SMPT1000的DCS工程實現1234

1、SMPT-1000加熱爐的DCS工程實現緒論或前言第1章 SMPT-1000加熱爐系統分析1-1 SMPT-1000加熱爐的工藝流程所選被控對象是流程工業(yè)領域常見的強制通風式加熱爐，通過加熱爐輻射與對流傳熱，將一定流量的物料A加熱到工藝要求的溫度。待加熱的物料A經由上料泵P1101泵出，進入換熱器E1101管程預熱，同時對最終產品（熱物料A）的溫度微調（降溫）。出換熱器E1101管程的物料A進入加熱爐F1101的對流段。加熱爐對流段由多段盤管組成，爐膛產生的高溫煙氣自上而下通過管間，與管內的物料A換熱，回收煙氣中的余熱并使物料A進一步預熱。對流段流出的物料A全部進入F1101輻射段爐管，接受燃

2、燒器火焰的輻射熱量。從輻射段爐管出來的高溫熱物料A，進入換熱器E1101殼程，進行溫度的微調并為冷物料預熱，最后以工藝所要求的物料溫度輸送給下一生產單元。燃料經由燃料泵P1102泵入加熱爐F1101的燃燒器，空氣經由變頻風機K1101送入燃燒器。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產生熱量使輻射段爐管內的物料A迅速升溫。燃燒產生的煙氣帶有大量余熱，在對流段進行余熱回收。1-2 SMPT-1000加熱爐的控制需求分析1-2-1 滿足生產指標的考慮在熱物料A流量穩(wěn)定的前提下，保證熱物料A的出口溫度維持在工藝要求范圍之內。所有操作要保證有序進行，工況要保持全程穩(wěn)定，并要充分考慮生產過程中可能出現的異常工況。

3、 1-2-2滿足節(jié)能指標的考慮出于對效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統的設計和實施中對燃料用量等能耗等指標予以充分考慮。1-2-3 滿足全自動控制的要求從生產單元冷態(tài)起，按照開車步驟實施全自動順序控制，保證開車穩(wěn)步進行，保證系統無擾投運。1-3 SMPT-1000加熱爐對象特性分析加熱爐是工業(yè)領域很重要的換熱設備，加熱爐單元是具有強耦合、大滯后、大慣性及變時慢等特點。它的內部機理比較復雜，直接建模也相對比較困難，所以對加熱爐的控制也有一定的難度。針對本控制對象，分析其特性如下： 1-3-1 多級換熱特性 加熱爐對象主要包括對流室、輻射室、換熱器三個主要部分，即有爐膛輻射段換熱、對流段換熱以

4、及減溫換熱器換熱。根據工藝流程，多級換熱系統是相互關聯，具有強耦合特性。被加熱物料同時參與加熱和冷卻所以只有處理好各個換熱單元之間的耦合關系，才能得到較好的控制效果。 1-3-2 上料系統特性 待加熱物料A被分為兩路，其中一路經換熱器預熱后與另一路匯合，然后進入對流段。我們的控制目標是保證兩支路調節(jié)閥的閥后壓力平衡，防止調節(jié)閥開度變化后出現某一路滯留甚至倒流現象。另外，待加熱物料A的流量同時影響加熱爐的換熱過程，流量增加時，換熱量增加，反之亦然。待加熱物料流量的變化將使燃料流量、空氣流量的變化。流量越大，流體速度越高，從而在爐內換熱時間越短，要達到工藝要求溫度，就需要相應提高爐膛內溫度，加大了

5、加熱爐系統的非線性特性。 1-3-3 加熱爐的燃燒特性 燃料的燃燒是加熱爐的熱量來源，在滿足工藝要求的同時，做到節(jié)能減排是本題目的要求。在控制燃燒時必須使燃料量與空氣量應保持在一個合適的比例。這個比例隨著燃料及空氣物理化學特性的變化而變化。同時燃料流量、燃料熱值變化時，這個比例也隨之變化。在燃燒過程中，也應保證爐膛負壓在工藝要求的范圍。爐膛壓力過高，會有冒火危險;負壓過低，會增加空氣的漏入量，增大熱量損失。爐膛負壓與爐膛溫度、空氣流量也是相互聯系的。煙道擋板開度一定時，除了調節(jié)爐膛負壓外，還會改變空氣通道的阻力，影響空氣流量調節(jié)。 1-3-4 加熱爐溫度特性 工業(yè)加熱爐是一個多容量過程，產品出

6、口溫度的純滯后嚴重，升降溫過程慣性也很大。當物料流量減小時，爐膛溫度不會迅速降低，而是會繼續(xù)維持原來的高溫狀態(tài)一段時間，反之亦然。同時，加熱爐還有慢時變特性，隨著溫度升高，被加熱溫度響應的時間常數及滯后都會有所減小。在運行過程中，由于煙灰在爐膛內積聚爐管結垢等原因，加熱爐的機構特性會發(fā)生變化。 對于節(jié)能減排的要求，排煙溫度越低，能耗越?。粺煔夂趿吭叫?，排煙損失的熱量越少；爐膛溫度越低，燃料消耗越少，也就越節(jié)能。因此應使被加熱物料A充分在對流段和輻射段換熱，而盡量降低在減溫換熱器的換熱負荷。減溫換熱器的熱負荷越小，進入對流段的冷流溫度越低，從而使得冷流與風煙的溫差加大，增大換熱推動力，使冷流從

7、煙氣中吸收更多的熱量，減少排煙的熱損失。正常工況時，只有少量被加熱物料流向換熱器也正體現了這一點。對流段換熱的影響因素主要有煙氣入口溫度和煙氣流速，煙氣流速越大換熱越不充分。通過對加熱爐的特性分析可知加熱爐具有強耦合、純滯后、大慣性等特征。1-4 系統安全分析第2章 工程設計2-1 系統規(guī)模下面表2-1是該項目的I/O點數統計表，該表反應出系統的規(guī)模。 表2-1 加熱爐的I/O點數統計表I/O類型點數儀表類型DI1爐膛燃燒狀態(tài)顯示DO6調節(jié)閥、煙道擋板、鼓風機AI(420mA)14溫度、壓力、含氧量RTD（熱電阻）4TC(熱電偶）2合計272-2 系統總體結構設計本系統所有硬件選用西門子自動化

8、驅動集團的過程控制系統PCS7。系統結構圖如圖2-1所示。 圖2-1 SMPT-1000加熱爐系統的網絡結構圖 硬件配置圖2-1所示的DCS系統的硬件配置如下：（1）操作員站及工程師站本系統配置操作員站、工程師站各一臺。操作員站放置在（左邊），用于加熱爐的監(jiān)控和操作，工程師站放置在（右邊），用于（系統組態(tài) ，DCS維護）。操作臺及輔助操作臺要求布局設計合理，堅固耐用，顏色和材質（金屬）與控制機柜一致。（2）過程控制站本系統配置冗余的過程控制站，用于加熱爐的控制。其中PLC采用SIMATIC S7-414H，ET200M冗余分布式I/O模式，通訊方式采用冗余的PROFIBUS-DP現場總線。具體

9、配置如表2-2所示。（把實驗室的PCS7的AS配置寫出來，資料隨后發(fā)。）表2-2 加熱爐DCS控制系統的硬件表序號設備（材料）名稱規(guī)格型號單位數量1PS407A407-0KA02-0AA0 塊12CPU414-4H414-4HM14-0AB0 塊13CP443-1443-1EX20-0XB0 塊14 RacK UR2-H1P6ES7400-2JA10-0AA0 塊15IM152-2152-2BA02-0AXB0 塊66DI 32*DC24V321-1BL00-04B0 塊17DO 32*DC24V/0.5A322-1BL00-0AA0 塊18AI B*0/4-20mAHART331-77F01

10、-0AB0 塊19AO B*0/4-20mAHA332-B7F01-0AB0 塊110AO 8*12BIT332-5HF00-0ABO 塊111AI 8*12BIT331-7KT-02-0AB0 塊112CONTER MODULE350-1AH03-0AE0 塊113DI32*DC 24V321-1BC00-0AA0 塊114DP/PA coupler FDC 157-0157-DAC83-0XA0 塊215Y-coupler197-1LB00-0XA 塊116IM 153-2152-2BAB2-0AXB0 塊217DIAGNOSTIC REPEPEATERV6EST 972-0AB01 0X

11、A0 塊2附件及其他1前連接器40針2前連接器20針3PROFIBUS電纜4PROFIBUS連接器2-2-3 軟件配置本部分寫PCS7的軟件配置或組成。（Wincc、Step7） SIMATIC WINCCToolsWebnavigator SeverWinCC ExplorerWinCC Information System STEP7 Configure SIMATIC WorkspaceConverting S5 FIlesDOCPRO-Plant DocumentationInstall hardware updates LAD,STL,FBD,-Programming S7 Bloc

12、kdMemory Card Parameter AssignmentNetPro-Configuring NetworksPCS 7 PID-TunerPID Control parameter AssignmentPLC-OS EngineeringS7 SCL-Programming S7 BlocksS7-PDIAG-Configuring Process DiagnosticsS7-PLCSM Simulating ModulesSetting-the PG-GC InterfaceSFC-Create-Sequential Control SyestemsTI 405-S7 Conv

13、erting TI FilesTI 505-S7 Converting TI FilesVersion TrailVXM-Compare versionsSIMATIC Configrator SIMATICNETCommissioning PC StationsConfiguration ConsoleConfiguration Information ServiceGuidelinesIndustrial Communication with PG PC BasicsIndustrial Communication with PG PC InterfacesOPC ScoutOPC Sco

14、ut V10S7 Connection DiagnosticSet PG-PC InterfaceSIMOTION OPC File ManagerSymbol File configuratorTF-1613-Configuring with COMLTF2-3 基礎過程控制系統設計2-3-1 控制方案設計 基礎控制方案設計在整個系統設計中占有十分重要的地位，一個控制系統的成功與否主要取決于是否有一個設計優(yōu)良的控制方案。 任何一種控制系統都是為了滿足生產過程中的工藝要求，從而提高產品質量和生產效率。因此，為實現此目的，設計系統控制方案時，應遵循 以下基本原則： 1）滿足要求 最大限度地滿足被

15、控對象的控制要求，這是設計該控制系統的首要前提，也是設計中最重要的一條原則。進行設計前，需要深入了解被控對象，收集資料。例如在設計加熱爐控制系統時，首先滿足加熱爐的工藝要求，即要保證加熱爐出口溫度穩(wěn)定、燃料量以及空氣量的流量穩(wěn)定、爐膛負壓穩(wěn)定。 2）安全可靠 保證控制系統長期運行的安全、可靠、穩(wěn)定，是設計系統的重要原則。為了達到這一目的，在系統方案設計、可靠性設計、設備選擇、軟件編程方面應進行總體規(guī)劃和全面考慮。這就要求在控制系統設計以及實施的過程中具有一定的安全等級。 3）經濟實用 在滿足控制要求的前提下，力求控制系統簡單、經濟、實用、維護方便。即可以采用單回路控制系統達到控制目標的最好不要

16、采用串級控制系統，這樣不僅僅節(jié)約了一個控制器，而且在調試以及維護的時候就更方便。 4）適應發(fā)展 考慮到生產發(fā)展和工藝的改進，設計的控制系統應具有適當擴展功能。（1）確定被控變量和控制變量根據加熱爐的控制要求，選擇的被控變量有：物料A輻射段出口溫度選擇的控制變量有：1、燃料進爐流量2、空氣進爐流量（2）控制策略的確定流量控制系統：選用單回路控制系統；溫度控制系統：選用串級-前饋控制系統煙氣含氧量控制系統選用：選用比值控制系統爐膛負壓控制系統：選用（3）控制算法的選擇在上述控制控制策略中，選用的控制算法或控制規(guī)律分別為：P、PI、PID等。（4）確定執(zhí)行器、控制器的正反作用執(zhí)行器的正反作用：氣開或

17、氣閉控制器的正反作用：（P46）2-3-2 檢測元件的選擇（1）溫度檢測儀表的選擇（2）壓力檢測儀表的選擇（3）流量檢測儀表的選擇 由于物料出口A出口處和煙氣流量處溫度過高，所以采用節(jié)流變壓降的方法來測量這些工位的流量。在管道內裝入截流件，流體流過節(jié)流件前后產生差壓。其他條件不變的情況下，節(jié)流件前后產生的差壓值隨流量而變，兩者之間有確定的關系，因此可通過測量差壓來測量流量。使用江蘇中儀自動化有限公司生產的ZY-3351/1151DP差壓變送器和LJA型標準孔板 標準節(jié)流裝置1、 標準孔板結構：見圖型號：LJA公稱通徑：503000mm公稱壓力：0.01MPa工作溫度：500材質：不銹鋼取壓方式

18、：環(huán)室取壓、鉆孔取壓、法蘭取壓等（4）成分分析儀表（煙氣含氧量）的選擇（氧化鋯氧量計)（5）開關的選擇上述內容應以表格的形式，將所選擇儀表的類型、型號、對應的I/O點對應起來。序號 名稱 位號 儀表 單 位 型號1物料A 進料流量FI1101 標準孔板差壓變送器kg/s2燃料流量FI1103標準孔板差壓變送器kg/s3空氣量FI1104上海儀表廠LWQ氣體渦輪流量計環(huán)境溫度：-30+60；大氣壓力：86KPa106KPa；介質溫度：-30+80m3/sLWQ4熱物料A 出口流量FI1105標準孔板差壓變送器kg/s5煙氣流量FI1107標準孔板差壓變送器kg/s6爐膛中心火焰溫度TI1101上

19、海儀表廠S型鎧裝熱電偶量程：01600 7加熱爐對流段出口物料A 溫度TI1102上海儀表廠銅銅鎳熱分度號T 電阻測溫范圍（-40-350）8加熱爐輻射段出口物料A 溫度TI1103上海儀表廠銅銅鎳熱分度號T 電阻測溫范圍（-40-350）9熱物料A 出口溫度TI1104 上海儀表廠銅銅鎳熱分度號T 電阻測溫范圍（-40-350）10煙氣溫度TI1105上海儀表廠型鎧裝熱電偶量程：0-800 11加熱爐對流段入口物料A 溫度TI1201上海儀表廠銅銅鎳熱分度號T 電阻測溫范圍（-40-350）12燃料壓力PI1101上海儀表廠 表壓力變送器 工作壓力范圍MPaSTG96013爐膛真空度PI11

20、02參見凝汽器真空mmH2O14煙氣含氧量AI1101上海儀表廠ZrO2-II型直插式微機化氧量自動分析儀%ZrO2-II2-3-3 執(zhí)行器（控制閥的選擇）（1） 變頻風機的選擇 序號 名稱 位號 儀表 閥門形式 1 變頻鼓風機 K1101蘇州威爾克電訊電機制造有限公司 輸入功率18W、電流0.1A、轉速2200r/min、靜壓20Pa、環(huán)境溫度：-40+55、相對濕度：90%95%（G） 氣關（2） 執(zhí)行機構的選擇 序號 名稱 位號 1待加熱物料A管線流量調節(jié)閥 V1101 上海儀表廠ZAZSC 電動角形調節(jié)閥+ZKZ-310C 直行程電動執(zhí)行機構 介質溫度范圍40250；40450（帶散熱

21、片）固有流量特性直線；等百分比 2燃料流量調節(jié)閥 V1104同上 3熱物料A流量調節(jié)閥 V1105同上 4 煙道擋板 DO1101（3） 泵的選擇 序號 名稱 位號 儀表 1 上料泵 P1101上海中成泵業(yè)制造有限公司 輸入功率10W、電壓24V、最大電流1.0A、轉速375r/min、最高壓力125（0.86）PSI（bar）、最大流量0.26（1.0）G/min（L/min）、調壓開關125（0.86）PSI（MPa）、吸程5m 2 燃料泵 P1102上海加興泵業(yè)有限公司 輸入功率10W、電壓24V、最大電流1.0A、轉速375r/min、最高壓力125（0.86）PSI（bar）、最大流

22、量0.26（1.0）G/min（L/min）、調壓開關125（0.86）PSI（MPa）、吸程5m2-3-4 工程表達（1）管道儀表流程圖（P&ID）（2）DCS監(jiān)控數據表DCS監(jiān)控數據表反映的是DCS系統需要監(jiān)視、操控的數據，它包含對每一條DCS控制回路的詳細要求和配置，圖2- 給出了DCS的監(jiān)控數據表。（3）儀表數據表（4）DCS-I/O表（5）DCS系統配置表（6）端子配線圖（7）回路圖回路圖說明的是從現場到中央控制室每一條回路的連接關系，如圖所示。2-4 安全聯鎖系統設計（先不要做）2-4-1 SIL計算2-4-2 檢測、執(zhí)行、控制器的冗余設計2-4-3 安全儀表系統的SIL評

23、估方法2-4-4 工程表達2-5 人-機界面設計2-5-1 OS站畫面設計OS站畫面主要包括下面幾部分內容：（1）流程圖畫面（2）報警畫面（3）實時趨勢畫面（4）歸檔數據記錄畫面2-5-2 報警、確認、緊急停車按鈕第3章 工程實施3-1 信號接線與調試3-1-1 接線原則接線原則包括：（1） 規(guī)范化安裝、布線符合電氣安裝標準。所有電纜應當敷設在電纜橋架中。電纜橋架中強電、弱電信號分開敷設，如不能避免則要加裝隔離板。電纜橋架中本安信號分開敷設。端子柜內所有信號線都應綁扎成束，或采用走線槽布線，本安信號、非本安信號分開敷設，走不同的走線槽。所有接線的線頭都要采用壓線鼻方式，所有線頭都應接線標記管。

24、（2） 安全性安裝牢固、接線正確可靠：導線無破損，無毛刺，線頭無碰殼、無裸露；有接地或接零、短路、過載、過壓、欠壓等安全保護措施；有緊急停車措施；（3） 經濟性盡可能少用電器，布線盡可能簡短；避免損壞元器件，減少浪費。3-1-2 接線要求接線工作在現場儀表、設備安裝、調試好之后進行。電纜芯線要留有適當數量的備用數量。電纜一般不能有中間接頭。電纜敷設好之后首先對電纜進行測試。電纜測試要對每根纖芯進行通斷測試，測試方法采用一端短接，另外一端用萬用表電阻檔位進行測試。一般采用一根公用電纜線做萬用表筆延長線。3-1-3 故障診斷與排除接線完畢之后，從PCS7中的CFC中的、AO模塊輸入以及輸出端口觀察是否有信號，如果沒有信號，則需要進行故障判斷以及排除。故障診斷及排除時的檢查順序是首要從信