西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛设计方案开发型赛项工程设计方案文件.doc

2013年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛工程设计文件设计开发型赛项 学校：湖北汽车工业学院科技学院 参赛队伍编号：SIAC-34-0911 2013年 6月 28日一、方案设计依据、范围及相关标准1.本方案是以流程工业领域常见的强制通风式加热炉为被控对象，通过加热炉辐射与对流传热，将一定流量的物料A加热到工艺要求的某个特定温度。 2.方案设计范围包括加执行器顺序启动，炉温调节控制系统，运行状态监测，及对出现的各种运行状况进行正确的处理操作等方面。 为使一定流量的物料A加到某个特定的温度，必需对加热炉运行状态进行准确的监测。运行状态监测则需对执行器各个方面数据进行实时性监测，有物料A的流量，物料A的初始温度，燃料的进给量，空气的流量，烟道挡板等数据监测。运行状态数据为加热炉的输入量，对控制系统起着决定性作用，也是加热炉能够稳定正常运行的保证。（1 ）物料A的流量 物料A的流量，将直接影响到加热炉达到稳态的时间；流量过低，虽然加热炉达到稳态的时间低，但是使加热炉的输出效率较低；流量过高，达到稳态的时间也较高，而却还会加大燃料的使用量，从而也会影响到加热炉的输出效率。（2 ） 物料A的初始温度 物料A的初始温度，决定着对流段预热对物料A的作用的效果，即物料A进入辐射段时的初始温度，这个初始温度将直接影响到输出的物料A的加热到某个特定温度值。（3 ）燃料的进给量 燃料，是加热炉的能源核心，起着决定性的作用。燃料的进给量太小，充分燃烧时，可能使炉膛的温度达不到预定的温度，直接影响到加热的效率；燃料的进给量太大，造成能源的浪费，也会影响到加热炉的输出效率。（4 ）空气的流量 炉膛的含氧量直接影响到燃料的是否能够充分燃烧，而且还会影响加热炉是否能够安全工作。炉膛含氧量过高，燃料虽然能够充分燃烧，但是会造成炉膛压强过高，会损坏设备；炉膛含氧量过低，燃料不能够充分燃烧，而且还会因为燃料与氧气的比列太高，会产生爆炸，影响安全生产。（5 ）烟道挡板 烟道挡板的开度直接影响到炉膛的压强。如果废气里面带有大量未燃烧的氧气，会带走大量的热，使燃料的是使用率变低，则效率低；如果不及时排走炉膛内的废气，会造成炉膛压强大，对炉膛曹造成损坏。 因为上料泵和燃烧泵不能变频调速，使用调节阀来控制其输入流量，使用液体流量计检测其流量；鼓风机可以变频调速，在空气管线上加一个空气流量计检测其输入流量。 3. 设计参数要求如下表变量名称设计参数低负荷进料时物料A流量10kg/s0.5kg/s高负荷进料时物料A流量31kg/s0.5kg/s炉膛吹扫时间1min5s热物料A的温度2401热物料A出口流量31kg/s0.5kg/s稳态最小保持时间5min炉膛真空度10mmH2O600mmH2O烟气的含氧量1%3% 4. 输入输出数据 （1 ）发往控制器的模拟量数名称物料A进料管线调节阀 燃料管线调节阀变频鼓风机热物料A出口管线调节阀烟道挡板物料A进料管线调节阀旁路阀（2 ）发往控制器的数字量数据名称名称汽包上水管线截断阀 燃料管线截断阀 上料泵启停开关燃料泵启动开关鼓风机启停开关炉膛点火按钮（3 ）控制器输出的模拟量数据名称单位物料A进料流量Kg/s燃料流量Kg/s空气流量/s热物料A出口流量Kg/s烟气流量Kg/s炉膛中心火焰温度加热炉对流段出口物料A温度加热炉辐射段出口物料A温度热物料A出口温度烟气温度加热炉对流段入口物料A温度燃料压力MPa炉膛真空度mmH2O烟气含氧量%（4 ）控制器输出的数字量数据名称炉膛燃料状态指示二、系统分析（包括控制需求分析、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全要求等）1. 甲方需求分析 甲方的要求是所选被控对象是流程工业领域常见的强制通风式加热炉，通过加热炉辐射与对流传热，将一定流量的物料A加热到工艺要求的温度，所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定并要。充分考虑生产过程中可能出现的异常工况，并对其进行解决。整个过程实现自动化生产。现在可以这样分析，加热炉能够正常稳定地工作需要对多个变量的监控与反馈信息进行调节。有物料A的流量、燃料的流量、空气的流量、物料A的初始温度、炉膛中心火焰温度、热物料A出口温度等反馈信息。对加热炉有很多种情况，如开车步骤。启动前检查所有的阀门、泵、鼓风机均处于关闭状态；之后再启动鼓风机，确认炉内可燃性气体在爆炸限以下，停止鼓风机；然后启动上料泵，使炉管中有大于最小流量的物料A流过。紧接着打开燃料泵，启动鼓风机，为加热炉点火。加热炉在正常地工作状态下，运行监测系统不断检测运行状况，反馈给加热炉的控制器，再由控制器进行计算分析，输出控制信号给相应的工作部件进行适当的调整。其中有物料A的调节阀的调整、燃料调节阀的调整、鼓风机的变频调整、烟道挡板的调整等。2. 对象特性分析（1）开车过程控制 炉膛吹扫。检查所有阀门关闭，确保烟道通畅，启动鼓风机，对炉膛吹扫时间为1min5s，并确认炉内可燃性气体在爆炸限度以下； 低负荷进料。确定炉内可燃性气体在爆炸限度以下后，停止鼓风机，开启上料泵，调整调节阀的开度，使物料A的流量达到10kg/s0.5kg/s范围内。 加热炉点火。维持物料A在10kg/s0.5kg/s范围内，打开鼓风机和燃料泵，为加热炉点火。 炉膛升温。加热炉点火后，使物料A在管道内均匀缓慢升温，使物料A的出口温度稳定在2401范围内。 提高负荷。维持物料A的出口温度稳定在2401范围内。（2） 闭环过程控制 热物料A出口温度控制回路。低负荷进料时，当物料A的出口温度保持在240左右时，要提升物料A的进给量，此时必须提高燃料的流量和空气的的流量，通过调整调节阀的开度实现。 热物料A出口流量控制回路。通过热物料A出口的液体流量计的反馈信号给热物料A的出口管线调节阀，从而调整其开度，使其流量控制在31kg/s0.5kg/s。（3） 紧急故障控制 当炉膛内的压力达到设定的上限值或者炉膛内的可燃气体即将超过爆炸下限值时，则关闭物料A的汽包上水线截断阀和燃料管线截断阀，以保障设备不受损坏，避免出现安全事故。 3.工艺流程分析 先对整个生产过程描述如下： 待加热的物料A经由上料泵泵出，进入换热器管程预热，同时对最终产品（热物料A）的温度微调（降温）。出换热器管程的物料A进入加热炉的对流段。加热炉对流段由多段盘管组成，炉膛产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的物料A换热，回收烟气中的余热并使物料A进一步预热。对流段流出的物料A全部进入加热炉辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量。从辐射段炉管出来的高温热物料A，进入换热器壳程，进行温度的微调并为冷物料预热，最后以工艺所要求的物料温度输送给下一生产单元。其中燃料经由燃料泵泵入加热炉的燃烧器，空气经由变频风机送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的物料A迅速升温。燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。4.系统安全要求 为了保障加热炉能够正常、安全地工作，炉膛里面可燃气气体必须在爆炸限以下，而且炉膛内的压强也要在在加热炉的耐压等级范围内。*设立紧急控制系统，对于一些严重性故障和极值状态，采用切断物料和燃料的进给。*启动前检查所有的阀门、泵、鼓风机处于关闭状态后，启动鼓风机。*每一个部件都应有保护控制电路，防止因输入过量，线路异常而引起无法想像的破坏。*对数据的检测应设置多个检测点，相互比对，避免因单一误差而引起故障，带来不必要的损失。三、控制系统设计3.1 基础控制系统及开车顺序控制系统的设计（1） 开机控制开机信号 控制回路如下图：阀门、泵、鼓风机关闭停止鼓风机启动鼓风机 启动上料泵启动炉膛点火装置启动鼓风机启动燃料泵控制器开机按钮是否达到一分钟？否否启动鼓风机是燃料泵、上料泵、阀门、鼓风机是否关闭？控制算法如下：是停止鼓风机启动上料泵否物料A进口是否达到10kg/s？是启动燃料泵启动鼓风机启动炉膛点火装置 开机前要检测所有阀门、泵、鼓风机处于关闭状态；鼓风一分钟是为了保障炉膛内的可燃气体在爆炸限以下。在物料A的流量达到了10kg/s，为了保证管道里有最小流量的物料A流过。（2） 温度控制回路控制器温度信号出口温度传感器鼓风机变频 物料A 240燃料泵阀门温度信号获取实现算法如下： 是物料A出口温度是否达为240？否物料A出口温度大于240是否鼓风机变频减速鼓风机变频提速燃烧泵阀门开度变小燃烧泵阀门开度变大 当控制器里面的参数设定为240，当物料A的温度高于240，控制器发出信号使鼓风机变频减速，燃烧泵阀门开度变小，直到物料A的温度为240；当物料A的温度低于240，控制器发出信号使鼓风机变频提速，燃烧泵阀门开度变大，直到物料A的温度为240。（3） 流量控制回路 低负荷进给物料A流量控制控制器物料A进口液体流量计进口物料A流量信号上料泵阀门开度变化 物料A进口流量10kg/s 进口物料A流量信号实现算法如下： 是进口物料A流量10kg/s进口物料A流量大于10kg/s是上料泵阀门开度变小否上料泵阀门开度变大 使物料A的流量稳定在10kg/s左右，待物料A的出口温度达到240左右时，逐步提高物料A的输入量使热物料A的产量在31kg/s左右。热物料A的流量控制热物料A出口流量信号液体流量计控制器上料泵的阀门开度 热物料A出口温度信号 热物料A出口温度信号热物料A的出口流量31kg/s热物料A的出口温度信号实现算法如下：否热物料A的出口温度是否为240？是上料泵的阀门开度变大热物料A的阀门开度变大否物料A的进口流量是否为31kg/s？是上料泵的阀门开度保持不变热物料A的阀门开度保持不变（4） 调节阀的特性 调节阀又名控制阀，在工业自动化过程控制领域中，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变介质流量、压力、温度、液位等工艺参数的最终控制元件。一般由执行机构和阀门组成。它确定并测量给定值或期望值与工艺参数的实际值之间的偏差，一个接一个地把校正信号送出给最终控制元件。3.2 安全系统的设计热物料A出口流量信号 （1） 紧急停车汽包上水管线截断阀关闭燃料管线截断阀关闭控制器燃料压力信号炉膛温度信号注：Pm的值根据炉膛的具体耐压值而设定。炉膛温度信号温度大于400?N汽包上水管线截断阀关闭燃料压力信号Pm？NYY燃料管线截断阀关3.3 绿色生产、节能减排降耗方面的考虑 为了达到绿色生产、节能减排降耗的要求，一定要选好燃空比，即选好燃料与空气的比列 。燃空比太高，一方面容易造成燃料不能充分燃烧，浪费能源，另一方面使废气中含有大量黑烟，污染环境；燃空比太低，虽然燃料能够充分燃，但是燃烧所产生的能量很小，使加热炉的效率很低。3.4 控制系统管道仪表流程图说明：四、系统设备选择与系统连接4.1 系统设备选择（包括控制器、测量变送装置、执行机构，DCS规模、IO模块配置、仪表盘、控制柜、配电装置等）1）PLC的选择 本方案的PLC选用S7-400。S7-400 控制器使用灵活、功能强大，可用于控制各种各样的设备以满足您的自动化需求。 S7-400 设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。S7-400的各个性能特点都符合加热炉的控制性能要求，采用S7-400足以达到预期的控制目标。2）I/O卡件的选择 加热炉的反馈信号包含有模拟量数据和数字量数据，所以对于模拟量数据输入接口采用0-5V电压型，并且要用屏蔽线连接；而数字量数据输入接口则用12V直流电压。因数字量数据输出只是作为其电机启动器的开关，所以数字量数据输出的接口120V交流电压。而鼓风机的电机、上料泵的电机和燃料泵的电机的供电系统采用220V三交流电。（3） 通信网络的选择 通信网络选用Profibus-DP通信技术，Profibus-DP定义了第1、2层和用户接口。第3层到第7层未加描述。这种精简的结构保证了数据传输的快速和有效，直接，数据链路映像提供易于进入第2层的用户接口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种现场分散的I/O设备之间的通信。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同Profibus-DP设备的设备行为。非常适合加热炉内部的数据快速和有效的传输。（4） 测量变送装置 液体流量计 用三个液体流量计测量物料A的进口流量和出口流量、燃料的流量。 温度传感器 用六个温度传感器分别测量加热炉对流段入口的温度、加热炉对流段出口的温度、加热炉辐射段出口的温度、炉膛中心火焰温度、热物料A的出口温度、烟气温度。 压力传感器 用来测量燃料压力。 空气流量计 用一个空气流量计测量空气的流量。（5） 执行机构 气动调节阀 当接受到控制器的电信号时，改变其开度，从而控制物质的流量。用五个调节阀分别是物料A进料调节阀、物料A进料管线调节阀旁路阀、燃料管线调节阀、热物料A出口 管线调节阀。 截断阀 作用是在生产工艺进入异常工况时，对进料进行紧急切断的。用两个截止阀分别