(yǔ)言CFC、S

19、FC對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行有效控制;(5) 掌握人機(jī)界面應(yīng)用技術(shù),建立友好的人機(jī)界面對(duì)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)控;(6) PID控制器投運(yùn)與參數(shù)整定;(7) 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求完成系統(tǒng)整體運(yùn)行調(diào)試,并在SMPT-1000上實(shí)現(xiàn)。36第2章 過程控制系統(tǒng)PCS7分析2.1 PCS7綜述SIMATIC PCS7系統(tǒng)可以理解為一個(gè)現(xiàn)代的分布式控制系統(tǒng),它采用了當(dāng)前普遍使用的局域網(wǎng)技術(shù)、西門子PLC控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等。整個(gè)控制系統(tǒng)由大量的西門子硬件構(gòu)成基本的骨架,組件時(shí)所有的硬件都可以在PCS7軟件工具庫(kù)中找到。PCS7的軟件系統(tǒng)可以滿足不同工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、不同工藝、不同要求的生產(chǎn)需要,控制系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際的需要柔性設(shè)

20、計(jì)、柔性生產(chǎn)。近年來西門子公司一直倡導(dǎo)并堅(jiān)持推崇全面集成自動(dòng)化理念,SIMATIC PCS7就是其典型代表。SIMATIC PCS7作為西門子公司的大型及超大型DCS系統(tǒng),結(jié)合了傳統(tǒng)的DCS與PLC技術(shù),并在此基礎(chǔ)上融合了全集成自動(dòng)化技術(shù)。DCS與PLC作為當(dāng)代工業(yè)控制的兩大核心產(chǎn)物,兩者緊密相關(guān),但也存在很大區(qū)別。DCS亦稱離散控制系統(tǒng),硬件上包括操作員站、工程師站、網(wǎng)絡(luò)及控制器,軟件上是一個(gè)整體的系統(tǒng),可以解決一個(gè)系統(tǒng)的所有的技術(shù)性問題,系統(tǒng)與系統(tǒng)之間結(jié)合緊密。PLC雖然和DCS一樣都是計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,但是PLC僅僅為一個(gè)控制器,可以和上位機(jī)相結(jié)合構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。從

21、使用情況方面講,PLC控制系統(tǒng)一般應(yīng)用在模擬量偏少的小型自控場(chǎng)所,邏輯運(yùn)算能力強(qiáng),偏重順序控制;DCS適用于模擬量較多的場(chǎng)合,偏重連續(xù)工業(yè)控制。表2-1詳細(xì)介紹傳統(tǒng)DCS、PLC及PCS7各自的特點(diǎn)。表2-1 傳統(tǒng)DCS、PLC與PCS7特點(diǎn)分析傳統(tǒng)DCSPLCPCS7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整系統(tǒng)開放靈活系統(tǒng)完整且開放靈活全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)控制器運(yùn)算速度較快集成現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)診斷功能強(qiáng)邏輯處理能力強(qiáng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)組態(tài)工具使用方便分散數(shù)據(jù)庫(kù)全局關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)回路處理能力強(qiáng)系統(tǒng)完整性較差具備較強(qiáng)的診斷功能系統(tǒng)開放性差系統(tǒng)診斷功能較弱組態(tài)軟件豐富、使用方便控制器運(yùn)算速度慢組態(tài)軟件單一控制器采用多任務(wù)處理器,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜回路控制和

22、邏輯控制邏輯處理能力弱回路處理能力較弱2.2 PCS7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2.1 PCS7典型系統(tǒng)配置圖2-1是一個(gè)典型的PCS7控制系統(tǒng),其中ES是工程師站,OS是操作員站,AS是自動(dòng)化站。圖2-1 PCS7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2.2 工程師站工程師站(Engineer Station,ES)是指在其上安裝了用于組態(tài)PCS7項(xiàng)目的PCS7工具軟件的PC。PCS7所有的項(xiàng)目均在工程師站上設(shè)計(jì),工程師站提供了強(qiáng)大的組態(tài)工具,可以和操作員站、自動(dòng)化站進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。本設(shè)計(jì)中在工程師站中所用到的組態(tài)工具有:(1) Plant View(工廠視圖):主要作用就是設(shè)計(jì)工廠層次;(2) SIMATIC Manager(SI

23、MATIC 管理器):它是PCS7的主要軟件,主要功能就是創(chuàng)建項(xiàng)目、庫(kù)、項(xiàng)目管理等;(3) HW Config:Hardware Configuration Environment(硬件配置環(huán)境):在軟件中將實(shí)際的一些硬件器件進(jìn)行組態(tài),主要有CPU模塊、通訊模塊、I/O等;(4) CFC:Continuous Function Chart(連續(xù)功能圖):主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)基本的算法設(shè)計(jì);(5) SFC:Sequential Function Chart(順序功能圖):主要負(fù)責(zé)工藝流程、聯(lián)鎖等邏輯控制;(6) SCL:Structured Control Language(結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言):根據(jù)實(shí)際的

24、需要編寫一些算法或者建立一些功能塊;(7) WinCC:Window Control Centre(Windows控制中心):系統(tǒng)的人機(jī)界面,負(fù)責(zé)操作員和設(shè)備之間進(jìn)行交流;(8) Graphics Designer editor(圖形編輯器):設(shè)計(jì)人機(jī)界面,負(fù)責(zé)編輯操作員站的相應(yīng)畫面;(9) Process Object View(過程對(duì)象視圖):過程對(duì)象視圖中有項(xiàng)目的所有組態(tài)內(nèi)容,可在視圖中顯示這些對(duì)象并編譯。在工程師站中可以組態(tài)所有的系統(tǒng)組件,從操作員站經(jīng)自動(dòng)化站到現(xiàn)場(chǎng)層級(jí),其核心軟件是SIMATIC Manager,常用的有STEP7、WinCC、SFC、CFC、SCL、PDM。完成一個(gè)

25、實(shí)際的控制系統(tǒng)看上去非常復(fù)雜,但是其主要工作還是在工程師站中完成的,在工程師站中可以將系統(tǒng)開發(fā)過程分為自動(dòng)化站組態(tài)和操作員站組態(tài)兩個(gè)部分。自動(dòng)化站組態(tài)的主要目的是開發(fā)整個(gè)系統(tǒng),讓系統(tǒng)怎么運(yùn)作,讓實(shí)際的受控對(duì)象怎么走,具體工作包括硬件組態(tài)、程序設(shè)計(jì)、通訊模塊組態(tài)等。自動(dòng)化站的主要目的是負(fù)責(zé)處理人如何與系統(tǒng)進(jìn)行交流,其核心工作包括操作界面的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行過程中信息歸檔等問題。2.2.3 自動(dòng)化站自動(dòng)化站(Automation Station,AS)由電源(PS)、中央處理器(CPU)、通訊處理器(CP)和輸入、輸出模塊組成。除了硬件部分以外,中央處理器負(fù)責(zé)發(fā)送各種指令,起到大腦的作用。PCS7的C

26、PU為S7-400系列的PLC,CPU負(fù)責(zé)處理程序和操作系統(tǒng)。自動(dòng)化站通過系統(tǒng)總線或者工廠總線與工程師站或者操作員站的服務(wù)器進(jìn)行通訊,同時(shí)通過PROFIBUS DP總線與現(xiàn)場(chǎng)的分布式I/O或設(shè)備進(jìn)行通訊。圖2-2是一個(gè)典型的自動(dòng)化站,包含了分布式I/O、以太網(wǎng)通訊處理器等。圖2-2 典型的自動(dòng)化站2.2.4 操作員站操作員站(Automation Station,OS)可以是指OS服務(wù)器、OS客戶機(jī)、OS項(xiàng)目,是系統(tǒng)的人機(jī)交換窗口。OS組態(tài)是在工程師站中完成的,具體包括圖形對(duì)象設(shè)計(jì)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、報(bào)警、數(shù)據(jù)歸檔及存儲(chǔ)、報(bào)表設(shè)計(jì)等功能。同時(shí)PCS7中的操作員站提供開放式接口,用于和其他

27、應(yīng)用軟件相連接,這樣就可以把PCS7集成于復(fù)雜的、全公司范圍內(nèi)的自動(dòng)化系統(tǒng)中。OS服務(wù)器是整個(gè)操作員站的靈魂,可以和AS站及OS客戶機(jī)進(jìn)行通訊,它是溝通AS站與OS客戶機(jī)的橋梁,從AS站接受實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同時(shí)根據(jù)需要分配給OS客戶機(jī),一臺(tái)服務(wù)器最多可以被32臺(tái)OS客戶機(jī)所訪問。PCS7 OS服務(wù)器根據(jù)工廠區(qū)域的分布情況如圖2-3所示。圖2-3 PCS7 OS服務(wù)器2.2.5 PCS7網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)PCS7有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即:現(xiàn)場(chǎng)總線層、控制總線層、廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)。三級(jí)網(wǎng)絡(luò)各自分布,形成整個(gè)工廠的傳輸通道。主要用到的通訊方式是PROFIBUS和PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線,自動(dòng)化站和現(xiàn)場(chǎng)之間使用PROFIBUS,系統(tǒng)

28、站之間主要使用PROFINET。 (1) 現(xiàn)場(chǎng)總線層是連接自動(dòng)化站與現(xiàn)場(chǎng)的橋梁,主要是自動(dòng)化站連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或其他結(jié)構(gòu)等。PCS7中現(xiàn)場(chǎng)使用較多的是PROFIBUS DP及PROFIBUS PA,兩者均屬于PROFIBUS國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)可靠性較強(qiáng)且具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證等原因,使用率相對(duì)較廣,僅在德國(guó)和歐洲市場(chǎng)中PROFIBUS總線就占了40%以上的開放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)市場(chǎng)。PROFIBUS DP是從自動(dòng)化站到現(xiàn)場(chǎng)的總線通訊方式,現(xiàn)場(chǎng)主要連接對(duì)象為從站、現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O及其它設(shè)備,其主要作用是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的24V或者4-20mA信號(hào)傳輸,通過高

29、速、高效、經(jīng)濟(jì)的方式保證實(shí)際生產(chǎn)中的工業(yè)數(shù)據(jù)能有效傳輸。傳輸速度較高,最高可達(dá)到12Mbps。PROFIBUS PA主要用于過程自動(dòng)化,常用于自動(dòng)化系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)與溫度、壓力變送器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接進(jìn)行連接。PROFIBUS PA協(xié)議集定義了典型現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)和性能,適用于4-20mA模擬量傳輸。其主要特點(diǎn)是本質(zhì)安全型傳輸技術(shù),大多使用在安全性需求較高的場(chǎng)合。大多數(shù)PROFIBUS PA都是通過DP/PA耦合器與PROFIBUS DP進(jìn)行連接。(2) 控制總線層是自動(dòng)化站與操作員站及服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃\(yùn)用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊,在PCS7中使用的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)屬于PROFINET總線協(xié)議

30、。PROFINET是PROFIBUS國(guó)際組織近幾年提出的新一代工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),在控制總線層使用的工業(yè)以太網(wǎng)僅是PROFINET總線功能的一部分,PROFINET其他功能還包括:數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信、分布式設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全及過程自動(dòng)化。其通訊方式有:TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊、實(shí)時(shí)通訊、同步實(shí)時(shí)通訊,在實(shí)際運(yùn)用中以TCO/IP標(biāo)準(zhǔn)居多。(3) 廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)是通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議建立服務(wù)器與操作員站或上級(jí)廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)通訊。自動(dòng)化站通過工業(yè)以太網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息發(fā)送到服務(wù)器后,服務(wù)器將這些信息轉(zhuǎn)換,然后與操作員站進(jìn)行通訊或者與上級(jí)工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2.3 PCS7

31、編程語(yǔ)言2.3.1 PCS7編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)PCS7的編程語(yǔ)言及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備庫(kù)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131-3的規(guī)定,其編程語(yǔ)言具體包括順序功能圖、連續(xù)功能圖以及其他高級(jí)編程語(yǔ)言。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備庫(kù)包含許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息,這很大程度上簡(jiǎn)化了組態(tài)工作,縮短開發(fā)時(shí)間。IEC 61131國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所包含的部分有:系統(tǒng)綜述、硬件分析、編程語(yǔ)言、用戶指導(dǎo)、通訊標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)總線、模糊控制算法及編程語(yǔ)言實(shí)施。IEC 61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)屬于IEC 61131的第三部分。其中明確對(duì)PLC的編程語(yǔ)言提出了相關(guān)要求,規(guī)范了可編程控制器的編程語(yǔ)言及基本元素,這為PLC編程走向規(guī)范化指明了方向。IEC 61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合

32、了德國(guó)西門子、美國(guó)AB、日本三菱等眾多國(guó)際性知名企業(yè)PLC編程的習(xí)慣,結(jié)合各自優(yōu)點(diǎn),提出了圖形化編程語(yǔ)言和文本化編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn),這一標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一為用戶提供了極大的方便,同時(shí)為PLC編程軟件的發(fā)展提供了更高的平臺(tái)和更大的空間。2.3.2 CFC編程語(yǔ)言CFC連續(xù)功能圖是一種復(fù)雜的圖形化編程語(yǔ)言,采用IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn),其核心就是各種功能塊。這些功能塊大多數(shù)不需要用戶自己編輯,只需根據(jù)自己的需求在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里調(diào)用即可,同時(shí)在調(diào)用的功能塊之間進(jìn)行連接即可構(gòu)成整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)。構(gòu)成軟件骨架結(jié)構(gòu)的每個(gè)功能塊有一個(gè)參數(shù)表,可以進(jìn)入功能塊的屬性設(shè)置界面對(duì)功能塊的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。從而使系統(tǒng)能夠按照工藝要求完成

33、復(fù)雜的控制任務(wù),CFC連續(xù)功能圖大多使用在連續(xù)工業(yè)控制領(lǐng)域。2.3.3 SFC編程語(yǔ)言 SFC順序功能圖同樣是一種復(fù)雜的圖形化編程語(yǔ)言,也采用IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn),其核心為順序步,只要確定每一步程序需要執(zhí)行的內(nèi)容以及每步之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的條件,程序完成復(fù)雜的順序控制就非常容易。順序功能圖中主要有順序執(zhí)行、分支執(zhí)行、選擇執(zhí)行、循環(huán)執(zhí)行等操作,通過這些操作可完成一些小型批處理生產(chǎn)的自動(dòng)控制任務(wù)。2.3.4 SCL編程語(yǔ)言SCL是一種也符合IEC 61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的文本語(yǔ)言,它和C語(yǔ)言及Pascal語(yǔ)言類型相似,非常適合習(xí)慣使用高級(jí)語(yǔ)言編程的工程師使用。和其他語(yǔ)言相比,SCL語(yǔ)言適合用于實(shí)現(xiàn)

34、一些用戶自定義的算法和優(yōu)化控制策略,其大體步驟是把復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算或者先進(jìn)的優(yōu)化算法編制成用戶自定義的功能塊,然后在CFC中調(diào)用這些功能塊,并下載到PLC中,在實(shí)際的工藝生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的控制策略。2.4 PCS7監(jiān)控軟件分析2.4.1 監(jiān)控軟件介紹SIMATIC PCS7的核心人機(jī)交互界面就是基于標(biāo)準(zhǔn)SIMATIC WinCC的操作員站,它除了繼承了WinCC優(yōu)秀的性能外還有其他額外的功能,這是它與單機(jī)的WinCC有著明顯的不同,與傳統(tǒng)的WinCC相比由于功能更加完善、性能更加良好等優(yōu)點(diǎn),使得其被多數(shù)工程師所親睞,在復(fù)雜的連續(xù)工業(yè)過程控制中使用率一直較高。2.4.2 視窗控制中心視窗控制中心

35、(即WinCC)是西門子公司與微軟公司在自動(dòng)化領(lǐng)域采用先進(jìn)的技術(shù)共同研發(fā)的工控軟件。在PCS7中是操作員和系統(tǒng)溝通的橋梁和紐帶,操作員可通過人機(jī)界面軟件WinCC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。在PCS7中工程師可以通過工程師站給操作員站賦予部分權(quán)力,使其能對(duì)整個(gè)或部分系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)控。操作員可通過視窗控制中心對(duì)報(bào)警信號(hào)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)歸檔等信息進(jìn)行處理,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。2.5 PCS7數(shù)據(jù)庫(kù)在SIEMENS PCS7中,關(guān)系型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐系統(tǒng)。它除了這些能力外,它還能保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性、一致性以及系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)據(jù)的同步性。SIEMENS PCS7在數(shù)據(jù)管理方面采用

36、了微軟的SQL SERVER 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。該管理系統(tǒng)功能強(qiáng)大,能實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)管理能力,確保數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)完整性。2.6 本章小結(jié)本章從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編程語(yǔ)言等方面重點(diǎn)分析了西門子過程控制下系統(tǒng)PCS7。通過分析過程控制系統(tǒng)PCS7的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知整個(gè)控制系統(tǒng)的框架及各部分的通訊技術(shù)。使用PCS7的相關(guān)編程語(yǔ)言可以使整個(gè)系統(tǒng)按照既定要求運(yùn)行。監(jiān)控軟件可以了解系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行情況。第3章 基于PCS7的管式加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)在整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中占有舉足輕重的作用,控制效果的好壞直接受控制方案設(shè)計(jì)影響。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,選擇合理的控制算法、選擇閥門的

37、氣開、氣關(guān)形式,控制器正反作用都將對(duì)控制效果產(chǎn)生非常重要的影響。因此,在控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中遵循相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及原則將會(huì)起到事半功倍的效果。實(shí)際的生產(chǎn)過程要求:安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際生產(chǎn)中確保人身及設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全是首要要求。其次控制系統(tǒng)抗干擾能力應(yīng)達(dá)到相應(yīng)指標(biāo),保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。最后在保證安全及穩(wěn)定的前提下盡量設(shè)計(jì)及生產(chǎn)降低成本,保證經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)分為硬件配置和軟件編程實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要方向。就整體結(jié)構(gòu)而言,可靠的硬件結(jié)構(gòu)為軟件實(shí)現(xiàn)提供必要的基礎(chǔ),軟件實(shí)現(xiàn)又是硬件的體現(xiàn)。硬件結(jié)構(gòu)包括PLC硬件結(jié)構(gòu)配置、地址分配。工藝流程為控制策略及程序編寫明確了方向,根據(jù)工藝流程軟件部分可以分為控制算法、程序編寫

38、、操作員站畫面編輯、操作員站上對(duì)應(yīng)變量地址鏈接。3.2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)作為一個(gè)小型的過程控制系統(tǒng),本設(shè)計(jì)由工程師站/操作員站、自動(dòng)化站、受控裝置四部分構(gòu)成,過程控制系統(tǒng)PCS7作為其靈魂,負(fù)責(zé)調(diào)配整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中工程師站和操作員站集成在同一臺(tái)PC機(jī)上,該P(yáng)C機(jī)包含控制系統(tǒng)所有組件,其中自動(dòng)化站負(fù)責(zé)硬件配置、程序編寫、OS站配置等,操作員站負(fù)責(zé)在人機(jī)界面上對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行有效控制,在本設(shè)計(jì)中操作員站和工程師站通過同一根以太網(wǎng)線與自動(dòng)化站進(jìn)行通訊。自動(dòng)化站是控制系統(tǒng)的核心,在對(duì)被控裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的同時(shí)還需要把現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況反饋給操作員站。操作員站采用西門子優(yōu)秀上位機(jī)軟件

39、WinCC作為控制和監(jiān)視的媒介,達(dá)到人機(jī)溝通交流目的。本設(shè)計(jì)中選擇S7-400系列的412-3作為核心控制器來控制受控裝置SMPT-1000。CPU與PM125之間通過PROFIBUS DP進(jìn)行連接。PROFIBUS DP被用作通訊介質(zhì),將適配器PM125、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接到控制器。PM125與設(shè)備之間的連線已經(jīng)在設(shè)備生產(chǎn)時(shí)固化,因此所有地址均已分配,在實(shí)際使用時(shí)只需按照使用手冊(cè)中地址分配表進(jìn)行操作即可。整個(gè)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)主要由中央控制室、設(shè)備、擴(kuò)展部分組成。中央控制室包含PC機(jī)、PLC模塊。工程師站和操作員站共用該P(yáng)C機(jī),該P(yáng)C機(jī)內(nèi)集成了

40、PCS7所有標(biāo)準(zhǔn)組建??刂破鬟x用CPU 412-3,通訊模塊選用CP 443-1。中央控制室能夠完成單一系統(tǒng)中自動(dòng)化站、工程師站、操作員站的功能。設(shè)備上包含PM125適配器以及下面的I/O模塊,用于設(shè)備與控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。擴(kuò)展部分主要負(fù)責(zé)通訊部分,可將以太網(wǎng)信號(hào)、PROFIBUS DP信號(hào)外接,完成控制系統(tǒng)的擴(kuò)展及控制系統(tǒng)與管理層連接,將現(xiàn)場(chǎng)各部分實(shí)時(shí)的信號(hào)傳遞出去。3.3 SMPT-1000實(shí)訓(xùn)裝置及加熱爐分析3.3.1 SMPT-1000裝置分析 SMPT-1000高級(jí)多功能過程控制實(shí)訓(xùn)裝置是北京化工大學(xué)結(jié)合實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境研發(fā)的產(chǎn)品,它運(yùn)用了工業(yè)級(jí)高精度動(dòng)態(tài)仿真技術(shù),利用西門子系

41、列產(chǎn)品作為支撐,主要目的是為了培養(yǎng)學(xué)生能在實(shí)際的裝置上能對(duì)模擬的工業(yè)環(huán)境進(jìn)行有效控制。SMPT-1000實(shí)訓(xùn)裝置可拆分、組合成離心泵液位單元、熱力除氧器單元、蒸發(fā)器單元、加熱爐單元和鍋爐單元等部分。加熱爐單元中主要結(jié)構(gòu)包括:入口管線、對(duì)流段換熱器、輻射段爐膛、減溫器、燃料管線、煙道等部分。加熱爐單元常運(yùn)用于模擬石油煉制、焦油加工、原油運(yùn)輸?shù)裙I(yè)場(chǎng)合,主要核心是待加熱液體或氣體在管內(nèi)流動(dòng),通過熱輻射方式進(jìn)行熱傳遞,通過控制系統(tǒng)按照既定的工藝流程將待加熱物料加熱到指定的溫度,同時(shí)應(yīng)滿足控制要求中壓力、流量等工藝指標(biāo)。 SMPT-1000三維立體示意圖如圖3-2所示。圖3-2 SMPT-1000三維

42、立體示意圖本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際工業(yè)工藝的需求,結(jié)合實(shí)訓(xùn)裝置SMPT-1000能夠提供的條件,明確工藝控制對(duì)象、確定工藝流程,通過分析控制系統(tǒng)中受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,再確定控制系統(tǒng)控制方案,最后結(jié)合實(shí)際在實(shí)訓(xùn)裝置上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,完成控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。3.3.2 管式加熱爐分析管式加熱爐主要由輻射室、對(duì)流室、燃燒器、通風(fēng)系統(tǒng)等物理結(jié)構(gòu)組成,各部分由于其特定的物理結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致其作用各不相同,不同的物理結(jié)構(gòu)及不同的使用情況都將會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響,因此清楚的了解加熱爐的物理結(jié)構(gòu)將會(huì)很好的幫助我們建立控制系統(tǒng),完成控制設(shè)計(jì)。管式加熱爐具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-3所示。圖3-3管式加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖(1) 輻射室:待加

43、熱物體在輻射段的管道內(nèi)流動(dòng),燃燒的火焰或者高溫?zé)煔庵苯訉?duì)管道進(jìn)行輻射傳熱,通過調(diào)節(jié)爐膛火焰燃燒的強(qiáng)度可改變管道內(nèi)流動(dòng)物體的溫度,管式加熱爐的輻射段是主要的熱交換場(chǎng)所;(2) 對(duì)流室:對(duì)流室也是一個(gè)熱交換場(chǎng)所,從輻射室出來的高溫?zé)煔馔ㄟ^與管道接觸也可進(jìn)行熱交換,對(duì)流室的主要作用是利用高溫?zé)煔鈱?duì)管道內(nèi)的冷物料進(jìn)行預(yù)熱;(3) 燃燒器:燃燒器特定的結(jié)構(gòu)將會(huì)使使燃料霧化,同時(shí)將燃料和空氣混合,然后進(jìn)行燃燒,燃燒器是管式加熱爐中重要的產(chǎn)熱設(shè)備;(4) 通風(fēng)系統(tǒng):通風(fēng)系統(tǒng)的作用是為燃燒系統(tǒng)提供一個(gè)良好的燃燒環(huán)境,其具體的功能有兩個(gè),第一是將燃燒所需要的空氣引入燃燒器,第二是將燃燒后產(chǎn)生的煙氣等排出加熱爐,

44、燃燒爐按照通風(fēng)系統(tǒng)的不同可以分為自然通風(fēng)方式和強(qiáng)制通風(fēng)兩種。3.3.3 管式加熱爐工藝流程管式加熱爐控制系統(tǒng)要求加熱爐通過輻射傳熱與對(duì)流傳熱的方式,將工藝規(guī)定流量的物料加熱到工藝要求的溫度。被控對(duì)象實(shí)際的工藝流程決定了如何設(shè)計(jì)加熱爐的控制系統(tǒng),具體包括控制器選型、儀表選型、控制器地址分配等。在本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中所選被控對(duì)象為SMPT-1000實(shí)訓(xùn)裝置,實(shí)訓(xùn)裝置完全能夠模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的環(huán)境,因此設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)該嚴(yán)格按照實(shí)際的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。確定明確的工藝流程圖可以幫助我們了解建立控制系統(tǒng)的目的和意義,同時(shí)明白建立控制系統(tǒng)需要做的事情以及發(fā)展的方向,因此了解工藝流程對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)起著舉足輕重的

45、作用,對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的效果產(chǎn)生決定性的意義??刂葡到y(tǒng)工藝流程圖如圖3-4所示。圖3-4 管式加熱爐工藝流程圖 上料泵P1101將待加熱物料泵出,首先進(jìn)入換熱器E1101的管程預(yù)熱,同時(shí)對(duì)出料溫度進(jìn)行微調(diào),物料經(jīng)換熱器后直接進(jìn)入加熱爐F1101的對(duì)流段。加熱爐對(duì)流段在物理結(jié)構(gòu)上由多段盤管構(gòu)成,從輻射段出來的高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^盤管的間隙與管道進(jìn)行接觸,同時(shí)與管內(nèi)的物料進(jìn)行換熱,充分回收煙氣中所含的余熱,使物料再次預(yù)熱。物料經(jīng)對(duì)流段預(yù)熱后全部進(jìn)入加熱爐F1101的輻射段,在輻射段中燃燒器通過燃燒產(chǎn)生大量熱量,對(duì)管道進(jìn)行輻射傳熱。從輻射段出來的熱物料,全部進(jìn)入換熱器E1101的外殼,利用自身的熱量對(duì)

46、換熱器管道內(nèi)的冷物料進(jìn)行預(yù)熱,同時(shí)將自己的溫度降低到要求溫度,達(dá)到工藝指標(biāo)的物料從換熱器出口排除供給下一生產(chǎn)單元。燃料泵P1102將燃料泵入加熱爐F1101的燃燒器,變頻風(fēng)機(jī)K1101將空氣送入燃燒器。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒,產(chǎn)生熱量使輻射段爐管內(nèi)的物料迅速升溫。3.3.4 管式加熱爐控制系統(tǒng)要求1 開車步驟 (1) 啟動(dòng)前檢查所有的閥門、泵、鼓風(fēng)機(jī)均是否處于關(guān)閉狀態(tài),若沒有則應(yīng)將其關(guān)閉;(2) 打開煙道擋板,確保煙道暢通,然后啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)K1101,對(duì)爐膛進(jìn)行吹掃,當(dāng)爐內(nèi)可燃性氣體達(dá)到爆炸限以下后,停止鼓風(fēng)機(jī); (3) 啟動(dòng)上料泵P1101,啟動(dòng)物料調(diào)節(jié)閥,使管道中物料流量達(dá)到最小流量10

47、kg/s0.5kg/s,確保管道中物料流量達(dá)到最小值;(4) 打開燃料泵P1102、變頻風(fēng)機(jī)K1101,啟動(dòng)燃料調(diào)節(jié)閥,點(diǎn)火;(5) 緩慢升溫,將最終將熱物料出口溫度穩(wěn)定在2401;(6) 提升負(fù)荷,將物料流量提升至31kg/s0.5kg/s。2 物料流量控制指標(biāo) 系統(tǒng)在無論在開車投運(yùn)還是在提升負(fù)荷過程中均要保持物料流量在設(shè)定值且穩(wěn)定,同時(shí)在固定生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)應(yīng)達(dá)到規(guī)定的產(chǎn)量。 3 物料溫度控制指標(biāo)在最小流量階段及提升負(fù)荷穩(wěn)定后,溫度均應(yīng)該穩(wěn)定在設(shè)定的溫度范圍內(nèi),波動(dòng)范圍不應(yīng)過大。4 滿足節(jié)能指標(biāo)要求由于加熱爐控制系統(tǒng)需要耗能較多,對(duì)環(huán)境污染較大,控制系統(tǒng)盡量將使用的燃料量控制在規(guī)定指標(biāo)內(nèi),同時(shí)根

48、據(jù)燃燒的特性將燃燒后產(chǎn)生的煙氣控制在規(guī)定指標(biāo)內(nèi),合理利用系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱。5 控制系統(tǒng)充分貼近真實(shí)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)雖然在實(shí)訓(xùn)裝置SMPT-1000上實(shí)現(xiàn)控制需求,但是也應(yīng)貼近實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),按照開車步驟依次將控制回路投運(yùn),保證系統(tǒng)按照正確的指令完成開車過程,完成投運(yùn)。6 控制系統(tǒng)工藝要求參數(shù)表表3-1 工藝要求參數(shù)表工藝參數(shù)控制范圍出料溫度2401出料流量31kg/s0.5kg/s爐膛負(fù)壓1961Pa煙氣含氧量0.9%-3.0%3.4 硬件分析及選型3.4.1 自動(dòng)化站硬件分析及選型自動(dòng)化站硬件系統(tǒng)由CPU、電源、通訊處理器等組成。在本設(shè)計(jì)中所使用的CPU自帶有PROFIBUS DP通訊口,可與現(xiàn)場(chǎng)

49、設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,AS與OS進(jìn)行數(shù)據(jù)交換是通過通訊處理器CP443-1,它可以將信號(hào)傳送到OS或ES站。構(gòu)成整個(gè)AS站最小系統(tǒng)硬件見表3-2。表3-2 構(gòu)成AS站的硬件列表名稱型號(hào)訂貨號(hào)電源模塊PS4076ES7 407-0KA02-0AA0CPU模塊CPU 412-3H6ES7 412-3HJ14-0AB0通訊模塊CP 443-16ES7 443-1EX20-0XE03.4.2 操作員站/工程師站硬件分析及選型 在本設(shè)計(jì)中操作員站和工程師站共用同一臺(tái)PC機(jī)。工程師通過CP443-1向PLC的CPU加載程序,同時(shí)操作員站也由以太網(wǎng)通過CP443-1與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 PC機(jī)操作系統(tǒng)為Win

50、XP英文版,安裝的PCS7軟件為PCS7 V71 SP2英文版。3.4.3 泗博PM125模塊分析 泗博PM-125模塊是一種RS485/PROFIBUS DP適配器,適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接,可以將一個(gè)具有RS485接口的設(shè)備轉(zhuǎn)換成一個(gè)PROFIBUS DP總線接口設(shè)備。 PM125適配器在PROFIBUS側(cè)是PROFIBUS DP從站,在RS485側(cè)是一個(gè)Modbus主站。然后與SMPT-1000的AI、AO、DI、DO模塊連接,完成系統(tǒng)通訊。同時(shí)PM125應(yīng)用簡(jiǎn)單,用戶不需要了解PROFIBUS和Modbus技術(shù)細(xì)節(jié),只需參考使用指南,根據(jù)要求完成配置,即可完成系統(tǒng)通信。3.5 系統(tǒng)硬件地址分配

51、由于使用泗博PM125作為適配器,PM125內(nèi)部已將撥碼設(shè)置好,初始地址為7,同時(shí)生產(chǎn)廠家已將RS485端接至SMPT-1000的I/O口,因此只需將PLC連接至PM125的PROFIBUS端,在設(shè)備上設(shè)置好相應(yīng)的波特率、串口號(hào)即可,不需要再分別對(duì)地址進(jìn)行設(shè)置。3.5.1 PLC數(shù)字量輸入地址分配 PLC數(shù)字量輸入地址分配情況見表3-3。表3-3 PLC數(shù)字量輸入地址分配表序號(hào)類型名稱位號(hào)相對(duì)地址1DI爐膛燃燒狀態(tài)指示D1101I +1.03.5.2 PLC模擬量輸入地址分配 PLC模擬量輸入地址分配情況見表3-4。表3-4 PLC模擬量輸入地址分配表序號(hào)名稱位號(hào)單位相對(duì)地址1物料進(jìn)料流量FI

52、1101kg/sIW +22燃料流量FI1103kg/sIW +63空氣量FI1104kg/sIW +84熱物料出口流量FI1105kg/sIW +105煙氣流量 FI1107kg/sIW +126爐膛中心火焰溫度 TI1101IW +267加熱爐對(duì)流段出口物料溫度 TI1102IW +288加熱爐輻射段出口物料溫度 TI1103IW +309熱物料出口溫度TI1104IW +3210煙氣溫度 TI1105IW +3411加熱爐對(duì)流段入口物料溫度 TI1201IW+3612燃料壓力PI1101MPaIW +4013爐膛真空度PI1102mmH2OIW +4214煙氣含氧量AI1101%IW +

53、523.5.3 PLC數(shù)字量輸出地址分配 PLC數(shù)字量輸出地址分配情況見表3-5。表3-5 PLC數(shù)字量輸出地址分配表序號(hào)類型名稱位號(hào)相對(duì)地址1DO物料管線截?cái)嚅yXV1101Q +2.12DO燃料管線截?cái)嚅yXV1102Q +2.23DO上料泵啟停開關(guān)HS1101Q +2.54DO燃料泵啟停開關(guān)HS1102Q +2.65DO鼓風(fēng)機(jī)啟停開關(guān)HS1103Q +2.76DO爐膛點(diǎn)火按鈕HS1104Q +3.03.5.4 PLC模擬量輸出地址分配 PLC模擬量輸出地址分配情況見表3-6。表3-6 PLC模擬量輸出地址分配表序號(hào)類型名稱位號(hào)相對(duì)地址1AO物料進(jìn)料管線調(diào)節(jié)閥FV1101 QW +42AO燃料

54、管線調(diào)節(jié)閥FV1104 QW +103AO變頻鼓風(fēng)機(jī)S1101 QW +124AO熱物料出口管線調(diào)節(jié)閥FV1105 QW +145AO煙道擋板DO1101 QW +166AO物料進(jìn)料管線調(diào)節(jié)閥旁路閥HV1101 QW +183.6 系統(tǒng)控制策略3.6.1 出料流量算法設(shè)計(jì)物料出料流量受進(jìn)料流量影響,可認(rèn)為物料進(jìn)料流量和出料流量相等。出料流量用單閉環(huán)PID控制即可滿足工藝要求。物料出口流量控制系統(tǒng)框圖如圖3-5所示。 圖3-5 物料出口流量控制系統(tǒng)框圖從安全角度分析,當(dāng)出現(xiàn)異常工況閥門關(guān)閉對(duì)系統(tǒng)危害性小,則調(diào)節(jié)閥應(yīng)該選擇氣開閥,此時(shí)為+。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大,管道流量增加,此時(shí)符號(hào)為+。因此控制器為

55、-。3.6.2 出口溫度串級(jí)-比值控制算法設(shè)計(jì)物料出料溫度受加熱爐爐膛內(nèi)燃料量和進(jìn)風(fēng)量共同決定,即可以理解為燃燒系統(tǒng)單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量決定,通過燃料流量和風(fēng)量的按照一定的配比燃燒,確保出料溫度穩(wěn)定,因此燃料量和風(fēng)量形成一個(gè)雙閉環(huán)的比值控制。同時(shí)由于溫度控制屬于大滯后系統(tǒng),在算法中采用串級(jí)控制。出口溫度串級(jí)-比值控制算法的系統(tǒng)框圖如圖3-6所示。圖3-6 出口溫度-燃料/空氣雙閉環(huán)串級(jí)-比值控制框圖3.6.3 爐膛負(fù)壓控制算法設(shè)計(jì) 爐膛負(fù)壓直接由煙道擋板控制,由控制器直接作用于煙道擋板,通過控制擋板開合度來調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓。其系統(tǒng)方框圖如圖3-7所示。圖3-7 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)框圖3.6.4 空氣量控制算法設(shè)計(jì)通過煙氣含氧量可判斷加熱爐燃燒狀態(tài),通過綜合調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)

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