【文章內容簡介】 大時，控制回路就能馬上調節(jié)過來；當系統(tǒng)的調節(jié)量不夠時，偏差繼續(xù)增大，這時死區(qū)大的手動操作器立刻動作，繼而加大調節(jié)力度，使系統(tǒng)迅速回到穩(wěn)定的狀態(tài)上來。當系統(tǒng)的偏差很大時，就會出現(xiàn)超出二者死區(qū)范圍的現(xiàn)象，則二閥同時動作，使偏差迅速減小到一定范圍，此時死區(qū)大的調節(jié)閥停止動作，死區(qū)小的調節(jié)閥進一步精確調節(jié)。 熱值調節(jié)回路的工作流程：當混合煤氣流經熱值調節(jié)回路時，焦爐氣調節(jié)器動作，通過控制閥門的開度來調節(jié)焦爐煤氣的流量，同時焦爐煤氣的流量又對焦爐氣調節(jié)器造成一個負反饋調節(jié)的效果，另一方面輸出的熱值又 經過熱值儀的檢測，對熱值調節(jié)器起到負反饋調節(jié)的作用。流量調節(jié)是這一回路的關鍵。通過串級熱值調節(jié)回路的控制，最終使高、焦煤氣的配比達到規(guī)定的值。 混壓調節(jié)回路 煤氣混合后的壓力調節(jié)在實際中 既能影響混合煤氣的熱值，又能影響其加壓后的壓力。可以說，混合煤氣的壓力調節(jié)不到位，則熱值調節(jié)和擠壓后的壓力調節(jié)都無從談起。本次設計回路為串級調節(jié)系統(tǒng)，通過建立數(shù)學模型來模擬隨著高攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 控制系統(tǒng)設計 9 爐、焦爐煤氣氣源壓力波動而自動設定混合后煤氣的壓力值，另一方面，又由上、下限幅調節(jié)使工藝操作變得更加簡便快捷。通過這一回路的調節(jié)，機前混 和壓力能夠隨高、焦煤氣壓力波動而自動調整，保證了焦爐煤氣的配比值，也保證了機前壓力變化范圍不至于太大，同時減少了對加壓機后出口壓力的干擾。 如圖所示，為混壓調節(jié)的框圖。 圖 混壓調節(jié)回路框圖 可以說，控制好了高爐煤氣進料的閥門，就相當于混合壓力調節(jié)成功了一半。和熱值調節(jié)回路一樣，本回路也采用了一臺調節(jié)器控制兩臺電動閥的方式，減少了其它無關因素的干擾。 混壓調節(jié)回路的工作流程：當混合煤氣流經混壓調節(jié)回路時，由于我們設置了壓力調節(jié)值，如果壓力值過高或過低，通過變送器的檢測，繼而使調節(jié)器動作，通過控制 閥門的開度，來保證壓力的穩(wěn)定，另一方面壓力變送器又將檢測結果反饋給控制系統(tǒng)，從而達到對壓力的調節(jié)，最終使混合煤氣的加壓壓力達到一個穩(wěn)定的值。 出口壓力（變頻）調節(jié)回路 混合煤氣經加壓后，出口壓力也是用戶氣源的主要質量指標之一。用變頻器來控制加壓機是節(jié)能并且成熟的應用。本回路為一定值單回路調節(jié)系統(tǒng)，其設定值為 13kpa，當加壓后出口壓力升高或降低時，就增大或減小變頻器的輸出頻率，從而改變加壓機的轉速。在 PLC 上設置了最高、最低運行頻率，從而保證出口壓力不至于太高或太低。這兩個頻率運行下限是保證加壓 機設備安全、用戶正常生產的必備條件。 在煤氣加壓控制系統(tǒng)中，壓力傳感器將壓力轉換成標準量程的電流或電壓后送給模擬量輸入模塊，經 A/D 轉換后得到與壓力成比例的數(shù)字量， CPU將它與壓力設定值比較，并按控制規(guī)律對誤差進行計算，將運算結果送給模擬量輸出模塊，經 D/A 轉換后變?yōu)殡娏骰螂妷盒盘?，用來控制變頻器的頻率，進而控制加壓機電機的轉速，實現(xiàn)對煤氣加壓系統(tǒng)的控制 。 在這一回路中，我們加入了 PID 調節(jié)器。 PID 調節(jié)是比例、微分、積分調節(jié)的縮寫，其廣泛應用在閉環(huán)控制系統(tǒng)中。其中，比例調節(jié)作用大，能夠加快調節(jié)，攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 控制系統(tǒng)設計 10 但是過大的 比例反而會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低；積分調節(jié)，能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高誤差度，其輸出值常為定值，其調節(jié)作用與時間積分常數(shù) t 有關；微分調節(jié)常反應系統(tǒng)偏差信號的變化率，能產生超前的控制作用。其調節(jié)的優(yōu)點： 1.不需要被控對象數(shù)學模型。 。 ，便于實現(xiàn)。 其 控制結構圖如下： P I D 調 節(jié) 變 頻 器 加 壓 機 電 機壓 力 變 送 器用 戶 設 定 壓 力 值 出 口 壓 力 圖 出口壓力調節(jié)控制框圖 出口壓力（變頻）調節(jié)回路的工作流程：當混合煤氣流經出口壓力（變頻）調節(jié)回路時，由于我們設置了壓力調節(jié)值，如果壓力值過高或 過低，通過變送器的檢測，將測的量送給模擬量輸入模塊，經過轉換變?yōu)殡娏骰螂妷盒盘?，繼而使變頻器動作，通過改變變頻器的頻率，來控制加壓機的轉速，最終實現(xiàn)對壓力的精確控制。 出口壓力（泄放）調節(jié)回路 這又是一種對出口壓力調節(jié)的方式。本設計回路為一定值單回路調節(jié)系統(tǒng)。我們把其值設定的比壓力變頻調節(jié)的值稍高一些，為 14Kpa。隨著出口壓力升高或降低時，增大或減小泄壓閥的開度，達到用泄放的手段來求得壓力穩(wěn)定的效果。 設計框圖如下圖所示： 圖 出口壓力（泄放）調節(jié)控制框圖 這樣做的好處就是，在調節(jié) 過程中，不會出現(xiàn)即保持加壓機轉速較高，又使泄放閥在一定的開度狀態(tài)下的問題，同時這也就是為什么同樣是壓力調節(jié)，而它們的值設置的不一樣的原因。 出口壓力（泄放）調節(jié)回路的工作流程：當混合煤氣的流量減小到某個值（喘振工況）時，這時，加壓機的出口壓力會大幅度降低，但是整個煤氣管網中的壓力不會一下子就跟著減小，也就是出現(xiàn)了一邊壓力大，一邊壓力小這種壓力不平攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 控制系統(tǒng)設計 11 衡的情況，管網中壓力較大的氣體就會倒流到加壓機，直到管網中的壓力和加壓機出口壓力相等時，才停止倒流。接著，加壓機向管網供氣，將倒流的氣體壓出去，然后，加壓機的壓力再 次減小。如此循環(huán)往復，整個加壓系統(tǒng)出現(xiàn)周期性的壓力波動和氣流震蕩的現(xiàn)象。通過本回路的設計，當壓力變送器檢測到壓力值與我們設定的值不一樣時，然后泄放閥動作，通過閥門的開度來通過改變煤氣流量，以至于達到兩者壓力相等的情況，避免了加壓機的“喘振”現(xiàn)象出現(xiàn)。 綜上所述，通過此回路的調節(jié)，使得加壓機的轉速不會過高，避免出現(xiàn)加壓機的“踹振”現(xiàn)象，延長了加壓機的使用壽命。 蝶閥的設計 由于混合煤氣加壓過程復雜、氣源壓力波動范圍大、加壓機轉速的改變、蝶閥開度的調節(jié)都將影響煤氣的壓力 。所以，蝶閥設計的好壞，就成為 能否保證煤氣壓力合格的重要條件。 在本次控制系統(tǒng)設計中，使用了蝶閥組來調節(jié)煤氣的熱值比?？刂圃O計推導如下： 圖 焦爐煤氣壓力 — 流量過程圖 在圖中， P0 為 1蝶閥前煤氣的壓力值， P1 為 2蝶閥前煤氣的壓力值， P2 為2蝶閥后煤氣的壓力值， H 為焦爐管道煤氣流量， U U2 分別為 1蝶閥和 2蝶閥的開度。 根據(jù)公式可得，壓力 — 流量這一過程可以描述為： 當兩個回路都處于開環(huán)狀態(tài)下， H對 U1的增量即第一放大系數(shù)為： 當壓力回路閉合時， H 對 U1 的偏導數(shù)即第二放大系數(shù)為： 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 控制系統(tǒng)設計 12 相對增益為： 同樣可以得出： U2 對流量 H 的增益 λ 12 如果用 P1 來表示壓力 — 流量，則 最終，我們可以得到此壓力 — 流量系統(tǒng)的相對增益為 當 P1≈ P2，則相對增益矩陣無限接近于單位矩陣，說明用閥 1 去控制流量，閥 2去控制 P1 壓力是符合要求的。 當 P1≈ P0，說明用閥 2 去控制流量，閥 1 去控制 P1 壓力是符合要求的。 當 P1≈（ P0P2） /2，則說明同時調節(jié)閥 1 和閥 2能達到比較好的效果。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 13 4 系統(tǒng)硬件設計 本次 控制系統(tǒng) 設計中硬件包括 PLC、加壓 機、變頻器、變送器、傳感器等部分 。 PLC 的選型 I/O 口地址的分配 （ 1）輸入輸出信號的分析 根據(jù)上述設計方案，本次設計的模擬量輸入信號：高爐煤氣的流量、焦爐煤氣的流量、混合煤氣的溫度、混合煤氣的壓力、 CO 的濃度。 數(shù)字輸入量有：系統(tǒng)的啟動、系統(tǒng)的手動停止、消鈴按鈕、試燈按鈕。 模擬量輸出信號有：變頻器輸出上限頻率、變頻器輸出下限頻率、調節(jié)閥。 數(shù)字量輸出有：溫度上限報警、混合煤氣壓力報警指示燈、報警電鈴、 CO 濃度上限報警指示燈。 表 . I/O口地址分配 輸入信 號 名 稱 I/O 口分配 輸出信號 名 稱 I/O 口分配 1 啟動 1 混合煤氣壓力報警指示燈 2 停止 2 溫度上限報警指示燈 3 消鈴按鈕 3 CO濃度報警指示 燈 4 試燈按鈕 4 報警電鈴 5 高爐煤氣流量 AIW0 5 變頻器輸出上限頻率 AOW2 6 焦爐煤氣流量 AIW2 6 變頻器輸出下限頻率 AOW4 7 混合煤氣壓 力 AIW4 調節(jié)閥 AOW6 8 混合煤氣溫 度 AIW6 9 CO 的濃度 AIW8 （ 2） I/O 口 統(tǒng)計 初步估計數(shù)字量 I/O 點數(shù)為 4 個輸入和 4 個輸出點數(shù)，模擬量 I/O 點數(shù)攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 14 為 5個輸入和 2個輸出點數(shù) .為了隨時增加控制功能，增加 10%的備用量： 數(shù)字量輸入量點數(shù)： 4x（ 1+10%） =5 數(shù)字量輸出量點數(shù)： 4x（ 1+10%） =5 模擬量輸入量點數(shù)： 5x（ 1+10%） =6 模擬量輸出量點數(shù)： 3x（ 1+10%） =4 CPU 及擴展模塊的選擇 西門子公司的 S7200 PLC 是一種疊裝式結構的小型 PLC，它指令豐富、功能強大、結構緊湊、便于擴展、可靠性高。 從 CPU 模塊的功能上來講， S7200 系列 PLC 具有以下五種不同結構配置的CPU 單元。 （ 1） CPU 221 有 6 輸入 4輸出，無擴展，存儲量小，有一定的高速計數(shù)能力，適合于點數(shù)少的控制系統(tǒng) （ 2） CPU 222 有 8 輸入 6 輸出，可以進行模擬量的控制和兩個模塊的擴展，應用更廣泛的全功能控制器。 （ 3） CPU 224 有 14 輸入 10 輸出，有 7 個擴展模塊，內置時鐘，擁有模擬量處理和高速計數(shù)處理的能力，是 S7200 系列中使用最多的產品 （ 4） CPU 224XP 是最新推出的一款實用機型，最大的不同是主機上增加了 2輸入 1 輸出的模擬量單元和一個通信口，適合有少 量模擬信號的系統(tǒng)中使用 （ 5） CPU226 有 24 輸入 16 輸出，增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強，用于點數(shù)較多，要求較高的小型和中型控制系統(tǒng)。 綜上所述，我們選擇 CPU 224， EM235 模擬量輸入和 EM235 模擬量輸出。本設計的 PLC 選擇的 CPU 224 的傳感器電源 24V(DC)可以輸出 600ma 電流。 PLC 的外部接線圖 由 I/O 的分配地址可知， PLC 的外部接線圖如圖所示。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 15 圖 PLC的外部接線圖 煤氣加壓機的選型 煤氣 加壓 機主要用于煤氣的輸送 ,加壓等等用途 。 有單 級、多級、增速等多種形式， 對于加壓 機的選擇主要 是 根據(jù)用戶所需煤氣壓力的要求及功率、性價比來決定 的 。經綜合考慮，本系統(tǒng)選擇 D20032 煤氣加壓站專用型 離心鼓風機。 本 加壓機 為單吸雙支撐結構，鼓風機與液力偶合器、液力偶合器與電動機通過聯(lián)軸器直聯(lián)傳動，從電動機端看，風機轉子為順時