氯堿生產乙炔發生裝置控制項目五氯堿生產乙炔發生裝置控制任務一氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝技能點訓練壓力傳感器的安裝與調校方法知識點1.氯堿生產乙炔發生裝置生產線流程圖2.氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求及控制參數一、任務目的1.學習壓力傳感器的基本知識2.學習氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求圖5-1二.任務實施步驟及工藝要求1.氯堿生產乙炔發生裝置生產線流程圖乙炔也叫電石氣，用途很廣，主要用于制造有機化合物。還可用于金屬切割、焊接及金屬表面噴鍍、熱處理等。乙炔生產設備對電氣自動化控制技術和安全技術的要求很高，它既有開關量信號又有模擬量信號的控制。本課題就是針對乙炔生產設備的生產工藝控制要求采用PLC技術實現乙炔生產過程控制系統。可使乙炔生產設備控制精度、工作可靠性、穩定性、快速性以及安全生產保障性明顯高于傳統的繼電接觸器和單獨的儀表控制與調節技術。使生產效益大大地提高。生產線流程圖如圖5-1所示。2.工藝控制要求和控制參數生產工藝流程圖如圖5-2所示。

1）電石由遙控天車在電動葫蘆（30噸）帶動下，由天車運送到加料斗正上方，（此過程由控制室內攝相機觀察，由操作員用按鈕手動阿控制完成），到位后手動按下按鈕SB1，電磁閥F1為ON，將電石加入上菱形料斗中，30S后F1為OFF。2）初始時系統各個開關和電磁閥均為OFF。系統開始工作，先手動打開閥門F8。3）按下啟動按鈕SB2，電磁閥F7為ON，向乙炔發生器反應釜中注水，當水位達到反應釜內低水位開關KL（40%水位）時，仍繼續注水，當水位達到反應釜高水位開關KH（80%水位）時，F7為OFF。在反應中，當水位低于KL時，F7又為ON，再次向反應釜內自動注水。反應釜中水溫控制在85℃攝氏度，達到85℃攝氏度時，溫度傳感器開關KT為ON，打開排渣電磁閥F9，同時又啟動F7供冷水降溫，當水溫低于85℃攝氏度后，KT為OFF，關閉F9，當反應釜內水位再次達KH時，F7為OFF。4）按下啟動按鈕SB3，排空電磁閥F3和充氮電動調節閥F2為ON，向上菱形料斗充氮氣并排出空氣，其內部壓力經電動調節閥F2的PID調節達到5KP后，壓力繼電器KP為ON，再延時10min，自動關閉F3和充氮電動調節閥F2，在顯示器上顯示上菱形料斗內正壓條件成立，可以打開電磁閥F4。5）按下按鈕SB4，打開電磁閥F4，將電石由上料斗加入下菱形料斗為加入乙炔反應釜做好準備。6）電石由下菱形料斗進入電動篩子（振動），按下按鈕SB5，電動篩子電動機M的控制接觸器KM為ON，電動篩子運行將振碎的電石加入反應釜中與水反應產生乙炔氣，5S后電磁閥F5為ON，將反應釜中的一部分乙炔氣送到儲氣柜，另一部分乙炔氣供給下一步工序繼續反應，反應釜產生的乙炔氣壓力范圍為5~17.5KP。7）停止時,先手動關閉F8水閥再按下停止按鈕SB5,F7為OFF,F4為OFF,電動篩子KM為OFF。30S后F5為OFF,同時F9為ON,30S后反應釜中電石水渣排空,F9為OFF。3.壓力傳感器在乙炔上菱形料斗中部安為裝一壓力檢測變送器以檢測充入其中氮氣的壓力，根據工藝要求選擇型號為SWP-T201R1F2A10擴散硅通用壓力傳感器。其測量壓力與輸出電流信號關系曲線如圖5-3所示。圖5-3三、相關知識與技能電子感測技術的基礎知識1.傳感器的定義和組成（1）傳感器：以一定精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的，便于應用的某種物理量的測量裝置。（2）傳感器的組成：如圖5-4所示。圖5-41——殼體；2——膜盒（敏感元件）；3——電感線圈（轉換元件）；4——磁芯；5——轉換電路氣體壓力傳感器的組成如圖5-5所示。圖5-52.傳感器的分類（1）按傳感器的工作機理，可分為物理型、化學型、生物型等。（2）按傳感器的構成原理，可分為結構型與物性型兩大類。（3）根據傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉換型傳感器。（4）按照物理原理分類，可分為：電參量式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、熱電式傳感器、波式傳感器、射線式傳感器、半導體式傳感器、有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復合形式，如不少半導體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。（5）按照傳感器的用途來分類，例如位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器等。（6）根據傳感器輸出是模擬信號還是數字信號，可分為模擬傳感器和數字傳感器。（7）根據轉換過程可逆與否，可分為雙向傳感器和單向傳感器等。3.傳感器的一般要求:傳感器的工作可靠性、靜態精度和動態性能是最基本的要求。4.傳感器的基本特性靜態特性：被測量不隨時間變化或變化很慢時，檢測系統的輸入和輸出量都與時間無關。動態特性：輸入量和輸出量都隨時間變化較快，是一個含有時間變量的微分方程式。檢測系統對快速變化的被測量的響應特性稱為動態特性。5.轉換特性分為直線型、階梯型、對數和指數型，如圖5-6所示。圖5-66.選用傳感器的要點了解被測對象了解主要指標選用方法環境情況測量方式測量范圍安裝要求輸出要求測量精度（誤差范圍）靈敏度分辨率可靠性先進性性價比側重最主要指標進行選擇折中方法，兼顧兩個以上指標或性價比采用傳感器的融合技術，減小誤報河漏報四、拓展與提高壓力傳感器原理及應用1.應變片壓力傳感器原理與應用應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。電阻應變片的工作原理金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情況。2.陶瓷壓力傳感器原理及應用陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號強，長期穩定性好。3.擴散硅壓力傳感器原理及應用工作原理被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。4.藍寶石壓力傳感器原理與應用利用應變電阻式工作原理，采用硅-藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起，起到了彈性元件的作用，將被測壓力轉換為應變片形變，從而達到壓力測量的目的。5.壓電壓力傳感器原理與應用壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。任務二PLC模塊選型與PLC輸入輸出分配技能點訓練西門子S7-300PLC的硬件組態安裝知識點1.根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求對PLC模塊選型2.根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求確定PLC輸入輸出分配

一、任務目的1.學習S7-300PLC的常用模塊基本知識2.學習根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求正確對PLC輸入輸出地址分配二、任務實施步驟及工藝要求1.S7-300PLC的常用模塊基本知識及選型（1）CPU模塊簡述S7-300有CPU312IFM、CPU313、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8種不同的中央處理單元，根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求對PLC的CPU模塊選型為：CPU315-2DP。（2）數字量模塊1）數字量輸入模塊SM321數字量輸入模塊將現場過程送來的數字信號電平轉換成S7-300內部信號電平。數字量輸入模塊SM321有四種型號模塊可供選擇，根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求對PLC數字量輸入模塊選型為：SM321直流16點輸入、24V。2）數字量輸出模塊SM322

數字量輸出模塊SM322將S7-300內部信號電平轉換成過程所要求的外部電平信號，它包括可控硅輸出方式、晶體管輸出方式和繼電器輸出方式。根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求對PLC數字量輸出模塊選型為：SM322繼電器觸點輸出方式的16點、交流220V的模塊。（3）模擬量模塊1）模擬量值的表示方法

S7-300模擬量輸入模塊以直接輸入電壓、電流、電阻熱電偶等信號，而模擬量輸出模塊可以輸出0-10V，1-5V，0-20mA，4-20mA，-20—20mA等模擬信號。2）模擬量輸入模塊SM331

模擬量輸入模塊SM331目前有三種規格型號，即8AIX12位模塊，2AIX12位模塊和8AIX16位模塊。根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求對PLC模擬量輸入模塊選型為：SM331，2AIX12位模塊。3）模擬量輸出模塊SM332

模擬量輸出模塊SM332目前有三種規格型號，即4AO×12位模塊、2AO×12位模塊和4AO×16位模塊，根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求對PLC模擬量輸出模塊選型為：SM332，2AOX12位模塊。（4）PS307電源模塊

PS307是西門子公司為S7-300專配的24VDC電源。PS307系列模塊除輸出額定電流不同外（有2A、5A、10A三種），其工作原理和各種參數都相同。根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求對PLC電源模塊選型為：PS307，10A模塊。2.PLC輸入輸出地址分配根據任務一的乙炔生產工藝控制要求分析可知,控制系統選用S7-300PLC，控制系統共有9個開關量輸入點,系統共有7個開關量輸出點,系統只有一個模擬量輸入點,來自2線制變送器;系統只有一個模擬量輸出點,用來控制電動調節閥F2的開度,調節閥要求4~20mA的標準信號,選用模擬量輸入（AI）模板SM331（2AI*12位）和模擬量輸出（AO）模板SM332（2AO*12位）。I/O接線I/O配線是指可編程序控制器的輸入/輸出連接，也是可編程序控制器外部接線圖。I/O接線圖如圖5-6所示。圖5-6三、相關知識與技能安裝一個典型的S7-300PLC硬件系統安裝步驟：①對照部件清單檢查部件是否齊備；②安裝導軌③安裝電源④把總線連接器連到CPU，并安裝模塊；⑤把總線連接器連到I/O模塊，并安裝模塊；⑥連接前連接器，并插入標簽條和槽號；⑦給模塊配線（電源，CPU和I/O模塊）。四、拓展與提高PLC的選型、安裝與調試能力1.PLC機型選擇2.PLC的安裝和維護任務三氯堿生產乙炔發生裝置PLC控制系統程序設計一、任務目的1.學習S7-300PLC的控制系統程序設計2.學習PLC壓力PID調節編程知識點1.根據氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求對PLC控制系統程序設計2.學會PLC壓力PID調節編程技能點1.訓練S7-300PLC的PID調節在乙炔發生裝置控制中的應用2.訓練S7-300PLC的控制程序調試二、任務實施步驟及工藝要求1.S7-300PLC的控制系統程序依據任務一中的氯堿生產乙炔發生裝置生產工藝控制要求和任務二中的輸入/輸出地址分配應用S7-300PLC的指令系統可得到控制系統程序。2.STEP7創建一個工程（向導法和添加硬件法）1）向導法：首先雙擊桌面上的STEP7圖標，進入SIMATICManager窗口，進入主菜單【File】，選擇【’NewProject’Wizard…】，彈出標題為“STEP7Wizard：NewProject”（新項目向導）的小窗口）。2）

添加硬件法：進入主菜單【File】，【選擇New…】，在彈出對話框中分別輸入“文件名”、“目錄路徑”等內容，并確定，完成一個空項目的創建工作。硬件組態1）硬件組態的任務：在STEP7種生成一個與實際的硬件系統完全相同的系統2）硬件組態的步驟①生成站，雙擊Hardware圖標，進入硬件組態窗口；②生成導軌，在導軌中放置模塊；③雙擊模塊，在打開的對話框中設置模塊的參數，包括模塊的屬性和DP主站、從站的參數；④保存編譯硬件設置.導軌上模塊安放順序：通常1號槽放電源模塊，2號槽放CPU，3號槽放接口模塊（使用多機架安裝，單機架安裝則保留），從4到11號則安放信號模塊（SM、FM、CP）。⑤下載硬件組態信息3.使用仿真軟件調試程序的步驟①在STEP7編程軟件中生成項目，編寫用戶程序。②點擊STEP7的SIMATIC管理器工具條中的【Simulationon/off】按鈕，打開S7-PLCSIM窗口，窗口中自動出現CPU視圖對象。③在S7-PLCSIM窗口中用菜單命令“PLC”→“PowerOn”接通仿真PLC的電源；在CPU視圖對象中點擊STOP小框，令仿真PLC處于STOP模式。執行菜單命令“Execute”→“ScanMode”→“ContinuousScan”,令仿真PLC的掃描方式為連續掃描。④在SIMATIC管理器中打開要仿真的用戶項目，選中“塊”對象，點擊工具條中的下載按鈕，將塊對象下載到仿真PLC中。⑤執行菜單命令“Insert”→“InputVariable”（插入輸入變量），創建輸入IB字節的視圖對象。⑥用視圖對象來模擬實際PLC的輸入/輸出信號，用它來產生PLC的輸入信號，或通過它來觀察PLC的輸出信號和內部元件的變化情況。4.輸入、調試和運行程序（1）在計算機上采用Step7梯形圖編程軟件，編制控制梯形圖，然后下載到PLC。（2）將PLC與PLC的調試單元輸入、輸出和M連接好，用實驗導線插接到仿真控制實驗板上，用實驗導線插接PLC調試單元的輸入輸出M和+24V直流電源端。（3）按下PLC調試單元上的啟動按鈕SB1，發光二極管應按控制要求工作，如不是按控制要求動作，應檢查程序并進行修改，直到調試正確為止。注意事項：1）PLCI/O接線和拆線應在斷電情況下進行（即先接線，后上電；先斷電，后拆線）。2）實驗板上的插接線不要插錯或短路。3）調試中如PLC的CPU狀態指示燈報警，應分析原因，排除故障后再繼續運行程序。4）操作中應穿絕緣鞋，遵守電工操作規程。三、相關知識與技能（一）數字PID控制原理PID控制包含有比例（P）、積分（I）、和微（D）三種控制規律。由這三種規律可以組成比例（P），比例、積分（PI）控制器以及比例、積分、微分（PID）控制器等。他們都是線形控制器，其作用是按偏差的比例，或比例加積分，或比例加積分加微分形成控制量，去控制被控制對象，使被控對象趨于穩定。這里偏差是系統給定值r（t）與被控參數的實際輸出c（t）之差[e（t）=r（t）-c（t）]。比例、積分、微分（PID）控制器主要包括比例、積分、微分三部分。1．比例（P）控制2．積分（I）控制3．微分（D）控制以二階系統對階躍信號的響應曲線說明PID控制器的調節作用，如圖5-8。圖5-8PID是應用最廣泛的閉環控制器。如本項目中所示系統就是用于乙炔生產線的PID閉環控制系統，該系統的目標設定值為期望的壓力值5Kpa，閉環控制器的反饋值通過傳感器（壓力變送器）測得，并經A/D變換轉換為數字量；目標設定值與變送器的反饋信號相減，其差送入PID控制器，經比例、積分、微分運算，得到疊加的一個數字量；該數字量經過上限、下限限位處理后進行D/A變換，輸出一個電流信號去控制電動調節閥的開度，并進而控制進入上料斗的氮氣壓力，以控制乙炔氣體的輸出量改變罐中的乙炔質量。該系統的PID控制器采用編程的方法生成一個數字PID控制器。同時，其它功能如A/D、D/A都由PLC實現，變送器的反饋信號直接送PLC采集，控制電動調節閥的電流信號也由PLC送出，去控制電動調節閥的開度，進而控制電石、水和一些輔助氣體的輸出量，從而達到控制罐內壓力的目的。（二）常用的數字PID控制系統在控制工程中，常用的數字PID控制系統有以下幾種類型。1．單回路控制系統系統中只有一個PID控制器。2．串級控制系統系統中有兩個PID控制器，分別是主控制器和副控制器。主控制器的輸出控制量作為副控制器的輸入給定量。3．前饋-反饋控制系統系統的主要擾動作用，通過前饋補償器的輸出，與系統的反饋控制器的輸出相疊加。4．純滯后補償控制系統在工業過程控制中，對象的純滯后性質，會導致控制作用不及時，引起系統產生超調或者振蕩。為了實現滯后補償，引入一個稱為Smith預估器的補償環節，與PID控制器并接，這就是Smith補償的原理。（三）數字PID控制參數的整定數字PID控制器參數整定的任務主要是確定Kp、Ti、Td和采樣周期T。在控制器的結構形式確定之后，系統性能的好壞主要決定于選定參數是否合理。1.采樣周期的選擇2.PID控制參數的整定（四）PLC應用系統設計的內容和步驟1.系統設計的原則與內容1）設計原則2）設計內容2.系統設計和調試的主要步驟1）深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求2）確定I/O設備3）選擇合適的PLC類型4）分配I/O點5）設計應用系統梯形圖程序6）將程序輸入PLC7）進行軟件測試8）應用系統整體調試9）編制技術文件（五）PLC應用系統的硬件設計1.PLC選型2.PLC容量估算1）I/O點數的估算2）存儲器容量估算3.I/O模塊的選擇1）開關量輸入模塊的選擇2）開關量輸出模塊的選擇4.分配輸入/輸出點1）明確I/O通道范圍2）內部輔助繼電器3）分配定時器/計數器5.安全回路設計設計安全回路的任務包括以下內容：（1）確定控制回路之間邏輯和操作上的互鎖關系；（2）設計硬回路以提供對過程中重要設備的手動安全性干預手段；（3）為PLC定義故障形式和重新啟動特性。（六）PLC應用系統的軟件設計1.PLC應用軟件設計的內容

PLC應用軟件的設計是一項十分復雜的工作，它要求設計人員既要有PLC、計算機程序設計的基礎，又要有自動控制的技術，還要有一定的現場實踐經驗。一個實用的PLC軟件工程的設計通常要涉及以下幾個方面的內容：（1）PLC軟件功能的分析與設計；（2）I/O信號及數據結構分析與設計；（3）程序結構分析與設計；（4）軟件設計規格說明書編制；（5）用編程語言、PLC指令進行程序設計；（6）軟件測試；（7）程序使用說明書編制。2.PLC應用系統的軟件設計步驟1）制定設備運行方案2）畫控制流程圖3）制定系統的抗干擾措施4）編寫程序5）軟件測試6）編制程序使用說明書（七）PLC的程序設計方法