集散控制DCS论文碱回收燃烧工段DCS控制系统设计.doc
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1、集散控制作业:碱回收燃烧工段DCS控制系统设计 系别:电气工程与自动化系 专业:电气工程及其自动化 班级: 小组成员: 碱回收燃烧工段DCS控制系统设计摘 要本设计是利用DCS系统对造纸过程中碱回收燃烧工段进行控制。工业实时监控系统是目前研究的热点问题之一,其中生产数据采集的方法和生产数据发布系统的稳定性和高效性更是研究的重点。在该系统中采用西门子的S7300系列CPU模块内置的MPI 接口,PLC来对燃烧工段进行控制,并用WinCC5.0来组态一个HMI平台,对该控制系统进行监控。DCS,即所谓的分布式控制系统,或在有些资料中称之为集散系统,是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统
2、,它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面,DCS和集中式控制系统的区别不大,但在系统功能的实现方法上却完全不同。关键词:HMI,燃烧,WinCC,DCS目 录摘 要II目 录III第一章 绪 论1第二章 DCS系统的简介22.1 DCS的组成22.2 DCS系统的发展过程22.3 MPI网32.4 PROFIBUS-DP网络4第三章 燃烧工段的工艺流程53.1 燃烧工段的工艺流程53.1.1 燃烧工段工艺流程53.1.2 现代碱回收炉控制系统的目标63.2 燃烧工段设备介绍63.2.1 碱回收炉63.2.2 静电除尘器73.2.3 圆盘蒸发器73.2.4 引风机73.3
3、本设计采用的方案7第四章 PLC硬件设计94.1 可编程控制器PLC94.1.1 可编程序控制器的基本结构94.1.2 可编程控制器的工作原理94.1.3 可编程序控制器的特点104.2 硬件设计104.2.1 PLC模块的安装104.2.2数字量输入模块114.2.3模拟量输入模块114.2.4 电源模块114.3 传感器、PID124.4 过程通讯原理12总 结13参 考 文 献14第一章 绪 论造纸工业是国民经济的重要组成部分。近年来,随着国家对环境保护的日益重视,解决造纸厂的废水排污问题已成为首要课题,特别是对于以麦草为原料的众多造纸厂来说,麦草浆黑液的处理问题尤为突出。黑液是由碱法制
4、浆蒸煮得到的废液,其成分主要根据所采用的植物原料及制浆蒸煮条件不同而有所不同。对黑液采取回收的方法国内也做过许多尝试,但经过考核比较发现用燃烧法处理黑液回收碱是目前黑液治污中最为成熟和有效的技术。然而对麦草浆的黑液来说,燃烧绝非易事。首先是因为碱回收的投资成本较大,使用设备复杂,而且麦草浆黑液的燃烧工艺和设备也仍处在整理与完善中;其次是因为麦草浆黑液属于一种劣质燃料,由于其含灰、含硅量大,燃烧值低,粘度大,浓度低,对燃烧的许多工艺条件要求都很高,因而使黑液燃烧变得比较困难,极易造成因燃烧不稳定而甩不掉油枪,使碱回收成本大大增加的局面。因此,在麦草浆黑液的碱回收工程中,燃烧工段是最重要的环节之一
5、。DCS系统在造纸行业的广泛使用,使得造纸的自动化程度越来越高。随着造纸工业的不断发展,废水污染日益加剧。因此,制浆黑液的碱回收工艺对工厂起着尤为重要的作用,它是变废为宝、化害为利、效益显著的综合利用工程,是造纸厂治理水污染的首要措施。碱回收生产过程大致包括黑液的提取,黑液的蒸发,黑液的燃烧,绿液的苛化及石灰的回收五个工段。第二章 DCS系统的简介多级计算机分布控制系统又称为集散控制系统(DCS,distributed control system)是网络技术和控制技术结合的产物。它是根据分布设计的基本思想,实现功能上分离,位置上分散,达到以分散控制为主,集中管理为辅。2.1 DCS的组成 集
6、散控制系统DCS(Distributed Control System)是基于“4C” 技术(Computer Control Communication CRT)在20世纪70年代中期出现的新型工业控制系统。采用分布式的计算机系统结构,目的是为了减少风险,提高系统可靠性。它将整个控制系统按照区域、功能和回路作适当分解,再通过总线或通讯网络将它们连接为有机整体。1975 年Honey-well 公司推出了第一套DCS控制系统,首先被应用于石油化工行业。但从基本结构来看特性相同,可分解为三大基本部分。(1)过程控制站过程控制站是集散控制系统与生产过程之间的截面,生产过程的各种过程变量和状态信息通
7、过过程控制站转化为操作监视的数据,而操作的各种信息也通过过程控制站送到执行机构。在过程控制装置内,进行模拟量与数字量的相互转换,完成各种控制算法的运算,以及对输入和输出量的数据处理等运算。(2)操作站操作站是操作人员与集散控制系统的界面,操作人员通过操作站了解生产过程的运行状况,并通过他发出操作指令。生产过程的各种参数在操作站上显示,以便于操作人员监视和操作。(3)通讯系统通讯系统是过程控制站与操作站之间完成数据之间的传递和交换的桥梁。有些集散控制系统在过程控制站内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通讯系统,有些集散控制系统则在操作站内增加了综合管理级的控制装置和相应的通讯系统。通讯系统
8、常采用总线型、环形等计算机网络结构,不同的装置有不同的要求。2.2 DCS系统的发展过程DCS系统大体可分为三个发展阶段:第一阶段:1975-1980年。在这个阶段采用微处理器为基础的过程控制单元(Process Control Unit),实现了分散控制,有各种控制功能要求的算法,通过组态(Configuration)独立完成回路控制,具有自诊断功能;在信号处理时,采用抗干扰措施,它成功使分散控制系统在控制过程中确立了地位。还采用CRT屏幕显示器的操作站与过程控制单元的分离。采用了先进的冗余通讯技术,用同轴电缆作传输介质,将过程控制单元的信息送到操作站和上位计算机,从而实现了分散控制和集中管
9、理。这一时期典型的产品有HONEYWEL公司的TDC2000,FOXBORO 公司的SPECTROM;西门子公司的TELEPERM;肯特公司的P-4000。第二阶段:1980-1985年。主要的技术重点表现为:产品的换代周期愈来愈短,在过程控制单元增加了批量控制功能和顺序控制功能,在操作站及过程控制单元采用16位的微处理器,使系统性能增强,工厂级数据向过程级分散,高分辨率的CRT,更强的图画显示,报表生成和管理能力;强化系统功能,通过软件和组织规模不同的系统;在计算机局域网络技术的发展的情况下,强化了系统信息的管理,加强了通信系统。这一时期典型的产品有HONEYWEL的TDC3000,BAIL
10、EY的NETWORK-90,西屋公司的WDPF,ABB公司的MASTER。第三阶段:1985年以后。在这一时期中集散系统的技术特点是:采用开放式系统网络,符合国际标准组织ISO开放系统互联的参考模型,开发了中、小规模的集散系统;采用32位微处理器和捉摸式屏幕等便于操作和指导,完全实现CRT化操作,采用实时多用户多任务的操作系统。DCS系统向大型化的CIMS(计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)和小型及微型化发展。DCS 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。从结构上划分,DCS 包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由
11、过程控制站、I/O 单元和现场仪表组成,是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括:操作员站和工程师站,完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS 系统),作为DCS 更高层次的应用,目前国内应用这一系统的行业较少2。DCS 的关键技术在于网络,从上到下是树状拓扑和并行连续的链路结构,中间站联接计算机、现场仪器仪表和控制装置。2.3 MPI网 MPI用于连接多个不同的CPU或设备。MPI符合RS-485标准,具有多点通信的性质,MPI的波特率常设定为187.5kbps,接入到MPI网的设备称为一个节点,不分段的MPI网(无RS-485中继器的MPI网)可以最多有32个网络节点,
12、仅用MPI接口构成的网络,称为MPI分支网(简称MPI网),两个或多个MPI分支网,用网间连接器或路由器连接起来,就能构成较复杂的网络结构,实现更大范围的设备互连,MPI分支网能够连接不同区段的中继器。每个MPI分支网有一个分支网络号,以区别不同的MPI分支网,分支网上的每个节点有一个网络地址,这里称为MPI地址,节点MPI地址号不能大于给出的最高MPI地址,这样才能使每个节点正常通信。 一个分支网络中,各节点要设置相同的分支网络号;在一个分支网络中MPI地址不能重复,并且不超过设定的最大MPI地址;同一分支网中,所有的节点都应设置相同最高MPI地址;为提高MPI网节点通信速度,最高MPI地址
13、应该当较小,如果机架上安装有功能模块和通信模块,它们的地址由CPU的MPI地址顺序加1构成。2.4 PROFIBUS-DP网络PROFIBUS-DP总线是现场总线的一种,它一般用于现场层的高速传送。在这一级,中央处理器(PLC)通过高速串行线同分散的现场设备(I/O单元、驱动器等)进行通讯。一般情况下,DP构成主站系统,主站周期地读取并周期的向外发送输出信息。总线循环时间必须比主站(PLC)循环时间短。除周期性用户数据传输外,PORFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信,以进行组态、诊断和报警处理。目前,PROFIBUS现场总线技术通过多年的实际应用,实现了不同设备的数字网络互
14、联,使得设计、制造、应用等方面都获得方便和好处,因而成为更大范围上的协议-欧洲标准EN50170,这就说明了它的成熟性和规范能力。第三章 燃烧工段的工艺流程我国碱法化学浆产量约占全国化学浆总产量的90%,而碱法制浆产生黑液的污染负荷大,约占制浆造纸生产产生废水总污染负荷的90% 左右。由此可见,制浆造纸工业水污染的防治,首先必须解决对制浆黑液的源头治理。国内外实践证明,黑液治理最佳技术是碱回收,它是削减碱法蒸煮黑液最经济、最有效的途径3。造纸企业通常采用分布式控制系统即采用DCS控制系统实现对现场信息的采集和控制。同时,采用基于WinCC的上位机对现场的数据进行监测和即时控制。但有时各工段间需
15、要相互调用数据,这就牵涉到网络通讯问题。例如在造纸碱回收蒸发和燃烧工段中,负责监控蒸发工段的主机需要调用燃烧工段的数据,这时如果采用在燃烧工段增加一个变送器的方法,那么相应地就必须在蒸发工段的控制站中增加AI模块,这样大大增加了成本。如果利用西门子S7300系列的CPU模块内置的MPI接口,把多个工段的控制站组成一个MPI 网络,那么就可以实现多个工段之间数的传送。3.1 燃烧工段的工艺流程3.1.1 燃烧工段工艺流程主要工艺流程如图3-1所示。一二次风机将空气鼓入,一二次风经空气加热器加热,使风温提高到150左右,一、二次风再经碱回收喷射炉的尾部的板式空气加热器再使进碱回收炉的一、二次风风温
16、达到280左右,以此提高了炉瞠的干燥区、燃烧区的环境温度和熔融区温度。经过一二次风风管门调节,一二次风的按照一定的比例分配后,分别从不同高度鼓入碱回收炉。三次风机将三次风送往空加器后送入碱回收炉。蒸发工段送来的浓黑液首先送往浓黑液槽,再经黑液泵进入圆盘蒸发器。在这里,黑液与碱回收炉出来的烟气相接触,使黑液再次浓缩,且可以吸收烟气的碱灰,减少了碱飞失,提高了碱回收率。而后圆盘蒸发器中的黑液自然溢流出来,进入入炉黑液槽,入炉黑液泵再将浓黑液泵往黑液加热器。经黑液加热器的加热后,经黑液喷枪高压喷入高温状态下的碱回收炉。在碱回收炉中,黑液经雾化、干燥后进行燃烧。部分燃烧后的黑液落到碱回收炉的垫层上,在
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