本科毕业设计基于WinCC的轴流压缩机防喘振控制系统的界面设计与调试.doc
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1、1 绪论1.1 引言 高炉是钢铁生产中的重要设备之一。由于高炉炼铁技术经济指标良好,工艺简单,生产量大,劳动生产率高,能耗低等优点,故这种方法生产的铁占世界铁总量的大部分。 长期以来在冶金工业生产中与高炉配套使用的压缩机大多是离心式压缩机。由于离心式压缩机的流量不能实现与炉况变化的同步调节,效率较低,因此近几年国内企业生产出了调节范围宽、效率高、节能效果显著、更适合高炉宽工况需要的轴流压缩机替代原与高炉配套的离心式压缩机。陕西鼓风机(集团)有限公司生产的轴流压缩机无论在气动性能上还是在制造技术上,都达到了相当高的国际水平,广泛应用于各个领域。轴流式压缩机因其具有大流量、高效率等诸多优点而被广泛
2、应用于冶金、石化装置中,成为各种大型成套工程的关键设备。但轴流式压缩机的喘振现象却始终是影响压缩机安全、稳定运行的最重要因素。因为,一旦喘振得不到及时地遏制,进而发展为逆流,持续逆流就会发生毁机的严重后果。由此,压缩机的防喘振控制就显得非常重要1.2 轴流压缩机防喘振控制系统的现状及发展轴流压缩机是 20世纪中期才逐渐用于工业生产中,尤其近几年由于能源紧缺,高效率、大流量的轴流压缩机越来越多地用于以前被认为是离心压缩机的领域,除高炉鼓风、空分装置、催化裂化装置、硝酸四合一机组(三合一机组)、大型风源风洞等传统领域外,轴流压缩机的应用领域还不断扩大。全静叶可调式轴流压缩机是我国引进瑞士苏尔寿风机
3、技术生产的轴流式压缩机,由于轴流式压缩机在送风性能、能源使用效率及提高冶炼系数等方面较离心式压缩机有较大的优势,目前,我国钢铁行业中的炼铁高炉使用的鼓风机正在处于一个由离心式向轴流式更新的过程中, 由于轴流压缩机有着比离心式压缩机更加精密的机械结构和更多的控制对象, 因此,其对控制系统有着比离心式压缩机更高的要求。早期我国进口的全静叶可调式轴流压缩机控制系统由DCS加常规调节仪表构成。由于调节仪表的功能限制,防喘振调节与DCS之间无法做到全集成化控制,使机组的控制指标大打折扣因此我们充分利用西门子高端PLC的高可靠性、强大的网络能力和运算能力,与工业控制计算机构成完整的控制系统,并已经在冶炼高
4、炉轴流压缩机上使用,特别是采用特殊的送风流量、压力调节和防喘振调节算法在提高压缩机工作效率、保护轴流压缩机及安全生产方面取得了良好的效果。1.3 课题背景及意义本设计研究的主要内容是轴流压缩机的防喘振控制系统,主要是设计,设计一套独立的由可编程控制器PLC、智能调节器、调节阀及各种检测仪表组成的机组监控系统,以保证轴流压缩机组的安全可靠地运行。对于防喘振,我们主要关心各个参数(温度,压力,流量)是否正常。以往的操作人员不得不亲自到现场去检测各个表的读数,不但费时费力,而且对操作人员的耳膜有损坏,一旦有些参数发生异常情况不能及时反映给操作人员,就很容易损坏机器,影响机器的运行,造成成本过高。同时
5、,操作人员还得对某些参数进行记录,这是一项繁琐的工作,不仅增加了工作量,还增加了运行成本。随着计算机应用在工业领域的日益发展,SIMATIC WinCC工业组态软件顺应而出。它的出现,大大简化了人员和设备配置。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实用性。WinCC组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能,以动画形式显示监控设备的运行状态,方便构成监控画面和实现控制功能,并可以生成报表、历史数据等,为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台,从整体上提高了工控软件的质量。此外,它还具有高度的开放性和可扩充性,可以连接第三方设备。相比于以往的监测控制系统,我们只要
6、在组态好的计算机图形界面上轻轻一点鼠标,就可以获需所要的信息,进行相应的操作。它不仅降低了运行成本,而且增加了系统的可靠性、稳定性和容错性。它做具有的报警记录使我们能及时得知异常情况并找出错原因,它所具有的变量归档和报表打印使我们能大量存档并随时打印出来,以供分析。WinCC组态软件已成为远程监控应用和大型过程控制的理想选择。2 轴流压缩机工艺流程及检测控制系统2.1 轴流压缩机防喘振控制系统的工艺流程 喘振是在压缩机最容易发生的现象,对压缩机的损害也很大。为了减少压缩机的能量损耗、提高效率,采用可变极限流量法来实现轴流压缩机的防喘振控制。根据喘振发生的机理,压缩机在某个压力、转速工作时,有一
7、个最小流量点,低于这个流量的极力,压缩机的性能变得极不稳定。本方案取P为测量值,而取 m/bk2(P2-aP1)为设定值(P为喉部差压,P2为出口压力,P1为入口压力,a、b为系数,m为孔板流量系数),这是一个随动控制系统。当P m/bk2(P2-aP1)时,压缩机运行在安全操作线及其右侧,防喘振调节阀关闭,压缩机正常运行;当P SIMATICWinCCWindows Control Center 6.0菜单项2 资源管理器运行后,单击菜单中的“文件”,选择“新建”,弹出一个“WinC资源管理器”对话框。3 在对话框中选择“单用户项目”,单击“确定”,弹出第二个对话框,如图3.1.1。输入项目
8、名称“2”选择保存路径,单击创建即可。 图3.1.1创建好项目之后,在最上方的标题栏里,我们可以看到文件的存放路径,及对应主程序名称:2.MCP。同时,WinCC以本地计算机名称生成一个“类型”为服务器计算机图标“yjy123”。如图3.1.2。图3.1.24.1.2 相关设置如果希望对过程进行监控,则必须激活与外部可变成控制器机器控制器的通讯。激活项目时,将装载运行系统所需要的附加程序模块。右击右边窗口的计算机图标,单击“属性”,弹出一个“计算机属性”对话框,在这个对话框里,有“常规”,“启动”,“参数”,“图形运行系统“,“运行系统”五个版面。如图3.1.3。1. 在“常规”选项卡上,检查
9、“计算机名称”输入框中是否输入了正确的计算机名称。此名称应与Windows的计算机名称相同。Windows下的计算机名称可在Windows控制面板中“系统”下的网络标志(Windows 2000)或者“计算机名称”(Windows XP)选项卡上找到。但是这种更改必须要WinCC重启后才能生效。2. 在“启动”选项卡上,可选择WinCC运行系统的启动组件,根据项目的要求进行选择。在缺省状态下,将始终启动并激活图形运行系统。为获得更好的性能,如果项目目前没有使用到某个组件,则不可选择。3. 在“参数”选项卡上,可选择运行系统的语言和时基。4. 在“图形运行系统”选项卡上,应设置WinCC项目的启
10、动画面。这样,项目启动时将首先打开所选择的启动画面。在此选项卡上,还可以设置WinCC图形运行系统的窗口属性以及其他图形运行系统的属性。5. 在“运行系统”选项卡上,可设置Visual Basic画面脚本和全局脚本的调试特性,还可以设置启用监视键盘等选项。注意:当启动WinCC运行系统时,WinCC使用在“计算机属性”对话框中设置的属性进行运行,并随时修改运行系统的这些设置。对运行系统的修改,大部分的设置在重新修改激活后即可生效;部分设置须重新启动,才能生效。 图 3.1.34.2 建立逻辑连接4.2.1 驱动的功能WinCC为了与外部设备(如PLC)进行通讯,必须组台用于该设备的通道。此通讯
11、驱动程序支持多种网络协议和类型,具有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统,还是冗余多服务器多用户系统,WinCC均是较好的选择。通过ActiveX、OPC、SQL等标准接口,WinCC可以方便地与其他软件进行通信。通道就是在设备和WinCC之间生成的逻辑借口的驱动器,具有三个功能:1. 为使用人员提高组态物理和逻辑连接参数的方法。2. 通过数据管理器在外部设备和WinCC变量之间建立一个在线运行接口。3. 为用户提高一个简便接口用于外部设备或应用的存储器结构加入变量标签并设置地址。 4.2.2 添加SIMATIC S7 Protocol Suite驱动程序的步骤:1. 在WinCC项目管理器
12、的浏览窗口中,右击“变量管理”2. 从快捷菜单栏中选择“添加 新的驱动程序”,打开“添加新 的驱动程序”菜单项,选择 SIMATIC S7 Protocol Suite.chn,如图3.2.1。 图 3.2.13. 建立连接参数: 添加完SIMATIC S7 Protocol Suite.chn驱动程序之后,点击图标前面的“+”号,就可以看到“MPI”、“PROFIBUS”图标,单击“新建驱动程序连接”,会弹出一个连接属性的对话框,如图3.2.2。在名称栏里输入“plc1”。还可以单击旁边的“属性”按钮,弹出一个“连接参数”对话框,在这里可以设置S7的网络地址:站地址、段ID、机架号、插槽号(
13、如图3.2.3)。单击“确定之后,资源管理器右边窗口里将出现一个名称为“plc1”的握手图标,这表面和PLC的逻辑连接就建立好了。 图3.2.2 图3.2.34.2.3 关于SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE 和 PROFIBUS本课题选用的PLC是SIMATIC S7300,而SIMATIC PROTOCOL SUITE 通讯驱动程序通过各种通道单元提供WinCC与SIMATIC S7300的通讯,如图3.2.4。为了实现与PROFIBUS(过程现场总线)的通讯连接,WinCC站(执行WinCC应用项目的计算机)必须有合适的通讯处理器,本课题选用的通讯处理器为CP5611(如
14、右图),该通讯处理器通过PCI卡与WinCC站连接。PROFIBUS是与制造商无关的开放式通讯 图3.2.4系统,用于少数几个通讯伙伴之间传少量或中等数量的数据,具有快速、周期性传送数据的特点。4.3 建立变量连接4.3.1 变量的功能类型变量系统是组态软件的重要组成部分,WinCC中的变量类型有In和Out。In和Out是相对于主站来说的,即In表示WinCC从S7300系列PLC读人数据,Out表示WinCC向s7300系列PLC写出数据。按照功能又可以分为外部变量、内部变量、系统变量和脚本变量这四种。由外部过程为其提供变量值的变量,称为外部变量,也称为过程变量;过程没有为其提供变量值的变
15、量,称为内部变量。WinCC还提供了一些预定义的中间变量,称为系统变量。每个系统变量均有明确的意义,可以提供事项的功能,一般用以表示运行系统的状态。1. 变量的数据类型数据类型取决于用户怎样去使用该变量。WinCC中的变量分为以下数据类型:二进制变量、有符号8位数、无符号8位数、有符号16位数、无符号16位数、有符号32位数,无符号32位数,32位浮点数、64位浮点数、8位字符集文本变量、16位字符集文本变量、结构类型变量、原始数据类型和文本集。8位数占1字节的存储空间,16位数占2字节的存储空间,依此类推。8位字符集和16位字符集存储空间都为0255字节,所不同的是8位字符集用来表示ASCI
16、I字符集中的字符串,而16位用来表示Unidode字符集的文本变量。 图 3.3.12. 创建与编辑变量在WinCC项目管理器的变量管理器中,打开“内部变量”目录。右击“PROFIBUS”下的“plc1”握手连接图标,从快捷菜单栏中选择“新建变量”菜单项,打开变量属性框,如图3.3.1在“常规”选项卡上,我们可以设置变量的五个属性:“名称”、“数据类型”、“长度”、“地址”、“改变格式”。不同的数据类型,它的长度不一样。如:16位数的长度是2,这时长度框变为灰色,表明不可以更改。当数据类型为文本时,此时长度框内数值默认为10,切为白色,表明可以更改数据长度。输入名称为“TE101”,单击地址域
17、旁边的“选择”按钮,打开“地址属性”对话框。如图3.3.2。在过程变量的“地址属性对话框中,选择数据列表框中过程变量所对应的存储区域,数据(D)对应于变量用到的数据存放在Step7的哪个数据块中。地址(A)则表示数据存放的初始地址。如:在“数据(D)”中选择“位内存”,在“地址(A)”中选择双字,输入“54”,单击“确定”。如图3.3.3。图 3.3.2接下来再建立另外一个变量TE102,以及一些其他的变量,方法如上。如果希望以不同于自动化系统所提供的过程值显示,则可使用线性标定。线性标定并没有规定过程值和变量值的上下限。除二进制变量外,过程变量和内部变量的数值型变量还可以设定上下限。使用限制
18、值,可以避免变量的数值超出 所设置的限制值。当过程值超出上限和下限的范围时,WinCC使数值变为灰色,切不再对其进行任何处理。图 3.3.3当然,为了连接变量时便于寻找,可以先建立一些变量组,把同一个图形对象上的变量或者属性相似的变量放到同一个变量组去。如图3.3.4。在这里,建立了四个变量组:“temperature”、“pressure”、“PID” 和“other”。分别放置相应的变量。图 3.3.4上面所建立的变量都是外部变量。为了方便以后调试,我还建立了一些内部变量和系统变量。内部变量没有对应的过程驱动程序和通道单元,不需要建立相应的通道连接。为建立系统变量,添加“System In
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