SIEMENS S7-400PLC在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用

1、siemens s7-400plc在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用i siemens s7-400plc在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用摘 要随着造纸工业规模的不断扩大，造纸企业对造纸过程中的自动化程度要求越来越高。在我国，造纸企业在生产过程中采用的微机监视与控制系统一般为单独运行且分散在各个设备处，没有进行对整个生产过程进行集中实时监控，使得生产管理人员无法及时全面地了解各个生产环节的生产状态，难以做到及时、准确地指挥生产。本论文设计是利用plc系统对造纸过程中制浆环节进行控制，具有安全可靠，通用灵活的特点，从而实现对整个造纸生产流程的自动化监控。本论文重点是对碱回收燃烧工段的系统分

2、析与研究，提出了一种安全可靠的控制方案。详细介绍了系统中西门子s7-400系列plc所用到的各种硬件模块的选型和组态。 关键词：碱回收，燃烧，plc，wincc iisiemens s7-400 plc recovery workshop in the process ofburning paper in the application of sectionabstractalong with the industrial scale of paper spreading time and again, the papermaking enterprise is more and more h

3、igh to in the papermaking process automaticity request. in our country, the papermaking enterprise the microcomputer surveillance and the control system which uses in the production process generally for alone moves also disperses in each equipment place, has not carried on to the entire production

4、process carries on the centralism to monitor at times, causes the production management personnel to be unable promptly comprehensively to understand produces the link one by one the production condition, achieves with difficulty promptly, accurately directs the production. in this paper, the design

5、 is the use of plc systems in the pulp and paper manufacturing process control link with a safe, reliable, universal and flexible features, the entire paper in order to achieve the automation of production process monitoring.this paper focused on the recovery combustion process analysis and research

6、, a safe and reliable control programme. details of the system in the siemens s7-400 series plc used by the various hardware module selection and configuration.key words：soda recovery，combustion ，plc，wincc iii目 录摘 要 . i abstract . ii1 绪 论 . 11.1引言 . 11.2本论文的工作 . 12 碱回收简介 . 22.1碱回收的生产过程. 22.2实施碱回收的意义

7、. 22.3燃烧工段工艺流程 . 22.3.1黑液的燃烧过程. 32.3.2影响黑液燃烧的因素 . 32.3.3燃烧工段的工艺流程 . 52.3.4燃烧工段设备介绍 . 63 dcs系统的简介 . 83.1 dcs的组成 . 83.2 dcs系统的发展过程. 93.3 mpi网 . 103.4 profibus-dp . 103.5工业以太网 . 114控制系统的硬件设计. 124.1测控系统的网络结构设计 . 124.2 plc简介 . 144.2.1 plc的基本结构 . 154.2.2 plc的工作原理 . 164.2.3 plc的特点. 174.2.4 plc的发展. 184.3 pl

8、c 硬件设计 . 194.3.1 plc模块的安装 . 194.3.2 cpu模块 . 194.3.3 sm321数字量输入模块 . 214.3.4 sm322数字量输出模块 . 234.3.5 sm331模拟量输入模块 . 23iv4.3.6 sm332模拟量输出模块 . 274.3.7电源模块 . 274.3.8机架. 294.4其他硬件 . 294.5 传感器 . 305 pid算法 . 315.1 pid控制的优点 . 315.2 pid的形式. 315.3比例调节作用 . 325.4比例积分调节作用. 335.5微分调节作用 . 345.6 pid控制子程序框图 . 356 step

9、 7及wincc软件简介 . 376.1 西门子plc编程软件step 7 . 376.2 西门子组态软件wincc . 407 总 结 . 43致 谢 . 44参 考 文 献 . 45siemens s7-400plc在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用 11 绪 论1.1引言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

10、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1。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一2。plc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

11、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、效益显着的综合利用工程，是造纸厂治理水污染的首要措施。1.2本论文的工作本论文重点在对当前碱回收燃烧工段系统分析研究后提出了一种安全可靠的控制方案。碱回收燃烧工段的过程控制系统是一个复杂控制系统。国内对这方面的系统研究较少，本论文对碱回收燃烧工段的工艺流程和当前的继电器控制系统、集散控制系统、工业控制计算机控制系统及可编程逻辑控制系统(plc)的特点进行系统分析后，结合具体碱回收燃烧工段项目，采用西门子s7-400 plc设计了碱回收燃烧工段的过程控制系统。本论文要作以下工作：（a）熟练掌握造纸碱回收中燃烧工段的工艺流程。（b）完成

12、燃烧工段控制系统硬件部分的设计。（c）了解step7与wincc之间的通信知识。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 22 碱回收简介2.1碱回收的生产过程碱回收工程包括四个生产过程：提取、蒸发、燃烧、苛化。（a）提取：尽量使黑液与浆料分离，把黑液提取出来。（b）蒸发：使黑液浓缩到50%以上的浓度。（c）燃烧：黑液送入燃烧炉，将有机物烧去，剩下无机物碳酸钠和硫化钠(草浆情况下还有硅酸钠)。燃烧后的无机物呈熔融状态，经溶解澄清后成为绿液。（d）苛化:把石灰加入绿液中，使碳酸钠(草浆情况下包括硅酸钠)苛化成为氢氧化钠，并将苛化所产生的碳酸钙和硅酸钙(即白泥)沉淀分离，最后得到氢氧化钠和硫化钠的混合

13、溶液，通称白液，可供制浆使用3。2.2实施碱回收的意义碱回收系统从碱法制浆黑液中回收了碱和热能，并实现了工厂企业自身封闭循环使用，对于碱法制浆黑液还有其它的治理措施，但会有相应的副产品产生，存在运行成本和市场对其副产品需求变化的问题，因此碱回收对碱法制浆造纸企业而言是实现清洁生产、保护环境、废液进行厂内治理的重要组成部分。碱回收能最经济有效地削减废液的污染负荷，大幅度提高资源回收利用率，再经过物化-生化法的综合处理就可使企业生产过程中的中段废水达标排放。对造纸厂的黑液进行碱回收有以下好处2:(a）环境效益:黑液是纸厂主要污染源。其中的固形物约有2/3是有机物，1/3是无机物。有机物是纸浆厂污水

14、中的bod, cod, ss和色度的主要来源。无机物中主要是碱。因此每回收一吨碱大约要烧去两吨以上的污染物，可以大大减轻纸浆厂对江河水质的污染。(b）社会效益:电解法制碱，每吨碱要耗电2700度，食盐1.61.7吨。每回收一吨碱，大厂耗电400600度，小厂1000吨左右，不用盐只用石灰。因此每回收一吨碱比电解法节电17002300度，且不必由外厂运来3040%的碱液，每吨固碱可节约运力255吨以上。(c）经济效益:外购碱到厂价在2000元/吨左右。回收碱成本小厂约1000元/吨，大厂只要400600元/吨，经济效益非常显着。2.3燃烧工段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%

15、，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siemens s7-400plc在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用 3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2。2.3.1黑液的燃烧过程黑液的燃烧过程基本上可分三个彼此相关的阶段5：第一阶段：黑液的蒸发干燥阶段。经过多效蒸发和直接蒸发后，送入碱回收炉的黑液浓度，草浆约50%，木浆约60%65%，这样的浓度的黑液还不能直接燃烧。因此，黑液送入炉内之后，要利用燃烧产生的热量增大浓黑液，使其干燥成含水

16、10%15%的黑灰，才能燃烧，并发生一系列化学反应，使全部游离的氢氧化钠和大部分硫化钠转化为碳酸钠、硫酸钠和硫化钠等，黑液中有机化合的碱也生成亚硫酸钠和硫酸钠。第二阶段：黑液的热裂解及燃烧阶段。经过干燥的黑灰落在垫层上，有机物快速分解，同时放出大量的热。第三阶段：无机物的熔融及芒硝还原阶段。此阶段除有机物继续燃烧外，主要是无机物熔融及芒硝还原。此阶段温度高达1000以上。黑液燃烧系统是制浆厂整个碱回收过程中最复杂也是最关键的工段。燃烧工没的最主要设备为碱回收锅炉，目前国内外普通使用的碱回收锅炉类型为喷射炉，喷射炉作为整个硫酸盐制浆厂体积最大，造价也最高的设备，其作用一方面是回收黑液中大量有机质

17、（脱木素）中的有效热值，以产生蒸汽供全厂发电或造纸干燥之用；另一方面使黑液中的无机碱盐（na2so4，na2co3）经还原反应后回收供制浆蒸煮重复使用。2.3.2影响黑液燃烧的因素（1）影响黑液燃烧的因素很多，主要有以下几个方面：（a）黑液的组成和性质这是影响黑液燃烧的一个主要因素，应根据黑液的不同组成和性质，确定合适的工艺和燃烧条件。（b）黑液浓度黑液流量一定时，浓度低，会降低碱回收炉效率，如浓度太低，会使炉温下降，炉衬脱落，灭火，甚至会发生爆炸。黑液浓度太高时，输送和雾化就困难，流量不稳定，会影响正常燃烧。（c）黑液喷射量和粘度最好能保持黑液喷射量保持一定，并使黑液粘度保持在一定范围内。（

18、d）燃烧所需的空气量根据燃烧工艺的要求，燃烧所需的空气量分二次或三次送入炉内。其中燃烧所需要的空气量也是黑液利用的一个参考点，这里先讨论一下燃烧所需要的空气量的分配问题以及风的作用问题。（2）空气分配与燃烧陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 4（a）硫的还原与燃烧温度有关。如图2-1所示，在炉底温度高，还原率就高。适合的还原条件是通过调整分配一次风和二次风空气流通的压力和位置来获得。1000摄氏度华氏温度1500图2-1 燃烧室的温度立面图（b）当燃烧的黑液浓度为70%75%时，燃烧空气的分配如图所示：一次风量30%，二次风量60%，三次风量10%。在炉子底完全碳化的垫层上方，适合于二次空气的

19、燃烧。（c）黑液向下喷射在炉底碳化的垫层上方，但不是喷射在炉壁上。相应高度的黑液喷嘴分布在炉壁四周，喷嘴数量与碱炉的蒸汽产量和规格相适应。（3）一、二、三次风的作用一次风的作用：一次风位于炉底4501000mm处。主要供给垫层中游离碳燃烧所需的氧气，使垫层中有足够的热量，保证无机盐和芒硝的还原反应。若一次风量过大，会造成垫层燃烧过快，难以保持适当高度的垫层，供给芒硝还原的碳量和co量减少，不利于芒硝的还原，而且促使钠盐升华或热分解，降低芒硝的还原率和碱回收率。但也不能过小，否则会使挥发性的硫损失加大、炉温过低和硫化钠还原率降低。一般将一次风量控制在总风量的4550之间。一次风风压可低些，一般在

20、7841176pa。二次风的作用：二次风位于黑液喷枪口上下，主要是为了加速黑液中水分汽化和固形物干燥与上升的烟气流产生较强烈的混合作用，在炉膛内产生充分的旋转，并保持炉床垫层高度之完整形成；三次风的作用：三次风位于黑液喷枪以上，主要是用于可燃的挥发性气体及少量未完全燃烧产物的进一步完全燃烧，以提高烟气热含量，同时起到封闭炉膛出口，捕集烟siemens s7-400plc在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用 5气中所带碱尘的作用。三次风进炉要送到炉膛中心空间与上升的烟气产生较强烈的混合作用，在炉膛产生强烈的旋转，使黑液和气体燃烧均匀一致，风压要高一些，一般控制在0.782.45kpa6。（4）垫

21、层垫层的作用：把垫层中不燃烧的无机盐类不断地熔融出来；保留较多的游离碳将芒硝在熔融状态下还原为硫化钠；保持垫层中有机物气化并不断移出；使游离碳不断燃烧，稳定炉床垫层温度。因此，燃烧过程中保持适当高温的完整均匀的垫层是良好燃烧的基础。2.3.3燃烧工段的工艺流程主要工艺流程如图2-2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

22、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，在垫层上，黑液中的无机物不断熔融，部分有机物热裂解成气体从垫层排出，部分有机物炭化为元素碳，供燃烧和还原硫酸钠之用，芒硝还原成硫化钠，部分有机物热裂解能更完全燃烧，

23、含硅量高的熔融物能顺利流出。在硫酸盐法木浆碱回收工艺流程中，碱灰溶解槽中的碱灰液被送入芒硝黑液混合器，然后送入燃烧炉。麦草制浆则多采用烧碱法，若黑液碱回收沿用上述这样的流程，会形成大量碱灰液在燃烧炉、碱灰溶解槽及黑液中间槽内循环、沉淀，造成能源损耗，影响工艺流程的畅通。根据麦草浆黑液燃烧特性，让碱回收炉燃烧产生的碱灰直接进入绿液溶解槽。静电除尘器排出的碱灰进入碱灰溶解槽形成碱灰液，然后泵入绿液溶解槽。溶解槽中的绿液送苛化工段进行苛化，从而回收麦草浆中的碱5。陕西科技大学毕业论文（设计说明书）6 图2-2 燃烧工段工艺流程2.3.4燃烧工段设备介绍7整个碱回收燃烧工段涉及的设备较多，且有一些诸如

24、碱回收喷射炉，圆盘蒸发器等大型设备，有必要对此作以介绍。2.3.4.1 碱回收炉碱回收炉与一般工业蒸汽锅炉有所不同。工业蒸汽锅炉是以煤为燃料进行燃烧的压力容器，它的成品是蒸气，而碱炉是以黑液形物为燃料进行燃烧的压力容器，它不但具备了工业锅炉的危险性条件，还具备了工业锅炉所没有的更强烈的危险性（如水与融物接触发生爆炸、未燃气体爆炸）。碱炉不仅处在高温、高压的条件下，而且还处于强碱及高灰尘的碱性介质中，碱性黑液及高温熔融物对锅炉有强烈的腐蚀作用。因此，碱回收喷射炉无论设计结构上，还是材料选取上及制造要求上都比普通蒸汽锅炉复杂得多。本设计采用全水冷壁喷射炉（也称作方形喷射炉），它是浆厂黑液碱回收的重

25、要设备。它由炉膛燃烧室和锅炉两大部分组成燃烧室的炉壁、炉顶和炉底都由水冷壁管组成，故由此而得名。其燃烧室为黑液固形物燃烧和进行化学反应的场所，作用是干燥、燃烧、还原和熔融，由炉底及四面水冷壁组成的密封方形空室。燃烧室根据工艺的不同，大致可分为三次风口处的烟气完全燃烧区、黑液喷口附近的黑液干燥区，二次风口以下至一次风口的黑液燃烧区、一次风口以下的熔融区，其锅炉是吸收燃烧过程中释放的热量而产生蒸汽的设备，与燃烧室连成一体。由上下汽包、水冷屏管束、省煤器、以及炉墙、siemens s7-400plc在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用 7构架、管件等组成。这种喷射炉的主要特点是生产能力大，便于实现自

26、动控制，操作简便，废热利用率可达60，芒硝还原率可达90以上。缺点是构造复杂，造价高，投资大，修理更换炉管不方便，适用于大型纸厂的碱回收使用。2.3.4.2 静电除尘器静电除尘的原理 在电场的负极加上负的直流高压电源，而将正极接地，在负极周围形成“电晕”产生带电离子，灰尘颗粒被带电离子充电后，向正极运行而吸附在接地的正极板上，再通过震打落下而收集起来。电晕电流的大小是决定除尘率的主要因素，因而静电除尘也可称为电晕除尘。然而电晕电流的大小除与介质有关外，主要由电压值的大小决定，所以，当电压越高时则除尘效率也越高。可是，电压的升高有一定限度，当升到电晕的极限情况下，就发生“闪络”而不是电晕现象了，

27、闪络的极限情况就出现电弧，电弧是静电除尘器除尘不允许出现的危险现象。2.3.4.3 圆盘蒸发器从碱炉尾部出来的烟气进人圆盘蒸发器，黑液与烟气直接接触蒸发，浓度由 43浓缩至4548。同时降低了烟气温度，除掉了烟气中较大颗粒的灰尘。由于麦草浆黑液具有较高的粘度，圆盘蒸发器的优点：操作简单，动力消耗低，可以单独使用，也可以与静电除尘器串联使用，特别是对最初含尘量高的烟气，与静电除尘器串联使用时，可以提高静电除尘效果。圆盘蒸发器的缺点是因圆盘蒸发器中黑液没有雾化，接触表而积小，因此无论除尘、降温及黑液增浓的效果并不理想。2.3.4.4 引风机引风机能有效控制碱炉的炉膛负压，是燃烧工段的主要辅机。炉膛

28、负压调节系统就是引风控制系统，它的任务是调节引风机入口静叶，使引风量与送风量相适应，从而维持炉膛内的压力在允许范围内，确保锅炉安全运行。引风调节系统主要通过变频器调节引风机的转速来调节碱回收炉的引风量，借以控制炉膛负压。监测碱回收炉出口烟气的压力、温度，了解炉膛燃烧的情况。引风调节系统是整个燃烧过程投入自动的基础，可以说是锅炉侧首个投入自动的控制系统。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 83 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

29、分散，达到以分散控制为主，集中管理为辅。3.1 dcs的组成集散控制系统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。自1975年以来，dcs控制系统的硬件和软件功能不断完善和强化，已经经历了三代，但

30、从基本结构来看特性相同，可分解为三大基本部分。（1）现场控制站现场控制站是集散控制系统的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器（即主cpu）、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量i/o或现场i/o。在现场控制站内部，主cpu和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场i/o则称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的

31、影响。（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。siemens s7-400plc在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用 93.2 dcs系统的发展过程9dcs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