废润滑油再生处理系统设计毕业论文设计.doc

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日1 绪 论1.1 本论文的背景和意义1.1.1润滑油对于经济发展的重要性润滑油是用在各种类型机械上以减少摩擦，保护机械及加工件的液体润滑剂，主要起润滑、冷却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用。润滑油的充足供应和质量直接影响着国家工业，农业，国防等的发展建设。燃油保障国家的能源供应，为经济建设提供动力，而润滑油则使其得到高效的利用。随着我国经济快速发展，润滑油市场需求也在不断增长，如下图1.1所示从04年到09年我国润滑油容量每年都在以10%左右的速度增长。目前我国已成为仅次于美国的世界第二润滑油消费国，仅2009年全年市场容量就达到780.84万吨1。随着十二五规划的展开，大量的经济建设势必将使润滑油需求量激增。润滑油是一类石油产品，不挥发的油状润滑剂。润滑油按其来源分动、植物油，石油润滑油和合成润滑油三大类。其中石油润滑油的用量占全部润滑油的97以上，因此通常润滑油均指石油润滑油。图1-1 2004-2009年中国润滑油容量变化图 单位：万吨资料来源：国家统计局 我国的石油开采量与需求量之间存在很大的差距，每年需从海外进口大量原油。据商务部市场运行调节司预测,估计今年原油进口总量可能达到近2.2亿吨,对外依存度有可能从2009年的40%提高到50%左右.石油资源变的越来越宝贵，所以对于石油提炼而来的润滑油的回收和再利用就成为经济可持续发展的关键。1.1.2废油回收再生的必要性石油是不可再生的化石资源，一旦消耗就再也不会出现。当代人类文明的发展模式都是建立在以化石燃料利用为核心的工业化基础上的，随着世界石油消费持续增长，消费的增长速度快于产量的增长速度，所以对于润滑油的回收再利用就成为可持续发展的战略举措。传统润滑油的处理多为简单的丢弃或者作为燃料焚烧，这样不但对环境产生危害也是资源的一种浪费。研究表明, 废油中含有大量对人体有害的物质, 如有致癌性的多环芳烃、多氯联苯以及各种重金属超微粒子等, 它不管是燃烧、焚烧, 还是土埋、排人下水道或注入江、河、湖、海, 都会对空气、土壤和水源产生污染, 危害环境和人们的健康。废油燃烧会产生大量的二氧化碳、二噁英、硫磷有机化合物等有害物质, 对环境极不友好, 有可能通过各种渠道危害人类2。另据估计, 一桶( 200L)废润滑油流入湖海, 能污染约3. 5km2 的水面, 被污染域的水生动植物生态平衡很快遭到破坏。随着石油资源的逐渐减少和人们对环保要求的日益提高, 废油的回收再生利用应该受到高度重视。其实, 润滑油在使用过程中, 真正变质的油液比例并不大, 只不过是1%10%, 而其余大部分烃类组成仍是润滑油的主要粘度载体和有效成分, 只要通过适当的物理和化学的方法, 就能将废油中的污染物和变质成分去除, 提炼出质量达标的基础油, 做到变废为宝。废润滑油的再生率一般可达50%以上,1000kg原油只能提炼300kg基础油,而1000kg废润滑油可再生700900kg基础油。在我国, 废油有效的资源化再生处理和循环使用有着巨大的潜力, 不仅能缓解能源短缺的压力, 实现有限资源利用的最大化；还能使环境污染最小化, 使润滑油行业符合清洁生产，科学发展，可持续发展和谐发展的要求切实履行哥本哈根中国进一步加大节能减排的承诺。1.1.3废油再生工艺以上这些因素促使废润滑油的再生工艺得到了极大改进，目前许多国家都大力支持废润滑油的再生，相关的技术和新工艺原来越多。近年来, 世界各国对润滑油再生的研究, 已经取得了很大的进展, 正在朝着大型化、高收率、无污染方向发展, 具有代表性的工艺技术有:(1) 常压减压蒸馏 多种溶剂精制( 美国能源部、德尔塔、布尔卓等公司的BERC工艺)；(2) 常减压蒸馏 溶剂处理 加氢精制( 美国、意大利SP工艺) ；(3) 闪蒸 热处理 超细过滤 加氢 减压蒸馏( 法国REG 工艺)；(4) 化学药剂脱金属 热处理 白土床过滤 加氢精制( 美国菲力普公司PROP艺)；(5) 薄膜蒸发器高真空蒸馏 加氢精制( 美国、荷兰KT I工艺) 3；(6) 真空闪蒸 金属钠聚合 薄膜蒸发器高真空蒸馏( 瑞士Recyc lon工艺) ；1.1.4国内、外废油回收再生现状我国废油回收再生利用始于四十年代, 经过几十年的发展,废油再生业在规模上有了很大的变化, 但再生工艺落后、产品质量差、二次污染严重的状况始终没有得到改善, 导致经济效益不高, 废油回收率、再生装置开工率低, 整个再生行业面临困境。废油再生业不景气的重要原因是我国废油再生厂家过多过乱,除了国家定点的厂外, 众多企业部门、地方乡镇都有, 但更多的是个人开办的废油再生厂, 据了解, 很多再生厂并不具备炼制废油的设备和技术, 缺乏甚至没有三废处理的设施和措施,火灾隐患大, 再生油品质量无法保证, 而且能源浪费严重, 二次污染扩大。由于废油资源有限, 各厂家互相争购, 使废油价格不断上升, 外加运费、加工费等, 废油再生成本大幅度增加。最终必然导致再生产品后销困难、经济效益低下, 废油回收率、工厂开工率下降也是很自然的了。另外, 我国废油再生业缺乏行之有效的整体管理体制。虽然国家有关部委先后出台了一系列的指导性文件, 如润滑油回收、加工、利用办法 、润滑油 交旧换新 、废润滑油回收再生法的指令 等等, 然而现状表明, 上述规定和办法没有得到有效的贯彻和执行, 再生行业出现的困难并没有引起足够的重视, 尤其是对废油回收由 交旧换新 到有偿收购的转换未能在政策做出及时的凋整, 定点再生厂也未能很好地适应这一变化。自1993年润滑油市场放开以后, 废油回收渠道出现多样化, 对废油资源的争购更加激烈, 加之润滑油产品升级换代加快,添加剂的种类和含量都大大增加, 使废油再生难度加大, 定点厂家因得不到技术支持和政策保护而难以为继, 同时设备简陋、回收率低、污染严重的土法废油再生厂大量涌现, 使得废油再生市场更加混乱。国外废油再生业的发展过程中的一些重要做法和经验值得我们借鉴。三十年代, 西方许多国家都有了工业废油再生装置,并通过立法明确规定必须对废润滑油进行回收再生, 同时制定政策予以鼓励。如西德一直很重视废油再生, 1968年通过了废油法对交通用润滑油加征附加税, 税款用于对废油回收和再生的补贴,到1982年其回收率已达40%；法国1975年制定法律对润滑油增收40法郎/吨的费用建立基金作为废油回收的补偿；德国对交通用润滑油的消费加征7. 5 马克/吨的附加税, 用于补贴废油回收公司；美国专门制定了废油循环法，1979年美环保局提出法案,规定废油是有害毒物，意大利1982年颁布了收集废油和再生的法令, 规定收集废油是每个加油站的义务；前苏联也于1975年颁布了废油的标准, 并采取行政手段促进废油回收利用在各国利好政策的支持下,废油再生业蒸蒸日上,实现了经济效益和环境保护的双赢。据了解,美国加州废润滑油再加工量占润滑油总加工量的43%，英国和加拿大西部达到了47%4。1.1.5我国废油回收再生的发展思路 资料来源：国家统计局 图1-2 2005-2009年中国润滑油进口量变化图从图中我们可以看出每年我国需从海外进口大量的润滑油，这在很大程度上制约了我国经济的发展，因此加紧开展我国的废润滑油回收再利用已经迫在眉睫了。废油再生是一项利国利民的事业, 无论从节约石油资源的角度, 还是从环境保护的角度, 都应当得到重视和发展。我国废油再生行业面临的困境主要表现在废油回收率低、生产工艺落后、污染严重、市场混乱。目前, 摆脱这一困境的关键并不是克服技术难题, 而在于营造一种能够促使其进入良性发展的经济环境氛围, 政策成为我们考虑废润滑油再生行业发展思路的出发点。首先废润滑油更应该纳入政府的严格管理之下, 建立并完善相关的法律法规体系, 从政策上给予扶持, 在资金、税收、市场和技术服务等方面制定优惠政策, 鼓励并推动该产业迅速兴起。保护环境和节约资源是发展废油再生的宗旨, 因此, 不应按一般工业项目来简单地评价废油再生项目的经济效益, 可以考虑开征新润滑油消费税, 用于补贴废油再生。及时完善废油回收利用体系和管理制度, 实行对废油的统一收购和配置, 实行收购许可证制度, 规范废油收购市场的行为, 建立区域性的废油收购网, 促进收购、再生的专业化分工,提高回收率。 其次,调整行业结构,实施废油再生资源的产业化和企业的规模化。废油再生处理的一次性投入成本较高,而资金回收周期较长,导致废油再生产业长期以来都是以较低水平的生产方式和小规模生产为主,只有通过实施废油再生产业化、规模化生产,才能真正做到最大限度地利用宝贵的资源和能源、克服小而分散的弊病, 增强再生企业竞争能力的同时有利于引进先进工艺。当然, 短期内不可能很快淘汰老工艺,再生厂应努力在保证产品质量上下功夫,可探讨将再生厂与多个大型集中用户进行嫁接, 既可以降低生产成本,又有稳定的废油来源。使废润滑油的回收、再生逐步走向专业化、规模化。随着十二五规划的展开对于润滑油的需求量将会大量增加，同时要履行我国在控制碳排量方面的承诺。因此对于相关资源尤其是作为战略资源的原油以及其衍生品润滑油的合理利用与回收就成为经济发展与环境保护都需要考虑的问题。相信随着我国综合国力的提升以及相关技术的成熟，在废润滑油再生处理领域将会诞生更多先进的技术工艺。 1.2 本论文的主要内容本论文的主要内容是异构网络下的废油再生处理控制系统设计与实现，通过西门子S7-300型PLC结合Profibus、 Modbus 、SIMATIC WinCC、异构网络通信等。完成对系统的程序设计和组态监控以及PLC与组态画面之间的通信。该系统作为典型的过程控制系统存在大量的开关量输出阀和温度液位检测传感器，这些执行机构和传感变送器大都采用Modbus 通信协议。在目前的工业控制领域,Modbus 通信协议作为一种开放高效的通信协议为众多现场智能测量检测设备广泛应用,因此,如何将这些Modbus通信接口的智能设备简单有效地接入PLC已经成为各大PLC 厂家必须考虑的问题。要使PLC与之通信必须要涉及到异构网络方面的知识。在这里我们采用CP341串行通信模块，它是西门子S7-300/400专门用于进行点对点串行通信的模块。西门子公司的S7-300系列中型PLC以其卓越的性价比在工控领域被广泛应用,其提供的CP341 通信处理模块具备1个RS422/ 485 接口,可实现与各种串口设备之间的智能通信。废润滑油处理国内外相关大规模的处理技术已很成熟，但是由于润滑油的回收较为分散，回收范围较小只局限与某一座城市周边。因此对于小批量低成本的处理系统应当是未来的主流。本系统结构原理简单，运行成本低可以适应较为分散的润滑油回收处理非常适合目前国内润滑油使用情况的现状。2 废润滑油再生工艺21 废润滑油处理工艺原理2.1.1 工艺介绍及工艺流程图 废润滑油处理工艺如图2.1所示图2-1回收来的废润滑油中的杂质首先经由前置过滤器滤除金属颗粒、灰尘等大颗粒杂质(粒径为02 mm 以上的杂质)，再进入真空分离器中进行雾状闪蒸脱水和破乳化作用，除去水分和气体，再在精滤器中除去粒径为005 1TLrn以上的杂质，最后由油泵将再生油打出送入储油罐等待进行减压蒸馏。废矿物润滑油进入集油箱初步去除大杂质后，进入储油罐初步分离水份，水分定期排入污水处理系统。然后泵入蒸馏釜加入相转移催化剂进行减压蒸馏。在减压蒸馏的过程中，根据废矿物润滑油中油料的不同馏程温度区分出基础润滑油和燃料油，然后进入精制罐并加入脱色吸附剂去除杂质，的到成品油存入油管。下图2.2为工艺结构图，从图中可以看到该废油再生系统主要有五大部分组成：分别是预处理废油储罐，换热器，锅炉，分馏塔和成品油储存系统组成。换热器对待处理的废润滑油进行预热同时对分馏出的油进行冷却。锅炉利用天然气对废 润滑油进行加热使其达到所需的汽化温度。分馏塔则最终分离提纯不同组份并由导油管送至储罐。储存罐作为暂存容器使生产得以连续进行并最终通过出油阀送至油罐。图2-2 废润滑油再生处理系统结构图本工艺的产品回收率在80以上，产成品中基础润滑油占65，轻质燃料油约占10，重质燃料油约占10。在工艺流程中采用先进的减压蒸馏+相转移催化剂的方式使蒸馏后中间产品的品质得到极大提高，精制成本大大降低但是本方法对废润滑油的处理只适用于小批量间歇式生产。对于废润滑油量大，需要连续处时并不适用。对于连续大批量的生产，蒸馏工序可采用管式炉加热、减压闪蒸或减压分子蒸馏，后期精制可采用溶剂精制或加氢精制等方法。由于废矿物润滑油的产生具有分布广泛的特性，且回收方式是有偿收购，这使得处理企业具有收集半径有限(100 km左右)、处理规模小、技术落后、环境污染严重的特点。大多数废矿物润滑油处理方式采用的是“常压蒸馏+酸碱中和法”即硫酸白土法进行处理。该方法主要存在的问题是对环境二次污染严重，处理工艺落后，并且获得产品单一(非标柴油或称为宽馏份柴油)，回收率低，此法属于国家明令禁止的落后方法。为此，我们根据国内产生的废矿物润滑油的特性，参考国内外各种废矿物润滑油综合利用工艺，并结合成熟的工艺设备，研制开发了“减压化学蒸馏一化学反应吸附精制法”对废矿物润滑油进行成分分离，从而可获得轻质燃料油、基础油和重质燃料油，达到综合利用废矿物润滑油目的。本方法已建成中试厂，进行了工业化生产。该工艺中采用的精馏塔分馏的过程是一个传质过程，在石油化工装置中广为采用，是该生产过程中的重要环节，它与吸收和萃取有类似的作用，多用于产品或半成品的分离，其目的是把混合组份分离开来，使之达到规定的纯度。对于精馏塔的合理控制是产品质量保证的前提。主要原理是利用原料废油中各组分沸点不同，通过加热至一定温度蒸馏后分离出燃烧性能较差的重质组分，然后由管式进入再通过催化剂的作用使之达到除胶，改良物化性能的目的而成为能被充分燃烧的合格润滑油。操作过程润滑油再生一般要经过如下几个预处理步骤方能再进行分馏操作。（1）除水：将废机油收集到集油池除水后，置于炼油锅内，升温到7080后停止加热，让其静置24小时左右，将表面的明水排尽，然后缓慢升温到120（当油温接近100时，要慢慢加热，防止油沸腾溢出），使水分蒸发掉，约经两小时，油不翻动，油面冒出黑色油气即可。（2）酸洗：待油冷却至常温，在搅拌下缓慢地加入硫酸（浓度为9298左右），酸用量一般为油量的57（系根据机油脏污程度而定）。加完酸后，继续搅拌半小时，然后静置12小时左右，将酸渣排尽。（3）活性白土吸附：将油升温到120140，在恒温和搅拌下加入活性白土（其用量约为油量的35），加完活性白土后，继续搅拌半小时，在110120下恒温静置一夜，第二天趁热过滤。（4）过滤：可采用滤油机过滤，过滤后即得合格油。如无滤油机，采用布袋吊滤法也可。以上即为提纯机油的一般操作过程，但应根据实际情况而定。如含杂质水很少，则第一步可省掉；如经过酸碱处理后，油的颜色己正常，则就不必用活性白土脱色吸附。在经过以上步骤的处理之后原料就可以进行分馏处理了。废润滑油再生处理的组态图见附录1图2-3 废油再生工艺结构图2.1.2 系统各部分结构及工艺动作要求（1）废润滑油储罐 图2-3 预处理废润滑油储罐 经过滤去除水分后的废润滑油通过管道泵入该储罐作为后续分馏提纯的原料，由工艺要求该部分负责为换热器提供压力一定的废润滑油。采用单闭环调节，压力传感器和流量传感器采集到的信号由PLC处理后输出给电磁阀来控制流量。图2-4 热交换器结构原理图 （2）换热器 图2.8 热交换器结构图换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷凝器等，应用更加广泛。该系统的作用是将换待处理的废润滑油进行预热同时对分馏出的油进行冷却。（3）锅炉系统图2-5 锅炉系统结构图锅炉是一种利用燃料燃烧后释放的热能或工业生产中的余热传递给容器内的需要加热的物料，使之达到所需要的温度。在本系统中润滑油在预热后经由锅炉加热被从100度左右加热到420度左右然后送入分馏塔。锅炉由天然气提供能源，吸式离心泵通过空气滤清器吸入空气在炉膛内与天然气混合并被点燃来加热废润滑油。由于锅炉的特殊性因此在设计使用中要特别注意其安全性的考虑。燃气锅炉采用的是可燃气体，没有任何的污染排放。并且安装有智能压力控制，不需要担心爆炸或者二氧化碳中毒等危险。因为是使用高新技术，所以制造出来的燃气锅炉占地面积小，操作简单不需要专人进行操作，按下按钮就全部自动运行。(4)分馏塔 作为该工艺的核心结构分馏塔，其是利用分馏的原理即针对混合物中各成分的不同沸点进行冷却分离成相对纯净的单一物质过程。过程中没有新物质生成，只是将原来的物质分离，属于物理变化。分馏实际上是多次蒸馏，它更适合于分离提纯沸点相差不大的液体有机混合物。如煤焦油的分馏；石油的分馏。当物质的沸点十分接近时,约相差20度,则无法使用简单蒸馏法,可改用分馏法。分馏柱的小柱可提供一个大表面积予蒸气凝结。混合物先在最低沸点下蒸馏,直到蒸气温度上升前将蒸馏液作为一种成分加以收集。蒸气温度的上升表示混合物中的次一个较高沸点成分开始蒸馏。然后将这一组分开收集起来。 分馏是分离提纯液体有机混合物的沸点相差较小的组分的一种重要方法。石油就是用分馏来分离的。 （图2-6 分馏塔结构原理图图2.10 成品油储存系统图2-7 成品油储存系统结构图（5）成品油储存系统储存罐作为暂存容器使生产得以连续进行并最终通过出油阀送至油罐车。连接到储罐上的管道主要有进油管，出油管，真空管，压缩空气管道和常压管。每种油品有两个储罐一个备用，交替储存分馏出的馏分。在油罐出油阀口安装有流量计用以统计产量，罐体底部装有静压式传感器。每种馏分的油品有两个储罐，分别为一号储罐和二号储罐，两罐交替工作保证生产的连续性。每个罐体内都有压力传感器和液位传感器，当其中的一个高液位传感器被触发将使控制器产生控制信号使相应的阀门动作来排除油料同时启动另一个备用罐开始储油。出油口出装有流量计，用来统计产量。每个罐分别有五个阀：进油阀、出油阀、常压阀、真空阀、压缩空气阀。其中压缩空气阀主要用于罐体排油时利用压缩空气使油料快速排出；真空阀用于完成排油后将罐体抽真空，以备后续油料注入。图2-8 储油罐就构图 2.2.1控制系统设备选型及控制方案 （1）检测变送器的选择 该系统中需要采集的信号有换热器入口压力及流速信号，锅炉出口温度，分馏塔对应馏分导出管道口的温度，真空管道压力信号以及每个储罐的压力信号格液位信号。锅炉出口温度及分馏塔内部温度不会超过五百摄氏度所以采用半导体热敏电阻温度计即可，可选用铂电阻，由于其体积小热惯性小，适用于快速测温。为了提高检测精度应用三线制接法，并配用温度变送其。流量的检测由于是油性物质导电性弱可选用差压式流量计测量流量。采用静压式流量计测量管道压力。（2）执行器（调节阀）的选择 该系统属于过程控制系统，其中要用到大量的阀门和泵。根据工艺要求及安全考虑选用电动调节阀，因为电动信号便于远传，并且便于与控制器配合使用，但在该系统中要做好接地等防静电火花措施。（3）控制器选择 该系统存在大量的开关量输出及模拟量信号采集，选用PLC 尤其是模块式的西门子S7-300PLC较为理想。通过远程I/O可以采集距离较远的现场信号并控制远距离的执行器。（4）控制方案的选用在该系统中要控制的锅炉及分流塔 ，换热器都是大纯滞后的系统，采用单闭环很难精确的控制。针对这一特点对锅炉系统采用前馈加反馈控制方式，对废润滑油经锅炉加热后的温度影响最大的扰动时换热器管道内的流量。3 系统程序设计及组态监控画面创建3.1 西门子S7-300PLC简介3.1.1 可编程序控制器(PLC)结构及原理 图3-1 PLC结构图图3-2 PLC的扫描过程图图3-3 PLC的工作过程图PLC作为当今主流的工业控制设备，是专用于工业控制的计算机。它的一般内部结构及运行方式如图3-1、3-2、3-3所示。它集三电（电控，电仪，电传）于一体，性价比高已成为自动化系统的核心设备，使其用量高居首位。通用性强，使用方便功能强，适应面广、可靠性高，抗干扰能力强 控制程序可变具有很好的柔性 编程方法简单，容易掌握 PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便。控制程序变化方便.具有很好的柔性。体积小、重量轻、功耗低 、其可靠的工作性能，对环境的较强适应性是控制设备的首选。在本系统中选择西门子公司的S7-300型PLC，作为一款中低档PLC其模块式的结构使使用变得非常灵活。 3.1.2 西门子S7-300 PLCS7-300在S7系列PLC中的定位，该型PLC在S7系列中属于中等和低端性能范围针对中小型自控应用。S7-300 是全集成自动化领域中最有活力的控制系统，生产制造领域最佳的自动化平台。SIMATIC S7-300自动化平台-亮点5：(1).亮点 灵活多样的应用：集成HMI、故障安全、户外型产品 适用于苛刻的环境条件。(2).亮点 工程设计：高效率的 组态和编程，基于世界标准的STEP 7、可视化操作轻松易用的入门级软件STEP7新的编程软件包含基本的功能。(3).亮点 - I/O：I/O 模板具有全面广泛的适用性、相同的I/O 模板用于集中式配置分布式配置 (ET 200M)。(4).亮点 模块化可扩展系统：节省空间，模块化设计，没有槽位规则，适用于紧凑型的机械控制，无风扇运行，没有可旋转部件，减少维护费用降低安装成本。(5).亮点 性能：高效的处理速度可极大的缩短设备的循环时间0.1 µs / 位指令；分级的CPU 性能- 从入门级的CPU 到高性能的 CPU；通过集成的接口进行网络通讯MPIPROFIBUS-DP。图3-4 西门子S7-300PLC及相关组件通过以上的亮点我们可以看到SIMATIC S7-300这款PLC卓越的性能，这也使它在工业领域得到了广泛的应用。S7-300 是各领域的最佳解决方案例如：交通运输、铁路和公路、运输车辆交通控制、系统起重机，升降平台；过程控制供水系统、污水处理和石油化工、玻璃工业、钢铁工业、矿山设备、食品与饮料工业等。S7-300 模块，任您选择 对于各种不同的应用提供最优化的组合电源模块 提供不同容量等级的24V直流电源信号模板 开关量、模拟量，甚至用于防爆区的I/O模块点到点通讯处理器 RS232(C), 20mA, RS422/485功能模块 高速计数、定位、电子凸轮及闭环控制模块网络通讯模块 连接PROFIBUS、工业以太网，甚至INTERNET模块化的系统，紧凑的设计图3-5 西门子S7-300PLC基本的硬件组态结构中央处理单元 (CPU) ：紧凑型CPU 标准型CPU 革新型CPU 户外型CPU故障安全型CPU 特种型CPU电源单元 (PS)： PS307标准电源模块 信号模板 (SM)： 用于数字量输入输出及模拟量输入输出接口模板 (IM)： 双机架接口模块IM365多机架接口模块IM361 IM360 功能模板 (FM)： FM 355 PID模板FM 352-5高速布尔运算处理器等通讯模板 (CP)： 点到点、PROFIBUS、工业以太网通信。特殊模板 (FM)： 计数、定位、闭环控制S7-300型PLC一般结构如图3-5，它由电源模块（PS），CPU模块，信号接口模块，数字量输入输出模块（DI/DO）和模拟量输入输出模块（AI/AO）,功能模块FM，通信模块CP。可根据系统需要灵活配置模块，极大地提高了适应不同工艺要求的条件。 在本系统中由于是异构网络需要用到CP341模块，CP341模块是西门子S7-300/400系列PLC中的串行通讯模块。CP 341 通讯处理器可以与各种 Siemens 模块和非 Siemens 产品点对点连接：该模块具有1个串行通讯口(RS232C或 TTY或RS485/422)，RS422/485的通讯最大距离位1200m。支持以下协议ASCII，ModbusRTU远程终端，Data Highway(DF1协议)，电气接口为15针D型孔接头。可以使用这种通讯模块实现S7300/400与其它串行通讯设备的数据交换。例如打印机、扫描仪、仪表、Modbus主从站、Data Highway站、变频器。USS站等。3.2程序设计3.2.1 Step7 简介西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。STEP7软件包扩硬件配置和参数设置、定义系统通信、编程、测试、启动和维护系统、文件归档和操作/诊断等基本功能，并未控制工程提供了各种不同的应用工具。通过STEP7创建项目并且进行硬件组态:设计流程图3-6 STEP7项目创建方式项目创建一般步骤： 1.PLC端子接线图 2.使用向导创建STEP 7项目 3.手动创建STEP 7项目 4.插入S7-300工作站 5. 硬件组态 6.编辑符号表 87.程序编辑窗口 8.下载和调试程序STEP 7编程语言 STEP 7是S7-300/400系列PLC应用设计软件包，所支持的PLC编程语言非常丰富。该软件的标准版支持STL（语句表）、LAD（梯形图）及FBD（功能块图）3种基本编程语言，并且在STEP 7中可以相互转换。专业版附加对GRAPH（顺序功能图）、SCL（结构化控制语言）、HiGraph（图形编程语言）、CFC（连续功能图）等编程语言的支持。不同的编程语言可供不同知识背景的人员采用6。3.2.2 创建项目（1）SIMATIC Manager 集中管理系统所有的工具软件和数据。（2）符号编辑器 定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。（3）硬件配置 配置系统和对各种模块进行参数设置。(4) 通信 配置连接及定义经MPI连接的组件及周期性数据传送；定义用MPI、PROFIBUS、或者工业以太网进行的连接及数据传送。（5）信息功能 快速浏览CPU数据和控制程序在运行中的故障原因。SIMATIC Manager 界面窗口如下图所示图3-7 SIMATIC Manager 界面窗口3.2.3进行硬件配置硬件组态窗口图3-8 硬件组态窗口根据工艺需求统计输入输出量包括开关量模拟量，并选择合适的模块组态。建立符号表并为相应的变量分配地址。为了简化系统将原本设计要求的六种馏分简化到两种，这样储罐就减少到四个，其它的储罐动作程序与这两个类似。一号槽为电源模块将市电220V转换为PLC需要的24V直流电，并驱动外部负载。CPU模块提供数字量输入输出和模拟量输入输出模块。位于机架最右端的是西门子S7-300用于串行通信的CP341模块，在本系统中主要完成异构网络的构建与现场设备的通信。图3-9 变量符号表3.2.5程序结构图图3-10 程序结构图图3-11 PLC程序执行过程3.2.6 PLC I/O 电气接线图图3-12 PLC I/O电气接线图将输入设备，传感器连接到PLC的输入端子。将输出设备，阀，泵，电机等连接到输出端子。3.3.编写程序：在程序中需要用到FB41 PID控制模块，该模块是进行模拟量控制的模块，可以完成恒压、恒温等控制功能。在系统结构中FC1，FC2中对于管道流量和锅炉温度的控制采用FB41模块完成。FB41相当于一个子程序，它是用来实现PID运算的，我们只需要每隔一段时间去调用这一“子程序”就可以实现PID控制。所以我们在OB35里调用FB41就可以了，调用的频率可以在属性里面设置。所有的输入参数：COM_RST: BOOL: 重新启动PID：MAN_ON： BOOL：手动值ON；PEPER_ON： BOOL：过程变量外围值ON； P_SEL： BOOL：比例选择位； I_SEL： BOOL：积分选择位；INT_HOLD BOOL：积分保持，I_ITL_ON BOOL：积分初值有效，D_SEL ： BOOL：微分选择位，CYCLE ：TIMEPID采样周期一般设为200MS；SP_INT： REAL：PID的给定值；MAN ： REAL：手动值，由MAN-ON选择有效；GAIN ： REAL：比例增益；TI ：TIME：积分时间；TD ：TIME：微分时间；DEADB_W： REAL：死区宽度；LMN_HLM： REAL：PID上极限，一般是100%；LMN_LLM：REAL：PID下极限；一般为0%，PVFAC：REAL：过程变量比例因子；PV_OFF： REAL：过程变量偏置值（OFFSET）；LMN_FAC： REAL：PID输出值比例因子；LMN_OFF： REAL：PID输出值偏置值（OFFSET）；I_ITLVAL：REAL：PID的积分初值；有I-ITL-ON选择有效；DISV ：REAL：允许的扰动量，前馈控制加入，一般不设置；B：部分输出参数说明：LMN ：REAL：PID输出；程序编写见附录2 。3.4组态监控画面创建3.4.1组态软件WinCC 介绍：1、 组态的基本概念组态软件是数据采集监控系统SCADA（Supervisory Control and DataAcquisition软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。目前组态软件的发展迅猛，已经扩展到企业信息管理系统，管理和控制一体化，远程诊断和维护以及在互联网上的一系列的数据整合。当前国内流行的组态软件主要有组态王、MCGS、InTouch、WinCC 等。2、 WinCC 系统概述WinCC 的特点SIMATIC WinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性WinCC 是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术系统。它提供了使用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模版。高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的使用性。除了这些系统功能外WinCC 还提供了开放的界面用于用户解决方案。这使得将WinCC集成于复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。可以集成通过ODBC和SQL方式的归档数据访问，以及通过OLE2.0和ActiveX控件的对象和文档链接。这些机制使WinCC成为Windows世界中性能卓越、善于沟通的伙伴7。WinCC 编辑器 图形编辑器 图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以用包含在对象和样式选项板中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上。向导提供了自动生成的动态支持并将它们链接到对象。也可以在库中存储自己的图形对象。报警记录提供了显示和操作选项来获取和归档结果。可以任意的选择消息块、消息级别、消息类别、消息显示以及报表。系统向导和组态对话框在组态期间提供相应的支持。为在运行中显示消息,可以使用包含在图形编辑器的对象选项板中的报警控件。变量记录 变量记录被用来从运行过程中采集数据并准备将它们显示和归档。可以自由的选择归档、采集和归档定时器的数据格式。可以通过WinCC 在线趋势和表格控件显示过程值，并分别在趋势和表格形式下显示。 报表编辑器 报表编辑器时为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据的定时器或事件控制文档的集成的报表系统，可以有选择用户报表或项目文档的形式。提供了舒适的带工具和图选项板的用户界面，同时支持各种报表类型。具有多种标准的系统布局和打印作业。3.4.2使用WinCC1.启动WinCC