毕业设计（论文）基于PLC控制的冷轧煤气混合加压系统设计

1、 本科生毕业设计（论文） 摘要冷轧煤气混合加压系统是钢铁生产的重要环节，混合煤气的质量直接影响钢铁生产的质量和产量。煤气混合加压过程复杂，影响因素多，本次设计系统就是为了使加压站能稳定的进行工作。本系统包含了四个调节回路，分别是热值调节回路、混压调节回路、加压机后压力（变频）调节回路、加压机后压力（泄放）调节回路。四个调节回路主要是使冷轧煤气混合加压站中高炉煤气与焦炉煤气通过热值调节回路控制使之比为4:1，混合气体的调节阀调节电路主要由pi调节电路进行调节，同时有手动和自动调节阀保证了调节的精确度及稳定性。变频器的调节保证了加压机的转速在一个稳定的的范围，使加压机的压力稳定。通过设计用回路调节

2、变频器，保证了加压站的稳定。用安全栅等安全措施保证了操作人员的安全。关键字：冷轧煤气，加压站，pi调节，变频器，安全栅abstractcold-rolled steel gas mixed pressurized system is an important part of the production, mixed gas directly affects the quality of steel production quality and yield. mixed gas pressure to the complexity, many factors, this design syst

3、em is to make the pressure points to steady work. the system consists of four control loop, namely heating value adjustment circuit, mixed voltage regulation loop, pressurized machine pressure (frequency) control loop, pressurized machine pressure (discharge) control loop. four main control loop is

4、to make the cold gas mixed with blast furnace gas compressor stations in the calorific value of coke oven gas through the loop control to adjust the ratio of 4:1, mixed gas regulator valve to adjust the circuit mainly by the pi regulator circuit to adjust, both manual and automatic regulating valve

5、to ensure the accuracy and stability. frequency regulation to ensure the compression machine at a steady speed range, steady pressure to pressure machine. regulation designed to loop through the inverter to ensure the stability of pressure points. with barriers and other security measures to ensure

6、the safety of the operator. keywords: cold gas, compressor stations, pi regulator, inverter, safety barrier目录第1章 绪论11.1课题背景11.2国内钢铁联合企业煤气优化利用现状11.3混合煤气加压系统的作用、特性及研究现状2第2章 方案论证42.1系统回路的设计42.1.1热值调节回路设计42.1.2混压调节回路52.1.3加压机后压力（变频）调节52.1.4加压机后压力（泄放）调节62.2混合加压站系统设计72.2.1单加压工艺流程72.2.2三个混合站供气能力的确定72.2.3流量

7、调节阀组72.3混合加压站的控制系统设计82.3.1模糊解耦控制器结构设计82.3.2蝶阀组控制设计122.4系统框图13第3章 硬件电路设计153.1 plc选型153.1.1 i/o口的分配153.1.2 cpu及扩展模块的选择163.1.3cpu外部接线图173.2传感器的选择183.2.1温度传感器的选择183.2.2压力传感器选择193.2.3 流量变送器203.2.4气动式调节阀选择213.2.5一氧化碳气体报警器223.2.6执行器的选择243.2.7变频器的选择25第4章 软件设计274.1系统主程序流程图274.2温度上限报警流程图284.3一氧化碳报警流程图284.4调节阀

8、控制流程图294.5变频器输出频率调节流程图304.6加压机后压力调节流程图314.7 pi调节控制流程图324.8加压站的生产工艺32第5章 结论与展望36参考文献38致谢40附录41附录53附录5464第1章 绪论1.1课题背景 煤气既符合中国能源安全战略和环保政策，又符合相关燃耗企业的利益要求，得到了诸如玻璃、陶瓷、冶金、机械、化工等燃耗较大的广泛应用。在这种形势下，煤气的合理开发及充分应用就显得极其重要。然而普通煤气加压机系统存在着许多不足之处，作为系统控制参数煤气出口压力未采用自动控制方式，人工操作滞后大，不能准确、及时的跟随压力变化，造成压力波动，影响用户使用等等。随着机械行业的技

9、术进步和市场的不断发展，自动控制在市场中所占的比重越来越大。将plc应用于该控制，具有操作简单、运行可靠、抗干扰能力强、编程简单，控制精度高的特点。在控制的过程中，煤气加压机可以根据参数的修改实现对供气现场的准确控制。1.2国内钢铁联合企业煤气优化利用现状由于各地方经济发展水平和地理位置、资金投入力度的差异，使得各地钢铁企业的发展状况不尽相同。总体说来，沿海经济发达地区和部分老的重工业基地省市的钢铁企业技术水准较高，生产工艺流程先进，在经济效益和资源的合理利用以及可持续发展方面走的更远。相对而言，部分内陆的钢铁企业在生产工艺结构、生产设备技术含量、生产组织管理方面还亟待提高。具体到对企业煤气资

10、源的合理有效利用层面，国内钢铁联合企业的大致状况如下：(1) 生产工艺设计时对煤气资源的优化利用有充分考虑，三种主要的煤气副产品的管网压力基本一致，便于不同品种煤气的混合；设置有充足合理的煤气存储设备(煤气柜等)，为煤气系统的平衡调节提供了足够的缓冲手段；充分考虑了煤气的热值问题，在混合煤气加压之前已经使用相关设备对混合煤气的热值进行较高精度的配比控制，使之更加符合下游生产工序对燃质的质量要求。(2) 各种煤气副产品的管网压力不一致，在混合之前需分别进行压力调节；有足够的煤气存储设备作为系统平衡的缓冲；对各种煤气的热值配比有一定的先行控制但是精度不太高。(3) 各种煤气副产品的管网压力不一致，

11、没有足够的煤气存储设备，对各种煤气的热值配比没有进行单独的先行控制。上述的三种状态代表了目前我国钢铁联合企业在企业副产品的综合利用方面的三种技术层次，显然第一种状况应该是各企业的发展目标，只是由于各企业的具体条件的差异，需要逐步规划实行。而混合煤气加压系统由于处在整个煤气平衡系统最为关键的中间过渡环节，其建立或者技术升级是刻不容缓的。1.3混合煤气加压系统的作用、特性及研究现状在钢铁行业生产中，高炉、焦炉和转炉产生的煤气是重要的高热值燃料，如排放至大气，将造成严重的空气污染；而若将它们收集加以充分利用，作各种工业燃气加热炉的燃料，其经济效益是相当可观的。一般处理过程是将产生的各种煤气分别收集到

12、贮气罐(或贮气塔柜)中，再用管道传送到中继加压站经加压后供各用户使用。当从一次能源(如煤)转换成二次能源(煤气)时，由于一次能源燃质不稳，在转换过程中必然导致二次能源(煤气)燃质也不稳，即煤气燃质具有较大的不确定性。用户要求将燃质控制在允许范围内，且将燃气的压力严格稳定在指定范围，以便使用。以钢铁企业的燃气轧钢加热炉为例，它要求送入的燃气燃质和压力稳定，否则燃烧系统很难控制，直接影响轧钢生产等后续自动化生产线的产品质量。再者，由于受煤气源和煤气用户地理位置的限制，副产煤气需在各用户之间远距离的输送。故此，为保证气源及热值的稳定，保证管网的煤气压力，满足用户的要求，应建立相应的煤气混合加压站系统

13、。此举对优化能源结构、减少煤气放散、降本增效和保护环境有着重要的意义。可以说，煤气混合加压系统是合理利用钢铁企业煤气资源的重要的中间环节，是煤气从产生过程到合理利用、消费过程的重要的过渡过程。由于钢铁企业生产流程和企业地理布局的特点以及企业生产状况的复杂多变，要求混合煤气加压站控制系统能够适应以下特性：（1）在上游用户、下游用户的用量变化的作用下进站压力、出站压力变化无常。（2）介质为气体，变化的过渡过程长。（3）管网的特性变化无常。（4）系统中有滞后、非线性部件。显而易见，我们面对的是一个数学模型难以确定的，具有大时滞和非线性部件的复杂被控对象。令人欣慰的是，尽管在煤气资源的整体综合利用方面

14、国内各企业间存在着一定差距，但是混合煤气加压系统得到了一致的重视。目前，国内各钢铁联合企业几乎都建立了一个或数个煤气加压系统，并且基本上实现了从传统的电仪控制升级到了较为先进的plc+变频器控制，有的企业还实现了煤气加压系统数据和企业生产管理调度系统的数据链接，增强了企业的生产信息化水平。在控制算法方面，随着智能控制技术的不断发展，各种先进的控制理念在实际系统重得到了应用，取得了很好的效果。随着计算机技术的迅猛发展，控制设备的计算能力也获得了空前的提高，使得先进控制算法得以充分的实施，从而提高了系统的控制品质。工业化网络技术的发展为煤气加压控制系统更好的融入整个工厂生产管理信息系统提供了便利的

15、条件。本次设计需要对冷轧煤气混合加压系统进行设计，系统的硬件设计应包括：plc控制器、各种传感器和执行机构的选型，plc控制器i/o端口地址分配及相应控制电路设计；系统软件设计包括：系统控制主程序流程、梯形图及主要子程序的编写。第2章 方案论证根据所给的题目及所要实现的功能分析得出本次设计需要有四个系统回路分别为热值调节回路、混压调节回路、加压机后压力（变频）调节回路、加压机后压力（泄放）调节回路。2.1系统回路的设计2.1.1热值调节回路设计热值是用户气源的主要质量指标之一。冷轧煤气混合加压站以高炉煤气为主气，它不可控制，取决于用户用量；焦炉煤气为辅气，要求控制其两道阀门，使高、焦配比约4:

16、1。本回路为一串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环，焦炉煤气流量调节为副环，加入了高焦煤气流量单交叉限幅。焦炉煤气流量的设定值不单单取决于热值调节器输出信号，而且受到高炉煤气流量的瞬时值的限制，即按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值，乘以1.05和0.95作为输出信号的上、下限幅值。该控制思想一则使焦炉煤气流量调节器的调节量不至于过大，从而使高焦配比值在小范围内波动；二则使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统的调节品质。热值调节回路如图2.1所示：焦炉气调节器热值调节器焦炉气阀焦炉气流量焦气量热值热值仪图2.1热值调节回路图对此回路采用单台调节器串调

17、双阀的控制方案，即在计算机中设置一台软调节器，其输出信号给到2台手操器，同时带动2台电动蝶阀。为防止二阀同时动作造成超调，将2台手操器内的死区设置的有所差别，当调节器输出要求的阀位信号与实际阀位反馈信号出现偏差时，死区小的手操器（电动调节阀）首先动作，若偏差不大时，就能纠正过来；当调节量不够时，偏差增大，死区大的手操器（电动调节阀）也动作，加大调节力度，使系统迅速回到稳定状态上。当系统出现较大偏差时，常会出现同时超出二者死区范围的现象，则二阀一同动作，使偏差迅速减小到一定范围，此时大死区的电动调节阀停止动作，剩余的小偏差靠死区小的调节阀来进一步精调到位。2.1.2混压调节回路混压调节在实际中既

18、影响热值、又影响加压机后压力。所以，混压调节不好，则热值调节、加压机后压力调节都无从谈起。本回路为一串级随动调节系统，在控制回路中建立数学模型，煤气混合压力的设定值随着高、焦气源的压力波动而自动计算设定，同时又加以上下限幅，使工艺操作变得更加合理。从热值的稳定方面来看，机前混压能够随高、焦煤气压力波动而适时适度地调整，保证了焦炉煤气能够按所需的量顺利配人；从加压机后压力的稳定方面来看，机前压力变化范围不至于太宽，减少了对加压机后出口压力调节的干扰。混压调节回路如图2.2所示给定值压力控制器调节器压力变送器混合煤气量控制器图2.2混压调节回路图混压调节就是控制高炉煤气的两道阀门。为了避免“瓶颈”

19、，同样如上所述，也采用了一台软调节器控制2台电动调节阀的方式，减少对机后出口压力调节的干扰。2.1.3加压机后压力（变频）调节 加压机后压力是用户气源的主要质量指标之一，本回路为一定值单回路调节系统。其设定值为13.5kpa，当加压机后出口压力升高降低时，增大减小变频器的输出频率。从而改变加压机的转速，以“变”求“稳”。在计算机和变频器上都设置了最低运行频率，从而保证出口压不至于太低，也保证了自带油泵能够给出足够的油压油量，以免烧坏轴瓦。这两个频率运行下限是保证加压机设备安全、用户正常生产的两道防线。加压机后压力（变频）调节回路如图2.3所示设定值压力变送器器变频器压力变送器油压油量

20、控制器图2.3加压机后压力（变频）调节回路2.1.4加压机后压力（泄放）调节这是加压机后压力调节的另一手段。本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为14kpa，当加压机后出口压力升高降低时，增大减小泄压阀的开度，以“泄”求“稳”。加压机后压力（泄放）调节回路如图2.4所示混合气调节器压力调节器泄放阀压力变送器煤气量图2.4加压机后压力（泄放）调节回路图通常，泄放调节器的设定值高于变频调节器的设定值，一般情况下，变频器负责系统全部的调节，而泄放阀处于关闭的“休闲”状态。当用户突然大减量，造成出口压骤然升高，变频的调节速度不足以使出口压迅速降下来时（即出口压超过14kpa），泄放回路立即参与调节。

21、泄放回路比例带、积分时间都设得很小，因而，动作很快，与变频“双管齐下”，可使压力迅速降下来，保证了用户气源压力稳定，避免了以前类似情况下加压机进入喘振的可能，保障了设备安全。在调节过程中，绝不会出现既保持加压机转速较高，又使泄放开启一定高度的“稳定平衡”状态。2.2混合加压站系统设计2.2.1单加压工艺流程根据资料得高炉煤气进站压力为1315 kpa，焦炉煤气压力进站压力为3-6 kpa的煤气压力供应特点，并结合煤气用户现场布置的实际情况。最后方案确定为单加压焦炉煤气。加压后的压力为14 kpa。然后与高炉煤气或转炉煤气混合。2.2.2三个混合站供气能力的确定煤气混合加压站中混合站共有三个。1

22、#混合站为高炉煤气与焦炉煤气混合。主要供150 t转炉、炉卷轧机加热炉用气。根据用户用量，即平均量12万，最大量144万。最小量6万，混合煤气管道直径设计为dnl 800。高焦炉煤气管道分别为dnl 600和dnl 000。混合比例为0.67：0.33，混合煤气热值7 674±209，压力大于10 kpa，该混合煤气管道与公司。加压站具备联网供气的条件。2#混合站为高炉煤气与焦炉煤气混合。主要供中板机组、2×150 t转炉及1780常规热连轧机3座加热炉用气，根据其用气量，即平均量12万。最大量17万，最小量6万，混合管道直径设计为dn2 200，高炉煤气管道和焦炉煤气管道

23、分别为dnl 800和dnl 200。高炉煤气与焦炉煤气的混合比例为067：033。混合煤气热值7 674±209。压力大于10 kpa。3#混合站为高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气混合的三混煤气主要供一轧厂3个机组、动力锅炉。即平均量72万，最大量86万，最小量36万，混合管道直径设计为dn2 000，高、焦、转炉煤气管道分别为dnl 000、dn800和dnl 600。转炉煤气供应量为6万，其余高炉煤气与焦炉煤气的混合比例为0.67:0.33。混合站的混合煤气热值根据煤气使用情况调整，高炉煤气和焦炉煤气使用四个蝶阀调节，转炉煤气只有一个蝶阀控制。平时不参与调节。2.2.3流量调节阀组

24、考虑到用户对煤气热值的要求较严格且煤气用量大。单一的流量调节蝶阀的调节范围具有一定的限制。考虑将混合站及混合站的高炉煤气与焦炉煤气的二道流量调节蝶阀改用调节阀组形式，调节阀组设计为三个调节蝶阀，流量分配比例为0.65:0.25:0.1，则两混合站的二道流量调节阀组设计形式。混合加压站工艺如图2.5所示dn2200混合煤气dn2200混合煤气dn1000dn800dn1800dn1200dn1500焦炉煤气dn1000dn1500转炉煤气dn2200高炉煤气dn1500焦炉煤气dn1800混合煤气混合站加压机加压机加压机加压机dn1600高炉煤气混合站混合站图2.5混合加压站工艺流程图2.3混合

25、加压站的控制系统设计2.3.1模糊解耦控制器结构设计在一个生产装置中，往往需要设置若干个控制回路，来稳定各个被控变量。在这种情况下，几个回路之间，就可能相互关联，相互耦合，相互影响，构成多输入-多输出的相关控制系统。这种系统叫做耦合控制系统。解耦控制设计的主要任务是解除控制回路或系统变量之间的耦合。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而

26、有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。由于混合煤气加压过程复杂，气源压力的的波动、加压机转速的改变、蝶阀开度的调节、后续单位生产调整等因素都会影响混合煤气压力的稳定。而目前为了控制好混合煤气机后压力，国内采用最多的pid控制和模糊控制，形成一个闭环的反馈控制回路，一般没有考虑加压机前压力的变化，控制效果很差。在自动控制设计过程中，目标值跟踪特性和外扰抑制特性是设计者关注的两个主要问题。加压前压力的变化先于机后压力的变化，也是加压机后压力波动原因。设计一种更完善的压力控制方案是实际生产需求之一。在煤气混合过程中，其输入量为

27、高炉煤气和焦炉煤气，输出量为混合煤气压力和热值，输入煤气的改变影响混合煤气压力，又影响混合煤气热值。因此，该被控对象是一个耦合严重的双输入、双输出多变量系统，必须设计一个解耦控制器对其进行控制，本方法选用的解耦器结构如图2.6所示。热值设定混压设定+模糊解耦控制器煤气混合过程图2.6解耦原理图在深入进行煤气混合加压过程机理分析的基础上，利用模糊控制、解耦控制、专家控制、集成优化建模等技术，建立了煤气混合解耦控制模型，提出了二自由度专家控制方法，保证混合煤气热值压力的稳定。煤气混合解耦控制模型由高炉煤气模糊控制器、焦炉煤气模糊控制器、专家控制器、模糊解耦控制器组成，基于过程的特点和操作人员经验知

28、识，通过融合模糊控制、专家控制、模糊解耦等技术进行设计，实现了高炉煤气与焦炉煤气的混合配比控制，从而稳定了混合煤气的热值。混合煤气加压的二自由度专家控制方法包含一个前馈专家控制器和一个反馈专家控制器，分别把加压机前后的混合煤气压力引进了专家控制器，实现对混合煤气压力的二自由度专家控制。模糊解耦控制器中解耦规则是系统设计的核心，其品质、以及具体参数设置，直接关系整个系统控制效果好坏。本方法解耦规则的确立依据来自两个方面：双蝶阀并联状态增益矩阵和专家经验。双蝶阀并联结构如图2.7所示，图中ql为焦炉煤气流量，q2为高炉煤气流量，u1,u2分别为1#蝶阀和2#蝶阀的开度，h为混合管道煤气总流量，a为

29、混合煤气热值。热值设定混压设定+专家控制器混压模糊控制器热值模糊控制器模糊解耦控制器焦阀控制器高阀控制器专家控制器煤气混合过程图2.7热值压力解耦控制方框图双蝶阀并联结构如图2.8所示，图中ql为焦炉煤气流量，q2为高炉煤气流量，u1,u2分别为1#蝶阀和2#蝶阀的开度，h为混合管道煤气总流量，a为混合煤气热值。设高炉、焦炉煤气热值分别为、，由图2.7可写出混合过程静态关系式为：设操作量 被调量 图2.8焦炉-高炉煤气混合过程图根据相对增益的定义，先求取“到通道的第一和第二放大系数因此可求得同理可求得、，结合相对增益矩阵的性质可求得相对增益矩阵为在实际生产中，焦炉煤气热值=17000，高炉煤气

30、热值=3000，混合煤气热值a在3000-17000之间变化。假设此时混合煤气热值偏低，a=4000，由上面公式可得到此时的系统相对增益矩阵为此时热值偏低，有两种调节方法：开大焦阀或关小高阀。根据增益矩阵，若开大焦阀，调节热值的同时对流量影响很小，因为矩阵的第一列两个值分别为13和1，可以计算出前一个式子说明此时开大焦阀调节热值很有效，只需改变焦阀很小开度就能实现热值调节目标；后一个式子说明改变焦阀开度对压力影响很小，这种调节解除了耦合，系统是趋向稳定的。2.3.2蝶阀组控制设计在本系统中使用了四蝶阀组调节热值，当控制器计算出焦炉和高炉阀门组控制值后，由蝶阀组控制策略决定到底如何调节相应阀门组

31、的两个阀门。控制设计推导如下。以焦炉蝶阀组为例。焦炉煤气压力一流量管道系统如图2.9所示。图2.9焦炉煤气压力-流量过程图在图2.8中，为1#蝶阀前焦炉煤气压力，为2#蝶阀前焦炉煤气压力，为2#蝶阀后焦炉煤气压力，、分别为1#蝶阀和2#蝶阀的开度，h为焦炉管道煤气流量。根据公式，压力-流量过程可以描述为两个回路都处于开环下，被调流h对的增量即第一放大系数是压力回路闭合时，h对的偏导数即第二偏导数即第二放大系数是根据相对增益定义有由上式可得，用压力来表示增益，即同样可以求出对流量h的相对增益如果改用来描述此压力-流量系统，即则可确定另一增益对上式求取偏导数，就可分别推导出、对的两个通道的相对增益

32、。最后，压力-流量系统的相对增益矩阵可写为如果系统中接近，则阵就十分接近单位阵，说明用阀1去控制流量，用阀2去控制压力是合适的。如果系统中接近，则情况就应把变量的配置一下，即用阀2去控制流量，用阀l去控制压力是合适的。如果接近的中点，则同时调节两个阀门是最好的。2.4系统框图根据以上的分析可得该系统的框图为图2.10所示西门子s7-200手操器手操器开度输出开度输出气动调节蝶阀执行器气动调节蝶阀气动调节蝶阀执行器气动调节蝶阀继电器继电器执行机构执行机构声光报警温度流量、压力变送器安全栅温度流量、压力变送器安全栅图2.10系统框图第3章 硬件电路设计3.1 plc选型3.1.1 i/o口的分配1

33、）输入/输出信号的分析根据本次设计模拟量输入的信号有；高炉煤气的流量，焦炉煤气的流量，混合煤气的温度，混合煤气的压力，co的浓度。数字量输入有；系统的启动，系统的手动停止，消铃按钮，试灯按钮。模拟量输出信号有；变频器的输出频率，泄放阀。数字量输出有；温度上限报警，混合煤气压力报警指示灯， co浓度上限报警指示灯，报警电铃。表4-1 i/o口信号代码输入信号名称代号输出信号名称代号1启动bg11混合煤气压力报警指示灯pg12停止bg22温度上限报警指示灯pg23消铃按钮sf13co浓度上限报警指示灯pg34试灯按钮sf24报警电铃pb5高炉煤气的流量bg35变频器输出下限频率mb56焦炉煤气的流

34、量bg46泄放阀mb67混合煤气的压力bg58混合煤气的温度t19co的浓度bg6由上面所述i/o分配表如表4-2所示表4-2 i/o口分配表输入信号名称i/o口分配输出信号名称i/o口分配1启动i0.01混合煤气压力报警指示灯q0.02停止i0.12温度上限报警指示灯q0.13消铃按钮i0.23co浓度上限报警指示灯q0.24试灯按钮i0.34报警电铃q0.35高炉煤气的流量aiw05变频器输出下限频率aow26焦炉煤气的流量aiw26泄放阀aow47混合煤气的压力aiw48混合煤气的温度aiw69co的浓度aiw82）i/o口统计初步估计数字量i/o点数为8个输入和4个输出点数，模拟量i/

35、o点数为5个输入和5个输出点数。增加20%备用量，以便随时增加控制功能：数字量输入点数为：4（1 + 10%）=5输出点数为：4（1 + 10%）=5模拟量输入点数为：5（1 + 10%）=6输出点数为：2（1 + 10%）=3控制系统plc的i/o点分配如表4.1所示。3.1.2 cpu及扩展模块的选择西门子公司的s7-200 plc 是一种叠装式结构的小型plc，它指令丰富，功能强大，可靠性高，结构紧凑，便于扩展，性能价从cpu模块的功能来讲，s7-200 系列plc具有以下五种不同结构配置的cpu单元。(1) cpu 221有6输入/4输出，无扩展，存储容量较小，有一定的高速计数能力，适

36、合于点数少的控制系统。(2) cpu 222有8输出/6输出，可以进行模拟量的控制和2个模块的扩展，应用更广泛的全功能控制器。(3) cpu 224有14输入/10输出，存储容量扩大了一倍，有7个扩展模块，内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是s7-200系列中使用最多的产品。(4) cpu 224xp最新推出的一款实用机型，最大的不同是主机上增加了2输入/1输出的模拟量单元和一个通信口，适合有少量模拟信号的系统中使用。(5) cpu 226有24输入/16输出，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，用于点数较多，要求较高的小型或中型控制系统。所以选择cpu 224，em235模拟量

37、输入/输出和em232模拟量输出。本设计的plc选择的cpu224的传感器电源24v(dc)可以输出600ma电流。模块连接方式如图3.1所示主机cpu224模块1 em235模块2 em235模块3 em235图3.1 模块连接图3.1.3cpu外部接线图由i/o图得cpu外部接线图如图3.2所示图3.2cpu外部接线图3.2传感器的选择3.2.1温度传感器的选择温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(rtd)和ic温度传感器。ic温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围，从200

38、到2000。它们的特点是：低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。另外，热电偶需要外部参考端。rtd精度极高且具有中等线性度。它们特别稳定，并有许多种配置。但它们的最高工作温度只能达到400左右。它们也有很大的tc，且价格昂贵(是热电偶的410倍)，并且需要一个外部参考源。模拟输出ic温度传感器具有很高的线性度 (如果配合一个模数转换器或adc可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处在于温度范围有限(+55+150)，并且需要一个外部参考源。数字输出ic温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢(100 ms

39、数量级)。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将ic设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。与热敏电阻、rtd和热电偶传感器相比，ic温度传感器具有很高的线性，低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量。综上所述，因为温度测量范围在0-800;所以选用pt100正温度系数热敏传感器它的主要技术指标如下：（1）测量范围：-200+850;（2）允许变差值：a级±（0.15+0.002|t|）,b级±（0.30+0.005|t|）;（3）热响应时间:30s;（4）最小置入深度：热电阻的最小

40、置入深度200mm；（5）允通电流5ma；另外，pt100温度传感器还具有抗震好、稳定性高、准确度高、耐压高等优点。铂热电阻的线性好，在0100之间变化时，最大非线性误差小于0.5。实物图如图3.3所示：图3.3 pt100正温度系数热敏传感器3.2.2压力传感器选择压力传感器目前最长使用的工作原理:压阻式、电容式、压电式、晶体谐振式等。压阻式的又有硅电阻、陶瓷电阻、应变电阻等，是把压力作用转化为电阻变化的原理。电容式的主要是用陶瓷电容，是把压力作用转化为电容变化的原理。压电式的是利用压电材料，把压力的作用转化为电量的变化。晶体谐振式是把压力的作用转化为频率的变化，这种原理的应用是输出信号接近

41、为数字信号。因为压力的变化范围稳定在13.5kpa左右，综合价钱、性能等因素，我选用1151电容式压力变送器。1151型电容式变送器的特点是精度高,稳定性好，二线制(420ma)，固体元件，接插式印刷线路板，小型、重量轻、坚固抗振，量程、零点外部连续可调，正迁移可达500；负迁移可达600,阻尼可调 单向过载保护特性好，无机械可动部件，维修工作量少，全系列统一结构，零部件互换性强，接触介质的膜片材料可选择 (316l、tan、has-c、monel等耐腐蚀材。测量介质：液体、气体和蒸汽测量范围：00.1kpa至040mpa工作方式：表压，绝压，差压输出信号：420ma dc(特殊可为四线制22

42、0v ac供电，010ma dc输出)供电电源：1245v dc，一般为24v dc(见图二十一负载特性)负载特性：与供电电源有关，在某一电源电压时带负载能力(负载特性)，负载阻抗rl，与电源电压vs关系式为：rl50(vs-12)指示表：指针式线性指示0100刻度或lcd液晶式显示量程和零点：外部连续可调温度范围：放大器工作温度范围：-29+93实物图如图3.4示：图3.4 1151型电容式变送器3.2.3 流量变送器流量变送器选孔板流量计。孔板流量计又称为差压式流量计，是由一次检测件(节流件)和二次装置(差压变送器和流量显示仪)组成，广泛应用于气体、蒸汽和液体的流量测量。具有结构简单，维修

43、方便，性能稳定，使用可靠等特点。孔板节流装置是标准节流件可不需标定直接依照国家标准生产，1.国家标准gb2624-81<流量测量节流装置的设计安装和使用；2.国际标准iso5167<国际标准组织规定的各种节流装置；3.化工部标准gj516-87-hk06。孔板流量计工作原理：充满管道的流体流经管道内的节流装置，在节流件附近造成局部收缩，流速增加，在其上、下游两侧产生静压力差。在已知有关参数的条件下，根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量。节流装置组成：节流件：标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、14圆孔板、双重孔板、偏心孔板、圆缺孔板、锥形入口：孔板等取压

44、装置：环室、取压法兰、夹持环、导压管等：连接法兰（国家标准、各种标准及其它设计部门的法兰）、紧固件：测量管jy-lgb孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器（或差压变送器、温度变送器及压力变送器）配套组成的高量程比差压流量装置，可测量气体、蒸汽、液体及天然气的流量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。 实物图如图3.5所示孔板流量计适用范围 1. 公称直径： 15 mm dn1200mm 2. 公称压力：pn10mpa 3. 工作温度：50t550 4. 量程比：1:10， 1:15 5. 精度：0.5级，1级图3.5孔板流量计3.2.4气动式调节阀选择因为输

45、入气体是可燃性气体，用电动式调节阀容易引起电火花，发生危险。所以选用气动式调节阀。气动三通调节阀,电动三通分流调节阀,压力调节阀亦称调节阀、流量控制阀、流量控制器、动态平衡阀、流量平衡阀，是一种直观简便的流量调节控制装置，调节阀结构组成调节阀通常由电动执行机构或气动执行机构与阀体两部分共同组成。直行程主要有直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。角行程主要有：v型电动调节球阀、气动薄膜切断阀,偏心蝶阀等。 通过查找资料选择角-4 zhtb型三维偏心调节阀。它的原理是利用三维偏心原理。实现了消除碟版在90

46、6;（或60°）旋转过程中阀座与密封圈之间的摩擦，使得使得碟版在施行关闭，入座时动作灵敏，位置精确度高；同时安装在碟版内的弹性金属密封圈，由于入座时的柔性挤压而产生了弹性形变，密封面涨紧在阀座的密封表面上，确保了芯、座间密封效果良好，可靠性和稳定性高，密封副使用寿命长；这种产品具有体积小，重量轻，结构紧凑，流路简单，压力损失小，切断性能佳的特点。它可以广泛的应用在石油、石化、冶金、污水、油罐、等不同场合；性能稳定，维修量小。输出信号：420madc实物图如图3.6所示图3.6 zhtb型三维偏心调节阀3.2.5一氧化碳气体报警器一氧化碳报警器按使用方向可分为家庭用一氧化碳报警器和工业

47、用一氧化碳报警器，另外按使用方式可分为壁挂/固定式一氧化碳报警器和便携式一氧化碳报警器，根据不同使用要求可以选择不同的仪器。技术规格：工作电压：主电：220vac，（50-60）hz 备电：24vac（可选） 工作温度：0-40 工作湿度：（10-95）% rh 功耗：每通道5w 探测器输入：四线制可燃/有毒探测器 报警方式：声音报警：分故障报警，浓度报警两种不同的声音； 光报警：通过led发光二极管显示出电源故障报警、浓度报警、探测器故障报警。 输出信号：4路报警继电器输出，没路额定输出5a，250vac/10a，30vac（注：输出均为开关量输出）第1路为固定的脉冲输出（打阀），探测器中任

48、意一路的报警都会引起该继电器的打阀动作。其余三路为正常的开关功能，每一路继电器对应的探测器报警输出路数的设置。 故障报警：系统可显示探测器连线短路、断路故障；传感器故障；系统供电电源故障等。 历史记录：每通道记录最近一次的报警时间。rbt气体探测器具有检测精度高，性能稳定、质量可靠、抗中毒、抗干扰能力强等特点。可以长期检测易燃易爆气体，也可以长期工作于有毒有害环境。与rbk系列报警控制器配套使用，可以实现远程通讯功能，确保在第一现场，第一时间发出报警信号，及时消除陷患。还可以接入其它二次仪表或dcs系统。 主要特点： 进口传感器、精度高、测量准确、抗中毒、性能稳定，探头防爆式结构设计，适用于工

49、厂等各类危险场所，方便与各种dcs、plc以及其他系统连接，高防护等级，防尘、防水抗腐蚀性能强，能工作于酸性碱性环境。4-20ma/rs485多种信号接口形式。主要技术指标： 检测气体：可燃/毒性气体 测量范围：0-100%lel 0-100/500/1000ppm 采样方式：扩散式 检测原理：催化燃烧式/电化学式 传感器寿命：2-3年 检测误差：±5%fs 响应时间：<30s 长期漂移：< 2%信号/月 恢复时间：<30s 工作电压：dc24v 功 耗：1.5w 模拟输出：dc420ma标准信号输出 传输距离：1200m 大气压力：86106kpa 保存温度：20

50、65 工作温度：4065 工作湿度：<90%rh 重 量：约2.2（1.2）kg 防爆标志：ex d ii ct6 出线孔连接螺纹g3/4”（ g1/2”）螺纹 安装方式：固定支架、管装、墙壁实物图如图3.7所示图3.7可燃性气体报警器3.2.6执行器的选择执行器的选择：调节阀的流量特性是流过阀门的流体的相对流量与阀门的相对开度间的关系，相对开度是调节阀某一开度行程与全开行程之比。执行器是由执行过程和调节阀组陈的，而执行机构与正反两种作用，调节阀也有正反两种作用，因而组装成的气动调节阀有气关气开两种形式。无压力信号时阀全开，随着压力信号增大，阀门逐渐关小的气动调节阀为气关式；反之，无压力

51、信号时阀全关，随着压力信号增大，阀门逐渐开大的气动调节阀为气开式。 如图3.8所示：图3.8（a）气关阀（b）气开阀从生产工艺的安全考虑，一旦控制系统发生故障，要保证人身的安全，炼油厂的精馏塔温度控制系统，不可以让精馏塔处于太高的温度，所以执行器应选择气关阀。本系统选用valtek公司推出的starpac型智能调节阀，与上位机的控制系统的连接用420ma模拟信号，采用数字通信方式进行组态、校准、数据检索与故障诊断等信息传输。实物如图3.9所示图3.9 starpac型智能调节阀3.2.7变频器的选择变频器的功用是将频率固定的（通常为50hz的）交流电（三相或单相）变成频率联系可调（多数为0-4

52、00hz）的三相交流电。由公式：其中为旋转磁场的转速通常称为同步转速f为电流的频率p为旋转磁场的磁极对数当频率f连续可调时（一般p为定数），电动机的同步转速也连续可调。又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些，所以，当同步转速连续可调时，异步电动机转子的转速也是连续可调的。变频器就是通过改变f（电流的频率）来使电动机调速的 为本次设计选西门子micromaster 440变频器主要特征： 200v-240v ±10%，单相/三相，交流，0.12kw-45kw； 380v-480v±10%，三相，交流，0.37kw-250kw； 矢量控制方式，可构成闭环矢量

53、控制，闭环转矩控制； 高过载能力，内置制动单元； 三组参数切换功能。控制功能： 线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制， 闭环转矩控制，节能控制模式； 标准参数结构，标准调试软件； 数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个； 独立i/o端子板，方便维护； 采用bico技术，实现i/o端口自由连接； 内置pid控制器，参数自整定； 集成rs485通讯接口，可选profibus-dp/device-net通讯模块； 具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程； 可实现主/从控制及力矩控制方

54、式； 在电源消失或故障时具有"自动再起动"功能； 灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性； 快速电流限制（fcl），防止运行中不应有的跳闸； 有直流制动和复合制动方式提高制动性能。保护功能： 过载能力为200额定负载电流，持续时间3秒和150额定负载电流，持续时间60秒； 过电压、欠电压保护； 变频器、电机过热保护； 接地故障保护，短路保护； 闭锁电机保护，防止失速保护； 采用pin编号实现参数连锁。实物图如图3.10所示图3.10 micromaster 440变频器第4章 软件设计4.1系统主程序流程图本设计主要是控制高炉煤气与焦炉煤气之比为4:1，由于高炉煤气的进气量不变，所以只控制焦炉煤气的进气量就可以了。根据第二章的设计可知，主程序主要为热值调节系统，系统流程图如图4.1所示：否开始初始化启动按钮高、焦炉煤气比为4