PCS7的蒸發(fā)器控制系統(tǒng)設計論文

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了PCS7的蒸發(fā)器控制系統(tǒng)設計論文范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

1系統(tǒng)分析

1．1被控對象分析

蒸發(fā)器的示意所示，其工作流程大致可描述為：待濃縮的稀液從蒸發(fā)器上部進入蒸發(fā)器E1201，吸收過熱蒸汽提供的熱量，稀液中的水分變成二次蒸汽從蒸發(fā)器頂部排出，濃縮液從蒸發(fā)器底部排出；濃縮液濃度不能在線測量；稀液流量為F1201，稀液管線上設閥門V1201；濃縮液流量為F1202，濃縮液管線上設閥門V1202；二次蒸汽流量為F1203，二次蒸汽管線上設閥門V1203；從蒸發(fā)器中部通入滿足工藝要求的過熱蒸汽，蒸汽流量為F1105，過熱蒸汽管線上設閥門V1105；換熱后的過熱蒸汽變?yōu)槔淠懦觥Ｕ舭l(fā)器為真空操作，蒸發(fā)器液位為L1201，溫度為T1201，壓力為P1201。

1．2工藝流程分析蒸發(fā)器的工藝流程可以具體描述為：

1）打開稀液流量閥V1201，向蒸發(fā)器E1201注入稀液，并使蒸發(fā)器液位穩(wěn)定在80％左右。

2）打開過熱蒸汽流量閥V1105和二次蒸汽流量閥V1203，向蒸發(fā)器通入過熱蒸汽，使蒸發(fā)器溫度達到108℃，并保持穩(wěn)定。

3）待濃縮液濃度達到7．5％時，開啟濃縮液流量閥V1202，開始連續(xù)出料，使?jié)饪s液流量達到4．63kg／s，并保持流量平穩(wěn)。

2系統(tǒng)總體方案設計

2．1控制要求與技術指標

（1）控制要求

基礎過程控制（BPCS）的任務是保證蒸發(fā)器溫度、濃縮液濃度以及濃縮液流量均符合工藝要求。根據工藝要求可以將BPCS的控制任務分解為：建立蒸發(fā)器液位、提升蒸發(fā)器溫度、蒸發(fā)器提升負荷運行、濃縮液濃度控制、蒸發(fā)器溫度控制、蒸發(fā)器液位控制、濃縮液流量控制。

（2）系統(tǒng)安全要求

現代過程控制系統(tǒng)包括基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)和安全儀表系統(tǒng)（SIS）。蒸發(fā)過程可能會出現蒸發(fā)器內壓力過大而引起事故，因此SIS系統(tǒng)的設計非常重要。

2．2控制系統(tǒng)總體方案設計

考慮到安全可靠和經濟適用的同時兼顧，本方案選擇了西門子的PLCS7416－2F，與pcs7BOX構成冗余結構，兩個CPU同時具有基礎控制系統(tǒng)（BPCS）和安全控制系統(tǒng)（SIS）的功能，正常運行狀態(tài)下PCS7BOX執(zhí)行BPCS功能，PLCS7416－2F執(zhí)行SIS功能。BPCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)共用一個工程師站和一個操作員站，這樣避免了傳統(tǒng)DCS和SIS之間復雜的數據處理，節(jié)省了成本與安裝費用，系統(tǒng)中備件品種少，經濟性好，并且可以互為代用，便于維護。BPCS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)之間的通信連接采用光纖實現，使系統(tǒng)的安全可靠性大大提高。此外，PCS7BOX和冗余PLC相互獨立，冗余系統(tǒng)的存在與否不影響控制系統(tǒng)的正常運行。用PROFINET工業(yè)以太網擴展此系統(tǒng)，使此系統(tǒng)一方面可與管理系統(tǒng)對接，另一方面具有了良好的可擴展性，能方便地實現監(jiān)控功能，同時使此系統(tǒng)的維護也變得更加方便。

3控制系統(tǒng)硬件設計與實現

3．1儀表供配電設計

為保證供電的安全和可靠，設計供電系統(tǒng)時，應按照用電儀表的電壓等級和電源類型進行設計。本方案采用二級供電方式，由第一級總供電箱直接向設置在底層的各二級供電箱供電，并在第二級供電系統(tǒng)中同樣設置總供電箱、分供電箱。供電系統(tǒng)可采用多回路供電的配電方式，將各分供電箱分別接到總供電箱上的各組端子上，這樣在靈活分配用電負荷的同時能夠分散端子故障所帶來的影響。

3．2輸入／輸出模塊配置

BPCS和SIS的輸入／輸出模塊配置相類似，以BPCS為例，在分析控制系統(tǒng)的基礎上。確定了BPCS所需配置的I／O點數后，即可進行輸入／輸出模塊的選擇。本方案選擇西門子公司的分布式I／O產品ET200M。

3．3系統(tǒng)控制柜設計

接下來是系統(tǒng)控制柜的設計，包括主控制柜和分控制柜的設計，確定控制柜以及輸入輸出模塊后，繪制系統(tǒng)輸入輸出模塊的接線原理圖。

3．4系統(tǒng)組態(tài)

在SIMATICManager中完成系統(tǒng)組態(tài)。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖3上半部分所示，左邊是BPCS系統(tǒng)的硬件組態(tài)，右邊是SIS系統(tǒng)的硬件組態(tài)。通信網絡的組態(tài)如圖3的下半部分所示，完成BPCS功能和SIS功能的DCS和PLC均掛接在PROFIBUS總線上。PCS7BOX和IM153－2分別是BPCS的CPU和ET200M通信模塊；AS400F和IM153－2FO則是SIS的CPU和ET200M通信模塊。

4控制系統(tǒng)軟件設計與實現

4．1控制程序總體設計

根據程序的功能以及程序執(zhí)行情況，控制程序可以被劃分為3個部分：

1）啟動組織塊OB100。OB100在PLC啟動時執(zhí)行一次，通過該組織塊可以實現初始化操作。

2）主程序OB1。OB1由操作系統(tǒng)不斷地循環(huán)調用。通過OB1可以進行系統(tǒng)常規(guī)處理，轉換系統(tǒng)的運行狀態(tài)，比如更新程序中的標志，并進行相應處理。

3）循環(huán)中斷OB35。循環(huán)中斷組織塊按照設定的時間間隔執(zhí)行中斷程序。在循環(huán)中斷中完成模擬量采集、數字濾波、PID運算，最后是控制量輸出。

4．2控制程序設計與實現

（1）S7CFC編程語言

CFC（ContinuousFunctionChart，連續(xù)功能圖）用圖形的方式連接程序庫中的各種功能塊，包括從簡單的邏輯操作到復雜的閉環(huán)和開環(huán)控制等領域。編程的時候將需要的功能塊復制到圖中并用線連接起來即可。定時中斷程序即采用CFC來編寫。

（2）定時中斷的整體結構

在定時中斷中進行模擬量采集、數字濾波、PID運算以及控制信號輸出，同時實現參數超限時的報警和停車。程序的控制單元主要有：溫度控制、液位控制、濃度控制等。不同被控量所需定時中斷的時間間隔均不相同，定時時間要根據現場調試情況來確定。

4．3推理程序設計與實現

經過分析，可以看出被控對象的特點是多回路、多參數、強耦合。因此控制策略為：將復雜大系統(tǒng)分解成相對獨立的簡單子系統(tǒng)進行處理，控制律力求簡單實用。其中，根據對被控對象的分析，發(fā)現濃縮液濃度不可在線測量。為了實現濃度的準確控制，采用了推理控制策略，利用可實時測得的稀液流量、濃縮液流量以及二次蒸汽流量，通過推理運算實現濃度的間接控制。推理控制算法采用SCL（類似于C語言）進行編程，并將其編譯成模塊，供CFC編程調用。BPCS部分主要采用連續(xù)功能圖CFC實現。

4．4系統(tǒng)安全SIS設計

作為保證生產安全的重要措施，安全控制系統(tǒng)主要包含安全儀表和信號報警兩部分。大多數工業(yè)生產過程要求安全儀表系統(tǒng)和信號報警遵循失效安全原則，使工業(yè)設備在發(fā)生故障的時候轉入預定義的安全狀態(tài)。在本方案中，包括了報警指示、緊急停車聯(lián)鎖等安全控制。緊急停車聯(lián)鎖在蒸發(fā)器裝置的機械設備故障、某些過程參數越限、系統(tǒng)自身故障或稀液進料中斷時，對系統(tǒng)實施緊急停車。緊急停車聯(lián)鎖能自動產生一系列預先定義的動作，使工藝裝置和人員處于安全狀態(tài)。

4．5系統(tǒng)監(jiān)控設計

控制系統(tǒng)使用西門子WinCC組態(tài)軟件對操作員站進行了組態(tài)，實現對蒸發(fā)器的實時控制及調整、系統(tǒng)運行監(jiān)控與管理。WinCC使生產過程的狀態(tài)能夠以文字、圖像、曲線和報警等多種形式清晰地表達出來，同時能夠記錄生產過程中發(fā)生的事件，供歷史查詢使用，還可以組態(tài)可打印的報表。

5系統(tǒng)運行與驗證控制

系統(tǒng)在組態(tài)完成后，進行了現場調試運行。系統(tǒng)運行的曲線。圖中系統(tǒng)運行穩(wěn)定后從上到下的曲線依次是蒸發(fā)器液位、蒸發(fā)器溫度、濃縮液流量以及濃縮液濃度。從曲線圖中可以看出，各工藝參數均能滿足技術指標，且濃度估測準確，證實本控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。

作者：袁凱 姜建芳 單位：南京理工大學自動化學院