焦炉煤气鼓冷控制系统.docx

焦炉煤气鼓冷控制系统.docx

《焦炉煤气鼓冷控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《焦炉煤气鼓冷控制系统.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

焦炉煤气鼓冷控制系统

摘要

PLC可编程控制器是以微处理机基础发展起来的新型工业控制装置。

PLC具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、在恶劣的环境下能长时间地不间断运行的优点，同时还配有各种通讯接口模块，可方便地和其他PLC或计算机相连组成强大的工控网络。

它迅速占领了我国的工业控制的市场，取代了传统的继电器控制，提高了我国工业的生产效率。

本文大概地介绍了西门子PLC的基本结构、工作原理、技术性能、功能及特点，也提及了PLC的应用设计步骤。

简单介绍了焦化工艺以及国内集气管压力控制系统的现状，描述了PLC的应用设计步骤和STEP7编程软件的使用，简单介绍了煤气鼓冷工艺，阐述了设计中的技术困难以及解决方案。

本文是在参观了原湘钢焦化厂的焦炉煤气鼓冷系统后，按照湘钢提出的新的工艺要求，通过采用西门子S7300系列PLC实现对集气管压力的控制，同时采集相关需要监测的数据给上位机，按照生产要求生成数据报表，供生产查询使用。

关键词：

集气管压力；初冷器前吸力；蝶阀

Abstract

PLCprogrammablelogiccontrollerisanewtypeofindustrialcontroldeviceswhichisdevelopedbasedonmicroprocessor.PLCwithhighreliability,goodstability,stronganti-interferenceability,inadversecircumstancescanbealongtimetheadvantagesofcontinuousoperation,atthesametimealsohasavarietyofcommunicationinterfacemodules,andcanbeeasilyconnectedtootherPLCorcomputergroupintoastrongindustrialnetwork.ItquicklytookcontrolofChina'sindustrialmarket,toreplacethetraditionalrelaycontrol,improvedefficiencyofChina'sindustrialproduction.

Thisarticleintroducethebasicstructure,workingprinciple,technicalperformance,functionalityandfeaturesoftheSiemensPLC,alsoreferredtothePLCapplicationdesignsteps,Brieflyintroducethecokingprocess,aswellasthestatusofcollectingmainpressurecontrolsystemindomestic,introducetheapplicationofthePLCdesignstepsandtheuseofSTEP7programmingsoftware,andhaveabriefintroductionofcoldgasdrumtechnology,thetechnicaldifficultiesandsolutionsofthedesign.

ThisisduringavisittotheformerCokingPlantofXiangtanSteeldrumofcokeovengascoolingsystem,inaccordancewiththeXiangtanIronandSteelTechnologyinthenewrequirements,throughtheuseofSiemensPLCS7300seriestocollectingmainpressurecontrol,atthesametimecollectingdatarelatedforthePC,generateddatareportinaccordancewiththerequirementsofproduction,andsupplytoproductioninquiry.

Keywords:

Collectingmainpressure;Beforethebeginningofcoolersuction;Butterflygate

目录

1概述1

1.1焦炉集气管压力控制现状1

1.2西门子PLC产品1

2西门子PLC的工作原理及基本结构4

2.1PLC的工作原理4

2.2PLC的主要功能及特点5

2.3PLC的基本技术指标6

2.4S7-300系列PLC硬件系统7

2.5PLC信号模块9

3湘钢焦化厂鼓冷系统10

3.1炼焦原理10

3.2煤化生产工艺11

3.3鼓冷系统现状12

4PROFIBUS网络简介14

4.1PROFIBUS接口的种类及访问机制14

4.2PROFIBUS网络的通信速率和拓扑结构15

4.3通过PFB-G与PLC的连接15

4.4PROFIBUS-DP通信16

5集气管压力控制系统设计17

5.1控制系统设计方案17

5.2变频器操作注意事项19

5.3PLC硬件配置清单20

5.4STEP7软件简介21

5.5程序设计重难点问题及解决方案22

5.5.1STEP7中硬件配置设置23

5.5.2PID控制程序块FB41模块说明23

5.5.3采样程序OB35的设计25

5.5.4上位机数据表27

5.5.5反馈值的转换29

5.6总流程图30

5.7硬件连接图31

6结束语34

参考文献35

致谢36

1概述

1.1焦炉集气管压力控制现状

能源对一个国家的经济发展具有决定性影响。

我国主要能源之一是煤炭，煤炭消费占能源消费总量的75%左右，大力发展我国煤炭事业，满足经济建设的需要，是我国能源发展的基本策略。

但是原煤直接应用于工业生产中的并不多，大多是经过加工后在工业中使用。

目前应用最广泛最合理成熟的综合利用方式是炼焦化工业，焦化工业是一种重要的煤炭再教工工业。

煤在炼焦时约有75%编程焦炭，它在高炉冶炼和工业生产中起着及其重要的作用。

因此，炼焦工艺控制是焦化厂保证焦炭的产品质量，增加荒煤气的回收率，减少环境污染，提高经济效益的关键环节之一。

焦炉是焦化生产的主要设备，保证集气管压力的稳定性是焦炉生产的重要指标。

以前集气管压力控制多采用液压比例控制器。

目前国内的焦炉控制系统多采用电动单元仪表系统，如上海浦东煤气厂采用的“定位阀调节系统”，如保定地区焦化厂采用的PLC控制系统，马钢焦化厂JN60-82型焦炉采用的定制调节系统，对焦炉集气管压力及鼓风机吸力进行自动控制；太原化工焦化厂集气管两级计算机控制系统，上位机为工控486，下位机为PLC。

目前的控制方案多为PID控制，虽然技术上比较成熟，设计调试简单易行，但是由于影响焦炉压力的因素很多而强烈，而且随焦炉工况的变化，控制对象的模型也发生变化，PID控制很难兼容减小超调和提高快速性的要求，系统的调节品质会因参数的变化而降低，使压力常有超出正常范围的现象。

鉴于以上问题，一些工程中引入了先进的算法，如可变增益的PID算法，模糊控制与专家控制相结合等[1]。

1.2西门子PLC产品

PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。

自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。

上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。

随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。

但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。

PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：

高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。

它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。

PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。

人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。

德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。

西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。

S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

（1）SIMATICS7-200PLC

S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。

S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。

S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。

（2）SIMATICS7-300PLC

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。

各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。

与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。

SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。

S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：

超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。

具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。

S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。

（3）SIMATICS7-400PLC

S7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。

S7-400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。

当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。

2西门子PLC的工作原理及基本结构

2.1PLC的工作原理

PLC虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，而PLC则采用循环扫描工作方式。

CPU对每个程序从第一指令开始执行，直到遇到结束符后返回第一条，如此从周而复始不断循环。

每一个循环称为一个扫描周期，而扫描周期的长短取决于CPU执行指令的速度和执行每条指令占用的时间，以及程序中指令条数的多少，其内部工作原理图见图2.1所示[2]。

图2.1PLC内部原理图

一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令阶段。

所谓I/O刷新是指，PLC将上一次扫描的执行结果送到输出端，再读取当前的状态，也就是将存放输入、输出状态的寄存器内容进行一次更新，由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新故使得系统存在输入、输出滞后的现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。

若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化，相反若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。

可编程控制器采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。

PLC的这一特点，一方面使它的响应速度变慢，但另一方面也使它的抗干扰能力增强，对一些短时的瞬间干扰，可能会因响应滞后而躲避开。

这对一些慢速控制系统是有利的，但对一些快速响应系统则不利[2]。

PLC工作原理如图2.2所示。

图2.2PLC的工作原理图

2.2PLC的主要功能及特点

目前大多数PLC可以完成以下控制功能：

（1）条件控制功能

条件控制或称逻辑控制或顺序控制功能是指用PLC的“与”、“或”、“非”指令取代继电器触点的串联、并联及其他各种逻辑连接，进行开关量控制。

（2）定时/计数控制功能

定时/计数控制功能是指用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器。

（3）步进控制功能

步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。

（4）数据处理功能

数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术与逻辑运算以及编码和译码等操作。

（5）A/D、D/A转换功能

A/D、D/A转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。

（6）运动控制功能

运动控制功能是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。

（7）过程控制功能

过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。

（8）扩展功能

扩展功能是指通过连接输入/输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可以通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制能力。

（9）扩展I/O功能

远程I/O功能是指通过远程I/O单元将远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。

（10）通信联网功能

通信联网功能是指PLC之间的联网、PLC与上位计算机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模的系统控制。

（11）监控功能

监控功能是指PLC能监视系统各部分状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、计数器等设定值或强制I/O状态。

PLC有如下特点：

（1）适应工业现场的恶劣环境，可靠性高

工业生产一般要求控制设备具有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠地工作。

PLC在这方面有它独特的设计来消除外部干扰和各种模块之间的相互影响；还采用光电隔离、联锁控制、模块式结构、环境检测和诊断电路等措施，以提高硬件的可靠性；在软件上采用了故障检测、诊断等措施；在机械结构设计和加工工艺上都做了精心的安排。

（2）编程简单、使用方便、控制程序可变，具有很好的柔性

可编程序控制器中有一种特殊的编程语言，即使用梯形图编程。

它类似于继电器控制线路图，只要具有继电器控制器线路方面的知识，就可以很快学会编程和操作，特别适合于现场电气工作者学习和使用。

（3）系统扩展灵活

PLC多采用积木式结构，具有各种各样的I/O模块，以供挑选和组合，便于根据需要配置成不同规模的分散式分布系统。

（4）可实现三电一体化

PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

体积小、重量轻、功耗低

由于PLC是专门为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.3PLC的基本技术指标

（1）输入/输出点数。

这是PLC的最重要的一项技术指标。

所谓I/O点数即PLC的输入、输出端子数。

这些端子可通过螺钉或电缆端口与外部设备相连。

（2）程序容量。

一般以PLC所能存放的多少来衡量。

在PLC中程序是按“步”存放的（一条指令少则1步，多则十几步），一步占用一个地址单元，一个地址单元占两个字节。

（3）扫描速度。

PLC工作时是按照扫描周期进行循环扫描的，所以扫描时期的长短决定了PLC运行速度的快慢。

因扫描周期的长短取决于多种因素，故一般用执行1000步指令所需时间作为衡量PLC速度快慢的指标。

称为扫描速度。

单位为“ms/k”。

（4）指令条数。

这是衡量PLC软件功能的主要指标。

PLC具有的指令种类越多，说明其软件功能越强。

PLC指令一般分为基本指令和高级指令两部分。

（5）内部继电器和寄存器。

PLC内部有许多继电器和寄存器，用以存放变量状态、中间结果、数据等，还有许多具有特殊功能的辅助寄存器，如定时器、计数器、系统寄存器、索引寄存器。

用户通过使用它们，可简化整个系统的设计。

因此内部继电器、寄存器的配置情况常是衡量PLC硬件功能的指标。

（6）编程语言及编程手段。

编程语言一般分为梯形图、助记符语句表、控制系统流程图等几类，不同厂家的PLC编程语言类型不同，语句也各异；编程手段主要是指用何种编程装置，编程装置一般分为手持编程器和带有相应编程软件的计算机两种。

（7）PLC除了主控模板外还可以配接各种高级模板。

主控模板实现基本控制功能。

高级模板的种类及其功能的强弱常用来衡量该PLC产品的水平如何。

目前各厂家开发的高级模块种类很多，主要有以下这些：

A/D、D/A、高速计数、高速脉冲输出、PID控制、模糊控制、位置控制、网络通信以及物理量的转换模块等。

这些高级模块使PLC不但能进行开关量顺序控制，而且能进行模拟量控制、精确的速度和定位控制，特别是网络通信模块的迅速发展，使得PLC可以充分利用计算机互联网的资源实现远程控制，近年来出现的网络机床、虚拟制造等就是建立在网络通信技术的基础上的。

2.4S7-300系列PLC硬件系统

（1）电源模块

S7-300系列PLC的SITOP电源模块向CPU提供24V电源，CPU和扩展接口模块将24V电源转换为5V电源，向背板总线供电，通过背板总线，CPU监控所以与背板总线连接的I\O模块，CPU和扩展接口模块后面最多可以连接8个模块，每个模块消耗背板总线的电流步能超过CPU和扩展接口模块输出电流。

SITOP电源模块按输出容量可分为2A、5A、10A和20A，输入电源可以选择交流220V或380V，SITOP电源模块具有电源滤波和输出短路保护功能，除向CPU供电以外，SITOP电源模块还可以给24V控制回路供电[3]。

（2）机架

S7-300系列PLC使用DIN导轨作为主机架和中央扩展机架，机架（RACK）中没有背板总线，较长的导轨可以切割成任意尺寸，以便于安装。

CPU与I\O模块通过U型背板总线连接器连接，所以在S7-300系列PLC主机架和中央扩展机架中不能带点插拔I\O模块，通过现场总线PROFIBUS-DP连接的远程扩展ET200M，可以使用“有源”背板总线实现模块带电插拔功能。

每个S7-300系列PLC机架，除CPU和接口模块外，最多可以插入8个模块，每个模块只占用一个槽号而与模块的大小无关[4]。

（3）CPU

CPU相当于一个PLC站的心脏，所以外部信号扫描、计算和逻辑处理、输出等工作都是通过CPU完成的。

S7-300系列PLC的CPU从CPU312到CPU319有不同的型号，CPU序号由低到高功能逐渐增强，技术指标主要区别于CPU的内存空间、计算速度、通信资源和编程资源，如计数器、定时器的个数等。

（4）S7-300系列PLC的CPU操作模式

操作模式是描述CPU在某一时刻的动作，CPU主要有以下几种操作模式：

1）停止（Stop）模式

在停止模式下，CPU检测所有已经配置的模块火设置为默认地址的模块是否存在，并设置模块到预置的初始模式，停止模式下CPU不执行用户程序。

2）启动（Startup）模式

在启动模式下，主要有三种启动类型，不同的启动类型将影响CPU数据区中存储的数据。

暖启动（WarmRestart）

执行系统数据和地址区的初始设定，并从用户程序起始位置开始运行。

S7PLC在STEP7编程软件中的默认配置为暖启动模式，CPU在上电后自动执行暖启动过程，也可以通过CPU前面板开关或使用编程器，在STEP7编程软件中将CPU设置为停止模式后，手动执行一次暖启动过程。

暖启动CPU执行组织块OB100一次。

冷启动（ColdRestart）

CPU的冷启动将删除通过程序调用（调用SFC），在工作储存区中创建的数据，其他保留数据块中的过程值被预置位初始值，过程值丢失。

所有过程映像区数据、计数器、定时器和标志位的数据将清零。

热启动（HotRestart）

程序在上次终端处开始执行，过程数据保持，只有S7-400系列PLC支持热启动模式。

3）运行（Run）模式

CPU执行用户程序，更新输入、输出信号，响应中断请求，对故障信号进行处理。

4）驻留（Hold）模式

在驻留模式下，用户程序被中止，只适合按步调试程序，如利用断点调试程序。

2.5PLC信号模块

信号模块（SignalModule，SM）是CPU与控制设备之间的接口，通过输入模块将输入信号传送到CPU进行计算和逻辑处理，然后将逻辑结果和控制命令通过输出模块输出，以达到控制设备的目的[5]。

外部的信号主要分为数字量和模拟量信号，本设计主要是对阀门的控制，阀门时可调阀门，阀门的控制信号和反馈信号同为0~10V电压信号，如果输出0V信号，阀门全闭；输出10V信号阀门全开；输出5V信号时，阀门开度为50%，同样通过模拟量输入可以监控阀门的开度。

信号模块的地址分为数字量和模拟量地址，队也数字I/O模块，从0号机架的4号槽位开始，每个槽位占用4个字节（等于32个I/O点）。

对于模拟量I/O模块，从0号机架的4号槽位开始，每个槽位占用16个字节（等于8个模拟量通道），每一个模拟量模拟量输入或输出通道占用一个字地址。

3湘钢焦化厂鼓冷系统

3.1炼焦原理

炼焦生产,基本原料是炼焦煤.将炼焦煤在密闭的焦炉内隔绝空气高温加热放出水分和吸附气体,随后分解产生煤气和焦油等,剩下以碳为主体的焦炭。

这种煤热解过程通常称为煤的干馏。

煤的干馏分为低温干馏,中温干馏和高温干馏三种