基于PLC的煤气柜自动控制设计.doc
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辽宁石油化工大学继续教育学院论文
基于PLC的煤气柜自动控制设计
摘要
PLC控制是目前工业上最常用的自动化控制方法，由于其控制方便，能够承受恶劣的环境，因此，在工业上优于单片机的控制。
PLC将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体,专门为工业控制而设计,具有功能强、通用灵活、可靠性高、环境适应性强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点,因此在工业上的应用越来越广泛。
本文主要讲述PLC的煤气柜自动化控制系统中的应用，本文的煤气柜是指在鞍钢燃气厂150000M3焦炉煤气柜。
实现对高炉煤气柜、焦炉煤气柜、焦炉煤气加压机、油泵等设备的启停和安全保护。
该控制系统满足了工艺需求,实现了整个工艺流程的自动检测、控制及管理监视,提高了煤气存储及输送的操作效率。
为了提高系统的可靠性，采用冗余系统来实现数据的采集和对现场机械设备的连锁自动控制。
此外，监控软件RSView32作为一种标准的人机界面被用于监控工业生产的动态过程。
以PLC为主控制器,结合传感技术、位置控制等技术现场监控工业生产动力过程。
关键词：
PLC；冗余系统；自动控制系统
Abstract
PLCcontrolisthemostcommonlyusedindustrialautomationcontrolmethod,becauseofitsconvenientcontroltowithstandanadverseenvironment,itisbetterthanMCUcontrolintheindustrial.PLCtraditionalrelaycontroltechnology,computerandcommunicationtechnologiesareintegratedspecificallyforindustrialcontrolanddesign,havestrongfunction,commonflexible,highreliabilityandenvironmentaladaptability,andprogrammingsimple,easytouseandsmallsize,lightweight,aseriesoflow-poweradvantagesinindustrialapplicationsbecomemoreextensive.
ApplicationofautomaticcontrolsystemofthegastankinPLC,Thisisagastankandgasplant150000M3cokeovengascabinet。
Implementationoftheblastfurnacegascabinet、Cokeovengascabinet、Cokeovengascompressor、Theoilpumpandotherequipmentstartandstopandsafetyprotection。
Thecontrolsystemcanmeettheprocessrequirements，Implementationoftheentireprocessoftheautomaticdetection,monitoringcontrolandmanagement，Improvetheoperationefficiencyofgasstorageandtransportation。
Inordertoimprovethereliabilityofthesystem，Usingtheredundantsystemtorealizedatacollectionandonsiteequipmentchainofautomaticcontrol。
]Inaddition,monitoringsoftwareRSView32asastandardinterfacefordynamicprocessmonitoringofindustrialproduction.WithPLCasthemaincontroller,thesensortechnology、positioncontrolandmonitoringofindustrialproductionprocess
Keywords：
ProgrammableLogicControllers；redundantsyste；mautomaticcontrolsystem
I
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪言 1
第2章系统的硬件配置 2
第3章自动化控制系统 4
3.1煤气柜柜位控制 4
3.1.1煤气柜自控系统组成 4
3.1.2单回路调节系统 4
3.2设计方案 5
3.2.1控制系统的设计 5
3.2.2进气调节阀pid控制 5
3.2.3系统网络 5
3.3煤气柜自动控制系统 6
3.4系统实现 7
3.5系统特点 7
3.6油泵站管理 7
3.7煤气加压机出口总管流量检测 8
3.8进出口阀和放散阀的手/自动控制 8
3.9上位监控系统的构成 9
3.9.1上位监控系统 9
3.9.2上位监控系统主要功能 10
3.9.3动画显示功能 10
3.9.4综合报警功能 10
3.9.5历史趋势记录功能 10
3.10柜高自动调节 10
3.11数据组织与报警 11
3.12系统通讯的建立 11
第4章自动化控制系统调试与运行 12
4.1系统特点 12
4.2自动化控制系统运行成果 12
4.3日常维护 13
第5章PLC软件的编制 14
5.1系统联锁控制 14
5.1.1故障安全原则 14
5.1.2传感器设计原则 14
5.1.3逻辑运算器独立设置原则 14
5.1.4辅助开关设置原则 15
5.1.5与其他控制装置接线原则 15
5.1.6输出信号隔离原则 15
5.2系统状态的监测 15
5.3系统工作状态选择 15
5.4系统故障分析及综合和系统通讯 16
5.6图解法编程 16
第6章结论 18
参考文献 19
致谢 20
I
第1章绪言
现代焦炉由于炉容不断的增大，冶炼强度不断的提高，因而产生出大量的副产品—焦炉煤气。
如果直接把焦炉煤气放散到空气中，不仅会造成大气的污染，还会造成能源的浪费。
鉴于此，鞍钢燃气厂新建了容积为150000M3焦炉煤气柜，用以存储焦炉煤气。
焦炉煤气柜PLC自动化控制系统的设备性能和自动控制的好坏，将直接影响到焦炉煤气的收集和利用。
煤气在使用过程中容易产生管网压力波动,存在不安全因素,而煤气柜是调剂煤气供应、减缓管道波动的有效方法。
本工程采用以产品可靠性高著称的罗克韦尔自动化公司的新一代控制平台ControlLogix系列的PLC冗余系统。
在ControlLogix系统中，所有的维护和通讯都是由系统自动完成的，实现煤气柜自动控制及监控相结合,提高气柜安全运行,实现煤气柜无人职守，更加方便、可靠，而且用户可编写状态读取程序，随时监控冗余系统的状态。
通过自动化控制系统能准确地监控煤气柜系统各设备的运行状况，及时调整各项工艺参数，保证生产的稳定、协调和优化。
该控制系统满足了工艺需求，实现了整个工艺流程的自动检测、控制及管理监视，提高了煤气存储及输送的操作效率。
第2章系统的硬件配置
鞍钢150000M3焦炉煤气柜自控系统PLC选用ControlLogixL5550冗余系统。
包括两个414-4hcpu，2块冗余电源模板，2块冗余cp443网卡。
正常运行时一台cpu（主）参与控制，另一台cpu（备）通过同步模块与之同步，当检测到主cpu、机架、电源、通讯等故障发生时，备cpu立即投入控制而不影响生产控制的连续性。
考虑到距离远、节点多、抗干扰等因素，采用ControlNet网络类型，抗干扰性好，网络通道冗余，保证可靠通讯和人机界面的数据显示，又有利于快速的现场数据采集。
该系统的硬件配置如图2-1所示。
图2-1系统的硬件配置
CPU选用1756-L62模块，通讯模块选用1756-CNBR，DI选用1756-IB16I，DO选用1756-OB16I，AI选用1756-IF16I。
以太网模块选用1756-ENBT。
冗余机架上除了CPU模块，还有通讯模块1756-CNBR，热备模块1756-SRM（保持主、从机架之间的通讯）和两个热备模块间的连接电缆1756-SRC3。
服务器、操作站系统平台为Windows2000（服务器/客户版），操作站上位监控软件为RSView32，PLC编程组态软件为RSLogix5000。
另外还有一套数据库管理系统，利用网络组态软件RSLinx所提供的OPC接口进行采集数据。
系统采用RSlogix5000编程软件，运用梯形逻辑LD控制及功能块FBD相结合的编程方式来实现高炉煤气柜、焦炉煤气加压机、油泵等设备的启停和安全保护，利用功能块FBD强大的模拟量处理功能来完成模拟量的采集及处理。
上位监控软件采用服务器与客户机二合一RSview的监控软件，运行在Windows2000平台上。
该监控软件建立在多层次体系结构上结合了3种不同功能，即数据存储功能、数据处理功能和用户接口功能。
可赋予工作人员不同的操作级别，如赋予操作人员操作权限，但仅能对画面进行浏览操作；赋予维护工程师维护权限；赋予系统工程师编程组态权限，可以组态、修改、退出系统。
第3章自动化控制系统
煤气在使用过程中容易产生管网压力波动，存在不安全因素，而煤气柜是调剂煤气供应、减缓管道波动的有效方法。
鞍钢结合自身条件投资建设一座150000M3焦炉煤气柜，通过自动化控制系统能准确地监控煤气柜系统各设备的运行状况，及时调整各项工艺参数，保证生产的稳定、协调和优化。
3.1煤气柜柜位控制
3.1.1煤气柜自控系统组成
煤气柜系统主要分为稀油密封煤气柜的活塞系统，密封油循环系统加压机站系统。
该系统所控设备较多，控制精度要求高，且直接影响到其他工序的稳定生产。
依据系统功能要求，在充分考虑系统的先进性、可靠性、易操作维护的基础上，选用Rockwell公司1756系列PLC作不基础自动化设备，高炉煤气系统和焦炉煤气系统各由1套PLC控制，数据交换采用工业以太网TCP/IP技术，提高了系统信息传输的快速性，有效地避免了信息传输的延滞销及误码。
每套系统各设2套HMI上位机，可实现资源信息共享，互为备用。
与其他系统有关的连锁信号，通过通讯网络相互联系。
包括对煤气柜本体、油泵站组、换热机组、煤气进出口管、电动蝶阀以及紧急放散阀的控制。
焦炉煤气柜共有3台加压机，采用2开1备方式，当焦炉煤气柜柜位低于低限L时，系统发出报警，并停掉1台加压机，待柜位高于低限L+l时，手动开启第2台加压机；当焦炉煤气柜柜位低于低低限LL时，两台加压机停止运行；进口总管压力低于500Pa时，加压机自动停止。
当焦炉煤气柜柜位高于高限H时，系统发出报警，并关闭煤气柜进口阀。
3.1.2单回路调节系统
加压机后压力（变频）调节加压机后压力是用户气源的主要质量指标之一，本回路为一定值单回路调节系统。
其设定值为10kPa，当加压机后出口压力升高/降低时，增大/减小变频器的输出频率，从而改变加压机的转速，以“变”求“稳”。
在计算机和变频器上都设置了最低运行频率，从而保证出口压不至于太低，这两个频率运行下限是保证加压机设备安全、用户正常生产的两道防线。
当加压机的转速靠变频器的调节达到最大或最小而压力值仍达不到设计要求时，这时要利用加压机入口的电动调节装置来调节。
也就是说该控制方式正常情况下，阀位一直保持一定的开度，当变频器故障或变频器为极限值时，转换为自动方式，实现其自动调节。
3.2设计方案
3.2.1控制系统的设计
本系统采用step7v5.3和micro-winstep7软件在windows2000平台下开发，编程灵活方便。
软件采用模块化编程结构，整个控制系统包括煤气柜控制和减压站控制两大部分。
煤气柜控制部分分别完成油泵、煤气管道电动蝶阀与煤气放散阀、煤气调节阀等设备的控制与联锁保护、工艺参数检测与报警功能。
受控设备设计为现场手动和集中控制两种控制方式。
集中控制包括设备单动和设备联动自动两种控制方式，在集中控制方式下操作人员在hmi画面上进行单动操作和联动自动方式选择。
减压站控制通过调节三台压力调节阀，实现压力降压稳压功能，主要有手动、自动、远控三种操作模式。
3.2.2进气调节阀pid控制
在煤气管道上设有一煤气调节阀，通过调节进气量实现对活塞速度的调节。
本例的pid控制逻辑采用step7软件集成的系统块fb41实现。
实践中以活塞速度为控制值以阀门开度为控制对象加以适当地调整p、i参数即可。
3.2.3系统网络
整个系统网络分为现场级、控制级、监控级三级，系统网络结构如图1。
现场级使用profibusdp冗余现场总线进行通讯，主要实现s7-400h主站和远程智能从站之间的数据传输，采用西门子双绞线传输速率高达12mbps。
控制级实现s7-400plc和s7-200plc之间数据交换，使用profibusdp总线进行通信，s7-400plc冗余profibusdp总线与s7-200plc单总线使用y-link转换模块进行总线自动转换，总线使用光纤介质传输，通讯速率快。
监控级采用西门子sclancs交换机构成冗余的工业以太网环网，实现工程师站（es）、操作员站（os）与现场控制站（as）的连接通讯，通讯速率可达100mbps，2台操作站与as站共形成4条冗余iso协议连接，提高了系统网络可靠性。
图3-1系统网络结构
3.3煤气柜自动控制系统
煤气柜系统主要分为稀油密封煤气柜的活塞系统，密封油循环系统及加压机站系统。
该系统所控设备较多，控制精度要求高，且直接影响到其他工序的稳定生产。
依据系统功能要求，在充分考虑系统的先进性、可靠性、易操作维护的基础上，选用Rockwell公司1756系列PLC作为基础自动化设备，高炉煤气系统和焦炉煤气系统各由1套PLC控制，数据交换采用工业以太网TCP/IP技术，提高了系统信息传输的快速性，有效地避免了信息传输的延滞及误码。
每套系统各设2套HMI上位机，可实现资源信息共享，互为备用。
与其他系统有关的连锁信号，通过通讯网络相互联系。
煤气柜控制系统支持多种体系结构，特点如下：
1）采取统一灵活的背板总线技术，通讯速率达到80Mbps。
2）支持模板热更换，可带电更换任何模块而不损坏，电子模块ID保证用户配置与实际模块一致。
3）强大的处理器功能，Flash存储器，易于升级，LED显示电源、系统就绪、运行及通讯状态。
4）提供TCP/IPEthernet模块，应用层使用事实标准的ControlNet协议。
5）快速、灵活、使用方便。
3.4系统实现
系统软件配置系统采用RSlogix5000编程软件，运用梯形逻辑LD控制及功能块FBD相结合的编程方式来实现高炉煤气柜、焦炉煤气柜、焦炉煤气加压机、油泵等设备的启停和安全保护，利用功能块FBD强大的模拟量处理功能来完成模拟量的采集及处理。
上位监控软件采用服务器与客户机二合一的RSview监控软件，运行在Windows2000平台上。
该监控软件建立在多层次体系结构上，综合了3种不同的功能，即数据存储功能、数据处理功能和用户接口功能。
可赋予工作人员不同的操作级别，如赋予操作人员操作权限，但仅能对画面进行浏览操作；赋予维护工程师维护权限；赋予系统工程师编程组态权限，可以组态、修改、退出系统。
3.5系统特点
1）系统采用100M冗余环形以太网通讯，网络中任一工作站出现故障，其他工作站都可保持正常通讯和管理层网络连接；把Rsview作为一个客户端或服务器，使不同的Rsview站相互之间进行点对点通信，管理人员在办公室内就可了解工厂生产情况，提高了管理的实时性与准确性；赋予操作人员不同的操作级别，提高了系统信息传输的快速性及安全性，有效地避免了信息传输的延滞及误码。
2）采取统一灵活的背板总线技术，通讯速率达到80Mbps.
3）系统占用计算机内存少，可高质量、高效率地完成监控操作并防止死机。
4）支持模板热更换，可带电更换任何模块而不损坏，电子模块ID保证用户配置与实际模块相一致。
5）采用参数自调整PID控制技术。
由于煤气管网压力存在波动大、扰动因素多，传统的串级PID调节难以取得满意的调节效果。
根据以往的工程经验以及利用强大的处理器功能，Flash存储器，易于升级，LED显示电源、系统就绪、运行及通讯状态。
6）提供TCP/IPEthernet模块，应用层使用事实标准的ControlNet协议。
7）快速、灵活、使用方便。
3.6油泵站管理
对任意一个油泵站内二台油泵启动次数和运行时间（时、分、秒）分别进行单独累计，并且相加后得到本油站启动总次数和总运行时间，在主画面上进行显示供油泵站进行运行管理，另外还设有清零按钮，按下之后则次数与时间回零重新开始统计。
每一个煤气柜共有4个油泵房，每个油泵房内设2台油泵，1用1备，设有就地机旁操作箱手动操作和HMI上的集中手动操作及自动操作3种操作方式。
当浮子室内的油位达到875mm时，第1台泵启动；达到950mm时，备用泵启动，2台泵同时工作；达到750mm时，备用泵停；当浮子室内的油位达到675mm时，第1台泵停；画面累计各油泵启动次数并记录，如需清零可按清零按钮。
煤气加压机出口总管流量检测煤气加压机出口总管流量检测，煤气加压机出口总管管道上的孔板和现场差压变送器的流量信号（4～20mA，24VDC），在进入PLC后，首先进行温度补偿，其温度补偿运算公式为：
Qn=Qa×Kt。
式中：
Kt为温度补偿系数，Kt=（Td/Ta）/2；Qn为补偿后的实际流量；Qa为检测的过程流量；Td为孔板设计温度；Ta为实际测量温度。
温度补偿后作为系统的重要参数指导生产。
3.7煤气加压机出口总管流量检测
煤气加压机出口总管流量检测，煤气加压机出口总管管道上的孔板和现场差压变送器的流量信号（4～20mA,24VDC）,在进入PLC后，首先进行温度补偿，其温度补偿运算公式为：
Qn=Qa*Kt.式中：
Kt为温度补偿系数，Kt=（Td/Ta）/2;Qn为补偿后的实际流量产；Qa为检测的过程流量产；Td为孔板设计温度；Ta为实际测量温度。
温度补偿后作为系统的重要参数指导生产。
3.8进出口阀和放散阀的手/自动控制
进出口阀和放散的控制分为现场手动和PLC自动两种。
这两种控制方式是在现场操作箱上进行选择。
现场手动可通过现场操作箱上的操作按钮对设备进行操作。
PLC自动可通过操作画面对设备进行操作。
在画面上操作进出口阀/放散阀时，必须首先确认下述的基本运行条件：
现场操作箱上选择PLC自动方式+阀主开关合闸+阀无故障。
三个条件同时达到时，称作满足基本运行条件。
进出口阀安装在煤气柜进出口管道上，放散阀安装在煤气柜放散管道上。
均可通过弹出窗口进行手/自动切换，操作可分两种方式：
（1）在手动状态下，按下手动开阀按钮后，则发出开启进出口阀/放散阀信号，按关阀按钮时则关闭信号，手动启动无任何外部连锁关系。
（2）在自动状态下，满足基本运行条件，当活塞升到上上限（69.3m）95%容积，或活塞降到下下限（7.3m）10%容积时，则发出关闭进出口阀信号，要想开启阀时，只能靠手动状态来打开；当活塞达到69.3m即95%容积，则发出开启放散阀信号；若活塞恢复到65.6532m即90%容积时，则发出关闭放散阀信号。
3.9上位监控系统的构成
3.9.1上位监控系统
本系统共分7个画面，包括“煤气柜监控主画面”、“换热机组监控画面”、“监控主画面”、“设备监控画面”、“历史趋势画面”、“报警画面”、“趋势打印画面”。
各个画面可以自由切换。
煤气柜监控主画面如图3-2所示：
图3-2监控主画面
3.9.2上位监控系统主要功能
RSview监控软件是在生产过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统，提供适用于工业标准的图形显示、消息、归档及报表的功能模块；提供用于用户解决方案的开放界面；支持直接引入Windows源文件；图形组件的最终外观由设计者动态控制，图型的动态控制参数如位置、几何形状、颜色和样式，可通过程序直接控制。
操作站上可实现功能：
流程图窗口画面显示功能，控制窗口画面，趋势窗口画面，报警窗口画面，报表窗口画面，系统安全权限设置商务部分。
3.9.3动画显示功能
在各个画面中，系统各部分运行的实际状况均具有动画显示功能。
例如：
当阀为关状态时阀身显示为红色，当阀为开状态时阀身显示为绿色;选定工作泵与备用泵后，会在泵下出现相应的字样，当泵工作时小灯变为绿色，停止时是红色；极限点到来时，就会在相应的位置亮灯；当柜位达到上上限或下下限时，柜内填充会变成红色，当达到上限或下限时，柜内填充会变成黄色，正常情况为绿色。
3.9.4综合报警功能
对于煤气柜系统的重要报警，在每幅画面上均有显示：
改变颜色、音响报警、报警状态记录。
另外还有一幅报警总汇画面，可以从画面上查看报警和事件信息。
3.9.5历史趋势记录功能
系统对油槽油温、流量参数、压力参数、温度参数、进出口压力、柜内压力可进行长达一天、一周或一个月的历史曲线记录。
3.10柜高自动调节
系统采用模糊控制算法通过控制减压站的压力稳定值进行控制。
模糊控制根据实际专家经验进行推导算出不同工况下的压力设定值，减压站根据模糊算法结果进行变参数pid调节。
煤气柜柜体压力设计为11kpa，气柜高75米，气柜柜高正常控制在50米，此时远程站调压设定压力为11kpa。
当煤气用户的煤气用量增大时，气柜柜高就会下降，当气柜高度下降到45米时CONTROLENGINEERINGChina版权所有，主站就会将设定压力改为11.6kpa，此时气柜高度就会随着管网压力的上升而上升。
当气柜高度上升到50米时，主站就会将设定压力改为11kpa。
当气柜高度继续上升到55米时，主站就会将设定压力改为10.5kpa，此时气柜高度就会随着管网压力的下降而下降。
这样，柜高自动调节采用模糊控制既保证了煤气管网压力，使用户得到了基本稳定的煤气压力；又保证了煤气柜的柜高控制工程网版权所有，使煤气气源不充足的时候，短时间缓解管网煤气量。
这种控制有效的保证了生产的安全性。
3.11数据组织与报警
系统实现了包括co浓度、压力、温度、柜容、柜高、管网压力等模拟量的数据转化与显示；油泵运行、阀位状态、油箱液位开关状态等数字量的采集与显示；与其他控制系统的通讯数据组织；重要参数声光报警；重要数据的历史（实时）趋势。
3.12系统通讯的建立
根据PLC、RSview及工业以太网的技术资料，利用实验室设备通过工业以太网将上位机与PLC连起来，PLC通过远程I/O与远程设备相连，构成二级通讯网络。
在工程前期充分模拟现场的通讯条件进行数据信息交换的测试，并在上位机之间通过以大网与相关系统相连，完成系统间的通讯调试。
第4章自动化控制系统调试与运行
4.1系统特点
1）系统采用100M冗余环形以太网通讯，网络中任一工作站出现故障，其
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