基于PCS7管式加热炉控制系统设计

1、IV 西南科技大学本科生毕业论文 基于PCS7的管式加热炉控制系统设计摘要：随着工业自动化过程控制技术和计算机控制技术的不断发展，单一的过程控制系统及传统的DCS系统已经不能满足现代化自动化过程控制系统的需要，先进的全集成过程控制系统正在逐渐应用于现代化的工业生产现场。本设计正是在这样的背景下，通过西门子过程控制系统PCS7对新一代过程控制系统进行分析。论文针对西门子PCS7过程控制系统，结合当前工业控制的理论与技术，分别对PCS7中的硬件模块、网络模块以及软件部分进行分析，为PCS7的实际工程应用奠定理论基础。最后，结合以上理论联系实际，以北京化工大学的高级多功能过程控制实训系统SMPT-1

2、000为控制对象，以西门子PCS7为控制工具，按照工程化、标准化、规范化的工程设计思想，设计实现管式加热炉系统控制方案，并详细介绍其具体实现过程。关键词：过程控制系统； PCS7； 管式加热炉Design of Tube furnace Control System based on PCS7 Abstract:with the increasing development of industrial automation control technology and the continuous development of computer control technology, a si

3、ngle process control system and the traditional DCS system cant meet the needs of modern automation control system, advanced fully integrated process control system is gradually applied in modern industrial production fields.by Siemens PCS7 process control system for a new generation of process cont

4、rol system are analyzed,the design showed up. This design through the SIMATIC PCS7 process control system, combined with the modern industrial control theory and technology, seperately analyzed the PCS7 hardware module, communication module and the software part , laid a certain foundation for PCS7s

5、 future using.Combining the above theory with practice, in the concrete implementation, the Beijing university of chemical industry advanced multi-function process control training device SMPT - 1000 as control object, with SIMATIC PCS7 control tool, according to the standardization of engineering d

6、esign idea, design implementation tube heating furnace control system, and introduces in detail the specific implementation process.Key words: Process Control System, PCS7, Tube furnace目 录第1章 绪 论11.1 过程控制技术概述11.2 西门子过程控制系统PCS7简介21.3 加热炉控制系统发展与现状21.4 本论文主要研究内容3第2章 过程控制系统PCS7分析52.1 PCS7综述52.2 PCS7系统结构

7、62.2.1 PCS7典型系统配置62.2.2 工程师站62.2.3 自动化站72.2.4 操作员站82.2.5 PCS7网络结构82.3 PCS7编程语言92.3.1 PCS7编程语言标准92.3.2 CFC编程语言102.3.3 SFC编程语言102.3.4 SCL编程语言102.4 PCS7监控软件分析102.4.1 监控软件介绍102.4.2 视窗控制中心112.5 PCS7数据库112.6 本章小结11第3章 基于PCS7的管式加热炉控制系统设计123.1 控制系统设计原则123.2 系统硬件总体设计123.3 SMPT-1000实训装置及加热炉分析133.3.1 SMPT-1000

8、装置分析133.3.2 管式加热炉分析143.3.3 管式加热炉工艺流程153.3.4 管式加热炉控制系统要求163.4 硬件分析及选型173.4.1 自动化站硬件分析及选型173.4.2 操作员站/工程师站硬件分析及选型183.4.3 泗博PM125模块分析183.5 系统硬件地址分配183.5.1 PLC数字量输入地址分配183.5.2 PLC模拟量输入地址分配193.5.3 PLC数字量输出地址分配193.5.4 PLC模拟量输出地址分配203.6 系统控制策略203.6.1 出料流量算法设计203.6.2 出口温度串级-比值控制算法设计203.6.3 炉膛负压控制算法设计213.6.4

9、 空气量控制算法设计213.6.5 顺序控制设计223.7 本章小结22第4章 基于PCS7的管式加热炉控制系统实现234.1 新建项目工程234.2 系统组态244.2.1 自动化站硬件组态244.2.2 操作员站硬件组态264.2.3 系统网络组态264.3 控制算法组态274.3.1 通信模块设计274.3.2 CFC控制语言设计274.3.3 SFC控制语言设计294.3.3 操作员界面设计294.4 控制效果分析304.5 本章小结31结 论33致 谢34参考文献35 西南科技大学本科生毕业论文 第1章 绪 论1.1 过程控制技术概述过程控制指以实际生产过程的流量、温度等物理量作为被

10、控变量进行的自动控制。了解过程控制技术首先需要了解实际的工艺流程、动静态特性等生产过程中重要特性，同时将理论知识与实际运用结合，选用合适的技术手段，实现生产过程的控制目标。实际的工业生产过程主要可以分为连续过程工业、离散过程工业和间隙过程工业。其中连续过程工业所占的比重最大，涉及石油、化工、冶金、电力、纺织等行业，连续过程工业的发展对于我国国民经济发展意义重大。本设计所涉及到的管式加热炉控制系统就属于连续过程工业控制系统。就过程控制技术的发展而言，它依靠计算机技术、自动控制理论、检测技术等相近学科作为技术依托，它们之间的发展密切相关。从总体来说，过程控制技术的发展可以分为三个阶段，过程控制技术

11、发展的具体情况如表1-1所示。20世纪70年代以前是一个阶段，这一阶段的自动化水平比较低，大多以经典控制理论作为依托，在这一阶段的控制目标也仅仅停留在保证平稳生产、减少设备故障率阶段。过程控制技术发展的第二阶段是20世纪7080年代，这个阶段出现了分布式控制系统，同时鲁棒控制、预测控制等控制策略也相继出现，这使过程控制技术的发展得到了很大提高。近年来多学科相互交叉渗透的现象在工业控制领域中出现，现场总线技术得到了较大应用，现场总线系统沿用了DCS系统的部分优点，同时也克服了DCS系统的部分缺点。过程控制技术从传统的自动化孤岛模式时期不断发展，现在正以较高的速度向集中控制、统一管理的综合自动化模

12、式靠近。表1-1 过程控制发展的三个阶段阶段一（20世纪70年年代以前）阶段二（20世纪70至80年代）阶段三（20世纪90年代之后）控制理论经典控制理论现代控制理论控制论等学科交叉控制工具常规仪表分布式控制系统计算机网络控制要求安全、平稳优质、高效柔性生产、创新管理控制水平简单控制系统先进控制系统综合自动化控制效果控制精度不高控制精度较高全集成、智能生产1.2 西门子过程控制系统PCS7简介随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的不断发展，在实际的生产过程中，工艺要求对过程控制系统的数据处理能力、系统的可维护性、系统的可靠性、系统功能的完善性等各方面的要求愈来愈高，同时这些要求也指引着工业自

13、动化过程控制系统发展的方向。(1) 在控制系统中应大力提倡使用现场总线技术；(2) 控制系统应提高系统与管理层、现场级的数据交换能力；(3) 控制系统应提高系统之间的横向数据交换能力；(4) 开放不同厂商的产品，通过通讯协议及技术手段可以使不同系统间能进行数据交换；(5) 提倡过程控制系统向全集成、一体化方向发展。因此，传统的分布式控制系统在现代工业自动化过程控制系统面前已显得力不从心，不能满足系统的发展需要。SIMATIC PCS7过程控制系统就是西门子公司在这种背景下结合传统分布式控制系统的优点研发的新一代过程控制系统，PCS7结合了先进的电子制造技术、网络通讯技术、图形及图像处理技术、现

14、场总线技术、计算机网络技术和先进自动控制理论。整个控制系统的结构由大量的西门子硬件组件组成，具体的结构包括现场仪表、现场执行机构、I/O模块，控制器、通讯处理器模块、工程师站和操作员站等。整个控制系统中所有的硬件组件都可以在PCS7软件工具中组态。PCS7的软件系统可以满足不同工业场所不同自动化任务的设计、组态和调试方面的需要。过程控制系统PCS7的现场控制单元一般是S7自动化系统，通过分布式I/O接受现场传感器信号、发送信号到现场的执行机构。PCS7在通讯方面采用现场总线方式进行数据传送。在系统站之间的数据通讯使用PROFINET总线技术；设备与设备之间的数据通讯通过PROFIBUS总线技术

15、。PCS7的编程软件和现场设备库均符合IEC 61131-3国际标准，这个标准支持使用连续控制、顺序控制及其他的高级编程语言。PCS7的现场设备库提供了很多常用的现场设备及各种功能块，可以大大缩短界面开发时的组态工作量，节省时间。1.3 加热炉控制系统发展与现状管式加热炉是指利用燃气或燃油燃烧产生热量，经过热辐射等方式将另一特定液体或气体加热到指定温度的装置，它是石油化工、炼钢等工业过程中非常重要的加热设备。由于加热炉工作时系统较为复杂，因此耦合性较强，测量参数、控制参数及扰动参数相对较多，这些变量之间相互作用，存在明确和不明确的关系，一般一个变量变化将影响另外几个参数同时改变。另一方面，在实

16、际的工业现场测量参数经常变化，存在一定的非线性，上述因素都加大了加热炉控制系统的控制难度。同时由于传统的加热炉控制现场大多采用鲁棒性较差的简单的PID控制，导致其控制效果不佳。但是由于加热炉的复杂性，导致其建模过程较为复杂，建立开的数学模型也比较模糊，很难得到控制对象精确的数学模型，先进的控制具有局限性。目前，我国加热炉控制系统与国外相比还存在一定差距。美、日、英等国家在加热炉控制系统上领先于世界。我国80年代前还是人工加热，通过人工观察等落后方式进行生产，而国外80年代早已实现仪表控制及更高水平。就目前而言，国外的管式加热炉基本上采用DCS控制系统，热效率、自动化水平、可靠性都较高。国外甚至

17、有的企业已经用到现场总线控制系统，使其可靠性更高，更加智能化。在国内，管式加热炉控制系统自动化水平普遍不高，出现参差不齐的状况。一般的DCS控制系统大多都是和整套生产线从国外引进，但是由于加热的原油品质等因素不同，导致控制系统不能发挥到最优效果或者完全不能实现自动控制。国内目前大部分企业使用的控制系统还是以PLC控制系统为主，甚至有些还达不到这个水平。1.4 本论文主要研究内容本设计主要工作是将先进的过程控制系统PCS7运用于管式加热炉控制系统中，从硬件、人机界面、控制算法等方面进行设计。通过此次设计，可以巩固所学习的数字电子技术基础、模拟电子技术基础、电气控制与PLC、计算机控制系统、过程控

18、制与仪表等课程的知识。同时联系实际的实验设备，将理论知识与实际运用融于一体，培养自己分析问题、解决问题的能力，以及工程技术人员所具有的基本素质，为即将步入社会打下坚固的基础。具体实现以管式加热炉工艺流程为背景，北京化工大学的高级多功能过程控制实训系统SMPT-1000为控制对象，依托西门子过程控制系统PCS7，对过程控制技术进行学习研究。主要工作有：(1) 学习控制器特征及应用技术，掌握西门子S7-400系列PLC的硬件组态；(2) 掌握系统通信技术应用，对自动化站、操作员站和被控对象之间建立通信链接；(3) 根据工艺要求确定控制算法；(4) 使用西门子过程控制系统PCS7的编程语言CFC、S

19、FC对被控对象进行有效控制；(5) 掌握人机界面应用技术，建立友好的人机界面对运行情况实时监控；(6) PID控制器投运与参数整定；(7) 根据生产工艺要求完成系统整体运行调试，并在SMPT-1000上实现。36第2章 过程控制系统PCS7分析2.1 PCS7综述SIMATIC PCS7系统可以理解为一个现代的分布式控制系统，它采用了当前普遍使用的局域网技术、西门子PLC控制技术及现场总线技术等。整个控制系统由大量的西门子硬件构成基本的骨架，组件时所有的硬件都可以在PCS7软件工具库中找到。PCS7的软件系统可以满足不同工业生产现场、不同工艺、不同要求的生产需要，控制系统可根据实际的需要柔性设

20、计、柔性生产。近年来西门子公司一直倡导并坚持推崇全面集成自动化理念，SIMATIC PCS7就是其典型代表。SIMATIC PCS7作为西门子公司的大型及超大型DCS系统，结合了传统的DCS与PLC技术，并在此基础上融合了全集成自动化技术。DCS与PLC作为当代工业控制的两大核心产物，两者紧密相关，但也存在很大区别。DCS亦称离散控制系统，硬件上包括操作员站、工程师站、网络及控制器，软件上是一个整体的系统，可以解决一个系统的所有的技术性问题，系统与系统之间结合紧密。PLC虽然和DCS一样都是计算机技术和控制技术结合的产物，但是PLC仅仅为一个控制器，可以和上位机相结合构成一个简单的控制系统。从

21、使用情况方面讲，PLC控制系统一般应用在模拟量偏少的小型自控场所，逻辑运算能力强，偏重顺序控制；DCS适用于模拟量较多的场合，偏重连续工业控制。表2-1详细介绍传统DCS、PLC及PCS7各自的特点。表2-1 传统DCS、PLC与PCS7特点分析传统DCSPLCPCS7系统结构完整系统开放灵活系统完整且开放灵活全局数据库控制器运算速度较快集成现场总线技术诊断功能强逻辑处理能力强工业以太网技术组态工具使用方便分散数据库全局关系数据库回路处理能力强系统完整性较差具备较强的诊断功能系统开放性差系统诊断功能较弱组态软件丰富、使用方便控制器运算速度慢组态软件单一控制器采用多任务处理器，实现复杂回路控制和

22、逻辑控制逻辑处理能力弱回路处理能力较弱2.2 PCS7系统结构2.2.1 PCS7典型系统配置图2-1是一个典型的PCS7控制系统，其中ES是工程师站，OS是操作员站，AS是自动化站。图2-1 PCS7系统结构2.2.2 工程师站工程师站（Engineer Station，ES）是指在其上安装了用于组态PCS7项目的PCS7工具软件的PC。PCS7所有的项目均在工程师站上设计，工程师站提供了强大的组态工具，可以和操作员站、自动化站进行实时通讯。本设计中在工程师站中所用到的组态工具有：(1) Plant View(工厂视图)：主要作用就是设计工厂层次；(2) SIMATIC Manager(SI

23、MATIC 管理器)：它是PCS7的主要软件，主要功能就是创建项目、库、项目管理等；(3) HW Config：Hardware Configuration Environment(硬件配置环境)：在软件中将实际的一些硬件器件进行组态，主要有CPU模块、通讯模块、I/O等；(4) CFC：Continuous Function Chart(连续功能图)：主要负责设计基本的算法设计；(5) SFC：Sequential Function Chart(顺序功能图)：主要负责工艺流程、联锁等逻辑控制；(6) SCL：Structured Control Language(结构化控制语言）：根据实际的

24、需要编写一些算法或者建立一些功能块；(7) WinCC：Window Control Centre(Windows控制中心)：系统的人机界面，负责操作员和设备之间进行交流；(8) Graphics Designer editor(图形编辑器）：设计人机界面，负责编辑操作员站的相应画面；(9) Process Object View(过程对象视图)：过程对象视图中有项目的所有组态内容，可在视图中显示这些对象并编译。在工程师站中可以组态所有的系统组件，从操作员站经自动化站到现场层级，其核心软件是SIMATIC Manager，常用的有STEP7、WinCC、SFC、CFC、SCL、PDM。完成一个

25、实际的控制系统看上去非常复杂，但是其主要工作还是在工程师站中完成的，在工程师站中可以将系统开发过程分为自动化站组态和操作员站组态两个部分。自动化站组态的主要目的是开发整个系统，让系统怎么运作，让实际的受控对象怎么走，具体工作包括硬件组态、程序设计、通讯模块组态等。自动化站的主要目的是负责处理人如何与系统进行交流，其核心工作包括操作界面的设计及系统运行过程中信息归档等问题。2.2.3 自动化站自动化站（Automation Station，AS）由电源（PS）、中央处理器（CPU）、通讯处理器（CP）和输入、输出模块组成。除了硬件部分以外，中央处理器负责发送各种指令，起到大脑的作用。PCS7的C

26、PU为S7-400系列的PLC，CPU负责处理程序和操作系统。自动化站通过系统总线或者工厂总线与工程师站或者操作员站的服务器进行通讯，同时通过PROFIBUS DP总线与现场的分布式I/O或设备进行通讯。图2-2是一个典型的自动化站，包含了分布式I/O、以太网通讯处理器等。图2-2 典型的自动化站2.2.4 操作员站操作员站（Automation Station，OS）可以是指OS服务器、OS客户机、OS项目，是系统的人机交换窗口。OS组态是在工程师站中完成的，具体包括图形对象设计、设备状态监控、数据管理、报警、数据归档及存储、报表设计等功能。同时PCS7中的操作员站提供开放式接口，用于和其他

27、应用软件相连接，这样就可以把PCS7集成于复杂的、全公司范围内的自动化系统中。OS服务器是整个操作员站的灵魂，可以和AS站及OS客户机进行通讯，它是沟通AS站与OS客户机的桥梁，从AS站接受实时数据同时根据需要分配给OS客户机，一台服务器最多可以被32台OS客户机所访问。PCS7 OS服务器根据工厂区域的分布情况如图2-3所示。图2-3 PCS7 OS服务器2.2.5 PCS7网络结构PCS7有三层网络结构，即：现场总线层、控制总线层、厂级网络。三级网络各自分布，形成整个工厂的传输通道。主要用到的通讯方式是PROFIBUS和PROFINET现场总线，自动化站和现场之间使用PROFIBUS，系统

28、站之间主要使用PROFINET。 (1) 现场总线层是连接自动化站与现场的桥梁，主要是自动化站连接到现场设备或其他结构等。PCS7中现场使用较多的是PROFIBUS DP及PROFIBUS PA，两者均属于PROFIBUS国际现场总线标准。由于PROFIBUS现场总线系统可靠性较强且具有稳定的国际标准EN50170作保证等原因，使用率相对较广，仅在德国和欧洲市场中PROFIBUS总线就占了40%以上的开放性工业现场总线系统市场。PROFIBUS DP是从自动化站到现场的总线通讯方式，现场主要连接对象为从站、现场分布式I/O及其它设备，其主要作用是代替传统的24V或者4-20mA信号传输，通过高

29、速、高效、经济的方式保证实际生产中的工业数据能有效传输。传输速度较高，最高可达到12Mbps。PROFIBUS PA主要用于过程自动化，常用于自动化系统或过程控制系统与温度、压力变送器等现场设备直接进行连接。PROFIBUS PA协议集定义了典型现场设备的参数和性能，适用于4-20mA模拟量传输。其主要特点是本质安全型传输技术，大多使用在安全性需求较高的场合。大多数PROFIBUS PA都是通过DP/PA耦合器与PROFIBUS DP进行连接。(2) 控制总线层是自动化站与操作员站及服务器进行数据传输的通道，运用工业以太网进行通讯，在PCS7中使用的工业以太网络标准属于PROFINET总线协议

30、。PROFINET是PROFIBUS国际组织近几年提出的新一代工业通讯网络标准，在控制总线层使用的工业以太网仅是PROFINET总线功能的一部分，PROFINET其他功能还包括：数据实时通信、分布式设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全及过程自动化。其通讯方式有：TCP/IP标准通讯、实时通讯、同步实时通讯，在实际运用中以TCO/IP标准居多。(3) 厂级网络是通过标准以太网协议建立服务器与操作员站或上级厂级网络通讯。自动化站通过工业以太网将现场的实时信息发送到服务器后，服务器将这些信息转换，然后与操作员站进行通讯或者与上级工厂级网络进行数据交换。2.3 PCS7

31、编程语言2.3.1 PCS7编程语言标准PCS7的编程语言及现场设备库符合国际标准IEC 61131-3的规定，其编程语言具体包括顺序功能图、连续功能图以及其他高级编程语言。同时现场设备库包含许多现场设备的信息，这很大程度上简化了组态工作，缩短开发时间。IEC 61131国际标准所包含的部分有：系统综述、硬件分析、编程语言、用户指导、通讯标准、现场总线、模糊控制算法及编程语言实施。IEC 61131-3国际标准属于IEC 61131的第三部分。其中明确对PLC的编程语言提出了相关要求，规范了可编程控制器的编程语言及基本元素，这为PLC编程走向规范化指明了方向。IEC 61131-3国际标准结合

32、了德国西门子、美国AB、日本三菱等众多国际性知名企业PLC编程的习惯，结合各自优点，提出了图形化编程语言和文本化编程语言的标准，这一标准的统一为用户提供了极大的方便，同时为PLC编程软件的发展提供了更高的平台和更大的空间。2.3.2 CFC编程语言CFC连续功能图是一种复杂的图形化编程语言，采用IEC 61131-3标准，其核心就是各种功能块。这些功能块大多数不需要用户自己编辑，只需根据自己的需求在标准库里调用即可，同时在调用的功能块之间进行连接即可构成整个软件结构。构成软件骨架结构的每个功能块有一个参数表，可以进入功能块的属性设置界面对功能块的各项参数进行设定。从而使系统能够按照工艺要求完成

33、复杂的控制任务，CFC连续功能图大多使用在连续工业控制领域。2.3.3 SFC编程语言 SFC顺序功能图同样是一种复杂的图形化编程语言，也采用IEC 61131-3标准，其核心为顺序步，只要确定每一步程序需要执行的内容以及每步之间进行转换的条件，程序完成复杂的顺序控制就非常容易。顺序功能图中主要有顺序执行、分支执行、选择执行、循环执行等操作，通过这些操作可完成一些小型批处理生产的自动控制任务。2.3.4 SCL编程语言SCL是一种也符合IEC 61131-3国际标准的文本语言，它和C语言及Pascal语言类型相似，非常适合习惯使用高级语言编程的工程师使用。和其他语言相比，SCL语言适合用于实现

34、一些用户自定义的算法和优化控制策略，其大体步骤是把复杂的数学运算或者先进的优化算法编制成用户自定义的功能块，然后在CFC中调用这些功能块，并下载到PLC中，在实际的工艺生产过程中实现优秀的控制策略。2.4 PCS7监控软件分析2.4.1 监控软件介绍SIMATIC PCS7的核心人机交互界面就是基于标准SIMATIC WinCC的操作员站，它除了继承了WinCC优秀的性能外还有其他额外的功能，这是它与单机的WinCC有着明显的不同，与传统的WinCC相比由于功能更加完善、性能更加良好等优点，使得其被多数工程师所亲睐，在复杂的连续工业过程控制中使用率一直较高。2.4.2 视窗控制中心视窗控制中心

35、(即WinCC)是西门子公司与微软公司在自动化领域采用先进的技术共同研发的工控软件。在PCS7中是操作员和系统沟通的桥梁和纽带，操作员可通过人机界面软件WinCC对系统进行监控。在PCS7中工程师可以通过工程师站给操作员站赋予部分权力，使其能对整个或部分系统进行有效监控。操作员可通过视窗控制中心对报警信号、现场数据归档等信息进行处理，保证系统稳定运行。2.5 PCS7数据库在SIEMENS PCS7中，关系型分布式数据库平台作为数据采集、数据处理、数据分析的数据库支撑系统。它除了这些能力外，它还能保证系统数据的完整性、一致性以及系统各部分数据的同步性。SIEMENS PCS7在数据管理方面采用

36、了微软的SQL SERVER 关系型数据库管理系统。该管理系统功能强大，能实现完整的数据管理能力，确保数据库的数据完整性。2.6 本章小结本章从系统结构、编程语言等方面重点分析了西门子过程控制下系统PCS7。通过分析过程控制系统PCS7的系统结构可知整个控制系统的框架及各部分的通讯技术。使用PCS7的相关编程语言可以使整个系统按照既定要求运行。监控软件可以了解系统的整个运行情况。第3章 基于PCS7的管式加热炉控制系统设计3.1 控制系统设计原则控制系统的方案设计在整个控制系统的设计过程中占有举足轻重的作用，控制效果的好坏直接受控制方案设计影响。在整个设计过程中，选择合理的控制算法、选择阀门的

37、气开、气关形式，控制器正反作用都将对控制效果产生非常重要的影响。因此，在控制系统方案设计中遵循相关设计标准及原则将会起到事半功倍的效果。实际的生产过程要求：安全性、稳定性、经济性。实际生产中确保人身及设备财产安全是首要要求。其次控制系统抗干扰能力应达到相应指标，保证生产稳定运行。最后在保证安全及稳定的前提下尽量设计及生产降低成本，保证经济效益。本设计分为硬件配置和软件编程实现两个主要方向。就整体结构而言，可靠的硬件结构为软件实现提供必要的基础，软件实现又是硬件的体现。硬件结构包括PLC硬件结构配置、地址分配。工艺流程为控制策略及程序编写明确了方向，根据工艺流程软件部分可以分为控制算法、程序编写

38、、操作员站画面编辑、操作员站上对应变量地址链接。3.2 系统硬件总体设计作为一个小型的过程控制系统，本设计由工程师站/操作员站、自动化站、受控装置四部分构成，过程控制系统PCS7作为其灵魂，负责调配整个系统的硬件结构。本设计中工程师站和操作员站集成在同一台PC机上，该PC机包含控制系统所有组件，其中自动化站负责硬件配置、程序编写、OS站配置等，操作员站负责在人机界面上对运行情况进行实时监控并进行有效控制，在本设计中操作员站和工程师站通过同一根以太网线与自动化站进行通讯。自动化站是控制系统的核心，在对被控装置进行实时控制的同时还需要把现场的运行情况反馈给操作员站。操作员站采用西门子优秀上位机软件

39、WinCC作为控制和监视的媒介，达到人机沟通交流目的。本设计中选择S7-400系列的412-3作为核心控制器来控制受控装置SMPT-1000。CPU与PM125之间通过PROFIBUS DP进行连接。PROFIBUS DP被用作通讯介质，将适配器PM125、变送器、执行机构连接到控制器。PM125与设备之间的连线已经在设备生产时固化，因此所有地址均已分配，在实际使用时只需按照使用手册中地址分配表进行操作即可。整个控制系统总体结构如图3-1所示。图3-1 控制系统总体结构图系统主要由中央控制室、设备、扩展部分组成。中央控制室包含PC机、PLC模块。工程师站和操作员站共用该PC机，该PC机内集成了

40、PCS7所有标准组建。控制器选用CPU 412-3，通讯模块选用CP 443-1。中央控制室能够完成单一系统中自动化站、工程师站、操作员站的功能。设备上包含PM125适配器以及下面的I/O模块，用于设备与控制器之间进行数据交换。扩展部分主要负责通讯部分，可将以太网信号、PROFIBUS DP信号外接，完成控制系统的扩展及控制系统与管理层连接，将现场各部分实时的信号传递出去。3.3 SMPT-1000实训装置及加热炉分析3.3.1 SMPT-1000装置分析 SMPT-1000高级多功能过程控制实训装置是北京化工大学结合实际的工业现场环境研发的产品，它运用了工业级高精度动态仿真技术，利用西门子系

41、列产品作为支撑，主要目的是为了培养学生能在实际的装置上能对模拟的工业环境进行有效控制。SMPT-1000实训装置可拆分、组合成离心泵液位单元、热力除氧器单元、蒸发器单元、加热炉单元和锅炉单元等部分。加热炉单元中主要结构包括：入口管线、对流段换热器、辐射段炉膛、减温器、燃料管线、烟道等部分。加热炉单元常运用于模拟石油炼制、焦油加工、原油运输等工业场合，主要核心是待加热液体或气体在管内流动，通过热辐射方式进行热传递，通过控制系统按照既定的工艺流程将待加热物料加热到指定的温度，同时应满足控制要求中压力、流量等工艺指标。 SMPT-1000三维立体示意图如图3-2所示。图3-2 SMPT-1000三维

42、立体示意图本设计根据实际工业工艺的需求，结合实训装置SMPT-1000能够提供的条件，明确工艺控制对象、确定工艺流程，通过分析控制系统中受控对象的动态特性，再确定控制系统控制方案，最后结合实际在实训装置上现场实施，完成控制系统整体设计。3.3.2 管式加热炉分析管式加热炉主要由辐射室、对流室、燃烧器、通风系统等物理结构组成，各部分由于其特定的物理结构不同，导致其作用各不相同，不同的物理结构及不同的使用情况都将会对控制系统产生影响，因此清楚的了解加热炉的物理结构将会很好的帮助我们建立控制系统，完成控制设计。管式加热炉具体的结构示意图如图3-3所示。图3-3管式加热炉结构示意图(1) 辐射室：待加

43、热物体在辐射段的管道内流动，燃烧的火焰或者高温烟气直接对管道进行辐射传热，通过调节炉膛火焰燃烧的强度可改变管道内流动物体的温度，管式加热炉的辐射段是主要的热交换场所；(2) 对流室：对流室也是一个热交换场所，从辐射室出来的高温烟气通过与管道接触也可进行热交换，对流室的主要作用是利用高温烟气对管道内的冷物料进行预热；(3) 燃烧器：燃烧器特定的结构将会使使燃料雾化，同时将燃料和空气混合，然后进行燃烧，燃烧器是管式加热炉中重要的产热设备；(4) 通风系统：通风系统的作用是为燃烧系统提供一个良好的燃烧环境，其具体的功能有两个，第一是将燃烧所需要的空气引入燃烧器，第二是将燃烧后产生的烟气等排出加热炉，

44、燃烧炉按照通风系统的不同可以分为自然通风方式和强制通风两种。3.3.3 管式加热炉工艺流程管式加热炉控制系统要求加热炉通过辐射传热与对流传热的方式，将工艺规定流量的物料加热到工艺要求的温度。被控对象实际的工艺流程决定了如何设计加热炉的控制系统，具体包括控制器选型、仪表选型、控制器地址分配等。在本设计的控制系统中所选被控对象为SMPT-1000实训装置，实训装置完全能够模拟工业现场实际的环境，因此设计的控制系统应该严格按照实际的工业标准进行。确定明确的工艺流程图可以帮助我们了解建立控制系统的目的和意义，同时明白建立控制系统需要做的事情以及发展的方向，因此了解工艺流程对于整个控制系统起着举足轻重的

45、作用，对整个控制系统的效果产生决定性的意义。控制系统工艺流程图如图3-4所示。图3-4 管式加热炉工艺流程图 上料泵P1101将待加热物料泵出，首先进入换热器E1101的管程预热，同时对出料温度进行微调，物料经换热器后直接进入加热炉F1101的对流段。加热炉对流段在物理结构上由多段盘管构成，从辐射段出来的高温烟气自上而下通过盘管的间隙与管道进行接触，同时与管内的物料进行换热，充分回收烟气中所含的余热，使物料再次预热。物料经对流段预热后全部进入加热炉F1101的辐射段，在辐射段中燃烧器通过燃烧产生大量热量，对管道进行辐射传热。从辐射段出来的热物料，全部进入换热器E1101的外壳，利用自身的热量对

46、换热器管道内的冷物料进行预热，同时将自己的温度降低到要求温度，达到工艺指标的物料从换热器出口排除供给下一生产单元。燃料泵P1102将燃料泵入加热炉F1101的燃烧器，变频风机K1101将空气送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的物料迅速升温。3.3.4 管式加热炉控制系统要求1 开车步骤 (1) 启动前检查所有的阀门、泵、鼓风机均是否处于关闭状态，若没有则应将其关闭；(2) 打开烟道挡板，确保烟道畅通，然后启动鼓风机K1101，对炉膛进行吹扫，当炉内可燃性气体达到爆炸限以下后，停止鼓风机； (3) 启动上料泵P1101，启动物料调节阀，使管道中物料流量达到最小流量10

47、kg/s0.5kg/s，确保管道中物料流量达到最小值；(4) 打开燃料泵P1102、变频风机K1101，启动燃料调节阀，点火；(5) 缓慢升温，将最终将热物料出口温度稳定在2401；(6) 提升负荷，将物料流量提升至31kg/s0.5kg/s。2 物料流量控制指标 系统在无论在开车投运还是在提升负荷过程中均要保持物料流量在设定值且稳定，同时在固定生产时间内应达到规定的产量。 3 物料温度控制指标在最小流量阶段及提升负荷稳定后，温度均应该稳定在设定的温度范围内，波动范围不应过大。4 满足节能指标要求由于加热炉控制系统需要耗能较多，对环境污染较大，控制系统尽量将使用的燃料量控制在规定指标内，同时根

48、据燃烧的特性将燃烧后产生的烟气控制在规定指标内，合理利用系统产生的余热。5 控制系统充分贴近真实的工业现场设计虽然在实训装置SMPT-1000上实现控制需求，但是也应贴近实际生产现场，按照开车步骤依次将控制回路投运，保证系统按照正确的指令完成开车过程，完成投运。6 控制系统工艺要求参数表表3-1 工艺要求参数表工艺参数控制范围出料温度2401出料流量31kg/s0.5kg/s炉膛负压1961Pa烟气含氧量0.9%-3.0%3.4 硬件分析及选型3.4.1 自动化站硬件分析及选型自动化站硬件系统由CPU、电源、通讯处理器等组成。在本设计中所使用的CPU自带有PROFIBUS DP通讯口，可与现场

49、设备进行数据交换，AS与OS进行数据交换是通过通讯处理器CP443-1，它可以将信号传送到OS或ES站。构成整个AS站最小系统硬件见表3-2。表3-2 构成AS站的硬件列表名称型号订货号电源模块PS4076ES7 407-0KA02-0AA0CPU模块CPU 412-3H6ES7 412-3HJ14-0AB0通讯模块CP 443-16ES7 443-1EX20-0XE03.4.2 操作员站/工程师站硬件分析及选型 在本设计中操作员站和工程师站共用同一台PC机。工程师通过CP443-1向PLC的CPU加载程序，同时操作员站也由以太网通过CP443-1与CPU进行数据交换。 PC机操作系统为Win

50、XP英文版，安装的PCS7软件为PCS7 V71 SP2英文版。3.4.3 泗博PM125模块分析 泗博PM-125模块是一种RS485/PROFIBUS DP适配器，适用于点对点连接，可以将一个具有RS485接口的设备转换成一个PROFIBUS DP总线接口设备。 PM125适配器在PROFIBUS侧是PROFIBUS DP从站，在RS485侧是一个Modbus主站。然后与SMPT-1000的AI、AO、DI、DO模块连接，完成系统通讯。同时PM125应用简单，用户不需要了解PROFIBUS和Modbus技术细节，只需参考使用指南，根据要求完成配置，即可完成系统通信。3.5 系统硬件地址分配

51、由于使用泗博PM125作为适配器，PM125内部已将拨码设置好，初始地址为7，同时生产厂家已将RS485端接至SMPT-1000的I/O口，因此只需将PLC连接至PM125的PROFIBUS端，在设备上设置好相应的波特率、串口号即可，不需要再分别对地址进行设置。3.5.1 PLC数字量输入地址分配 PLC数字量输入地址分配情况见表3-3。表3-3 PLC数字量输入地址分配表序号类型名称位号相对地址1DI炉膛燃烧状态指示D1101I +1.03.5.2 PLC模拟量输入地址分配 PLC模拟量输入地址分配情况见表3-4。表3-4 PLC模拟量输入地址分配表序号名称位号单位相对地址1物料进料流量FI

52、1101kg/sIW +22燃料流量FI1103kg/sIW +63空气量FI1104kg/sIW +84热物料出口流量FI1105kg/sIW +105烟气流量 FI1107kg/sIW +126炉膛中心火焰温度 TI1101IW +267加热炉对流段出口物料温度 TI1102IW +288加热炉辐射段出口物料温度 TI1103IW +309热物料出口温度TI1104IW +3210烟气温度 TI1105IW +3411加热炉对流段入口物料温度 TI1201IW+3612燃料压力PI1101MPaIW +4013炉膛真空度PI1102mmH2OIW +4214烟气含氧量AI1101%IW +

53、523.5.3 PLC数字量输出地址分配 PLC数字量输出地址分配情况见表3-5。表3-5 PLC数字量输出地址分配表序号类型名称位号相对地址1DO物料管线截断阀XV1101Q +2.12DO燃料管线截断阀XV1102Q +2.23DO上料泵启停开关HS1101Q +2.54DO燃料泵启停开关HS1102Q +2.65DO鼓风机启停开关HS1103Q +2.76DO炉膛点火按钮HS1104Q +3.03.5.4 PLC模拟量输出地址分配 PLC模拟量输出地址分配情况见表3-6。表3-6 PLC模拟量输出地址分配表序号类型名称位号相对地址1AO物料进料管线调节阀FV1101 QW +42AO燃料

54、管线调节阀FV1104 QW +103AO变频鼓风机S1101 QW +124AO热物料出口管线调节阀FV1105 QW +145AO烟道挡板DO1101 QW +166AO物料进料管线调节阀旁路阀HV1101 QW +183.6 系统控制策略3.6.1 出料流量算法设计物料出料流量受进料流量影响，可认为物料进料流量和出料流量相等。出料流量用单闭环PID控制即可满足工艺要求。物料出口流量控制系统框图如图3-5所示。 图3-5 物料出口流量控制系统框图从安全角度分析，当出现异常工况阀门关闭对系统危害性小，则调节阀应该选择气开阀，此时为+。当调节阀开度增大，管道流量增加，此时符号为+。因此控制器为

55、-。3.6.2 出口温度串级-比值控制算法设计物料出料温度受加热炉炉膛内燃料量和进风量共同决定，即可以理解为燃烧系统单位时间产生的热量决定，通过燃料流量和风量的按照一定的配比燃烧，确保出料温度稳定，因此燃料量和风量形成一个双闭环的比值控制。同时由于温度控制属于大滞后系统，在算法中采用串级控制。出口温度串级-比值控制算法的系统框图如图3-6所示。图3-6 出口温度-燃料/空气双闭环串级-比值控制框图3.6.3 炉膛负压控制算法设计 炉膛负压直接由烟道挡板控制，由控制器直接作用于烟道挡板，通过控制挡板开合度来调节炉膛负压。其系统方框图如图3-7所示。图3-7 炉膛负压控制系统框图3.6.4 空气量控制算法设计通过烟气含氧量可判断加热炉燃烧状态，通过综合调节进风