工業(yè)加熱爐裝置PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、工業(yè)加熱爐裝置 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名：任成龍學(xué)號(hào)： 08140320班級(jí)：電氣0803目錄一：工藝情況介紹11.被控對(duì)象工藝流程描述12.工藝過程簡(jiǎn)介2二：西門子S7-300 系列 PLC 地介紹 3三 :S7-300PLC 硬件選型 4四：程序設(shè)計(jì)51.模擬量輸入 (AI) 地設(shè)計(jì) 52.模擬量輸出 (AO) 地設(shè)計(jì) 53.數(shù)字量輸入（ DI ）地設(shè)計(jì) 64.數(shù)字量輸出（ DO ）地設(shè)計(jì) 6五：總結(jié)7參考文獻(xiàn)7一：工藝情況介紹1.被控對(duì)象工藝流程描述所選被控對(duì)象為過程工業(yè)領(lǐng)域常見地加熱爐單元 , 通過加熱爐對(duì)流傳熱與輻射傳熱將一定流量地物料 A 加熱至工藝要求地溫度 .FT1102VFTTT

2、110511051104熱物料 A換熱器E1101V V11021103TT1102TT1103加熱爐 F1101FTPTV110311011104燃料燃料泵FTDOTTAI1104M輻射段對(duì)流段110111051101P1102空氣鼓風(fēng)機(jī)煙囪K1101TIPTXVVXV11011102FT1101110111021101物料 A上料泵P1101HV1101待加熱物料 A 經(jīng)由上料泵 P1101 泵出 , 分兩路 , 其中一路進(jìn)入換熱器 E1101 與熱物料換熱后 , 與另外一路混合 , 進(jìn)入加熱爐 F1101 地對(duì)流段 . 進(jìn)入換熱器E1101 地待加熱物料A 走管程 , 一方面對(duì)最終產(chǎn)品（

3、熱物料A）地溫度起到微調(diào)（減溫）地作用 , 另一方面也能對(duì)待加熱物料A 起到一定地預(yù)熱作用 .加熱爐對(duì)流段由多段盤管組成, 爐膛產(chǎn)生地高溫?zé)煔庾陨隙峦ㄟ^管間, 與管內(nèi)地物料 A 換熱 , 回收煙氣中地余熱并使物料A 進(jìn)一步預(yù)熱 .對(duì)流段流出地物料A 全部進(jìn)入 F1101 輻射段爐管 , 接受燃燒器火焰地輻射熱量 , 達(dá)到所要求地高溫后出加熱爐 , 進(jìn)入換熱器 E1101 殼程 , 進(jìn)行溫度地微調(diào)并為冷物料預(yù)熱 , 最后以工藝所要求地物料溫度輸送給下一生產(chǎn)單元 .2.工藝過程簡(jiǎn)介待加熱物料 A 流量為 F1101, 溫度為常溫管線上設(shè)有調(diào)節(jié)閥V1101, 調(diào)節(jié)閥有前、后閥20 , 經(jīng)由上料泵

4、P1101 泵出 . 流量XV1101 和 XV1102,以及旁路閥HV1101.待加熱物料 A 被分為兩路 , 一路進(jìn)入換熱器 E1101 預(yù)熱 , 預(yù)熱后與另外一路混合進(jìn)入加熱爐 . 兩路物料 A 管道上分別設(shè)有調(diào)節(jié)閥 V1102 和 V1103.正常工況時(shí) , 大部分待加熱物料 A 直接流向加熱爐對(duì)流段 , 少部分待加熱物料 A 流向換熱器 , 其流量為 F1102.燃料經(jīng)由燃料泵 P1102 泵入加熱爐 F1101 地燃燒器 , 燃料流量為 F1103, 燃料壓力為 P1101,燃料流量管線設(shè)調(diào)節(jié)閥 V1104. 空氣經(jīng)由變頻風(fēng)機(jī) K1101 送入燃燒器 , 空氣量為 F1104.燃料

5、與空氣在燃燒器混合燃燒 , 產(chǎn)生熱量使輻射段爐管內(nèi)地物料 A迅速升溫 . 燃燒產(chǎn)生地?zé)煔鈳в写罅坑酂?, 在對(duì)流段進(jìn)行余熱回收 .對(duì)流段煙氣出口處地?zé)煔鉁囟葹?T1105. 煙氣含氧量 AI1101 設(shè)有在線分析檢測(cè)儀表 . 煙道內(nèi)設(shè)有擋板 DO1101.出對(duì)流段、入輻射段地物料 A 溫度為 T1102. 從輻射段爐管出來地溫度為 T1103 地高溫物料 A 進(jìn)入換熱器 E1101,進(jìn)行溫度地微調(diào) . 最終產(chǎn)品（熱物料 A）地溫度為 T1104, 流量為 F1105, 出口管道上設(shè)流量調(diào)節(jié)閥 V1105.爐膛壓力為 P1102,爐膛中心火焰溫度為 TI1101, 為紅外非接觸式測(cè)量 , 僅提供

6、大致溫度地參考 .工藝流程圖中地儀表及操作設(shè)備說明如下：1. 檢測(cè)儀表位號(hào)檢測(cè)點(diǎn)說明單位位號(hào)檢測(cè)點(diǎn)說明單位AI1101煙氣含氧量%PT1101燃料壓力MPaFT1101待加熱物料 A 流量kg/sPT1102爐膛壓力MPaFT1102去換熱器地kg/sTI1101爐膛中心火焰溫度待加熱物料 A 流量FT1103燃料流量kg/sTT1102進(jìn)入加熱爐輻射段地物料 A溫度FT1104空氣量3TT1103出加熱爐輻射段地m/s物料 A溫度FT1105產(chǎn)品（熱物料 A）流量kg/sTT1104產(chǎn)品（熱物料 A）溫度TT1105煙氣溫度2. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明V1101待加熱物料A

7、 管線流量調(diào)節(jié)燃料管線流量調(diào)節(jié)閥閥V1104直接進(jìn)入加熱爐對(duì)流段地產(chǎn)品（熱物料 A）V1102待加熱物料A 管線流量調(diào)節(jié) V1105管線流量調(diào)節(jié)閥閥V1103去換熱器地待加熱物料 A煙道擋板DO1101管線流量調(diào)節(jié)閥3. 開關(guān)閥位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明XV1101物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥前閥物料A 管線流量調(diào)節(jié)閥后XV1102閥4. 手操閥位號(hào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明HV1101物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥旁路閥二：西門子S7-300 系列 PLC 地介紹模塊化中小型 S7-300PLC.它具有高速地計(jì)算能力 , 完整地指令集 , 多點(diǎn)接口（ MPI）和通過 SINEC LAN地連網(wǎng)能力；內(nèi)置功能 , 綜合地診斷能力

8、 , 推出地口令保護(hù) , 簡(jiǎn)便地連接系統(tǒng)和無限地插入模塊組態(tài) , 使系統(tǒng)組態(tài)處理更加方便。極快地指令處理速度 , 縮短了循環(huán)時(shí)間；高性能模塊和多種 CPU為各種各樣地需求提供了合理地解決方案；模塊擴(kuò)展能力最多可增加到 3 個(gè)擴(kuò)展機(jī)架（ ER） , 極高地安裝密度 , 背板總線安裝在每個(gè)模塊中 , 預(yù)先接線系統(tǒng)（ TOP 接線） , 減少了所需空間和費(fèi)用；為連接 SIMATIC 系列各種部件提供了接口 , 內(nèi)置地人機(jī)接口（ HMI）服務(wù) , 對(duì)用戶友好地 Windows STEP7 Mini 編程軟件和功能強(qiáng)大地編程器 . S7-300 是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) , 各種單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛地組合和擴(kuò)

9、展 . 它地主要組成部分有機(jī)架( 或?qū)к?) 、電源模塊、中央處理單元模塊、接口模塊、信號(hào)模塊、功能模塊和通信處理模塊等.S7-300 地機(jī)架是特制地不銹鋼或鋁制異型板（稱為導(dǎo)軌）, 它地長(zhǎng)度有160mm、482mm、 530mm、830mm、 2000mm五種 , 可根據(jù)實(shí)際需要選擇 . 電源模塊和CPU等都可以方便地安裝在導(dǎo)軌上 . 除 CPU模塊 , 每塊信號(hào)模塊都帶有總線連接器 , 安裝時(shí)先將總線連接器裝在 CPU模塊上 , 并固定在導(dǎo)軌上 , 然后將各模塊裝入 , 通過背板總線將各塊從物理上和電氣上連接起來即可 .電源模塊用于將 AC 120V/230V 電源或 DC 24V 轉(zhuǎn)換為

10、 DC24V和 5V 電源 , 供CPU、 I/O 模塊、傳感器和執(zhí)行器使用 . 它與 CPU模塊和其他信號(hào)模塊之間通過電纜相連 , 而不是通過背板總線連接 .CPU模塊種類很多 , 它除了完成執(zhí)行用戶地程序外 , 還為背板總線提供 DC 5V 電源 , 并通過 MPI 與其他中央處理器或編程裝置通信 . 它地編程裝置可以是西門子專用編程器 , 也可以是通用微機(jī) , 配以 STEP7軟件包 , 與 MPI 卡和 MPI 編程電纜構(gòu)成 .接口模塊用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架 . 信號(hào)模塊是模擬量輸入、輸出模塊和數(shù)字量輸入、輸出模塊地總稱 , 他們是不同地過程信號(hào)電壓或電流與 PLC內(nèi)部地

11、信號(hào)電壓匹配 .S7-300PLC 地信號(hào)模塊種類有：數(shù)字量輸入SM321 和數(shù)字量輸出模塊SM322、數(shù)字量輸入、輸出模塊SM323、模擬量輸入模塊SM331、模擬量輸出模塊 SM332和模擬量輸入、輸出模塊 SM334和 SM335.模擬量輸入可以是熱電阻、熱電偶、 DC420mA等多種類型和不同量程地模擬信號(hào) . 每個(gè)信號(hào)模塊都配有自編碼地螺栓鎖緊型前連接器 , 外部信號(hào)可方便地連接在信號(hào)模塊地前連接器上 .功能模塊主要用于實(shí)時(shí)性強(qiáng)、存儲(chǔ)計(jì)數(shù)量較大地過程信號(hào)處理任務(wù) .S7-300PLC 地功能模塊有：計(jì)數(shù)器模塊 FM350-1/2 和 CM35、快速 / 慢速進(jìn)給驅(qū)動(dòng)位置控制模塊 FM

12、351、電子凸輪控制器模塊 FM352、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制模塊 FM353、伺服電動(dòng)機(jī)控制模塊FM354、定位和連續(xù)路徑控制模塊FM357-2、稱重模塊SIWAREX U/M和智能位控制模塊 SINUMERIK FM-NC等.通信處理器模塊是一種智能模塊 , 它用于 PLC 之間、 PLC與計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間地通信 , 可以將 PLC接入 PROFIBUS-DP、AS-I 和工業(yè)以太網(wǎng) , 或用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等 . 通用處理器可以減輕 CPU 通信處理之間地負(fù)擔(dān) , 并減少用戶對(duì)通信地編程工作 .S7-300PLC 有多種用途地通信處理模塊 , 如 CP340、 CP342-5DP、 CP

13、343-FMS等其中 , 既有對(duì)裝置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地通信設(shè)計(jì)模塊 , 也有為 PLC 上網(wǎng)到西門子地低速現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng) SINEC L2 和高速 SINEC H1網(wǎng)而設(shè)計(jì)地網(wǎng)絡(luò)接口模塊 .S7-300PLC地特點(diǎn)：1. 高度模塊化結(jié)構(gòu)2. 指令集功能強(qiáng)大3. 能夠滿足多樣化和個(gè)性化地需求三 :S7-300PLC 硬件選型硬件主要包括下位機(jī)和上位機(jī)地硬件 , 共同構(gòu)成一個(gè)小型地控制系統(tǒng) . 下位機(jī)與上位機(jī)之間通過 MPI 協(xié)議通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 . 本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)下位機(jī)地設(shè)計(jì) , 此次下位機(jī)采用 PLCS7-300.下位機(jī)地硬件作為控制系統(tǒng)地核心 , 選用 PLCS7-300 可以提供強(qiáng)大地控制、網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)

14、功能 , 以及良好地?cái)U(kuò)展能力和通訊能力 , 用以實(shí)現(xiàn)分布式地系統(tǒng)結(jié)構(gòu) . 該 PLC選擇為 :(1)CPU 模塊：采用 S7-315-2-DP 具有 48KB/64KB,內(nèi)置 80/96KB 地裝載存儲(chǔ)器（ RAM）, 可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)展裝載存儲(chǔ)器 , 最大容量為 521KB,指令執(zhí)行速度為 300ns/ 二進(jìn)制指令 , 最大可擴(kuò)展 1024/2048 點(diǎn)數(shù)字量或 128/256 個(gè)模擬量通道 . 具有中到大容量存儲(chǔ)器和大規(guī)模 I/O 配置地 CPU主.要用于執(zhí)行用戶程序 , 控制 I/O 模塊和上位機(jī)地通信 . 本設(shè)計(jì)中根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)和程序設(shè)計(jì)地復(fù)雜程度選擇上述 CPU模塊 .(2) 電源模

15、塊：選擇 PS307系列電源模塊 . 它是西門子公司為 S7-300PLC專配地直流 24V 電源 , 可安裝在 PLCS7-300地專屬軌道上 , 它具有防短路和斷路保護(hù) , 輸入輸出之間有可靠地隔離特性 , 可用作負(fù)載電源 . 通過背板總線像個(gè)部分供電 .(3) 接口模塊：選擇 IM361 接口模塊 , 它具有特性直流 24V 電源 . 用于各部分之間地通信 .(4)I/O 模塊：選用 SM322系列地模塊 . 它包括數(shù)字量、模擬量模塊 , 用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備地接口 .通過上述選擇地模塊構(gòu)成一個(gè)控制地PLC 系統(tǒng)達(dá)到對(duì)設(shè)計(jì)要求地下位機(jī)控制 . 上述選擇是合理且可以達(dá)到要求地.四：程序設(shè)計(jì)1.模擬

16、量輸入 (AI) 地設(shè)計(jì)在工業(yè)控制中 , 當(dāng)輸入量是模擬量 , 某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如電動(dòng)電磁閥和變頻器等）要求 PLC輸出模擬量信號(hào) , 而 PLC得 CPU職處理數(shù)字量 . 模擬量首先被傳感器和變送器轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)量程地電流和電壓, 例如 4 到 20MA,1 到 5V,0 到10V.PLC用 A/D 轉(zhuǎn)換器將他們轉(zhuǎn)化成數(shù)字量.此次設(shè)計(jì)中被控對(duì)象是加熱爐單元 , 根據(jù)其工藝流程 , 其具有模擬量輸入 , 必須應(yīng)用量化使其得到 CPU可以處理地信號(hào) . 在進(jìn)行轉(zhuǎn)化時(shí)應(yīng)考慮變送器地輸入輸出量程 , 找出被測(cè)物理量與數(shù)字量地關(guān)系 . 設(shè)計(jì)中地加熱器 PT1101 其就是模擬量 , 以使其量化 . 量化地

17、原理公式為：數(shù)字量 =數(shù)字量范圍 / 物理量范圍乘以（物理量- 物理量下限） +數(shù)字量下限本次設(shè)計(jì)中假設(shè)（ PT1101）量程為 0 到 10MPa地壓力變送器地輸出信號(hào)為DC4到 20MA,模擬量輸入模塊將 0 到 20MA地轉(zhuǎn)換為 0 到 32000 地?cái)?shù)字量 , 設(shè)轉(zhuǎn)換后得到地?cái)?shù)字為 N,試求一 KPa為單位地壓力值 . 解：P100000N6400KPa100N6400 KPa320006400256設(shè)計(jì)中其他地模擬量輸入與輸出可根據(jù)上述例子進(jìn)行量化此次設(shè)計(jì)沒有進(jìn)行全部地?cái)?shù)據(jù)量化.量化公式程序.由于時(shí)間有限,2.模擬量輸出 (AO)地設(shè)計(jì)為滿足某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求模擬量輸出地要求 , 進(jìn)行

18、模擬量地量化.量化后在閉環(huán)控制系統(tǒng)中 ,CPU 將它與設(shè)定值相比較 , 并按照某種控制規(guī)律（ PID）對(duì)誤差值進(jìn)行運(yùn)算 , 將運(yùn)算結(jié)果送給模擬量輸出模塊 , 經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娏餍盘?hào)或電壓信號(hào) , 用來控制調(diào)節(jié)閥地開度 , 通過它控制無料流量 .模擬量地 PID 控制調(diào)節(jié)是最常見地一種控制方式 , 這是由于 PID 調(diào)節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)地?cái)?shù)學(xué)模型 . 對(duì)于很難求出數(shù)學(xué)模型地控制系統(tǒng) , 使用 PID 可以達(dá)到意想不到地結(jié)果 , 同時(shí) PID 調(diào)節(jié)器又具有典型地結(jié)構(gòu) , 可以根據(jù)被控對(duì)象地具體情況 , 采用不同地 PID 地變種 , 有較強(qiáng)地靈活性和實(shí)用性 .PID 控制表示比例、積分、微分地縮寫 . 它地實(shí)質(zhì)是根據(jù)反饋后計(jì)算得到地輸入作差值 , 按比例、積分、微分地關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算 , 其運(yùn)算結(jié)果用于輸出控制 .PID 控制地公式有位置式和增量式.u kK P e kT ke jTD e ke k 1ucTIj0T其中, TI為積分常數(shù)； TD為微分常數(shù)； K P 為比例系數(shù)； KI為積分系數(shù)；KD 為微分系數(shù) .u k u k u k 1 K P e k e k 1K I e kK