SMPT1000的DCS工程实现1234

1、SMPT-1000加热炉的DCS工程实现绪论或前言第1章 SMPT-1000加热炉系统分析1-1 SMPT-1000加热炉的工艺流程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。待加热的物料A经由上料泵P1101泵出，进入换热器E1101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E1101管程的物料A进入加热炉F1101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F1101辐射段炉管，接受燃

2、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E1101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。燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，空气经由变频风机K1101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。1-2 SMPT-1000加热炉的控制需求分析1-2-1 满足生产指标的考虑在热物料A流量稳定的前提下，保证热物料A的出口温度维持在工艺要求范围之内。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。

3、 1-2-2满足节能指标的考虑出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统的设计和实施中对燃料用量等能耗等指标予以充分考虑。1-2-3 满足全自动控制的要求从生产单元冷态起，按照开车步骤实施全自动顺序控制，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。1-3 SMPT-1000加热炉对象特性分析加热炉是工业领域很重要的换热设备，加热炉单元是具有强耦合、大滞后、大惯性及变时慢等特点。它的内部机理比较复杂，直接建模也相对比较困难，所以对加热炉的控制也有一定的难度。针对本控制对象，分析其特性如下： 1-3-1 多级换热特性 加热炉对象主要包括对流室、辐射室、换热器三个主要部分，即有炉膛辐射段换热、对流段换热以

4、及减温换热器换热。根据工艺流程，多级换热系统是相互关联，具有强耦合特性。被加热物料同时参与加热和冷却所以只有处理好各个换热单元之间的耦合关系，才能得到较好的控制效果。 1-3-2 上料系统特性 待加热物料A被分为两路，其中一路经换热器预热后与另一路汇合，然后进入对流段。我们的控制目标是保证两支路调节阀的阀后压力平衡，防止调节阀开度变化后出现某一路滞留甚至倒流现象。另外，待加热物料A的流量同时影响加热炉的换热过程，流量增加时，换热量增加，反之亦然。待加热物料流量的变化将使燃料流量、空气流量的变化。流量越大，流体速度越高，从而在炉内换热时间越短，要达到工艺要求温度，就需要相应提高炉膛内温度，加大了

5、加热炉系统的非线性特性。 1-3-3 加热炉的燃烧特性 燃料的燃烧是加热炉的热量来源，在满足工艺要求的同时，做到节能减排是本题目的要求。在控制燃烧时必须使燃料量与空气量应保持在一个合适的比例。这个比例随着燃料及空气物理化学特性的变化而变化。同时燃料流量、燃料热值变化时，这个比例也随之变化。在燃烧过程中，也应保证炉膛负压在工艺要求的范围。炉膛压力过高，会有冒火危险;负压过低，会增加空气的漏入量，增大热量损失。炉膛负压与炉膛温度、空气流量也是相互联系的。烟道挡板开度一定时，除了调节炉膛负压外，还会改变空气通道的阻力，影响空气流量调节。 1-3-4 加热炉温度特性 工业加热炉是一个多容量过程，产品出

6、口温度的纯滞后严重，升降温过程惯性也很大。当物料流量减小时，炉膛温度不会迅速降低，而是会继续维持原来的高温状态一段时间，反之亦然。同时，加热炉还有慢时变特性，随着温度升高，被加热温度响应的时间常数及滞后都会有所减小。在运行过程中，由于烟灰在炉膛内积聚炉管结垢等原因，加热炉的机构特性会发生变化。 对于节能减排的要求，排烟温度越低，能耗越小；烟气含氧量越小，排烟损失的热量越少；炉膛温度越低，燃料消耗越少，也就越节能。因此应使被加热物料A充分在对流段和辐射段换热，而尽量降低在减温换热器的换热负荷。减温换热器的热负荷越小，进入对流段的冷流温度越低，从而使得冷流与风烟的温差加大，增大换热推动力，使冷流从

7、烟气中吸收更多的热量，减少排烟的热损失。正常工况时，只有少量被加热物料流向换热器也正体现了这一点。对流段换热的影响因素主要有烟气入口温度和烟气流速，烟气流速越大换热越不充分。通过对加热炉的特性分析可知加热炉具有强耦合、纯滞后、大惯性等特征。1-4 系统安全分析第2章 工程设计2-1 系统规模下面表2-1是该项目的I/O点数统计表，该表反应出系统的规模。 表2-1 加热炉的I/O点数统计表I/O类型点数仪表类型DI1炉膛燃烧状态显示DO6调节阀、烟道挡板、鼓风机AI(420mA)14温度、压力、含氧量RTD（热电阻）4TC(热电偶）2合计272-2 系统总体结构设计本系统所有硬件选用西门子自动化

8、驱动集团的过程控制系统PCS7。系统结构图如图2-1所示。 图2-1 SMPT-1000加热炉系统的网络结构图 硬件配置图2-1所示的DCS系统的硬件配置如下：（1）操作员站及工程师站本系统配置操作员站、工程师站各一台。操作员站放置在（左边），用于加热炉的监控和操作，工程师站放置在（右边），用于（系统组态 ，DCS维护）。操作台及辅助操作台要求布局设计合理，坚固耐用，颜色和材质（金属）与控制机柜一致。（2）过程控制站本系统配置冗余的过程控制站，用于加热炉的控制。其中PLC采用SIMATIC S7-414H，ET200M冗余分布式I/O模式，通讯方式采用冗余的PROFIBUS-DP现场总线。具体

9、配置如表2-2所示。（把实验室的PCS7的AS配置写出来，资料随后发。）表2-2 加热炉DCS控制系统的硬件表序号设备（材料）名称规格型号单位数量1PS407A407-0KA02-0AA0 块12CPU414-4H414-4HM14-0AB0 块13CP443-1443-1EX20-0XB0 块14 RacK UR2-H1P6ES7400-2JA10-0AA0 块15IM152-2152-2BA02-0AXB0 块66DI 32*DC24V321-1BL00-04B0 块17DO 32*DC24V/0.5A322-1BL00-0AA0 块18AI B*0/4-20mAHART331-77F01

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

11、A0 块2附件及其他1前连接器40针2前连接器20针3PROFIBUS电缆4PROFIBUS连接器2-2-3 软件配置本部分写PCS7的软件配置或组成。（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 基础过程控制系统设计2-3-1 控制方案设计 基础控制方案设计在整个系统设计中占有十分重要的地位，一个控制系统的成功与否主要取决于是否有一个设计优良的控制方案。 任何一种控制系统都是为了满足生产过程中的工艺要求，从而提高产品质量和生产效率。因此，为实现此目的，设计系统控制方案时，应遵循 以下基本原则： 1）满足要求 最大限度地满足被

15、控对象的控制要求，这是设计该控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。进行设计前，需要深入了解被控对象，收集资料。例如在设计加热炉控制系统时，首先满足加热炉的工艺要求，即要保证加热炉出口温度稳定、燃料量以及空气量的流量稳定、炉膛负压稳定。 2）安全可靠 保证控制系统长期运行的安全、可靠、稳定，是设计系统的重要原则。为了达到这一目的，在系统方案设计、可靠性设计、设备选择、软件编程方面应进行总体规划和全面考虑。这就要求在控制系统设计以及实施的过程中具有一定的安全等级。 3）经济实用 在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济、实用、维护方便。即可以采用单回路控制系统达到控制目标的最好不要

16、采用串级控制系统，这样不仅仅节约了一个控制器，而且在调试以及维护的时候就更方便。 4）适应发展 考虑到生产发展和工艺的改进，设计的控制系统应具有适当扩展功能。（1）确定被控变量和控制变量根据加热炉的控制要求，选择的被控变量有：物料A辐射段出口温度选择的控制变量有：1、燃料进炉流量2、空气进炉流量（2）控制策略的确定流量控制系统：选用单回路控制系统；温度控制系统：选用串级-前馈控制系统烟气含氧量控制系统选用：选用比值控制系统炉膛负压控制系统：选用（3）控制算法的选择在上述控制控制策略中，选用的控制算法或控制规律分别为：P、PI、PID等。（4）确定执行器、控制器的正反作用执行器的正反作用：气开或

17、气闭控制器的正反作用：（P46）2-3-2 检测元件的选择（1）温度检测仪表的选择（2）压力检测仪表的选择（3）流量检测仪表的选择 由于物料出口A出口处和烟气流量处温度过高，所以采用节流变压降的方法来测量这些工位的流量。在管道内装入截流件，流体流过节流件前后产生差压。其他条件不变的情况下，节流件前后产生的差压值随流量而变，两者之间有确定的关系，因此可通过测量差压来测量流量。使用江苏中仪自动化有限公司生产的ZY-3351/1151DP差压变送器和LJA型标准孔板 标准节流装置1、 标准孔板结构：见图型号：LJA公称通径：503000mm公称压力：0.01MPa工作温度：500材质：不锈钢取压方式

18、：环室取压、钻孔取压、法兰取压等（4）成分分析仪表（烟气含氧量）的选择（氧化锆氧量计)（5）开关的选择上述内容应以表格的形式，将所选择仪表的类型、型号、对应的I/O点对应起来。序号 名称 位号 仪表 单 位 型号1物料A 进料流量FI1101 标准孔板差压变送器kg/s2燃料流量FI1103标准孔板差压变送器kg/s3空气量FI1104上海仪表厂LWQ气体涡轮流量计环境温度：-30+60；大气压力：86KPa106KPa；介质温度：-30+80m3/sLWQ4热物料A 出口流量FI1105标准孔板差压变送器kg/s5烟气流量FI1107标准孔板差压变送器kg/s6炉膛中心火焰温度TI1101上

19、海仪表厂S型铠装热电偶量程：01600 7加热炉对流段出口物料A 温度TI1102上海仪表厂铜铜镍热分度号T 电阻测温范围（-40-350）8加热炉辐射段出口物料A 温度TI1103上海仪表厂铜铜镍热分度号T 电阻测温范围（-40-350）9热物料A 出口温度TI1104 上海仪表厂铜铜镍热分度号T 电阻测温范围（-40-350）10烟气温度TI1105上海仪表厂型铠装热电偶量程：0-800 11加热炉对流段入口物料A 温度TI1201上海仪表厂铜铜镍热分度号T 电阻测温范围（-40-350）12燃料压力PI1101上海仪表厂 表压力变送器 工作压力范围MPaSTG96013炉膛真空度PI11

20、02参见凝汽器真空mmH2O14烟气含氧量AI1101上海仪表厂ZrO2-II型直插式微机化氧量自动分析仪%ZrO2-II2-3-3 执行器（控制阀的选择）（1） 变频风机的选择 序号 名称 位号 仪表 阀门形式 1 变频鼓风机 K1101苏州威尔克电讯电机制造有限公司 输入功率18W、电流0.1A、转速2200r/min、静压20Pa、环境温度：-40+55、相对湿度：90%95%（G） 气关（2） 执行机构的选择 序号 名称 位号 1待加热物料A管线流量调节阀 V1101 上海仪表厂ZAZSC 电动角形调节阀+ZKZ-310C 直行程电动执行机构 介质温度范围40250；40450（带散热

21、片）固有流量特性直线；等百分比 2燃料流量调节阀 V1104同上 3热物料A流量调节阀 V1105同上 4 烟道挡板 DO1101（3） 泵的选择 序号 名称 位号 仪表 1 上料泵 P1101上海中成泵业制造有限公司 输入功率10W、电压24V、最大电流1.0A、转速375r/min、最高压力125（0.86）PSI（bar）、最大流量0.26（1.0）G/min（L/min）、调压开关125（0.86）PSI（MPa）、吸程5m 2 燃料泵 P1102上海加兴泵业有限公司 输入功率10W、电压24V、最大电流1.0A、转速375r/min、最高压力125（0.86）PSI（bar）、最大流

22、量0.26（1.0）G/min（L/min）、调压开关125（0.86）PSI（MPa）、吸程5m2-3-4 工程表达（1）管道仪表流程图（P&ID）（2）DCS监控数据表DCS监控数据表反映的是DCS系统需要监视、操控的数据，它包含对每一条DCS控制回路的详细要求和配置，图2- 给出了DCS的监控数据表。（3）仪表数据表（4）DCS-I/O表（5）DCS系统配置表（6）端子配线图（7）回路图回路图说明的是从现场到中央控制室每一条回路的连接关系，如图所示。2-4 安全联锁系统设计（先不要做）2-4-1 SIL计算2-4-2 检测、执行、控制器的冗余设计2-4-3 安全仪表系统的SIL评

23、估方法2-4-4 工程表达2-5 人-机界面设计2-5-1 OS站画面设计OS站画面主要包括下面几部分内容：（1）流程图画面（2）报警画面（3）实时趋势画面（4）归档数据记录画面2-5-2 报警、确认、紧急停车按钮第3章 工程实施3-1 信号接线与调试3-1-1 接线原则接线原则包括：（1） 规范化安装、布线符合电气安装标准。所有电缆应当敷设在电缆桥架中。电缆桥架中强电、弱电信号分开敷设，如不能避免则要加装隔离板。电缆桥架中本安信号分开敷设。端子柜内所有信号线都应绑扎成束，或采用走线槽布线，本安信号、非本安信号分开敷设，走不同的走线槽。所有接线的线头都要采用压线鼻方式，所有线头都应接线标记管。

24、（2） 安全性安装牢固、接线正确可靠：导线无破损，无毛刺，线头无碰壳、无裸露；有接地或接零、短路、过载、过压、欠压等安全保护措施；有紧急停车措施；（3） 经济性尽可能少用电器，布线尽可能简短；避免损坏元器件，减少浪费。3-1-2 接线要求接线工作在现场仪表、设备安装、调试好之后进行。电缆芯线要留有适当数量的备用数量。电缆一般不能有中间接头。电缆敷设好之后首先对电缆进行测试。电缆测试要对每根纤芯进行通断测试，测试方法采用一端短接，另外一端用万用表电阻档位进行测试。一般采用一根公用电缆线做万用表笔延长线。3-1-3 故障诊断与排除接线完毕之后，从PCS7中的CFC中的、AO模块输入以及输出端口观察是否有信号，如果没有信号，则需要进行故障判断以及排除。故障诊断及排除时的检查顺序是首要从信