1、攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要煤气加压过程是生产加工的重要环节，在大量使用煤气作为热源的场合，由于生产工况不稳定而极其容易造成用气量大幅度频繁波动，同时由于气源管网方面的状况原因，仅靠阀门调节根本无法满足生产要求，直接影响生产的质量和产量。煤气混合加压过程复杂，影响因素多，而我国绝大多数加压站都采用手动控制的方式，这就使得混合煤气的生产质量远远不能达到生产要求，这就需要一种有效的控制方法和控制系统，来使煤气的质量达到合格标准。本文针对攀钢某加压站选用西门子 S7-200 型 PLC 及 G150 系列变频器设计了煤气加压 PLC 控制系统，实现了煤气加压过程的自动化控制。该系统具
2、有操作简单、运行良好、抗干扰能力强、编程简单、控制精度高的特点，在实际运用中，达到了良好效果。关键词 煤气加压站，闭环控制，PLC，PID，变频器攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTProduction and processing of gas compression process is an important link in the extensive use of gas as a heat source of the occasion, because the production is extremely unstable conditions lik
3、ely to cause frequent fluctuations in gas consumption dramatically, and because the gas supply pipe networks status reasons alone valve regulated simply can not meet production requirements, a direct impact on the production of quality and yield. Pressurized gas mixing process is complex, many facto
4、rs, but the vast majority of compressor stations are manually controlled manner, which makes hybrid gas production quality is far not achieve production requirements, which requires an effective control method and control systems, to make the gas quality to meet the eligibility criteria. In this pap
5、er, a compression station selects Panzhihua Siemens S7-200 PLC and the G150 series inverter-type design with gas pressurized PLC control system to achieve automatic control of gas pressure process. The system has a simple operation, good anti-interference ability, simple programming, control and hig
6、h accuracy, in practice, to achieve good results.Key words gas pressure，loop control ，PLC ，PID，VFD攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目 录0目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪 论 .31.1 概述 .31.2 煤气加压系统的作用、特性及研究现状 .32 现场工艺及控制要求 .52.1 攀钢某煤气加压站的工艺流程 .52.2 煤气加压站的控制要求 .53 控制系统设计 .73.1 控制系统框图 .73.1.1 热值调节回路 .73.1.2 混压调节回路 .83.1.3 出口压力（变频）调节
7、回路 .93.1.4 出口压力（泄放）调节回路 .103.2 蝶阀的设计 .114 系统硬件设计 .134.1 PLC 的选型 .134.1.1 I/O 口地址的分配 .134.1.2 CPU 及扩展模块的选择 .144.1.3 PLC 的外部接线图 .144.2 煤气加压机的选型 .154.3 流量变送器的选型 .164.4 执行器的选型 .164.5 变频器的选型 .174.6 传感器的选型 .184.6.1 温度传感器的选型 .184.6.2 压力传感器的选型 .18攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目 录15 系统软件设计 .205.1 系统主程序流程图 .205.2 调节阀控制流程图
8、.205.3 PID 调节流程图 .225.4 变频器调节流程图 .235.5 混合加压压力调节流程图 .246 系统特色和优势 .266.1 原系统存在的问题 .266.2 改造后系统的特色和优势 .267 结束语 .28参 考 文 献 .29附录 .30致 谢 .38攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 21 绪 论1.1 概述能源是人类赖以生存和发展的基础。我国人口众多，资源有限，并且许多资源都是不可再生的。当前，资源短缺和经济快速发展的矛盾日益突出，已成为制约经济可持续发展的瓶颈之一，特别是能源的过度消耗和浪费已经成为一个亟待解决的问题。 “历览前贤国与家，成由勤俭败由奢” ，勤俭节
9、约是中华民族的优良传统美德，在现代化发展的今天，节约能源、合理使用能源这一关键就显得尤为重要。近年来，国际能源的走势一直是世界各国关注的焦点。2008 年以来，受国际石油价格波动的影响，液化石油及天然气的价格也随之出现同步震荡，而中国煤炭资源相对丰富，单位热值价格相对较低，受国际能源的影响也较小，另一方面，煤炭的燃烧会产生大量有害气体，直接排入大气势必会对环境产生影响。所以，作为直接燃料应用的煤炭又受到国家的严格控制。煤气既符合中国能源安全战略和环保政策的要求，又符合相关燃耗企业的利益要求，得到了诸如玻璃、陶瓷、冶金、机械、化工等燃耗较大的广泛应用。在这种形势下，煤气的合理开发及充分应用就显得
10、极其重要。然而普通煤气加压机系统存在着许多不足之处，作为系统控制参数煤气出口压力未采用自动控制方式，人工操作滞后大，不能准确、及时的跟随压力变化，造成压力波动，影响用户使用等等问题相继出现。1.2 煤气加压系统的作用、特性及研究现状在这种形式下，煤气的合理开发及充分应用就显得尤为重要。经过各位专家、学者的研究和论证，将 PLC 应用于该控制具有操作简单、运行可靠、抗干扰强、编程简单、控制精度高的特点。在控制的过程中，煤气加压控制系统可根据参数的修改实现对供气现场的准确控制。对煤气加压机的自动控制可以使加压机在需要加压的时段进行自动加压，其整个工艺过程非常符合闭环控制的要求。所以，在控制过程中，
11、采用 PLC 对煤气加压机进行控制，它较好的解决了加压不稳定、设备工作效率低等一系列问题。为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，降低生产成本，越来越多的企业每年投入大量资金和技术对传统老式的继电器接触器控制系统进行技术改造，取得了良好的效果。经实践证明，用 PLC、工业组态软件、模数模块、监控设备等组成的电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 3制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。控制系统从 20 世纪 40 年代就开始使用，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统，现在所说的控制
12、系统多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以 PLC 和 DCS 为代表，从 70 年代开始应用以来，在冶金、电力、石油等工业过程控制中获得迅猛的发展。在国外，工业自动化程度已经很高，很多工厂都已全面使用智能化仪表控制，这种控制人工操作滞后性小；连锁保护功能完善，且线路简单，故障率低；利于维护各种工艺参数历史趋势记录，对机组的运行方式是否经济进行确切分析；发生故障后便于查找原因。因此，将 PLC 应用于煤气加压控制系统，具有操作简单、运行可靠、抗干扰强、编程简单、控制精度高的特点。提高了系统的可靠性，使得混合煤气生产质量和产量达到生产标准。攀枝花学
13、院本科毕业设计（论文） 现场工艺及控制要求42 现场工艺及控制要求2.1 攀钢某煤气加压站的工艺流程攀钢某煤气加压站，共有加压机 5 台，其中高炉煤气加压机共 3 台，开两台备一台；焦炉煤气加压机共 2 台，开一台备一台。整个加压系统为高炉煤气与焦炉煤气的混合加压系统。首先，从煤气站供出的高炉煤气经煤气管网分三个支管分别送入三个蝶阀前，然后经过蝶阀的调节再送入加压机，通过加压机的加压后，三个压力指示表显示其压力；焦炉煤气经煤气管网分两个支管分别送入两个蝶阀前，然后经过蝶阀的调节再送入挤压机，通过加压机的加压后，两个压力指示表显示其压力，这时经过加压后的高炉煤气和焦炉煤气按一定流量比值（4:1）
14、混合，通过流量、压力，温度等在线仪表的检测后，最终输送给用户符合生产标准的混合煤气。在此加压过程中，高炉煤气加压机和焦炉煤气加压机都采用了变频调节，这样就能保证输送到用户的混合煤气压力值的稳定。如下图所示，为攀钢某煤气加压站的工艺流程图。图 2.1 攀钢某煤气加压站工艺流程图2.2 煤气加压站的控制要求根据上面的工艺流程我们可以知道，混合煤气的压力和热值是衡量用户气源质量的主要指标。根据煤气混合加压站的生产工艺再结合相关资料，我们了解到，加压站是以高炉煤气为主气，它是不可控制的，取决于用户用量；焦炉煤气为辅气，要求使攀枝花学院本科毕业设计（论文） 现场工艺及控制要求5得高、焦煤气的配比约为为
15、4:1。表面上看，混合煤气的压力于用户的要求无关，但在实际中却发挥着相当重要的作用，它既能影响混合煤气的热值，又能影响其加压后的压力。可以说，混合煤气的压力调节不到位，则热值调节和挤压后的压力调节都无从谈起。这也就是煤气混合加压站经常出现各种不稳定状况的根本原因之所在。在加压机的运行过程中，当混合煤气的流量减小到某个值（喘振工况）时，这时，加压机的出口压力会大幅度降低，但是整个煤气管网中的压力不会一下子就跟着减小，也就是出现了一边压力大，一边压力小这种压力不平衡的情况，管网中压力较大的气体就会倒流到加压机，直到管网中的压力和加压机出口压力相等时，才停止倒流。接着，加压机向管网供气，将倒流的气体
16、压出去，接着，加压机的压力再次减小。如此循环往复，整个加压系统出现周期性的压力波动和气流震荡的现象，所以加压机产生振动并发出很大的声响，这就是加压机产生“喘振”的原因。综上所述，为了避免产生这些危害加压过程的问题，煤气混合加压站的控制要求可以归纳为下面几个方面：1.调节混合煤气的热值，使高、焦煤气的配比约为 4:1.2.调节混合煤气的压力，使混合煤气的压力能保持在一个稳定的范围内。3.混合煤气加压机的后压力能够保持在一个稳定值，保证出口压力不至于太低。4.设计出口压力泄放回路，避免出现加压机的“喘振”现象。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 控制系统设计 63 控制系统设计3.1 控制系统框图通过
17、以上工艺流程及控制要求，我们可以得到煤气加压站控制系统的框图。如图所示。图 3.1 煤气加压系统控制框图本次控制系统主要包含以下四个调节回路：热值调节回路、煤气混合压力调节回路、加压机后压力（变频）调节和加压机后压力（泄放）调节。现分别逐一说明。3.1.1 热值调节回路热值是衡量用户气源质量的主要指标之一。煤气混合加压站的气源以高炉煤气为主，它是不可控制的，主要取决于用户的用气量；焦炉煤气为辅助气源，根据工艺要求，控制其阀门，使得高炉煤气与焦炉煤气的配比达到一个稳定的值。本次改造方案中的热值调节回路为串级、交叉限幅调节系统。以热值调节为主环，焦炉煤气调节为副环，加入了高、焦煤气流量单交叉限幅。
18、焦炉煤气流量攀枝花学院本科毕业设计（论文） 控制系统设计 7的设定值不单单取决于热值调节器输出的信号限制，而且还受到高炉煤气流量瞬时值的限制。本次设计，按高、焦理论配比值求出应配焦炉煤气流量值，乘以1.05 和 0.95 作为输出信号的上、下限值。热值调节回路如图 3.1 所示：图 3.2 热值调节原理框图该控制原理能达到三个效果：第一，使焦炉煤气调节器的调节量适中，不至于过大或过小，从而使高、焦配比值稳定在一个小范围；第二，使主环调节器不至于产生调节饱和，加快了滞后较大的主环的动态响应，改善了系统调节的品质。第三，当热值仪出现故障时，此时的调节相当于流量的配比调节，对热值仪也起到保护性的作用
19、，符合设计的初衷。对此回路，我们可以用一台调节器和两个阀门的控制方案来实现串级调节，具体做法为：在计算机中设置软调节器，把它的信号输送给手动操作器，达到控制电动蝶阀的目的。为了避免二个阀门同时动作，形成超调，必须将手动操作器死区设置的不同。当输出的阀位信号和反馈的阀位信号不一致时，死区小的手动操作器率先动作，当它们的偏差不大时，控制回路就能马上调节过来；当系统的调节量不够时，偏差继续增大，这时死区大的手动操作器立刻动作，继而加大调节力度，使系统迅速回到稳定的状态上来。当系统的偏差很大时，就会出现超出二者死区范围的现象，则二阀同时动作，使偏差迅速减小到一定范围，此时死区大的调节阀停止动作，死区小的调节阀进一步精确调节。热值调节回路的工作流程：当混合煤气流经热值调节回路时，焦炉气调节器动作，通过控制阀门的开度来调节焦炉煤气的流量，同时焦炉煤气的流量又对焦炉气调节器造成一个负反馈调节的效果，另一方面输出的热值又经过热值仪的检测，对热值调节器起到负反馈调节的作用。流量调节是这一回路的关键。通过串级热值调节回路的控制，最终使高、焦煤气的配比达到规定的值。3.1.2 混压调节回路煤气混合后的压力调节在实际中既能影响混合煤气的热值，又能影响其加压后的压力。可以说，混合煤气的压力调节不到位，则热值调节和挤压后的压力调节都无从谈起。本次设计回路为串级调节系统，通过建立数学模型来模拟随着高
