煤气加压站控制系统设计(编辑修改稿)

煤气加压站控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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攀枝花学院本科毕业设计（论文） 控制系统设计 9 炉、焦炉煤气气源压力波动而自动设定混合后煤气的压力值，另一方面，又由上、下限幅调节使工艺操作变得更加简便快捷。 通过这一回路的调节，机前混 和压力能够随高、焦煤气压力波动而自动调整，保证了焦炉煤气的配比值，也保证了机前压力变化范围不至于太大，同时减少了对加压机后出口压力的干扰。 如图所示，为混压调节的框图。 图 混压调节回路框图 可以说，控制好了高炉煤气进料的阀门，就相当于混合压力调节成功了一半。 和热值调节回路一样，本回路也采用了一台调节器控制两台电动阀的方式，减少了其它无关因素的干扰。 混压调节回路的工作流程：当混合煤气流经混压调节回路时，由于我们设置了压力调节值，如果压力值过高或过低，通过变送器的检测，继而使调节器动作，通过控制 阀门的开度，来保证压力的稳定，另一方面压力变送器又将检测结果反馈给控制系统，从而达到对压力的调节，最终使混合煤气的加压压力达到一个稳定的值。 出口压力（变频）调节回路 混合煤气经加压后，出口压力也是用户气源的主要质量指标之一。 用变频器来控制加压机是节能并且成熟的应用。 本回路为一定值单回路调节系统，其设定值为 13kpa，当加压后出口压力升高或降低时，就增大或减小变频器的输出频率，从而改变加压机的转速。 在 PLC 上设置了最高、最低运行频率，从而保证出口压力不至于太高或太低。 这两个频率运行下限是保证加压 机设备安全、用户正常生产的必备条件。 在煤气加压控制系统中，压力传感器将压力转换成标准量程的电流或电压后送给模拟量输入模块，经 A/D 转换后得到与压力成比例的数字量， CPU将它与压力设定值比较，并按控制规律对误差进行计算，将运算结果送给模拟量输出模块，经 D/A 转换后变为电流或电压信号，用来控制变频器的频率，进而控制加压机电机的转速，实现对煤气加压系统的控制。 在这一回路中，我们加入了 PID 调节器。 PID 调节是比例、微分、积分调节的缩写，其广泛应用在闭环控制系统中。 其中，比例调节作用大，能够加快调节，攀枝花学院本科毕业设计（论文） 控制系统设计 10 但是过大的 比例反而会使系统的稳定性降低；积分调节，能够消除系统的稳态误差，提高误差度，其输出值常为定值，其调节作用与时间积分常数 t 有关；微分调节常反应系统偏差信号的变化率，能产生超前的控制作用。 其调节的优点： 1.不需要被控对象数学模型。 ，便于实现。 其 控制结构图如下： P I D 调 节 变 频 器 加 压 机 电 机压 力 变 送 器用 户 设 定 压 力 值 出 口 压 力 图 出口压力调节控制框图 出口压力（变频）调节回路的工作流程：当混合煤气流经出口压力（变频）调节回路时，由于我们设置了压力调节值，如果压力值过高或 过低，通过变送器的检测，将测的量送给模拟量输入模块，经过转换变为电流或电压信号，继而使变频器动作，通过改变变频器的频率，来控制加压机的转速，最终实现对压力的精确控制。 出口压力（泄放）调节回路 这又是一种对出口压力调节的方式。 本设计回路为一定值单回路调节系统。 我们把其值设定的比压力变频调节的值稍高一些，为 14Kpa。 随着出口压力升高或降低时，增大或减小泄压阀的开度，达到用泄放的手段来求得压力稳定的效果。 设计框图如下图所示： 图 出口压力（泄放）调节控制框图 这样做的好处就是，在调节 过程中，不会出现即保持加压机转速较高，又使泄放阀在一定的开度状态下的问题，同时这也就是为什么同样是压力调节，而它们的值设置的不一样的原因。 出口压力（泄放）调节回路的工作流程：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攀枝花学院本科毕业设计（论文） 控制系统设计 11 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，将倒流的气体压出去，然后，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。 通过本回路的设计，当压力变送器检测到压力值与我们设定的值不一样时，然后泄放阀动作，通过阀门的开度来通过改变煤气流量，以至于达到两者压力相等的情况，避免了加压机的“喘振”现象出现。 综上所述，通过此回路的调节，使得加压机的转速不会过高，避免出现加压机的“踹振”现象，延长了加压机的使用寿命。 蝶阀的设计 由于混合煤气加压过程复杂、气源压力波动范围大、加压机转速的改变、蝶阀开度的调节都将影响煤气的压力。 所以，蝶阀设计的好坏，就成为 能否保证煤气压力合格的重要条件。 在本次控制系统设计中，使用了蝶阀组来调节煤气的热值比。 控制设计推导如下： 图 焦炉煤气压力 — 流量过程图 在图中， P0 为 1蝶阀前煤气的压力值， P1 为 2蝶阀前煤气的压力值， P2 为2蝶阀后煤气的压力值， H 为焦炉管道煤气流量， U U2 分别为 1蝶阀和 2蝶阀的开度。 根据公式可得，压力 — 流量这一过程可以描述为： 当两个回路都处于开环状态下， H对 U1的增量即第一放大系数为： 当压力回路闭合时， H 对 U1 的偏导数即第二放大系数为： 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 控制系统设计 12 相对增益为： 同样可以得出： U2 对流量 H 的增益 λ 12 如果用 P1 来表示压力 — 流量，则 最终，我们可以得到此压力 — 流量系统的相对增益为 当 P1≈ P2，则相对增益矩阵无限接近于单位矩阵，说明用阀 1 去控制流量，阀 2去控制 P1 压力是符合要求的。 当 P1≈ P0，说明用阀 2 去控制流量，阀 1 去控制 P1 压力是符合要求的。 当 P1≈（ P0P2） /2，则说明同时调节阀 1 和阀 2能达到比较好的效果。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 13 4 系统硬件设计 本次 控制系统 设计中硬件包括 PLC、加压 机、变频器、变送器、传感器等部分。 PLC 的选型 I/O 口地址的分配 （ 1）输入输出信号的分析 根据上述设计方案，本次设计的模拟量输入信号：高炉煤气的流量、焦炉煤气的流量、混合煤气的温度、混合煤气的压力、 CO 的浓度。 数字输入量有：系统的启动、系统的手动停止、消铃按钮、试灯按钮。 模拟量输出信号有：变频器输出上限频率、变频器输出下限频率、调节阀。 数字量输出有：温度上限报警、混合煤气压力报警指示灯、报警电铃、 CO 浓度上限报警指示灯。 表 . I/O口地址分配 输入信 号 名 称 I/O 口分配 输出信号 名 称 I/O 口分配 1 启动 1 混合煤气压力报警指示灯 2 停止 2 温度上限报警指示灯 3 消铃按钮 3 CO浓度报警指示 灯 4 试灯按钮 4 报警电铃 5 高炉煤气流量 AIW0 5 变频器输出上限频率 AOW2 6 焦炉煤气流量 AIW2 6 变频器输出下限频率 AOW4 7 混合煤气压 力 AIW4 调节阀 AOW6 8 混合煤气温 度 AIW6 9 CO 的浓度 AIW8 （ 2） I/O 口 统计 初步估计数字量 I/O 点数为 4 个输入和 4 个输出点数，模拟量 I/O 点数攀枝花学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 14 为 5个输入和 2个输出点数 .为了随时增加控制功能，增加 10%的备用量： 数字量输入量点数： 4x（ 1+10%） =5 数字量输出量点数： 4x（ 1+10%） =5 模拟量输入量点数： 5x（ 1+10%） =6 模拟量输出量点数： 3x（ 1+10%） =4 CPU 及扩展模块的选择 西门子公司的 S7200 PLC 是一种叠装式结构的小型 PLC，它指令丰富、功能强大、结构紧凑、便于扩展、可靠性高。 从 CPU 模块的功能上来讲， S7200 系列 PLC 具有以下五种不同结构配置的CPU 单元。 （ 1） CPU 221 有 6 输入 4输出，无扩展，存储量小，有一定的高速计数能力，适合于点数少的控制系统 （ 2） CPU 222 有 8 输入 6 输出，可以进行模拟量的控制和两个模块的扩展，应用更广泛的全功能控制器。 （ 3） CPU 224 有 14 输入 10 输出，有 7 个扩展模块，内置时钟，拥有模拟量处理和高速计数处理的能力，是 S7200 系列中使用最多的产品 （ 4） CPU 224XP 是最新推出的一款实用机型，最大的不同是主机上增加了 2输入 1 输出的模拟量单元和一个通信口，适合有少 量模拟信号的系统中使用 （ 5） CPU226 有 24 输入 16 输出，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，用于点数较多，要求较高的小型和中型控制系统。 综上所述，我们选择 CPU 224， EM235 模拟量输入和 EM235 模拟量输出。 本设计的 PLC 选择的 CPU 224 的传感器电源 24V(DC)可以输出 600ma 电流。 PLC 的外部接线图 由 I/O 的分配地址可知， PLC 的外部接线图如图所示。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 15 图 PLC的外部接线图 煤气加压机的选型 煤气 加压 机主要用于煤气的输送 ,加压等等用途。 有单 级、多级、增速等多种形式， 对于加压 机的选择主要 是 根据用户所需煤气压力的要求及功率、性价比来决定 的。 经综合考虑，本系统选择 D20032 煤气加压站专用型 离心鼓风机。 本 加压机 为单吸双支撑结构，鼓风机与液力偶合器、液力偶合器与电动机通过联轴器直联传动，从电动机端看，风机转子为顺时。