毕业论文基于PCS7的工业加热炉控制系统设计

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1、2010届毕业生毕业论文题 目: 基于PCS7的工业加热炉控制系统设计 院系名称：电气工程学院 专业班级： 自动F0604 学生姓名： 李寿辉 学 号： 20064280407 指导教师： 张晓东 教师职称： 讲师 2010 年 1 月 7 日摘 要加热炉装置是许多工业生产过程的关键设备，很大程度上决定了工业生产流程的效率、产品的质量以及设备的生产能力等。本方案根据控制要求以及“节能、减排、安全”的思想，设计了一套基于西门子PCS7过程控制系统的工业加热炉自动控制系统。 工业加热炉有一些非常重要的过程参数，如：物料流量、燃料和空气流量、物料出口温度、炉膛内压力和温度等。对于这些参数的控制至关重

2、要，其不但决定着产品的质量和生产的效率，也很大程度上决定了生产过程的安全性。由于非线性和温度滞后等很多因素，使得常规方法对加热炉的控制效果不是很理想。因此，本系统以加热炉的工业生产过程作为被控对象，结合了模糊PID控制、常规PID控制和变比值控制等多种控制方式。本文分几个部分分别介绍了被控对象的工艺过程和控制要求；被控变量、操作变量以及阀门特性的选取；控制系统的整体方案设计；各控制子系统的控制方式和详细的控制算法及框图；控制系统的硬件设计。关键词： 加热炉 控制系统 硬件设计 PCS7Title Based on PCS7 Control System Design of Industrial

3、 Furnace AbstractFurnace device is the key equipment in many industrial processes.It largely determine the efficiency of industrial production processes, product quality and production capacity of such equipment. In accordance with the control requirements and the idea energy saving, emission reduct

4、ion, safety, the program designed a process control system based on Siemens PCS7 control system for industrial furnace.Industrial furnace has some very important process parameters, such as: material flow, fuel and air flow, the material exit temperature, pressure and temperature inside the furnace.

5、 Control of these parameters is essential,they not only determine the product quality and production efficiency, but also largely determine the safety of the production process.As the non-linear and temperature lag and many other factors, makes the conventional method of furnace control are not alwa

6、ys effective. Therefore, the system make the industrial process of furnace as a controlled object, then combine fuzzy PID control, PID control and conventional variable ratio control and other control methods.This article divide into several parts to introduced the process and control requirements o

7、f the controlled object; the selection of controlled variables, operating variables and characteristics of valve; overall design of the control system; the mode of control and the detailed control algorithm and block diagram of the control system; hardware design of the control system.Keywords furna

8、ce control System PCS7 hardware design 目 次 （4号黑体，居中）1 引言（或绪论）（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同） 12 （正文第2章） Y2.1 （正文第2章第1条） Y2.2 （正文第2章第2条） Y2.X （正文第2章第X条） Y3 （正文第3章） Y（略）X （正文第X章） Y结论 Y致谢 Y参考文献Y附录A （必要时） Y附录B （必要时） Y图1 （必要时） Y图2 （必要时） Y表1 （必要时） Y表2 （必要时） Y注：1. 目次中的内容一般列出“章”、“条”二级标题即可；2Y表示具体的阿拉伯数字；3. 目录前的页码采用罗

9、马数字。列如：I、II。1 绪论11 引言 12 课题背景13 本设计所做的工作2 系统概述21 被控对象简介被控对象是基于计算机动态仿真技术构建的过程工业领域的加热炉单元。通过加热炉对流传热和辐射传热将一定流量的物料A加热至工艺要求的温度，然后输送给下一单元。图1 加热炉工艺过程图具体设备包括：待加热物料进料单元，换热器，对流段及烟囱，加热炉，燃料泵及鼓风机。22 工艺过程简介加热炉操作包括炉子的点火升温过程和稳定运行过程。2.2.1 点火升温过程点火前准备：检查燃烧器的安装高度和角度，保证准确无误；检查烟道挡板的开关和开启方向，保证满足设计要求；用空气清扫炉管和燃烧器；如果是第一次使用的炉

10、子要对炉衬进行烘烤。点火步骤：向炉管内泵入待加热物料A；开启烟道挡板DO1101；在冷态下启动鼓风机K1101，风量达到额定值的15%30%以上，时间不少于10分钟，以便清扫炉膛和再试鼓风机；整备燃料泵P1102压力调节系统；关闭鼓风机；点燃引火火嘴；手动稍稍开启燃料阀，点燃燃烧器，如果未点燃而使燃料喷入炉膛，立即关闭阀门重新吹扫炉膛；点火完成，逐渐开大燃料阀；开启鼓风机K1101，并调节烟道挡板。2.2.2 稳定运行过程待加热物料A流量为F1101，温度为常温20，经由上料泵P1101泵出。流量管线上设有调节阀V1101，调节阀有前、后阀XV1101和XV1102，以及旁路阀HV1101。待

11、加热物料A被分为两路，一路进入换热器E1101预热，预热后与另外一路混合进入加热炉。两路物料A管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分待加热物料A直接流向加热炉对流段，少部分待加热物料A流向换热器，其流量为F1102。燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，空气量为F1104。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的物料A迅速升温。燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。对流段烟气出口处的烟气温度为T1105。烟气含氧量AI

12、1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。出对流段、入辐射段的物料A温度为T1102。从辐射段炉管出来的温度为T1103的高温物料A进入换热器E1101，进行温度的微调。最终产品（热物料A）的温度为T1104，流量为F1105，出口管道上设流量调节阀V1105。炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为TI1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。2.2.3 系统测控条件及设备参数列表根据课题要求，可了解到系统各个测控条件以及设备参数（表1，表2）：表1 测控条件一览表序号位号检测内容单位1AI1101烟气含氧量%2FT1101待加热物料A流量kg/s3FT1102去换

13、热器的待加热物料A流量kg/s4FT1103燃料流量kg/s5FT1104空气量m3/s6FT1105产品（物料A）流量kg/s7PT1101燃料压力MPa8PT1102炉膛压力MPa9TI1101炉膛中心火焰温度10TT1102进入加热炉辐射段的物料A温度11TT1103出加热炉辐射段的物料温度12TT1104产品（热物料A ）温度13TT1105烟气温度表2 系统设备参数一览表序号位号执行机构说明1V1101待加热物料A管线流量调节阀2V1102直接进入加热炉对流段的待加热物料A管线流量调节阀3V1103去换热器的待加热物料A管线流量调节阀4V1104燃料管线流量调节阀5V1105产品（热

14、物料A）管线流量调节阀6DO1101烟道挡板7XV1101物料A管线流量调节阀前阀8XV1102物料A管线流量调节阀后阀9HV1101物料A管线流量调节阀旁路阀2.2.4 控制要求系统具体控制要求如下：（1）热物料出口温度控制在物料A进料量一定的情况下，使得热物料A达到要求的温度并维持其在允许的范围内。（2）节能控制节能体现在满足工艺控制要求的前提下，达到最小燃料使用量。一方面要求加热炉在正常工况时燃料的使用量最少，同时也体现在从冷态开车到加热炉达到正常工况所需的燃料用量达到最少。（3）减排控制排放指标主要体现在二氧化碳的排放量上，同时兼顾由于燃烧不充分产生有毒一氧化碳的排放量。（4） 安全控

15、制针对炉管爆裂（A物料为可燃物质）、炉膛灭火、进料中断这三种加热炉事故进行故障识别并设计相应的安全控制系统。23 对象特性分析加热炉是工业领域很重要的换热设备，加热炉单元是具有强耦合、大滞后、大惯性及慢时变等特点。它的内部机理比较复杂，直接建模也相对比较困难，所以对加热炉的控制也有一定的难度。针对本控制对象，分析其特性如下。2.3.1 多级换热特性加热炉对象主要包括对流室、辐射室、换热器三个主要部分，即有炉膛辐射段换热、对流段换热以及减温换热器换热。根据工艺流程，多级换热系统是相互关联，具有强耦合特性。被加热物料同时参与加热和冷却。所以只有处理好各个换热单元之间的耦合关系，才能得到较好的控制效

16、果。2.3.2 上料系统特性待加热物料A被分为两路，其中一路经换热器预热后与另一路汇合，然后进入对流段。我们的控制目标是保证两支路调节阀的阀后压力平衡，防止调节阀开度变化后出现某一路滞留甚至倒流现象。另外，待加热物料A的流量同时影响加热炉的换热过程，流量增加时，换热量增加，反之亦然。待加热物料流量的变化将使燃料流量、空气流量的变化。流量越大，流体流速越高，从而在炉内换热时间越短，要达到工艺要求温度，就需要相应提高炉膛内温度，加大了加热炉系统的非线性特性。2.3.3 加热炉的燃烧特性燃料的燃烧是加热炉的热量来源，在满足工艺要求的同时，做到节能减排是本题目的要求。在控制燃烧时必须使燃料量与空气量应

17、保持在一个合适的比例。这个比例随着燃料及空气物理化学特性的变化而变化。同时燃料流量、燃料热值变化时，这个比例也随之变化。在燃烧过程中，也应保证炉膛负压在工艺要求的范围内。炉膛压力过高，会有冒火危险；负压过低，会增加冷空气的漏入量，增大热量损失。炉膛负压与炉膛温度、空气流量也是相互联系的。烟道挡板开度一定时，空气流量增大、炉膛温度升高都会使炉膛内压力升高。烟道挡板的开度变化时，除了调节炉内负压外，还会改变空气通道的阻力，影响空气流量调节。2.3.4 加热炉温度特性工业加热炉是一个多容量过程，产品出口温度的纯滞后严重，升降温过程惯性也很大。当燃料流量减小时，炉膛温度不会迅速降低，而是会继续维持原来

18、的高温状态一段时间，反之亦然。同时，加热炉还有慢时变特性，随着温度升高，被加热温度响应的时间常数及滞后都会有所减小。在运行过程中，由于烟灰在炉膛内积聚炉管结垢等原因，加热炉的机构特性会发生变化。对于节能减排的要求，排烟温度越低，能耗越小；烟气氧含量越小，排烟损失的热量越少；炉膛温度越低，燃料消耗越少，也就越节能。因此应使被加热物料A充分在对流段和辐射段换热，而尽量降低在减温换热器的换热负荷。减温换热器的热负荷越小，进入对流段的冷流温度越低，从而使得冷流与风烟的温差加大，增大换热推动力，使冷流从烟气中吸收更多的热量，减少排烟的热损失。正常工况时，只有少量被加热物料流向换热器也正体现了这一点。对流

19、段换热的影响因素主要有烟气入口温度和烟气流速，烟气流速越大换热越不充分。通过对加热炉的特性分析可知加热炉具有强耦合纯滞后大惯性等特征。3 控制系统整体方案31 系统被控变量选择在实际生产过程中，影响正常生产的因素是多方面的，但并不是所有的因素都要加以控制。而是要深入实际，了解工艺操作要求，找出那些对产品质量、产量、安全、能耗等起决定性作用的参数，将这些工艺上所期待要求的参数选作被控变量。这些参数必须是直接可测的。在本方案中，被控变量的选取主要遵循以下原则： （1） 根据对工艺过程以及题目要求的分析，被控变量的选取最好按照工艺操作的期望要求直接选定。（2） 当干扰进入系统时，该被控变量必须具有足

20、够的灵敏度和变化数值。 （3） 被控变量的选择必须考虑到工艺过程的合理性、经济性、以及仪表生产的现状。结合系统控制要求和以上原则，本方案中选用进入加热炉辐射段的物料A温度、出加热炉辐射段的物料A温度、产品温度、炉膛中心火焰温度、烟气温度、烟气含氧量和炉膛压力等作为被控变量。并且在具体的控制子系统中根据具体控制对象与要求具体选择。32 系统操纵变量选择被控变量确定以后，接着就是选择操纵变量的工作。在工业过程中，由于种种外部的和内在的因素，对工艺过程的稳定运转必然存在干扰，本系统也不例外。因此，选择操纵变量要从分析干扰因素着手，考虑采取什么手段来克服干扰。通常是通过改变某个参数，以克服干扰对被控变

21、量的影响，使之恢复稳定，这个参数就是操纵变量。 选择操纵变量时，如果工艺上同时有几个参数可供操纵变量进行选择，则应熟悉工艺，认真分析，找出某一克服干扰能力强、工艺上合理、且动态响应快速的参数作为操纵变量。在本方案中，操纵变量的选取主要遵循以下原则： （1） 操纵变量的选取，工艺上首先要合理，符合节能、安全、经济运行要求。（2） 从系统考虑，操纵变量对被控变量的影响比对其它任何干扰都更灵敏。 结合本控制系统的具体控制要求和以上原则，本方案中选用燃料流量、空气量、去换热器的待加热物料A流量等作为操纵变量。并且在具体的控制子系统中根据具体控制对象与要求具体选择。33 系统整体方案根据加热炉的工艺特性

22、以及系统控制要求，需对控制系统的冷态启动、正常工况下加热炉出口物料温度、最终出口物料温度等进行控制，并且设计各种安全控制及报警装置。在本方案中，总体流程图如图2所示。启动燃料泵与鼓风机，并打开调节阀V1104和烟道挡板开 始启动加热炉冷态启动控制系统启动安全控制系统及其报警装置加热炉出口温度、物料 流量是否达到给定值N启动加热炉恒温控制系统启动物料A出口温度微调控制系统物料加热（对流传热与辐射加热）物料温度微调出料Y结束 图2 系统总体流程图4 子控制系统设计41 加热炉冷态启动控制系统设计在加热炉启动阶段，由冷态开车到加热炉达到正常工况所需的温度；启动时，物料流量为稍大于最小流量的一定值，当

23、加热炉温度达到一定值时开始提升负荷（加大物料流量）直到达到要求流量为止。在此阶段要求控制系统能够保证温度以一定的速率上升，这个速率应当均匀缓慢，以免加热炉升温过快使压力过快上升而发生安全事故，同时要求此期间所需的燃料达到最少，达到节能减排的目的。4.1.1 设计思想根据控制要求，本控制方案中被控变量与操纵变量的选择如下：被控变量：加热炉出口物料温度TT1103、物料流量FT1101操纵变量：燃料流量FT1103与空气流量FT1104、控制阀V1101开度本方案采用自动控制方式，采集加热炉炉口温度，通过温度变送器送入主控制器控制升温速率。同时，自动打开调节阀，使物料流量大于最小流量值，以免发生误

24、报警。当加热炉出口物料温度达到一定值（此值小于设定温度但又比较接近设定温度）时，通过调节阀提升物料流量，使其最终达到要求流量。物料出口温度TT1103达到给定值，烟气氧含量在1%-3%之间，炉膛压力为负，并且将以上工况维持住，则可以认为加热炉的开车达到正常状态。4.1.2 系统结构框图根据以上设计思想，系统结构框图设计如图3所示。图3 冷态启动控制系统框图图4中，温度上升速率采用自适应模糊PID控制，并且空气流量采用变比控制，使物料燃烧充分。4.1.3 模糊PID控制系统设计PID 控制中一个关键的问题就是 PID 参数的整定，传统的方法是在获取控制对象数学模型的基础上，根据某一原则确定参数，

25、这种方法在参数为非时变的系统中得到了广泛的应用，并且取得了良好的效果。但是，当应用到时变系统时，它的缺点便会暴露出来，系统的性能很差，甚至不稳定。另外，在对 PID参数整定过程中，往往得不到全局性的最优值，也因此无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。而模糊控制方法无须建立被控对象的数学模型 ，对被控对象的时滞、非线性、时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也具有较强的抑制能力，鲁棒性较好，但模糊控制器本身消除系统误差的性能较差，难以达到较高的控制精度，因此单纯采用模糊控制器不会得到较好的控制效果。 在本题目中，加热炉的升温过程是一个非线性、时变的纯延迟控制过程，难以建立精确的数学模型，并且控

26、制对象特性复杂，单纯采用常规的 PID控制和模糊控制都难以得到令人满意的控制效果。而将这两种方法结合起来，采用自适应模糊 PID 复合控制方式则既能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、超调小的特点，又具有 PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度，不失为一种好的控制方法。在本设计方案中，自适应模糊 PID 控制器是在 PID 算法的基础上，计算当前系统误差 E和误差的变化率 EC,以此作为输入量，并利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对KP、KI、KD三个参数分别进行调整的模糊规则表。各模糊

27、语言变量的隶属度根据实际情况取三角形函数。（1）输入量模糊化取输入E和EC的模糊集为NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB，论域为-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.8 0.1，则其隶属函数如图4所示。取输出KI论域为-0.06,-0.05,-0.04,-0.03,-0.02,-0.01,0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,则其隶属函数如图5所示。取输出KD论域为-3，-2，-1，0，1，2，3，则其隶属函数如图6所示。取输出KP论域为-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3,则其隶属函数

28、如图7所示。图4 E和EC隶属函数图5 KI隶属函数图6 KD隶属函数图7 Kp隶属函数(2) 模糊控制规则及方法模糊控制规则是对理论知识与实践经验的总结。由于2个输入变量偏差E及偏差变化率EC各有7个语言值，因此共有49条规则。采用十字交叉法并根据工艺控制经验可得输出量KP、KI、KD控制规则(分别如表3、表4、表5、表7所示)。表3 KP模糊控制规则表表4 KI模糊控制规则表表5 KD模糊控制规则表（3）反模糊化反模糊化是将模糊输出量转化为能够直接控制执行部件的精确输出量的过程,其主要方法有最大隶属度法、中位数法、重心法、二分法等。本温度控制系统采用二分法，即取输出模糊集的隶属度( 经过模

29、糊规则推理后得出的是控制量隶属于论域上不同模糊子集的隶属度)函数曲线与横坐标轴围成区域的面积均分点对应的元素值为输出值。42 加热炉恒温控制系统设计由系统控制要求可知，在物料A进料量一定的情况下，使得热物料A达到要求的温度并维持其在允许的范围内。因此当加热炉达到正常工况所需要的温度时，便开始对物料进行加热，并且要控制加热炉维持一定的温度，使物料A从加热炉出来时达到设定温度（即测量点TT1103的温度，并且该温度要稍高于工艺要求的加热温度）。在次过程中，并要使燃料使用量最小、一氧化碳和二氧化碳排放量最小，达到节能减排的的目的。4.2.1 设计思想根据控制要求，本控制方案中被控变量与操纵变量的选择

30、如下：被控变量：温度TT1103与烟气氧气含量AI1101操纵变量：燃料流量V1104与空气流量本方案采用自动控制，首先采集温度TT1102，通过温度变送器送入主控制器计算出加热到温度TT1103所需燃料流量，同时通过比值控制器控制空气流量，在加热炉中加热物料A。并且检测温度TT1103，返送到主控制器调节燃料流量使加热炉出口物料A达到要求温度。在此系统中，比值控制系统应该设计为变比控制系统，通过其调节燃料A与空气比值，使得燃料充分燃烧，达到节能减排的目的。4.2.2 系统框图根据以上设计思想，系统结构框图设计如图8所示。图8 恒温控制系统结构框图在图8中，由于温度具有惯性大、时间滞后效应强等

31、特性；另外在此系统中温度控制是对传热过程的控制，并且要求有较高的控制精度，因此主控制器采用模糊PID控制器。4.2.3 模糊PID控制器设计在加热炉中，温度控制系统具有实时监控功能。模糊PID控制器是控制系统的核心，其将加热炉出口物料A的温度与温度设定值相比较得到偏差，模糊控制器对该偏差及偏差变化率进行判断，而PID控制器同时对偏差进行判断，两者由一个转换开关进行切换控制。当偏差大于或等于转换设定值时，由模糊控制器进行控制(粗调)，当偏差小于转换设定值时，由PID控制器进行控制(细调)。由于考虑到加热材料的频繁更换，加热的温度各不相同，温度控制系统采用自适应模型跟随控制，这样可以根据不同温度的

32、要求改变模糊控制器的参数。（1）输入量的模糊化首先确定输入及输出控制量I的模糊集及其论域。论域分为基本论域和模糊论域，基本论域就是变量的精确值变化范围。二维模糊控制器的输人为加热温度的偏差E及偏差变化率EC。模糊论域均为一6，+6)，对稳态精度而言，可以适当增大范围。模糊集表示各模糊状态，取NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)表示负大，负中，负小，零，正小，正中，正大)。根据比例因子k=na/emax和k=nb/emax以及具体控制要求可求出E和EC的量化因子。考虑对论域的覆盖程度和灵敏度及原鲁棒性则，将隶属函数选择为三角形隶属函数(图9所示)。图9 隶属函数（2）模糊控制规则及方法模糊

33、控制规则是对理论知识与实践经验的总结。由于2个输入变量偏差E及偏差变化率EC各有7个语言值，因此共有49条规则。采用十字交叉法并根据工艺控制经验可得控制规则(表6所示)。表6 控制规则表表8中一般按照从左到右，从上到下的顺序输入模糊规则。规则1可以解释为如果E为NB且EC为NB，则I为NB。总的模糊关系为R=R1UR2UUR49(R1、R2R49代表每条规则中I对应值)，输出控制量模糊集为I=( EEC )R。(3) 反模糊化 反模糊化是将模糊输出量转化为能够直接控制执行部件的精确输出量的过程,其主要方法有最大隶属度法、中位数法、重心法、二分法等。本温度控制系统采用二分法，即取输出模糊集的隶属

34、度(经过模糊规则推理后得出的是控制量隶属于论域上不同模糊子集的隶属度)函数曲线与横坐标轴围成区域的面积均分点对应的元素值为输出值。（4） 模糊控制器的设计 为了达到更好的控制效果，采用模糊控制与PID控制切换的方法。PID控制器采用一个积分作用，I（k）=I(k-1)+KI*E(I(k)为k时刻电流输出值、I( k-1 )为k-1时刻电流输出值、kI为积分参数)。这样,补偿了模糊控制的积分环节,其控制的特点是在大偏差范围内利用模糊控制器推理的方法调节输出控制量I,而在小偏差范围内转换为PID控制器输出控制量I,两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。43 安全控制方案以及报警机制该工艺过程中

35、，如果发生炉管爆裂，由于A物料是可燃物质，因此就可能发生爆炸事故；如果由于燃料流量中断或其他原因引起炉膛突然灭火，则就会使物料出口温度迅速下降，严重达不到工艺要求；如果物料进料中断，则是加热炉温度迅速升高，可能会对设备和人身造成危害，并且造成燃料的浪费。为了能够保障工艺过程的安全，控制系统要求能够针对上述三种加热炉事故进行故障的识别并设计相应的安全控制系统以及报警机制，对其进行监视和控制。4.3.1 设计思想根据控制要求，本控制方案中被控变量与操纵变量的选择如下：被控变量：产品流量FT1105、炉膛中心火焰温度TI1101和待加热物料A流量FT1101操纵变量：燃料流量FT1103、空气流量本

36、系统采用自动控制，在工艺的全过程中，对产品（热物料A）流量FT1105、炉膛中心火焰温度TI1101和待加热物料A流量FT1101进行实时检测，然后与设定值相比较，如果出现下面情况：（1）如果检测到产品（热物料A）流量急剧下降（2）如果检测到炉膛中心火焰温度急速下降到零（3）如果检测到待加热物料A流量快速下降到规定的最小流量则说明工艺过程可能出项事故，该控制系统就会发出报警信号，并且采取相应措施使加热炉紧急停车，来实现对工艺全过程的安全控制。系统结构框图根据以上设计思想，系统结构框图设计如图10所示。控制器产品（热物料A）流量炉膛中心火焰温度待加热物料A流量加热炉紧急停车报警执行动作CRT显示

37、图10 安全控制系统加热炉紧急停车的步骤如下：1. 在紧急事故状态出现后，应立即关闭燃料管流量调节阀V1104，首先切断全部燃料气的供应。2. 然后停止鼓风机转动，停止向加热炉供应空气。3. 把烟道挡板DO1101全打开。4. 手动关闭物料A管线流量调节阀旁路阀，停止向加热炉加入物料。5. 检查分析事故原因，排除事故。6. 确认事故已排除，重新启动。44 物料A出口温度微调控制系统由本系统控制要求可知，物料A出加热炉时的温度要稍高于物料A的工艺要求温度，通过换热器的减温作用来对物料A进行温度微调，使物料A的最终温度能更加精准，达到工艺要求的温度。4.4.1 设计思想根据控制要求，本控制方案中被

38、控变量与操纵变量的选择如下：被控变量：产品（热物料A）温度TT1105操纵变量：去换热器的待加热物料A流量本方案采用自动控制，首先采集产品（热物料A）温度，与工艺要求的温度相比较，如果不满足要求，通过主控制器控制比值控制回路，来改变去换热器的待加热物料A流量和产品（热物料A）流量比值，从而是该系统的主参数产品（热物料A）温度达到工艺要求的水平。4.4.2 系统结构框图根据以上设计思想和系统控制要求，系统结构框图设计如图11所示。图11 温度微调控制系统框图45 炉膛负压以及热效率控制系统由本系统控制要求可知，加热炉在正常工作下，炉膛的压力应为微负压，一般为-20Pa -30Pa，这个负压对炉子

39、的热效率有较大的影响，所以在正常工况下要对炉膛压力进行控制，同时也可使加热炉在最佳热效率情况下运行，达到节能减排的目的。4.5.1 设计思想根据控制要求，本控制方案中被控变量与操纵变量的选择如下：被控变量：炉膛压力PT1102操纵变量：烟道挡板DO1101的开度本方案采用自动控制，首先采集炉膛压力，与设定值相比较，如果不满足要求，就调节烟道挡板的开度，从而使炉膛内压力维持在一个合理的负压，在这个负压下，能够使加热炉的热效率达到最佳，即此时要求烟气温度较低，烟气含氧量在1.0%-3.0%左右。4.5.2 系统结构框图系根据以上设计思想和系统控制要求，系统结构框图设计如图12所示。 图12 控制系

40、统结构框图5 硬件系统方案设计51 PCS7介绍PCS7是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术,在西门子公司S5、S7系列可编程序控制器及TELEPERM系列集散系统的基础上,面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。该系统采用相互可替代的操作站,强大的关系型分布式数据库支撑平台,高可靠、大容量冗余的过程控制站, PROF IBUS过程现场总线技术的分散型I/O控制子系统。SIMATIC PCS 7 的创新设计基于模块化和开放式的架构，这种架构使用了最新的 SIMATIC技术、一致性的工业标准以及高性能的过程控制功能。使用 SIMATIC PCS 7 过程控制系统，可以实现过程控制工厂在

41、整个寿命周期内经济地实施、运行以及所有方面的经济性：无论是规划，工程与组态，调试和操作培训，维护，技术支持，还是扩展和改造过程等方面都可以实现。借助于其模块化和开放式的架构，基于标准 SIMATIC 系列硬件和软件部件的选用，SIMATIC PCS 7 可以有效应用于大小型工厂。使用该系统，其扩展或系统修改也是非常容易，用户可以及时调整生产，应对市场需求。在这些过程中，SIMATIC PCS 7 把高性能和可靠性与简单安全的操作以及最大限度的方便性统一起来。SIMATIC PCS 7 过程控制系统是全集成自动化（TIA）的核心部件，是适用于生产、过程和综合工业中所有领域的统一、客户化的自动化系

42、统平台。通过全集成自动化理念，西门子为所有过程自动化应用在一个单一平台上提供了统一的自动化技术，从输入物流，包括生产流程或主要流程以及下游流程，直到输出物流。由此促进了整个公司运作的优化，包括企业资源规划（ERP）级、制造执行系统（MES）级、过程控制级直到现场级。SIMATIC PCS 7构建的全集成自动化的优点不仅在设计和工程阶段，而且在装配和调试阶段以及操作和维护阶段都表现不俗，尤其是统一的数据管理、通讯统一的数据管理意味着所有软件组件都可访问一个公共数据库。因此，在一个项目中，输入和修改在一点即可完成。从而降低了工作量，避免了潜在的错误。导入符号识别后，就可用于每个软件组件。即使同时有

43、几位技术人员操作同一项目，亦能确保数据的一致性。在工程师站定义的参数也可传送到现场中的传感器、执行机构或驱动器。从公司管理层直到现场层的统一通讯基于国际标准，例如工业以太网或 PROFIBUS，并支持经由因特网的全球化信息流。由于所涉及的硬件和软件部件都使用这些通讯机制，不管是跨系统还是跨越不同的网络，连接配置都极为容易。工程师站具有统一的协同工具，从而降低了组态费用。从中央项目管理器（SIMATIC Manager）中即可调用应用软件、硬件和通讯功能的工程工具。包括一个项目的创建、管理、保存和归档应用。通过全集成自动化，可保证与其它开发的兼容性，保证公司的未来投资，以及未来的现代化改造和扩建

44、。52 加热炉控制系统的硬件选择5.2.1 输入输出点选择根据系统的工艺过程、测控参数和控制要求，本控制系统的输入输出点选取如表7、表8所示。表7 开关量参数选取表开关量输入点开关量输出点名称说明名称说明START启动系统S1上料泵启动END系统停车S2上料泵停车S3燃料泵启动S4燃料泵停车S5变频鼓风机启动S6变频鼓风机停车表8 模拟量参数选择表模拟量输入点模拟量输出点名称说明名称说明AI1101烟气含氧量V1101待加热物料A管线流量调节阀FT1101待加热物料A流量V1102直接进入加热炉对流段的待加热物料A管线流量调节阀FT1102去换热器的待加热物料A流量V1103去换热器的待加热物

45、料A管线流量调节阀FT1103燃料流量V1104燃料管线流量调节阀FT1104空气量V1105产品（热物料A）管线流量调节阀FT1105产品（物料A）流量DO1101烟道挡板PT1101燃料压力M变频鼓风机PT1102炉膛压力TI1101炉膛中心火焰温度TT1104产品（热物料A ）温度TT1105烟气温度5.2.2 系统网络层次图图13 网络层次图上图是选用SIMATIC PCS7组建的控制系统网络拓扑结构图。该系统的各个层级之间采用不同的通讯方式，主要包括：工业以太网，PROFIBUS现场总线，远程分布式I/O，从而构成了一个大的通信网络 ，实现上位机对现场的信息收集与处理，控制现场设备进

46、行相应的动作。 控制系统结构根据可靠性高和开放性好的原则进行配置。为提高系统的可靠性，控制站采用 S7-300 PLC冗余系统；为提高系统的开放性，网络结构采用监控和现场设备两层网络体系结构，监控层网络采用工业以太网，现场设备层网络采用Profibus-DP分布式网络。5.2.3 系统硬件配置在工程实际中，从系统后期的容量扩充和安全性考虑，在选取I/O模块时，其点数按照实际信号点数的110进行配置，即I/O点数留出10的余量。根据这个原则，结合表9和表10，在本项目中现场控制站的 I/O 模块类型和数量选择如下： 模拟量输入模块：SM 331 AI 812bit，2块 模拟量输出模块：SM 3

47、32 AO 812bit，1块数字量输入模块：SM 321 DI 1624VDC，1块 数字量输出模块：SM 322 DO1624VDC，1块5.2.4 控制系统的功能特点及优点本控制系统具有如下的功能特点及优点： 工业以太网符合国际标准IEEE 802.3，是功能强大的区域和单元网络，它传输速率快，可达到 100Mbps，网络最大范围达 150km，并且容易并入其他网络，便于网络的扩充，所以在管理级用工业以太网连接工程师站、管理员站和现场控制站。 为了防止因为可编程控制器CPU 出故障而中断生产，对控制站的 CPU、电源、通信处理器等核心硬件进行冗余配置，从而大大提高可靠性。 针对控制室与控

48、制现场的距离大小，在 I/O 模块的选择上有两种方案：如果现场设备和现场传感器分布集中且离控制室很近，那么可以选择直接把信号接到与 CPU 所在的基站的 I/O模块上；如果生产现场离控制室比较远，或者生产现场环境危险，对CPU的安全威胁大，则可采取分布式 I/O模块，比如可以选择 ET200M。ET200M 放置在现场传感器和执行器附近，通过冗余的 PROFIBUSDP 现场总线将 ET200M 与控制室的CPU相连，这样也可以大大节约电缆等材料。 选择PROFIBUSDP现场总线的原因是：传输速率高，可达 12Mbps；技术成熟，易于调试和维护；容于扩容和系统升级且成本不高。53 调节阀选型

49、调节阀是本系统中非常重要的执行机构，它接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化来达到自动控制流量的目的，最终完成控制任务。因此阀门特性的选择对控制系统的性能的影响尤为重要，需按系统控制要求慎重选择。5.3.1 执行器结构形式的选择执行器结构的选择包括执行机构与调节机构的选择。执行机构包括气动、液动和电动三大类，而在本系统中应采用电动执行机构。对于调节机构的选择主要依据是：（1） 流体性质。如流体种类、粘度、毒性、腐蚀度等；（2） 工艺条件。如温度、压力、流量等；（3） 过程控制要求。控制系统精度、可调比等。本控制系统根据具体控制要求和以上原则综合考虑，同时兼顾经济性进行选择。5.3.2

50、控制阀流量特性的选择控制阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与相对开度之间的函数关系，如式（1）中所示。Q/QMAX=f(l/L) (1)其中，Q/QMAX相对流量。即控制阀在某一开度下的流量与最大流量之比； l/L相对开度。即控制阀在某一开度下的行程与全行程之比。常用的理想流量特性的控制阀有：线性型、对数（等百分比）型和快开型等。其理想流量特性如图14所示。图14 控制阀理想流量特性而在实际工作时，阀两端的压降会随流量而变化，这时的流量特性称为工作特性。设管路系统的总压差为，由液体提升高度引起的压差为，阀两端的压降为，管路其他部分的压降为。工程中通常采用经验法来选择调节阀的流量特性。表7给

51、出了理想流量特性的经验，本方案将依据这个表来选取理想流量特性。表9 控制阀理想流量特性经验选择表系统及被控变量干扰流量特性说明流量控制系统给定值直线变送器带开方器两端压力P1、P2等百分比给定值快开变送器不带开方器两端压力P1、P2等百分比温度控制系统给定值直线负荷等百分比压力控制系统给定值直线液体给定值等百分比气体负荷快开液位控制系统给定值等百分比负荷直线另外，本方案参考表3根据控制系统的特点选择了调节阀的工作流量特性之后，再参考表8进一步选择理想流量特性。表10 工艺配管情况与流量特性配管情况S=0.61S=0.30.5阀的工作特性直线等百分比直线等百分比阀的理想特性直线等百分比等百分比等

52、百分比5.3.3 调节阀口径选择调节阀口径的选择主要依据流量系数。而在根据计算所得到的流量系数选择调节阀口径之后，还应对所选调节阀开度和可调比进行验算，以保证所选调节阀的口径能满足控制要求。因此选择调节阀口径的步骤为：（1） 确定计算流量 根据现有的生产能力，设备负荷及介质状况，决定大计算流量Qmax;（2） 确定计算压差 根据所选择的流量特性选定S值，然后决定计算压差；（3） 计算流量系数 选择合适的流量系数计算公式，根据已决定的计算流量和计算压差，求得最大流量时的流量系数Kmax;（4） 选取流量系数Kv 根据一求得的Kmax，在所选用的产品型号的标注系列中，选取大于Kmax并与其最接近的

53、那一档Kv值；（5） 验算调节阀开度 一般要求最大计算流量时的开度部大于90%，最小计算流量时的开度不小于10%；（6） 计算调节阀实际可调比；（7） 确定调节阀口径 验证合格后，根据Kv值决定调节阀的公称直径和阀座直径。5.3.4 调节阀选型 阀门选型综合以上内容和控制要求，以安全生产为最终目标，同时具有较高的生产效率，现给出阀门的的具体选择，见表9。表11 阀门选型表编号位号公称直mm阀门形式阀门特性1V 1101Dg65气开线性2V 1102Dg50气开线性3V 1103Dg40气开等百分比4V 1104Dg50气开等百分比5V 1105Dg65气关快开对于V1101，调节机构选择VVF

54、31.65系列，线形阀，法兰连接，阀杆行程20mm，口径DN65，最大流量49m/h。执行机构选择西门子公司的SQX62U，控制信号是4-20mA，具有弹簧复位功能，工作电压AC24V，行程20mm。对于V1102。调节机构选择VVF31.50系列，线形阀，法兰连接，阀杆行程20mm，口径DN50，最大流量31m/h。执行机构选择西门子公司的SQX62U，控制信号是4-20mA，具有弹簧复位功能，工作电压AC24V，行程20mm。图4.3.1 VVF31系列调节阀和SQX系列执行器。图15 VVF31系列调节阀和SQX系列执行器对于V1103。调节机构选择VVF45.49系列，阀杆行程20mm

55、，口径40mm，最大流量19m。执行机构选择SKB62U，控制信号是4-20mA，具有弹簧复位功能，工作电压AC24V，行程20mm，同时安全关闭。对于V1104。调节机构选择VVF45.50系列，阀杆行程20mm，口径50mm，最大流量31m。执行机构选择SKB62UA，控制信号是4-20mA，具有行程限位控制、顺序控制和信号转换功能，具有弹簧复位功能，工作电压AC24V，行程20mm，同时安全关闭。图16 VVF45系列调节阀和SKB系列执行器对于V1105。调节机构选择VVG41系列，阀杆行程20mm，口径DN15-DN50，流量0.63-40m。执行机构选择SKB62，控制信号是4-2

56、0mA，具有弹簧复位功能，工作电压AC24V，行程20mm，同时安全关闭。注：1正文中表格与插图的字体一律用5号宋体；英文字母用Times New Roman字体；2正文各页的格式请以此页为标准复制，页脚中的页码用阿拉伯数字表示；3为保证打印效果，学生在打印前，请将全文字体的颜色统一设置成黑色。结 论本方案根据工业加热炉的工艺流程和控制要求，设计了一套基于西门子PCS7的过程控制系统。在明确控制要求并且确定了被控变量之后，为了取得更好的控制效果，在深入分析各个被控量的影响因素、各个影响因素之间的制约关系、各个被控量间的制约关系以及各个被控对象的特性的基础上，结合经典控制理论和先进控制方法，设计

57、了一套完备合理的控制方案。对于工艺流程、对象特性、PCS7 系统组态软件以及其它的一些细节问题，还有待于现场进行试验测试，从而根据测试数据对被控对象更进一步了解的基础上，改进和修正控制方案，以期能非常出色实现控制功能，达到控制要求。（空2行） 致 谢（小3号黑体，居中）（小4号宋体，1.5倍行距）（空2行） 参 考 文 献（小3号黑体，居中）1 （小4号宋体，行距18磅）2 3 期刊类例如： a 华罗庚，王元.论一致分布与近似分析.中国科学，1973（4）：339357图书类例如：b 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，1985，447外文类例如：c Borko H，Bernier C LIndexing concepts and methods .New York:Academic Pr,1978注：参考文献中的数字要与角注相对应。33