毕业设计（论文）-西门子S7-400PLC在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用.doc

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1、SIEMENS S7-400PLC 在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用 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 文设计是利用 PLC 系统对造纸过程中制浆环节进行控制，具有安全可靠，通用灵活的 特点，从而实现对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，提出了一种安全可靠的控制 方案。详细介绍了

2、系统中西门子S7-400系列PLC所用到的各种硬件模块的选型和组态。 关键词：碱回收，燃烧，PLC，WINCC I SIEMENS S7-400 PLC Recovery Workshop in the Process of Burning Paper in the Application of Section ABSTRACT Along with the industrial scale of paper spreading time and again, the papermaking enterprise is more and more high to in the papermak

3、ing process automaticity request. In 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

4、 centralism to monitor at times, causes 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. In this paper, the design is the use of PLC sys

5、tems in the pulp and paper manufacturing process control link with a safe, reliable, universal and flexible features, the entire paper in order to achieve the automation of production process monitoring. This paper focused on the Recovery Combustion Process Analysis and Research, a safe and reliable

6、 control programme. Details of the system in the Siemens S7-400 series PLC used by the various hardware module selection and configuration. KEY WORDS：Soda recovery，Combustion ，PLC，WINCC II 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 绪 论1 1.1 引言 1 1.2 本论文的工作 .1 2 碱回收简介2 2.1 碱回收的生产过程 .2 2.2 实施碱回收的意义 .2 2.3 燃烧工段工艺流程.2 2.3

7、.1 黑液的燃烧过程 3 2.3.2 影响黑液燃烧的因素 3 2.3.3 燃烧工段的工艺流程 5 2.3.4 燃烧工段设备介绍 6 3 DCS 系统的简介 8 3.1 DCS 的组成.8 3.2 DCS 系统的发展过程 9 3.3 MPI 网10 3.4 PROFIBUS-DP10 3.5 工业以太网11 4 控制系统的硬件设计.12 4.1 测控系统的网络结构设计 12 4.2 PLC 简介14 4.2.1 PLC 的基本结构 15 4.2.2 PLC 的工作原理 16 4.2.3 PLC 的特点 .17 4.2.4 PLC 的发展 .18 4.3 PLC 硬件设计 19 4.3.1 PLC

8、 模块的安装 19 4.3.2 CPU 模块.19 4.3.3 SM321 数字量输入模块 21 4.3.4 SM322 数字量输出模块 23 4.3.5 SM331 模拟量输入模块 23 III 4.3.6 SM332 模拟量输出模块 27 4.3.7 电源模块 .27 4.3.8 机架 .29 4.4 其他硬件 29 4.5 传感器 .30 5 PID 算法.31 5.1 PID 控制的优点 31 5.2 PID 的形式 31 5.3 比例调节作用 .32 5.4 比例积分调节作用 .33 5.5 微分调节作用 .34 5.6 PID 控制子程序框图 .35 6 STEP 7 及 WinC

9、C 软件简介37 6.1 西门子 PLC 编程软件 STEP 7 37 6.2 西门子组态软件 WinCC 40 7 总 结43 致 谢44 参 考 文 献45 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）0 1 绪 论 1.1 引言 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

10、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一2。 PLC 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

11、 要的作用，它是变废为宝、化害为利、效益显着的综合利用工程，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安全可靠的控制 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项目，采用西门子 S7-400 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

12、成燃烧工段控制系统硬件部分的设计。 （c）了解 STEP7 与 WINCC 之间的通信知识。 SIEMENS S7-400PLC 在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用1 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：尽量使黑液与浆料分离，把黑液提取出来。 （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:把石灰加入绿液中，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

13、产生的碳酸钙和硅酸钙(即白泥)沉淀分离，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。 2.2 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 成本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是实现 清洁生产、保护环境、废液进行厂内治理的重要组成部分。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

14、: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 1.61.7 吨。每回收一吨 碱，大厂耗电 400600 度，小厂 1000 吨左右，不用盐只用石灰。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。

15、回收碱成本小厂约 1000 元/吨，大 厂只要 400600 元/吨，经济效益非常显着。 2.3 燃烧工段工艺流程 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 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）2 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2。 2.3.1 黑液的燃烧过程 黑液的燃烧过程基本上可分三个彼此相关的阶段5： 第一阶段：黑液的蒸发干燥阶段。经过多效蒸发和直接蒸发后，送入碱回收炉的

16、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，使其干燥成含水 10%15%的 黑灰，才能燃烧，并发生一系列化学反应，使全部游离的氢氧化钠和大部分硫化钠转 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。经过干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还原阶段。此阶段除有机物继续燃烧外，主要是 无机物熔融及芒硝还原。此阶段温度高达 1000以上。黑液燃烧系统是制浆厂整个碱 回收过程中最复杂也是最关键的工

17、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干燥之用；另一方面使黑液中的无机碱盐（， 24 Na SO ）经还原反应后回收供制浆蒸煮重复使用。 23 Na CO 2.3.2 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，确定合适的 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

18、，如浓度太低，会使炉温下降， 炉衬脱落，灭火，甚至会发生爆炸。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。 SIEMENS S7-400PLC 在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用3 （2）空气分配与燃烧 （a）硫的还原与燃烧温度有关。如图 2-1 所示，在炉底温度高，还原率就高。适 合的还原条件

19、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。 温度曲线 100015002000 60080010001200 三次风 10% 黑液 喷射器 二次风 60% 一次风 30% 摄氏度 华氏温度 图 2-1 燃烧室的温度立面图 （b）当燃烧的黑液浓度为 70%75%时，燃烧空气的分配如图所示：一次风量 30%， 二次风量 60%，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

20、炉底 4501000mm 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 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

21、保 持炉床垫层高度之完整形成； 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）4 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 0.782.45KPa6。 （4）垫层 垫层的作用：把垫层中不燃烧的无机盐类不断地熔融出来；保留较多的游离 碳将芒硝在熔融状态下还原为硫化钠；保持垫层中有机物气化并不断移出；使游 离碳不断燃烧，稳定炉床垫层温度。因此，

22、燃烧过程中保持适当高温的完整均匀的垫 层是良好燃烧的基础。 2.3.3 燃烧工段的工艺流程 主要工艺流程如图 2-2 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。 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

23、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

24、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5。 SIEMENS S7-400PLC 在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用5 图 2-2 燃烧工段工艺流程 2.3.4 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。 2.3.4.1

25、 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

26、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 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）6 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

27、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。 2.3.4.2 静电除尘器 静电除尘的原理 在电场的负极加上负的直流高压电源，而将正极接地，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。然而电晕电流的大小除与介质有关外，主要 由电压值的大小决定，所以，当电压越高时则除尘效率也越高。可是，电压的升高有 一定限度，当升到电晕的极限情况下，就发生“闪络”而不是电晕现象了，闪络的极 限情况就出现电弧，电弧是静电除尘器除尘不

28、允许出现的危险现象。 2.3.4.3 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。 2.3.4.4 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。炉膛负压调节系统 就是引风控制系

29、统，它的任务是调节引风机入口静叶，使引风量与送风量相适应，从 而维持炉膛内的压力在允许范围内，确保锅炉安全运行。引风调节系统主要通过变频 器调节引风机的转速来调节碱回收炉的引风量，借以控制炉膛负压。监测碱回收炉出 口烟气的压力、温度，了解炉膛燃烧的情况。引风调节系统是整个燃烧过程投入自动 的基础，可以说是锅炉侧首个投入自动的控制系统。 SIEMENS S7-400PLC 在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用7 3 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基本思想

30、，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。 3.1 DCS 的组成 集散控制系统 DCS（Distributed Control System）是基于“4C” 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，

31、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）现场控制站 现场控制站是集散控制系统的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性 能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都 有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计 算机系统所必需的运算器（即主 CPU） 、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元 的输入/输出设备，即过程量 I/O 或现场 I/O。在现场控制站内部，主 CPU 和内存等用 于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场 I/O 则

32、称为现场部分，这 两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理 产生不利的影响。 （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。

33、 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）8 3.2 DCS 系统的发展过程 9 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 （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

34、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

35、 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 （Computer Integrated Manufacturing System）和小型及微型化发展。 DCS 发展到第三代，尽管采

36、用了一系列新技术，但是生产现场层仍然没有摆脱沿 用了几十年的常规模拟仪表。DCS 从输入输出单元以上各层均采用了计算机和数字通 信技术，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是一对模拟信号传输，多台模拟仪表集 中于输入输出单元。生产现场层的模拟仪表与 DCS 各层形成极大的反差和不协调，并 制约了 DCS 的发展。电子信息产业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，造就了 新一代的 DCS，其技术特点包括全数字化、信息化和集成化。 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

37、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。 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。 SIEMENS S7-400PLC 在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用9 3.3 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 M

38、PI 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。 对于 MPI 网络系统，在接地的设备和不接地的设备之间连接时，应该注意 RS-48

39、5 的使用。如果 RS-485 中继器所在段中的所有节点都是以接地电位方式运行的，则其是 接地的；如果 RS-485 中继器所在段中的所有节点都是以不接地电位方式运行的，则其 是不接地的。 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

40、MPI 地址顺序加 1 构成。 3.4 PROFIBUS-DP PROFIBUS是一种国际的、开放的、不依赖于生产厂商的总线标准。PROFIBUS- DP以其较快的传输速度和较强的抗干扰能力,广泛应用于设备级的控制系统与分散式 I/O之间的通信。它由互相兼容的3部分组成；PROFIBUS-DP，主站和从站之间采用 轮换查询的方式通讯，用于设备级控制系统和分散式I/O的通讯；PROFIBUS-PA， 电源和通讯数据通过总线并行传输，可使得传感器和执行机构通过一根总线相连接， 主要用于单元级和现场级通讯；PROFIBUS-FMS，用于车间级监控网络，是一个令 牌结构、实时多主站网络。 PROFIB

41、US-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

42、的成熟性和规范能力。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）10 3.5 工业以太网 工业以太网是为工业应用专门设计的，它是遵循国际标准 IEEEE 802.3，传输速 率为 10Mb/s 的开放式、高性能的区域和单元网络。工业以太网作为工业标准，已经广 泛地应用于控制网络的最高层，为 PC 和工作站提供同机种和异机种通信，并有向控制 网络的中间层和底层（现场层）发展的趋势。 采用工业以太网，它是工控界最为流行的局域网技术，用以太网把 2 个工段的上 位机连接成一个局域网，但是普通的双绞线有效距离为 100m，这样就满足不了实际的 需要, 就必须采用光纤。这些都需要用光纤电气转换模块，把终端设备或

43、网络部件的 100Mb/s 全双工双绞线接口转换成纤维光缆接口接入工业以太网网络内。 工业自动化控制系统的网络结构发展越来越分散化，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 户接口的要求越来越多。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。 工业以太网络主要由以下 4 类网络部件组成。 1）PG/PC 的工业以太网通信处理器：用于将 PG/PC 连接到工业以太网。 2）SIMATIC PLC 的工业以太网通信处理器：用于将 PLC 连接到工业以太网。 3）通信介质：普通双绞线、工业屏蔽双绞线和光纤。 4）连接部件：快速

44、连接(FC)插座、电气链接模块、电气交换模块、光纤交换模 块 和光纤电气转换模块。 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，其性能至少要高于现 行的现场总线。这也是为什幺传统的 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 100Mb/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

45、术，可以完 全避免 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 发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。 SIEMENS S7-400PLC 在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用11 4 控制系统的硬件设计 4.1 测控系统的网络结构设计 测控系统主要通过上位机（两台计算机）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

46、统包含三层通信网络。最上层的工业以太网 （ETHERNET）中间的 MPI（Mult Point Interface）网络下层的 PROFIBUS- DP（Process Fieldbus-DP）网络。工业以太网实现两台上位机之间的通信；MPI 网实现 上位机、SIMATIC S7-400 和 SIMATIC S7-300 间的信；PROFIBUS-DP 网络实现 SIMATIC S7 414-2DP,SIMATIC S7-300 及控制柜内各输入输出 I/O 单元的的通信。其 硬件结构如图 4-1 所示。 图 4-1 系统结构图 燃烧工段测控: 该工段包括 AI 为 64 个，AO 为 76

47、 个，见测控点一览表 4-1。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）12 表 4-1 燃烧工段测控点表 SIEMENS S7-400PLC 在造纸过程碱回收车间燃烧工段中的应用13 仪表位号名 称测量范围 备注(AI+AO) 物理地址数据地址 TI_801-1圆盘蒸发器温度指示Pt100(0150)1PIW512DB100.DW0 TI_801-2入炉黑夜槽温度指示Pt100(0150)1PIW516DB100.DW4 TI_801-3溶解槽温度指示Pt100(0150)1PIW520DB100.DW8 TI_801-4黑液嘉热气出口温度指示Pt100(0150)1PIW524DB100.DW1

48、2 TI_802-1一、二次风加热器出口温度指示Pt100(0300)1PIW528DB100.DW16 TI_802-2空加器空气出口温度指示Pt100(0300)1PIW532DB100.DW20 TI_802-3炉内空加器后烟气出口温度指示Pt100(0300)1PIW536DB100.DW24 TI_802-4电除尘器入口烟气温度指示Pt100(0300)1PIW540DB100.DW28 TI_802-5引风机入口烟气温度指示Pt100(0300)1PIW544DB100.DW32 TI_805给水温度指示Pt100(0150)1PIW548DB100.DW36 TI_806吹灰集箱

49、蒸汽疏水温度指示Pt100(0300)1PIW552DB100.DW40 TI_807主蒸汽温度指示Pt100(0300)1PIW556DB100.DW44 TI_808除氧水箱温度指示Pt100(0150)1PIW560DB100.DW48 TI_10011#拱顶油罐槽温度指示Pt100(0150)1PIW564DB100.DW52 TI_10022#拱顶油罐槽温度指示Pt100(0150)1PIW568DB100.DW56 TI_803炉膛出口烟气温度指示K(0800)1PIW572DB100.DW60 TI_804省煤器前烟气温度指示K(0600)1PIW576DB100.DW64 PIA_801电动给水泵出口压力指示报警04MPa,下限1PIW580DB100.DW68 PI_802主蒸汽压力指示02.5MPa1PIW582DB100.DW70 PRA_803上汽包蒸汽压力记录报警02.5MPa，上下限1PIW584DB100.DW72 PI_804除氧器压力指示040KPa1PIW586DB100.DW74 PI_805炉膛负压指示-150+1501PIW588DB100.DW76 PI_806一、二次风机压力指示0