控制系统改造技术方案.docx
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控制系统改造技术方案
空分膨胀机控制系统改造
技
术
方
案
有限公司
二零一零年二月
一、系统概述、结构及规模
1.1系统概述
本系统为1#6000空分膨胀机组改造工程仪控系统部分。
仪控系统在就地设一仪表柜，将机组出入口温度、压力以及膨胀机转速等仪表集中安装在就地仪表柜上，就地仪表柜安装在膨胀机组附近，采用引压管和仪表电缆将压力、温度和转速信号引至仪表柜上，实现对膨胀机系统的就地监视与控制。
仪控系统采用一套西门子S7-300PLC可编程控制器和一套操作员站组成远程控制系统，安装在客户的中央控制室内，实现对膨胀机系统的远程监视与控制。
1.2系统结构
系统结构示意图见附图
1.3系统规模
整个控制系统的输入/输出净点数见下表：
I/O类型
AI
AO
RTD
DI
DO
数量
4
1
6
6
4
合计
21
二、控制系统
本系统采用Siemens公司S7-300PLC、SETP7V5.4编程开发软件、WINCC6.0管理监控软件来实现。
控制系统确保能有效地监控膨胀机机组的运行过程，确保运行可靠，操作维护方便，选用可编程逻辑器（PLC站）和远程控制站相结合的原则。
控制系统充分应用信号处理技术、网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了控制系统的功能和性能，集成为一个全数字化、结构灵活、功能完善的控制系统。
实现装置的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能。
系统融合标准化的软、硬件接口，能方便地接入最先进的现场总线设备和第三方集散控制系统、逻辑控制器等。
远程控制站在WINDOWS2000平台下工作，管理监控软件选用SIEMENS公司WINCC6.0软件，它是一个先进的工业自动化软件包，集成最新SIEMENS公司技术，运行于开放的操作平台（WindowsXPSP2），不仅具有对自动化、过程进行有效监视控制的所有特点和功能，而且有强大的设计开放性、互通性、易维护性，还可以通过OPC和DDE方式与第三方应用程序交换数据。
2.1远程控制站配置
远程控制站按一站配置，配21”标准液晶监视器一台，主机一台DELL755MT（PC电脑CPU类型：
Intel酷睿2双核E73002.66GHz；标称频率：
2.66GHz；内存类型：
DDR2内存内存容量：
2GB硬盘容量：
250GB；光驱类型：
DVD-ROM操作系统WindowsXP中文专业版SP2）。
系统配报警音响一对；A4HPLaserJetP1007激光打印机一台。
2.2编程组态软件功能
PLC编程软件采用SIEMENS公司的STEP7V5.4软件。
该软件符合IEC61131-3标准的编程。
建立过程I/O点、过程点的量程及报警限定、动态流程图、组显示、控制回路、趋势笔组态；建立实时和历史数据库；报表生成软件；建立报表、程序编辑和编译；创建控制回路、顺序及逻辑控制以及高级控制策略。
该软件具有如下功能：
☆五种标准的标称语言
——功能块（FBD）
——指令表（Ll）
——梯形图（LD）
——结构文化文本（ST）
——顺序功能图（SFC）
☆连续功能图（CFC）
☆用语程序测试的调试的功能：
——单步执行
——单循环
——断点
☆离线仿真
IEC61131-3标准下的指令可在没有连接PLC硬件的情况下进行仿真，对用户程序进行调试，包括相关的各种功能。
程序调试后再下载到PLC控制系统中使用。
☆变量跟踪
跟踪变量变化时序图，带事件触发的环形缓冲区的数据存储，可在线实时地监视所有过程变量随时间变化的情况。
☆配方管理和监视列表
可显示所选变量的值，预置分配立刻给要下载到控制系统的所有变量，系统中运行的值可以通过读到监视列表和配方管理器中并保存在系统内存里，可在调试时调用。
☆可视化功能
结合WINCC6.0监控软件可以把PLC里的各种变量通过颜色的变化、元件的移动、位图、文本显示，允许设定值输入和显示过程变量，有动态棒图、报警和事件管理和ActiveX插件多种功能。
2.3画面显示功能
工控组态软件WinCC（视窗控制中心），为西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司软件功能结合的产物，是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理系统。
利用WinCC可根据膨胀机工艺要求与控制内容，完成工艺流程图、报警指示图等功能模块的设计，并将所有的压力、温度、流量、转速等信号在计算机上以动态图形显示。
系统的各种控制参数、工艺参数及生成的数据库均可自动存储，实时查询，同时定时报表打印。
WinCC提供多种PLC的驱动软件, 因此使PLC与上位机的联接变得非常方便, 如果将WinCC与STEP7合用, 更是大幅度降低工程设计及投运时间。
远程控制站应支持以下几类画面：
1）菜单画面
2）流程图画面
3）回路参数画面
4）趋势曲线画面
秒级趋势和分钟趋势分别不少于128笔和1024笔，记录长度分别不少于30天和300天，且可长期保存。
5）报警汇总画面
包括全部的报警点，并按时间顺序列出最近的五百条报警信息，包括仪表编号，报警内容，开始和恢复正常的日期和时间。
未经确认的报警点则处于闪烁状态。
6）操作信息画面
7）系统状态和诊断画面
2.4报警功能
报警分为系统故障报警（包括诊断报警和后备硬件故障报警）和工艺过程报警（绝对值报警、偏差报警）两类。
无论当时屏幕上是任何画面，系统对任一报警都应该声响和突出显示（闪烁、颜色改变等）方式通知操作员，并且只要一次击键即可跳出有关画面。
报警可以有操作员分别抑制，或者按相关报警组分组抑制。
2.5报表功能
报表生成软件应可建立和修改报表，并可以对报表的各个字段进行组态。
系统应能生成以下报表：
1）即时报表
2）定期报表
3）报警汇总报表
2.6操作安全
系统设计有操作员记名和口令询问措施，并将其操作开始和结束时间、操作动作记录下来存档。
系统通过软件或口令来设置和区分操作级别。
2.7PLC站
PLC站为SIEMENS公司的可编程控制器（PLC）S7-300，采用模块化设计, 在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、通信处理器CP等模块。
具有多处理器结构、事实性强，能完成过程的数据采集、连续控制、逻辑控制、顺序控制和流量积算以及各种复杂调节，各种阀门的开关、各种机泵的启停等顺序控制，各种设备运行状态的监视及联锁保护等。
可以接受来自现场的AI、AO、DI、DO、RTD等形式的信号。
系统能处理以下输入/输出信号：
1）4-20mADC模拟量输入（既能向二线制变送器供电，并能接收外来的4-20mADC）。
2）PT100热电阻输入
3）数字量输入为确保系统安全，所有数字量输入均需加中间继电器进行隔离。
4）数字量输出所有数字量输出均需配中间继电器，使输出可以直接驱动现场设备。
5）4-20mADC模拟量输出
远程控制站对所有输入输出的标准扫描周期不等于1s，快速扫描周期不大于500ms.
2.8通讯
SIEMENS S7的网络有以下几种典型类型:
多点接口网络（MPI）、PROFIBUS现场总线、工业以太网、TCP/IP协议网络[4,5]。
在该技术方案中，我们主要利用MPI和PROFIBUS现场总线实现数据通信。
S7-300 CPU模块上有一标准化MPI接口, 该接口既是编程接口又是数据通信接口, 使用S7协议, 通过此接口PLC之间、或与上位计算机之间可进行数据传输, 从而构成MPI网络。
PROFIBUS现场总线通信处理器CP模块上有一个RS485接口, 利用此接口即可构成PROFIBUS现场总线, 实现PLC之间、PLC与上位计算机之间的数据通信。
计算机作为编程装置,配备专用的通信卡（如CP5412）,运行S7-300编程软件包STEP7, 先对计算机进行相应参数设置, 主要有：
通信端口的设置, MPI地址设定, 数据传输速率设置等; 然后通过MPI端口对S7-300进行硬件组态, 即对S7-300的机架、电源、CPU、信号模件、通信处理器CP等按其实际配置类型和物理地址进行组态, 其中在CPU的组态中设置MPI地址, 最后将组态程序下载到PLC以确认。
依次完成各PLC的组态后, 便构建了MPI网络。
在此基础上, 将各PLC的通信端口由MPI口切换到通信处理器CP的RS485口。
设定各节点的通信地址, 选择相应的PROFIBUS通信协议, 即便可构建PROFIBUS现场总线。
三、就地仪表柜
就地仪表柜实现对膨胀机系统的就地监视与控制。
就地仪表柜安装在膨胀机组附近，柜体为非标柜，采用1.5mm冷轧钢板制作。
就地仪表柜上的压力参数采用压力表进行监视，需远传的压力信号（润滑油压力和密封气进机组压力）采用电接点压力表将开关量传至控制室PLC系统，实现报警与联锁；也可以根据用户要求采用压力变送器将模拟量传送至PLC系统进行监视、控制与报警。
就地柜上的温度显示采用双支铂热电阻，一组进PLC，一组引到仪表柜采用数显表进行显示。
膨胀机转速在就地仪表柜上设一转速表，先将转速信号引至转速表上，在通过转速表将4-20mA模拟量送至PLC系统参与控制、联锁和报警。
就地仪表柜上的参数有：
膨胀机入口压力、膨胀机出口压力、压缩端入口压力、压缩端出口压力、润滑油进轴承压力、密封气进机组压力、膨胀端轴承温度、增压端轴承温度和膨胀机转速。
四、主要控制要求
4.1紧急切断阀控制
在膨胀机进口处设置了一个紧急切断阀，当机组处于危险状态时，根据各危险点发出的联锁信号,此阀能在很短时间（约2秒）内关闭，从而切断气源，使其快速停车，起到安全保护作用。
4.2增压机回流阀控制
（1）压力调节：
根据流程的要求，一般希望增压机出口压力保持恒定，阀的开大或关小，可使压力降低或升高，该阀在控制系统PID自动控制下达到压力恒定的目的。
（2）防喘振：
增压机在一定的进口流量和转速下，当进口流量小到一定数值时，机器会发生喘振，此时压力会大幅度波动，并发出强烈的“喘气”声音和振动，将引起机器损坏，为防止这种情况出现，该阀会在出口流量小到一定数值时自动打开。
所给定的防喘振流量是根据出口压力，出口温度，转速均为额定值的情况，当这些条件不同时，对防喘振流量值应予修正。
（3）开大回流阀：
可增加增压机的负荷使膨胀机减速。
4.3润滑油油泵控制
根据用户要求，可将膨胀机润滑油泵起停控制接入PLC，在控制室实现润滑油泵的远程控制与联锁,并将油泵的联锁逻辑做进PLC系统，实现主辅油泵自动切换与跟进。
4.4润滑油电加热器控制
膨胀机润滑油需在适当的温度范围内性能最佳，因此需对膨胀机润滑油进行温度控制。
将润滑油的温度信号引至PLC系统，通过PLC系统对润滑油电加热器进行控制，实现对润滑油温度的可靠有效调节。
五、一次元件选型
5.1新增压力变送器选用横河川仪的EJA430系列压力变送器（原则上利用原系统现有的压力变送器）。
5.2铂热电阻采用川仪十七厂的WZPK2-243双支铠装热电阻。
5.3温度仪表采用厦门宇电自动化科技有限公司的AI-701系列温度仪表。
5.4转速表采用上海转速表厂的XJP-48系列转速表。
5.5就地仪表柜的压力表采用成都天威仪表厂的YZT系列压力表。
六、参数一览表
此参数表根据用户提供的P&ID图统计的，如有不完善和不准确的参数在技术交流时再予以调整。
该系统参数详见下表：
检测项目
就地
远传
类型
量程
报警
H、L
关断HH、LL
原位号
备注
膨胀机入口压力MPa
√
√
AI
0～1.0
PI001
膨胀机出口压力MPa
√
√
AI
0～1.0
PI002
压缩端入口压力MPa
√
0～1.0
PI251
压缩端出口压力MPa
√
0～1.0
PI258
膨胀机入口温度℃
√
RTD
50～-200
TR002-4
膨胀机出口温度℃
√
RTD
50～-200
L√
TR002-5
压缩端入口温度℃
√
RTD
0～100
L√
TRA251-1
压缩端出口温度℃
√
RTD
0～100
TI252
润滑油进轴承压力MPa
√
√
DI
0～0.25
L√
LL√
PIA256
PIA257
PI255
密封气进机组压力MPa
√
√
DI
0～1.0
PIA253
润滑油进轴承温度℃
√
RTD
0～1.0
H√
TRA251-2
膨胀端轴承温度℃
√
√
RTD
0～100
H√
HH√
TRA251-3
增压端轴承温度℃
√
√
RTD
0～100
H√
HH√
TRA251-4
膨胀机转速rpm
√
√
AI
0～50000
H√
HH√
SE251
喷咀调节
√
AO
HC251
膨胀机入口切断控制阀
√
DO
Hcv001
增压端出口流量与转速（防喘）
√
AI
FIC251
SRA251
（HZ）
增压端回流阀控制
√
AO
FCV251
AI4-20mA模拟量输入DI开关量输入RTD铂热电阻
AO4-20mA模拟量输出DO开关量输出
七、供货范围
7.1一次仪表
序号
主要规格或
型式代号
名称
单位
全机
数量
备注
1
KGG-221
就地仪表柜
台
1
1800×600×400
2
Y-100ZT0～1.0MPa
弹簧管压力表
只
4
3
YXCT-100ZT0～0.25MPa
电接点压力表
只
1
4
YXCT-100ZT0～1.0MPa
电接点压力表
只
1
5
AI-701AC220VPt100
温度数显表
只
2
6
XJP-480-50000rpm
转速表
只
1
7
SZMB-10M12×1
磁电转速传感器
只
1
8
J91￠8卡套
气动管路截止阀
只
6
9
YZG1-6M20×1.5-Φ8
压力表接头
只
6
10
C65N2PC4A
小型断路器
只
4
11
LA38-11/203
按钮
只
2
12
WZPK2-243-M100B350
双支铠装铂热电阻Pt100
只
2
K185H
固定螺纹连接M27×2
电气接口M20×1.5精度B级
保护管直径￠8,插入深度l=185
只
2
PN4.0MPa
13
WZPK-243-M100B250
铠装铂热电阻Pt100
只
5
K400H
固定螺纹连接M16×1.5
电气接口M20×1.5精度B级
保护管直径￠8,插入深度l=100
PN2.0MPa
7.2系统组成
序号
主要规格或
型式代号
名称
单位
全机
数量
备注
1
ME2008060
机柜
台
1
仿威图
4
6ES73071EA000AA0
PS3075A电源模块
个
1
siemens
5
6ES73136CE010AB0
CPU314C-2DPCPU模块
个
1
siemens
6
6ES79538LG110AA0
MMC存储卡
个
1
siemens
7
6ES73211BH020AA0
16DI模块
个
1
siemens
8
6ES73317KF020AB0
8AI模块
个
3
siemens
9
6ES73325HF000AB0
4AO模块
个
1
siemens
10
6ES73901AF300AA0
Rail机架
个
1
siemens
11
6ES73921AJ000AA0
20Pin前连接器
个
5
siemens
12
6ES78104CC080YA5
STEP7V5.4PLC系统软件
套
1
siemens
13
6GK15611AA01
CP5611模块
个
1
siemens
14
6AV63811BM062AV0
WINCCV6.2监视软件
套
1
siemens
15
6ES79720BA410XA0
Conector总线连接器
个
2
siemens
16
6XV18300EH10
ProfibusCable
米
20
siemens
17
6EP1334-2AA01
西门子电源10A24V
个
1
siemens
18
755MT
DELL电脑
台
1
19
21”
液晶显示器
台
1
20
LaserJetP1007
激光打印机
台
1
22
膨胀机运行软件
套
1
siemens
23
AC3010A
三孔插座
只
1
施耐德电气
24
BK-300VAAC220/AC220
隔离变压器
台
1
成都
25
C65N-C6/2P
自动空气开关
只
2
施耐德电气
26
SAK-**EN
接线端子
个
60
魏德米勒
八．图纸资料
待方案确定后再另行提供。
太多毒鸡汤告诉你，你想要的岁月都会给你，可它没告诉你，你想要的，岁月凭什么给你！
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