蒸發(fā)工段冷凝器溫度控制系統(tǒng)設計

1、蒸發(fā)工段冷凝器溫度控制系統(tǒng)設計過程裝備與自動化綜合設計說明書題目： 蒸發(fā)工段冷凝器溫度控制系統(tǒng)設計 學生姓名： 王順 學 號： 201101020318 院 （系）： 輕工與能源學院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 指導教師： 胡連華 2014 年 12 月 15 日目 錄1 課題概述11.1 設計背景11.2 工藝流程12 控制方案設計22.1 控制回路22.2 控制方案33 硬件選型33.1 控制系統(tǒng)點數(shù)統(tǒng)計33.2 CPU選型33.3 模擬量輸入模塊選型43.4 模擬量輸出模塊選型43.5 數(shù)字量輸入模塊選型53.6 數(shù)字量輸出模塊選型63.7 電源模塊選型74 低壓電器的選型94.1 低

2、壓斷路器選型94.2 接觸器選型94.3 熱繼電器選型104.4 中間繼電器選型105 儀表、閥門選型115.1 溫度儀表的選型115.2 閥門的選型116 控制功能的實現(xiàn)127 設計總結12參 考 文 獻14 蒸發(fā)工段冷凝器溫度控制系統(tǒng)設計1 課題概述1.1 設計背景本次設計的課題為堿回收蒸發(fā)工段冷凝器溫度控制系統(tǒng)設計，造紙業(yè)的發(fā)展以及國家對環(huán)境要求越來越嚴格，國內各大造紙業(yè)紛紛通過堿回收工程來處理制漿造紙過程中產(chǎn)生的黑液，以達到回收堿液以及能源的再利用。PLC系統(tǒng)目前已在造紙行業(yè)廣泛應用，其在堿回收過程中的應用，可以充分提高造紙行業(yè)中的自動化水平以及堿回收車間的生產(chǎn)效率。堿回收過程包括蒸發(fā)

3、、燃燒、苛化三個過程，堿回收蒸發(fā)工段控制效果的好壞對后續(xù)燃燒工段起著舉足輕重的作用。在蒸發(fā)工段，溫差是蒸發(fā)黑液的主要動力，它直接影響蒸發(fā)的能力，必須保證有足夠的冷凝水。冷凝器的排水溫度越低，真空度越穩(wěn)定，但是排水溫度過低，冷卻水的消耗就會增加，影響經(jīng)濟效果。因此，冷凝器的出水溫度控制是蒸發(fā)工段中最重要的控制參數(shù)之一。同時蒸發(fā)工段對測控系統(tǒng)的要求較高，如果測控系統(tǒng)設計的不好，則在運行過程中易造成蒸發(fā)站的時開時停，消耗大量的蒸汽和電力，且易損壞設備，甚至造成生產(chǎn)事故，而采用常規(guī)的控制系統(tǒng)運行不夠穩(wěn)定可靠、自動化水平低、系統(tǒng)運行效果不令人滿意。PLC所有的模塊均是固態(tài)電路，具有標準化、模塊化和插入結

4、構，具有防塵、抗震、耐高溫、抗干擾等要求，很適合蒸發(fā)工段惡劣的工業(yè)環(huán)境。1.2 工藝流程蒸發(fā)站由5個蒸發(fā)器和一個板式冷凝器組成，本次課題主要是對板式降膜冷凝器溫度控制系統(tǒng)的設計。本課題采用間接蒸發(fā)的兩板三管五效逆流式蒸發(fā)站流程中的板式降膜冷凝器的冷凝流程，冷水通過閥門進入板式降膜冷凝器，不凝氣和二次蒸汽加熱板式冷凝器的不銹鋼元件，冷水在下落的過程中被不銹鋼元件加熱至45，送至其它工段使用。冷凝水溫度受諸多因素的影響，例如：由于受供水壓力而引起的冷水流量波動；不凝氣和二次蒸汽流量的變化；進板式冷凝器冷水溫度變化等。 從V效長管升膜蒸發(fā)器過來的蒸汽和V效長管升膜蒸發(fā)器過來的冷凝水進入冷凝系統(tǒng)，經(jīng)處

5、理后的冷凝水被泵送到水封槽，也可用于洗效。蒸發(fā)工段冷凝器采用板式降膜冷凝器，它具有傳熱系數(shù)高，不易結垢，阻力小等特點，對水質水壓要求低。本課題采用溫度單回路控制方案進行控制系統(tǒng)的設計。工藝流程圖如圖1-1。 蒸發(fā)工段冷凝器溫度控制系統(tǒng)設計圖1-1 溫度單回路控制系統(tǒng) 進V效的新鮮蒸汽經(jīng)冷凝放熱后，送入冷凝罐，而V效的冷凝水送到V效冷凝水閃蒸罐，經(jīng)閃蒸后，冷凝水被集中到“污冷凝水液位罐”，然后被泵送到水封槽，也可用于洗效。TIC-01為冷凝器表面冷凝水出口溫度指示、調節(jié)。2 控制方案設計 本課題選取流程圖中的一個控制回路研究冷凝器的溫度控制方案，控制系統(tǒng)通過PLC模塊、低壓電器、閥門、溫度變送器

6、組成控制回路實現(xiàn)對板式冷凝器的溫度控制。2.1 控制回路溫度單回路控制圖2-1溫度單回路控制方框圖1 2.2 控制方案 在蒸發(fā)工段，溫差是蒸發(fā)黑液的主要動力，它直接影響蒸發(fā)的能力，必須保證有足夠的冷凝水。冷凝器的排水溫度越低，真空度越穩(wěn)定，但是排水溫度過低，冷卻水的消耗就會增加，影響經(jīng)濟效果。因此，冷凝器的出水溫度控制是蒸發(fā)工段中最重要的控制參數(shù)之一。目前，大多數(shù)造紙企業(yè)的所采用的溫度控制方案有單回路控制、黑液濃度串級控制，本控制方案采用溫度的單回路控制。設計包括硬件的選型、低壓電器的選型、儀表閥門的選型以及電氣原理圖、電氣器件、儀表電路接線圖。3 硬件選型機型選擇的基本原則應是在功能滿足要求

7、的前提下，保證可靠、維護和使用方便以及最佳的性能價格比。本控制方案硬件的選型包括CPU選型、電源模塊選型、數(shù)字量輸入、輸出模塊選型、模擬量輸入、輸出模塊選型。3.1 控制系統(tǒng)點數(shù)統(tǒng)計電機啟停：2個DI；1個DO氣動調節(jié)閥：1個AO 溫度變送器：1個AI根據(jù)以上統(tǒng)計，將輸入輸出點的統(tǒng)計如下表3-2 PLC輸入輸出點的統(tǒng)計AI點數(shù)AO點數(shù)DI點數(shù)DO點數(shù)總數(shù)統(tǒng)計11213.2 CPU選型 控制系統(tǒng)主要完成對現(xiàn)場測控點數(shù)據(jù)的實時顯示、趨勢顯示、工藝報警、PID參數(shù)設置及控制等功能；根據(jù)現(xiàn)場整個蒸發(fā)工段工藝特點和要求，PLC系統(tǒng)采用的是S7-300，其CPU選用的是312。它是最小的S7-300 CP

8、U,是滿足簡單應用的理想套件，適用于對處理能力有較高要求的小型控制系統(tǒng)，帶有與過程相關的功能。例如，口令保護，用戶程序使用密碼保護，可以防止非法訪問；診斷緩沖，可儲存最后500個錯誤和中斷事件，保存在該緩沖區(qū)，供診斷使用；免維護的數(shù)據(jù)后備，在斷電的情況下，CPU將自動地保存數(shù)據(jù)到微存儲卡中，再次通電時數(shù)據(jù)將保持不變。 根據(jù)控制方案的特點，CPU選用西門子S7-300 CPU312,其具體參數(shù)如下表3-1 西門子CPU 312參數(shù)CPU訂貨號定位計數(shù)版本固件硬件CPU 3126ES7312-1AE14-0AB02個通道都用計數(shù)頻率測量（最高10KHZ）或脈沖寬度（2.5HZ）V3.3013.3

9、模擬量輸入模塊選型 模擬量輸入模塊選用西門子SM331；AI 8×12 Bit（-7KF02-）；訂貨號：6ES7331-7KF02-0AB0。屬性：1.輸入點數(shù)：4個通道組中有8個輸入； 2.分辨率：可對每個通道組編程：12位+符號位； 3.測量類型：每個通道可編程電壓、電流、電阻、溫度； 4.輸入之間最大電位差：DC2.3V； 5Z符號 2-DMU=2接線制傳感器。圖3-4西門子模擬量輸入模塊接線圖3.4 模擬量輸出模塊選型 模擬量輸出模塊選用西門子SM332；AO 4×12 Bit（-5HD01-）；訂貨號：6ES7332-5HD01-0AB0。屬性：1.輸入點數(shù)：一

10、組中有4個輸出； 2.各通道可以選擇輸出（電壓輸出/電流輸出）；3.分辨率： 12位； 4.可編程診斷和診斷中斷； 5.與背板總線接口和負載電壓電氣隔離； 6.支持中RUN的參數(shù)分配。 SM332；AO 4×12 Bit 接線圖圖3-5西門子模擬量輸出模塊接線圖3.5 數(shù)字量輸入模塊選型數(shù)字量輸入模塊選用西門子SM321；DI 16×DC 24V (-7BH01-)；訂貨號:6ES7 321-7BH01-0AB0。屬性：1.16個點輸入，按每組16個電氣隔離；2.額定輸入電壓24 VDC；3.適用于開關以及2線制/3線制接近開關；4.可編程診斷、診斷中斷、硬件中斷、輸入延時

11、； 5.支持等時同步電源； 6.支持RUN中的參數(shù)分配。SM321;DI16×DC 24VDC接線圖圖3-2西門子數(shù)字量輸入模塊接線圖3.6 數(shù)字量輸出模塊選型 數(shù)字量輸出模塊選用西門子SM322；DO16×DC 24V/0.5A（-8BH10-）；訂貨號：6ES7331-8BH10-0AB0。屬性：1.輸出點數(shù)：16個DO:按每組4個進行隔離；2.額定負載電壓24 VDC；3.可組態(tài)的診斷；4.可編程診斷中斷；5.冗余；6.“0”和“1”信號時斷線；7.標識數(shù)據(jù)；8.固件可更新。SM322；DO16×DC 24V/0.5接線圖 圖3-3西門子數(shù)字量輸出模塊接線圖

12、及方框圖3.7 電源模塊選型 PLC配有開關式穩(wěn)壓電源，供PLC內部使用。與普通電源相比，這種電源輸入電壓范圍寬、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、體積小、重量輕。有些機型還可向外提供24VDC的穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器的供電。這就避免了由于電源污染或使用不合格電源產(chǎn)品引起的故障，使系統(tǒng)的可靠性提高。選型時根據(jù)電源模塊額定電流大于處理器模塊、I/O模塊、專用模塊等消耗電流的總和。電源模塊選用西門子電源模塊PS307；5A；訂貨號6ES7307-1EA01-0AA0。屬性：1.輸出電流為5A； 2.輸出電壓為24 VDC；短路保護和斷路保護； 3.與單相交流電源連接（額定輸入電壓120/230 VAC，

13、50/60HZ）； 4.安全隔離符合EN 60 950； 5.可做負載電源。圖3-1西門子P307電源模塊接線圖模塊的具體型號及訂貨號如下表3-3 PLC 模塊選型訂貨統(tǒng)計表型號訂貨號數(shù)量CPU模塊CPU 3126ES7312-1AE14-0AB0 1電源模塊PS307；5A6ES7307-1EA01-0AA0 1模擬量輸入模塊SM331；AI 8×12 Bit（-7KF02-）6ES7331-7KF02-0AB0 1模擬量輸出模塊SM332；AO 4×12 Bit（-5HD01-）6ES7332-5HD01-0AB0 1數(shù)字量輸入模塊SM321；DI 16×DC

14、 24V (-7BH01-)6ES7321-7BH01-0AB0 2數(shù)字量輸出模塊SM322;DO16×DC24V/0.5A（-8BH10-）6ES7331-8BH10-0AB0 14 低壓電器的選型低壓電器是指能夠自動或手動接通和斷開電路，以及對電路或非電對象進行切換、控制、保護、檢測、變換和調節(jié)的電器元件系統(tǒng)。本次設計中用到的低壓電器有低壓斷路器、接觸器和熱繼電器三種。低壓斷路器用于電機的過載保護和欠電壓保護；接觸器用于電路的頻繁通斷和電氣設備（如電動機）的近、遠距離控制，程序控制等；熱繼電器用于電動機的過載保護和斷相保護；中間繼電器用于控制電路的隔離作用。以下是四種低壓電器的選

15、型。4.1 低壓斷路器選型低壓斷路器選用正泰電氣NM10系列塑料外殼式斷路器（以下簡稱斷路器），訂貨號為NM10-100/323 額定電流100A 電磁脫扣器 、欠電壓脫扣器。NM10系列斷路器主要用于不頻繁操作的交流50Hz，額定工作電壓至380V,250A以下斷路器可以作為電動機的不頻繁起動及過載、短路、欠電壓保護。符合標準：GB 14048.2。主要參數(shù)及技術性能：1.過電流脫扣器在在過載情況下（反時限動作）斷開；2.斷路器在規(guī)定整定電流值下應瞬時動作；3.殼架等級額定電流（lnm A）100；4.額定極限短路分斷能力(lcu kA) (380V) 7.5；5.電動機保護用斷路器瞬時動作

16、電流整定值 12ln；6.整定允許誤差； 7.導線的截面積為35。圖4-1正泰低壓斷路器NM10-1004.2 接觸器選型接觸器選用正泰電氣NC7-6511/N。NC7系列交流接觸器(以下簡稱接觸器)，主要用于交流50Hz(或60Hz)，額定工作電壓至690V，在AC-3、400V的使用類別下額定工作電流至620A的電路中，主要用于遠距離接通和分斷電路之用，并與適當?shù)臒崂^電器組成電磁起動器以保護可能發(fā)生操作過負荷的電路。該接觸器適宜于頻繁地起動和控制交流電動機。 符合標準GB 14048.4、IEC 60947-4-1。主要參數(shù)及技術性能：1.額定工作電流：65A；2.約定自由發(fā)熱電流（A）：

17、80；3.額定絕緣電壓（V）：690；4.額定接通能力：10×le（AC-3）；5.額定接通能力：8×le（AC-3）；6.操作頻率（次/h）：電壽命600 機械壽命3600；7.動作范圍：吸合電壓為85%Us-110%Us 釋放電壓為20%Us-75%Us。圖4-2正泰接觸器NC-6511/N4.3 熱繼電器選型繼電器選用正泰電氣NR2-93 8093A，NR2 系列熱過載繼電器(以下簡稱熱繼電器)適用于交流 50Hz/60Hz、電壓至 690V，電流(0.1630)A 的長期工作或間斷長期工作的交流電動機的過載與斷相保護。 該熱繼電器具有斷相保護、溫度補償、動作指示、自

18、動與手動復,該產(chǎn)品動作可靠。 產(chǎn)品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等標準。 熱繼電器可與接觸器接插安裝，也可獨立安裝。相匹配接觸器型號NC7/NC100-4065。主要參數(shù)及技術性能：1.額定工作電流93A；2.額定絕緣電壓1000V；3.有斷相保護、手動與自動復位、溫度補償、動 作指示、測試按鈕；4.該系列繼電器為三相雙金屬片式，脫口級別為 10A； 5.具有整定電流連續(xù)可調裝置；圖4-3正泰熱繼電器NR2-93 6.安裝方式：與接觸器插入安裝或獨立安裝。4.4 中間繼電器選型中間繼電器選用正泰電器，型號DZB-12B,中間繼電器用于直流操作的各種保護和

19、自動控制線路中作為輔助繼電器，以增加接點的數(shù)量和接點的容量。在控制線路中使用中間繼電器，通過中間繼電器來控制其他負載達到擴大控制容量的目的。本設計方案中中間繼電器作為控制和隔離作用的執(zhí)行部件，起隔離作用。 主要參數(shù)及技術性能： 1. 額定電壓：AC 220；2. 額定電流：5A；3. 觸點負載：中小功率；4. 觸點切換電流：515；5. 觸點切換電壓：515；6. 動作時間：額定電壓下，動作時間不大于45ms；7. 動作值：動作電壓為額定電壓值得30%-70%； 動作電流不大于額定電流的80%； 8.保持值：保持電壓不大于額定電壓的70%； 保持電流不大于額定電流的80%； 9.應用范圍：中間

20、。圖4-4正泰中間繼電器 5 儀表、閥門選型5.1 溫度儀表的選型蒸發(fā)工段冷凝器的工作溫度范圍為0150，綜合測溫儀表的工作特性和測量范圍，本次設計中選用的溫度測量儀表為熱電阻溫度計。溫度儀表選用西安電儀自控系統(tǒng)有限公司的鎧裝熱電阻溫度計。訂貨具體型號：WZP K-2 26N(0150) 150 具體參數(shù)及規(guī)格如下：1.熱電阻種類：鉑電阻，分度號Pt100；2.鎧裝標志與輸出信號數(shù)：單支鎧裝芯；3.固定裝置形式與耐壓情況：固定卡套螺紋，用于鎧裝直徑38， PN2.5MPa；4. 接線裝置形式：大防水盒（普通型），適用于5，6， 8鎧裝芯；5.鎧裝元件直徑：6；6.鎧裝套材質：1Cr18Ni9T

21、i不銹鋼；7.不適用于強腐蝕、高壓環(huán)境；8.產(chǎn)品符合國家標準JB/T5582，等效于國際標準（IEC751）。圖5-1西安電儀熱電阻溫度計 5.2 閥門的選型針對蒸發(fā)工段管道中介質高粘度和污穢的性質，閥門的類型選擇為V型調節(jié)球閥，轉動球閥的閥芯使之與閥體處于不同的相對位置時，具有不同的流通面積，從而達到流量控制的目的，V型球閥的節(jié)流元件是V型缺口球形體，轉動球心使V型缺口起節(jié)流和剪切的作用。氣動執(zhí)行器具有結構簡單、動作可靠、平穩(wěn)、輸出推力大、維修方便、價格較低且方便與電動儀表配套。閥門選型為氣動V型調節(jié)球閥。閥門選用浙江力諾流體科技股份有限公司的氣動調節(jié)V型球閥，工藝參數(shù)如下：名稱:ZSS/H

22、V系列氣動V型調節(jié)球閥，訂貨號： HV120D1-16PZSS/HV系列氣動V型調節(jié)球閥:公稱壓力：PN1.0、1.6、2.5、6.4MPa ANSI150、300公稱通徑:DN20600mm工作溫度：硬密封-20160，-20230，-20425 軟密封-20150流量特性：近似等百分比氣源壓力：0.50.7MPa閥座形式：不銹鋼可動硬密封、PTFE軟密封氣動執(zhí)行器：ZXQ系列單活塞執(zhí)行器主要材質：閥體：（1）WCB （2）CF8 （3）CF8M (4)CF3M 閥芯：（1）CF8 （2）CF8M （3）CF3M可選附件:(1)電動閥門定位器：A.進口 B.國產(chǎn)圖5-2力諾氣動V型球閥 (2

23、)電磁閥、回訊器（3）連接法蘭、螺栓：A.A3鋼 B.不銹鋼 表5-1 訂購的氣動V型調節(jié)球閥具體參數(shù)ZSS/HV系列氣動V型調節(jié)球閥型號: HV120D1-16PDN:120mmPN：1.6MPa氣源壓力：0.55MPa信號范圍：420Ma工作溫度范圍：0150額定行程：90°6 控制功能的實現(xiàn)根據(jù)上述選型結果，具體控制功能的實現(xiàn)如下，控制器（PLC）、執(zhí)行器（氣動V型調節(jié)球閥）、板式冷凝器、溫度變送器（熱電阻溫度計）組成一個溫度控制單回路。根據(jù)蒸發(fā)工段的板式冷凝器的工作環(huán)境，設定控制器的參數(shù)。工作溫度范圍0 150，閥門的公稱壓力（PN）2.5MPa；根據(jù)所選模塊輸入輸出點數(shù)分配I/O通道。電機啟停：2個DI；1個DO ， 氣動調節(jié)閥：1個AO ，溫度變送器：1個AI；低壓斷路器實現(xiàn)對電機的過載保護和欠電壓保護，接觸器實現(xiàn)對電機的低電壓保護，熱繼電