电气工程及其自动化丽.docx
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电气工程及其自动化丽
吉林大学网络教育
专科生毕业论文（设计）
中文题目1080m³循环水泵房自动化设计
学生姓名专业电气工程及其自动化
层次年级学号
指导教师职称副教授
学习中心成绩
2012年04月12日
摘要
循环水处理是冶金行业中一个不可缺少的部分，随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人们所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野，在本设计中依正达1080m³循环水泵房水处理工艺流程论述并设计其循环水处理自动化部分，正达钢铁有限公司循环水处理系统，主要分为4个子系统：
循环泵站；漩流井；粗颗粒分离及斜板沉淀器；安全水塔。
系统采用分级自动控制系统，上位监控级采用DELLPC机+西门子WinCC组态软件完成系统监控功能；基础自动化级采用西门子S7-300完成数据采集、逻辑控制、回路控制等实时控制功能。
设备采用机旁和集中两种控制方式。
本设计主要以三电（电气部分，仪表部分，自动化部分）设计部分为主，主要有：
1）电气及其仪表自动化系统；其又包括：
（1）基础自动化；
（2）上位监控自动化；
（3）系统网络结构；
2）电气传动控制系统；
3）现场仪表检测系统；
电气部分完成对上述工艺对象的电气控制的整体设计、控制柜和机旁箱制作和调试工作。
仪表部分完成对以上工艺系统新增过程参数检测任务。
包括压力，流量，液位，温度等。
自动化部分完成循环水泵房及加压机进出口阀的自动控制及有关工艺参数的自动监测任务。
电气传动设计部分主要讲述电动蝶阀的原理说明，配电系统说明，控制原理设计。
硬件选型：
主要对循环水泵房电气控制系统硬件选型进行说明，现场检测仪表的选型和自动控制系统PLC选型。
循环水泵房系统PLC设计：
循环水泵房控制系统由循环水泵房系统和加压机系统两部分组成。
主要完成循环水泵房的压力、流量、温度、柜位状态检测、监视和报警，阀门的控制。
本部分主要完成数字量、模拟量输入/输出地址分配，PLC选型，这也是本设计的第二个重点。
另外还有电动蝶阀的控制流程图。
组态软件是使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
上位机界面通过组态软件WinCC进行界面设计，WinCC监控程序的功能：
1）画面功能
2）历史数据
3）历史趋势
4）统计分析和报表
5）报警
各个工艺参数的显示和监控通过上位机WinCC实现。
而组态监控软件WinCC也是极为理想的工厂可视化工具，在此我们使用了西门子WinCCV6.0版本的软件。
关键词：
西门子PLCWinCC自动化
一、前言……………………………………………………………………………………1
（一）工程概述…………………………………………………………………………1
（二）设计简介…………………………………………………………………………1
二、循环水泵房水处理工艺流程…………………………………………………………2
（一）循环水泵房水处理工艺流程概述……………………………………………2
（二）循环水泵房及其工艺概述……………………………………………………2
1、水泵站………………………………………………………………………2
2、冷却塔………………………………………………………………………3
3、水质稳定……………………………………………………………………4
4、安全供水措施………………………………………………………………4
5、化学除油器间………………………………………………………………4
三、循环水泵房三电控制系统总述………………………………………………………5
（一）循环水泵房系统………………………………………………………………5
（二）系统整体设计…………………………………………………………………5
四、基础自动化部分设计…………………………………………………………………6
（一）系统主要配置概述………………………………………………………………6
（二）三电系统设计任务………………………………………………………………8
1、电气部分………………………………………………………………………8
2、仪表部分………………………………………………………………………8
3、自动化部分……………………………………………………………………8
（三）电气及其仪表自动化系统………………………………………………………9
1、基础自动化……………………………………………………………………9
2、上位监控自动化………………………………………………………………9
3、系统网络结构…………………………………………………………………9
（四）电气传动控制系统………………………………………………………………9
（五）现场仪表检测系统………………………………………………………………9
五、正达循环水泵房系统电气传动设计…………………………………………………10
（一）电动蝶阀………………………………………………………………………10
六、硬件设备选型…………………………………………………………………………13
（一）循环水泵房系统………………………………………………………………13
（二）电气柜设备选型………………………………………………………………13
（三）设备选型………………………………………………………………………13
七、仪表检测控制设计……………………………………………………………………15
（一）仪表检测控制简介……………………………………………………………15
（二）检测仪表选型说明……………………………………………………………15
1、温度检测仪表选型说明………………………………………………………15
2、压力检测仪表选型说明………………………………………………………15
3、流量检测仪表选型说明………………………………………………………16
（三）仪表的选型主要考虑…………………………………………………………16
八、循环水泵房系统PLC设计……………………………………………………………18
（一）设计任务………………………………………………………………………18
（二）PLC控制设备的I/O数量……………………………………………………18
（三）PLC输入输出地址分配………………………………………………………18
（四）PLC硬件选型…………………………………………………………………25
（五）PLC程序调试…………………………………………………………………26
九、循环水泵房系统上位机组态………………………………………………………27
（一）建立循环水泵房控制系统项目………………………………………………27
（二）组态控制画面…………………………………………………………………27
结束语……………………………………………………………………………………30
参考文献…………………………………………………………………………………31
致谢………………………………………………………………………………………32
一、前言
（一）工程概述
本设计基于唐山正达钢铁有限公司技改工程水处理基础自动化部分。
唐山正达钢铁有限公司循环水处理系统，主要分为4个子系统：
循环泵站、漩流井、粗颗粒分离及斜板沉淀器、安全水塔。
根据各系统电控和仪控图纸要求，水处理系统采用基础自动化级配置，设备采用机旁和集中两种控制方式。
各系统设备的联锁、备用启停、集中操作、工艺参数的采集和显示通过PLC和HMI实现。
通过PLC实现自动控制，在没有大的状况下可以无人坚守，节省人力劳动资源。
若不慎出现问题可以通过机旁箱辅助控制，实现问题的软着陆，保证人员和财产的安全。
上位机用来实时监控现场的各个参数，及时反映现场的问题。
（二）设计简介
本次设计主要是循环水泵房系统“三电”设计，是以正达三电控制系统工程为参考设计的。
本工程的三电自动化控制系统应具有较高的控制水平，此外还要考虑到今后技术发展的需要。
要求电气仪表计算机自动化控制系统一体化；EIC网络数据通信一体化，具有高速、大容量和开放的技术性能。
其主要特点包括：
1）先进的硬件控制设备和网络设备
2）合理的系统划分
3）完全开放的通信总线
基础自动化部分以PLC控制为核心，PLC控制装置采用SIEMENS公司S7系列可编程控制器（PLC）,人机接口终端采用工控机，通过液晶屏可直观显示工艺流程的实时工况，各工艺参数的趋势画面，使操作人员及时掌握工作情况。
主干通信网络采用工业以太网（转炉PLC、风机房PLC与循环水泵房PLC系统构成统一环网），分布式I/O网采用Profibus网，这样由SIEMENS公司S7系列可编程控制器（PLC）、人机接口终端（HMI）计算机和通信网，构成完善的监视、控制系统。
二、循环水泵房水处理工艺流程
（一）循环水泵房水处理工艺流程概述
唐山正达钢铁有限公司炼钢工程的水处理系统，主要分为以下4个子系统：
循环泵站、漩流井、粗颗粒分离及斜板沉淀器、安全水塔。
净循环水池经现场设备后大部分返回到原净循环水池内，带有污染的水进入浊环冷水池，热循环水池内的水同样是经过现场设备后进入浊环冷水池，软化吸水池与热循环水的工艺流程大体相似，浊环冷水池内的水经铁皮冲渣沟进入漩流井，经过颗粒分离进入泥浆处理间，经过处理泥浆排出，净化后的水再次进行循环。
见图2-1。
图2-1水处理工艺流程
（二）循环水泵房及其工艺概述
1、水泵站
循环水泵房软水闭路循环冷却水系统共有13组水泵，第一组水泵为转炉风机房、除尘冷却净循环供水泵组，主要供二次除尘系统、混铁炉除尘系统、辅原料地下料仓除尘系统、除尘系统加湿器、二次除尘系统冷却等用水。
第二组水泵为柴油备用泵。
第三组水泵为供空压站设备冷却净循环供水泵，主要供炼钢、连铸空压站冷却等用水。
第四组水泵为转炉本体设备冷却净循环供水泵组，主要供高架流槽冲洗、氧枪下料冷却、水泵冷却、取样器冷却、转炉本体冷却水、钢包冷修、氧枪试压水、混铁炉喷补、水环密封、电机水冷却器、喷淋塔入口漩流板冷却用水。
第五组水泵为供转炉氧枪冷却净循环供水泵组，主要供氧枪及备用枪冷却水。
第六组水泵为供连铸液压站、设备间冷却净循环供水泵组、主要共设备内冷却、液压站冷等冷却用水。
第七组水泵为方坯连铸板式换热器冷媒水净循环供水泵组，主要供板式换热器冷却软化用水。
第八组水泵为供转炉烟气净化系统浊循环供水泵组，主要供冷凝水排水器补水、水封供水、旁通阀冲洗、水封逆止阀冲洗、三通阀冲洗、叶轮冲水器、旋风脱水器水封箱、喷淋塔冷却等用水。
第九组水泵为连铸二冷水冷却用水
第十组水泵为供方坯连铸设备喷淋浊循环供水泵组，主要供设备喷淋冷却用水。
第十一组水泵为转炉浊环回水上冷却塔供水泵组，主要转炉浊环回水加压上冷却塔供水。
第十二组水泵为泵站集水坑水泵组。
每台水泵的出水管上均安装有电动阀门，电动阀门均与水泵连锁，同一水泵组之间互为备用，并当工作泵发生故障时备用泵自动投入运行。
水泵既可在中央控制室集中控制，也可在机旁就地操作，且每台水泵的运行状况可在水处理中央控制室内的CRT屏幕上显示，在每组的总出水管上还设有流量、压力、温度的检测。
2、冷却塔
1）冷却塔风机启停既可在水处理转炉连铸循环水泵站的中央控制室集中控制，也可就地操作，就地操作设在冷却塔顶部电动机附近，仅为风机调试和维修使用，当冷却塔风机检修及调试时，就地选择开关选择到检修位，机旁和中央控制室集中控制启动风机，以确保人身安全。
2）冷却塔投入运行前，应仔细清除管道、塔顶配水槽、塔底水池、塔内填料等附着的杂物和污垢并清洗干净，以防止运行时发生堵塞。
3）冷却塔运行状况，包括电源、电压、电流、风机齿轮箱的油温、油位、振动、噪音等是否正常，若发现异常时，应立即停机检查，排除故障后再开。
4）冬季循环水可视具体情况，若不上冷水塔冷却即可达到工艺要求的使用水温可直接接入吸水池。
3、水质稳定
为保证车间净循环水及浊循环水的水质稳定，防止在各冷却设备中产生结垢、腐蚀及菌藻的滋生，分别在各系统中投加水质稳定剂和杀菌灭藻剂。
投加水质稳定剂的种类和投药量及投产的清洗、预膜等由水质稳定实验确定。
4、安全供水措施
水泵站采用双电路电源供电，如发生事故，由转炉连铸水处理设施保温安全水塔供方坯连铸结晶器，LF炉冷却事故用水。
供水时间可连续20分钟。
5、化学除油器间
1）化学除油器
化学除油器间有3台化学除油器及配套加药装置，供方坯连铸机和VD钢坯真空精炼炉浊循环水处理。
混合后的污水中的油类与悬浮物中过药剂凝聚、絮凝作用，形成大颗粒絮化沉淀在化学除油器下部的排泥斗中，上部清水经溢流堰出水管排出，自流到浊环热水池内，化学除油器污泥每八小时排出一次，每次3到5分钟，排出的污泥经排泥沟最终排至泥浆调节池内。
化学除油器的加药装置设在化学除油器设备旁。
化学除油器位机旁就地操作，且设备的运行状态信号传至循环水泵站控制室操作台上。
为安装、检修的需要，在化学除油器上方设有电动单梁悬挂式起重机。
2）加药装置
向化学除油器投加油絮凝剂和混凝剂的加药装置分为两套，一套供方坯连铸化学除油器加药，另一套供VD钢包真空精炼炉化学除油器加药。
三、循环水泵房三电控制系统总述
（一）循环水泵房系统
循环水泵房由3个冷却塔，16个空冷器，2个软水补充水泵运行18个电动蝶阀，2个增压水泵，3个高压净水循环冷却泵，1个软水闭路循环水泵。
（二）系统整体设计
该系统由一套PLC系统。
一台DELL工控机，Profibus现场总线，WinCC工控软件组成，该系统现场泵、阀等设备现场信号直接采集进入PLC，通过PLC完成设备的手动及自动程序运行及集中、就地控制。
该系统中央控制采用一套S7-400控制系统，CPU为S7414-2DP下辖二个远程控制站，分别有循环水泵站，漩流井组成。
（其中粗颗粒分离及斜板沉淀器、安全水塔均属于循环水泵站）远程站的控制采用S7-300信号模块。
基础自动化部分的控制模式主要有集中控制和就地控制两种控制模式，过程监控级上位机的组态功能主要有显示功能，报警功能，数据归档，报表功能，用户管理等。
四、基础自动化部分设计
（一）系统主要配置概述
1）主要硬件
基础自动化部分采用西门子PLC来实现。
PLC是以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
（1）PLC的特点：
Ⅰ.可靠性高，抗干扰能力强
Ⅱ.配套齐全，功能完善，适用性强
Ⅲ.易学易用，深受工程技术人员欢迎
Ⅳ.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
Ⅴ.体积小，重量轻，能耗低
（2）PLC的应用领域
目前，PLC使用情况大致可归纳为如下几类。
Ⅰ.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
Ⅱ.模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
Ⅲ.运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
Ⅳ.过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
Ⅴ.数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
Ⅵ.通信及联网
本系统各站之间采用profibus现场总线进行通讯，主站PLC与上位机采用TCP/IP协议进行通讯。
选择PLC应注意的方面：
（1）I/O模块的选择
PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，它的工作环境是工业生产现场。
它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
①确定I/O点数
I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。
对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。
②开关量I/O
标准的I/O接口用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开、关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。
典型的交流I/O信号为24～240V（AC），直流I/O信号为5～24V（DC）。
③模拟量I/O
模拟量I/O接口用来传输传感器产生的信号的。
这些接口能测量流量、温度和压力等模拟量的数值，并用于控制电压或电流输出设备。
PLC的典型接口量程对于双极性电压为—10～+10V、单极性电压为0～+10V、电流为4～20mA或10～50mA，
（2）电源模块的选择
电源模块的选择一般只需考虑输出电流。
电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。
以下步骤为选择电源的一般规则：
①确定电源的输入电压；
②将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算出I/O模块所需的总背板电流值；
③I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流：
a.框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值；
b.当框架中带有远程适配器模块或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。
④如果框架中留有空槽用于将来扩展时，可做以下处理：
a.列出将来要扩展的模块所需的背板电流
b.将所有扩展的I/O模块的总背板电流值与步骤（3）中计算出的总背板电流值相加。
⑤在框架中是否有用于电源的空槽，否则将电源装到框架的外面。
⑥根据确定好的输入电压要求和所需的总背板电流值，从用户手册中选择合适的电源模块。
本系统有一套西门子PLC系统。
一套DELL工控机，profibus现场总线，WinCC工控软件组成，该系统现场泵、阀等设备现场信号直接采集进入PLC，通过PLC完成设备的手动及自动控制程序运行及集中、就地控制。
该系统中央控制采用一套S7-400控制系统，CPU为S7-4142DP
下辖三个远程控制站，分别有循环水泵站，泥浆处理间，漩流井组成。
（其中粗颗粒分离及斜板沉淀器、安全水塔均属于循环水泵站）远程站的控制采用S7-300信号模块。
（二）三电系统设计任务
1、电气部分
完成对上述工艺对象的电气控制的整体设计、控制柜和机旁箱制作和调试工作。
2、仪表部分
完成对以上工艺系统新增过程参数检测任务。
包括压力，流量，液位，温度等，如供高炉软水循环水泵出/入水总管温度，供高炉软水循环水泵出/入水总管流量,净水（高压）循环水泵出/入水总管压力
3、自动化部分
完成循环水泵房及加压机进出口阀的自动控制及有关工艺参数的自动监测任务。
（三）电气及其仪表自动化系统
1、基础自动化
基础自动化以PLC为控制核心，考虑到性价比以及今后备件及维护需要我们选用了西门子S7-300系列PLC。
2、上位监控自动化
上位监控系统人机接口部分配两套HMI操作站互为备用配置，其中一台可兼作工程师站。
操作站计算机选用研华原装IPC-610L工控机，主要配置如下：
P43.0GHzCPU、320G硬盘、1GDDR内存、DVD光驱，配19”液晶显示屏。
监控软件采用西门子WinCC6.0SP3软件。
系统软件采用WINDOWSXP专业版。
3、系统网络结构
系统主干通讯网络采用工业以太网，该网络将本次工程PLC控制系统与原有的转炉PLC、风机房PLC、汽化PLC一起构成一个统一环形网络；本系统的分布式I/O网采用ProfibusDP网。
这样由西门子的S7系列可编程控制器（PLC）、上位监控计算机和通信网络构成一完善的循环水泵房三电监控系统。
（四）电气传动控制系统
对上述所涉及的设备控制采用机旁手动、上位软手动和自动三种控制方式。
系统主要电气元件：
断路器、接触器、热继电器、中间继电器。
（五）现场仪表检测系统
所有现场仪表按防爆标准选用。
防爆等级：
隔爆型。
五、正达循环水泵房系统电气传动设计
（一）电动蝶阀
电动蝶阀主回路如图5-1所示，断路器1F-QF1闭合后，主回路电源接通；电动蝶阀控制回路如图5-2所示，断路器1F-CQF1闭合后，控制回路电源接通。
转换开关打到左侧，选择机旁手动控制时，由机旁操作箱手动控制。
当按下阀门打开按钮1F-SB1时，交流接触器1F-KM1线圈得电，辅助常闭触点1F-KM1打开，实现互锁，断开反转控制回路，限制电动机反转，即电动蝶阀关闭，避免电动蝶阀正反转回路同时接通，电动机损坏。
辅助常开触点1F-KM1闭合，正转控制回路自锁，主常开触点1F-KM1闭合，正转主回路接通，电动机正转，即电动蝶阀打开。
当电动蝶阀打开到位，触动开到位接近开关，中间继电器1F-KA1线圈得电，常闭触点1F-KA1打开，正转控制回路断开，交流接触器1F-KM1线圈失电，主常开触点打开，电动蝶阀停止正转，阀门打开到位。
常开触点1F-KA1闭合，指示灯1F-HR亮，即阀门打开到位指示灯亮。
如果限位失灵，阀门继续打开，触动过扭矩接近开关，中间继电器1F-KA3线圈得电，常闭触点1F-KA3打开，正转控制回路断开，交流接触器1F-KM1线圈失电，主常开触点打开，电动蝶阀停止正转，防止阀门损坏。
常开触点1F-KA3闭合，指示灯1F-HY亮，即阀门过扭矩指示灯亮。
当按下阀门关闭按钮1F-SB2时，交流接触器1F-KM2线圈得电，辅助常闭触点1F-KM2打开，实现互锁，断开正转控制回路，限制电动机正转，即电动蝶阀打开，避免电动蝶阀反正转回路同时接通，电动机损坏。
辅助常开触点1F-KM2闭合，反转控制回路自锁，主常开触点1F-KM2闭合，反转主回路接通，电动机反转，即电动蝶阀关闭。
当电动蝶阀关闭到位，触动关到位接近开关，中间继电器1F-KA2线圈得电，常闭触点1F-KA2打开，反转控制回路断开，交流接触器1F-KM2线圈失电，主常开触点打开，电动蝶阀停止反转，阀门关闭到位。
常开触点1F-KA2闭合，指示灯1F-HG亮，即阀门关闭到位指示灯亮。
如果限位失灵，阀门继续关闭，触动过扭矩接近开关，中间继电器1F-KA3线圈得电，常闭触点1F-KA3打开，反转控制
图5-1电动蝶阀主回路
回路断开，交流接触器1F-KM2线圈失电，主常开触点打开，电动蝶阀停止反转，防止阀门损坏。
常开触点1F-KA3闭合，指示灯1F-HY亮，即阀门过扭矩指示灯亮。
当按下阀门停止按钮1F-SBS时,整个控制回路断开，电机停止转动，即电动蝶阀停止动作。
当电动蝶阀在运行中发生过流故障时，热继电器常闭触点1F-KH打开，电动机停止，即电动蝶阀停止动作。
转换开关打到右侧，选择集中控制时，系统由PLC控制。
图5-2电动蝶阀控制回路
六、硬件设备选型
（一）循环水泵房系统
（1）循环水泵房进口管道电动蝶阀（1.5KW）2个、进口管道放散电动蝶阀（1.5KW）1个、进口管道液动盲板阀（7.5KW液压站）1个；
（2）循环水泵房出口管道电动蝶阀（1.1KW）6个。
（3）循环水泵房柜周集水坑排水泵电机（3KW）4个
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