2016过程装备控制技术课设说明书

第一章 绪论加热炉的耗能量在轧钢等生产中占据了很大的比例，大约占所有耗能总值的70%左右，是冶金行业中主要的耗能设备。此外，目前我国加热炉的热效率普遍较低，据统计，步进式加热炉的热效率只有35%。因此，如何实现加热炉的优化控制，提高加热炉的热效率，降低能耗是当前加热炉技术改造以及节能工作中具有深远意义的课题。加热炉是轧钢行业中重要的生产设备之一。加热炉的生产过程是：钢坯由炉尾装入加热并往前运送达到所需温度通过出钢口出炉沿着辊道送向轧钢机。加热炉不仅要完成加热钢坯的任务，还要保证有安全的运行环境，同时还要考虑高效率和节省燃料。当前冶金业关注的课题是如何设计出一个合理有效的控制系统，该系统能在燃料质量、空气流量和控制系统负荷等因素变化时，仍能保证加热炉的炉膛压力、炉膛温度及排烟温度等参数稳定在控制范围中，并且能使加热炉处在最佳燃烧的工作状态下，以此来提高产品的质量同时节约能耗、减少加热钢坯的氧化程度、减少排出烟气对环境的污染等等。我国轧钢工业中加热炉主要有推钢式炉和步进式炉两种类型，推钢式炉有烧损大、产量低、长度短等缺陷，如果操作不当有时还会粘钢，出现各种各样的生产问题。同时板坯背面滑轨的摩擦痕迹较多，钢坯断面层的温差较大，这样的加热炉很难实现自动化管理。相比于这些，步进梁式炉所用的是专用的步进式结构，能使板坯在炉内按矩形移动，这样板坯之间可以留出空隙，同时步进梁和板坯之间也不存在摩擦板，出炉的时候板坯通过专门的托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，钢坯断面层的温差较小、炉长不受限制、可出空炉料、产量高、生产操作灵活等特点，其生产符合高质量、多产量、低能耗、无公害、节能环保以及生产自动化的工艺要求。加热炉作为钢铁工业轧钢生产线的关键设备和能耗设备，其过程控制水平直接影响到能耗、烧损率、废钢率、产量、质量等指标。随着现代化技术的迅猛发展，如何采用先进的过程控制技术与设备，提高基础过程控制效果与水平，确保钢坯的加热质量、实现高效节能、减少污染是本文研究的意义所在。本文对国内外加热炉控制技术的发展和现状进行了综述。介绍了串级控制系统的构成，实现了加热炉炉温控制、流量控制、炉压控制、煤气总管和空气总管的压力控制等。实践证明，本系统运行可靠稳定，操作方便，正确调整有关参数就能达到较好的控制效果，具有推广价值。 随着电子技术和计算机技术的发展，全数字直流调速技术已经逐步完善起来。近几年来，各个工业生产环节已广泛开始应用全数字直流调速装置。高智能化的数字系统使其具有常规模拟系统无法比拟的优点，全数字直流调速装置体积小、安全、易调试、易维护并且具有优良的静、动态特性。原先模拟控制系统的直/交流供电装置也被全数字化的交流逆变装置和全数字化的可控硅整流装置所替代。第二章 上机位监控界面设置2.1操作界面包括的内容必须内容标题栏：包括logo，名称，姓名/学号切换按钮区：页面切换按钮，功能插件弹出按钮等；流程区：流程动态显示，包括电机、阀门等执行元件运行状态；操作区：包括设备操作按钮及指示灯等PID控制区：包括手/自动切换按钮，SP给定域，PV显示域，PID参数调节等；参数显示区：监控参数集中显示；趋势曲线选作内容报警窗口通讯连接状态，人机界面与PLC连接状态（配合Step7程序）；登陆界面其他：如时间、退出按钮等等。2.2 WinCC操作界面图2-1WinCC操作界面（1） 设置界面背景。（2） 明确控制过程为“加热炉空气流量控制”根据这个题目在界面上画出流程图。（3） 按要求在界面上用文本域填写Logo、姓名、学号等。（4） 在界面上添加界面切换按钮、功能插件弹出按钮。再对按钮属性进行设置，让按钮实现上述功能。（5） PID区的设置。用wincc中的开关量实现手动、自动的切换。（6） 常规设置。如在界面上添加退出按钮，方便使用者直接在界面退出程序。第三章 硬件选型3.1 系统结构该系统由传感器、变频器、控制元件构成见图3-1图3-1系统结构图3.2 传感器选型3.2.1 工艺参数与要求 工艺操作参数如表3-1所示。表3-1 温度传感器选型条件表泵出口压力流量范围电机额定电压电机功率电机转数1910KPa1-3.5m3/hAC3801.5KW2900r/min3.2.2 流量传感器选型原则（1）流量传感器的量程选择 流量传感器按1.5倍选量程，即则 QR=1.5Q=1.53.5=5.25m3/h选用测量范围：06 m3/h（2）流量传感器的精度确定 仪表测量精度的指标用仪表基本误差表示，基本误差又称固有误差，用示值相对误差和示值引用误差描述。 根据工艺要求温度测量允许的示值相对误差为 选择流量传感器精度为2.5%。 (3) 流量传感器的选型结果 选择BLUXB型 旋进漩涡流量计 智能旋进漩涡流量计是具有国内领先水平的新型气体流量仪表该流量计及流量、温度、压力、检测功能于一体，并能进行流量、温度、压力、压缩因子的自动补偿，是石油、化工、电力等必选流量计。3-2仪表选型数据表型号测量范围检测器分度号精度电源输出信号输出指示表BLUXB型0.66m3单检测Pt100A24VDC420mALCD公称直径防爆型式功能型式输出信号显示方式公称压力制造厂备注15mm隔爆型普通型420mA电流一体型1.6MPa欧柏流量仪表3.3控制元件选型3.3.1 S7-300控制模块选择 控制系统控制器选择西门子S7-300系列CPU312C。 西门子S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。 CPU 312C 是一种紧凑型 CPU，用于对处理性能和响应速度要求很高的系统。集成的数字量和模拟量输入和输出可与过程信号直接连接。处理器处理每条二进制指令的时间可达 70 ns。128 KB 高速工作存储器（相当于约 42 K 指令），用于程序段执行，可以为用户程序提供足够的存储器空间。多达 31 个模块，（4排结构） MPI多点接口。集成 MPI 接口最多可以同时建立与 S7-300/400 或编程器、PC、操作员面板的 8 路连接。在这些连接中，始终分别为 PG 和 OP 各保留一个连接。通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。内置输入/输出。CPU 313C控制器如图3.1-1所示。3.3.2模拟量扩展模块的选择 控制系统中压力、温度、流量传感器输出和执行元件输入的4-20mA的标准信号为模拟量信号，需要配置模拟量处理。根据设计任务要求，选择西门子的SM331模拟量输入模块。 电压：负载电压 L+ ；额定值 (DC) 24 V ；反极性保护。 输入电流：来自负载电压 L+（空载），最大值 200 mA ；来自背板总线 DC 5 V，最大值 50 mA 。 功率损失：功率损失，典型值 1 W 。 模拟输入：模拟输入端数量8 ；测量电阻时的模拟输入端数量4；电压输入允许的输入电压（毁坏限制），最大值20V。 持续电压：最大1s内75V（占空比1:20），电流输入允许的输入电流（毁坏限制），最大值40mA。3.4变频器选型根据电机参数：AC380V，1.5kW，2900r/min选择伟创矢量AC80B选型结果如下表：表3-3变频器及键盘的外形尺寸变频器型号WW1HH1DD1安装孔径AC80B-S2-R40G122112182171154.51455图3-2：AC80B系列标准接线图第四章 PLC控制系统电器设计4.1 控制回路设计4.1.1 变频器控制电器设计4.2 PLC控制站电气设计4.2.1 I/O分配表4-1I/O分配表SM01(CPU312C)序号地址中文名称信号类型模块端子号对接元件注释1I0.0E1501泵手动开关量0.0万能转换开关2I0.1E1501泵自动开关量0.1万能转换开关3I0.2备用开关量0.24I0.3备用开关量0.3WOM025I0.4备用开关量0.46I0.5备用开关量0.57I0.6备用开关量0.68I0.7备用开关量0.79I1.0接触器故障开关量1.015-SF210I1.1变频器故障开关量1.115-SF311I1.2系统故障开关量1.215-SF412I1.3备用开关量1.313I1.4备用开关量1.414I1.5备用开关量1.515I1.6备用开关量1.616I1.7备用开关量1.717I2.0备用开关量2.018I2.1备用开关量2.119I2.2备用开关量2.220I2.3备用开关量2.321I2.4备用开关量2.422I2.5备用开关量2.523I2.6备用开关量2.624I2.7备用开关量2.7SM02(CPU312C)序号地址中 文 名 称信号类型模块端子号对接元件注释1Q0.0E1501泵启停开关量0.0泵2Q0.1变频器启停开关量0.1变频器3Q0.2备用开关量0.24Q0.3备用开关量0.35Q0.4备用开关量0.46Q0.5备用开关量0.57Q0.6备用开关量0.68Q0.7备用开关量0.79Q1.0PLC运行开关量1.010Q1.1系统故障开关量1.111Q1.2接触器故障开关量1.212Q1.3变频器故障开关量1.313Q1.4备用开关量1.414Q1.5备用开关量1.515Q1.6备用开关量1.616Q1.7备用开关量1.7SM03(CPU313c)序号地址中 文 名 称信号类型模块端子号对接元件注释1AIW0E102入口温度传感器0-20mA传感器2AIW2E102出口流量传感器0-20mA传感器3AIW4精馏塔液位传感器0-20mA传感器4AIW6瓦斯罐压力传感器传感器0-20mA传感器5AIW8热敏电阻0-20mASM03(CPU313c)序号地址中 文 名 称信号类型模块端子号对接元件注释1PQW0变频器VFD-15010-20mA2PQW2悬空0-20mA续表4-1I/O分配表第五章 控制程序设计5.1控制程序结构控制程序主要包括主程序OB1、初始化程序OB100、循环中断程序OB35。OB1实现输入量、输出量量程的转换。初始化程序OB100在上电运行的第一个扫描周期进行参数的初始化，将温度设定值、PID控制参数赋初值并开启PID作用。循环中断程序OB35，循环执行周期 ,和采样周期相同，循环调用FB41。通过分配用户程序给各个块及建立块调用层次，建立程序结构。采用结构化程序结构，块调用的层次如图5.1-1所示。图5-1 控制程序结构（1）OB1：CPU操作系统接口，包含主程序。在OB1中调用块FB1和FC1，并传送过程控制所需要的特定参数。 （2）FB1：物料A的进料泵、物料B的进料泵和搅拌器电机可以由一个单独的功能块控制，因为它们的要求(开、关、计数应用等)是相同的。（3）DB 1-3：用于控制物料A、物料B的进料泵和搅拌器电机的实际参数和静态数据是不同的，因此存储在三个与FB1关联的实例DB中。（4）FC1：数据采集模块，即共用逻辑块。5.2数据采集程序5.2.1数据采集基本原理在模拟量采集过程中，传感器将工程量测量出来并转换为420mA的标准信号送入S7-300PLC模拟量模块，模拟量模块的A/D转换器将420mA电流信号转换成027648或-27648+27648的数字量。因此，工程量和数字量成线性关系。如果想要得到实际的工程量，必须要经过编程计算，根据实时的数字量计算出实际的工程量。工程量与数字量的转换的数学方程式为式中：PV实际工程量；D(IN)实际数字量；工程量上限；工程量下限；DH数字量上限。5.2.2 模拟量转换程序（1）SCALE功能数据采集通过调用FC105数值转换（SCALE）功能实现。SCALE功能接受一个整型值（IN），并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限之间的实型值，将结果写入OUT。（2）模拟量输入特性模拟量输入特性分为单极性和双极性。双极性全量程范围-27648+27648分辨率。单极性全量程范围027648分辨率。通过BIPOLAR设置改变单极性或双极性。BIPOLAR=1：双极性。输入整型值介于-27648+27648之间，因此DL=-27648.0，DH=+27648.0；BIPOLAR=0：输入整型值介于0和27648之间，因此DL=0.0，DH=+27648.0。（3）错误信息：如果输入整型值大于DH，输出（OUT）将钳位于HI-LIM，并返回一个错误。如果输入整型值小于DL，输出将钳位于LO-LIM，并返回一个错误。（4）反向标定通过设置LO-LIMHI-LIM可获得反向标定。使用反向转换时，输出值将随输入值的增加而减小。5.2.3 数据采集基础程序（1）FC105包含的逻辑功能 SCALE功能接受一个整型值(IN)，并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。SCALE功能使用以下等式：OUT = (FLOAT (IN) -K1)/(K2-1) * (HI_LIM-O_LIM) + LO_LIM常数K1和K2根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置。BIPOLAR：假定输入整型值介于7648与27648之间，因此K1 = -7648.0，K2 = +27648.0UNIPOLAR：假定输入整型值介于0和27648之间，因此K1 = 0.0，K2 = +27648.0如果输入整型值大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并返回一个错误。如果输入整型值小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。通过设置LO_LIM HI_LIM可获得反向标定。使用反向转换时，输出值将随输入值的增加而减小。（2）FC105功能的输入输出（3）FC105的变量声明表5-1FC105的变量声明表参数说明数据类型描述EN输入BOOL使能输入端，信号状态为1时激活该功能。END输出BOOL如果该功能的执行无错误，该使能输出端信号状态为1。IN输入INT欲转换为以工程单位表示的实型值的输HI_LIM输入REAL以工程单位表示的上限值。LO_LIM输入REAL以工程单位表示的下限值。OUT输出REAL转换的结果。RET_VAL输出Word如果该指令的执行没有错误，将返回值W#16#0000。对于W#16#0000以外的其它值，参见错误信息错误信息:如果输入整型值大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并返回一个错误。如果输入整型值小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。ENO的信号状态将设置为0，RET_VAL等于W#16#0008。 （4）FC105程序梯形图 图5-2 FC105程序梯形图5.2.4 FC105功能调用调用（1） 定义符号表表5-2 传感器符号地址及显示加热炉的空气流量符号名地址数据类型描述Reactor-FT15-302PIW0Word加热炉进口流量FT1502-ShowMW10Word加热炉进口流量示值FT9002-FaultMW12Real加热炉进口流量故障BIPOLARM26.0BOOL数字量极性（M26.0=0）（2）FC105 SCALE功能的调用FC105的功能调用图见图5.2-2图5-3FC105的功能调用图5.3 模拟量输出子程序模拟量输出子程序通过调用FC106数值转换功能实现。5.3.1 FC106 SCALE 功能程序（1）程序梯形图图5-4 FC106程序梯形图（2） FC106的变量声明见下表5-3表5-3 FC106 UNSCALE 的变量声明参数说明数据类型描述EN输入BOOL使能输入端，信号状态为1时激活该功能。ENO输出BOOL如果该功能的执行无错误，该使能输出端信号状态为1。IN输入REAL常数欲转换为整型值的输入值。HI_LIM输入REAL常数以工程单位表示的上限。LO_LIM输入REAL常数以工程单位表示的下限。BIPOLAR输入BOOL信号状态1表示输入值为双极。信号状态0表示输入值为单极。OUT输出INT转换结果。RET_VAL输出WORD如果该指令的执行没有错误，将返回值W#16#0000。对于W#16#0000以外的其它值，参见错误信息。（3）FC106的功能的调用 图5-4 FC106的功能调用5.4 PID控制程序5.4.1 PID控制控制程序 （1）FB41连续PID控制控制的功能S7-300提供了一个PID软件包，软件包包括3个功能块：FB41“CONT_C”连续控制、FB42“CONT_S”步进控制、FB43“PULSEGEN”脉宽调制生成脉冲。根据工艺要求，采用FB41 “CONT_C”连续控制功能块实现加热炉空气流量的PID控制。FB41 连续PID控制功能：a) 设定点操作设定点以浮点格式在“SP_INT”端输入。b) 实际数值操作过程变量可以在外围设备（I/O）或者浮点数值格式输入。“CRP_IN”功能可以将“PV_PER”外围设备数值转换为一个浮点格式的数值，在100和+100 % 之间，转换公式如下：CPR_IN 的输出=PV_PER x100 /27648 “PV_NORM”功能可以根据下述规则标准化“CRP_IN”的输出：输出PV_NORM = （CPR_IN的输出）x PV_FAC + PV_OFF “PV_FAC”的缺省值为“1”，“PV_OFF”的缺省值为“0”。变量“PV_FAC”和“PV_OFF”为下述公式转化的结果：PV_OFF =（PV_NORM的输出） - （CPR_IN的输出）x PV_FAC PV_FAC =（PV_NORM的输出） - PV_OFF）/（CPR_IN 的输出）不必转换为百分比数值。c) 负偏差计算设定点和实际数值之间的区别便形成负值偏差。为了抑制由于被控量的量化引起的小的、恒定的振荡（例如使用PULSEGEN进行脉冲宽度调制），在死区将施加一个死区（DEADBAND）。如果DEADB_W = 0，则死区将关闭。d) PID算法PID算法作为一种位置算法进行控制。比例运算、积分运算（INT）和微商运算（DIF）都可并行连接，也可以单独激活或取消。这就允许组态成P、PI、PD和PID控制器。也可以是纯I和D调节器。e) 手动模式可以在手动模式和自动模式之间切换。在手动模式下，被控量被修改成手动选定的数值。积分器（INT）内部设置为“LMN-LMN_P-DISV”，微商器（DIF）内部设置为“0”，并进行内部匹配。这就是说切换到自动模式时不会引起被控量的突变。f) 受控数值的处理使用LMNLIMIT 功能，受控数值可以被限制为一个所选择的数值。当输入变量超出极限值时，信号位将指示。“LMN_NORM”功能可以根据下述公式标准化“LMNLIMIT”的输出：LMN = （LMNLIMIT的输出） x LMN_FAC + LMN_OFF “LMN_FAC”的缺省值为“1”，“LMN_OFF”的缺省值为“0”。受控数值也适用于外围设备（I/O）格式。“CPR_OUT”功能可以将浮点值“LMN”转换为一个外围设备值，转换公式如下：LMN_PER = LMN x2764/10g) 前馈控制一个干扰变量被引入“DISV”端输入。h) 初始化SFB 41/FB 41“CONT_C”有一个初始化程序，可以在输入参数COM_RST = TRUE置位时运行。在初始化过程中，积分器可以内部设置为初始值“I_ITVAL”。如果在一个循环中断优先级调用它，它将从该数值继续开始运行。所有其他输出都设置为其缺省值。 （2）FB41控制功能的调用FB41功能块的调用如图5-5所示。图5-5FB41功能块的梯形图 （2）FB41控制功能块的变量声明表见表5-5表5-5 FB41控制功能块的变量声明表参数名称数据类型参数类型说明缺省值MAN_ONBOOLInput手动开关，为1时手动值被设为操作值TRUEP_SELBOOLInput比例作用使能开关TRUEI_SELBOOLInput积分作用使能开关FALSED_SELBOOLInput微分作用使能开关FALSECYCLETIMEInput采样周期T#100msSP_INTREALInput内部设定值0.0PV_INTREALInput过程变量输入0.0MANREALIn