氯碱生产乙炔发生装置控制

1、项目五项目五 氯碱生产乙炔发生氯碱生产乙炔发生装置控制装置控制任务一任务一 氯碱生产乙炔发生装置生产工艺技能点技能点训练压力传感器的安装与调校方法知识点知识点1. 氯碱生产乙炔发生装置生产线流程图2. 氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求及控制参数一、任务目的一、任务目的1.学习压力传感器的基本知识2.学习氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求图5-1二二.任务实施步骤及工艺要求任务实施步骤及工艺要求1. 氯碱生产乙炔发生装置生产线流程图乙炔也叫电石气，用途很广，主要用于制造有机化合物。还可用于金属切割、焊接及金属表面喷镀、热处理等。乙炔生产设备对电气自动化控制技术和安全技术的要求很高，它既有开

2、关量信号又有模拟量信号的控制。本课题就是针对乙炔生产设备的生产工艺控制要求采用PLC技术实现乙炔生产过程控制系统。可使乙炔生产设备控制精度、工作可靠性、稳定性、快速性以及安全生产保障性明显高于传统的继电接触器和单独的仪表控制与调节技术。使生产效益大大地提高。生产线流程图如图5-1所示。2.工艺控制要求和控制参数生产工艺流程图如图5-2所示。 1）电石由遥控天车在电动葫芦（30吨）带动下，由天车运送到加料斗正上方，（此过程由控制室内摄相机观察，由操作员用按钮手动阿控制完成），到位后手动按下按钮SB1，电磁阀F1为ON，将电石加入上菱形料斗中，30S后F1为OFF。2）初始时系统各个开关和电磁阀均

3、为OFF。系统开始工作，先手动打开阀门F8。3）按下启动按钮SB2，电磁阀F7为ON，向乙炔发生器反应釜中注水，当水位达到反应釜内低水位开关KL（40%水位）时，仍继续注水，当水位达到反应釜高水位开关KH（80%水位）时，F7为OFF。在反应中，当水位低于KL时，F7又为ON，再次向反应釜内自动注水。反应釜中水温控制在85摄氏度，达到85 摄氏度时，温度传感器开关KT为ON，打开排渣电磁阀F9，同时又启动F7供冷水降温，当水温低于85 摄氏度后，KT为OFF，关闭F9，当反应釜内水位再次达KH时，F7为OFF。4）按下启动按钮SB3，排空电磁阀F3和充氮电动调节阀F2为ON ，向上菱形料斗充氮

4、气并排出空气，其内部压力经电动调节阀F2的PID调节达到5KP后，压力继电器KP为ON，再延时10min，自动关闭F3和充氮电动调节阀F2，在显示器上显示上菱形料斗内正压条件成立，可以打开电磁阀F4。5）按下按钮SB4，打开电磁阀F4，将电石由上料斗加入下菱形料斗为加入乙炔反应釜做好准备。6）电石由下菱形料斗进入电动筛子（振动），按下按钮SB5，电动筛子电动机M的控制接触器KM为ON，电动筛子运行将振碎的电石加入反应釜中与水反应产生乙炔气，5S后电磁阀F5为ON，将反应釜中的一部分乙炔气送到储气柜，另一部分乙炔气供给下一步工序继续反应，反应釜产生的乙炔气压力范围为517.5KP。7）停止时,先

5、手动关闭F8水阀再按下停止按钮SB5,F7为OFF,F4为OFF,电动筛子KM为OFF。30S后F5为OFF,同时F9为ON,30S后反应釜中电石水渣排空,F9为OFF。3.压力传感器在乙炔上菱形料斗中部安为装一压力检测变送器以检测充入其中氮气的压力，根据工艺要求选择型号为SWP-T201R1F2A10扩散硅通用压力传感器。其测量压力与输出电流信号关系曲线如图5-3所示。图5-3三、相关知识与技能三、相关知识与技能电子感测技术的基础知识1.传感器的定义和组成（1）传感器：以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。（2）传感器的组成：如图5-4所示。图5-4

6、1壳体；2膜盒（敏感元件）；3电感线圈（转换元件） ； 4磁芯；5转换电路气体压力传感器的组成如图5-5所示。图5-52. 传感器的分类（1）按传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。（2）按传感器的构成原理，可分为结构型与物性型两大类。 （3）根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。（4）按照物理原理分类，可分为：电参量式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、热电式传感器、波式传感器、射线式传感器、半导体式传感器、有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式，如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。 （5）按照传感器的用

7、途来分类，例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等。（6）根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器。（7）根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等。 3. 传感器的一般要求:传感器的工作可靠性、静态精度和动态性能是最基本的要求。4. 传感器的基本特性静态特性：被测量不随时间变化或变化很慢时，检测系统的输入和输出量都与时间无关。动态特性：输入量和输出量都随时间变化较快，是一个含有时间变量的微分方程式。检测系统对快速变化的被测量的响应特性称为动态特性。5. 转换特性分为直线型、阶梯型、对数和指数型，如图5-6所示。图5-66.选用传感器的要点了解被

8、测对象了解主要指标选用方法环境情况测量方式测量范围安装要求输出要求测量精度（误差范围）灵敏度分辨率可靠性先进性性价比侧重最主要指标进行选择折中方法，兼顾两个以上指标或性价比采用传感器的融合技术，减小误报河漏报四、拓展与提高四、拓展与提高压力传感器原理及应用1.应变片压力传感器原理与应用 应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发

9、生变化，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。2.陶瓷压力传感器原理及应用 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度 2kV，输出信号强，长期稳定性好。3.扩散硅压力传感器原理及应用工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压

10、力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 4.蓝宝石压力传感器原理与应用利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。5.压电压力传感器原理与应用 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等

11、优异的特点。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 任务二任务二 PLC模块选型与PLC输入输出分配技能点技能点训练西门子S7-300PLC的硬件组态安装知识点知识点1.根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求对PLC模块选型2. 根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求确定PLC输入输出分配 一、任务目的一、任务目的1.学习S7-300 PLC的常用模块基本知识2.学习根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求正确对PLC输入输出地址分配二、任务实施步骤及工艺要求1. S7-300 PLC的常用模块基本知识及选型（1）CPU模块简述S7-300有CPU312IFM、CPU313、

12、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8种不同的中央处理单元，根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求对PLC的CPU模块选型为：CPU315-2DP。（2）数字量模块1）数字量输入模块SM321数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。数字量输入模块SM321有四种型号模块可供选择，根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求对PLC数字量输入模块选型为：SM321直流16点输入、24V。2）数字量输出模块SM322 数字量输出模块SM322将S7-300内部信号电平转换成过程所要求的外部电平信号，它包括可控

13、硅输出方式、晶体管输出方式和继电器输出方式。根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求对PLC数字量输出模块选型为：SM322继电器触点输出方式的16点、交流220V的模块。（3）模拟量模块1）模拟量值的表示方法 S7-300模拟量输入模块以直接输入电压、电流、电阻热电偶等信号，而模拟量输出模块可以输出0-10V，1-5V，0-20mA，4-20 mA，-2020 mA等模拟信号。2）模拟量输入模块SM331 模拟量输入模块SM331目前有三种规格型号，即8AIX12位模块，2AIX12位模块和8AIX16位模块。根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求对PLC模拟量输入模块选型为：SM331，

14、2AIX12位模块。3）模拟量输出模块SM332 模拟量输出模块SM332目前有三种规格型号，即4AO12位模块、2AO12位模块和4AO16位模块，根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求对PLC模拟量输出模块选型为：SM332，2AOX12位模块。（4）PS307电源模块 PS307是西门子公司为S7-300专配的24VDC电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2A、5A、10A三种），其工作原理和各种参数都相同。根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求对PLC电源模块选型为：PS307，10A模块。2. PLC输入输出地址分配根据任务一的乙炔生产工艺控制要求分析可知,控制系统选

15、用S7-300 PLC，控制系统共有9个开关量输入点,系统共有7个开关量输出点,系统只有一个模拟量输入点,来自2线制变送器;系统只有一个模拟量输出点,用来控制电动调节阀F2的开度,调节阀要求420mA的标准信号,选用模拟量输入（AI）模板SM331（2AI*12位）和模拟量输出（AO）模板SM332（2AO*12位）。I/O接线I/O配线是指可编程序控制器的输入/输出连接，也是可编程序控制器外部接线图。I/O接线图如图5-6所示。图5-6三、相关知识与技能三、相关知识与技能安装一个典型的S7-300PLC硬件系统安装步骤：对照部件清单检查部件是否齐备；安装导轨安装电源把总线连接器连到CPU，并

16、安装模块；把总线连接器连到 I/O 模块，并安装模块；连接前连接器，并插入标签条和槽号； 给模块配线（电源，CPU 和 I/O 模块）。四、拓展与提高四、拓展与提高PLC的选型、安装与调试能力1.PLC机型选择2.PLC的安装和维护任务三任务三 氯碱生产乙炔发生装置PLC控制系统程序设计一、任务目的一、任务目的1.学习S7-300 PLC的控制系统程序设计2.学习PLC压力PID调节编程知识点知识点1. 根据氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求对PLC控制系统程序设计2. 学会PLC压力PID调节编程技能点技能点1.训练S7-300PLC的PID调节在乙炔发生装置控制中的应用2.训练S7-30

17、0PLC的控制程序调试二、任务实施步骤及工艺要求二、任务实施步骤及工艺要求1.S7-300 PLC的控制系统程序依据任务一中的氯碱生产乙炔发生装置生产工艺控制要求和任务二中的输入/输出地址分配应用S7-300 PLC的指令系统可得到控制系统程序。2. STEP7创建一个工程（向导法和添加硬件法）1）向导法：首先双击桌面上的STEP 7图标，进入SIMATIC Manager窗口，进入主菜单【File】，选择【New Project Wizard】，弹出标题为“STEP 7 Wizard：New Project”（新项目向导）的小窗口）。2） 添加硬件法：进入主菜单【File】，【选择New】，

18、在弹出对话框中分别输入“文件名”、“目录路径”等内容，并确定，完成一个空项目的创建工作。硬件组态1）硬件组态的任务：在STEP 7种生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统2）硬件组态的步骤生成站，双击Hardware图标，进入硬件组态窗口；生成导轨，在导轨中放置模块；双击模块，在打开的对话框中设置模块的参数，包括模块的属性和DP主站、从站的参数；保存编译硬件设置.导轨上模块安放顺序：通常1号槽放电源模块，2号槽放CPU，3号槽放接口模块（使用多机架安装，单机架安装则保留），从4到11号则安放信号模块（SM、FM、CP）。下载硬件组态信息3.使用仿真软件调试程序的步骤在STEP 7编程软件中生成

19、项目，编写用户程序。点击STEP 7的SIMATIC管理器工具条中的【Simulation on/off】按钮，打开S7-PLCSIM窗口，窗口中自动出现CPU视图对象。在S7-PLCSIM窗口中用菜单命令“PLC”“Power On”接通仿真PLC的电源；在CPU视图对象中点击STOP小框，令仿真PLC处于STOP模式。执行菜单命令“Execute”“Scan Mode” “Continuous Scan”,令仿真PLC的扫描方式为连续扫描。在SIMATIC管理器中打开要仿真的用户项目，选中“块”对象，点击工具条中的下载按钮，将块对象下载到仿真PLC中。执行菜单命令“Insert”“Inpu

20、t Variable”（插入输入变量），创建输入IB字节的视图对象。用视图对象来模拟实际PLC的输入/输出信号，用它来产生PLC的输入信号，或通过它来观察PLC的输出信号和内部元件的变化情况。4.输入、调试和运行程序（1）在计算机上采用Step7梯形图编程软件，编制控制梯形图，然后下载到PLC。（2）将PLC与PLC的调试单元输入、输出和M连接好，用实验导线插接到仿真控制实验板上，用实验导线插接PLC调试单元的输入输出M和+24V直流电源端。（3）按下PLC调试单元上的启动按钮SB1，发光二极管应按控制要求工作， 如不是按控制要求动作，应检查程序并进行修改，直到调试正确为止。注意事项：1）PL

21、C I/O接线和拆线应在断电情况下进行（即先接线，后上电；先断电，后拆线）。2）实验板上的插接线不要插错或短路。3）调试中如PLC的CPU状态指示灯报警，应分析原因，排除故障后再继续运行程序。4）操作中应穿绝缘鞋，遵守电工操作规程。三、相关知识与技能三、相关知识与技能（一）（一）数字PID控制原理PID控制包含有比例（P）、积分（I）、和微（D）三种控制规律。由这三种规律可以组成比例（P），比例、积分（PI）控制器以及比例、积分、微分（PID）控制器等。他们都是线形控制器，其作用是按偏差的比例，或比例加积分，或比例加积分加微分形成控制量，去控制被控制对象，使被控对象趋于稳定。这里偏差是系统给定

22、值r（t）与被控参数的实际输出c（t）之差e（t）=r（t）-c（t）。比例、积分、微分（PID）控制器主要包括比例、积分、微分三部分。1比例（P）控制2积分（I）控制3微分（D）控制以二阶系统对阶跃信号的响应曲线说明PID控制器的调节作用，如图5-8。图 5-8 PID是应用最广泛的闭环控制器。如本项目中所示系统就是用于乙炔生产线的PID闭环控制系统，该系统的目标设定值为期望的压力值5Kpa ，闭环控制器的反馈值通过传感器（压力变送器）测得，并经A/D变换转换为数字量；目标设定值与变送器的反馈信号相减，其差送入PID控制器，经比例、积分、微分运算，得到叠加的一个数字量；该数字量经过上限、下限

23、限位处理后进行D/A变换，输出一个电流信号去控制电动调节阀的开度，并进而控制进入上料斗的氮气压力，以控制乙炔气体的输出量改变罐中的乙炔质量。该系统的PID控制器采用编程的方法生成一个数字PID控制器。同时，其它功能如A/D、D/A都由PLC实现，变送器的反馈信号直接送PLC采集，控制电动调节阀的电流信号也由PLC送出，去控制电动调节阀的开度，进而控制电石、水和一些辅助气体的输出量，从而达到控制罐内压力的目的。 （二）常用的数字PID控制系统 在控制工程中，常用的数字PID控制系统有以下几种类型。1单回路控制系统系统中只有一个PID控制器。2串级控制系统系统中有两个PID控制器，分别是主控制器和

24、副控制器。主控制器的输出控制量作为副控制器的输入给定量。3前馈-反馈控制系统系统的主要扰动作用，通过前馈补偿器的输出，与系统的反馈控制器的输出相叠加。4纯滞后补偿控制系统在工业过程控制中，对象的纯滞后性质，会导致控制作用不及时，引起系统产生超调或者振荡。为了实现滞后补偿，引入一个称为Smith预估器的补偿环节，与PID控制器并接，这就是Smith补偿的原理。（三）数字PID控制参数的整定数字PID控制器参数整定的任务主要是确定Kp、Ti、Td和采样周期T。在控制器的结构形式确定之后，系统性能的好坏主要决定于选定参数是否合理。1.采样周期的选择2.PID控制参数的整定（四）PLC应用系统设计的内

25、容和步骤1. 系统设计的原则与内容1）设计原则2）设计内容2. 系统设计和调试的主要步骤1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求2）确定I/O设备3）选择合适的PLC类型4）分配I/O点5）设计应用系统梯形图程序6）将程序输入PLC7）进行软件测试8）应用系统整体调试9）编制技术文件（五）PLC应用系统的硬件设计1. PLC选型2. PLC容量估算1）I/O点数的估算2）存储器容量估算3. I/O模块的选择 1）开关量输入模块的选择2）开关量输出模块的选择4. 分配输入/输出点1）明确I/O通道范围2）内部辅助继电器3）分配定时器/计数器5. 安全回路设计设计安全回路的任务包括以下内容：

26、（1） 确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系；（2） 设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段；（3） 为PLC定义故障形式和重新启动特性。（六）PLC应用系统的软件设计1. PLC应用软件设计的内容 PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求设计人员既要有PLC、计算机程序设计的基础，又要有自动控制的技术，还要有一定的现场实践经验。一个实用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容：（1） PLC软件功能的分析与设计；（2） I/O信号及数据结构分析与设计；（3） 程序结构分析与设计；（4） 软件设计规格说明书编制；（5） 用编程语言、PLC指令进行程序设计；（6

27、） 软件测试；（7） 程序使用说明书编制。2. PLC应用系统的软件设计步骤1）制定设备运行方案2）画控制流程图3）制定系统的抗干扰措施4）编写程序5）软件测试6）编制程序使用说明书（七）PLC的程序设计方法1. 经验设计法2. 继电器控制电路转换为梯形图法3. 逻辑设计法4. 顺序控制设计法四、拓展与提高四、拓展与提高（一）西门子PLC网络概述从1997年开始注册商标改为SIMATIC NET。它是一个对外开放的通信网络，具有广泛的应用领域。图5-14为其生产金字塔ISO网络模型。生产管理计 算 机工业以太网(Ethernet)S7-400S7-300S7-300现场总线PROFIBUS多点链路MPIS7-200S7-200S7-200S7-200智能模块执行器级总线AS-I过程监控级传感器及执行部件n54321工厂与过程管理级公司管理级过程测量与控制