煤油-水換熱器出口流量調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)

1、設(shè)計任務(wù) 換熱器出口流量調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)1. 設(shè)計內(nèi)容 （1）換熱器出口流量調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)，通過對調(diào)節(jié)閥的控制，完成對指定密度介質(zhì) 進(jìn)行流量控制。 （2）電氣設(shè)計： 內(nèi)容包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、現(xiàn)場儀表設(shè)備選型、控制元件選型、PLC電氣控制系 統(tǒng)選型。 軟件設(shè)計： 內(nèi)容包括人機界面設(shè)計、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)程序、數(shù)據(jù)采集程序、模擬量輸出子程 序、PID控制程序、PID算法實現(xiàn)。2.技術(shù)參數(shù)與要求 物料介質(zhì)密度： 額定流量： 調(diào)節(jié)閥前后壓力：3.工作量 完成對設(shè)計是所需每小時60立方米的任務(wù)，并完成調(diào)節(jié)閥控制介質(zhì)流量的要求。目 錄第1章 前言1第2章 電氣設(shè)計22.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)22.2現(xiàn)場儀表設(shè)備選型2 2.2.

2、1傳感器選型2 2.2.2調(diào)節(jié)閥選型42.3控制元件選型7 2.3.1 PLC模塊選型7 2.3.2電源模塊選型92.4 PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計11 2.4.1 I/O分配11 2.4.2控制系統(tǒng)電氣原理圖11第3章 軟件設(shè)計153.1人機界面組態(tài)設(shè)計153.2控制程序結(jié)構(gòu)173.3數(shù)據(jù)采集程序18 3.3.1模擬量轉(zhuǎn)換原理18 3.3.2模擬量轉(zhuǎn)換程序18 3.3.3 FC105 SCALE功能程序19 3.3.4 FC105 SCALE功能調(diào)用203.4模擬量輸出子程序213.5 PID控制程序223.6 PID算法的實現(xiàn)24總 結(jié)25參考文獻(xiàn)26附 錄27第一章 前言換熱器（heat e

3、xchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用廣泛。換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的換熱器節(jié)能設(shè)備，是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝條件的需要，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。換熱器行業(yè)涉及暖通、壓力容器、中水處理設(shè)備，化工，石油等近30多種產(chǎn)業(yè)，相互形成產(chǎn)業(yè)鏈條。換熱器在石油、化工、輕工、制藥、能源等工業(yè)生產(chǎn)中，常常用作把低溫流體加熱或者

4、把高溫流體冷卻，把液體汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液體。換熱器既可是一種單元設(shè)備，如加熱器、冷卻器和凝汽器等；也可是某一工藝設(shè)備的組成部分，如氨合成塔內(nèi)的換熱器。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計，熱交換器的噸位約占整個工藝設(shè)備的20%有的甚至高達(dá)30%，其重要性可想而知。PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計法來設(shè)計。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計梯形圖的時間比設(shè)計相同功能的繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。PLC的用戶程序可以在實驗室模

5、擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。維修工作量小，維修方便PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。第2章 電氣設(shè)計2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2現(xiàn)場儀表選型2.2.1傳感器選型（1） 流量傳感器的量程選擇 （2）傳感器主要性能參數(shù)FGS-J型流量傳感器是基于熱交換原理設(shè)計的。

6、探頭內(nèi)置發(fā)熱模塊及感熱模塊，流量開關(guān)的熱傳導(dǎo)同介質(zhì)的流速密切相關(guān)，測量時由發(fā)熱模塊發(fā)出熱量，如果管道內(nèi)沒有介質(zhì)流動，則感熱模塊接收到的熱量是一個固定值，當(dāng)有介質(zhì)流動時，感熱模塊所接受到的熱量將隨介質(zhì)的流速變化而變化，感熱模塊將這溫差信號轉(zhuǎn)化成電信號，再通過處理器將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號或接點信號輸出，流量開關(guān)通過這個信號對介質(zhì)的流速進(jìn)行顯示及控制。表1 傳感器基本參數(shù)測量范圍水：0.03-3m/s; 油：0.03-3m/s; 氣：2-20m/s耐壓普通型：4MPa；高壓型：60MPa連接方式螺紋G1/2"、G1/4"、其它開關(guān)時間ON:典型2s（1

7、-13s）;OFF:典型2s（1-15s）溫度變化反應(yīng)時間12s工作電壓24VDC功耗2W(24VDC)輸出繼電器,NPN三線直流輸出,PNP三線直流輸出控制接點數(shù)1對接點容量0.4/125VAC，2A/30VDC絕緣阻抗100VDC時，100M探頭材料304不銹鋼殼體材料304不銹鋼接口方式G1/2"、G1/4"、其它環(huán)境條件-10-80,85%RH防護等級IP67序號名稱結(jié)構(gòu)尺寸適合管徑輸出方式1標(biāo)準(zhǔn)型DN15-DN150NPN三線直流輸出PNP三線直流輸出繼電器輸出2長探頭型DN150-DN350NPN三線直流輸出PNP三線直流輸出繼電器輸出3小探頭型DN10NPN三

8、線直流輸出PNP三線直流輸出繼電器輸出表2 傳感器結(jié)構(gòu)尺寸 綜合考慮此處選擇FGS-J標(biāo)準(zhǔn)型DN150流量傳感器，深圳市沃爾克自動化控制有限公司生產(chǎn)。2. 2.2 調(diào)節(jié)閥選型(1）調(diào)節(jié)閥選型計算參數(shù) 物料介質(zhì)密度： 額定流量： 調(diào)節(jié)閥前后壓力： 按下式估算系統(tǒng)的實際工況的最大和最小流量： （2）調(diào)節(jié)閥Kv值 選擇kv=420。 將kv換算到實際工況條件的流量，即實際工況下調(diào)節(jié)閥全開時的流通能力（流量）。 流型判斷： 所以選擇阻塞流。（3）調(diào)節(jié)閥開度按下式估算調(diào)節(jié)閥的開度: 式中，l/L為調(diào)節(jié)閥行程比，即開度，百分號；qv任意開度對應(yīng)的流量，m³/h。最大工作流量對應(yīng)的開度: 額定工作

9、流量對應(yīng)的開度: 最小流量開度: 因開度校核K在10%至90%之間，所以選擇線性閥。（4）調(diào)節(jié)閥選型 ZJHP型氣動單座柱塞調(diào)節(jié)閥是一種頂導(dǎo)向單閥座調(diào)節(jié)閥，具有結(jié)構(gòu)簡單、密封性能好、流量大、使用可靠等特點。有效而足夠的頂部導(dǎo)向系統(tǒng)克服小開度時的震動，有效使用壽命更長。可選擇多彈簧氣動薄膜機構(gòu)或電動執(zhí)行機構(gòu)等。 表3 調(diào)節(jié)閥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格閥體型式直通鑄造球型閥體閥蓋形式標(biāo)準(zhǔn)型（-5-230）閥芯型式非平衡式單座柱塞閥芯散熱片型-45-大于230場合公稱通徑DN20-200 NPS 3/4- 8低溫加長型（-196至-45）、波紋管密封公稱壓力PN16-100 CLASS 150LB-600LB填料V型

10、聚四氟乙烯填料、柔性石墨填料等連接方式法蘭：FF、RF、MF、RTJ密封墊金屬夾石墨密封墊焊接SW、BW執(zhí)行機構(gòu)氣動：多彈簧薄膜執(zhí)行機構(gòu) 、活塞式法 蘭 距符合IEC 60534表面涂漆綠色 丙稀酸聚胺酯磁漆 表4 調(diào)節(jié)閥型號編制Z執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)H結(jié)構(gòu)形式 公稱壓力閥體材質(zhì)公稱通徑Z系列調(diào)節(jié)閥J:氣動薄膜 執(zhí)行機構(gòu)H:氣動活塞執(zhí)行機構(gòu)H直行程P:標(biāo)準(zhǔn)型單座調(diào)節(jié)閥PF:軟密封單座調(diào)節(jié)閥PL:單座籠式調(diào)節(jié)閥PG:帶散熱型單座調(diào)節(jié)閥PV:波紋管型單座調(diào)節(jié)閥PD:低溫型單座調(diào)節(jié)閥PN16=16CL150LB=150 LBJIS10K=10KC=WCBLC=LCBP=CF8PL=CF3R=CF8MRL=CF

11、3MD=特殊材質(zhì) DN25= DN25 NPS1=NPS1如：Z型氣動薄膜單座調(diào)節(jié)閥，壓力PN16，閥體材料為WCB，公稱通徑DN50，型號為：ZJHP-16C DN50  表5 調(diào)節(jié)閥性能流量特性直線、等百分比、快開可調(diào)范圍50:1 (CV<6.3 30:1)額定CV值等百分比CV1.6-630 ，直線CV1.8-690允許泄漏量硬密封:IV級（0.01% 閥額定容量） 軟密封:VI級（氣泡級）泄漏量標(biāo)準(zhǔn):GB/T 4213性能指標(biāo)氣動電動基本誤差%±1.5±1.0回差%1.51.0死區(qū)%0.61.0始終點偏差%±2.5±2.5額定行程

12、偏差%2.52.5 綜上所述選型ZJHP-16C DN50型線性調(diào)節(jié)閥，廠商上海大田閥門管道工程有限公司。（5）調(diào)節(jié)閥電氣接線圖 圖2 調(diào)節(jié)閥電氣接線圖2.3控制元件選型2.3.1 PLC模塊選擇（1）S7-300 CPU313C的簡單介紹 西門子S7-300系列 CPU 313C帶集成數(shù)字量和模擬量輸入/ 輸出的緊湊型CPU，滿足對處理能力和響應(yīng)時間要求較高的場合。帶有與過程相關(guān)的功能。CPU 313C是一種緊湊型 CPU，用于對過程處理能力和響應(yīng)時間要求很高的應(yīng)用。集成數(shù)字量和模擬量輸入/輸出可實現(xiàn)與過程的直接連接。 西門子S7-300系列 CPU 313C的詳細(xì)信息 品牌/型號：SIEM

13、ENS/西門子/S7-300 CPU313C 工作電壓：24（V）V 輸出頻率：50（kHz）HZ 產(chǎn)品認(rèn)證：ISO90012.3.2 電源模塊選型西門子S7-300 PS307電源模塊表7 西門子S7-300 PS307電源模塊品牌：西門子型號：PS307結(jié)構(gòu)形式：模塊式安裝方式：其他LD指令處理器：硬PLCI/O點數(shù)：8功能：8工作電壓：8V輸出頻率：8Hz處理速度：8s程序容量：8數(shù)據(jù)容量：8環(huán)境溫度8外形尺寸：8mm重量：8kg原裝：進(jìn)口全新：德國S7-300需要24伏直流電源。西門子PS307負(fù)載電源模塊將120 或230伏交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?4伏直流工作電壓。24伏直流電源用來為SIM

14、ATIC S7-300和傳感器及執(zhí)行元件供電。6ES7 307-1BA00-0AA0 電源模塊(2A）6ES7 307-1EA00-0AA0 電源模塊(5A)6ES7 307-1KA01-0AA0 電源模塊(10A)概述用于S7-300/ET 200M的負(fù)載電源 用于將市電電壓轉(zhuǎn)換為所需的24VDC工作電壓 輸出電流為 2A、5A 或 10A應(yīng)用S7-300/ET 200M 需要 24V DC 電源。SITOP 負(fù)載電源把 120/230 VAC 線路電壓轉(zhuǎn)換到所需的 24 VDC 工作電壓。這些模塊可利用外部電壓為S7-300/ET200M以及傳感器和執(zhí)行器供電。久經(jīng)驗證的SIMATIC S

15、7-300電源，既可以與PS-CPU連接，也可以卡裝到S7母排上。設(shè)計負(fù)載電源模塊安裝在 CPU/IM 361/IM153（插槽1）左邊的 DIN 導(dǎo)軌上。通過所提供的電源連接器連接到 CPU/IM 361/IM153 上。該模板的前面板包括：輸出電壓指示燈:一個 LED顯示24VDC輸出電壓。 線路電壓選擇開關(guān):可以通過帶保護罩的開關(guān)選擇輸入電壓：120VAC或230 VAC。 24VDC 輸出電壓的 On/off 開關(guān)；前面板上通過蓋板保護的還有：接線端子:這些端子用于連接輸入電壓電纜、輸出電壓電纜和接地導(dǎo)線。2.4 PLC控制系統(tǒng)電氣設(shè)計2.4.1 I/O分配表8 I/O分配序號地址中

16、文 名 稱信號類型模塊端子號對接元件注釋CPU313C- X11-DI/DO1AIW0換熱器入口流量傳感器4-20mAA+2AIW2換熱器出口流量傳感器4-20mAB+3AIW4換熱器入口壓力傳感器4-20mAC+4AIW6換熱器入口溫度傳感器4-20mAD+5CPU313C- X11-AI/AO1AIW0換熱器入口流量傳感器4-20mAE+2AIW2懸空2.4.2控制系統(tǒng)電氣理圖設(shè)計功能簡介（1）電機控制電氣圖圖6 電機控制電氣圖（4）調(diào)節(jié)閥電氣原理接線圖圖9 調(diào)節(jié)閥電氣原理接線圖（5） 調(diào)節(jié)閥電氣圖圖10 調(diào)節(jié)閥電氣圖第3章 軟件設(shè)計3.1 人機界面選擇（1）軟件選擇WinCC flexi

17、ble，德國西門子(SIEMENS)公司工業(yè)全集成自動化(TIA)的子產(chǎn)品，是一款面向機器的自動化概念的HMI軟件。WinCC flexible 用于組態(tài)用戶界面以操作和監(jiān)視機器與設(shè)備，提供了對面向解決方案概念的組態(tài)任務(wù)的支持。WinCC flexible與WinCC十分類似，都是組態(tài)軟件，而前者基于觸摸屏，后者基于工控機。通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案;多語言支持，全球通用 ;可以集成到所有自動化解決方案內(nèi);內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài);可基于Web持續(xù)延展，采用開放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡便;集成的Historian 系統(tǒng)作為IT 和商務(wù)集成的平臺;可用選件和附加件進(jìn)行

18、擴展 ;"全集成自動化" 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。WinCC flexible 特點： 基于最新軟件技術(shù)的創(chuàng)新組態(tài)界面 功能塊庫:面板可自由定義且可重復(fù)使用，并且可集中進(jìn)行更改動態(tài)面板 可組態(tài)智能工具，如:圖形導(dǎo)航和圖形化運動對象， 可方便地組態(tài)大批量數(shù)據(jù)(如，變量編輯器)等 利用用戶ID和密碼實現(xiàn)訪問保護 配方管理 報表系統(tǒng) 為全球推廣提供語言支持: - 在一個項目中管理32種語言 - 支持多語言文本和自動翻譯的文本庫 - 文本的導(dǎo)入/導(dǎo)出過程十分簡單，從而便于翻譯 個性化擴展選件: - Smrt客戶端/服務(wù)器概念 - 通過Internet進(jìn)行服務(wù)

19、與診斷 - OPC服務(wù)器通訊 - 過程診斷 - 記錄和跟蹤操作員動作和組態(tài)（2） 界面繪制 圖11 人機界面圖界面中包括：登錄界面、圖標(biāo)、系統(tǒng)物料流程、開始結(jié)束按鈕、報警區(qū)、控制區(qū)、自動手動轉(zhuǎn)換按鈕、顯示區(qū)、功能插件按鈕、報警視圖、趨勢圖等。用戶可通過人機界面與控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，向控制系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)。信息和控制命令，而控制系統(tǒng)又可以通過人機界面回送控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與有關(guān)信息給用戶。3.2 控制程序結(jié)構(gòu)控制程序主要包括主程序OB1、初始化程序OB100、循環(huán)中斷程序OB35，OB1實現(xiàn)輸入量、輸出量量程的轉(zhuǎn)換，初始化程序OB100在上電運行的第一個掃描周期進(jìn)行參數(shù)的初始化，將溫度設(shè)定值、PID控

20、制參數(shù)賦初值并開啟PID作用，循環(huán)中斷程序OB35，循環(huán)執(zhí)行周期和采樣周期相同，循環(huán)調(diào)用FB41。通過分配用戶程序給各個塊建立塊調(diào)用層次，建立程序結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)化程序結(jié)構(gòu)，塊調(diào)用的層次如下圖所示。圖12 控制程序結(jié)構(gòu)（1） OB1：CPU操作系統(tǒng)接口，包括主程序。在OB1中調(diào)用塊FB1和FC1，并傳送過程控制所需要的參數(shù)。（2） FB1：物料A的進(jìn)料泵、物料B的進(jìn)料泵和攪拌器電機可以由一個單獨的功能塊控制，因為他們的要求是相同的。（3） DB1-3：用于控制物料A、物料B的進(jìn)料泵和攪拌器電機的實際參數(shù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)是不同的，因此儲存在三個與FB1關(guān)聯(lián)的實例DB中。（4） FC1:數(shù)據(jù)采集模塊。3.

21、3 數(shù)據(jù)采集程序3.3.1模擬量轉(zhuǎn)換原理 在模擬量采集過程中，傳感器將工程量測量出來并轉(zhuǎn)換為4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號送入S7-300PLC模擬量數(shù)據(jù)模塊，模擬量模塊的A/D轉(zhuǎn)換器將4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換成0-27648或-27648-+27648的數(shù)字量。因此，工程量和數(shù)字量成線性關(guān)系。如果想要得到實際的工程量，必須要經(jīng)過編程計算，根據(jù)實時的數(shù)子量計算出實際的工程量。工程量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)方程式為：3.3.2模擬量轉(zhuǎn)換程序（1） SCALE功能 數(shù)據(jù)采集調(diào)用通過FC105數(shù)值轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)。（2） 模擬量輸入特性 模擬量輸入特性分為單極性和雙極性。雙極性全量程范圍-27648到+27648分

22、辨率，單極性全量程范圍0到27648分辨率。（3） 錯誤信息 如果輸入整型值大于DH，輸出將鉗位于HI_LIM，并返回一個錯誤。如果輸入整型值小于DL，輸出將鉗位于LO_LIM，并返回一個錯誤。（4） 反響定標(biāo) 通過設(shè)置LO_LIM可獲得反響定標(biāo)，使用反響旋轉(zhuǎn)，輸出值將隨輸入值的增加而減小。3.3.3 FC105 SCALE功能程序（1） 程序梯形圖圖13 程序梯形圖（2） 變量聲明表9 變量說明參數(shù)說明數(shù)據(jù)類型描述EN輸入BOOL使能輸入端，信號狀態(tài)為1時激活該功能ENO輸出BOOL如果該功能的執(zhí)行無錯誤，改使能輸出端信號狀態(tài)為1IN輸入INT轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的實型值得輸入值HI_LIM

23、輸入REAL以工程單位表示的上限值LO_LIM輸入REAL以工程單位表示的下限值BIPOLAR輸入BOOL信號狀態(tài)為1表示輸入值為雙極性信號狀態(tài)為0表示輸入值為單極性O(shè)UT輸出REAL轉(zhuǎn)換的結(jié)果RET_VAL輸出WORO如果該指令的執(zhí)行沒有錯誤，將返還值W#16#0000以外的其他值3.3.4 FC105 SCALE功能調(diào)用（1） 定義符號表表10 定義符號表符號名地址數(shù)據(jù)類型描述Reactor_LT101PIW258Word液位Reactor_TT101PIW260Word溫度LT_101_ShowMW10Word液位示值LT_101_FaultMW12Real液位故障TT_101_Show

24、MW20Word溫度示值TT_101_FaultMW22Real溫度故障BIPOLAM26.0BOOL數(shù)字量極性（2） FC105功能的調(diào)用為了實時顯示過程檢測參數(shù)圖14 FC105功能的調(diào)用3.4 模擬量輸出子程序模擬量輸出通過調(diào)用FC106數(shù)值轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)。 圖15 FC106功能圖3.5PID控制程序（1） FB41控制塊的輸入輸出符號定義如下表所示 表12 符號定義參數(shù)名稱數(shù)據(jù)類型地址參數(shù)類型說明默認(rèn)值CON_RETBOOL0Input完全重新啟動，為1小時執(zhí)行初始化FALSECYCLETIME2Input采樣時間20msT#1SSP_INTREAL6Input內(nèi)部設(shè)定值，±100或物理值0PV_INREAL1010Input過程變量輸入0PVPER_ONBOOL0.2Input使用外圍設(shè)備輸入過程變量FALSEPV_PERWORD14Input外圍設(shè)備輸入的過程變量值16#0000PV_FACREAL48Input輸入的過程變量系數(shù)1PV_OFFRE