煤油-水换热器出口流量调节阀控制系统

1、设计任务 换热器出口流量调节阀控制系统1. 设计内容 （1）换热器出口流量调节阀控制系统，通过对调节阀的控制，完成对指定密度介质 进行流量控制。 （2）电气设计： 内容包括系统结构设计、现场仪表设备选型、控制元件选型、PLC电气控制系 统选型。 软件设计： 内容包括人机界面设计、控制系统结构程序、数据采集程序、模拟量输出子程 序、PID控制程序、PID算法实现。2.技术参数与要求 物料介质密度： 额定流量： 调节阀前后压力：3.工作量 完成对设计是所需每小时60立方米的任务，并完成调节阀控制介质流量的要求。目 录第1章 前言1第2章 电气设计22.1系统结构22.2现场仪表设备选型2 2.2.

2、1传感器选型2 2.2.2调节阀选型42.3控制元件选型7 2.3.1 PLC模块选型7 2.3.2电源模块选型92.4 PLC电气控制系统设计11 2.4.1 I/O分配11 2.4.2控制系统电气原理图11第3章 软件设计153.1人机界面组态设计153.2控制程序结构173.3数据采集程序18 3.3.1模拟量转换原理18 3.3.2模拟量转换程序18 3.3.3 FC105 SCALE功能程序19 3.3.4 FC105 SCALE功能调用203.4模拟量输出子程序213.5 PID控制程序223.6 PID算法的实现24总 结25参考文献26附 录27第一章 前言换热器（heat e

3、xchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的换热器节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备，化工，石油等近30多种产业，相互形成产业链条。换热器在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常用作把低温流体加热或者

4、把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。换热器既可是一种单元设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的换热器。换热器是化工生产中重要的单元设备，根据统计，热交换器的吨位约占整个工艺设备的20%有的甚至高达30%，其重要性可想而知。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模

5、拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。第2章 电气设计2.1 系统结构 图1 系统结构图2.2现场仪表选型2.2.1传感器选型（1） 流量传感器的量程选择 （2）传感器主要性能参数FGS-J型流量传感器是基于热交换原理设计的。

6、探头内置发热模块及感热模块，流量开关的热传导同介质的流速密切相关，测量时由发热模块发出热量，如果管道内没有介质流动，则感热模块接收到的热量是一个固定值，当有介质流动时，感热模块所接受到的热量将随介质的流速变化而变化，感热模块将这温差信号转化成电信号，再通过处理器将其转换为对应的标准模拟量信号或接点信号输出，流量开关通过这个信号对介质的流速进行显示及控制。表1 传感器基本参数测量范围水：0.03-3m/s; 油：0.03-3m/s; 气：2-20m/s耐压普通型：4MPa；高压型：60MPa连接方式螺纹G1/2"、G1/4"、其它开关时间ON:典型2s（1

7、-13s）;OFF:典型2s（1-15s）温度变化反应时间12s工作电压24VDC功耗2W(24VDC)输出继电器,NPN三线直流输出,PNP三线直流输出控制接点数1对接点容量0.4/125VAC，2A/30VDC绝缘阻抗100VDC时，100M探头材料304不锈钢壳体材料304不锈钢接口方式G1/2"、G1/4"、其它环境条件-10-80,85%RH防护等级IP67序号名称结构尺寸适合管径输出方式1标准型DN15-DN150NPN三线直流输出PNP三线直流输出继电器输出2长探头型DN150-DN350NPN三线直流输出PNP三线直流输出继电器输出3小探头型DN10NPN三

8、线直流输出PNP三线直流输出继电器输出表2 传感器结构尺寸 综合考虑此处选择FGS-J标准型DN150流量传感器，深圳市沃尔克自动化控制有限公司生产。2. 2.2 调节阀选型(1）调节阀选型计算参数 物料介质密度： 额定流量： 调节阀前后压力： 按下式估算系统的实际工况的最大和最小流量： （2）调节阀Kv值 选择kv=420。 将kv换算到实际工况条件的流量，即实际工况下调节阀全开时的流通能力（流量）。 流型判断： 所以选择阻塞流。（3）调节阀开度按下式估算调节阀的开度: 式中，l/L为调节阀行程比，即开度，百分号；qv任意开度对应的流量，m³/h。最大工作流量对应的开度: 额定工作

9、流量对应的开度: 最小流量开度: 因开度校核K在10%至90%之间，所以选择线性阀。（4）调节阀选型 ZJHP型气动单座柱塞调节阀是一种顶导向单阀座调节阀，具有结构简单、密封性能好、流量大、使用可靠等特点。有效而足够的顶部导向系统克服小开度时的震动，有效使用寿命更长。可选择多弹簧气动薄膜机构或电动执行机构等。 表3 调节阀标准规格阀体型式直通铸造球型阀体阀盖形式标准型（-5-230）阀芯型式非平衡式单座柱塞阀芯散热片型-45-大于230场合公称通径DN20-200 NPS 3/4- 8低温加长型（-196至-45）、波纹管密封公称压力PN16-100 CLASS 150LB-600LB填料V型

10、聚四氟乙烯填料、柔性石墨填料等连接方式法兰：FF、RF、MF、RTJ密封垫金属夹石墨密封垫焊接SW、BW执行机构气动：多弹簧薄膜执行机构 、活塞式法 兰 距符合IEC 60534表面涂漆绿色 丙稀酸聚胺酯磁漆 表4 调节阀型号编制Z执行机构构H结构形式 公称压力阀体材质公称通径Z系列调节阀J:气动薄膜 执行机构H:气动活塞执行机构H直行程P:标准型单座调节阀PF:软密封单座调节阀PL:单座笼式调节阀PG:带散热型单座调节阀PV:波纹管型单座调节阀PD:低温型单座调节阀PN16=16CL150LB=150 LBJIS10K=10KC=WCBLC=LCBP=CF8PL=CF3R=CF8MRL=CF

11、3MD=特殊材质 DN25= DN25 NPS1=NPS1如：Z型气动薄膜单座调节阀，压力PN16，阀体材料为WCB，公称通径DN50，型号为：ZJHP-16C DN50  表5 调节阀性能流量特性直线、等百分比、快开可调范围50:1 (CV<6.3 30:1)额定CV值等百分比CV1.6-630 ，直线CV1.8-690允许泄漏量硬密封:IV级（0.01% 阀额定容量） 软密封:VI级（气泡级）泄漏量标准:GB/T 4213性能指标气动电动基本误差%±1.5±1.0回差%1.51.0死区%0.61.0始终点偏差%±2.5±2.5额定行程

12、偏差%2.52.5 综上所述选型ZJHP-16C DN50型线性调节阀，厂商上海大田阀门管道工程有限公司。（5）调节阀电气接线图 图2 调节阀电气接线图2.3控制元件选型2.3.1 PLC模块选择（1）S7-300 CPU313C的简单介绍 西门子S7-300系列 CPU 313C带集成数字量和模拟量输入/ 输出的紧凑型CPU，满足对处理能力和响应时间要求较高的场合。带有与过程相关的功能。CPU 313C是一种紧凑型 CPU，用于对过程处理能力和响应时间要求很高的应用。集成数字量和模拟量输入/输出可实现与过程的直接连接。 西门子S7-300系列 CPU 313C的详细信息 品牌/型号：SIEM

13、ENS/西门子/S7-300 CPU313C 工作电压：24（V）V 输出频率：50（kHz）HZ 产品认证：ISO90012.3.2 电源模块选型西门子S7-300 PS307电源模块表7 西门子S7-300 PS307电源模块品牌：西门子型号：PS307结构形式：模块式安装方式：其他LD指令处理器：硬PLCI/O点数：8功能：8工作电压：8V输出频率：8Hz处理速度：8s程序容量：8数据容量：8环境温度8外形尺寸：8mm重量：8kg原装：进口全新：德国S7-300需要24伏直流电源。西门子PS307负载电源模块将120 或230伏交流电压转变为24伏直流工作电压。24伏直流电源用来为SIM

14、ATIC S7-300和传感器及执行元件供电。6ES7 307-1BA00-0AA0 电源模块(2A）6ES7 307-1EA00-0AA0 电源模块(5A)6ES7 307-1KA01-0AA0 电源模块(10A)概述用于S7-300/ET 200M的负载电源 用于将市电电压转换为所需的24VDC工作电压 输出电流为 2A、5A 或 10A应用S7-300/ET 200M 需要 24V DC 电源。SITOP 负载电源把 120/230 VAC 线路电压转换到所需的 24 VDC 工作电压。这些模块可利用外部电压为S7-300/ET200M以及传感器和执行器供电。久经验证的SIMATIC S

15、7-300电源，既可以与PS-CPU连接，也可以卡装到S7母排上。设计负载电源模块安装在 CPU/IM 361/IM153（插槽1）左边的 DIN 导轨上。通过所提供的电源连接器连接到 CPU/IM 361/IM153 上。该模板的前面板包括：输出电压指示灯:一个 LED显示24VDC输出电压。 线路电压选择开关:可以通过带保护罩的开关选择输入电压：120VAC或230 VAC。 24VDC 输出电压的 On/off 开关；前面板上通过盖板保护的还有：接线端子:这些端子用于连接输入电压电缆、输出电压电缆和接地导线。2.4 PLC控制系统电气设计2.4.1 I/O分配表8 I/O分配序号地址中

16、文 名 称信号类型模块端子号对接元件注释CPU313C- X11-DI/DO1AIW0换热器入口流量传感器4-20mAA+2AIW2换热器出口流量传感器4-20mAB+3AIW4换热器入口压力传感器4-20mAC+4AIW6换热器入口温度传感器4-20mAD+5CPU313C- X11-AI/AO1AIW0换热器入口流量传感器4-20mAE+2AIW2悬空2.4.2控制系统电气理图设计功能简介（1）电机控制电气图图6 电机控制电气图（4）调节阀电气原理接线图图9 调节阀电气原理接线图（5） 调节阀电气图图10 调节阀电气图第3章 软件设计3.1 人机界面选择（1）软件选择WinCC flexi

17、ble，德国西门子(SIEMENS)公司工业全集成自动化(TIA)的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI软件。WinCC flexible 用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。WinCC flexible与WinCC十分类似，都是组态软件，而前者基于触摸屏，后者基于工控机。通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案;多语言支持，全球通用 ;可以集成到所有自动化解决方案内;内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态;可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便;集成的Historian 系统作为IT 和商务集成的平台;可用选件和附加件进行

18、扩展 ;"全集成自动化" 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。WinCC flexible 特点： 基于最新软件技术的创新组态界面 功能块库:面板可自由定义且可重复使用，并且可集中进行更改动态面板 可组态智能工具，如:图形导航和图形化运动对象， 可方便地组态大批量数据(如，变量编辑器)等 利用用户ID和密码实现访问保护 配方管理 报表系统 为全球推广提供语言支持: - 在一个项目中管理32种语言 - 支持多语言文本和自动翻译的文本库 - 文本的导入/导出过程十分简单，从而便于翻译 个性化扩展选件: - Smrt客户端/服务器概念 - 通过Internet进行服务

19、与诊断 - OPC服务器通讯 - 过程诊断 - 记录和跟踪操作员动作和组态（2） 界面绘制 图11 人机界面图界面中包括：登录界面、图标、系统物料流程、开始结束按钮、报警区、控制区、自动手动转换按钮、显示区、功能插件按钮、报警视图、趋势图等。用户可通过人机界面与控制系统进行信息交换，向控制系统输入数据。信息和控制命令，而控制系统又可以通过人机界面回送控制系统的数据与有关信息给用户。3.2 控制程序结构控制程序主要包括主程序OB1、初始化程序OB100、循环中断程序OB35，OB1实现输入量、输出量量程的转换，初始化程序OB100在上电运行的第一个扫描周期进行参数的初始化，将温度设定值、PID控

20、制参数赋初值并开启PID作用，循环中断程序OB35，循环执行周期和采样周期相同，循环调用FB41。通过分配用户程序给各个块建立块调用层次，建立程序结构，采用结构化程序结构，块调用的层次如下图所示。图12 控制程序结构（1） OB1：CPU操作系统接口，包括主程序。在OB1中调用块FB1和FC1，并传送过程控制所需要的参数。（2） FB1：物料A的进料泵、物料B的进料泵和搅拌器电机可以由一个单独的功能块控制，因为他们的要求是相同的。（3） DB1-3：用于控制物料A、物料B的进料泵和搅拌器电机的实际参数和静态数据是不同的，因此储存在三个与FB1关联的实例DB中。（4） FC1:数据采集模块。3.

21、3 数据采集程序3.3.1模拟量转换原理 在模拟量采集过程中，传感器将工程量测量出来并转换为4-20mA的标准信号送入S7-300PLC模拟量数据模块，模拟量模块的A/D转换器将4-20mA电流信号转换成0-27648或-27648-+27648的数字量。因此，工程量和数字量成线性关系。如果想要得到实际的工程量，必须要经过编程计算，根据实时的数子量计算出实际的工程量。工程量与数字量的转换的数学方程式为：3.3.2模拟量转换程序（1） SCALE功能 数据采集调用通过FC105数值转换功能实现。（2） 模拟量输入特性 模拟量输入特性分为单极性和双极性。双极性全量程范围-27648到+27648分

22、辨率，单极性全量程范围0到27648分辨率。（3） 错误信息 如果输入整型值大于DH，输出将钳位于HI_LIM，并返回一个错误。如果输入整型值小于DL，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。（4） 反响定标 通过设置LO_LIM可获得反响定标，使用反响旋转，输出值将随输入值的增加而减小。3.3.3 FC105 SCALE功能程序（1） 程序梯形图图13 程序梯形图（2） 变量声明表9 变量说明参数说明数据类型描述EN输入BOOL使能输入端，信号状态为1时激活该功能ENO输出BOOL如果该功能的执行无错误，改使能输出端信号状态为1IN输入INT转换为以工程单位表示的实型值得输入值HI_LIM

23、输入REAL以工程单位表示的上限值LO_LIM输入REAL以工程单位表示的下限值BIPOLAR输入BOOL信号状态为1表示输入值为双极性信号状态为0表示输入值为单极性OUT输出REAL转换的结果RET_VAL输出WORO如果该指令的执行没有错误，将返还值W#16#0000以外的其他值3.3.4 FC105 SCALE功能调用（1） 定义符号表表10 定义符号表符号名地址数据类型描述Reactor_LT101PIW258Word液位Reactor_TT101PIW260Word温度LT_101_ShowMW10Word液位示值LT_101_FaultMW12Real液位故障TT_101_Show

24、MW20Word温度示值TT_101_FaultMW22Real温度故障BIPOLAM26.0BOOL数字量极性（2） FC105功能的调用为了实时显示过程检测参数图14 FC105功能的调用3.4 模拟量输出子程序模拟量输出通过调用FC106数值转换功能实现。 图15 FC106功能图3.5PID控制程序（1） FB41控制块的输入输出符号定义如下表所示 表12 符号定义参数名称数据类型地址参数类型说明默认值CON_RETBOOL0Input完全重新启动，为1小时执行初始化FALSECYCLETIME2Input采样时间20msT#1SSP_INTREAL6Input内部设定值，±100或物理值0PV_INREAL1010Input过程变量输入0PVPER_ONBOOL0.2Input使用外围设备输入过程变量FALSEPV_PERWORD14Input外围设备输入的过程变量值16#0000PV_FACREAL48Input输入的过程变量系数1PV_OFFRE