DCS控制系统设计本科生毕业论文.doc

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III

碱回收燃烧工段DCS控制系统设计

摘要

燃烧是造纸过程的一个重要环节，旧的燃烧工段存在许多的缺点。

本设计是利用DCS系统对造纸过程中碱回收燃烧工段进行控制。

工业实时监控系统是目前研究的热点问题之一，其中生产数据采集的方法和生产数据发布系统的稳定性和高效性更是研究的重点。

在该系统中采用西门子的S7300系列CPU模块内置的MPI接口，PLC来对燃烧工段进行控制，并用WinCC5.0来组态一个HMI平台，对该控制系统进行监控。

WinCC是一个功能强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单过程监控，也可以用来完成复杂的应用。

本文详细介绍了如何构建一个高效的基于WinCC软件的工业实时监控系统，本设计运用WinCC组态软件制作出了碱回收燃烧工段的上位机监控画面，通过控制画面可对碱回收燃烧工段的设备进行控制。

本设计体现出WinCC软件的多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。

在控制画面中还可以看见趋势曲线等，通过趋势曲线可了解工厂的生产状况，为操作者提供了直观的操作环境。

不仅了解了工厂生产线状态，而且提高了工作效率。

WinCC能够用于多种用途的控制系统，同时提供嵌入式C语言编程，用户可以通过编辑项目函数和行为来实现特殊的功能。

关键词:

HMI，燃烧，WinCC，DCS

TheDesignofDCSControlSystemonAlkaliRecoveryCombustionWorkshopSection

ABSTRACT

Thecombustionisanimportantlinkofthedeckleprocess,theoldburnableworksegmentexistsmuchweakness.ThisdesignistomakeuseoftheDCSsystemtocarryonacontroltothealkalirecoverycombustionworksegmentinthedeckleprocess，Supervisedandcontrolsystemwhenindustrywassolidheatbecurrentlytostudytoorderoneoftheproblems，Producethemethodandtheproductiondatathatthedatacollecttoreleasethestabilityofthesystemamongthemandefficientlyisalsothepointoftheresearch.AdopttheS7300seriesCPUmoldpieceofSiemensinthatsystemtoconnectinsidetheMPIplace，ThePLCcomestotheworksegmenttocarryonacontroltothecombustionCounteractWincc5.0cometosetHMIterrace，carryonsupervisiontothatcontrolsystem.

TheWinCCisafunctionstrongoverallliberalsupervisionsystem,sincecanusetothesimpleprocesssupervisionofcompletethesmallscale,alsocanusetocompleteacomplicatedapplication.ThisdesignmakeuseofWinCCsoftwareworkalkalitherecoveryburntheworksegmentoftheplaceofhonormachinecontrolappearance,Theequipmentsthatcontrolappearanceandcansrecovertheburnableworksegmenttothealkalicarriesonacontrol.ThebodyappearsvariousautomationequipmentsesandthecontrolsoftwareintegrationoftheWinCCsoftware，HaveabundantconstitutionitemCantheWindowsoptionswithsinglefixedmenuinrestaurant,Useawayvivid，Thefunctioniswell-found.Canalsoseetrendcurveetc.inthecontroltheappearance，Passtheoperationenvironmentthattheappearancecanunderstandtheproductionconditionofthefactorytoprovidetokeepaviewfortheoperation.Notonlyunderstoodtoproduceperiod,Andraiseaworkefficiency.Providethebuilt-inClanguageplaitdistanceinthemeantime，thecustomercanpasstoedittheitemfunctionandbehaviortocarryoutspecialfunction.

KEYWORDS：

HMI，Combustion，WinCC，DCS

目录

摘要 I

ABSTRACT II

1绪论 1

2DCS系统的简介 2

2.1DCS的组成 2

2.2DCS系统的发展过程 2

2.3MPI网 3

2.4PROFIBUS-DP网络 4

3燃烧工段的工艺流程 5

3.1燃烧工段的工艺流程 5

3.1.1燃烧工段工艺流程 5

3.1.2现代碱回收炉控制系统的目标 6

3.2燃烧工段设备介绍 6

3.2.1碱回收炉 6

3.2.2静电除尘器 7

3.2.3圆盘蒸发器 7

3.2.4引风机 7

3.2.5一、二、三次风的作用 7

3.3本设计采用的方案 8

4PLC硬件设计 9

4.1可编程控制器PLC 9

4.1.1可编程序控制器的基本结构 9

4.1.2可编程控制器的工作原理 10

4.1.3可编程序控制器的特点 10

4.2硬件设计 11

4.2.1PLC模块的安装 11

4.2.2CPU模块 11

4.2.3SM321数字量输入模块 13

4.2.4SM322数字量输出模块 13

4.2.5SM331模拟量输入模块 13

4.2.6SM332模拟量输出模块 14

4.2.7电源模块 14

4.3传感器 15

4.4PID算法 15

5WinCC组态部分 17

5.1西门子WinCC简介 17

5.1.1WinCC的主要功能 17

5.1.2WinCC选件 18

5.2WinCC组态 19

5.2.1创建新项目 19

5.2.2添加驱动程序与组态变量 20

5.2.3创建变量 22

5.2.4画面的创建 24

5.2.5创建动态 26

5.3组态报警 31

5.3.1模拟量报警 31

5.3.2离散报警 33

5.3.3报警画面 34

5.4数据归档和存盘 35

5.4.1变量的归档 35

5.4.2创建记录显示 36

5.5流量累计程序的设计 36

5.6用户登陆程序的设计 37

5.7用户登录权限的设定 38

5.7.1设置安全保护管理 38

5.7.2设定组态设定服务器的属性 38

5.7.3创建热键调用登录和退出对话框 38

6.1过程通讯原理 40

6.1.1过程通讯术语 40

6.1.2WinCC通讯原理 40

6.2通讯协议的组态 40

7总结 42

致谢 43

参考文献 44

53

碱回收燃烧工段DCS控制系统设计

1绪论

造纸工业是国民经济的重要组成部分。

近年来，随着国家对环境保护的日益重视，解决造纸厂的废水排污问题已成为首要课题，特别是对于以麦草为原料的众多造纸厂来说，麦草浆黑液的处理问题尤为突出。

黑液是由碱法制浆蒸煮得到的废液，其成分主要根据所采用的植物原料及制浆蒸煮条件不同而有所不同。

对黑液采取回收的方法国内也做过许多尝试，但经过考核比较发现用燃烧法处理黑液回收碱是目前黑液治污中最为成熟和有效的技术。

然而对麦草浆的黑液来说，燃烧绝非易事。

首先是因为碱回收的投资成本较大，使用设备复杂，而且麦草浆黑液的燃烧工艺和设备也仍处在整理与完善中；其次是因为麦草浆黑液属于一种劣质燃料，由于其含灰、含硅量大，燃烧值低，粘度大，浓度低，对燃烧的许多工艺条件要求都很高，因而使黑液燃烧变得比较困难，极易造成因燃烧不稳定而甩不掉油枪，使碱回收成本大大增加的局面。

因此，在麦草浆黑液的碱回收工程中，燃烧工段是最重要的环节之一。

DCS系统在造纸行业的广泛使用，使得造纸的自动化程度越来越高。

随着造纸工业的不断发展，废水污染日益加剧。

因此，制浆黑液的碱回收工艺对工厂起着尤为重要的作用，它是变废为宝、化害为利、效益显著的综合利用工程，是造纸厂治理水污染的首要措施[1]。

碱回收生产过程大致包括黑液的提取，黑液的蒸发，黑液的燃烧，绿液的苛化及石灰的回收五个工段。

2DCS系统的简介

多级计算机分布控制系统又称为集散控制系统（DCS，distributedcontrolsystem）是网络技术和控制技术结合的产物。

它是根据分布设计的基本思想，实现功能上分离，位置上分散，达到以分散控制为主，集中管理为辅。

2.1DCS的组成

集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）是基于“4C”技术（ComputerControlCommunicationCRT）在20世纪70年代中期出现的新型工业控制系统。

采用分布式的计算机系统结构，目的是为了减少风险，提高系统可靠性。

它将整个控制系统按照区域、功能和回路作适当分解，再通过总线或通讯网络将它们连接为有机整体。

1975年Honey-well公司推出了第一套DCS控制系统，首先被应用于石油化工行业[2]。

自1975年以来，DCS控制系统的硬件和软件功能不断完善和强化，已经经历了三代，但从基本结构来看特性相同，可分解为三大基本部分。

（1）过程控制站

过程控制站是集散控制系统与生产过程之间的截面，生产过程的各种过程变量和状态信息通过过程控制站转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过过程控制站送到执行机构。

在过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成各种控制算法的运算，以及对输入和输出量的数据处理等运算。

（2）操作站

操作站是操作人员与集散控制系统的界面，操作人员通过操作站了解生产过程的运行状况，并通过他发出操作指令。

生产过程的各种参数在操作站上显示，以便于操作人员监视和操作。

（3）通讯系统

通讯系统是过程控制站与操作站之间完成数据之间的传递和交换的桥梁。

有些集散控制系统在过程控制站内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通讯系统，有些集散控制系统则在操作站内增加了综合管理级的控制装置和相应的通讯系统。

通讯系统常采用总线型、环形等计算机网络结构，不同的装置有不同的要求。

2.2DCS系统的发展过程

DCS系统大体可分为三个发展阶段：

第一阶段：

1975-1980年。

在这个阶段采用微处理器为基础的过程控制单元（ProcessControlUnit），实现了分散控制，有各种控制功能要求的算法，通过组态（Configuration）独立完成回路控制，具有自诊断功能；在信号处理时，采用抗干扰措施，它成功使分散控制系统在控制过程中确立了地位。

还采用CRT屏幕显示器的操作站与过程控制单元的分离。

采用了先进的冗余通讯技术，用同轴电缆作传输介质，将过程控制单元的信息送到操作站和上位计算机，从而实现了分散控制和集中管理。

这一时期典型的产品有HONEYWEL公司的TDC2000，FOXBORO公司的SPECTROM；西门子公司的TELEPERM；肯特公司的P-4000。

第二阶段：

1980-1985年。

主要的技术重点表现为：

产品的换代周期愈来愈短，在过程控制单元增加了批量控制功能和顺序控制功能，在操作站及过程控制单元采用16位的微处理器，使系统性能增强，工厂级数据向过程级分散，高分辨率的CRT，更强的图画显示，报表生成和管理能力；强化系统功能，通过软件和组织规模不同的系统；在计算机局域网络技术的发展的情况下，强化了系统信息的管理，加强了通信系统。

这一时期典型的产品有HONEYWEL的TDC3000，BAILEY的NETWORK-90，西屋公司的WDPF，ABB公司的MASTER。

第三阶段：

1985年以后。

在这一时期中集散系统的技术特点是：

采用开放式系统网络，符合国际标准组织ISO开放系统互联的参考模型，开发了中、小规模的集散系统；采用32位微处理器和捉摸式屏幕等便于操作和指导，完全实现CRT化操作，采用实时多用户多任务的操作系统。

DCS系统向大型化的CIMS（计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem）和小型及微型化发展。

DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。

从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。

过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。

操作级包括：

操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。

管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内应用这一系统的行业较少[2]。

DCS的关键技术在于网络，从上到下是树状拓扑和并行连续的链路结构，中间站联接计算机、现场仪器仪表和控制装置。

2.3MPI网

MPI用于连接多个不同的CPU或设备。

MPI符合RS-485标准，具有多点通信的性质，MPI的波特率常设定为187.5kbps，接入到MPI网的设备称为一个节点，不分段的MPI网（无RS-485中继器的MPI网）可以最多有32个网络节点，仅用MPI接口构成的网络，称为MPI分支网（简称MPI网），两个或多个MPI分支网，用网间连接器或路由器连接起来，就能构成较复杂的网络结构，实现更大范围的设备互连，MPI分支网能够连接不同区段的中继器。

每个MPI分支网有一个分支网络号，以区别不同的MPI分支网，分支网上的每个节点有一个网络地址，这里称为MPI地址，节点MPI地址号不能大于给出的最高MPI地址，这样才能使每个节点正常通信。

用PC可以分配需要的MPI地址，修改最高MPI地址，分配MPI地址要遵守这样的规定：

一个分支网络中，各节点要设置相同的分支网络号；在一个分支网络中MPI地址不能重复，并且不超过设定的最大MPI地址；同一分支网中，所有的节点都应设置相同最高MPI地址；为提高MPI网节点通信速度，最高MPI地址应该当较小，如果机架上安装有功能模块和通信模块，它们的地址由CPU的MPI地址顺序加1构成。

2.4PROFIBUS-DP网络

PROFIBUS-DP总线是现场总线的一种，它一般用于现场层的高速传送。

在这一级，中央处理器（PLC）通过高速串行线同分散的现场设备（I/O单元、驱动器等）进行通讯。

一般情况下，DP构成主站系统，主站周期地读取并周期的向外发送输出信息。

总线循环时间必须比主站（PLC）循环时间短。

除周期性用户数据传输外，PORFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信，以进行组态、诊断和报警处理。

目前，PROFIBUS现场总线技术通过多年的实际应用，实现了不同设备的数字网络互联，使得设计、制造、应用等方面都获得方便和好处，因而成为更大范围上的协议-欧洲标准EN50170，这就说明了它的成熟性和规范能力。

3燃烧工段的工艺流程

我国碱法化学浆产量约占全国化学浆总产量的90%，而碱法制浆产生黑液的污染负荷大，约占制浆造纸生产产生废水总污染负荷的90%左右。

由此可见，制浆造纸工业水污染的防治，首先必须解决对制浆黑液的源头治理。

国内外实践证明，黑液治理最佳技术是碱回收，它是削减碱法蒸煮黑液最经济、最有效的途径[3]。

造纸企业通常采用分布式控制系统即采用西门子CPU41-2DP为核心的DCS控制系统实现对现场信息的采集和控制。

同时，采用基于WinCC的上位机对现场的数据进行监测和即时控制。

但有时各工段间需要相互调用数据，这就牵涉到网络通讯问题。

例如在造纸碱回收蒸发和燃烧工段中，负责监控蒸发工段的主机需要调用燃烧工段的数据，这时如果采用在燃烧工段增加一个变送器的方法，那么相应地就必须在蒸发工段的控制站中增加AI模块，这样大大增加了成本。

如果利用西门子S7300系列的CPU模块内置的MPI接口，把多个工段的控制站组成一个MPI网络，那么就可以实现多个工段之间数的传送。

3.1燃烧工段的工艺流程

3.1.1燃烧工段工艺流程

主要工艺流程如图3-1所示[3]。

一二次风机将空气鼓入，一二次风经空气加热器加热，使风温提高到150℃左右，一、二次风再经碱回收喷射炉的尾部的板式空气加热器再使进碱回收炉的一、二次风风温达到280℃左右，以此提高了炉瞠的干燥区、燃烧区的环境温度和熔融区温度。

经过一二次风风管门调节，一二次风的按照一定的比例分配后，分别从不同高度鼓入碱回收炉。

三次风机将三次风送往空加器后送入碱回收炉[3]。

蒸发工段送来的浓黑液首先送往浓黑液槽，再经黑液泵进入圆盘蒸发器。

在这里，黑液与碱回收炉出来的烟气相接触，使黑液再次浓缩，且可以吸收烟气的碱灰，减少了碱飞失，提高了碱回收率。

而后圆盘蒸发器中的黑液自然溢流出来，进入入炉黑液槽，入炉黑液泵再将浓黑液泵往黑液加热器。

经黑液加热器的加热后，经黑液喷枪高压喷入高温状态下的碱回收炉。

在碱回收炉中，黑液经雾化、干燥后进行燃烧。

部分燃烧后的黑液落到碱回收炉的垫层上，在垫层上，黑液中的无机物不断熔融，部分有机物热裂解成气体从垫层排出，部分有机物炭化为元素碳，供燃烧和还原硫酸钠之用，芒硝还原成硫化钠，部分有机物热裂解能更完全燃烧，含硅量高的熔融物能顺利流出。

在硫酸盐法木浆碱回收工艺流程中，碱灰溶解槽中的碱灰液被送入芒硝黑液混合器，然后送入燃烧炉。

麦草制浆则多采用烧碱法，若黑液碱回收沿用上述这样的流程，会形成大量碱灰液在燃烧炉、碱灰溶解槽及黑液中间槽内循环、沉淀，造成能源损耗，影响工艺流程的畅通。

根据麦草浆黑液燃烧特性，让碱回收炉燃烧产生的碱灰直接进入绿液溶解槽。

静电除尘器排出的碱灰进入碱灰溶解槽形成碱灰液，然后泵入绿液溶解槽。

溶解槽中的绿液送苛化工段进行苛化，从而回收麦草浆中的碱[3]。

图3-1燃烧工段工艺流程

3.1.2现代碱回收炉控制系统的目标

a）用少量的过剩空气使黑液中的有机物完全燃烧，这是最关键的。

b）尽量提高炉膛内的燃烧温度，降低燃烧速度。

c）燃烧速度应保持稳定，碱炉操作要求送入炉内的热量稳定。

d）黑液喷嘴产生的黑液液滴的粒度范围是一项重要因素。

e）粒度适中的、活性的、多孔性的黑灰垫层也很关键。

f）黑灰垫层应产生足够的烟雾，避免发生SO2，形成粒性粉尘和酸性腐蚀。

g）提高碱回收炉的生产能力严格控制SO2排放。

3.2燃烧工段设备介绍

整个碱回收燃烧工段涉及的设备较多，且有一些诸如碱回收喷射炉，圆盘蒸发器等大型设备，有必要对此作以介绍。

3.2.1碱回收炉

碱回收炉与一般工业蒸汽锅炉有所不同。

工业蒸汽锅炉是以煤为燃料进行燃烧的压力容器，它的成品是蒸气，而碱炉是以黑液形物为燃料进行燃烧的压力容器，它不但具备了工业锅炉的危险性条件，还具备了工业锅炉所没有的更强烈的危险性（如水与融物接触发生爆炸、未燃气体爆炸）。

碱炉不仅处在高温、高压的条件下，而且还处于强碱及高灰尘的碱性介质中，碱性黑液及高温熔融物对锅炉有强烈的腐蚀作用。

因此，碱回收喷射炉无论设计结构上，还是材料选取上及制造要求上都比普通蒸汽锅炉复杂得多。

本设计采用全水冷壁喷射炉（也称作方形喷射炉），它是浆厂黑液碱回收的重要设备。

它由炉膛燃烧室和锅炉两大部分组成燃烧室的炉壁、炉顶和炉底都由水冷壁管组成，故由此而得名。

其燃烧室为黑液固形物燃烧和进行化学反应的场所，作用是干燥、燃烧、还原和熔融，由炉底及四面水冷壁组成的密封方形空室。

燃烧室根据工艺的不同，大致可分为三次风口处的烟气完全燃烧区、黑液喷口附近的黑液干燥区，二次风口以下至一次风口的黑液燃烧区、一次风口以下的熔融区，其锅炉是吸收燃烧过程中释放的热量而产生蒸汽的设备，与燃烧室连成一体。

由上下汽包、水冷屏管束、省煤器、以及炉墙、构架、管件等组成。

这种喷射炉的主要特点是生产能力大，便于实现自动控制，操作简便，废热利用率可达60％，芒硝还原率可达90％以上。

缺点是构造复杂，造价高，投资大，修理更换炉管不方便，适用于大型纸厂的碱回收使用[3]。

3.2.2静电除尘器

静电除尘的原理是在电场的负极加上负直流高压电源，并将正极接地。

在负极周围形成“电晕”产生带电离子，灰尘颗粒被带电离子充电后，向正极运行而吸附在接地的正极板上，再通过震打、落下而收集起来。

电晕电流的大小是决定除尘率的主要因素，因而静电除尘也可称为电晕除尘[3]。

3.2.3圆盘蒸发器

从碱炉尾部出来的烟气进人圆盘蒸发器，黑液与烟气直接接触蒸发，浓度由43％浓缩至45％～48％。

同时降低了烟气温度，除掉了烟气中较大颗粒的灰尘。

由于麦草浆黑液具有较高的粘度，圆盘蒸发器的优点：

操作简单，动力消耗低，可以单独使用，也可以与静电除尘器串联使用，特别是对最初含尘量高的烟气，与静电除尘器串联使用时，可以提高静电除尘效果。

圆盘蒸发器的缺点是因圆盘蒸发器中黑液没有雾化，接触表而积小，因此无论除尘、降温及黑液增浓的效果并不理想[3]。

3.2.4引风机

引风机能有效控制碱炉的炉膛负压，是燃烧工段的主要辅机。

3.2.5一、二、三次风的作用

一次风的作用：

一次风位于炉底450～1000mm处。

主要供给垫层中游离碳燃烧所需的氧气，使垫层中有足够的热量，保证无机盐和芒硝的还原反应。

若一次风量过大，会造成垫层燃烧过快，难以保持适当高度的垫层，供给芒硝还原的碳量和CO量减少，不利于芒硝的还原，而且促使钠盐升华或热分解，降低芒硝的还原率和碱回收率。

但也不能过小，否则会使挥发性的硫损失加大、炉温过低和硫化钠还原率降低。

一般将一次风量控制在总风量的45％～50％之间。

一次风风压可低些，一般在784～1176Pa。

二次风的作用：

二次风位于黑液喷枪口上下，主要是为了加速黑液中水分汽化和固形物干燥与上升的烟气流产生较强烈的混合作用，在炉膛内产生充分的旋转，并保持炉床垫层高度之完整形成；

三次风的作用：

三次风