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1、造纸碱回收分布式控制系统设计硬件局部设计摘 要随着造纸工业规模的不断扩大，造纸企业对造纸过程中的自动化程度要求越来越高。在我国，造纸企业在生产过程中采用的微机监视与控制系统一般为单独运行且分散在各个设备处，没有进行对整个生产过程进行集中实时监控，使得生产管理人员无法及时全面地了解各个生产环节的生产状态，难以做到及时、准确地指挥生产。本论文设计了一种DCS集散控制系统来解决上述问题，通过对硬件的合理选择和系统配置，实现了对造纸整个造纸生产流程的自动化监控。本论文重点是对碱回收燃烧工段的系统分析与研究，提出了一种平安可靠的控制方案。详细介绍了系统中西门子S7-300系列PLC所用到的各种硬件模块的
2、选型和组态。关键词: 碱回收，燃烧，PLC，DCSThe Distributional Control System Design to the Papermaking Alkali Recycles - Hardware Part DesignABSTRACTAlong with the industrial scale of paper spreading time and again, the papermaking enterprise is more and more high to in the papermaking process automaticity request. I
3、n our country, the papermaking enterprise the microcomputer surveillance and the control system which uses in the production process generally for alone moves also disperses in each equipment place, has not carried on to the entire production process carries on the centralism to monitor at times, ca
4、uses the production management personnel to be unable promptly comprehensively to understand produces the link one by one the production condition, achieves with difficulty promptly, accurately directs the production. The present paper will design one kind of distributed control system DCS solves th
5、e above problem, will realize to the entire papermaking production process automated monitoring. This system reasonably carries on the hardware choice and the system disposition, forms good man-machine contact surface This paper focused on the Recovery Combustion Process Analysis and Research, a saf
6、e and reliable control programme. Details of the system in the Siemens S7-300 series PLC used by the various hardware module selection and configuration.KEY WORDS：Soda recovery，Combustion ，PLC，DCS目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论1 引言11.2 本论文的工作12 碱回收简介22.1 碱回收的生产过程22.2 实施碱回收的意义23 燃烧工段的工艺流程3 黑液的燃烧过程3 影响黑液燃烧的因素3
7、3.3 燃烧工段的工艺流程53.4 燃烧工段设备介绍63.4.1 碱回收炉63.4.2 静电除尘器73.4.3 圆盘蒸发器73.4.4 引风机73.5 燃烧工段的控制方法7 黑液子系统73.5.2 送风、引风子系统83 锅炉供水子系统83.5.4 燃烧工段测控点统计84 DCS系统的简介114.1 DCS的组成114.2 DCS系统的开展过程114.3 工业以太网124.4 MPI网134.5 PROFIBUS-DP135控制系统的硬件设计14 测控系统的网络结构设计145.2 PLC简介155.2.1 PLC的根本结构155.2.2 PLC的工作原理165.2.3 PLC的特点185.2.4
8、 PLC的开展185.3 PLC 硬件设计19.1 PLC模块的安装195.3.2 CPU模块195.3.3 SM321数字量输入模块215.3.4 SM322数字量输出模块235.3.5 SM331模拟量输入模块245.3.6 SM332模拟量输出模块27 电源模块27 机架28 其他硬件295.5 传感器295.6 PID算法305.6.1 PID控制的优点305.6.2 PID的形式30 比例调节作用315.6.4 比例积分调节作用32 微分调节作用335.6.6 PID控制子程序框图356 STEP 7及WinCC软件简介366.1 西门子PLC编程软件STEP 7366.2 西门子组
9、态软件WinCC V6377 总 结39致 谢40参 考 文 献411 绪 论引言造纸工业是国民经济的重要组成局部。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，但经过考核比拟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1。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本钱较大，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
10、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拟困难，极易造成因燃烧不稳定而甩不掉油枪，使碱回收本钱大大增加的局面。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一2。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开展，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。1.2 本论文的工作本论文重点在对当前碱回收燃烧工段系统分析研究后提出了一种平安可
11、靠的控制方案。碱回收燃烧工段的过程控制系统是一个复杂控制系统。国内对这方面的系统研究较少，本论文对碱回收燃烧工段的工艺流程和当前的继电器控制系统、集散控制系统、工业控制计算机控制系统及可编程逻辑控制系统(PLC)的特点进行系统分析后，结合具体碱回收燃烧工段工程，采用西门子S7-300 PLC设计了碱回收燃烧工段的过程控制系统。本论文要作以下工作：a熟练掌握造纸碱回收中燃烧工段的工艺流程。b完成燃烧工段控制系统硬件局部的设计。c了解STEP7与WINCC之间的通信知识。2 碱回收简介2.1 碱回收的生产过程碱回收工程包括四个生产过程：提取、蒸发、燃烧、苛化。a提取：尽量使黑液与浆料别离，把黑液提
12、取出来。b蒸发：使黑液浓缩到50%以上的浓度。c燃烧：黑液送入燃烧炉，将有机物烧去，剩下无机物碳酸钠和硫化钠(草浆情况下还有硅酸钠)。燃烧后的无机物呈熔融状态，经溶解澄清后成为绿液。d苛化:把石灰参加绿液中，使碳酸钠(草浆情况下包括硅酸钠)苛化成为氢氧化钠，并将苛化所产生的碳酸钙和硅酸钙(即白泥)沉淀别离，最后得到氢氧化钠和硫化钠的混合溶液，通称白液，可供制浆使用3。 实施碱回收的意义碱回收系统从碱法制浆黑液中回收了碱和热能，并实现了工厂企业自身封闭循环使用，对于碱法制浆黑液还有其它的治理措施，但会有相应的副产品产生，存在运行本钱和市场对其副产品需求变化的问题，因此碱回收对碱法制浆造纸企业而言
13、是实现清洁生产、保护环境、废液进行厂内治理的重要组成局部。碱回收能最经济有效地削减废液的污染负荷，大幅度提高资源回收利用率，再经过物化-生化法的综合处理就可使企业生产过程中的中段废水达标排放。对造纸厂的黑液进行碱回收有以下好处2:(a环境效益:黑液是纸厂主要污染源。其中的固形物约有2/3是有机物，1/3是无机物。有机物是纸浆厂污水中的BOD, COD, SS和色度的主要来源。无机物中主要是碱。因此每回收一吨碱大约要烧去两吨以上的污染物，可以大大减轻纸浆厂对江河水质的污染。(b社会效益:电解法制碱，每吨碱要耗电2700度，食盐吨。每回收一吨碱，大厂耗电400600度，小厂1000吨左右，不用盐只
14、用石灰。因此每回收一吨碱比电解法节电17002300度，且不必由外厂运来3040%的碱液，每吨固碱可节约运力255吨以上。(c经济效益:外购碱到厂价在2000元/吨左右。回收碱本钱小厂约1000元/吨，大厂只要400600元/吨，经济效益非常显著。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，黑液治理最正确技术是碱回收，它是削减碱法蒸煮黑液最经济、最有效的途径2。造纸企业通常采用分布式控制系统即采用西门子
15、CPU414-2DP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，这样大大增加了本钱。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黑液的燃烧过程黑液的燃烧过程根本上可分三个彼此相关的阶段5：第一阶段：黑液的
16、蒸发枯燥阶段。经过多效蒸发和直接蒸发后，送入碱回收炉的黑液浓度，草浆约50%，木浆约60%65%，这样的浓度的黑液还不能直接燃烧。因此，黑液送入炉内之后，要利用燃烧产生的热量增大浓黑液，使其枯燥成含水10%15%的黑灰，才能燃烧，并发生一系列化学反响，使全部游离的氢氧化钠和大局部硫化钠转化为碳酸钠、硫酸钠和硫化钠等，黑液中有机化合的碱也生成亚硫酸钠和硫酸钠。第二阶段：黑液的热裂解及燃烧阶段。经过枯燥的黑灰落在垫层上，有机物快速分解，同时放出大量的热。第三阶段：无机物的熔融及芒硝复原阶段。此阶段除有机物继续燃烧外，主要是无机物熔融及芒硝复原。此阶段温度高达1000以上。黑液燃烧系统是制浆厂整个碱
17、回收过程中最复杂也是最关键的工段。燃烧工没的最主要设备为碱回收锅炉，目前国内外普通使用的碱回收锅炉类型为喷射炉，喷射炉作为整个硫酸盐制浆厂体积最大，造价也最高的设备，其作用一方面是回收黑液中大量有机质脱木素中的有效热值，以产生蒸汽供全厂发电或造纸枯燥之用；另一方面使黑液中的无机碱盐，经复原反响后回收供制浆蒸煮重复使用。3.2影响黑液燃烧的因素1影响黑液燃烧的因素很多，主要有以下几个方面：a黑液的组成和性质这是影响黑液燃烧的一个主要因素，应根据黑液的不同组成和性质，确定适宜的工艺和燃烧条件。b黑液浓度黑液流量一定时，浓度低，会降低碱回收炉效率，如浓度太低，会使炉温下降，炉衬脱落，灭火，甚至会发生
18、爆炸。黑液浓度太高时，输送和雾化就困难，流量不稳定，会影响正常燃烧。c黑液喷射量和粘度最好能保持黑液喷射量保持一定，并使黑液粘度保持在一定范围内。d燃烧所需的空气量根据燃烧工艺的要求，燃烧所需的空气量分二次或三次送入炉内。其中燃烧所需要的空气量也是黑液利用的一个参考点，这里先讨论一下燃烧所需要的空气量的分配问题以及风的作用问题。2空气分配与燃烧a硫的复原与燃烧温度有关。如图3-1所示，在炉底温度高，复原率就高。适合的复原条件是通过调整分配一次风和二次风空气流通的压力和位置来获得。图3-1 燃烧室的温度立面图b当燃烧的黑液浓度为70%75%时，燃烧空气的分配如下图：一次风量30%，二次风量60%
19、，三次风量10%。在炉子底完全碳化的垫层上方，适合于二次空气的燃烧。c黑液向下喷射在炉底碳化的垫层上方，但不是喷射在炉壁上。相应高度的黑液喷嘴分布在炉壁四周，喷嘴数量与碱炉的蒸汽产量和规格相适应。3一、二、三次风的作用一次风的作用：一次风位于炉底4501000mm处。主要供应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复原反响。假设一次风量过大，会造成垫层燃烧过快，难以保持适当高度的垫层，供应芒硝复原的碳量和CO量减少，不利于芒硝的复原，而且促使钠盐升华或热分解，降低芒硝的复原率和碱回收率。但也不能过小，否那么会使挥发性的硫损失加大、炉温过低和硫化钠复原率降低。一般将一
20、次风量控制在总风量的4550之间。一次风风压可低些，一般在7841176Pa。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枯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：三次风位于黑液喷枪以上，主要是用于可燃的挥发性气体及少量未完全燃烧产物的进一步完全燃烧，以提高烟气热含量，同时起到封闭炉膛出口，捕集烟气中所带碱尘的作用。三次风进炉要送到炉膛中心空间与上升的烟气产生较强烈的混合作用，在炉膛产生强烈的旋转，使黑液和气体燃烧均匀一致，风压要高一些，一般控制在6。3.3 燃烧工段的工艺流程主要工艺流程如图3-
21、2所示。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、二次风风温到达280左右，以此提高了炉瞠的枯燥区、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。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
22、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、枯燥后进行燃烧。局部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，局部有机物热裂解成气体从垫层排出，局部有机物炭化为元素碳，供燃烧和复原硫酸钠之用，芒硝复原成硫化钠，局部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。麦草制浆那么多采用烧碱法，假设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
23、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5。图3-2 燃烧工段工艺流程3.4 燃烧工段设备介绍7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。3.4.1 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
24、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局部组成燃烧室的炉壁、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响的场所，作用是枯燥、燃烧、复原和熔融，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枯燥区，二次风口以下至一次风口的黑液燃烧
25、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，芒硝复原率可达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。3.4.2 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
26、称为电晕除尘。3.4.3 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4548。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。3.4.4 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。3.5 燃烧工段的控制方法配合流程图和测控点表，下面分为几个子系统
27、对控制方案加以表达。 黑液子系统由蒸发工段来的浓度约50%的浓黑液被直接送往“圆盘蒸发器，进行下一步浓缩。“圆盘蒸发器设有温度指示TI-801-1及液位指示LIA-810。然后进入“入炉黑液槽，该槽的液位由LI-801控制黑液流量来实现。在该处还设有温度指示TI-801-2。接着由黑液泵泵至“浓黑液加热器后入炉燃烧。为了稳定入炉燃料量，设置了流量控制回路FIC-07，为了稳定入炉黑液液滴形状和大小，设置了PI-811压力检测点。3.5.2 送风、引风子系统一、二次风风机及三次风机都由变频器控制，这样可以很细微地调节送风量，并有显著的节能效果。风机频率由HI-802、HI-803遥控。PI-80
28、6、PI-807分别指示它们的出口风压。一、二次风经“一、二次风预热器加温后由TI-05指示出口温度，送往“炉内空气加热器作进一步升温，加热器出口温度由TI-802-3指示。一、二次风经角行程风门调节阀HIC-802及一、二次风风量检测加以分流，分别送入炉内。三次风直接入炉。引风机也由变频器控制，其频率由炉膛负压指示控制加以控制。此外，在引风机入口还设置了风压指示PI-809及温度指示TI-802-5。 锅炉供水子系统冷凝水箱收集了各种清洁冷凝水，其液位由LI-802指示。其内的冷凝水被泵至“除氧器，进入“除氧器的蒸汽压力由PI-804加以控制，“除氧器的液位由LI-804加以控制。接着由锅炉
29、给水泵将除氧后的冷凝水经过“省煤器加温后送往上汽包。在给水管道上，设置有压力指示报警：PIA-801、温度指示：TI-801-3、给水流量记录累计：FRQ-801及给水调节阀。在锅炉运行中，汽包水位是最主要的控制参数之一，水位过高会影响蒸汽质量。过低那么易引起烧干而发生事故，对小型锅炉可以用简单汽包液位调节系统加以调节。由于调节系统中只有一个液位测量信号，所以叫做单冲量调节系统。对于大中型锅炉，当蒸汽负荷被动较大时，汽包内液位的变化会出现“虚假水位现象。当蒸汽负荷突然增大时，汽包内气压瞬时降低，汽化加速，液位应该降低。但是由于汽压降低，汽化加速，液体内的汽包体积变大，液面那么升高。这虽然是假，
30、但简单液位调节系统在这种情况下会发生错误信号去关小给水阀门，结果将是危险的。为了去除“虚假液位对调节系统的影响，在单冲量调节系统中引入一个辅助冲量蒸汽流量信号，构成双冲量调节系统。这时，即使“虚假水位可能使调节系统发出错误动作关小给水阀门，但是蒸汽流量信号那么使给水阀开大，两个冲量互相克制，从而大大减少了水位的波动幅度，缩短了过渡过程。在燃烧过程中，入炉黑液量、送风系统两者互有关联，在这里，首先要确定的是燃料/空气的比率，适当的比率可获得最好的锅炉的效率，在本系统中，入炉黑液及空气都有计量，因此在调试过程中，经过一段时间，就可获得适宜的比例关系。如果另外安装了含氧量检测仪，那么这个试验过程可以
31、大大缩短。引风量根据炉膛负压进行调节，在上述两个参数变更时，引风量也必须做出反响。在本系统中，送风、引风都采用了变频器，可以作精细的调节。3.5.4 燃烧工段测控点统计：该工段包括AI为64个，AO为76个，见测控点一览表3-1。表3-1 燃烧工段测控点表4 DCS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，distributed control system是网络技术和控制技术结合的产物。它是根据分布设计的根本思想，实现功能上别离，位置上分散，到达以分散控制为主，集中管理为辅。4.1 DCS的组成 集散控制系统DCSDistributed Control System是基于“4
32、C 技术Computer Control Communication CRT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。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，但从根本结构来看特性相同，可分解为三大根本局部。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
33、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，有些集散控制系统那么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
34、等计算机网络结构，不同的装置有不同的要求。4.2 DCS系统的开展过程9DCS系统大体可分为三个开展阶段：第一阶段：1975-1980年。在这个阶段采用微处理器为根底的过程控制单元Process Control Unit，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别离。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
35、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开展的情况下，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-9
36、0，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Computer Integrated Manufacturing System和小型及微型化开展。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
37、仪表组成，是系统控制功能的主要实施局部。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。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。4.3 工业以太网工业自动化控制系统的网络结构开展越来越分散化，同时系统越来越复杂，内部的连接越来越高速化紧密化。更多的是系统细分成了独立的控制孤岛。对驱动器和用户接日的要求越来越多。但是传统的可编程控制器PLC不适应拓补结构的分散化需求。分布式实时控制的前提及其确定性的概念是一种网络技术，
38、其性能至少要高于现行的现场总线。这也是为什么传统的PLC技术不能满足这一要求，现场总线技术也不能提供相关的性能。工业以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互联。在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择。虽然以太网采用的是带碰撞检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)，一般认为这种协议不能满足控制系统的实时性要求。但10Mb/s的以太网已开始广泛应用，千兆以太网产品也已出现。而且以太网交换技术的出现，通过全双工交换技术，可以完全防止CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，实现网络带宽的最大利用率和最好的实时性能。目前，以太网只适合于工业控制网络系统的信息层应
39、用，而将以太网用于现场I/O级，这是目前工控领域研究的热点之一。工业以太网技术的开展使其在工业控制领域应用成为可能。其硬件产品的研究开发将极大的促进其在工业控制中的应用10。4.4 MPI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187.5 kbps，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，M
40、PI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PG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
41、加1构成。4.5 PROFIBUS-DPPROFIBUS-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EN
42、50170。这就说明了它的成熟性和标准能力。5控制系统的硬件设计5.1测控系统的网络结构设计该测控系统主要通过上位机PC机和下位机(SIEMENS控制站)实现对工业现场的实时监控与控制。整个网络系统包含三层通信网络。最上层的工业以太网(ET HERNET) 、中间的MPI(MultP oint Interface)网络和下层的PROFIBUS-DP (Process Fieldbus-D)网络。工业以太网实现上位机之间的通信；MPI网实现上位机、SIMATICS7-300间的通信；PROFIBUS-DP网络实现SIMATIC S7 314及控制柜内各输入输出I/0单元的的通信。其DCS结构示意
43、图如图5-1所示。图5-1碱回收燃烧工段DCS结构示意图5.2 PLC简介可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称为PLC，它以微处理器为根底的、高度集成化的新型工业控制装置，是计算机技术和工业控制技术相结合的产品。1976年美国电气制造商协会NEMA经过4年的调查工作，与1980年正式命名可编程控制器为PCProgrammable Controller，并给了如下定义13：PC是一个数字的电子装置，他使用了可编程程序的记忆体来储存指令，用以执行诸如逻辑、顺序、定时、记数和演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模件，来控制各种机械或工作程序。1987年2
44、 月国际电工委员会公布了可编程控制器标准草案第三稿。该草案对PLC的定义为：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器。他采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入/输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体。易于扩充其功能的原那么设计。PLC之所以高速开展，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点，它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、平安、灵活、方便、经济等问题。其主要特点如下:1可靠性高、抗干扰能力强；2编程简
45、单、使用方便；3设计、安装容易、维护工作量小；4功能完善、通用性强；5体积小、能耗低；6性能价格比高。目前，PLC在国内外己广泛应用于钢铁、石油、化工、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等各行各业。随着PLC性能价格比地不断提高，其应用范围不断扩大，大致可归纳为如下几类:1开关量逻辑控制；2位置控制；3过程控制；4数据处理；5通信联网；6在计算机集成制造系统(CIMS)中的应用。5.2.1 PLC的根本结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用作控制的特殊计算机，因此它的组成局部与一般的微机装置类似。如图5-2所示:它主要由中央处理单元
46、(CPU),输入电路、输出电路、通信接口等部件组成。其中CPU是PLC的核心。输入输出电路是连接现场设备与CPU之间的接口电路。通信接口用于与编程器和上位机连接。PLC有整体式和模块式两种结构，整体式PLC的所有部件都装在同一个机壳内；模块式PLC的各功能部件独立封装，其各部件称为模块或模板，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。模块式PLC具有功能强、扩展灵活、结构紧凑、无槽位限制等优点。故本控制系统中所用的硬件为Siemens公司生产的Simatic S7系列可编程序控制器(PLC)的模块式结构(逻辑图如图5-2所示)，并采用ET200M将现场I/O站通过PROFIBUS-DP接到中控室
47、13。图5-2 PLC的逻辑图5.2.2 PLC的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的:1继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点(包括其常开或常闭触点)在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作；2PLC的CPU那么采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了16。如图5-3所示，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫