畢業(yè)設(shè)計(jì)----焦化爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　焦化爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　延遲焦化只是在短時(shí)間內(nèi)加熱到焦化反應(yīng)所需溫度，控制原料在爐管中基本上不發(fā)生裂化反應(yīng)，而延緩到專設(shè)的焦炭塔中進(jìn)行裂化反應(yīng)，“延遲焦化”也正是因此得名。由于延遲焦化具有投資少，操作費(fèi)用低，轉(zhuǎn)化深度高等優(yōu)點(diǎn)，延遲焦化已發(fā)展成為渣油輕質(zhì)化最主要的加工方法之一。。&l

2、t;/p><p>　　可編程控制器是在電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的自動(dòng)控制設(shè)備，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)。它具有可靠性高，抗擾能力強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)周期短，安裝、接線、調(diào)試工作量小，使用維護(hù)方便，具有很高的靈活性、適應(yīng)性及很強(qiáng)的信息處理能

3、力和多功能、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為延遲焦化裝置，通過(guò)控制加熱爐和焦炭塔工作時(shí)間和加熱溫度，來(lái)對(duì)加熱爐和焦炭塔工作溫度加以控制。以PLC為核心，采用固態(tài)繼電器控溫電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)延遲焦化裝置的自動(dòng)控制。本文將采用PID控制，闡述了PID控制器的設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一套溫度采集和控制的方案。該系統(tǒng)具有硬件成本低，控溫精度較高，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。</p&

4、gt;<p>　　關(guān)鍵詞；焦化爐；延遲焦化；溫度控制；PLC</p><p>　　the Design of Coking Burner in Temperature Control</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Delayed coking in a short time cokin

5、g reaction is heated to the required temperature, and the reaction of raw material do not occurs in the furnace tube and is delayed to the coke tower . It is also called“Delayed coking”. As the delayed coking has many ad

6、vantages such as less investment, lower operation cost . Delayed coking has became the main light of the processing methods. Therefore, because of the lake of money and light oil products, especially diesel-gasoline rati

7、o contradictions betwee</p><p>　　Single-chip micro-computer's functions are being constantly enhanced, advanced control algorithms for the carrier to provide many new high-performance models emerged. MCU

8、 in its function, small volume, high reliability, low cost and short development cycles, etc, into the field of automation and other monitoring devices widely used in industrial production as essential components. In the

9、 temperature control system, SCM is the core played an irreplaceable role. As for the heat treatment furnace f</p><p>　　Some equipment on the temperature control requirements are high, this article presents

10、a single chip as the core, PID algorithms designed for the control method of electric furnace temperature control system.</p><p>　　The design of the control object for the delayed coking unit, by controlling

11、 the furnace and the coke tower time and heating temperature to the furnace and the coke drum temperature control. To MCU as the core, using solid state relays temperature control circuit, the automatic control of the de

12、layed coking unit. This article will use PID control, PID controller, described the design, hardware and software design, implementation, a temperature acquisition and control program. The system has the </p><

13、p>　　Key words：coking burner ；delayed coking ；temperature control ；PLC</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　the Design of Coking Burner in

14、Temperature ControlII</p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目錄IV</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1延遲焦化意義1</p><p>　　1.2延遲焦化裝置

15、的發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)延遲焦化裝置存在的問(wèn)題以及技術(shù)要求3</p><p>　　第2章 延遲焦化裝置工藝流程4</p><p>　　2.1延遲焦化裝置主要設(shè)備4</p><p>　　2.1.1加熱爐4</p><p>　　2.1.2焦炭塔5</p><p>　

16、　2.1.3分餾塔7</p><p>　　2.2延遲焦化工藝流程8</p><p>　　2.3預(yù)期達(dá)到的性能指標(biāo)10</p><p>　　第3章 焦化爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1延遲焦化爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.2信號(hào)檢測(cè)12</p><

17、;p>　　3.3溫度傳感器的組成13</p><p>　　3.4傳感器的選擇依據(jù)13</p><p>　　3.5熱電偶工作原理及補(bǔ)償方法13</p><p>　　3.6系統(tǒng)熱電偶的選型及檢測(cè)方式15</p><p>　　3.6.1熱電偶的分類15</p><p>　　3.7溫度檢測(cè)方框圖16</

18、p><p>　　第四章 基于PLC控制的焦化爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.1控制原理以及控制方案的確定18</p><p>　　4.1.1 PID控制原理18</p><p>　　4.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)19</p><p>　　4.1.3 PID控制器的主要優(yōu)點(diǎn)20</p><

19、;p>　　4.1.4 PID控制器的選取21</p><p>　　4.1.4控制方案的確定22</p><p>　　4.2控制系統(tǒng)硬件概述24</p><p>　　4.2上控機(jī)的選型以及基本概念25</p><p>　　4.3 S7一300PLC綜述25</p><p>　　4.3.1 S7一300PL

20、C的基本結(jié)構(gòu)25</p><p>　　4.3.2 S7-300PLC的硬件介紹26</p><p>　　4.3.3 PLC的工作過(guò)程28</p><p>　　4.4系統(tǒng)PLC的硬件組態(tài)29</p><p>　　4.5 STEP7概述30</p><p>　　4.6 STEP 7的硬件接口30</p&g

21、t;<p>　　4.7 STEP 7的編程功能31</p><p>　　4.8 S7-300的編程語(yǔ)言32</p><p>　　4.9 STEP7中的編程技術(shù)33</p><p>　　4.9.1 STEP7中的塊33</p><p>　　4.9.2循環(huán)執(zhí)行的程序組織塊35</p><p>　　4

22、.9.3功能FC和功能塊FB36</p><p>　　4.9.4系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFB36</p><p>　　4.9.5背景數(shù)據(jù)塊和共享數(shù)據(jù)塊37</p><p>　　4.10組態(tài)王的選用37</p><p>　　第5章 工程概算40</p><p><b>　　第1章 緒論</

23、b></p><p><b>　　1.1延遲焦化意義</b></p><p>　　焦化爐已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)產(chǎn)中，它的種類非常多，例如煤炭焦化爐，煉鋼焦化爐以及煉油焦化爐。結(jié)合石油大學(xué)特點(diǎn)我決定以延遲焦化爐為研究對(duì)象。延遲焦化是一種熱裂化工藝。其主要目的是將高殘?zhí)嫉臍堄娃D(zhuǎn)化為輕質(zhì)油。所用裝置可進(jìn)行循環(huán)操作，即將重油的焦化餾出油中較重的餾分作為循環(huán)油，且在裝置中停留

24、時(shí)間較長(zhǎng)。</p><p>　　其優(yōu)點(diǎn)是可提高輕質(zhì)油的收率和脫碳效率。有操作連續(xù)化、處理量大、靈活性強(qiáng)、脫碳效率高的優(yōu)點(diǎn)。 延遲焦化是一種石油二次加工技術(shù)，是指以貧氫的重質(zhì)油為原料，在高溫(約500℃)進(jìn)行深度的熱裂化和縮合反應(yīng)，生產(chǎn)氣體、汽油、柴油、蠟油、和焦炭的技術(shù)。</p><p>　　1.2延遲焦化裝置的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　從20世紀(jì)60年代自主研

25、發(fā)第1套延遲焦化裝置以來(lái)，我國(guó)延遲焦化技術(shù)和裝置建設(shè)得到了較快的發(fā)展，延遲焦化能力已躍居世界第2。特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，延遲焦化更是得到了飛速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)最大的1.6 Mt/a延遲焦化裝置在中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工股份有限公司投產(chǎn)，表明我國(guó)延遲焦化技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我國(guó)延遲焦化裝置主要分布在中國(guó)石油和中國(guó)石化兩大集團(tuán)，截止到2007年12月，兩大集團(tuán)已投產(chǎn)延遲焦化裝置42套，總加工能力約45.45 Mt/a，僅1999～200

26、7年，延遲焦化能力凈增24.82 Mt，使我國(guó)延遲焦化能力占原油加工能力的比例達(dá)到了14％以上。延遲焦化裝置已經(jīng)成為我國(guó)最重要的渣油深度加工裝置，在充分利用原油資源、提高輕質(zhì)油收率方面發(fā)揮了巨大作用。</p><p>　　大型化是世界石油化工的必然發(fā)展趨勢(shì)，大型化的優(yōu)點(diǎn)為在充分利用資源條件下，以最低的投資和操作成本獲取最大經(jīng)濟(jì)效益。延遲焦化裝置也不例外。延遲焦化的大型化包括裝置規(guī)模的大型化和焦炭塔的大型化。延遲焦

27、化裝置大型化之所以成為1種世界性的趨勢(shì)，是因?yàn)榇笮突哂忻黠@的投資省、勞動(dòng)生產(chǎn)率高和生產(chǎn)費(fèi)用低的優(yōu)越性。20世紀(jì)80年代初期，世界上最大的延遲焦化裝置是美國(guó)Chevron公司的Pascagoula煉油裝置，加工能力為3.01 Mt/a，采用“三爐六塔”流程。1993年裝置進(jìn)行了改造，現(xiàn)該裝置處理能力已達(dá)4.28 Mt/a。最近，Lummus公司承擔(dān)一項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，經(jīng)第1階段工作后，裝置處理能力為6.82 Mt/a，據(jù)該公司介紹，該裝置可處

28、理接近9.90 Mt/a的新鮮原料。較大的焦炭塔的設(shè)計(jì)和操作能減少因配合特殊渣油加工所需要的焦炭塔個(gè)數(shù)，顯著提高投資效益。自20世紀(jì)30年代以來(lái)，焦炭塔尺寸一直在加大。1930年時(shí)焦炭塔直徑3 m，80年代后一般為8.2 m左右。目前，焦炭塔的標(biāo)準(zhǔn)直徑為8.2～8.5 m，直徑為9.4 m的焦炭塔也已經(jīng)投入應(yīng)用。2000年以前，我國(guó)延遲焦化裝置焦炭塔的最大直徑僅為</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)延遲焦化裝置存在的

29、問(wèn)題以及技術(shù)要求</p><p>　　國(guó)內(nèi)的延遲焦化技術(shù)雖然取得了一定的進(jìn)步，但和世界先進(jìn)水平的裝置還存在一定的差距，主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。</p><p>　　（1）焦炭產(chǎn)率高：國(guó)外焦炭產(chǎn)率與原料殘?zhí)勘戎狄话銥?.3，中國(guó)石油高達(dá)1.73，焦炭產(chǎn)率高3%～4%以上，多產(chǎn)焦炭400 kt/a，影響輕油收率。</p><p>　?。?）生焦周期長(zhǎng)：國(guó)內(nèi)仍采用24 h生焦

30、循環(huán)周期，處理量比國(guó)外低約15%～20%。國(guó)外多數(shù)采用16～18 h生焦循環(huán)周期。</p><p>　?。?）循環(huán)比偏高：國(guó)內(nèi)大部分裝置循環(huán)比超過(guò)了0.3，國(guó)外一般在0.1以下。</p><p><b>　?。?）裝置能耗偏高</b></p><p>　　隨著原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化和我國(guó)原油進(jìn)口依存度的提高，延遲焦化工藝仍將是我國(guó)重油加工的主要途徑

31、。延遲焦化仍是重油深度加工的主要裝置，延遲焦化裝置發(fā)展趨勢(shì)是大型化、高效化、清潔化。我國(guó)延遲焦化技術(shù)需要解決裝置的生焦周期長(zhǎng)、焦炭產(chǎn)率高、能耗高等問(wèn)題。</p><p>　　第2章 延遲焦化裝置工藝流程</p><p>　　2.1延遲焦化裝置主要設(shè)備</p><p><b>　　2.1.1加熱爐</b></p><p>

32、;　　加熱爐是延遲焦化工藝中的關(guān)鍵設(shè)備,燃料在爐膛內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的高溫火焰和煙氣作為熱源通過(guò)爐管管壁來(lái)加熱爐管中流動(dòng)的重質(zhì)油,使其達(dá)到工藝所需的溫度。但如果由于設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)而使?fàn)t溫局部過(guò)高,就會(huì)發(fā)生爐管內(nèi)流體結(jié)焦、爐管燒穿等事故,迫使裝置停工檢修;反之,如果由于設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)而使?fàn)t溫過(guò)低或局部過(guò)低,管內(nèi)的流體就達(dá)不到所需的反應(yīng)溫度。所以這是本次畢設(shè)解決的重點(diǎn)。圖2-1為加熱爐。</p><p>　　圖2-1

33、加熱爐系統(tǒng)流程圖</p><p><b>　　2.1.2焦炭塔</b></p><p>　　延遲焦化裝置中，渣油等原料在焦炭塔中進(jìn)行熱裂化反應(yīng)，產(chǎn)生氣體、液體產(chǎn)品和石油焦，因此焦碳塔是延遲焦化最重要的設(shè)備之一。焦碳塔工藝特點(diǎn)是要求塔內(nèi)保持適宜氣相流速，空塔線速過(guò)高將導(dǎo)致焦粉帶出，易使主分餾塔底和加熱爐管提前結(jié)焦。焦炭塔直徑根據(jù)空塔線速確定。國(guó)內(nèi)焦炭塔直徑過(guò)去多為5.4

34、m，20世紀(jì)80年代國(guó)外開(kāi)始設(shè)計(jì)直徑為8.4m以上的焦炭塔。焦炭塔高度按照每周期的生焦量確定。焦炭塔高徑比推薦值為3.6～4，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)高徑比為4.5左右，焦炭塔利用系數(shù)國(guó)外已達(dá)80％，國(guó)內(nèi)只有60％左右，比較低。原因主要是由于空塔線速較高，沒(méi)有安裝檢測(cè)、控制焦炭塔焦層料位儀或使用不好，大部分憑經(jīng)驗(yàn)操作，為實(shí)現(xiàn)安全操作，余地留得很大，焦炭塔只能在較低的生焦高度下切換，塔的利用系數(shù)較低。防止瀝青質(zhì)泡沫夾帶就可提高焦炭塔的利用系數(shù)。加入有機(jī)硅

35、系消泡劑可以降低泡沫高度、減輕泡沫夾帶。加劑后，塔內(nèi)泡沫層高度可由4m降至1m左右，從而提高焦炭塔容積利用率，提高了裝置處理能力，加入消泡劑、阻泡劑是根據(jù)塔內(nèi)允許氣體速度確定的。焦炭塔的允許氣體速度取決于氣體密度和原料的泡沫傾向。 焦炭塔是一個(gè)直立園柱殼壓力容器，頂部是球形</p><p><b>　　2.1.3分餾塔</b></p><p>　　遲焦化裝置中

36、的分餾塔系統(tǒng)，如圖2-2所示，實(shí)際上它是一個(gè)帶側(cè)線進(jìn)料和出料的多組份復(fù)合精餾系統(tǒng)。由焦炭塔塔頂來(lái)的油氣混合物(富氣、汽油、柴油、蠟油、循環(huán)油餾份)，在分餾塔下段換熱區(qū)與減壓渣油接觸換熱后，循環(huán)油餾份被冷凝，其余大量油氣沿塔上升后，分餾出富氣、汽油、柴油和蠟油。蠟油從第3塊板上抽出，一路經(jīng)換熱冷卻至230℃后，返回到第6塊塔板作回流，另一路冷卻至80℃出裝置;中段回流從分餾塔第九層抽出，經(jīng)換熱冷卻后返回第十一層塔板:柴油從分餾塔第十三板抽

37、出，一路經(jīng)換熱返回到塔下層作回流，另一路經(jīng)冷卻出裝置;分餾塔頂回流由第二十四層塔板抽出，經(jīng)換熱冷卻至50℃返回塔頂;分餾塔頂汽油經(jīng)分餾塔頂空冷器、水冷器，冷卻到40℃進(jìn)入分餾塔頂汽油分離罐，分離出汽油和富氣。</p><p>　　圖2-2 分餾塔系統(tǒng)流程圖</p><p>　　2.2延遲焦化工藝流程</p><p>　　延遲焦化裝置的工藝有不同的類型。就生產(chǎn)規(guī)模

38、而言，有一爐兩塔焦化和兩爐四塔焦化。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我準(zhǔn)備以一爐兩塔為例。圖2-3為延遲焦化裝置流程圖。</p><p>　　圖2-3 延遲焦化裝置流程圖</p><p>　　常減壓裝置的減壓渣油和少量的瀝青混合作為原料,經(jīng)一系列換熱后進(jìn)入分餾塔下段的換熱洗滌區(qū),與來(lái)自焦炭塔頂?shù)挠蜌膺M(jìn)行逆向的接觸和換熱。油氣中的重組分被冷凝下來(lái)作為循環(huán)油與原料油一起流入分餾塔底。塔底焦化油由泵抽出,在流

39、量控制下,分四路進(jìn)入加熱爐對(duì)流段和輻射段,其溫度被快速升至500℃左右。加熱爐中的每個(gè)支路設(shè)有3個(gè)蒸汽注汽點(diǎn),用以提高爐管內(nèi)油氣的流量,防止?fàn)t管內(nèi)結(jié)焦。加熱爐出口兩相高溫物流經(jīng)四通閥進(jìn)入焦炭塔底部。高溫焦化油在焦炭塔內(nèi)具有相對(duì)較長(zhǎng)的停留時(shí)間,并在此發(fā)生裂解、縮合等一列反應(yīng),生成反應(yīng)油氣和焦炭。焦炭由下至上聚結(jié)在焦炭塔內(nèi),反應(yīng)油氣由焦炭塔頂逸出,經(jīng)來(lái)自分餾塔蠟油急冷降溫后進(jìn)入分餾塔換熱塔板下部。進(jìn)入分餾塔的焦化油氣與原料進(jìn)行接觸換熱,循環(huán)

40、油流入塔底,換熱后油氣上升進(jìn)入分餾段,從下往上分餾出蠟油、柴油、汽油和富氣。蠟油、柴油采用集油箱液位與側(cè)線流量串級(jí)的全抽出設(shè)計(jì),分餾塔內(nèi)的溫度分布對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制非常重要。其中,柴油的干點(diǎn)和凝固點(diǎn)質(zhì)量指標(biāo)是其中的關(guān)鍵變量,而汽油和蠟油具有較寬泛的質(zhì)量指標(biāo)范圍。</p><p>　　2.3預(yù)期達(dá)到的性能指標(biāo)</p><p>　　焦化爐溫控系統(tǒng)的目的就是要求根據(jù)爐溫的變化，隨時(shí)調(diào)節(jié)供熱量，自動(dòng)

41、組織合理燃燒，使焦化爐加熱合理，爐溫穩(wěn)定。爐膛溫度在能保證管內(nèi)焦炭燃燒的條件下，應(yīng)盡量低些，正常燒焦?fàn)t膛溫度為600℃，最高小于650℃。具體主要體現(xiàn)在以下方面；</p><p>　　(1)出口、爐膛溫度小于最低限時(shí)，停止一切進(jìn)料。</p><p>　　(2)出口、爐膛溫度小于低限時(shí)，緩慢小流量進(jìn)料。</p><p>　　(3)出口、爐膛溫度大于高限時(shí)，減少進(jìn)料，慢

42、慢停止。</p><p>　　(4)出口、爐膛溫度大于最高限時(shí)，停止設(shè)備運(yùn)行。</p><p>　　第3章 焦化爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1延遲焦化爐溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</p><p>　　延遲焦化裝置加熱爐用于原料的加熱和再加熱，加熱爐的過(guò)程控制目的是以最少的熱能(煤氣或其它燃?xì)?把爐膛的溫度穩(wěn)定均勻地加熱到工藝要求

43、的目標(biāo)值。過(guò)程控制的內(nèi)容包括:采用正確的控制策略、配置合理的控制系統(tǒng)、選用合適的控制設(shè)備及恰當(dāng)?shù)耐ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)等。通過(guò)對(duì)整個(gè)熱工控制系統(tǒng)的分析，根據(jù)延遲焦化爐加熱爐的燃燒特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了脈沖燃燒方式進(jìn)行控制，并依此對(duì)整個(gè)熱工控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)框圖如圖3一l。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由上位工控機(jī)的監(jiān)控部分、PLC系統(tǒng)，信號(hào)檢測(cè)部分及執(zhí)行機(jī)構(gòu)幾部分組成，其中工控機(jī)和PLC采用MP工網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。上位工控機(jī)在線實(shí)時(shí)記錄、監(jiān)控和顯示數(shù)據(jù);PLC向上位

44、機(jī)傳遞設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)的實(shí)時(shí)控制命令，通過(guò)控制閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)燃燒介質(zhì)(燃?xì)夂涂諝?的壓力和流量進(jìn)行控制，從而達(dá)到最終控制溫度目的。</p><p>　　圖3-1 延遲焦化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由圖3-1可知，溫度傳感器采集到數(shù)據(jù)后送給S7-300PLC，S7-300PLC通過(guò)運(yùn)算后給燃料控制閥和蒸汽控制閥一個(gè)控制信號(hào)從而控制加熱爐出口溫度與爐膛溫度。上位

45、機(jī)是編寫PLC程序以及監(jiān)控溫度的變化。本章主要就溫度和流量的檢測(cè)原理、傳感器的選型及檢測(cè)方式做詳細(xì)描述。</p><p><b>　　3.2信號(hào)檢測(cè)</b></p><p>　　傳感器是信號(hào)檢測(cè)的主要裝置，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的一切信息都要通過(guò)傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)，是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。如果把計(jì)算機(jī)比作大腦，那么傳感器則相

46、當(dāng)于五官，一個(gè)控制系統(tǒng)的成功與否，傳感器的作用是十分重要。</p><p>　　3.3溫度傳感器的組成</p><p>　　傳感器是把被檢測(cè)量變換為有用信號(hào)的一種裝置，它包括敏感元件、變換電路以及把這些元件和電路組合在一起的機(jī)構(gòu)。它能正確感受被測(cè)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，對(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量起決定性作用。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成。</p><p>

47、;　　3.4傳感器的選擇依據(jù)</p><p>　　選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面的問(wèn)題。</p><p>　　3.5熱電偶工作原理及補(bǔ)償方法</p><p><b>　　1、熱電偶工作原理</b></p><p>　　熱電偶測(cè)溫原理是基于1821年塞貝克(seebeck)

48、發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象，將兩種不同的導(dǎo)體A和B連接在一起構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)1與2處于不同的溫度時(shí)(見(jiàn)圖3-1)，如果T>TO，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)EAB，此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。導(dǎo)體A，B稱為熱電極。測(cè)溫時(shí)接點(diǎn)1置于被測(cè)的溫度場(chǎng)中，稱為測(cè)量端，接點(diǎn)2一般處在某一恒定溫度，稱為參考端。由這兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化成熱電勢(shì)的傳感器稱為熱電偶。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一的溫差電勢(shì)組成的。</p>

49、;<p>　　圖3-1 熱電偶原理圖</p><p><b>　　l)接觸電勢(shì)</b></p><p>　　由于互相接觸的兩種金屬導(dǎo)體內(nèi)自由電子的密度不同造成的。當(dāng)兩種不同的金屬A、B接觸在一起時(shí)，在金屬A、B的接觸處會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散。電子擴(kuò)散的速度和自由電子的密度及金屬所處的溫度成正比。設(shè)金屬A、B的自由電子密度分別為NA和NB，并且NA》NB，在

50、單位時(shí)間內(nèi)由金屬A擴(kuò)散到金屬B的電子數(shù)要比從金屬B擴(kuò)散到金屬A的電子數(shù)多，這樣，金屬A因失去電子而帶正電，金屬B因得到電子而帶負(fù)電，</p><p><b>　　2)溫差電勢(shì)</b></p><p>　　在一根勻質(zhì)的金屬導(dǎo)體中，如果兩端的溫度不同，在導(dǎo)體的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，這種電勢(shì)成為溫差電勢(shì)。溫差電勢(shì)的形成是由于導(dǎo)體內(nèi)高溫端自由電子的動(dòng)能比低溫端自由電子的動(dòng)能大，高溫

51、自由電子的擴(kuò)散速率比低溫端自由電子的擴(kuò)散速率大。因此對(duì)導(dǎo)體的某一薄層，溫度較高的一邊失去電子而帶正電，溫度較低的一邊因得到電子而帶負(fù)電，從而形成了電位差。</p><p>　　3.6系統(tǒng)熱電偶的選型及檢測(cè)方式</p><p>　　3.6.1熱電偶的分類</p><p>　　熱電偶的分度號(hào)有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等幾種。其中S、R、B屬于貴金屬熱電偶，N

52、、K、E、J、T屬于廉金屬熱電偶。以下介紹幾種常用熱電偶使用特點(diǎn):</p><p>　　S分度號(hào)長(zhǎng)期使用溫度1400℃，短期1600℃。在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。它的物理，化學(xué)性能良好，熱電勢(shì)穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。</p><p>　　N分度號(hào)的特點(diǎn)是1300℃下高溫抗氧化能力強(qiáng)，熱電動(dòng)勢(shì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循

53、環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻照及耐低溫性能也好，可以部分代替S分度號(hào)熱電偶。</p><p>　　K分度號(hào)長(zhǎng)期使用溫度1000℃，短期1200℃。K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中，在所有熱電偶中使用最廣泛。</p><p>　　3.6.2系統(tǒng)熱電偶的選型</p><p>　　根據(jù)爐溫和爐

54、子的氣氛，以及分析熱電偶的特點(diǎn)，系統(tǒng)選用了S型熱電偶(鉑鍺10-鉑熱電偶)和K型熱電偶(鎳鉻一鎳硅熱電偶)。其中分度S熱電偶選用高鋁套管，分度K的熱電偶選用鐵素體不銹鋼套管。</p><p>　　延遲焦化爐選用精度等級(jí)為III級(jí)的熱電偶，允許溫度誤差在1一2℃。完全滿足工業(yè)加熱爐工藝需要。</p><p>　　3.6.3溫度測(cè)量點(diǎn)</p><p>　　根據(jù)焦化爐加熱

55、爐的工藝要求，主要測(cè)量為爐膛溫度以及爐出口溫度。根據(jù)不同檢測(cè)點(diǎn)溫度的不同類型，各檢測(cè)點(diǎn)具體的熱電偶選型如表1</p><p>　　表1 熱電偶的選型</p><p>　　3.7溫度檢測(cè)方框圖</p><p>　　因?yàn)闊犭娕际且环N發(fā)電型傳感器，其輸出信號(hào)可直接接入記錄儀器或模塊。而S7一300的模擬量輸入模塊可專門設(shè)置為熱電偶的輸入，所以將熱電偶檢測(cè)的溫度信號(hào)直接

56、接到模塊上即可。但當(dāng)熱電偶輸出信號(hào)需要多路輸出時(shí)，不要并聯(lián)儀表或模塊，會(huì)影響傳感器顯示精度誤差，須經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離器處理完成進(jìn)入下一級(jí)信號(hào)處理溫度檢測(cè)方框圖3-8:</p><p>　　圖3-2 溫度檢測(cè)方框圖</p><p>　　第四章 基于PLC控制的焦化爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1控制原理以及控制方案的確定</p><p>　

57、　4.1.1 PID控制原理</p><p>　　PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量來(lái)進(jìn)行控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)、控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適合采用PID控制技術(shù)。<

58、/p><p>　　（1）比例（P）控制</p><p>　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。</p><p>　?。?）積分（I）控制</p><p>　　在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系

59、統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的運(yùn)算取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，采用比例+積分(PI)控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤

60、差。</p><p>　?。?）微分（D）控制</p><p>　　在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大的慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的

61、作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　4.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn) </p>

62、;<p>　　控制系統(tǒng)一般包括開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(Open-loop Control System)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響，在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控制量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed-loop Control System)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出,形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系

63、統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋,若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反,則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)；若極性相同，則稱為正反饋。一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)?？梢?jiàn)，閉環(huán)控制系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　PID就是應(yīng)用最廣泛的閉環(huán)控制器。如圖4-1所示系統(tǒng)是用于延遲焦化加熱爐溫度控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定值為期望的加熱爐溫度，閉環(huán)控制器的反饋

64、值通過(guò)溫度傳感器測(cè)得，并經(jīng)A/D變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；目標(biāo)設(shè)定值與溫度傳感器的反饋信號(hào)相減，其差送入PID控制器，經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算，得到疊加的一個(gè)數(shù)字量；該數(shù)字量經(jīng)過(guò)上限、下限限位處理后進(jìn)行D/A變換，輸出一個(gè)電信號(hào)去控制燃?xì)饪刂崎y以及蒸汽控制閥，以控制加熱爐的溫度。該系統(tǒng)的PID控制器一般采用PLC提供的專用模塊，也可以采用編程的方法生成一個(gè)數(shù)字PID控制器。同時(shí)，其它功能如A/D、D/A都由PLC實(shí)現(xiàn)，加熱爐的反饋信號(hào)直接送PLC

65、采集，控制閥的電信號(hào)也由PLC送出，從而控制加熱爐的溫度。 </p><p>　　根據(jù)延遲焦化爐的特點(diǎn)以及PID控制的優(yōu)點(diǎn)，我決定采用加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)溫度控制系統(tǒng)。圖4-1為加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖</p><p>　　4.1.3 PID控制器的主要優(yōu)點(diǎn) </p><p>　　PID控制器成為應(yīng)用最廣泛的控制器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p>&

66、lt;p>　?。?）PID算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。其中，比例（P）代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過(guò)程反應(yīng)迅速。微分（D）在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表將來(lái)的信息。在過(guò)程開(kāi)始時(shí)強(qiáng)迫過(guò)程進(jìn)行，過(guò)程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。積分（I）代表了過(guò)去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。此三種作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過(guò)程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到

67、良好的效果。</p><p>　?。?）PID控制適應(yīng)性好，有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)各種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，都可在不同的程度上應(yīng)用。特別適于“一階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”和“二階慣性環(huán)節(jié)+純滯后”的過(guò)程控制對(duì)象。</p><p>　　（3）PID算法簡(jiǎn)單明了，各個(gè)控制參數(shù)相對(duì)較為獨(dú)立，參數(shù)的選定較為簡(jiǎn)單，形成了完整的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整方法，很容易為工程技術(shù)人員所掌握。 </p><p>

68、　?。?）PID控制根據(jù)不同的要求，針對(duì)自身的缺陷進(jìn)行了不少改進(jìn)，形成了一系列改進(jìn)的PID算法。例如，為了克服微分帶來(lái)的高頻干擾的濾波PID控制，為克服大偏差時(shí)出現(xiàn)飽和超調(diào)的PID積分分離控制，為補(bǔ)償控制對(duì)象非線性因素的可變?cè)鲆鍼ID控制，等。這些改進(jìn)算法在一些應(yīng)用場(chǎng)合取得了很好的效果。同時(shí)當(dāng)今智能控制理論的發(fā)展，又形成了許多智能PID控制方法。</p><p>　　4.1.4 PID控制器的選取</p&g

69、t;<p>　　PID控制器的性能和處理速度只與所采用的CPU的性能有關(guān)。對(duì)于任意給定的CPU，控制器的數(shù)量和每個(gè)控制器被調(diào)用的頻率是相互矛盾的?？刂骗h(huán)執(zhí)行的速度，也即在每個(gè)時(shí)間單元內(nèi)操作值必須被更新的頻率決定了可以安裝的控制器的數(shù)量。對(duì)要控制的過(guò)程類型沒(méi)有限制，遲延系統(tǒng)（溫度、液位等）和快速系統(tǒng)（流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等）都可以作為被控對(duì)象。</p><p>　　過(guò)程分析時(shí)應(yīng)注意：控制過(guò)程的靜態(tài)性能（比例

70、）和動(dòng)態(tài)性能（時(shí)間延遲、死區(qū)和重設(shè)時(shí)間等）對(duì)被控過(guò)程控制器的構(gòu)造和設(shè)計(jì)以及靜態(tài)（比例）和動(dòng)態(tài)參量（積分和微分）的維數(shù)選取有著很大的影響。準(zhǔn)確地了解控制過(guò)程的類型和特性數(shù)據(jù)是非常必要的。</p><p>　　控制器選取時(shí)應(yīng)注意：控制環(huán)的特性由被控過(guò)程或被控機(jī)械的物理特性決定，并且設(shè)計(jì)中可以改變的程度不是很大。只有選用了最適合被控對(duì)象的控制器并使其適應(yīng)過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間，才能得到較高的控制質(zhì)量。不用通過(guò)編程就可以生成控制

71、器的大部分功能（構(gòu)造、參數(shù)設(shè)置和在程序中的調(diào)用等），前提是必須已經(jīng)掌握STEP 7的編程基礎(chǔ)知識(shí)。</p><p>　　4.1.4控制方案的確定</p><p>　　根據(jù)延遲焦化爐的特點(diǎn)以及PID控制的優(yōu)點(diǎn)，我決定采用加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)溫度控制系統(tǒng)。圖4-1為加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖</p><p>　　圖4-1 加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖</

72、p><p>　　圖4-2 加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　系統(tǒng)的工作原理是：各段的控溫?zé)犭娕紮z測(cè)的爐溫值y（t）輸入到PLC模擬量輸入模塊，與設(shè)定值r（t）進(jìn)行比較，對(duì)其差值進(jìn)行PI運(yùn)算后輸出p（k），再進(jìn)入脈寬調(diào)節(jié)比較器比較。p（k）作為調(diào)節(jié)比較器的輸入，使調(diào)節(jié)比較器輸出</p><p>　　f（k），輸入與輸出的函數(shù)關(guān)系是：</p>&

73、lt;p>　　其中D0、D1為4—20mA范圍內(nèi)的工程設(shè)定值。比較器根據(jù)這兩個(gè)給定值來(lái)工作，比較的結(jié)果通過(guò)PLC數(shù)字量輸出模塊輸出到控制閥來(lái)控制燃?xì)狻⒄羝o進(jìn)量。即當(dāng)輸入電流低于D0時(shí)，調(diào)節(jié)比較器的比較結(jié)果為“1”，通過(guò)PLC數(shù)字量輸出模塊輸出高電位，驅(qū)動(dòng)控制閥，減少燃料給進(jìn)量，增加蒸汽給進(jìn)量。隨著溫度的下降，爐溫檢測(cè)值與設(shè)定值的偏差增大，當(dāng)輸入電流高于D1比較器的比較結(jié)果又為“0”，PLC數(shù)字量輸出模塊再次輸出高電位，驅(qū)動(dòng)控制閥

74、，增加燃料給進(jìn)量，減少蒸當(dāng)D0<p（k）<D1時(shí)比較器不輸出信號(hào)，不對(duì)爐溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。如此交替往復(fù)，使?fàn)t溫始終被控制在以爐溫設(shè)定值為目標(biāo)的一個(gè)波動(dòng)范圍內(nèi)。從加熱爐安全角度考慮，調(diào)節(jié)閥應(yīng)該選氣開(kāi)閥，即如果調(diào)節(jié)閥的控制信號(hào)中斷，閥門應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，控制信號(hào)上升，閥門開(kāi)度增大，流量增加，是正作用方式。反之，為負(fù)作用方式。副對(duì)象的輸入信號(hào)是燃料流量，輸出信號(hào)是閥后燃料壓力，流量上升，壓力亦增加是正作用方式。測(cè)量變送單元作用方式均為正。

75、</p><p>　　4.2控制系統(tǒng)硬件概述</p><p>　　根據(jù)延遲焦化裝置焦化爐的工藝要求，系統(tǒng)采用德國(guó)西門子(SIEMENS)公司的可編程控制器 (PLC)S7一300和上位機(jī)，組成先進(jìn)、實(shí)用、可靠的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。由一次儀表采集的各種過(guò)程變量送入PLC，再由PLC根據(jù)設(shè)定控制方式和控制目標(biāo)值分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)過(guò)程變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)各點(diǎn)的溫度、壓力、流量的調(diào)節(jié)控制。操作人員

76、通過(guò)鍵盤或鼠標(biāo)與工控機(jī)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，設(shè)定爐子的各項(xiàng)熱工參數(shù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)人工設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行操作。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中將流量、壓力、溫度等參數(shù)送工控機(jī)處理，并在顯示屏上顯示，同時(shí)可隨時(shí)調(diào)閱各種歷史檔案或根據(jù)用戶要求打印各種生產(chǎn)報(bào)表，聲光報(bào)警系統(tǒng)可及時(shí)對(duì)故障、誤操作等進(jìn)行報(bào)警，并向操作者提示處理方法。本系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單。</p><p>　　4.2上控機(jī)的選型以及基本概念</p><p&g

77、t;　　上位機(jī)在工業(yè)控制當(dāng)中又被稱為HMI,就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，只不過(guò)它的作用是監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題在上位機(jī)上就能顯示出各設(shè)備之間的狀態(tài)，系統(tǒng)采用了QR-A/QR-B/QR-C型控制機(jī)上位機(jī).計(jì)算機(jī)基本配置為:320G硬盤，4G內(nèi)存。為了使界面友好，更加方便操作，采用了21寸夜晶顯示器。</p><p>　　4.3 S7一300PLC綜述</p><p>　　4.3.1

78、S7一300PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　S7一300PLC采用背板總線的方式將各模塊從物理上和電氣上連接起來(lái)。除CPU模塊外，每塊信號(hào)模塊都帶有總線連接器。安裝時(shí)先將總線連接器裝在CPU模塊并固定在導(dǎo)軌上，然后依次將各模塊裝入。電源模塊與CPU模塊和其它信號(hào)模塊之間是通過(guò)電纜連接。S7一300屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號(hào)模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。圖4

79、-3為PLC控制系統(tǒng)示意圖。</p><p>　　圖4-3 PLC控制系統(tǒng)示意圖</p><p>　　4.3.2 S7-300PLC的硬件介紹</p><p>　　S7-300（見(jiàn)圖4-4）由多種模塊部件組成，包括導(dǎo)軌（Rack）、電源模塊（PS）、CPU模塊、接口模塊（IM）、輸入輸出模塊（SM）。各種模塊能以不同方式組合在一起，從而可使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活

80、，滿足不同的應(yīng)用需求。</p><p>　　圖4-4 PCL實(shí)物圖</p><p>　　4.3.3 PLC的工作過(guò)程</p><p>　　圖4-5 設(shè)計(jì)自動(dòng)化的基本步驟</p><p>　　爐膛溫度是加熱爐的重要工藝參數(shù)，爐膛溫度高，輻射室內(nèi)的傳熱量就大，爐出口溫度就高。反之，傳熱量就小，爐出口溫度就低。所以，如果爐出口溫度確定后，

81、提高爐膛溫度，即可提高裝置處理量。但爐出口溫度過(guò)高時(shí)，輻射管熱強(qiáng)度增高，爐管結(jié)焦速度加快，入對(duì)流室的煙氣溫度增高，對(duì)流管易變形，易結(jié)焦被燒壞；影響加熱爐的長(zhǎng)周期的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。爐膛溫度的高低還影響燃燒和爐熱效率的高低。圖4-5為設(shè)計(jì)自動(dòng)化的基本步驟。</p><p>　　4.4系統(tǒng)PLC的硬件組態(tài)</p><p>　　在生成項(xiàng)目后，先插入站，然后就可以組態(tài)硬件。在組態(tài)硬件時(shí)，借助模板樣本可編程

82、控制器中的CPU及各模板進(jìn)行定義，通過(guò)雙擊站來(lái)啟動(dòng)硬件組態(tài)的應(yīng)用程序。首先根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)的性質(zhì)和點(diǎn)數(shù)，以及對(duì)控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)的硬件配置，例如CPU模塊的型號(hào)，輸入、輸出模塊、功能模塊和通信處理模塊等各種模塊的型號(hào)和每種型號(hào)的塊數(shù)。硬件組態(tài)的任務(wù)就是在STEP7中生成一個(gè)與實(shí)際的硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)。硬件組態(tài)確定了PLC輸入、輸出變量的地址，為設(shè)計(jì)程序打下了基石出。組態(tài)時(shí)設(shè)置的CPU的參數(shù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDB中，

83、其它模塊的參數(shù)保存在CPU中。在PLC啟動(dòng)時(shí)CPU自動(dòng)地向其它模塊傳送設(shè)置的參數(shù)，因此在更換CPU之外的模塊后不需要重新對(duì)它們賦值。</p><p><b>　　硬件組態(tài)的步驟:</b></p><p>　　l)生成站，雙擊“HARDWARE”圖標(biāo)，進(jìn)入硬件組態(tài)窗口:</p><p>　　2)生成機(jī)架，在機(jī)架中放置模塊;</p>

84、<p>　　3)雙擊模塊，在打開(kāi)的對(duì)話框中設(shè)置模塊的參數(shù)，包括模塊的屬性和DP主站、從站的參數(shù);</p><p>　　4)保存硬件設(shè)置，并將它下載到PLC中去。</p><p>　　一旦存儲(chǔ)并退出硬件組態(tài)，對(duì)于在組態(tài)中生成的每一個(gè)可編程模板，都會(huì)自動(dòng)生成S7程序及空的連接表。連接表可用來(lái)定義網(wǎng)絡(luò)中可編程模板之間的通訊連接。</p><p>　　4.5 ST

85、EP7概述</p><p>　　STEP 7編程軟件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。在STEP 7中，用項(xiàng)目來(lái)管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、

86、C7和WinAC的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。</p><p>　　4.6 STEP 7的硬件接口</p><p>　　PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計(jì)算機(jī)的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計(jì)算機(jī)一側(cè)的通信速率為19.2 kbit/s或38.4 kbit/s，PLC一側(cè)的通信速率為19.2 kbit/s~1.5M

87、bit/s。除了PC適配器，還需要一根標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C通信電纜。使用計(jì)算機(jī)的通信卡CP 5611、CP 5511或CP 5512，可以將計(jì)算機(jī)連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC的通信。也可以使用計(jì)算機(jī)的工業(yè)以太網(wǎng)通信卡CP 1512或CP 1612，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC通信。在計(jì)算機(jī)上安裝好STEP7后，在管理器中執(zhí)行菜單命令“Option”→“Setting the PG/PC Interf

88、ace”,打開(kāi)“Install/Remove Interfaces”對(duì)話框。在中間的選擇框中，選擇實(shí)際使用的硬件接口。點(diǎn)擊【Select…】按鈕，打開(kāi)“Install/Remove Interfaces”對(duì)話框，可以安裝選擇框中沒(méi)有列出的硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序。點(diǎn)擊【Properties…】按鈕，可以設(shè)置計(jì)算機(jī)與PLC通信的參數(shù)。</p><p>　　4.7 STEP 7的編程功能</p><p&

89、gt;　　STEP 7的標(biāo)準(zhǔn)版只配置了3種基本的編程語(yǔ)言，梯形圖（LAD）、功能塊圖（FDB）和語(yǔ)句表（STL），有鼠標(biāo)拖放、復(fù)制和粘貼功能。語(yǔ)句表是一種文本編程語(yǔ)言，使用戶能節(jié)省輸入時(shí)間和存儲(chǔ)區(qū)域，并且“更接近硬件”。STEP 7專業(yè)版的編程語(yǔ)言包括S7-SCL（結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言）、S7-GRAPH（順序功能圖語(yǔ)言）、S7 HiGraph和CFC，這四種語(yǔ)言對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)版是可選的。STEP 7用符號(hào)表編輯器工具管理所有的全局變量，用于定義符

90、號(hào)名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號(hào)表可供所有應(yīng)用程序使用，所有工具自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)參數(shù)的變化。</p><p>　　測(cè)試功能和服務(wù)功能包括設(shè)置斷點(diǎn)、強(qiáng)制輸入和輸出、重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、直接下載和調(diào)試塊、同時(shí)監(jiān)測(cè)幾個(gè)塊的狀態(tài)等。程序中的特殊點(diǎn)可以通過(guò)輸入符號(hào)名或地址快速查找</p><p>　　STEP 7的幫助功能：選定想要得到的在線幫助的菜單目錄，或打開(kāi)

91、對(duì)話框，按F1鍵便可得到與它們有關(guān)的在線幫助。執(zhí)行菜單命令“Help”→“Contents”進(jìn)入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關(guān)鍵詞，可以查找與某一關(guān)鍵詞有關(guān)的幫助</p><p>　　4.8 S7-300的編程語(yǔ)言</p><p>　　IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）是為電子技術(shù)的所有領(lǐng)域制定全球標(biāo)準(zhǔn)的世界性組織。IEC61131是PLC的

92、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，1979年成立了IEC61131工作組，1992~1995年發(fā)布了IEC61131標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)參照IEC61131標(biāo)準(zhǔn)，在1995年11月發(fā)布了PLC的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15969。該標(biāo)準(zhǔn)基本上采用了IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的前四部分。</p><p>　　IEC61131由以下5部分組成：</p><p><b>　?。?）通用信息。</b></p>

93、<p>　?。?）設(shè)備要求與測(cè)試。</p><p><b>　?。?）編程語(yǔ)言。</b></p><p><b>　?。?）用戶指南。</b></p><p>　?。?）通信服務(wù)規(guī)范。</p><p>　　其中的第三部分（IEC61131-3）是PLC的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，它鼓勵(lì)不同的PLC制

94、造商提供在外觀和操作商相似的指令。IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)使用戶在使用新的PLC時(shí)可以減少培訓(xùn)的時(shí)間；對(duì)于生產(chǎn)廠家，將減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間，可以投入更多的精力去滿足用戶的特殊要求。</p><p>　　由于IEC61131-3自動(dòng)化編程語(yǔ)言的諸多優(yōu)點(diǎn)，它已成為自動(dòng)化工業(yè)中擁有廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，已有越來(lái)越多的PLC廠家提供符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，世界上著名的自動(dòng)化設(shè)備制造商，例如西門子、羅克威爾、A

95、BB、施耐德、GE、三菱、富士等公司都推出了不同程度與IEC61131-3兼容的產(chǎn)品。不僅限于PLC，IEC61131-3還廣泛應(yīng)用于集散控制系統(tǒng)（DCS）和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、在PC上運(yùn)行的“軟件PLC”軟件包、數(shù)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程終端單元等產(chǎn)品。</p><p>　　4.9 STEP7中的編程技術(shù)</p><p>　　4.9.1 STEP7中的塊</p><p>　　ST

96、EP 7中的塊主要包括組織塊（OB）、功能（FC）、功能塊（FB）、系統(tǒng)功能（SFC）、系統(tǒng)功能塊（SFB）、背景數(shù)據(jù)塊（IDB）、共享數(shù)據(jù)塊（SDB），它們是一些獨(dú)立的程序或數(shù)據(jù)單元，在STEP 7 的Blocks文件夾下，如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 STEP7中的塊</p><p><b>　?。?）組織塊OB</b></p>

97、<p>　　組織塊OB是CPU操作系統(tǒng)和用戶程序的接口，只有CPU操作系統(tǒng)可以調(diào)用組織塊。操作系統(tǒng)根據(jù)不同的啟動(dòng)事件（如日期時(shí)間中斷、硬件中斷等）調(diào)用不同的組織塊。因此，用戶的主程序必須寫在組織塊中。根據(jù)啟動(dòng)條件，組織塊可分為以下幾大類：?jiǎn)?dòng)組織塊、循環(huán)執(zhí)行的程序組織塊、定期執(zhí)行的程序組織塊、事件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的程序組織塊。在上面4類組織塊中，首先要掌握的是循環(huán)執(zhí)行的程序組織塊。循環(huán)執(zhí)行的程序組織塊只有一個(gè)，即OB1，也稱為主程序組

98、織塊。用戶可將主程序?qū)懺贠B1中，通過(guò)OB1調(diào)用其他的FC或FB程序塊。對(duì)其他組織塊，用戶可根據(jù)該組織塊的特點(diǎn)功能決定是否在該組織塊中編寫程序。下面詳細(xì)介紹各組織塊的功能：</p><p><b>　?。?）啟動(dòng)組織塊</b></p><p>　　當(dāng)CPU上電，或者操作模式由停止?fàn)顟B(tài)改變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)時(shí)，CPU首先執(zhí)行啟動(dòng)組織塊，只執(zhí)行一次，然后開(kāi)始循環(huán)執(zhí)行主程序塊OB1

99、。注意：?jiǎn)?dòng)組織塊只在PLC啟動(dòng)的瞬間執(zhí)行，而且只執(zhí)行一次。S7系列PLC的啟動(dòng)組織塊有3個(gè)，分別為OB100、OB101和OB102。這3個(gè)啟動(dòng)組織塊對(duì)應(yīng)不同的啟動(dòng)方式。至于PLC采取哪種啟動(dòng)方式，是與CPU的型號(hào)以及啟動(dòng)模式有關(guān)的。下面介紹這3種啟動(dòng)組織塊的使用方法。</p><p>　　1）OB100為完全再啟動(dòng)類型（暖啟動(dòng)）。啟動(dòng)時(shí)，過(guò)程映像區(qū)和不保持的標(biāo)志存儲(chǔ)器、定時(shí)器及計(jì)數(shù)器被清零，保持的標(biāo)志存儲(chǔ)器、

100、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器以及數(shù)據(jù)塊的當(dāng)前值保持原狀態(tài)，執(zhí)行OB100，然后開(kāi)始執(zhí)行循環(huán)程序OB1。一般S7-300PLC都采用此種啟動(dòng)方式。</p><p>　　2） OB101為再啟動(dòng)類型（熱啟動(dòng)）。啟動(dòng)時(shí)，所有數(shù)據(jù)（無(wú)論是保持型和非保持型）都將保持原狀態(tài)，并且將OB101中的程序執(zhí)行一次。然后程序從斷點(diǎn)處開(kāi)始執(zhí)行。剩余循環(huán)執(zhí)行完以后，開(kāi)始執(zhí)行循環(huán)程序。熱啟動(dòng)一般只有S7-400具有此功能。</p><

101、;p>　　3） OB102為冷啟動(dòng)方式。CPU318-2和CPU417-4具有冷啟動(dòng)型的啟動(dòng)方式，冷啟動(dòng)時(shí)，所有過(guò)程映像區(qū)和標(biāo)志存儲(chǔ)器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器（無(wú)論是保持型還是非保持型）都將被清零，而且數(shù)據(jù)塊的當(dāng)前值被裝載存儲(chǔ)器的原始值覆蓋。然后將OB102中的程序執(zhí)行一次后執(zhí)行循環(huán)程序。</p><p>　　4.9.2循環(huán)執(zhí)行的程序組織塊</p><p>　　OB1是循環(huán)執(zhí)行的組織塊。其優(yōu)

102、先級(jí)為最低。PLC在運(yùn)行時(shí)將反復(fù)循環(huán)執(zhí)行OB1中的程序，當(dāng)有優(yōu)先級(jí)較高的事件發(fā)生時(shí)，CPU將中斷當(dāng)前的任務(wù)，去執(zhí)行優(yōu)先級(jí)較高的組織塊，執(zhí)行完成以后，CPU將回到斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行OB1中的程序，并反復(fù)循環(huán)下去，直到停機(jī)或者是下一個(gè)中斷發(fā)生。一般用戶主程序?qū)懺贠B1中。</p><p>　　4.9.3功能FC和功能塊FB</p><p>　　FC和FB都是用戶自己編寫的程序塊，用戶可以將具有相同

103、控制過(guò)程的程序編寫在FC或FB中，然后在主程序OB1或其他程序塊中（包括組織塊和功能、功能塊）調(diào)用FC或FB。 FC或FB相當(dāng)于子程序的功能，都可以定義自己的參數(shù)。打開(kāi)創(chuàng)建好的功能FC1，可在程序編輯器的程序塊接口處（Interface）定義FC的參數(shù)。</p><p>　　在變量聲明區(qū)中，定義了輸入類型和輸出類型等總共3個(gè)變量。在程序代碼區(qū)中，用到這些變量時(shí)，以#表示變量為局部變量，該變量只在本程序塊中有效。F

104、B的變量聲明與FC類似。FC與FB的根本區(qū)別在于：FC沒(méi)有自己的存儲(chǔ)區(qū)，而FB擁有自己的存儲(chǔ)區(qū)——背景數(shù)據(jù)塊DB。</p><p>　　4.9.4系統(tǒng)功能SFC和系統(tǒng)功能塊SFB</p><p>　　SFC和SFB是預(yù)先編好的可供用戶調(diào)用的程序塊，它們已經(jīng)固化在S7PLC的CPU中，其功能和參數(shù)已經(jīng)確定。一臺(tái)PLC具有哪些SFC和SFB功能，是由CPU型號(hào)決定的。具體信息可查閱CPU的相關(guān)

105、技術(shù)手冊(cè)。通常SFC和SFB提供一些系統(tǒng)級(jí)的功能調(diào)用，如通訊功能、高速處理功能等。注意：在調(diào)用SFB時(shí)，需要用戶指定其背景數(shù)據(jù)塊（CPU中不包含其背景數(shù)據(jù)塊），并確定將背景數(shù)據(jù)塊下載到PLC中。</p><p>　　4.9.5背景數(shù)據(jù)塊和共享數(shù)據(jù)塊</p><p>　　數(shù)據(jù)塊DB的作用是為用戶提供一個(gè)保存數(shù)據(jù)的區(qū)域。用戶可根據(jù)需要設(shè)定數(shù)據(jù)塊大小以及數(shù)據(jù)塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)類型等。STEP7中的數(shù)據(jù)

106、塊可分為背景DB和共享DB兩種。</p><p>　　背景DB是和某個(gè)FB或SFB相關(guān)聯(lián)，其內(nèi)部數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)與其對(duì)應(yīng)的FB或SFB的變量聲明表一致。</p><p>　　共享DB的主要目的是為用戶程序提供一個(gè)可保存的數(shù)據(jù)區(qū)，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和大小并不依賴于特定的程序塊，而是用戶自己定義。需要說(shuō)明的是，背景DB和共享DB沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，它們的數(shù)據(jù)可以被任何一個(gè)程序塊讀寫。 </p>

107、<p>　　本系統(tǒng)的程序流程圖如圖4.12所示：</p><p>　　4.10組態(tài)王的選用</p><p>　　過(guò)程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，隨著自動(dòng)化程度的進(jìn)一步普及和提高，對(duì)重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和使用的要求也越來(lái)越高。面對(duì)大批量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，必須解決同步存儲(chǔ)速度響應(yīng)慢、數(shù)據(jù)易丟失、存儲(chǔ)時(shí)間短、存儲(chǔ)占用空間大、數(shù)據(jù)讀取訪問(wèn)速度慢等是最關(guān)心的問(wèn)題。因此需要一個(gè)