2013年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛设计开发型赛项工程设计文件1

1.本方案是以流程工业领域常见的强制通风式加热炉为被控对象，通过加热炉辐射与对流传热，将一定流量的物料A 加热到工艺要求的某个特定温度。
2.方案设计范围包括加执行器顺序启动，炉温调节控制系统，运行状态监测，
及对出现的各种运行状况进行正确的处理操作等方面。
为使一定流量的物料A 加到某个特定的温度，必需对加热炉运行状态进行准确的监测。运行状态监测则需对执行器各个方面数据进行实时性监测，有物料A的流量，物料A 的初始温度，燃料的进给量，空气的流量，烟道挡板等数据监测。运行状态数据为加热炉的输入量，对控制系统起着决定性作用，也是加热炉能够稳定正常运行的保证。
物料A 的流量，将直接影响到加热炉达到稳态的时间；流量过低，虽然（1 ）物料A 的流量
加热炉达到稳态的时间低，但是使加热炉的输出效率较低；流量过高，达到稳态的时间也较高，而却还会加大燃料的使用量，从而也会影响到加热炉的输出效率。
（2 ） 物料A 的初始温度
即物料A物料A 的初始温度，决定着对流段预热对物料A 的作用的效果，进入辐射段时的初始温度，这个初始温度将直接影响到输出的物料A 的加热到 某个特定温度值。

（3 ）燃料的进给量
燃料，是加热炉的能源核心，起充分燃烧时，可能使炉膛的温度达不到燃料的进给量太大，造成能源的浪费，（4 ）空气的流量
炉膛的含氧量直接影响到燃料的炉是否能够安全工作。炉膛含氧量过高炉膛压强过高，会损坏设备；炉膛含氧会因为燃料与氧气的比列太高，会产生（5 ）烟道挡板 淘

氧气，会带走大量的热，使燃料的是使www.ta

炉膛内的废气，会造成炉膛压强大，对 因为上料泵和燃烧泵不能变频使用液体流量计检测其流量；鼓风机可流量计检测其输入流量。

3. 设计参数要求如下表

着决定性的作用。燃料的进给量太小，预定的温度，直接影响到加热的效率；也会影响到加热炉的输出效率。

是否能够充分燃烧，而且还会影响加热，燃料虽然能够充分燃烧，但是会造成量过低，燃料不能够充分燃烧，而且还爆炸，影响安全生产。

豆网
odocs.com用率变低，则效率低；如果不及时排走炉膛曹造成损坏。

调速，使用调节阀来控制其输入流量，以变频调速，在空气管线上加一个空气

变量名称

低负荷进料时物料A 流量

10kg/s±0.5kg/s

1. 甲方需求分析
甲方的要求是所选被控对象是流程工业领域常见的强制通风式加热炉，通过加热炉辐射与对流传热，将一定流量的物料A 加热到工艺要求的温度，所有操作要保证有序进行，工况要保持全程稳定并要。充分考虑生产过程中可能出现的异常工况，并对其进行解决。整个过程实现自动化生产。
现在可以这样分析，加热炉能够正常稳定地工作需要对多个变量的监控与反馈信息进行调节。有物料A 的流量、燃料的流量、空气的流量、物料A 的初始温度、炉膛中心火焰温度、热物料A 出口温度等反馈信息。对加热炉有很多种情况，如开车步骤。启动前检查所有的阀门、泵、鼓风机均处于关闭状态；之后再启动鼓风机，确认炉内可燃性气体在爆炸限以下，停止鼓风机；然后启
鼓风机，为加热炉点火。加热炉在正常地工作状态下，运行监测系统不断检测
运行状况，反馈给加热炉的控制器，再由控制器进行计算分析，输出控制信号给相应的工作部件进行适当的调整。其中有物料A 的调节阀的调整、燃料调节阀的调整、鼓风机的变频调整、烟道挡板的调整等。
2. 对象特性分析
（1）开车过程控制
①炉膛吹扫。检查所有阀门关闭，确保烟道通畅，启动鼓风机，对炉膛吹扫 时间为1min±5s，并确认炉内可燃性气体在爆炸限度以下；

②低负荷进料。确定炉内可燃性气体在爆炸限度以下后，停止鼓风机，开启上料泵，调整调节阀的开度，使物料A 的流量达到10kg/s±0.5kg/s 范围内。 ③加热炉点火。维持物料A 在10kg/s±0.5kg/s 范围内，打开鼓风机和燃料泵，为加热炉点火。
④炉膛升温。加热炉点火后，使物料A 在管道内均匀缓慢升温，使物料A 的出口温度稳定在240℃±1℃范围内。
⑤提高负荷。维持物料A 的出口温度稳定在240℃±1℃范围内。
（2）闭环过程控制
①热物料A 出口温度控制回路。低负荷进料时，当物料A 的出口温度保持在240℃左右时，要提升物料A 的进给量，此时必须提高燃料的流量和空
气的的流量，通过调整调节阀的开度实现。②热物料A 出口流量控制回路。通过热物料A 出口的液体流量计的反馈信号给热物料A 的出口管线调节阀，
从而调整其开度，使其流量控制在31kg/s±0.5kg/s。
（3）紧急故障控制
当炉膛内的压力达到设定的上限值或者炉膛内的可燃气体即将超过爆炸下限值时，则关闭物料A 的汽包上水线截断阀和燃料管线截断阀，以保障设备

法想像的破坏。
*对数据的检测应设置多个检测点，相互比对，避免因单一误差而引起故
障，带来不必要的损失。

使物料A 的流量稳定在10kg/s 左右，待物料A 的出口温度达到240℃
左右时，逐步提高物料A 的输入量使热物料A 的产量在31kg/s 左右。


②热物料A 的流量控制

实现算法如下：

热物料A 的出口温度信号

物料A 的进口流

否

热物料A 出口流

控

阀关闭

炉膛温度信号量信号

燃料压力信号

制

器

燃料管线截断阀关

.专业.专注.

闭

N

4.1 系统设备选择（包括控制器、测量变送装置、执行机构，DCS 规模、IO 模块配置、仪表盘、控制柜、配电装置等）
1）PLC 的选择
本方案的PLC 选用S7-400。S7-400 控制器使用灵活、功能强大，可用于控制各种各样的设备以满足您的自动化需求。 S7-400 设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。S7-400 的各个性能特点都符合加热炉的控制性能要求，采用S7-400 足以达到预期的控制目标。
2）I/O 卡件的选择
入接口采用0-5V 电压型，并且要用屏蔽线连接；而数字量数据输入接口则用12V直流电压。因数字量数据输出只是作为其电机启动器的开关，所以数字量数据 上料泵的电机和燃料泵的电机的输出的接口120V 交流电压。
而鼓风机的电机、供电系统采用220V 三交流电。
（3）通信网络的选择
通信网络选用Profibus-DP 通信技术，Profibus-DP 定义了第1、2 层和用户接口。第3 层到第7 层未加描述。这种精简的结构保证了数据传输的快速 和有效，直接，数据链路映像提供易于进入第2 层的用户接口，用户接口规定

了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能，并详细说明了各种现场分散的I/O 设备之间的通信。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同Profibus-DP 设备的设备行为。非常适合加热炉内部的数据快速和有效的传输。
（4）测量变送装置
①液体流量计
用三个液体流量计测量物料A 的进口流量和出口流量、燃料的流量。
②温度传感器
用六个温度传感器分别测量加热炉对流段入口的温度、加热炉对流段出
度、烟气温度。
③压力传感器
用来测量燃料压力。
④空气流量计
用一个空气流量计测量空气的流量。
（5）执行机构
①气动调节阀
当接受到控制器的电信号时，改变其开度，从而控制物质的流量。用五

个调节阀分别是物料A 进料调节阀、物料A 进料管线调节阀旁路阀、燃料管线调节阀、热物料A 出口 管线调节阀。
②截断阀
作用是在生产工艺进入异常工况时，对进料进行紧急切断的。用两个截止阀分别是汽包上水管线截止阀和燃料管线截止阀 。

若物料A 为3#航空煤油，燃料为0#柴油