（机械电子工程专业论文）基于西门子plc的碱回收炉监控系统设计与应用.pdf

d e s i g na n da p p l i c a t i o no f r e c o v e r yb o i l e rm o n i t o i u n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do n s i e m e n sp l c a t h e s i s ( o rd i s s e r t a t i o n ) s u b m i a e d t o s h a a n 虹u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g , t h e s i s ( o rd i s s e r t a t i o n ) s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r ( d o n gj i x i a n ) m a y , 2 0 1 0 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 摘要 制浆造纸黑液的污染是世界上工业污染的主要来源之一，若黑液不能得 到有效治理，不仅严重污染了环境，而且造成了大量资源的浪费。碱回收是 目前治理黑液最为有效和成熟的一种手段，因此碱回收系统是解决制浆企业 黑液污染和资源循环利用的不可缺少的部分，具有很好的环保和经济效益。 可见碱回收在制浆造纸行业具有十分重要的地位和意义。 碱回收目前最为成熟和有效的方法仍是传统的燃烧法。碱回收炉又是碱 回收的关键设备，因此它运行的好坏直接影响到生产的安全平稳及经济效 益。许多工厂存在着碱回收炉运行不稳定，导致制浆造纸黑液燃烧不充分， 进而影响到企业的经济效益，也无法满足环保的要求。造成此种情况的主要 原因是碱回收炉燃烧不稳定，炉膛温度变化较大引起的，如何控制好碱回收 炉运行及提高控制系统的自动化水平是本课题要研究的重点。 本课题所要控制的碱炉是喷射式碱回收炉，采用重油加热，生产工艺 要求控制好炉膛内的黑液燃烧，使其得到充分的燃烧。 本文所作的主要工作如下： ( 1 ) 简要讨论了碱回收的发展及其前景，并对黑液燃烧的工艺进行了简 要概述，同时根据碱回收的现状提出了开发碱回收炉燃烧控制系统的必要 性。 ( 2 ) 简要论述了碱回收炉的特点及相应配套的电气设备，碱回收炉燃烧 控制系统的组成做了简要的分析，并在此基础上分析了碱回收炉燃烧控制系 统的工作原理，提出了初步设计的控制方案。 ( 3 ) 以p l c ( 可编程逻辑控制器) 为系统的控制中心，利用西门子s t e p 7 软件完成监控系统的d c s 程序的设计，并且采用西门子w i n c c 组态软件 来实现了燃烧系统的可视化操作及实时监控。 ( 4 ) 本课题开发的碱回收炉燃烧控制系统是根据河北某纸厂提供的生产 工艺要求设计的监控系统。通过对系统整体设计、程序编制、现场调试和联 动试水，并最终平稳运行，达到了系统控制要求，满足了纸厂提出的控制要 求。 关键词：p i d 控制，碱回收炉，温度控制，p l c i i d es i g na n da p p l i c a t i o no f r e c o v e r yb o i l e rm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do n s i e m e n sp l c a b s t r a c t t h eb l a c kl i q u o rc o n t a m i n a t i o ni np u l p i n gi so n eo ft h ew o r l d sm a j o r s o u r c eo fi n d u s t r i a lp o l l u t i o n i ft h eb l a c kl i q u o rc a nn o tb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d t h eb l a c kl i q u o rn o to n l ys e r i o u s l yp o l l u t e st h ee n v i r o n m e n t ，b u ta l s oc a u s e sal o t o fw a s t eo fr e s o u r c e s r e c o v e r yo fb l a c kl i q u o ri np u l p i n gi st h em o s te f f e c t i v e ， a n di ti sa l s ot h em a t u r ew a y s op u l pa l k a l ir e c o v e r ys y s t e mi st os o l v ep o l l u t i o n ， t h eb l a c kl i q u o rr e c y c l i n gi sa l s oa ni n t e g r a lp a r to fr e s o u r c ec i r c u l a t i o n i th a s g o o de n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cb e n e f i t s t h e r e f o r e ，r e c o v e r yo fb l a c kl i q u o r i np u l p i n gh a sav e r yi m p o r t a n t p o s i t i o na n ds i g n i f i c a n c e t h et r a d i t i o n a la l k a l i r e c o v e r yt ob u mb l a c kl i q u o ri sc u r r e n t l yt h em o s t m a t u r ea n de f f e c t i v ew a y t h er e c o v e r yb o i l e ri st h ek e ye q u i p m e n to fa l k a l i r e c o v e r y , a n di t r u n sad i r e c ti m p a c to nt h es a f e t yo ft h ep r o d u c t i o n i nm a n y f a c t o r i e s ，r e c o v e r yb o i l e r sr u nu n s t a b l e ，s oi ti ss u f f i c i e n to fp u l pa n dp a p e rm i l l b l a c kl i q u o rc o m b u s t i o n ，a n di tf i n a l l yc a u s e st h a tt h ee c o n o m i cr e s u l t so f e n t e r p r i s e sa r es t i l lf a i r l gl o wa n dt h a ta l k a l ir e c o v e r ya l s oc a nn o tm e e tt h e e n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t s t h i sk i n do fc a s e sa l ec a u s e db yr e c o v e r yb o i l e r c o m b u s t i o ni n s t a b i l i t ya n dah i g hf u m a c et e m p e r a t u r e h o wt oc o n t r o lt h eg o o d f u n c t i o n i n go far e c o v e r yb o i l e rc o n t r o ls y s t e ma n de n h a n c e t h ea u t o m a t i o nl e v e l w a st h ef o c u so ft h i st o p i ct os t u d y t h ea l k a l ir e c o v e r yb o i l e rf u r n a c eu s e di st h eje tw h i c hu s e sh e a v yo i l h e a t i n g t h et e m p e r a t u r e o fb l a c kl i q u o rc o m b u s t i o ni sm o r ee f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d t h i sm a j o rw o r ka sf o l l o w i n g ： ( 1 ) d i s c u s s i n gp r e s e n ts t a t u so f t h ea l k a l ir e c o v e r ya n di t sp r o s p e c t sw a r e e x p o u n d e d t h ea r t i c l ea l s oc a r r i e db l a c kl i q u o rc o m b u s t i o np r o c e s sab r i e f o v e r v i e w a c c o r d i n gt ot h es t a t u s o fa l k a l ir e c o v e r ya n dt h ed e v e l o p i n go f r e c o v e r yb o i l e rc o m b u s t i o n ，t h ec o n t r o ls y s t e m i sn e c e s s a r y ( 2 ) t h i sp a p e ri n c l u d e st h ed e v e l o p m e n ta n dp r o s p e c t so fb l a c kl i q u o r i i i c o m b u s t i o n r e c o v e r yb o i l e rc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e mh a sd o n eab r i e fa n a l y s i s o ft h ec o m p o s i t i o n b a s e do nt h i sa n a l y s i so ft h er e c o v e r yb o i l e rc o m b u s t i o n c o n t r o l s y s t e mw o r k s ，t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no ft h ec o n t r o lp r o g r a mw a s p r e s e n t e d ( 3 ) p l ca st h ec e n t e ro fc o n t r o ls y s t e ma n du s i n gs o f t w a r ep r o g r a m m i n g ， d c sw a sa d o p t e dt or e a l i z ec o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m ( 4 ) b a s e do nt h ep r o d u c t i o n g p r o c e s sp r o v i d e db yh e b e ip a p e rm i l l ，t h e a u t h o r d e s i g n e d a ne l e c t r i c a l a u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m t h es y s t e m d e s i g n i n g ，p r o g r a m m i n g ，p r a c t i c e d r i v i n ga n dd e b u g g i n ga r ea c c o m p l i s h e di nt h i n t h e m e w h i c ha c h i e v e dt h ed e m a n do fv i s u a lc o n t r o la n dc o n t r 0 1p r e c i s i o n k e y w o r d s ：p i dc o n t r o l ，r e c o v e r yb o i l e r , t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，p l c i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i l 绪论1 1 1 造纸工业在国民经济中的地位1 1 2 我国造纸工业的现状及发展趋势1 1 3 碱回收的发展与前景2 1 4 制浆造纸黑液燃烧工艺2 1 5d c s 控制系统的发展及现状一3 1 6 本文的内容安排一3 2 碱回收锅炉及控制系统的组成5 2 1 碱回收锅炉系统的组成。5 2 1 1 碱回收锅炉的基础资料5 2 1 2 碱炉的主要设备及控制原理6 2 2 监控系统的构成8 2 2 1 系统的主要硬件设备8 2 2 2 控制系统配置。1 1 2 2 3 组态软件的简要介绍一1 3 2 2 4 通讯协议1 3 2 3 本章小结1 4 3 炉膛燃烧的集散控制系统设计。1 5 3 1 集散控制系统设计1 5 3 2 集散控制系统的设计步骤1 5 3 3 总体设计1 6 3 3 1 黑液子系统1 7 3 3 2 燃烧系统一17 3 3 3 炉膛负压控制系统18 3 4 本章小结1 8 4 硬件的选型及系统设计原理1 9 4 1d c s 系统的i o 统计19 4 2 硬件选型19 4 2 1 西门子硬件的特点。1 9 4 2 2 保护地和屏蔽地_ 2 0 4 3 系统控制器设计原理2 1 4 3 1 控制策略2 1 4 3 2 逻辑控制2 1 4 3 3 单机控制2 2 4 3 4 回路控制2 2 4 4 本章小结2 2 5 碱回收炉燃烧控制系统实现2 3 5 1p l c 控制系统的整体设计2 3 5 1 1 集散控制系统兼容与扩展性2 4 5 1 2 集散控制系统组成部分2 5 5 2 集散控制系统程序的设计2 6 5 2 1 西门子软件s 7 3 0 0 组态2 7 5 2 4 控制量程序的设计一3 4 5 3 燃烧控制系统w i n c c 组态程序及监控界面。4 2 5 3 1 燃烧控制系统的通讯驱动、变量组态4 3 5 3 2d c s p l c 的现场安装和启动4 4 5 3 3 验收4 5 5 3 4 系统监控界面的组态设计4 6 5 4 本章小结4 9 6 总结与展望5 l 6 1 所做工作5 l 6 2 进一步研究的建议5 1 致 射5 3 参考文献5 5 附录a ：系统主要性能指标5 7 附录b ：碱回收炉的热力系统图5 9 附录c ：碱回收炉的生产工艺过程流程图6 l 攻读学位期间发表的学位论文目录6 2 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明6 3 i i 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 1 绪论 1 1 造纸工业在国民经济中的地位 纸板和纸的消费水平是衡量国家文明程度和现代化水平的重要标志。造纸工业是国 民经济的重要原料工业，对纤维原料的依赖性比较高，具有资金技术密集和规模效益等 很显著的特点，并且其产业关联度大，关联到自动控制、环保、印刷、包装、化工、热 电、交通运输、林业、农业、机械制造等许多产业。造纸工业的快速发展产量的快速增 长，对上下游产业的经济发展具有明显的拉动作用，成为国民经济新的经济增长点【l 】。 在2 0 0 1 年我国的纸及纸板的产量和消费量就已经位居世界第二。 1 2 我国造纸工业的现状及发展趋势 我国已成为世界造纸产品的主要生产国，但也是世界造纸产品主要进口国，产品自 给率达8 8 7 ，基本上满足国内商品包装、出版、新闻、印刷等相关行业的消费需求。 在我国，纸及纸板生产企业大概约有3 6 0 0 家，生产能力接近7 0 0 0 万吨。在2 0 0 5 年我国 规模以上纸及纸板企业工业总产值2 6 2 2 亿元，比2 0 0 0 年增长1 4 6 7 ，平均年增长1 9 8 ； 销售收入2 5 4 6 亿元，较2 0 0 0 年增长1 5 2 1 ，年均增长2 0 0 ；资产总计3 2 2 8 亿元， 比2 0 0 0 年增长6 1 9 ，年均增长1 0 1 。在“十五”期间，我国造纸工业进入快速发展期。 “十五”期间，国内造纸企业积极实施清洁生产，环保部f - j a n 大了环境监测和对污染 问题的查处力度，加大了环境治理力度，关停了1 5 0 0 多家能耗高、污染大的小型制浆造 纸企业。在“十五”期间，我国造纸工业的资源消耗有所降低，吨浆、纸及纸板平均综合 能耗由1 5 5 吨标煤降至1 3 8 吨标煤，吨浆、纸及纸板取水量平均由1 3 9 吨降至约1 0 3 吨。由于加大了废纸回收利用，吨纸及纸板消耗原生纸浆由平均5 4 1 千克降至4 2 7 千克。 虽然在产量增长高达8 3 6 的情况下，行业的废水排放总量仅由2 0 0 0 年的3 5 3 亿吨略 增至2 0 0 5 年的3 6 7 亿吨，但是占全国重点统计企业废水排放总量的比例则由1 8 6 降至 1 7 o ，其中达标率由5 3 7 增至9 1 3 ；化学需氧量( c o d ) 排放量由2 8 7 7 万吨降至 1 5 9 7 万吨，占全国重点统计企业化学需氧量排放总量的比例由4 4 o 降至3 2 4 【l j 。造 纸行业的环境污染问题得到了较大程度的缓解，发展势头良好。 目前我国造纸工业主要面临着环境压力，资源约束等问题，同世界造纸工业发达国 家相比，差距很大。美国、日本分别将造纸工业废水列为五大公害和六大公害之一。为 此国家制定了造纸工业的新发展模式：转变发展方式，增强行业的社会责任意识，严格 执行国家有关劳动保障、环境保护、资源节约、安全生产等法律法规，逐步建立发展和 谐、环境友好的造纸产业。 陕西科技大学硕士学位论文 1 3 碱回收的发展与前景 蒸煮废液和漂白废水是制浆造纸工业的主要污染源。不同的原料，其黑液的成分和 特性差别很大，在碱回收过程中采用不同的工艺方案、设备处理各种不同原料的黑液。 在我国的制浆原料较为复杂，且是以草类为主。现在我国的标准做法是：通过多效蒸发 器系统，将含硅量较大的麦草浆黑液浓缩到固形物含量4 0 - - 5 0 ，然后利用碱回收炉 的烟气，在直接接触圆盘蒸发器中进一步浓缩到4 5 一- - 5 0 ，进而达到燃烧的浓度，再 送碱回收炉燃烧。 燃烧是碱回收生产的关键工序，其运行是否良好直接影响碱回收的经济效益及人员 的安全。如果燃烧运行部正常，时开时停，则辅助燃油消耗必然多，炉衬容易损坏，影 响运行周期。甚至可以影响到人员的安全。在建设碱回收车间之前除应进行黑液成分的 分析外，也应进行必要的热工分析，如入炉黑夜黏度、燃料热值等；这样可以比较精确 的评估建成后燃烧工序的运行情况，取得良好的经济效益【- 1 。 1 4 制浆造纸黑液燃烧工艺 随着国家环保政策的日益加强与国民我国造纸工业主要面临着资源约束，环境压力 等问题，与世界造纸工业发达国家相比，差距很大。我国纸浆原料一般为草类。因此如 何更好的处理纸浆造纸黑液是制约着经济发展的关键。碱炉是碱回收车间的心脏，碱炉 的功能：一是回收热能，通过黑液中有机物的燃烧，产生工艺需要的蒸汽；二是回收黑 液中的碱，供蒸煮使用，同事消除了黑液的污染。一台性能良好的碱回收炉应在安全生 产的前提下，具有高的碱回收率、芒硝还原率、热利用率、硫的保留率，并且尽可能减 少对大气的污染。因此碱炉的正常运行是关系到碱回收成败的关键。 下面是麦草浆黑液燃烧流程： 麦草浆黑液燃烧工艺工程以实现稳定的燃烧为目的，必须要考虑到麦草浆黑液半纤 维含量高、杂细胞多、易变质、黏度大、含硅量高、发热量低、易产生沉淀等特性。所 以，麦草浆燃烧与木浆燃烧在流程设计上具有很大的不同：首先是进风温度不同。麦草 浆燃烧时进炉的一二三次风先经过空气加热器加热，使风温提高炉膛干燥区、燃烧区的 环境温度和熔融区温度，弥补仅靠垫层的储热量不能建立利于稳定燃烧的熔炉区高温环 境的不足，使黑液静雾化、干燥后能完全燃烧，含硅量高的熔融物能顺利流出。碱灰 石先在碱灰溶解槽中溶解，碱灰液再送入芒硝黑液混合器，然后入炉燃烧，碱灰只在燃 烧本系统内处理。麦草浆碱灰处理采用把碱灰直接送入溶解槽。其次，麦草制浆多采用 烧碱法，故无需木浆黑液燃烧的芒硝补充系统。静电除尘器排出的碱灰先进入碱灰溶解 槽溶解成碱灰液，然后再用泵吸入溶解槽，这样一起送苛化工段【1 1 。目的是避免大量的 碱灰液再燃烧炉、碱灰溶解槽、黑液中间槽内循环、沉淀j 影响流程的通畅。再次，麦 2 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 草浆黑液入炉燃烧的浓度与木浆不同。麦草浆不能将黑液浓度变得越高越好，但麦草浆 的黑液黏度比木浆的高出几倍，输送困难，有些草浆厂发现当黑液浓度超过5 0 时，麦 草浆黑液在炉内的雾化效果很差，造成燃烧不充分、干燥不良等后果，表明入炉浓度并 非越高越好，认为麦草浆黑液入炉燃烧最佳效果是4 5 4 8 ，温度是1 0 5 【2 】。 1 5d c s 控制系统的发展及现状 回顾自动化技术发展的历史，可以看到它与生产过程本身的发展密切相关，是一个 从简单到复杂形式，从局部到全局自动化，从低级到高级智能的发展过程。自1 9 7 5 年， h o n e y w e l l 公司推出了首套集散控制系统以来，集散控制系统已经经历了三代。 集散控制系统又称为多级计算机分布控制系统和分布式控制系统，它是以微处理器 为期初的集中分散型控制系统，根据分级设计的基本思想，实现功能上的分离，位置上 的分散，以达到“分散控制为主，集中管理为辅”的控制目的。 目前，集散控制系统已在工业控制领域得到了广泛的应用，越来越多的仪表和控制 工程师已经认识到集散控制系统必将称为过程工业自动化控制的主流。目前，我国引进 的不同型号的集散控制系统的数量多达几百套，同时也有国内企业自行研发的d c s 系 统，应用领域及石化、轻化、冶金、建材、制药等各行各业。集散控制系统具有如下的 特点： ( 1 ) 标准化的通信网络 集散控制系统具有强的可操作性，可以相互联接，共享系统资源，运行等三方的软 件等。 ( 2 ) 通用的软硬件 ( 3 ) 完善的控制功能 集散控制系统依靠运算单元和控制单元的灵活组态，可实现多样化控制策略。 ( 4 ) 安全性能进一步提高 集散控制系统采用高可靠性的软硬件以及通信网络、控制站等冗余措施外，还使用 了故障检测与诊断工程软件，从而及早发现故障，及时采取措施。进一步提高生产的安 全性【3 】。 1 6 本文的内容安排 第一章为绪论。本章主要介绍了碱回收的发展前景及其工艺特性和目前碱回收的生 产工艺，讨论了d c s 控制系统的发展现状及其本课题研究的意义。 第二章为碱回收锅炉及控制系统的组成。简要概述了碱回收炉系统的组成及及相应 的配套设备；同时介绍了监控系统的组成与通讯协议。 第三章介绍了炉膛燃烧的集散控制系统设计。结合控制系统的要求及原理介绍系统 3 陕西科技大学硕士学位论文 的整体设计，并提出了较详细的设计步骤以及系统的三个子系统的设计。 第四章介绍了硬件的选型及系统设计原理，结合了本文设计系统的具体的电气设备 及控制要求提出了设计的原理。 第五章碱回收炉燃烧控制系统的实现，并给出了碱回收炉燃烧控制系统的整体设计， 以及本课题所设计的d c s 控制方案在控制过程中的应用，利用西门子上位机软件建立人 机界面，最后给出了本文开发的碱回收炉燃烧控制系统的温度压强控制历史曲线。 第六章本课题总结。总结了作者在开发碱回收炉燃烧控制系统中所做的工作，并就 进一步改善碱回收炉燃烧控制系统的提出了自己的观点。 4 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 2 碱回收锅炉及控制系统的组成 2 1 碱回收锅炉系统的组成 2 1 1 碱回收锅炉的基础资料 碱回收锅炉( 简称碱炉) 设计为每日2 4 小时运转，日生产1 5 0 t 天。 碱炉是碱回收车间的关键设备。运行的好坏直接影响碱回收的效益。 一般从蒸发站来的黑液浓度的约4 0 - 4 3 ，通过圆盘蒸发器后，也仅4 5 4 8 ， 经过圆盘蒸发器，接着还需要进行脱水干燥，而这一过程只能在炉内进行。在黑液经过 碱炉并在炉膛重油的助燃下，有机物( 主要包括在碱木素和碳水化合物的碱性降解产物 之中，如挥发酸、醇等) 将被完全的燃烧【2 】。 ( 1 ) 碱炉的热力参数表 表2 1 碱回收炉的热力参数表 t a b l e 2 1r e c o v e r yb o i l e rt h e r m a lp a r a m e t e rt a b l e 注：低位热值是指燃料在完全燃烧的情况下，其燃烧产物中的水蒸汽以气态存 在时的发热量，或称其为净热。同样高位热值是指燃料在完全燃烧时释放出来的全 部热量，即在燃烧生成物中的水蒸汽凝结成水时的发热量，通常称其为毛热。i p d t ( i n t e g r a tp r o c e d u r a ld e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r e ) 是表示物质被分解一半时的温 度，可以用热质量分析测定。此温度的高低代表物质难分解或易分解。t i g ( t i g t e m p e r a t u r eo fi g n i t i o n ) 代表黑液固形物裂解放出挥发性物质后炭开始燃烧的温 度【4 】。 ( 3 ) 燃料的性质 陕西科技大学硕士学位论文 表2 3 燃料的性质表格 t a b l e 2 1t h en a t u r eo f t h ef o r mo f f u e l 蒸汽雾化 油y 压m p a 0 6 2 油温 = r =l 6 0 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 l s a m p l e p v - r a d 6 5 】 l 1 0 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 _ r l l = r l l i b l t 】一p ：n o p l l = i b l t o l w2 o l w2 w # 1 6 # 7 e f f 】j p w # 16 # 7 e f f l w2 o l w2 o jd n 0 l w 2 最大值 不能为负 jd n ：n o p 0 ll d8 l a r l ll w2 t d b w a r l ，p # 0 0 】 ll d 4 +l#16 tl d4 ll d8 +l#16 tl d8 ll wo l o o pn e x t 上述的所有程序都在主程序中进行调用，下面是主程序0 8 1 的编程实现： c a l l”hl i m t ” n o p o a m1 6 0 1 4 1 陕西科技大学硕士学位论文 j n b o o l c a l l ”l 虻v a l v e ” - o o l ：n o p 0 am1 6 0 2 j n b 0 0 2 c a l l ”f v j a l v e ” 0 0 2 ：n o p 0 am1 6 0 3 肿- 0 0 3 c a l l ”m a l v e ” ，0 0 3 n o p 0 am1 6 0 4 b 0 0 4 c a l l ”l v v a l v e m ” 0 0 4 - n o p 0 c a l l ”m o t o r c o n t r o l ” 5 3 燃烧控制系统w i n c c 组态程序及监控界面 本系统采用s i m a t i cw i i l c c 软件作为监控平台，控制系统的操作界面为中文。 w i n c c 是一个强大的全面开放的监控系统，在任何情况下w i n c c 都可以生成漂亮而便 捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。该监控软件拥有人机界 面产品的所有功能，用该平台开发的系统具有以下功能： ( 1 ) 动态过程画面监控：过程监控画面用动态过程画面对生产过程进行监视和操 作。动态过程画面上的开关阀和电动机，采用不同的颜色表示其不同的状态。对一般电 动机，其三个运行状态( 运行、停止、故障) ，用三种不同的颜色显示。动态过程画面上 有测量、控制、控制开关等标准回路画面，用以设定参数和控制就地设备；设定参数给 定值、改变控制参数、设定报警极限、对报警进行组合等，能方便的在操作员终端上进 行；对程控、组控制和类似的控制系统，有画面以显示其动作、步骤、进程、连锁条件 和启动条件的情况以及其它所需的信息；液位采用图形和数值表示操作员可以方便的更 换监控画面，在画面上设置相关参数，对整个生产过程进行控制。同一控制室的操作员 站监控画面可以进行同步切换。此外系统的c p u 负荷和控制网络的负荷能够在线监测。 ( 2 ) 趋向显示：所有参数值可以储存并可以进行趋向显示之用，并能供操作工选择 以生成趋向显示。操作工可以调出单独的或成组的动态趋向图。操作工能确定在趋向显 示中应包括的参数。操作工也可重新设置趋势变量、趋势显示数目、时间标度、时间基 4 2 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 准及趋势显示的颜色。每个操作员终端都可以控制回路调整画面，操作工可使用趋向图 对控制回路进行修整和调整。 ( 3 ) 报警功能：系统能通过接点状态的变化，或者参照预先存储的参考值，对模拟 量输入、计算点、平均值、变化速率、其他变换值进行扫描比较，分辨出状态异常、正 常或状态的变化。若确认某一点超过预先设置的限值，c r t 屏幕将显示报警。在设备停 运及设备启动时，将有模拟量和数字量信号的“报警闭锁”功能，以减少不必要的报警。 启动结束后，“报警闭锁”功能自动解除。“报警闭锁”不会影响对该变量的扫描采集。对 所有输入信号和计算变量均提供可变的报警限值。这些报警限值可以是过程参数( 如负 荷、流量、温度) 的一个函数。报警信息中将标明与该报警相对将的显示画面的检索名 称。 同一工段中的操作员终端上的所有画面，都有报警条区以显示该工段正在进行的报 警；所有操作员终端上，都有相应工段的报警汇总画面，按报警发生的时间顺序列出该 工段的所有报警，并显示报警开始和终了时间以及确认的时间；区分d c s p l c 系统报 警和生产过程报警；可按报警发生的时间顺序安排报警；包含优先等级的设置，报警组 的设置和第一报警的设置，第一报警分辨率在2 0 毫秒之内。报警事件可以进行打印，由 报警打印机进行，在同一个打印的报表中，按时间顺序打印；事件打印应能用于查看系 统的数据库并生成在规定的时间范围内的事件表。应有事件的筛选功能。 ( 4 ) 报表输出：历史数据可进行实时过程数据搜集并进行存储，以供各种用途使用， 如数据报表打印、趋向显示、数据档案及开放的数据输出。，数据库里的所有过程点都可 以输出。它可以将在过程中录入的数据按以下方式输出，输出的页面格式是自由的，用 户自定义的。 信息顺序记录； 信息归档报表； 操作者记录报表； 系统信息报表； 用户报表； 硬拷贝。 除了打印到打印纸，还可以输出到文件及在屏幕上打印预览。可以定义打印任务按 小时、天、星期及月报表形式循环输出。报表输出可由以下情况触发：按时间顺序触发、 事件触发、操作者触发。 5 3 1 燃烧控制系统的通讯驱动、变量组态 w i n c c ( 视窗控制中心) 是西门子公司全集成自动化系统中的重要组成部分，利用 s 7 软件可与w i n c c 进行良好的结合，w i n c c 也可以实现控制系统的实时监控，但是我 4 3 陕西科技大学硕士学位论文 们要解决的关键问题是如何实现控制系统与w i n c c 之间的通讯和数据交换。 图5 1 7w i c c 模拟变量组态示意图a f i 9 5 17w i n c ca n a l o gv a r i a b l ec o n f i g u r a t i o nd i a g r a ma 图5 1 7w i c c 模拟变量组态示意图b f i 9 5 17w i n c ca n a l o gv a r i a b l ec o n f i g u r a t i o nd i a g r a mb 5 3 2d c s p l c 的现场安装和启动 现场安装由用户负责，我公司对安装工作提供咨询和协助服务，指导现场仪表安装 调试，并负责d c s 内部的接线及远程柜内接线，具体包括： 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 监督系统元件的安装； 监督系统电缆、动力线、总线和地线的布线和连接； 系统启动； d c s 伊l c 启动顺序： 检查和调整所有测量和控制回路； 设定控制参数； 检查和调整主控制程序； 检查整体启动和次序； 确定测量变量、因素、报警表等的参数； 依据车间实际要求，作必备的修改和软件调整。 ( 1 ) 系统通电 d c s 设备在现场安装、接线完毕后，系统通电由我们公司的技术人员负责，通电前 由我公司的技术人员，检查系统的安装、接线、电源及接地等情况，然后通电启动。 ( 2 ) 联调试运 装置开车前，由我们公司派有经验的应用工程师到现场指导，协助用户对系统与工 艺过程进行联调试运，使系统各部分处于正常工作状态，同时进行现场验收。 ( 3 ) 系统投运 装置开工期间，我公司派有经验的应用工程师到现场指导调试，使系统投入运行并 保证d c s 系统工作正常。 5 3 3 验收 ( 1 ) 工厂验收测试( f a t ) 对于工厂验收检测，系统设备都将全部安装在所有的i o 上，远处的i o 终端配置所 有的信号；所有的部件都将单个检查i o 连接；检查所有次序联动装置的操作和自动报警 功能，包括对过程图片的连接，并且检查与其他系统的连接( 如果有的话) ，检测结果将 被载入f a t 协议，f a t 协议可以被用户自己设置。 ， ( 2 ) 现场验收 开箱验收：设备到现场后，我们公司派人与用户共同开箱验收，确认装箱单和设备 完好情况。 现场验收：系统安装、接线完毕开车投产之后进行最终的系统现场验收；现场最终 验收和系统联调试运可结合进行；现场验收可参照出厂验收程序及内容，由双方讨论确 定；最终系统测试结果将达到系统技术规格书中的各项要求，系统最终验收文件由双方 代表共同签署。 4 5 陕西科技大学硕士学位论文 5 3 4 系统监控界面的组态设计 在完成上述组态变量的工作之后，再采用w i n c c 模块化来设计组态画面、过程值归 档、报警系统等诸多内容，组态画面由报警画面、i o 状态画面及负压控制历史曲线画 面、操作画面、工艺流程画面等组成，这样就得到比较系统、完整的碱回收炉燃烧控制 系统，下面是各个画面的组态包括各关键设备的控制面板。 图5 1 8 碱回收炉运行监控画面一 f i 9 5 - 18r e c o v e r yb o i l e ro p e r a t i o nm o n i t o r i n gs c r e e n1 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 图5 1 9 碱回收炉运行监控画面二 f i 9 5 19r e c o v e r y b o i l e ro p e r a t i o nm o n i t o r i n gs c r e e n2 图5 2 0 上汽包液位调节阀的控制面板 f i 9 5 2 0s a i cp a c k e ll e v e lc o n t r o lv a l v ec o n t r o lp a n e l 4 7 图5 2 1 入炉黑液槽阀门的控制面板 f i 9 5 - 2 1i n t ot h ef u r n a c eb l a c kl i q u i dp o o lo f t h ev a l v ec o n t r o lp a n e l 图5 2 2 引风机的控制面板 f i g s - 2 2f a nc o n t r o lp a n e l 下图是碱炉温度控制系统的温度压力历史曲线图。 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 麓势罐糊键墨豢忭最置帮胁 一 图5 2 2 炉膛温度压力控制历史曲线 f i 9 5 2 3c o n t r o lo ff u r n a c et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eh i s t o r yc u r v e s 5 4 本章小结 本章提出了碱炉燃烧控制系统整体的设计，进而控制了炉膛的燃烧温度。将上一章 设计出的p i d 控制器应用到碱炉负压控制系统中，并利用w i n c c 组态软件建立了碱炉 温度控制系统人机界面，较为详细的分析了该控制系统的组态设计和通讯方式，本章最 后给出了碱回收炉控制系统的负压及温度曲线。 4 9 陕西科技大学硕士学位论文 基于西门子p l c 的碱回收炉监控系统设计与应用 6 总结与展望 6 1 全文总结 碱炉是碱回收车间的心脏，所以碱回收炉运行是否良好直接影响碱回收的效率。如 果燃烧运行不正常，时开时停，则辅助燃油消耗必然多，炉衬容易损坏，影响运行周期。 甚至可以影响到人员的安全。除应进行黑液成分的分析外，也应对碱回收炉的监控系统 进行优化，不仅要满足黑液燃烧过程的温度，也要考虑到工厂的实际经济要求及操作工 的接受程度，通过与其他型号欧姆龙等p l c 相比较，本课题采用西门子软硬件来实现碱 炉监控系统的设计。下面是全文所做的工作： ( 1 ) 本文根据厂方提供的工艺控制设备清单及工艺流程图，对控制点数的进行了统 计与分析，确定了所使用的西门子c p u 、信号采集模块等模块的型号。 ( 2 ) 从碱回收锅炉的主要机械设备及其相关的电气仪表设备的特点及其控制要求方 面考虑，将基于西门予s t e p 7 软件的d c s 控制系统应用于碱回收锅炉的控制系统。对 不同的电气仪表设备分别采用回路控制、顺序控制及单机控