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控制系统设计
造纸集散控制系统
集散控制系统
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造纸碱回收分布式控制系统设计,控制系统设计,造纸集散控制系统,集散控制系统
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I造纸苛化工段控制系统设计摘 要碱回收苛化工段的过程控制系统是一个相对复杂控制系统。国内在这方面的系统研究较少，针对当前控制系统和软件技术的发展趋势,结合一些中小型企业现状以及SIEMENS 公司的 SIMATIC S7 系列 PLC 的特点,本论文对碱回收苛化工段的工艺流程和集散控制系统进行系统分析后，联系具体碱回收苛化工段，采用西门子 S7-300PLC 设计了碱回收苛化工段的过程控制系统。本文介绍了 DCS 系统硬件结构、网络组成及特点、软件体系结构的及其在工业控制中的应用。本论文重点对当前碱回收苛化工段，经分析研究后提出一种安全可靠的集散系统的控制方案。主要设计了碱回收工段的低压配电系统，对智能仪表、电机起动、运行、停止进行集散控制。这种设计的碱回收控制系统己成功应用，现场实际运行都表明该集散控制系统的可行性、有效性及优越性。系统具有较好的快速性和稳定性，带来了明显的经济效益和社会效益。关键词：碱回收，DCS（集散控制系统） ，黑液，绿液，苛化，低压开关柜1IIThe Design of Control System on Paper Paragraph Harsh ChemicalABSTRACTABSTRACTThe alkali recycling causticize construction sections process control system is a relatively plurality of controls system. Domestic are few in this aspect system research, in view of the development of current control system and software technology and unifies some small and medium-sized enterprise present situation as well as SIEMENS Corporations SIMATIC S7 the series PLC characteristic, This article carries on the system analysis after the alkali recycling causticize construction sections technical process and the collection and distribution control system, the relation concrete alkali recycling causticize construction section, used SIMENS S7-300PLC to design the alkali recycling causticize construction sections process control system. Introduced the DCS system hardware architecture, the network composition and the characteristic, the software architecture and in the industry control application. Present paper key to current alkali recycling causticize construction section, proposes one kind of security reliable collection and distribution system control plan after the analysis research. It has mainly designed the alkali recycling construction sections low pressure electrical power distribution system, to the intelligent measuring appliance, the electrical machinery starts, the movement and the stops carrying on the collection and distribution control. This kind of design alkali recovery control system oneself had successfully applied. The scene actual movement all indicates this collection and distribution control system the feasibility, the validity and the superiority. The system has the good rapidity and the stability, has brought the obvious economic efficiency and the social efficiency.KEYWORDS: Alkali recycling, DCS (distribution control system), black liquor, green liquor, causticize, low pressure switch cabinetIII目 录摘 要.IABSTRACT .II1 概述.11.1 引言 .11.2 DCS .11.2.1 DCS 的体系结构.21.2.2 DCS 的特点.31.2.3 DCS 的展望.41.3 碱回收概述 .41.3.1 造纸工业黑液的危害.41.3.2 造纸工业黑液的处理.51.3.3 实施碱回收的意义.51. 4 本课题所做的工作.62 苛化工艺流程.72.1 概述.72.2 推荐流程.72.3 主体设备.102.3.1 石灰消化分离器.102.3.2 苛化器.102.3.3 澄清器.102.3.4 真空过滤机.112.4 影响苛化生产运行工艺参数的几个因素 .122.4.1 影响苛化反应的因素.122.4.2 影响澄清的因素.132.4.3 苛化工段有关的工艺计算.142.5 苛化工段工艺控制 .152.5.1 苛化过程工艺对控制系统的要求.152.5.2 控制方案.153 控制系统的设计.183.1 PLC 及其各部件的介绍.183.1.1 PLC 的组成.183.1.2 PLC 的各部件介绍.18IV3.1.3 PLC 的工作原理.193.2 PLC 的的硬件选择.213.3 软件设计.243.3.1 软件设计简介.253.3.2 下位机基础软件.263.3.3 上位机基础软件.263.3.4 WINCC 和 STEP7 之间的通讯.274 低压配电部分的设计.294.1 低压配电系统介绍 .294.2 低压开关柜的设计 .314.2.1 低压开关柜的选择.314.2.2 低压开关柜的主回路设计.324.2.3 低压开关柜的辅助回路设计.334.2.4 低压开关柜的主回路电器的种类和型号.344.2.5 ST502 智能控制器.354.3 电机启动方式的选择与控制 .384.3.1 直接启动.384.3.2 星三角启动.394.3.3 自耦变压器降压启动.404.3.4 软启动方式.414.3.5 变频启动.414.4 低压电器介绍 .424.5 保护接地.435 结束语.45致 谢.46参 考 文 献.47造纸苛化工段控制系统设计11 概述1.1 引言碱回收控制技术的发展是随着工业自动化的发展、工艺设备的改进以及新技术的应用而发展的。在国外碱回收控制技术的发展历史比较悠久。最初的控制仪表是基地式的，其后逐渐发展为单元组合式，但这时自动化水平还处于低级阶段。上个世纪六十年代中期，随着电子计算机的发展与普及，为碱回收控制技术的自动化提供了十分重要的技术手段。在欧洲的大型纸浆厂碱回收工艺中已经出现用计算机代替模拟调节器的直接数字控制（Direct Digital Control， DDC)和由计算机确），但这时的控制策略还十分匮乏，使得现代控制理论一时难以应用碱回收复杂的工艺过程中。在70年代中期，针对工业生产规模大、过程参数和控制回路多的特点，为了满足工业用计算机应具有高度可靠性和灵活性的要求，出现了一种分布式控制系统1（Distributed Control System， DCS），即集散控制系统.欧洲和北美也相续的把集散控制系统应用到碱回收过程中。其后随着集散控制系统的换代在碱回收过程中也不断更新。复杂控制算法在系统中也不断的加以应用。自动化程度不断提供，操作员已经无须亲临工作现场，就可以掌握整个碱回收各设备的运行情况。1.2 DCS集散型（分散型）1计算机控制系统（Distributed Computer Control SystemDCCS）简称集散型（分散型）控制系统（Distributed Control SystemDCS） 。DCS 的实质质是利用计算机技术对生产过程进行监控、操作、管理和分散控制的一种新型的控制技术。DCS 是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、网络通信技术和人机接口技术相互发展渗透而产生的。它吸收了分散型的仪表控制技术和集中式的计算机控制的优点。具有显著的优越性和顽强的生命力。自 20 世纪 50 年代第一台计算机应用于控制以来，开始由于计算机成本高，软件、硬件的功能差，可靠性不高，所以工业控制计算机未能迅速推广应用。微型计算机技术及超大集成电路技术和通信网络技术发展，为计算机用于工业生产过程创造了良好的条件。工业控制逐步地从单机控制、直接数字控制（DDC） 、发展到集散控制系统（DCS）和计算机集成制造系统（CIMS） 。集散型控制系统（DCS）已广泛应用于过程控制，并延伸到大型的实验研究以及离散制造业。而 CIMS 是在已有自动化技术基础上发展起来，并支持未来工厂自动化模式的新型工厂自动化系统，它把孤立的工厂局部自动化技术和子系统在新管理模式与工艺指导下的综合运用信息技术、自动化技术，并通过计算机及其支持软件而有机陕西科技大学毕业设计说明书2地综合起来，构成一个完整的系统，对生产过程的物流与管理过程的信息流和决策流进行有效的控制和协调，以适应新的竞争模式下市场对生产和管理过程提出的高质量、高速度、高灵活性和低成本的要求。管理的集中性和控制的分散性，这一实际的需求推动了 DCS 的发展。DCS 的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支结构，这与工业生产过程的行政管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级、管理控制级和生产控制级，各级相互独立又相互联系，每一级又按水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级的设备有不同的功能，如实时控制，实时监视和生产过程管理等；横向分散则意味着在同级的设备有类似的功能。按照这种思想来设计集散型控制系统的硬件和软件，就要贯彻既集中又分散的原则。集散控制系统其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。集散控制系统概括起来有集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分。管理部分又分为工程师站、操作站、管理计算机。分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，通用于通信监测。通信部分连接集散控制系统的各个分布部分，完成数据、指令及其它信息的传递。集散型控制系统有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范、调试方便、运行安全可靠的特点。它能够适应生产过程的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，保证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益和社会效益。1.2.1 DCS 的体系结构DCS的体系结构通常为三级。第一级为分散控制级；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。各级之间由通信网络联接，各级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系 2。（1）分散过程控制级如图1-1所示1，此级是直接面向生产过程的，是DCS的基础，它直接完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能，其过程输入信息是面向传感器的信号，如热电偶、热电阻、变送器及开关量等信号，其输出是驱动执行机构。构成这一级的主要装备有:现场控制站（工业控制机）；可编程序控制器（PLC）；智能调节器。（2）集中操作监控级这一级以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。这一级是面向操作员和控制系统工程师的，因而这一级配备有技术手段齐备，功能强的计算机系统及各类外部装置，特别是CRT显示器和键盘，以及需要较大存储容量的硬盘或软盘支持，另外还需要功能强大的软件支持，确保工程师和操作员对系统进行组态、监视和操作，对生产造纸苛化工段控制系统设计3过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估。其具体组成包括:监控计算机、工程师显示操作站和操作员显示操作站。DCS的集中操作监控级主要是显示操作站，它完成显示、操作、记录、报告等功能。它把过程参量的信息集中化，把各个现场配置的控制站中的数据进行收集，并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息，这就是它的显示操作功能。显示操作站的另一功能是系统组态。因此可进行控制系统的生成、组态。图1-1 DCS的体系结构（3）综合信息管理级这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理。综合信息管理主要包括生产管理和经营管理。1.2.2 DCS 的特点对一个规模庞大、结构复杂、功能全面的现代化生产过程控制系统，首先按系统结构进行垂直方向分解成分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级。各级相互独立又相互联系；然后对每一级按功能进行水平方向分成若干个子块。与一般的计算机控制系统相比，DCS具有以下几个特点1：（1）采用分级分布式控制，以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪表完成常规的过程控制，并且能进行复杂算式运算和顺序控制.这种基本控制器，采用固化的应用软件，在现场对输入、输出数据进行处理，减少了信息传输量，降低了对上级计算机，使系统的应用程序较为简单。（2）采用物理上分散的结构，实现了真正的分散控制，在现场就地安装的基本控器.不但节省了电缆，同时减少传输线路对信号的干扰，并缩短了控制回路，加快了反应速度。以微型机为核心的基本控制器的可靠性，一般要比中、小型工业控制机高，并且每台基本控制器只控制少量的回路，即使发生故障，影响面也比较小，因而从根本上改善了系统的可靠性。（3）备有计算机与计算机之间的通信系统，高速数据通道提高了现代分时通信的技陕西科技大学毕业设计说明书4术，实现了综合控制。通过高速数据通道，能将基本控制器和其他一些接有通信接口的设备与监控计算机联系起来，进行协商控制。并且，利用监控计算机的运算能力，完成高级控制算式的运算，以实现整体的最优化运行控制，采用高速数据通道作为通信系统，不但大大减少系统布线，节省工程费用，而且使系统扩展容易，便于用户分担投资、逐步扩建。（4）备用多功能CRT操作台作为集中型的人机接口，在CRT操作台上，可以存取并能以多种画而显示全部过程变量、控制变量及其他参数，以及直接操作远程基本控制器，实现了集中监视和集中操作。（5）管理计算机通过高速数据通道，直接与过程连接，完成生产计划、管理、决策的最优化。1.2.3 DCS 的展望DCS是计算机控制系统发展到一定程度的产物，它极大地改变了生产过程自动化的面貌，而且正在以极快的速度发展着，计算机技术的发展与进步，网络技术的发展与进步，软件技术的发展与进步，管控一体化的要求使DCS的发展呈现出以下趋势1：（1）开放性DCS中所使用的设备将趋于通用的产品，专用的产品将越来越少，特别是计算机和网络，高性能的工业微机、工作站将被大量采用，通用网络产品也将逐步淘汰专用网络。网络通信规约逐步向得到普遍承认的标准靠拢，以系统集成的方式构成应用系统的方法得到越来越多的应用。（2）分散化和智能化智能仪表、智能电子设备及现场总线技术将被大量采用，DCS的体系结构将进一步走向分散化，直接数字控制将深入到每一个控制回路、现场设备和工位，因此，现场总线网络的发展成为各厂一家注目的焦点。（3）系统构成多样化现在几乎己看不到传统意义上的DCS了，目前所说的DCS是一种广义的概念，其中包括了传统DCS厂家推出的新一代系统，也包括由PLC，高速总线网和专、LLT一家的组态软件所构成的系统。在不同的应用领域.DCS的构成也各有不同。（4）综合自动化系统的发展逐步走向综合自动化，将来的任何系统都不是独立的，无法与其他系统互相通信并实现集成的DCS己不再有生命力。1.3 碱回收概述1.3.1 造纸工业黑液的危害造纸苛化工段控制系统设计5造纸工业废水排放量大，废水中含有大量的纤维素、木质素以及大量的化学药品等，耗氧量大，是世人所注目的污染源，它能引起整个水体污染和生态环境的严重破坏。美国将造纸工业废水列为六大工业公害之一，日本列为五大工业公害之一。据联合国环境组织估计，全世界造纸行业每年所排的废水超过274亿t，其中BODS（Biochemical Oxygen Demand），即生化需氧量5854万t，SS 594万t，硫化物100万t1332。据中国轻工部的初步统计，目前我国约有近万家大大小小的造纸厂，遍布全国城乡各地。尚无一家造纸厂的废水达到国家排放的标准。我国造纸废水排放量大，每生产一吨成品纸，耗水400600t，最高可达1000t，年排放总量为17亿t/a，仅次于化工、钢铁工业。造纸废水污染严重，一个纸厂往往污染一条河流，严重的危害着人们的健康，已经引起社会的极大关注。造纸工业废水主要包括蒸煮制浆废水(黑液)、洗浆废水(洗涤废水)、漂白废水和抄纸废水等四大类。其中蒸煮黑液的环境污染最为严重，占整个造纸工业污染的90%。目前国内外造纸工业普遍采用碱法制浆，蒸煮过程中产生大量的污染物，不仅极大地浪费了资源、能源，而且严重地污染了环境3。1.3.2 造纸工业黑液的处理近几年来随着造纸工业的迅速发展，科学技术的不断进步，综合利用率的逐步提高，黑液的治理也取得了一定的进展。目前，黑液的处理方法主要有:碱回收法；酸洗法；絮凝沉淀氧化法；生物化学方法2。目前，国内各大纸厂普遍采用碱回收法中的传统碱回收法，传统的碱回收技术采用:浓缩燃烧苛化。具体的是采用多效蒸发器将黑液浓缩，使其中有机物苛化，在高温下无机物变为熔融状态，冷却后形成绿液。其主要成分为Na2C03，加入石灰苛化为NaOH后，再回用到纸浆生产工艺中去，从而达到回收碱并循环利用之目的4。1.3.3 实施碱回收的意义碱回收系统从碱法制浆黑液中回收了碱和热能，并实现了工厂企业自身封闭循环使用，对于碱法制浆黑液还有其它的治理措施，但会有相应的副产品产生，存在运行成本和市场对其副产品需求变化的问题，因此碱回收对碱法制浆造纸企业而言是实现清洁生产、保护环境、废液进行厂内治理的重要组成部分。碱回收能最经济有效地削减废液的污染负荷，大幅度提高资源回收利用率，再经过物化_生化法的综合处理就可使企业生产过程中的中段废水达标排放。对造纸厂的黑液进行碱回收有以下好处5：（1）环境效益：黑液是纸厂主要污染源。其中的固形物约有2/3是有机物，1/3是无机物。有机物是纸浆厂污水中的BOD， COD，SS和色度的主要来源。无机物中主要是碱。因此每回收一吨碱大约要烧去两吨以上的污染物，可以大大减轻纸浆厂对江河水质的污染。陕西科技大学毕业设计说明书6（2）社会效益：电解法制碱，每吨碱要耗电2700度，食盐1.6-1.7吨。每回收一吨碱，大厂耗电400600度，小厂1000吨左右，不用盐只用石灰。因此每回收一吨碱比电解法节电17002300度，且不必由外厂运来3040%的碱液，每吨固碱可节约运力255吨以上。（3）经济效益：外购碱到厂价在2000元/吨左右。回收碱成的本小厂约1000元/吨，大厂只要400600元/吨，经济效益非常显著。1. 4 本课题所做的工作 造纸碱回收苛化工段低压配电，通过对电动机动的控制，从而对电网的冲击变小，也改变了电动机的起动特性，提高了苛化工段系统的稳定性。在电动机的起动过程中，应用了软启动，变频启动,直接启动和自耦降压起动。造纸苛化工段控制系统设计72 苛化工艺流程2.1 概述黑液燃烧后的熔融物融于水热水或稀白液中，因含有 2 价铁，颜色是绿色，故称之为“绿液”，其主要成分是碳酸钠 。苛化就是把绿液与石灰进行反应，使碳酸钠变为可蒸煮的氢氧化钠。反应后分离的清夜（主要成分是碳酸钠）即蒸煮用的白液，反应后生成的沉淀叫白泥（主要成分是碳酸钙） 。用澄清或过滤的方法将其分离，经洗涤去碱后，再利用，或回收石灰或综合利用。苛化反应分两步：(1) 石灰消化 生石灰中的氧化钙与水发生反应，变成氢氧化钙，并放出热量：CaO+H2O=Ca(OH)2+热量 （2-1）(2) 苛化 氢氧化钙与绿液中的碳酸钠进行苛化反应，生成碳酸钙沉淀，同时生成氢氧化钠：Na2CO3+Ca(OH)2=2NaOH+CaCO3 （2-2）这反应是在水溶液中进行的，是个可逆反应。由于可逆反应缘故苛化反应不能进行到底。反应进行的程度用苛化率来表示：苛化率=NaOH/(NaOH+Na2CO3)*100% （2-3）苛化率反应了绿液中碳酸钠转变为氢氧化钠的程度。虽然苛化反应的过程不复杂，但要使反控制的恰当,反应后的液体(绿液)和残渣(白泥)达到良好的分离,则需要掌握许多技术环节并通过许多化工单元操作，如搅拌、澄清、过滤、洗涤等。如果控制不当或所选设备流程不合理均会影响苛化效果最终导致碱回收率下降,而且间接影响纸浆的质量。 对苛化的要求：苛化率要适当的高，以减少碳酸钠在生产中循环；白液要有足够的浓度，可以满足蒸煮碱及保持蒸煮药液的浓度要求。要保持一定的温度以节省蒸汽；白液澄清要好，以避免蒸发等传热面产生钙结垢；白泥要洗涤干净降低残碱，并达到一定的干度，以利于白泥回收及综合利用。2.2 推荐流程苛化的工艺有两种流程，一种是间歇苛化，一种是连续苛化。考虑到该技术指南是面向一定规模的制浆造纸企业，因本流程推荐连续苛工艺。采用连续苛化工艺自动化程度高，产品质量稳定而且生产能力较大，生产运行稳定。该流程的特点是：(1) 绿液经过澄清后再送去苛化，这样可以除去绿液中的各种有害元素，有利于苛化后白液的澄清和白泥的洗涤以提高白液澄清度和提高白泥质量。陕西科技大学毕业设计说明书8(2) 消化和苛化分别进行，即石灰先进行消化分离，先除去石灰中的沙砾，不使其带入苛化器中。(3) 采用三态苛化器串联，其反应温度逐渐提高，反应初期温度稍低些，反应后期温度提高以达到满意的苛化反应结果。(4) 从苛化器的乳液进入白液澄清器，澄清器 2#膜泵抽泥进入 1#真空过滤机，其滤液回到白液澄清器入口，滤饼入搅拌槽后，送入白泥洗涤器，这样可使进入稀白液的碱量大大减少，使稀白液浓度下降，白泥含碱下降。采用 2 号真空洗渣机洗涤白泥，用热水喷淋可进一步降低残碱。经生产验证，连续苛化工艺较间歇苛化工艺有：绿液制取白液率较高、石灰消耗量和碱损失率低、白泥数量较小、劳动强度低、操作环境好等优点。苛化工段推荐流程如图 2-1：造纸苛化工段控制系统设计9石灰 绿液 石灰粉碎机 绿液缓冲槽 斗式提升机 绿液澄清器1#膜泵 绿泥 石灰料仓 绿液贮存槽 电磁震动给料器 绿液加热器 蒸汽 排汽 消化器渣提渣机消化渣 泵 蒸汽 连续苛化器（3 台串联）排汽 白液澄清器 浓白液 浓白液贮槽 2#膜泵 送蒸煮车间 浓滤液 1#真空洗渣机 热水 白泥搅拌槽 白泥泵 白泥洗涤器稀白液稀白液贮存槽 3#膜泵 送蒸煮配碱 稀滤液 2#真空洗渣机 热水 螺旋输送机 白泥陕西科技大学毕业设计说明书10 图 2-1 苛化工段推荐流程图麦草浆连续苛化工艺流程与传统的流程还有所区别，该流程中绿液澄清器中的绿后送至消化器（因绿泥数量很少，不须单独进行洗涤） ，而绿泥则直接经 1#膜泵泵入1#白泥搅拌槽，与白泥液经加热一起洗涤，不须设置辅助苛化器。由于绿泥没有单独洗涤也就没有稀绿液产生，这样流程较为简单。2.3 主体设备2.3.1 石灰消化分离器 消化分离器由消化器和分离器两部分组成，前者是用绿液消化石灰，后者是把石灰乳液中的渣子分离。 消化器运行的时候，石灰和绿液的加入量要配合恰当，绿液的供给应稳定均匀，石灰的供应量应按计算均匀加入（理论用灰量+过量灰） 。还应特别注意石灰的质量。因为石灰的质量及用量均会直接影响白液的苛化度、澄清度、过量灰等指标（石灰质量应 CaO75%,MgO852 石灰总消耗量 t/t 1.153 石灰有效 CaO % 754 清水消耗量 m3/t 碱 85 蒸汽消耗量 t/t 碱 0.26 电消耗量 kWh/t 碱 807 碱损失 % 7-8（3） 石灰；石灰中 CaO 的含量对苛化反应和反应速度都没有显著的影响，只是当石灰中 CaO 含量过低时，反应条件变坏。影响反应速度的因素主要是石灰的粒度，将石灰粉碎成较小粒度对提高反应速度大有好处，一般粒度75%-80%,MgO3%。（3）绿液的成分与浓度；苛化前绿液经过澄清，把绿液中杂质如铝、铁、钙、镁等化合物，随绿泥去掉，这样可使白泥沉淀的时间缩短到 1/3-2/3。另外，草浆黑液回收所得的绿液硅含量较高，由于硅酸钠的影响，白泥体积较大，沉淀分离困难，应尽量减少硅含量；另外碱溶液浓度增加时，沉淀速度降低，所以要适当控制白液的碱度。（4）搅拌；只有使在苛化反应过程中所形成的 CaCO3 颗粒尽可能的大，才能保证沉淀速度快。所以不但要控制搅拌时间，也要控制搅拌强度。一般正常搅拌时间 30-60min，搅拌速度 60r/min。（5）温度；较高的温度能降低液体的粘度，有利于沉降，但过高的温度会给沉淀造成不利，所以目前苛化器温度在 95-100C。另外保持澄清器内悬浮液温度均匀的问题陕西科技大学毕业设计说明书14也很重要。澄清器应当保温，这不仅是为了减少热损失，主要是为了保持器内不发生对流现象，以免干扰泥渣的沉降。2.4.3 苛化工段有关的工艺计算（1）白液成分计算（以 NaOH 计）总碱=NaOH+Na2CO3活性碱=NaOH苛化率=活性碱/总碱（2）石灰用量的计算第一种方法： G=（A/K）*（56/40）*R*（100/） （kg/t 浆） （2-7）式中 G石灰用量，kg/t 浆A蒸煮消耗的有效碱，kgNaOH/t 浆K苛化度R石灰消耗量占理论用量的过量余数石灰中有效 CaO 含量，%第二种方法：可根据生产中分析数据直接计算 m=*V*5*R/ （2-8）式中 m石灰需要量 kg 绿液中 Na2CO3 的含量，g/L（以 NaOH 计） V苛化器中的绿液量，m3 石灰中有效的 CaO 含量，%053=CaO 分子量/Na2CO3 分子量265= Na2CO3 分子量/NaOH 分子量R石灰消耗量占理论用量的过量余数（3）白泥量的计算白泥包括苛化反应生成的 CaCO3，过量石灰生成的 Ca（OH）2，及石灰中惰性物。常用的计算方法有两种。 第一种方法：白泥量=石灰用量*石灰纯度*（100/56）+石灰用量*（1石灰纯度）提渣机带出的砂砾（kg） （2-9） 第二种方法：白泥量=（理论石灰量*100/56+过剩石灰量*70/56）*石灰纯度+石灰用量*（1石灰纯度）提渣机带出的砂砾（kg） （2-10）造纸苛化工段控制系统设计15 （注：100 为 CaCO3 的相对分子质量，74 为 Ca（OH）2 的相对分子质量）（4）其它工艺计算 苛化器蒸汽用量及澄清器澄清面积的计算均可参考木浆碱回收设计资料，但麦草浆黑液含硅量高，在设计澄清面积的时，一定要考虑这个特点。根据我们现场调研的资料，每吨浆每昼夜所需的澄清面积如下：绿液澄清器：澄清面积 2.02.8m2/（d.t 浆） 白液澄清器：澄清面积 2.53.0 m2/（d.t 浆）白泥洗涤器：澄清面积 2.03.0 m2/（d.t 浆） 、2.5 苛化工段工艺控制2.5.1 苛化过程工艺对控制系统的要求苛化工段的工艺流程图如图2-1所示：黑液燃烧后的熔融物溶于热水或稀白液中，因含有二价铁，颜色是绿色，故称之为“绿液” ，其主要成分是碳酸钠（NaCO3） 。苛化就是把绿液与石灰进行反应，使碳酸钠转化成可用于蒸煮的氢氧化钠（NaOH）.反应后分离出的清液（主要成分为氢氧化钠）即蒸煮用的白液，反应后生成的沉淀叫白泥（主要成分有碳酸钙） 。苛化反应分二步：（1）石灰消化 生石灰中的氧化钙与水发生反应，变成氢氧化钙，并放出热量： （2-22()CaOH OCa OHQ11）（2）苛化 氢氧化钙与绿液中的碳酸钙进行苛化反应，生成碳酸沉淀，同时形成氢氧化钠： （2-12）2323()2Na COCa OHNaOHCaCO 虽然苛化反应过程并不复杂，但要使反应控制得恰当，必须进行一些必要的测控反应物量及其比值，即分别控制好绿液的浓度和流量以及石灰的加入量；反应温度；反应时间；生成苛化钠（白液）与碳酸钙（白泥）的分离。2.5.2 控制方案本控制系统是针对 100D/T 碱回收中苛化工艺而制定的7。表 2-2 为本工段一览表，图 2-3 则表示测控点在工艺流程中的分布。下面简略介绍一下苛化工段的控制方案。陕西科技大学毕业设计说明书16图 2-1 苛化控制测量图表 2-2 本工段一览表序号仪表位号名称测量范围备注(AI+AO)1TI-901,9021，2 号白液贮存槽温度指示Pt100,0-15022TI-903白液澄清器温度指示Pt100,0-15013TI-904白泥洗涤器温度指示Pt100,0-10014TI-905绿液澄清器温度指示Pt100,0-10015TIC-9063 号苛化器温度指示调节Pt100,0-1501+16TI-907石灰消化提渣机苛化乳液出口温度指示Pt100,0-15017TI-908稀白液贮存槽温度指示Pt100,0-10018TI-909绿液贮存槽温度指示Pt100,0-10019TI-910热水槽液位指示Pt100,0-100110TI-911绿液加热器温度指示及控制Pt100,0-1501+19PI-901蒸汽总管压力指示0-0.6MPa110LIA-901,9021，2 号白液贮存槽液位指示、报警0-100%211LIA-903稀白液贮存槽液位指示报警0-100%112LIA-904热水槽液位指报警0-100%1造纸苛化工段控制系统设计1713LIA-905半沉渣搅拌槽液位指示报警0-100%114LIA-906沉渣搅拌槽液位指示报警0-100%115LIA-907石灰消化提渣机液位指示报警0-100%116LIA-908绿液贮存槽液位指示报警0-100%117LICA-909苛化液缓冲槽液位调节指示报警0-100%1+1(vvvf)18FIQ-901蒸汽流量指示积算0-4T/h119FIQ-902送蒸煮白液流量指示积算0-25 m/h120FIQ-903清水流量指示积算0-50T/h121*TI-910热水槽温度指示Pt100,0-100*122*TIC-911绿液加热器温度指示及控制Pt100,0-150*1+123*FIQ-904绿液流量检测及控制0-50T/h*1+1单计2525+4总计25 AI + 4AO有燃烧工段的绿液经“绿液澄清器”后，送往“绿液储存槽” ，贮存槽设置有液位置指示报警：LIA-908，绿液温度指示：TI-911；然后，由绿液泵泵至“绿液加热器”加热，再进入“消化器” ，在次管道上，设置有绿液流量控制点：FIC-903。石灰加入量由电磁振动给料器控制，由于消化是放热反应，故由 TI909 与 TI-913 得到的温差，可大致判断石灰的加入量是否合适。 “消化器”设置有液位指示报标（LIA-907） 。在苛化其中进行苛化反应，在第一、二苛化器中，只设置温度指示：TI-907、TI-908，而在第三苛化器中，则设置了温度控制点：TIC-906,苛化后的反应物进入“苛化液反应槽”：在此槽中设置有液位指示报警点：LIA-909。苛化液被泵入“白液澄清器” ，在这里白液与白泥被分离，白液被送到“白液贮存槽” ，并被泵往蒸煮工段。白泥被泵至“1#真空洗渣机”中提取滤液，而其余送往“半沉渣搅拌器” ，与绿泥混合后被泵入“白泥洗涤器” ，从中提取得到稀白液，送往燃烧工段，而白泥则被送往“沉渣搅拌槽” ，然后送“2#真空洗渣机”提取有用的滤液，而白泥则送出外运。在上述设备中，设置有液位指示、报警及温度指示。FIQ-901 及 FIQ-902 是分别计量本工段的用气量及用水量。陕西科技大学毕业设计说明书183 控制系统的设计3.1 PLC 及其各部件的介绍3.1.1 PLC 的组成PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用作控制的特殊计算机，因此它的组成部分与一般的微机装置类似。如图3-1所示:图3-1 PLC的逻辑图它主要由中央处理单元（CPU），输入电路、输出电路、通信接口等部件组成。其中CPU是PLC的核心。输入输出电路是连接现场设备与CPU之间的接口电路。通信接口用于与编程器和上位机连接。PLC有整体式和模块式两种结构，整体式PLC的所有部件都装在同一个机壳内；模块式PLC的各功能部件独立封装，其各部件称为模块或模板，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。模块式PLC具有功能强、扩展灵活、结构紧凑、无槽位限制等优点。故本控制系统中所用的硬件为Siemens公司生产的Simatic S7系列可编程序控制器（PLC）的模块式结构（逻辑图如图3-2所示）。3.1.2 PLC 的各部件介绍(1) 中央处理器（CPU）CPU是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从上位机或编程器输入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/0映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/0映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/0映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式编程器中央处理器（CPU）输入电路输出电路系统程序存储器系统程序存储器电源造纸苛化工段控制系统设计19系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。(2) 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域:系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。系统RAM存储区：包括I/O映象区以及各类软设备，如:逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器。（I/0）映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放1/0的状态和数据，这些单元称作I/0映象区。一个开关量I/0占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/0占用存储单元中的一个字（16个bit）。因此整个I/0映象区可看作两个部分组成:开关量I/0映象区:模拟量I/0映象区。电源：PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在10%+15%范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。3.1.3 PLC 的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在l00ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于l00ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式 扫描技术。这样在对于CPU响应陕西科技大学毕业设计说明书20要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。如图3-2所示，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。第 n 个扫描周期第 n+1个扫描周期第 n-1 个扫描周期用户程序执行输入采样输出刷新输入采样输出刷新图3-2 PLC扫描过程简图（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/0映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/0映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态：或者刷新该输出线圈在1/0映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/0映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/0映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/0映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图3-3所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。造纸苛化工段控制系统设计21上电自诊断通讯输入采样用户程序执行输出刷新 RUN故障图3-3 PLC扫描周期的示意图3.2 PLC 的的硬件选择根据碱回收苛化工段的工艺流程的控制要求，即控制方案确定出控制系统测控点如表3-1所示，控制系统的电机清单如表3-2所示：从表3-1、表3-2可知:本工段总共有仪表模拟量输入测控点25个和电机电流模拟量输入点19个，共计44个模拟量输入点；模拟量输出测控点4个；电机数字量输入87输出点42个及19测控点。由此系统设计选用S7-300PLC。设计采用模块化设计方法，考虑到工厂的实际情况，分析比较各模块的功能和用途并加以选择，确定了各机架所需的电源模块、CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块及接口模块。下面对所选的模块分别加以叙述。陕西科技大学毕业设计说明书22表3-1 控制系统的模拟量测控表序号仪表位号名称测量范围备注(AI+AO)1TI-901,9021，2 号白液贮存槽温度指示Pt100,0-15022TI-903白液澄清器温度指示Pt100,0-15013TI-904白泥洗涤器温度指示Pt100,0-10014TI-905绿液澄清器温度指示Pt100,0-10015TIC-9063 号苛化器温度指示调节Pt100,0-1501+16TI-907石灰消化提渣机苛化乳液出口温度指示Pt100,0-15017TI-908稀白液贮存槽温度指示Pt100,0-10018TI-909绿液贮存槽温度指示Pt100,0-10019TI-910热水槽液位指示Pt100,0-100110TI-911绿液加热器温度指示及控制Pt100,0-1501+19PI-901蒸汽总管压力指示0-0.6MPa110LIA-901,9021，2 号白液贮存槽液位指示、报警0-100%211LIA-903稀白液贮存槽液位指示报警0-100%112LIA-904热水槽液位指报警0-100%113LIA-905半沉渣搅拌槽液位指示报警0-100%114LIA-906沉渣搅拌槽液位指示报警0-100%115LIA-907石灰消化提渣机液位指示报警0-100%116LIA-908绿液贮存槽液位指示报警0-100%117LICA-909苛化液缓冲槽液位调节指示报警0-100%1+1(vvvf)18FIQ-901蒸汽流量指示积算0-4T/h119FIQ-902送蒸煮白液流量指示积算0-25 m/h120FIQ-903清水流量指示积算0-50T/h121*TI-910热水槽温度指示Pt100,0-100*122*TIC-911绿液加热器温度指示及控制Pt100,0-150*1+123*FIQ-904绿液流量检测及控制0-50T/h*1+1单计2525+4总计25 AI + 4AO造纸苛化工段控制系统设计23表 3-2 控制系统的电机清单序号名称电机号数量功率DI+DOAI范围(A)1绿液膜泵430222.24+22石灰消化提渣机430922.24+231#真空洗渣机432322.24+241#真空泵43271552+11100/55移液泵43281152+1150/56沉渣搅拌槽4329142+17沉渣泵43302114+2230/582#真空洗渣机4331346+392#真空泵43351752+11300/510苛化器43103156+3350/511苛化乳液泵43122114+2230/512白液泵43152154+2250/513白液洗涤器膜泵431622.24+214半沉渣搅拌槽4317142+115半沉渣泵43182114+2230/516稀白液泵43212114+217白泥洗涤器膜泵432222.24+218滤液泵43363116+319加压水泵43381372+1160/520热水泵43402154+2230/521胶带输送机4304142+122反击式破碎机43051152+123斗式提升机43061112+124绿液泵43422114+2230/525绿液澄清器4301-114126白液澄清器4313-114127白泥洗涤器4319-1141单计42+387+4219总计87DI+42DO+19AI 有 42 台电机在 DCS 上起停陕西科技大学毕业设计说明书24S7-300PLC功能强、速度快、扩展能力灵活，具有结构紧凑、无槽位限制的模块化结构。并且可以通过MPI网的接口直接与编程器（PG），操作员模块（OP）和其它S7-PLC相连。(1) S7-300 数量模块S7-300PLC 功能强、速度快、扩展能力灵活，具有结构紧凑、无槽位，S7-300 数字量模块，S7-300 有多种型号的数字量（I/O）模块可供选择。本设计我们仅选用了SM321 数字量输入模块和 SM322 数字量输出模块。其中数字量输入模块为 2 块 32 路模块，主要为控制泵、电机、电动阀、两位阀及变频器提供状态指示。数字量输出模块 2 块，主要控制泵、电机、电动阀的启停。数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成 S7-300 内部信号电平。13数字量输入模块有四种型号可供选择，即直流 16 点输入、直流 32 点输入、交流 16 点输入、交流 32 点输入模块，通过对不同型号的数字量输入模块 SM321 技术特性比较，又结合本设计的工艺具体要求，最终我们选用交流 32 点输入模块，对现场输入元件仅要求提供开关触点即可。数字量输出模块将 S7-300 内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。本设计选用 32 点继电器输出模块。(2) S7-300 模拟量模块S7-300 的 CPU 用 16 位二进制补码表示模拟量，其中最高位为符号位 S，0 表示正值，1 表示负值，被测精度可以调整，取决于模拟量的性能和它的设定参数，对于精度小于 15 位的模拟量，低字节中幂项的低位不用。S7-300 模拟量模块的输入测量范围很宽，它可以直接输入电压、电流、热电阻、热电偶等信号。与数字量模块一样 S7-300PLC 有多种型号可供选择，本设计选用了 SM331 和SM332 模块。模拟量输入模块共有 13 块，其中 3 块安装在负控制柜中，主要用作泵、电机电流或功率指示，其余 10 块安装在主控制柜中，用于温度、压力、液位、流量及电子式执行机构的开度等的指示；模拟量输出模块共有 3 块，用于完成现场的气动调节阀、电子式执行机构和变频器的控制。模拟量输入模块 SM331 的核心器件是 A/D 转换器，其功能是将现场的模拟量信号转换为计算机能够直接识别的数字量信号。目前有两种型号：一种是位模块，另128一种是位模块。前者为 8 个通道的模拟量输入模块，后者为两个通道的模拟量输122入模块、除通道数不一样外，其工作原理、性能和参数设置等都完全一样。考虑到本设计所控制的模拟量较多，所以选用位模块。限制的模块化结构。并且可以通过128MPI 网的接口直接与编程器（PG） ，操作员模块（OP）和其它 S7 PLC 相连。造纸苛化工段控制系统设计253.3 软件设计本设计针对碱回收工艺流程的特点，为稳定绿液的浓度，并使各设备能安全、高效稳定的运行，从而得到碱液，特为该苛化工段编制采样、滤波、量程转换、连锁等子程序等，由于结构化编程的方法具有程序结构层次清晰、部分程序通用化、标准化、易修改、简化程序调试的优点，所以这里我们采用该方法编制控制程序。其流程图如图3-4所示：采样子程序数值滤波子程序控制子程序连锁子程序报警子程序电机起停子程序流量累计子程序图 3-4 流程图 3.3.1软件设计简介测控系统的软件设计主要包括下位机控制软件的编制和上位机监控软件的编制两大部分。其中的下位机（控制器）控制软件采用西门子公司 STEP7 编程软件，它是用于 S7系列 PLC 进行编程、调试的全新软件,它是在国际标准 IEC 1131 3 的基础上建立的，可以用 LAD 和 STL 来编程。STEP7 软件的一个特点是调试功能很强大，不仅能在线读取数据，而且能在线修改过程数据，对于调试大型复杂控制程序非常有效。STEP7 软件还附带一些控制程序模块，如 PID 调节模块，这些模块可以从主控制程序中直接调陕西科技大学毕业设计说明书26用，在结合相应的子程序实现现场的控制功能。上位机监控软件采用 WINCC 组态软件。它是西门子自动化系统 SIMATIC 系统的一个基本模块，它包含集成的配置和编程、集成的数据管理、集成的通讯，这三个层次的集成，贯穿了整个工业自动化系统，SIMATIC 系统三个统一性就体现于此。WINCC 软件由西门子公司与微软（Microsoft）合作开发，运行于 WINDOWS 98/2000/XP 操作系统，具有典型的 WINDOWS 风格,它采用可视化的编程方式，与VISUAL BASIC 极为相似，非专业人员很容易掌握。3.3.2 下位机基础软件控制软件采用STEP7编程软件，下位机控制软件主要借助于STEP7软件编制STEP7有三种编程方法供选择，它们别是线性编程、分布式编程和结构化编程。本设计采用结构化编程。STEP7是S7系列PLC的编程语言。其继承了STEP5 语言结构化程序设计的优点，用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序，可以通过调用语句，将它们组成结构化的用户程序8。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。STEP7不仅从不同层次充分支持合理的数据结构化设计，而且也简化了数据设计的复杂程度。首先，STEP7不但提供了较多的基本数据类型，而且还提供了许多复合数据类型，如时间、字符串、数组、结构等。这些既丰富又实用的数据类型还可灵活地组合在一起构成用户自定义数据类型。其次，各种数据类型组合在一起可以构成数据块。STEP7主要是为用户提供编制应用程序的开发平台，一旦将编好的程序下载到PLC的中央处理单元（CPU）。STEP7的主要任务就已基本完成，接下去它的任务就是测试程序并监控CPU的运行。3.3.3 上位机基础软件DCS监控软件主要借助于WINCC软件编制8。（WINCC安装在苛化部工业计算机中）WINCC主要由通信模块和操作显示模块两部分组成。其结构如图3-5所示；（1）通信模块通信模块完成监控系统与现场控制机（PLC）的数据交换，具有实时性、可靠性，前后台处理并行性的特点。通信模块有内部和外部两个接口，外部接口采用RS-485标准来实现监控系统与现场控制机之间的通讯、传递。通信采用主从方式，监控计算机用来命令控制现场控制机或接受其发来的数据。内部接口采用固定格式与前台功能进行数据交换。造纸苛化工段控制系统设计27输入设备输出设备操作显示模块通讯模块现场控制机图3-5 监控软件结构（2）操作显示模块操作显示模块的功能是:显示各个工艺过程的工作状态，工艺参数（如温度、压力、流量、液位等）和控制参数（如PID控制规律、模糊PID控制中的P、I、D各参数等）的设定、修改及传送这些参数到控制机（PLC）。各功能块分别完成各自的功能和各模块之间的调用，执行每个功能模块时，既可以先退回主菜单再转到其它功能，也可以由一个功能模块直接转到另一个功能模块，各功能模块由若干子程序组成。3.3.4 WINCC 和 STEP7 之间的通讯WINCC，即 Windows control center（窗口控制中心）为在标准 PC 和 Windows NT环境下实现 HMI 功能的人机界面，它可以多种通讯方式与 SIMIATIC S7 相连，如 MPI网,Profibus 网,工业以太网（TCP/IP）。由于 CPU 集成 MPI 和 Profibus-DP 的网络功能。在监控和管理层，我们选用 MPI 网，它采用令牌方式实现数据通讯，数据传输速率在9.6Kbps-I2Mbps 之间，最多可连接 32 个站。WINCC 应用程序WINCC 程序数据处理WINC 数据管理器WINCC 处理程序WINCC 通道单元通讯模块控制程序PLC通讯模块陕西科技大学毕业设计说明书28图 3-6 WINCC 和 PLC 之间的通讯WINCC 集成了图形技术、数据库技术、网络通讯技术。在系统开发中，工程设计人员采集和数据处理，它仅需要在操作站上通过 WINCC 变量标签管理器，添加新的驱动程序，选择合适的通讯协议组态。所选协议的系统参数，并定义变量标签和标签组，就可以实现 WINCC 和 PLC 之间的数据转换，其通讯程序图如所 3-6 示。造纸苛化工段控制系统设计294 低压配电部分的设计4.1 低压配电系统介绍一般中型工厂的电源进线电压是 6-10kV。在工厂生产中要想用电必须将高压电将为用电设备所能接受的电压值。将 6-10kV 的高压电降为一般低压用电设备所需的电压，然后由配电装置接受并且分配电能，就叫做低压配电。图 4-1 低压配电分布图干线 1 由变电所低压侧引出，接至用电设备或主配电箱再以支干线 3 引到分配电箱 4 后接到用电设备，由 4 接至用电设备的线路称为支线。低压配电系统利用放射式的范围一般如下：树干式配电不需要在变电所低压侧设置配电盘，从变电所二次侧的引出线经过空气开关或隔离开关直接引至车间内，因此，这种配点方式使变电所低压侧结构简化，减少电气设备需要量。变电所分配电箱主配电箱主配电箱分配电箱分配电箱分配电箱分配电箱分配电箱变电所用电设备用电设备用电设备陕西科技大学毕业设计说明书30因为纯树干式极少单独使用，往往采用的是树干式和放射式的混合。即为混合式结构。如 4-2 所示：图 4-2 混合式结构链式配电，只用于车间内相互距离短，容量又很小的用电设备。大部分工厂都不采用链式配点方式。一个低压配电系统接受变电所降压后的电，按照需要分配到各个用电设备，如仪表，电动机磁力开关，各种交流接触器等。为了控制各个用电设备，开关柜必不可少。开关柜是一种成套开关设备和控制设备，主要用作对电力线路、主要用电设备的控制、监视、测量与保护。它作为动力中心和主配电装置，起到了接通、断开线路，并与继电保护配合实现切除设备或故障线路的作用。低压配电系统有多组开关柜。主要包括进线柜、无功补偿柜、电动机控制中心、馈线柜。如 4-3 图所示：变电所配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱配电箱造纸苛化工段控制系统设计31图 4-3 低压配电系统单线及组成4.2 低压开关柜的设计4.2.1 低压开关柜的选择我国新系列低压开关柜全型号由 6 位拼音字母或数字表示，其含义如下：1 2 3 4 5 6第 1 位：分类代号，即产品名称，P开启式低压开关柜，G封闭式打压配电柜；第 2 位：型式特征，G（或 D）动力用，K控制用；也可以是统一设计标志；第 4 位：设计代号；第 5 位：主电路方案编号；陕西科技大学毕业设计说明书32图 4-4 GCS 开关柜第 6 位：辅助电路方案编号；本设计中选用的 GCS 低压抽出工开关柜，该柜所有的原件都是固定安装，结构简单价格较 低，如图 4-4 所示。GCS 低压抽出工开关柜是三相交流频率为 50（60）Hz，额定工作电压为 380（660）V、额定电流为 4000A 及以下的发，供电系统中的配电、电动机集中控制、电抗器限流、无功功率补偿使用的低压成套配电装置。要求与计算机接口的场所。它具有以下特点：提高了转接件的热容量，较大降低了由于转接件的温升给接插件、电缆头、间隔板带来的附加温升；功能单元之间、隔室之间的分隔清晰、可靠，若某单元有故障，也仅局限在最小范围；母线平置排列，位于柜后部，装置的动、热稳定性好，电缆室上下均有出线通道；电动机控制柜单柜的回路数最多为 22 回路，充分考虑造纸企业，等行业电动机群以及与计算机接口的需要。4.2.2低压开关柜的主回路设计（1）受电柜（进线柜）如图 4-4 所示11为几种受电柜的主回路，它们均采用抽屉式结构的万能式低压断路器作为控制和保护电器；电流互感器用于电流的测量或电能的计量。其中，图 a 采用了高于柜顶的架空线路进线；图 4-4b 采用了位于柜下侧的母线排进线，即可以左边进线，也可以右边进线（见图中的虚线） ；图 4-4c 采用了电缆进线，电缆终端接有一个零序电流互感器，作为电缆线路的单项保护接地。本设计中选用图 4-5 中的 c。造纸苛化工段控制系统设计33 a b c图 4-5受电柜主回路（2）无功补偿柜如图所示电容无功补偿柜的主电路，他们集中安装在变电所里，作为低压补偿。其中，图 4-6a 是主屏，带有自动切换装置；图 4-6b11是辅助屏，只能手动切换电容。接触器作为电容器的投切开关，熔断器用于电容的短路保护，避雷器用于抑制过电压。 a 主屏 b 辅屏图 4-6 无功补偿柜主电路（3）电机控制中心（MCC）电机控制中心（MCC）是低压开关柜中专门用集中来控制电机的。如图所示的两种不同的电机控制柜的主回路的控制电路。配电电器（刀熔断器或断路器） 、控制电器（接触器） 、保护电器（热继电器）全部安装在抽屉柜结构中。接触器用于控制电机的起动和停止，热继电器作用为电机的过载保护装置，短路保护则由刀熔断器或断路器来实现。以上只是低压开关柜的单元电路，实际上，一台低压开关柜往往是由多个回路组成的，尤其是抽出式低压开关柜，装容密度大的一台柜子可能有三四十个回路。4.2.3 低压开关柜的辅助回路设计陕西科技大学毕业设计说明书34低压开关柜中的辅助回路主要有断路器操作控制电路、测量（计量）电路、电动机控制电路、双电源互控制电路等。本设计中主要的辅助电路是电动机控制电路回路。图 4-6 所示是交流电机操作合闸回路，它与一般的电磁操作控制合闸电路大体相同，不同之处在于；为了保证在断路器合闸的过程中，遇到电机控制回路发生故障时断路器能够脱扣，设有一个特殊的失压脱扣器 TS。为了保证电机在断路合闸完毕后能准确自动停转，设有一个行程开关 SQ。由于有了行程开关 SQ，图 4-7 中的时间继电器 KT 在这里由 KM 代替。图 4-7 断路器的电机操作控制电路4.2.4低压开关柜的主回路电器的种类和型号（1）刀开关、隔离器、刀开关与熔断器组合电器刀开关、隔离器 刀开关可供通断电路用，亦可作为不频繁地接地和分断照明设备及小型电动机电路用。刀开关的主要型号有：HD13、HD14、HD17、HS17 等；隔离器的主要型号有HD18；旋转操作开关型号为 HX1 系列。刀开关熔断器 刀开关熔断器组是由刀开关和熔断器串联构成的一个组合单元，型号有 QSA 和 HH。熔断器式刀开关 目前的主要型号是 HR3。（2）熔断器主要在 RC1A 系列、RM10 系列、RT20 系列（额定分断能力在 120KA） 、NT 系列（包括 NT00、NT0、NT1、NT2、NT3、NT4、6 种型号） 、RS（快速熔断器，主要用于晶闸管及成套装置的过载保护） 。造纸苛化工段控制系统设计35（3）热继电器主要是 T 系列，包括 T16、T25、T85 等。此外还有电子式热继电器。（4）接触器主要有 CJ20 系列、B 系列（ABB 公司技术） 、3TF、3TB 系列（西门子技术） 、SC系列（日本技术） 。对于电力电容器切换的接触器必须有抑制合闸涌流的功能。（5）断路器CM1 系列小型塑料壳式断路器DZX10 系列塑料壳式断路器DZ15、DZ20 系列塑料壳式断路器DW48 系列万能式断路器 （智能断路器）DW18 系列万能式断路器 日本三菱公司技术（AE-S 型）DZL 系列漏电断路器4.2.5 ST502 智能控制器ST502 智能控制器采用 16 位高性能的工业及微处理器（MCU）的智能型电动机控制器。该控制器具有多种功能、可提供多种的电机控制方式，可实现多种负载类型下的电机的平稳起动、运行、监控12。ST502 智能型电动机控制器将电动机的控制方式集成在控制器中，可以通过显示模块选择，并且具有多种保护功能、丰富的运行监测功能、运行维护管理功能和通讯功能。ST502 智能电动机控制器，有效地改变了传统的电动机保护与控制模式，取代了热继电器、热保护器、漏电保护器、欠电压保护器、多种分列保护器，取消了时间、中间、辅助继电器、电流互感器、仪表、控制和选择开关、可编程控制器、变送器等多种附加元件，在谋求保护、监视、操作、控制一体化的同时，将最先进的 FCS 现场总线技术融入 MCC 电动机控制中心，ST502 实现了基于现场总线技术的远程操作控制、测量和监控管理功能。不仅能实现传统的所有操作和保护功能，而且还有各种辅助功能和自我维护功能，具有过载、过流、欠流、三相不平衡、漏电、过压、欠压、起动超时、接触器分断或吸合失败等保护功能,还具有 Profibus-DP 现场总线的接口，可实现电动机的直接起动、正反起动、星-三角转换起动和自耦变压器减压起动；ST552 显示模块，采用数码管或液晶显示，可显示三相电流、三相电压、功率因数、运行时间、起动次数、电机的热容量、报警和故障信息等；现场参数设置由手持编程器来完成。由于电动机控制器具有标准的通讯接口，因此可以与其它公司带有标准的通讯接口的产品组成一个网，也可以单独组网，以实现上位机的远程控制和监视。在 ST502 智能型电动机控制器中可以监视所有重要数据，如电动机电流、运行时间、起动次数等，并通过 PROFIBUS-DP 网络迅速传到控制中心，实现快速诊断和控制。这些功能不需任何附加计算附件，因此减少了在开关柜中所需的安装空间。从而为工业生产过程控陕西科技大学毕业设计说明书36制和实现配电自动化提供了最为经济、有效、合理的手段。为用户建立一个安全可靠、简便快捷、功能强大的符合现场总线要求的电动机保护、测量控制与通讯系统，其功能可实际情况 是智能化的理想选择。ST502 智能型电动机控制器外形结构如图 4-8 所示：图 4-8ST502 智能控制器外形ST502M/H 控制器由主体+专用 MTC 电流互感器模块两部分组成。主体的外形尺寸统一，专用的互感器分 100A、250A、820A 三种壳架。ST552 显示模块、ZT30/100专用漏电互感器、ST-9 电源模块、TM 浪涌抑制器等为可选附件产品。ST502 分为两类：ST502M（控制电源为交流）ST502M（控制电源为直流） 。ST502 智能控制器有以下功能：（1）完善的电机保护功能控制器对电机运行过程中的运行状况和采集的电量数据进行判断和运算处理，可实现过载、欠载、起动过流、过流、电流不平衡、接地/漏电、启动超时等多种情况的精确保护，保证生产的安全和运行的连续性。（2）多种电机控制方式控制器通过程序控制，可实现各种电机不同的电机起动方式，并通过接触器辅助触点的状态反馈，对接触器的运行状态进行监控，保证电气联锁关系可靠。各种电机的控制方式以集成在控制器中。起动控制方式的选择要通过 ST522B 显示模块进行选择即可。控制方式有：直接、可逆、双速、电阻降压、Y/、自藕变压器降压、软起动器控制、变频器控制，其中部分控制方式又可分为开环/闭环，两继电器/三继电器。（3）电机的运行维护管理功能控制器提供实时的状态信息，故障分析参数，丰富的电动机日常维护管理信息，便于了解电动机的运行情况，统计生产效率，了解接触器的寿命。协助管理人员实现更经济合理的日常维护。（4）丰富的电机运行监测功能和通讯功能控制器提供丰富的电动机的运行信息，包括多种参数和状态，监测数据可经现场总线上传到上位机集中管理，亦可通过安装在开关柜面板上的 ST522B 显示模块直接造纸苛化工段控制系统设计37显示电参量、运行状态信息等。ST502 智能控制器采用 Profibus-DP 通讯协议，可通过接口与上位机进行通讯连接，实现数据的传输功能，把各种任务都交给计算机，利用计算机的高速分时多路处理的特点，完成对现场的集中控制。可实现简单的 PID 控制和复杂的控制运算；在一台计算机上显示出所有控制过程信息，并可以通过控制台键盘进行操作。ST502 智能控制器具有控制模块、输入输出模块，加上其强大的通讯能力，因而控制系统的功能能过不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现彻底的分散控制。由于 Profibus-DP 现场总线采用了数字信号代替模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号（运行参数、电动机的状态、故障信息等） ，同时电动机以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换器件。这样，简化了系统的结构、节约了硬件、简化了安装和维护同时也提高了系统的稳定性和抗干扰能力。Profibus-DP 现场总线其结构如图 4-9 所示12：直接起动 可逆起动 Y-起动 电抗器降压起动 软起动图 4-9 Profibus-DP 现场总线其结构陕西科技大学毕业设计说明书384.3 电机启动方式的选择与控制在低压配电系统中必须正确的选择电机的启动方式，如果启动方式选择不当，将会对电网造成很大的冲击。电动机采用何种启动方式应根据实际情况来定，即启动次数、电网容量和电动机容量来决定。但什么样的设计是更安全的， 运行以及维护成本是最低的， 这就需要我们能够正确选择电机启动方式电动机采用何种启动方式应根据实际情况来定。启动次数、电网容量和电动机容量来决定。考虑安全、经济、实用可按下面选择电机的启动方式。考虑安全、经济、实用可按下面选择电机的启动方式：所有电机均采用就地手动起停控制和 DCS 集中控制两种控制方式。75KW 电动采用软启动方式，55KW 电动机采用自藕减压启动方式，37KW-55KW 之间选择星三角启动方式，37KW 以下电动机采用直接启动方式。并且，37KW 及以上或工艺要求较重要的电机回路装设电流变送器，将 4-20MA电流信号送至 DCS 显示，电气 I/O 机柜设置在仪表控制室。现对各种起动方式的特点进行简要分析，以利选择。4.3.1直接启动直接起动就是将电动机的定子绕组直接接入额定电压起动，因此也称为全压起动。直接起动具有起动转矩大、起动时间短、起动设备简单、操作方便、易于维护、投资省、设备故障率低等优点。直接启动适用场合：只适用于速度单一、负荷稳定、使用要求不高的小型负荷（功率在 37kv 以下），启动转矩约为额定转矩的 1/21/3。控制装备投入简单、经济，应用最为广泛。为了能够利用这些优点，目前设计制造的笼型感应电动机都按直接起动时的冲击力矩与发热条件来考虑其机械强度与热稳定性。所以，只要被拖动的设备能够承受全压起动的冲击力矩，起动引起的压降不超过允许值，就应该选择全压起动的方式。有人误认为降压起动比直接起动好，将 1575 kW 的电动机未经计算就采用了降压起动方式，因而降低了起动转矩，延长了起动时间，使电动机发热更加严重，且设备复杂，投资增加，这是一个误区，应当引起重视。尤其是消防泵等应急设备希望起动快，故障少，故凡能采用直接起动者，均不应采用降压起动。控制如符图纸。直接起动的缺点是起动电流大，笼型感应电动机的起动电流一般为额定电流的 58倍，对于大电机，对电网冲击很大，对于供电容量不足的场合会造成电网供电电压短时下降，影响到工作在同一电网的其他电动机，甚至引起接触器掉闸，干扰其它电器，对电网的安全运行造成危害，因此在设计规范中，对电动机起动引起配电系统的压降造纸苛化工段控制系统设计39有明确规定。给排水规范中规定：“交流电动机起动时，其端子上的计算电压应符合下列要求：(1)电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的 90%;电动机不频繁起动时，不宜低于额定电压的 85%。(2)电动机不与照明或其他对电压波动敏感的负荷合用变压器，且不频繁起动时，不应低于额定电压的 80%。(3)当电动机由单独的变压器供电时，其允许值应按机械要求的起动转矩确定。对于低压电动机，还应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。4.3.2星三角启动星三角换接起动是先将电动机的定子绕组接成星形起动，待电动机转速基本稳定时，再换接成三角形转入正常运行。电动机的星形连接与三角形连接相比，其起动电流对配电系统而言下降了。星三角降压启动适用于正常运行时为三角形连接的电动机。在 图 4-10 星型三角形启动原理图启动时把绕组接成星形，待电动机的转速升高以后，再通过开关把它改成三角形连接使他在额定电压下运行，这时的启动转矩只有直接启动。星角降压启动的优点是1/3启动设备费用小，在启动过程中没有其他电能损耗。 原理图如 4-10。启动时，合上刀开关，允许 DCS 选择何种启动方式。按下启动按钮 SB2，使 KM1得电幷自锁，随即 KM3 得电的同时，时间继电器 KT 得电，经一段时间延时后，KT陕西科技大学毕业设计说明书40的常闭触点断开，KM3 失电，同时 KT 的常开触点闭合，KM2 得电并自锁，电动机绕组接成三角形全压运行。当 KM2 得电后，KM2 常闭触点断开，使 KT 断电，避免时间继电器长期工作。KM2、KM3 常闭触点为互锁触点，以防止同时接成星型和三角形造成电源短路。4.3.3 自耦变压器降压启动自耦变压器降压起动是将其原边接供电电源，副边（即原边的一部分）接到电动机定子绕组上，待电动机起动到转速基本稳定时，再切除自耦变压器，将电动机定子绕组直接接入供电电源，电动机在全电压运转。这种起动方法对电动机本身来说，降低了电动机的起动电压和起动电流，仍符合电流与电压成正比，转矩与电压的平方成正比这个规律。假若自耦变压器的抽头变比为 12，则电动机的起动电压和电流都降到全压起动的一半，起动转矩降低到全压起动的 1/4。但是，需要强调的是此时配电线路中的电流(即自耦变压器原边的电流）比电动机中的电流（即自耦变压器副边的电流）又小了一半，这样配电线路中的电流也下降到全压起动的 1/4，即这种起动方式显著地降低了配电系统中的电流和压降。一般来说，采用自耦变压器降压起动，电动机的端子电压下降到额定电压的 K 倍时（K 为自耦变压器抽头变比，其值小于 1），电动机的起动转矩与配电系统中的电流均下降到额定电压时的 K2 倍。可见，在起动转矩相同的情况下，采用自耦变压器降压比电抗器降压更有效的减小了配电线路的电流和压降。适用场合：自藕变压器启动装置是为减小启动冲击电流的一种启动装置。因为是降压启动，所以启动力矩很小，约为额定力矩的 1/4 以下。自耦变压器可以换接抽头来改变其变化，从而可以根据配电系统中的压降限制及负载的转矩要求，选择自耦变压器与电动机连接的抽头，比星三角换接灵活。只适用与空载启动的设备，控制设备初期投入中等，经济。自耦降压启动电路采用了两个接触器 KM1、KM2 来实现降压启动的切换控制。造纸苛化工段控制系统设计41KM1图 4-11 自耦降压启动原理图为降压接触器， KM2 为正常运行接触器，KT 为起动时间接触器。该电路是根据时间原则来实现的自动控制线路，由于在电动机启动过程中会出现二次涌流冲击，仅适用与不频繁起动、电动机容量在 55KW 以下的设备中。启动时，合上刀开关，按下启动按钮 SB2，KT 得电。因为 KT 为起动时间接触器，所以 KT 触点动作需要一定的时间。首先 KM1 线圈得电，KM1 主触头闭合，电动机开始自耦变压器降压启动。当延时时间已到，KT 常闭触点断开，KT 常开触点吸合。此时，KM1 线圈断开，自耦变压器切除。KM2 自动吸合，KM2 主触头闭合，电动机以额定电压运行。4.3.4软启动方式从 20 世纪 70 年代起开始推广利用晶闸管交流调压技术制作软起动器，软启动方式能根据实际需要的启动时间灵活地选择启动转矩和启动电流。在整个启动过程中施加到电机的电压逐渐增加以达到平稳启动的目的。这消除了电机和被驱动设备的机械压力。软起动方式主要有 4 种：以电解液限流的液阻软起动；以晶闸管(SCR)为限流器件的晶闸管软起动；以磁饱和电抗器（S）引起的电网电压降，使之不影响共网其它电气设备的正常运行，可减小电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部温升过大，降低电动机寿命，可减小硬起动带来的机械冲力，冲力加速所传动机械（轴、啮合齿轮等）的磨损，减少电磁干扰，冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。 软起动使电动机可以起停自如， 启动较平稳、冲击电流小。减少空转，提高作业率，因而有节能作用。适合与轻负荷启动，但是初期作为控制设备投入较高，虽然比变频控制投入小，但其功能远不如变频装置，并且它的核心部分是大功率斩波原理，回给电网带来污染，控制设备初期投入或改造投入远不如变频投入经济、划算。其原理图如附图纸。4.3.5变频启动变频起动是在变频调速系统中，用逐步提高电动机定子绕组的供电频率来提高电动机的速度。这种起动方式也降低了电动机的端子电压和起动电流。因为变频调速改变了异步电动机的同步转速，保持了电动机的硬机械特性，与其他起动方式相比，起动电流小而起动转矩大，对设备无冲击力矩，对电网无冲击电流，既不影响其他设备的运行，又有最理想的起动特性。但是，这种起动方式设备复杂，价格昂贵，在不需要变频调速的场合，如无特殊要求，只是为了得到良好的起动特性而装设变频设备是不合适的。只有在变频调速系统中，才采用变频起动。近年来，在采用变频调速的恒陕西科技大学毕业设计说明书42压供水系统、变风量系统中，其水泵、风机都是变频起动的。4.4 低压电器介绍电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用，在电力输配电系统中应用极为广泛。电器的功能多、用途广、品种规格繁多。所以，本节就只针对此次设计中经常用到的几种电器作简要介绍。(1) 接触器接触器主要由电磁系统、触点系统和灭弧装置组成。电磁系统包括铁心、静铁心和电磁线圈组成，其作用是将电磁能转化为机械能，产生电磁力带动触点动作。触点系统，触点又称为触头，是接触器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。灭弧装置，触点在分段电流瞬间，在触点间的气隙中会产生电弧，电弧的高温能将能将触点烧损，并可能造成其他事故，因此，应采用适当措施迅速熄灭电弧。常采用灭弧罩、灭弧栅和磁吹灭弧装置。(2) 继电器继电器主要用于控制与保护电路中作信号转换用。它具有输入电路和输出电路，当感应元件的输入量变化到某一定值时继电器动作，执行元件便接通和断开控制回路。常用的继电器有电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器等等。(3) 熔断器熔断器由熔体和安装熔体的外壳组成。熔体是熔断器的核心，通常用低熔点的铅锡合金、锌、铜、银的丝状或片状材料制成，新型的熔体通常设计成灭弧栅状和具有变截面片状结构。当通过熔断器的电流超过一定数值并经过一定时间后，电流在熔体上产生的热量使熔体某处熔化而切断电路，从而保护了电路和设备。(4) 低压隔离器低压隔离器也称道开关。低压隔离器是
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