PDF《基于西门子 S7-400 热泵供汽 DCS 应用实例》

基于西门子 S7-400 热泵供汽 DCS 应用实例 An example of application of DCS in heat pump of steam supply based on Siemens S7-400 陕西科技大学 李丰安 张根宝 Li Feng-an, Zhang Gen-bao 摘要:本文介绍了一种基于西门子 PLC 的热泵供汽控制系统.

对纸机供热系统进行了 研究,采用一种新型的供汽系统---热泵供汽系统,取代了传统三段供汽.该系统运用先进的 控制方案,软硬件紧密结合,使系统性能进一步提高,特别适用于 I/O 点较多的大型纸厂. 此系统已在浙江一纸厂应用,具有一定的推广价值. 关键词:热泵;

三段供汽;

DCS 中图分类号:TP273.3 文献标识码:B Abstract A heat pump of steam supply system will be introduced in this paper, which based on the PLC of Siemens. We have studied heat supply system seriously, and use a new kind of plan named heat pump of steam supply system instead of the three-stage steam supply. The super control plan is applied in this system, the software and the hardware be integrated perfectly, so that the qualities of this system be improved, the large factory which need to many point of I/O is especially suit to this system. In fact, this new system will be used in a paper production factory in ZheJiang, and worth to be used widely. Key words heat pump;

three-stage steam supply;

DCS 引言 目前,在纸机干燥部普遍采用传统三段供汽方法,这种供汽方式能耗大,效率低,严重 制约着造纸技术的向前发展.随着造纸技术的不断发展,出现了一种新的供汽方法――热泵 供汽,这种供汽方法能够很好的解决传统三段供汽烘缸冷凝水排放不畅、能耗大、效率低的 缺点,解决了传统串联式三段供热上下段之间相互影响的矛盾,各组烘缸的温度曲线调节十 分方便.

1 热泵供汽性能分析 如图 1,利用热泵替代阀门节流减压执行器所需品位和数量的蒸汽,利用蒸汽减压前后 的能量差使其工作蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸汽,提高能级后再供生产使用.特别是在蒸 汽喷射式热泵工作过程中,在闪蒸罐中将蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽增压后供给纸机烘缸 加热,同时降低了闪蒸罐的工作压力,增大了烘缸排出蒸汽冷凝水的压差,有利于蒸汽冷凝 水通畅排出.冷凝水经过多级闪蒸后热能得到充分利用.在热泵供汽系统中,各段纸机烘缸 排出的蒸汽冷凝水经过多级闪蒸,依次产生不同品位的二次蒸汽,蒸汽冷凝水降低温度后, 再排出冷凝水罐.如I段烘缸排出的蒸汽冷凝水进入一级冷凝水闪蒸罐,产生二次蒸发汽经 热泵增压后供一段烘缸加热用,由一级闪蒸罐排出的蒸汽冷凝水进入二级闪蒸罐进行多级闪 蒸,热能得到了充分利用.

2 3

4 1 I段 毯缸 II段14 锅炉蒸汽

18 16

15 5

6 17 III段13

12 19

7 8

9 11

10 1.分汽缸 2.一级闪蒸罐 3.二级闪蒸罐 4.三级闪蒸罐 5.冷凝水贮水罐 6.冷凝水水泵 7-9.热泵 10-16.差压排水器 17.分离器 18.真空泵 19.水封槽 图1三级闪蒸热泵供热系统工艺流程

2 系统设计 2.1 系统设计依据 纸幅在造纸机的网部成形并在压榨部脱水以后,大约尚有 60%~80%的水分,然后在造纸 机的干燥部用加热蒸发扩散的方法进一步脱去,使纸幅达到成品所需的 94%左右的干度.湿 纸页进入干燥部与烘缸接触干燥,要求干燥温度按一定的规律变化,称为干燥曲线. 要在生产过程中得到合适的干燥曲线(图2) ,首先要选择好烘缸的分组和各组的烘缸个 数,其次是用自动化仪表去调节和稳定干燥曲线.为了便于排除烘缸内的冷凝水,还必须保 持烘缸内汽压和冷凝水箱汽压之差,即跨过吸管的压力之差的稳定.

1 4

3 8

100 50

48 40

32 24

16 150 烘缸温度 1-瓦楞纸 2-新闻纸 3-1 号书写纸 4-2 号书写纸 图2各种纸张烘缸温度曲线 2.2 系统硬件设计 2.2.1 系统组成 图3为DCS 系统控制图,本系统中,各控制分部于上位机(操作员站)通过 WinCC 监控 软件的 OPC 接口进行数据传送.OPC 接口是 OPC 服务器实现的一套标准的 COM 接口,其基于 OPC 规范.OPC 规范基于微软的 COM 技术,规范了过程控制和生产自动化软件与用 OPC 服务器 实现的硬件驱动程序之间的接口,并且提供基于工业自动化应用的统一数据传输平台.只要 工业自动化软件符合 OPC 规范,它不需要做任何修改就能一致地访问所有 OPC 服务器实现的 硬件驱动程序. CP5611 TP22 TP22 CP5611 AS414-2 AS414-2 制浆车间操作员站/兼工程师站 流送操作员站 涂料,QCS配浆操作员站 干部操作员站 预留 ET200M Remote I/O ET200M Remote I/O 制浆车间 ET200M Remote I/O ET200M Remote I/O 造纸车间/流送 造纸车间/干部 S7-400 CP5611 CP5611 CP5611 S7-400 PROFIBUS.DP 总线 PROFIBUS.DP 总线 工业以态网 图3DCS 系统控制图 2.2.2 CPU 模块 本次设计应用西门子 S7-400 可编程序控制器构成热泵供汽 DCS 子系统.S7 系列 PLC 是在S5 系列基础上研制出来的.它由微型 S7-

200、中小型 S7-

300、中大型 S7-400 组成.其中 结构紧凑、价格低廉的 S7-200 使用小型的自动化控制系统;

紧凑型、模块化的 S7-300 是用 于极其快速的过程处理或对数字处理能力有特别要求的中小型自动化控制系统.功能极强的 S7-400 适于大、中型自动控制系统.设计中使用的CPU 为CPU414-2 , 型号6ES7414-2XG03-0AB0. 2.2.3 信号输入输出模块 本次控制 I/0 点分别为:部分流送:AI=20,AO=9,DI=80,DO=40;

干部:AI=22,AO=19, DI=10,DO=5;

DI 是将外部过程的数字量信号转换成可编程控制器 CPU 模块所需要信号,并传送给系统 总线上.DI 模块选择直流

32 点输入模块 6ES7 321-1BL00-0AA0,其额定负载电压为 24VDC. 输入电压

1 范围 13~30V,

0 范围-3~5V.共计

4 块. DO 是将 CPU 模块处理的内部数字量信号转换成外部过程所需的信号,并驱动外部过程的 执行机p显示灯等负载.DO 选择

32 点晶体管输出模块 6ES7 322-1BL00-0AA0,输出点数为

32 点,额定电压 24VDC.最大输出电流:

1 信号 0.5A,

0 信号 0.5mA,最小输出电流:

1 信号 5mA.共计

2 块. AI 是将外部生产过程缓慢变化的模拟量信号转化为可编程序控制器内部的数字信号.设 计选择 SM331,8*12 位.共计

7 块. AO 是将 PLC 内部的数字结果转换成外部生产过程的模拟量信号.设计选择 SM332 ,4*12 位模块 6ES7.共计

6 块. 2.2.4 控制功能及策略: 本系统能实现以下几种控制功能 1)低选与分层调节的组合功能 本系统每组烘缸具有低选与分层调节的组合功能,其主 要目的是解决纸机烘干部出现断纸时,系统会自动的去调节每组烘缸的排水能力,会自动的 降低每组烘缸进汽压力,保证每个烘缸组在断纸时排水性能仍处于最佳状态. 2)高选功能 本系统第一组烘缸具有高选功能,第一组烘缸共有三个控制回路,第一个 控制回路控制 1#烘缸的进汽压力,第二个控制回路控制 2#烘缸的进汽压力,第三个控制回路 控制 3#p4#烘缸的进汽压力,第一烘缸组首先利用其它四个热泵系统所吹泄出的少量蒸汽, 当任何一个烘缸进汽压力不够时,通过高选功能自动打开补充新鲜蒸汽阀门进行补充,其目 的主要是充分利用其它四个烘缸组尾汽和闪蒸蒸汽. 3) 串级控制功能 PIC-101 与纸张水分信号进行串级控制, 即纸张水分信号作为 PIC-101 控制回路的外给定,PIC-101 在外给定工作状态时 PIC-101 的压力大小由纸张水分来控制. 4) 比值控制功能 PIC-102, PIC-103, 与PIC-101 实现了比值控制, 即在 PIC-102, PIC-103 在外给定工作状态时,PIC-102,PIC-103 只要设定好比例系数即可实现比值控制.在比值控 制状态下,只要改变 PIC-101 压力设定值,其它所有烘缸组的压力设定值就按比例系数自动 得到改变.如果系统在串级控制状态下所有烘缸组的压力就会随着纸张水分大小自动进行调 节,无需人工干预,因此,纸机烘干部可以实现完全自动化. 5)断纸连锁功能 当烘干部断纸时,每5分钟 PIC-101 压力设定值下降 50Kpa,直至 PIC-101 压力值降至 50Kpa 为止,纸机处于稳定状态.当断纸结束纸张全部经过烘干部时 PIC-101 的设定值自动恢复断纸前的压力设定值,并由纸张的水分大小来自动改变 PIC-101 的压力设定值,因此纸机很快就进入稳定状态. 2.3 系统软件设计 本次程序设计依据现场控制要求,使用结构化编程,程序结构层次清晰,部分程序通用 化、标准化,易于修改、简化程序的调试.如图

4 所示,FC100 是读模拟量输入程序,该程 序用指针作为地址变量, 且地址变量具有通用性. FC98 是对读入的模拟量数据进行十次滤波. 程序测试稳定,运行良好. OB35 FC100 OB100 FC103 FC104 FC98 FB42 OB1 断纸升温控制 读模拟量输入程序 滤波 PID控制 图4系统软件设计图 2.4 系统组态软件设计 根据工艺要求与控制,该系统有热泵供汽示意图p网络通讯状态图p报警指示图等. 该控制系统取消了常规仪表的记录与显示功能,将所有的压力p流量p液位p浓度等信 号在计算机上以动态图形显示.系统的各种控制参数p工艺参数及生成的数据库均可自动存 储,实时查询,同时定时进行报表打印. 当有异常发生时,可立即以色变p闪烁等各种形式向操作人员报警. 操作员站键盘具有专用功能键,可直接调出画面,用户可根据需要任意指定目标画面. 各个画面的展开键和滚动键使画面窗口的信息可以任意调出,滚动检索,提高了工作效率.

3 结论 该系统已应用于浙江一纸厂纸机干燥部,经过前期调试本系统运行稳定p抗干扰能力 强,达到了预期的目标:........