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本科生毕业设计说明书（毕业论文）
题目：电解铝烟气净化控制系统设计
学生姓名：
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指导教师：电解铝烟气净化控制系统
摘要
关键词：
Electrolyticcontrolfluegaspurificationsystem
Abstract
AlargeamountofharmfulgaswillemitInelectrolyticaluminumproductionprocess.thefluegaswhichfilledintheelectrolysiselectrolysisworkshopdeterioratetheworkingconditions,affectthehealthofproductionworkers.Electrolysisgasspreadtothesurroundingofplant,thepollutionoftheatmosphericenvironmentwascausedbyrecurrent.Therefore,itisnecessarytocarryouttreatmentofelectrolyticgas,sothatitcanprotecttheenvironment,butalsorecyclablefluoridesaltandAl2O3,lowerproductioncosts.Inthispaper,wedesignacontrolsystemoffluegaspurification,whichusesaS7-300seriesPLCasthecontroller.Basedontheideaofenvironmentalprotectionandenergysaving,accordingtoprocessofthesystem,forthebagfilterpressure,outletpressureandfreshgascontainingaluminumfluoridelevelofdetectiontocontrolanddesign,inordertoreducethefluegasoftheatmosphericpollutionoftheenvironmentandimprovetherecoveryefficiency,toimprovethetheworkenvironmentoftheelectrolyticproduction.
Keywords:aluminum;fluegaspurification;PLCcontrol
目录
摘要 I
Abstract II
第一章引言 1
1.1系统设计背景 1
1.1.1课题来源 1
1.1.2研究的目的和意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
第二章电解铝烟气净化系统 6
2.1电解铝生产的工艺特点 6
2.2净化工艺流程 7
2.3净化系统组成 9
2.3.1文丘里反应器 9
2.3.2脉冲袋式除尘器 9
2.3.3气力提升机 10
2.3.4风动溜槽 11
2.4净化控制技术综述 11
2.4.1自动控制方式选择 11
2.4.2净化方式选择 15
第三章系统设计 17
3.1系统控制原理及目标 17
3.1.1控制原理 17
3.1.2控制目标 19
3.2压力检测 19
3.3物位检测 20
3.4温度检测 21
第四章硬件设计 23
4.1PLC选型 23
4.1.1SIMATICS7—300PLC简介 23
4.1.2S7—300的组成部件 24
4.2模块选择 25
4.2.1CPU模块 25
4.2.2数字量输入模块 26
4.2.3模拟量输入模块 26
4.2.4数字量输出模块 27
4.2.5电源模块 27
4.2.6通信模块 28
4.3执行器 29
4.3.1执行器简介 29
4.3.2执行器选型 29
第五章软件设计 31
5.1STEP7论述 31
5.1.1STEP7简介 31
5.1.2STEP7的功能 32
5.2PLC的I/O地址分配 33
5.3系统程序流程图 34
5.4软件编程 40
5.4.1项目创建 40
5.4.2硬件组态 41
5.4.3定义符号表 42
5.4.4编程界面 43
结束语 44
参考文献 45
附录 47
致谢 64
引言
本课题“电解铝烟气净化控制系统”，其控制对象是电解铝烟气干法净化系统。目的是减少烟气对大气环境的污染，提高回收效益，改善电解铝生产车间的工作环境。
研究的目的和意义
环境的持续恶化，正逐步制约着经济的持续发展和人民生活的不断提高，环境保护的迫切性在逐渐增强。伴随铝电解产生的烟气含有大量的粉尘和有毒有害气体。粉尘如：氧化铝、炭粒和冰晶石等；气体如：氟化氢（HF）及阳极效应生成的CF4与C2F6等。这些气体，弥漫在电解车间，恶化劳动生产条件，严重影响生产工人的身体健康；若不经过净化处理排放到大气中，则会造成气候变暖，特别是CF4/C2F6使全球变暖趋势，分别是CO2的6500/9200倍，严重地影响我们的生存环境。对于固体悬浮物的回收与废气的处理，不同的电解铝厂所用的净化系统一般不同。有些工厂只是单纯地回收了有用的固体悬浮物，对产生的气体却无法处理。基于PLC控制（可编程序控制）的烟气净化自动控制系统，就是一种既可回收固体悬浮物又可有效处理废气的自动控制系统。
若电解烟气不经收集净化而直接排放，将会对大气环境和周边土壤造成经常性污染，因此必须对电解烟气进行治理并回收氟化盐和氧化铝。
国内外研究现状
由于计算机、变频器和传感器等技术在净化控制系统中的应用，美国、加拿大以及德国等几个少数发达国家的净化控制水平较高，其中美国处在国际领先水平。我国的铝冶炼工业在近几十年迅猛发展，但对净化控制技术的研究却相对滞后。下面将对国内外的铝电解烟气净化控制研究现状进行分析。
国外研究现状
自60年代计算机进入工业应用领域后，美国、加拿大、德国等产铝大国，纷纷将计算机控制技术应用到铝冶炼过程中，使铝冶炼企业从设计、建设、生产到指标优化等方面逐步取得了进展，特别是从二十世纪八十年代开始更是发展迅速。然而，铝电解烟气净化问题的研究还是相对滞后，如大型风机采取直接启动，风量无法调节。近几年，迫于强大的环境政策的压力，发达国家铝冶炼企业向两个方向发展，一方面是提高烟气净化的控制技术和能力；另一方面，采取关闭本国的铝冶炼企业，将其技术设备输送给一些发展中国家，将污染转移，他们再从这些国家进口半成品，因此，对铝电解烟气净化控制方面的研究受到制约。以下就铝电解烟气净化问题对国际上几个知名铝厂进行介绍。
(1)瑞典格拉吉斯(Granges)铝厂
该厂目前有预焙和上插自焙两种电解槽，共有两个电解铝生产系列，一系列拥有预焙阳极电解槽56台，二系列拥有上插棒自焙阳极电解槽262台。预焙槽与自焙槽烟气由管道引出各自厂房外，再汇入统一管道混合，进入干法烟气净化装置。该系统中，在袋式除尘器前加有干式电除尘器，以预先除去粉尘和冷凝焦油，这样使干法净化回收的载氟氧化铝不含碳，其他杂质含量也很低。该净化控制系统自动化程度比较先进，采用上位机对各运行参数进行监控，能及时反映各工艺部位的工作运行情况，但对设备的运行监控比较落后，有些设备得靠人工巡视。
(2)美铝波特兰(Portland)铝厂
波特兰电解铝厂共有2个电解铝生产系列，4个电解车间，每个车间拥有102台电解槽，共有408台电解槽。预焙槽烟气由管道引出各自厂房外，再汇入统一管道混合，进入干法烟气净化装置，最终尾气用海水喷淋，中和其中的SO2，效果良好。该净化控制系统自动化程度在国际上领先，采用上位机对各运行参数和设备运转情况进行监控，能及时反映各工艺部位的工作运行情况和设备运转状况，且能通过监控室实现对参数的调整。
(3)美国波音电解铝有限公司
波音铝电解1、2系列240台220KA电解槽，产量为29.4万吨/年。3系列为336KA四端进电电解槽120台。全厂共504台电解槽，产量为50万吨。波音铝厂电解生产过程中产生的烟气由管道输送至烟气处理装置中，该厂有六套干法吸收处理装置。在处理工艺中，将新鲜氧化铝加入烟气流中进行吸附反应，氟净化效率最高可达99%，载氟氧化铝返回电解槽使用，净化烟气排入大气。该公司进行电解生产的三条生产线达到了世界上最好的排放标准。该净化控制系统的自动化水平在国际上领先，采用上位机对各运行参数和设备运转情况进行监控，能及时的反映各工艺部位的工作运行情况和设备运转状况，且能通过监控室实现对参数调整。
国内研究现状
最近几年来，在国家加大环境治理力度、提倡绿色生产的环境下，国内铝电解烟气净化控制方面的总体状况得到了很大的改善。前几年的的状况表现在：许多铝冶炼企业只片面追求经济效益，根本就没有烟气净化系统；即使已建立了净化系统的企业，由于投入不足，存在不少问题，归纳为如下几点：
(1)系统监控水平简单，无法满足系统安全平稳运行的需要。
(2)自动化程度远远落后于现代化企业应具备的装备水平，致使系统运行效率低下。大量的巡视检查工作仍依赖人工完成，工人劳动强度大，人力成本难以降低。另外，所有系统运行的工艺参数以及设备运行的状态参数完全依靠人工记录，可靠度不高。
(3)反吹风气缸的电气控制线路故障频繁，成为制约系统运行效率提高的突出问题。除尘器入口阀门为手动操作开关，使除尘器的检查处理极不便利，且无法实现除尘器的单体关闭反吹处理。并且，除尘器反吹风气缸的工作状况没有检测机构，对反吹风气缸的检查处理需要花费大量的人力和时间。
(4)现有的低压配电系统容量不足，需进行扩容改造。
(5)现有系统的净化指标达不到国家标准，大多数企业进行电解系列扩容改造后，没有对净化系统进行相应的改造。近年来，各大小铝厂加强了烟气净化改造力度，并表现出不俗的效果。
以下就以国内几家铝厂为例，对国内的铝电解烟气净化控制现状进行分析。
(1)中铝青海分公司
中国铝业股份有限公司青海分公司是国家重点建设项目。建设规模为年产电解铝20万吨，碳素阳极块12.6万吨，建设总投资23亿元，分两次建设。一期电解厂260台160KA电解槽，建有两套具有八十年代技术水平的电解烟气干法净化系统，该净化系统87年投入运行；二期电解厂260台160KA电解槽同样建了两套干法净化系统，该净化系统1993年投入运行。2000年11月，中国铝业公司整体收购青海海星铝业有限责任公司，并入青海分公司，编为第三电解厂，形成年产25.5万吨电解铝生产能力。第三电解厂108台200KA电解槽建有一套干法净化系统。
(2)焦作万方铝业股份有限公司
焦作万方铝业股份有限公司280KA铝电解产业化示范工程是国家重大科技成果转化项目，1997年12月31日经国家计委批准立项，2000年6月24日开工建设。280KA电解系列投入生产以后，设备运行正常，技术经济指标稳步上升，电解槽无一早期损坏。该槽型在设计、建设和生产过程中吸收了国际、国内近几年的先进技术成果和经验，并达到了新的水平。在设备国产化、工艺生产先进性、环境污染治理、降低工人劳动强度、提高经济效益和社会效益方面，为我国预焙铝电解槽建设提供了成功经验。
电解铝烟气净化系统
要合理、科学和经济地设计电解铝烟气净化控制系统，必须先了解电解铝生产的工艺特点，掌握烟气净化的工艺流程和净化控制的基本要求。
电解铝生产的工艺特点
用电解的方法可以实现许多物质的工业生产。铝电解是迄今规模最大的熔盐电解工业。实现铝电解的电化学装置称为电解槽，它是由外部供给电能在电解质中发生化学反应的装置。
铝电解生产工艺技术条件主要有：系列电流强度、槽电压、电解槽温度、极距、电解质组成、电解质水平、铝液水平、槽底压降以及阳极效应系数等。上述技术条件都是相互影响、相互关联的。总的来说，在一定时期内应尽可能保持相对稳定。
目前，高效能大型预焙铝电解槽的发展十分迅速。90年代，国际上大型预焙铝电解槽电流效率为93%～95%，直流电耗为13200～13400kwh/t—Al的电解系列愈来愈多。在槽型确定的情况下，铝电解工艺技术条件就成为电解技术经济指标的决定性因素。铝电解槽实现氧化铝点式下料和浓度控制技术后，需要一套与此相适应的铝电解工艺技术条件，实现大幅度提高电流效率、降低电耗的目的。自80年代以来，国际上最先进的经济技术指标都是在所谓“四低一高”(即低分子比、低氧化铝浓度、低电解质温度、低阳极效应系数、高极距或称高工作电压)的工艺技术条件下实现的。“四低一高”工艺技术条件的提出，是建立在以“高电流效率求得低电耗”的指导思想基础上的，它彻底改变了国内铝电解传统的“以低槽电压求得低电耗”的工艺技术条件。在“四低一高”工艺技术条件的控制中，低氧化铝浓度和低电解质温度的控制为其核心与关键。近几年，我国大型预焙铝电解槽铝厂都试图采用此工艺技术条件。
净化工艺流程
铝电解生产行业各种类型电解槽的烟气治理一般采用干法净化技术，其主要技术内容是：利用铝电解的生产原料氧化铝粉的表面积大、吸附能力强的特性来吸附烟气中的HF和沥青烟。其吸附过程有化学吸附和物理吸附，HF的化学吸附式为：
Al203+6HF—2AlF3+3H20
HF的吸附效率可达98%～99%，沥青烟的吸附效率在95%以上。载有氟和沥青烟的氧化铝由布袋除尘器分离后供电解使用。回收的氟返回电解槽可补充电解生产过程中损失的氟元素，沥青焦油返槽后可逐步被烧掉。
铝电解车间产生的烟气收集、治理和排放工艺流程如图2.1所示：
图2.1烟气干法净化工艺流程图
干法净化流程主要包括电解槽集气、吸附反应、气固分离、氧化铝输送、机械排风等五个部分。
(1)电解槽集气
电解槽散发的烟气呈无组织扩散状态，为了有效地控制污染，必须对电解槽进行密封。收集的烟气通过电解槽的排烟支管汇到电解厂房外的排烟总管，然后送往净化系统集中处理。
(2)吸附反应
将吸附剂新鲜氧化铝粉加入到电解烟气中，并使之与烟气充分接触而吸附烟气中的氟化氢(HF)，然后送到布袋除尘器袋滤室。
(3)气固分离
吸附后的氧化铝为载氟氧化铝,载氟氧化铝与烟气的分离是由布袋除尘器来完成的。分离下来的载氟氧化铝，一部分作为循环氧化铝继续参与吸附反应，另一部分由氧化铝输送系统送入载氟氧化铝料仓，供电解使用。
(4)氧化铝输送
新鲜氧化铝定量地由新鲜氧化铝料仓排出，经输送风动溜槽给入到文丘里反应器中。吸附后的载氟氧化铝由除尘器的沸腾床的溢流口，经输送风动溜槽及垂直输送气力提升机输送到载氟氧化铝料仓，供电解使用。
(5)机械排风
排风是整个净化系统的主动力源。净化系统的烟气输送、氧化铝输送、除尘器等均在负压状态下操作，不向外界排放污染物。机械排风的设备为罗茨引风机。
电解槽产生的烟气经密闭集气罩收集，通过直径300mm的支烟管进入水平排烟总管到地下烟道，烟气在地下烟道与来自氧化铝储槽下部圆盘给料机的新鲜氧化铝接触混合，经文丘里反应器进行吸附反应后，送到布袋除尘器袋滤室过滤。吸附后的载氟氧化铝由除尘器的沸腾床的溢流口，一部分经输送风动溜槽及垂直输送气力提升机输送到载氟氧化铝料仓，供电解使用，另一部分作为循环氧化铝继续参与吸附反应。净化后的烟气由排烟机抽送到烟囱，排入到大气。
净化系统组成
本次设计采用干法净化，所用主要设备有文丘里反应器、脉冲袋式除尘器、风动溜槽、气力提升机以及引风机等。
文丘里反应器
文丘里反应器是从法国引进翻版改进的国产化设备。其工作原理和特点是烟气向上通过文丘里反应器的喉口时，流速突然增大，形成湍流。在此加入氧化铝，氧化铝与烟气由于湍流而充分混合，进行充分反应，烟气自下而上穿过这层段面与A2lO3接触。A2lO3连续地加入，烟气连续地流过，为烟气和A2lO3提供了均匀接触的机会，完成A2lO3对HF的吸附过程。喉口上方形成的湍流使A2lO3能充满整个管道断面，克服了管道稀相反应器布料不均的缺点，缩短了所需的管道长度，提高了净化效率。这种反应器制造成本低廉，反应效率高，阻力损失较小，达到了节能的目的。
脉冲袋式除尘器
袋式除尘器也称为过滤除尘器，它是利用纤维编织物制作的袋式过滤元件来捕集含尘气体中固体颗粒物的除尘装置。袋式除尘器按其清灰方式不同可分为振动式、逆气流反吹风式、脉冲式、声波式及其复合式等几种类型，其中脉冲清灰袋式除尘器由于其脉冲喷吹强度和频率可以控制，清灰效果好，是当前国内外应用最为广泛的除尘装置。
脉冲清灰袋式除尘器的结构如图所示：
图2.2除尘器
含尘气体从袋式除尘器进口引入后，通过烟气分配装置均匀进入滤袋，在此过程中粉尘即被滤袋的外侧所阻挡，经过净化处理的气体从出口排出，当滤袋表面的粉尘不断增加达到一定厚度，导致设备阻力上升到设定值时，微压差控制器有信号输出。控制仪便发出信号，使喷吹系统工作，电磁脉冲阀打开，此时压缩空气从气包顺序经脉冲阀和喷吹管上的喷咀向滤袋内喷射。在滤袋膨胀产生的加速度和反向气流的作用下。附于袋外的粉尘脱离滤袋落入灰斗，然后由回转排灰阀将粉尘排出。除尘器内的滤袋分为若干组，每组滤袋的喷射时间只需0.2～0.5s左右，一组喷射完毕经过15～30s左右的时间间隔后，接着对下一组进行喷射，全部滤袋喷射完毕至下一周期的时间则根据滤袋数量和积灰情况决定。
气力提升机
我国90年代以前，氧化铝提升多采用压缩空气稀相提升。过去国内载氟氧化铝提升多采用斗式提升机，这种设备投资大，运行维修工作量大且困难，密封性能差，跑、漏氧化铝严重。气力提升机节能显著，可做到连续进料和排料，输送高度15～50m。采用罗茨风机供风无机械运行部件，整个系统是密封的。设备占地面积小，运行可靠。
气力提升机是一种低压吹送的垂直提升气吸式输送设备，可用作粉状物料的运输机械。其工作原理是：靠真空来吸取物料。即当鼓风机工作后，整个系统被抽成一定的真空度，在压力差的作用下，大气中的空气流从物料堆的间隙通过，把物料吸入吸嘴，并沿输料管进入分离器中，在分离器中物料和空气被分离，物料直接从底部卸出，空气进入除尘器，净化以后的空气通过鼓风机排入大气。
气力提升机的优点是结构简单、质量轻、无运动部件、操作维修方便可靠，用于提升高度大于45m以上较为经济。缺点是电耗大，提升高度越低耗电越大。
风动溜槽
风动溜槽可在任何距离间散装地输送干燥松散易流态化的粉状物质输送能力可1500m3/h。粒度大、水分多、流态化性能差的物料不宜选用。该输送装置分为下充气层、中透气层和上输料层由风机给与低压小容量的空气由充气层内透过透气层，使物料流态化，从而实现物料的移动。该装置能耗小、无噪音、无污染、少维修且输送能力大轻便不占用有效空间布线灵活容易改变输送方向。风动溜槽只能在一定角度下向下输送，不能向上输送。风动溜槽的斜度，在工艺布置允许的条件下，采用较大的斜度对输送有利。其斜度一般为4～6%，输送粗料时，斜度不小于10%20年来引进了国外铝电解烟气净化先进技术，取得了良好的经济和社会效益。
自动控制方式选择
DCS与PLC都是应用于自控领域的控制系统。随着工业生产的快速发展，工业自动化程度越来越高，对自动控制系统的可靠性、可操作性的要求越来越高。PLC与DCS无疑是目前自动控制系统中最为流行的两大工具。
基于DCS、PLC的控制系统结构及特点
DCS(DistributedControlSystem)，又称为集中分散型控制系统，简称分散控制系统。DCS是以微处理器为核心，实现地理和功能上相对分散的控制系统，通过数据通道把各个分散点的信息集中起来,进行集中的监视和操作。它具有事故分析、性能计算、历史数据存储、分析、各种报表生成、打印等功能,目前已经在国内外得到非常广泛的应用。在DCS系统中，测量变送、执行器一般由模拟仪表来完成，它们与控制室的监控计算机共同构成控制系统，是模拟和数字混合系统，可实现高级复杂规律的控制。
可编程控制器(PLC)自动控制装置，是一种嵌入式的工控机，它以顺序控制为主，回路调节为辅，能完成逻辑判断、定时、计数记忆和算术运算等功能。既能进行开关量控制，又能进行模拟量控制，还具有通信功能。在单台设备自动化、多台设备自动化和整个工厂的生产过程中，PLC发挥着重要作用。
(1)DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括:操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS系统)，作为DCS更高层次的应用，目前国内应用这一系统的行业较少。
DCS的关键技术在于网络，从上到下是树状拓扑和并行连续的链路结构，中间站联接计算机、现场仪器仪表和控制装置。
PLC从结构上分为固定式和组合式(模块式)2种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。
PLC的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图语言的程序及辅助通讯程序，梯形图语言的解释程序的效率决定了PLC的性能，通讯程序决定了PLC与外界交换信息的难易。对于简单的应用，通常以独立控制器的方式运作，不需与外界交换信息，只需内部固化有能解释梯形图语言的程序即可。
(2)在网络方面，DCS网络是整个系统的中枢神经，和利时公司的MACS系统中的系统网采用的是双冗余的100Mbps的工业以太网，采用国际标准协议TCP/IP。它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好。而PLC因为基本上都为个体工作，在与别的PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。在网络安全上，PLC没有很好的保护措施。
(3)DCS整体考虑方案。操作员站都具备工程师站的功能，站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置之间都是相互连锁控制，协调控制的。DCS可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表(比如变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。当采用现场总线仪表时才能通过现场测控站对现场仪表进行诊断和维护。
原来单用PLC互相连接构成的系统，其站与站(PLC与PLC)之间的联系是一种松散的连接方式，做不出协调控制的功能。现在的PLC可以采用共同的上位机，使用PLC网络(如SIEMENS公司的SINEC-L1、SINEC-H1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC-NET、MELSEC-NET/MINI等)来协调控制。
(4)DCS在整个设计上留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。PLC所搭接的整个系统完成后，想随意的增加或减少操作员站都很难实现的。
(5)在安全性上，DCS系统为保证控制设备的安全可靠，采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰动的切换为工作单元，保证整个系统的安全可靠。PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念，更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC单元发生故障时，不得不将整个系统停下来，才能进行更换、维护并需重新编程。所以DCS系统安全可靠性更高。
(6)系统软件，对各种工艺控制方案进行更新是DCS的一项最基本的功能，当某个方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命令就可以了。下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行。对于PLC构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器(读写器)专门一对一的将程序传送给这个PLC。在系统调试期间，调试时间长和调试成本高，而且极其不利于日后的维护，在控制精度上相差甚远。因此在大中型控制项目中(500点以上),基本不采用全部由PLC所连接而成的系统。
(7)模块DCS系统所有I/O模块都带有CPU，可以实现对采集及输出信号品质的判断与标量变换，故障带电插拔,随机更换。而PLC模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，发生故障后相应单元全部瘫痪。
①PLC响应速度快；DCS响应速度慢。
②DCS要作复杂的运算，内存较大；PLC一般不做复杂运算，内存小。
③DCS的数据库统一，可以应用工位号管理；PLC的数据库不统一，必须以地址为基础管理。
④冗余功能，DCS更容易实现。
(8)DCS与PLC的系统内核的实现形式不同。因为DCS的控制程序编译以后的代码是采用程序调用运行的，而PLC的程序是采用编译后对语句代码的顺序扫描实现的。这就是为什么PLC至今对模拟量的处理不如DCS功能强大，而DCS对开关量的处理不如PLC快速的原因。
该设计采用基于PLC控制的自动控制系统，PLC控制使其工作可靠，运行速度快，组合灵活、有良好的兼容性、程序编制及生成简单、丰富、网络功能强而且成本低。
净化方式选择
关于铝电解烟气净化处理的工艺方法，国内外大多采用干法净化方式，即首先用新鲜的氧化铝吸附烟气中的有害物质，然后经过布袋过滤，最后将优于国家标准的烟气排入大气。
铝电解烟气净化工艺主要有湿法净化和干法净化回收两种。
(1)湿法净化
湿法净化对于清除可溶性气体具有很高的效率，对于清除颗粒物质具有中等效率。洗涤塔的效率大约与烟气—洗涤塔的接触装置所耗用能量的多少成正比。湿式洗涤塔通常与静电收尘器联合使用，湿法净化有碱法，酸法和氨法等。但从净化效果好，设备简单，维护方便及设备腐蚀低等方面考虑，湿法净化以碱法为多。
湿法净化回收有多种方法，如先用清水洗涤、碱水洗涤、海水洗涤等，洗液再通过碱法、氨法和酸法流程加以回收制取冰晶石、氟化钠、氟化铝等。一般多用于制造冰晶石。虽然烟气净化最简单经济的方法是用水洗涤，但由于水溶解氟化氢后变为氢氟酸，容易腐蚀设备。从近十几年的发展趋势看，湿法净化回收大部分已被干法净化回收所取代。
(2)干法净化
烟气干法净化技术适用于铝电解生产行业各种类型电解槽的烟气治理。干法净化的基本原理是利用氧化铝对气态氟化物等具有较强吸附能力的特性，使电解烟气与氧化铝充分接触，烟气中的氟化氢气体吸附在氧化铝表面，然后进行气固分离，氟化氢得以净化。
氧化铝与烟气中的氟化氢接触后，吸附反应速度很快，几乎是在0.1秒钟完成。干法净化回收的吸附效率主要取决于氧化铝的物理性能和投入到烟气中的数量。
干法净化也存在一些问题，如：对二氧化碳和二氧化硫净化效果差；吸氟后的氧化铝飞扬加大；氧化铝在吸附过程中循环次数多，造成氧化铝破碎率高，带入Fe、Si杂质增多；铝电解烟气净化系统增加动力消耗。
该设计采用干法净化，易于控制、流程简单、环境好、操作容易，而且干法净化回收过程中产生的二次污染小、净化效果好。
系统设计
在电解铝烟气净化的过程中，为了有效的进行生产操作，就需要对生产过程中的工艺参数（温度、压力、流量等）进行自动检测，并与控制仪表、执行机构相配合，实现对生产过程的自动控制。
系统控制原理及目标
根据工艺流程，在此主要是对除尘器出入口压差、新鲜/载氟氧化铝料位、排烟温度以及烟气出口压力的控制原理进行介绍，并且阐述了其控制目标。
控制原理
该设计中的控制系统选择单变量控制系统，被控对象是核心，被测信号经变送器转换成标准信号，与给定值进行比较，并对结果进行调节运算，以输出作为控制信号，经执行器实现对被控变量的调节作用。其控制系统方框图如图3.1所示：
图3.1单变量控制系统方框图
现场检测元件用数字式仪表，采用现场总线作为一级网络构成控制系统，将现场测得的数据送到PLC进行控制，以便使生产过程顺利进行。当输入端有输入信号时，伺服放大器将输入信号和反馈信号相比较，所得差值信号经过功率放大后，驱使两相伺服电机转动，在经减速器减速，带动输出轴改变转角θ。使减速器输出轴朝着减小这一偏差信号的方向转动，若差值为正，伺服电机正转，输出轴转角增大；若差值为负，伺服电机反转，输出轴转角减小。直到位置反馈信号和输入信号相等为止，此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的转角位置上。其执行机构框图如图3.2所示：
图3.2电动执行机构方框图
设计系统中布袋除尘器的出入口压差、载氟氧化铝的物位控制、新鲜氧化铝的物位控制、排烟机的温度控制以及出口烟气压力的控制是本次设计的主要内容。
该电解铝净化系统采用干法净化工艺流程，其工作过程是：从电解槽出来的烟气进入文丘里反应器，烟气中的有害物质与新鲜氧化铝反应后，烟气经过布袋除尘器，除掉烟气中的固体载氟氧化铝，得到符合排放标准的净化烟气，经引风机排放到大气中。
对布袋除尘器的控制需要测量的量有进出布袋除尘器的前后差压，当出入口差压达到上限值，开始进行反吹清灰。
出口烟气有两个量需要测量：分别为出口烟气压力和出口烟气温度。其中出口温度不需要控制，但出口压力需要控制，因为当内外压差太大时，布袋除尘器中的烟气没有被除掉，就会被直接吸出，影响净化效果。为了保证烟气净化过程顺畅进行，当压力超出这个设定值时，通过调节烟气档板开度，来调节压力。
本系统中载氟氧化铝贮仓料位和新鲜氧化铝贮仓料位的控制也相当重要，系统中分别设定了上限报警和下限报警，当测量值高于上限设定值的时候，上限报警指示灯亮，当测量值低于下限设定值时下限报警指示灯亮。贮仓料位控制的好坏直接影响到烟气净化的效果，因此是致关重要的一个环节。
当排烟机温度高于130℃时，自动跳闸，进行降温。
电解烟气净化控制的具体工作方式有三种，分别是压差、手动、定时工作方式。压差工作方式是当有害烟气由布袋除尘器中间入口经气流分布板均匀进入到过滤单元，烟气中的氟化氢与氧化铝发生化学吸附反应，反应后的载氟氧化铝随烟气经滤袋过滤被阻留，滤袋进出口压力达到一定压差后，由PLC按预先设定的控制程序进行自动反吹清灰操作。手动工作方式是由操作人员根据有害烟气经过布袋除尘器的实际工作情况手动控制反吹风机启动、停止，由PLC按预设程序进行反吹清灰。定时工作方式是PLC按预设的定时控制子程序控制反吹风机的启动、停止，进行反吹清灰操作。
控制目标
电解铝烟气净化系统的主要设备为除尘器，在该系统中有除尘器(十个袋滤室)，两个排烟机、四个罗茨风机和两个反吹风机。根据工艺流程的特点以及其存在的问题，建立该控制系统，使其中各子系统协调内部的设备有序运转，整套系统之间协调运行，从而优化整个系统，获得最佳的净化效果。具体有如下功能：
(1)过程数据的自动采集。
(2)对采集的数据进行处理，判断各除尘器当前的运行情况。
(3)袋式除尘器、反吹风机、新鲜/载氟氧化铝料位等主要工艺设备的运行状态显示及异常报警。
(4)按一定程序控制除尘器的“反吹清灰”过程。
(5)自动控制除尘器前后压差，以确保除尘器正常运行。
压力检测
压力是工业生产过程中重要参数之一。许多工艺过程只有在一定的压力条件下进行，才能取得预期的效果，压力检测也是安全生产所必须的，通过监视压力可以及时防止生产设备因过压而引起的破坏或操作。压力的检测和控制是保证工业生产过程经济性和安全性的重要环节。
本次系统设计所选的压力测量点如表3.1所示：
表3.1电解铝烟气净化系统压力测量点列表
序号 采样信号名称 性质 传感器 范围 1 除尘器出入口压差 模拟量 电容式差压变送器 0～6KPa 2 烟气出口压力1 模拟量 压电式传感器 0～4KPa 3 烟气出口压力2 模拟量 压电式传感器 0～4KPa 4 压缩空气罐出口压力 模拟量 压电式传感器 0～2KPa
物位检测
物位测量在现代工业生产自动化中具有重要的地位。随着现代化工业设备规模的扩大和集中管理，特别是计算机投入运行以后，物位的测量和远传显得更为重要。
通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物质的体积或质量，监视或控制容器内的介质物位，使它保持在工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连续监视或控制容器中流入与流出物料的平衡。所以对物料测量的相对值要求非常准确，要能迅速正确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程。物位测量与生产安全的关系十分密切。
该设计中采用的是电容式物位传感器。其测量原理是：
在电容器的极板之间，充以不同介质时，电容量的大小也有所不同。因此，可通过测量电容量的变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。
图3.1是由两个同轴圆柱极板1，2组成的电容器，在两圆筒间充以介电系数为的介质时，则两圆筒间的电容量表达式为：
C＝(3-1)
式中，L—两极板相互遮盖部分的长度；
d，D—分别为圆筒形电容器内电极的外径和外电极的内径；
—中间介质的介电常数。
所以，当D和d一定时，电容量C的大小与极扳的长度L和介质的介电常数的乘积成比例。这样将电容传感器(探头)插入被测物料中，电极浸入物料中的深度随物位高低变化，必然引起其电容量的变化，从而可检测出物位。
图3.1电容器的组成
1—内电极；2—外电极
温度检测
温度是工业生产中最常见和最基本的工艺参数之一，任何化学反应或物理变化的进程都与温度密切相关，因此温度的测量与控制是生产过程自动化的重要任务。
在电解铝烟气净化系统中，电解槽出口烟气温度在80～100℃之间，所以可以直接进入文丘里反应器与氧化铝进行反应。系统中反吹风机和喷吹风机都需要进行温度控制，当反吹风机温度高于100℃的时候，自动跳闸。用同样的方式将喷吹风机的温度控制在110℃以下，除此之外，还要将排烟机温度控制在130℃以下。
该系统采用的是热电阻测温。
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即
=[1+(t-)]（3-2）
式中，为温度t时对应的热电阻；为（通常=0℃）时对应的电阻值；为温度系数。
热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。80℃～100℃ 2 1#排烟机温度 模拟量 Pt100 0℃～130℃ 3 2#排烟机温度 模拟量 Pt100 0℃～130℃ 4 反吹风机温度 模拟量 Cu100 0℃～100℃ 5 喷吹风机温度 模拟量 Cu100 0℃～110℃ 硬件设计
本章是由控制要求所确定的PLC应用系统的硬件设计，主要是对PLC选型以及I/O模块、电源模块、执行器等的选型。
PLC选型
在满足控制要求的前提下选型时应选择最佳的性能价格比，所选用的PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成绩可靠的系统，PLC的硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。
对于以开关量为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC，根据如上要求，本控制系统选用西门子公司的S7—300系列PLC。
SIMATICS7—300PLC简介
目前生产PLC的著名厂家有德国西门子公司（SIEMENS），美国ROCKWELL公司所属的A-B(ALLEN&BRADLY)公司，法国施奈德公司(SCHNEIDERELECTRIC)，日本的三菱电机(MITSUBISHIELECTRIC)和欧姆龙（OMRON）等。
SIEMENS的PLC以其极高的性能和价格比，在我国占有很大的市场份额。SIEMENS的PLC产品有SIMATICS7，M7和C7等几大系列。
SIMATICS7—300系列PLC已经得到的国内国外标准认证有：DIN认证，UL认证，CSA认证，FM1级1区：A、B、C、D组，温度组T4，船级认证等。
SIMATICS7—300是一种通用型模块化小型PC系统，能满足中等性能要求的应用。其模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。
图4.1S7—300系列PLC系统构成框图
(1)处理单元（CPU）I和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通信处理器可以减轻CPU处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作。
(6)接口模块（IM）
接口模块用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。S7—300通过分布式的主机架和3个扩展机架，可以操作多达32个模块。
(7)导轨（RACK）
导轨是安装S7—300各种模块的机架，它是特制不锈钢异型板，其长度有160、482、530、830、2000(mm)五种，可根据实际需要选择。
模块选择
CPU模块
该设计中选用CPU315—2DP。
S7—300的CPU模块（简称CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS—485接口，有的还带有集成的现场总线PROFIBUS—DP接口或PTP（点对点）串行通信接口，S7—300不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI(多点接口)网络，如果有PROFIBUS—DP接口，可以建立一个DP网络。
CPU315—2DP是带现场总线（PROFIBUS）SINECL2—DP接口的CPU模块，它具有中到大容量程序存储器和PROFIBUS—DP主/从接口的CPU，用于包括分布式及集中式I/O的任务中。CPU315—2DP具有48KB/64KB,内置80/96KB的装载存储器（RAM），可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为512KB，指令执行速度为300ns/二进制指令，最大可扩展1024/2048点数字量或128/256个模拟量通道。
数字量输入模块
该设计中选用数字量输入模块SM321。
数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7—300内部信号电平。数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。
模拟量输入模块
该设计中选用模拟量输入模块SM331。
模拟量输入模块是将设备现场连续变化的物理量，转变为PLC可以处理的数字信息。设备现场中的模拟量也是多种多样的，类型和参数大小都不同，因此这种模块一般需要备有预处理模块，使之变成输入模块适合处理的参数。
S7—300模拟量输入模块的输入测量范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。一般情况下，一块模拟量输入模块可分时输入多个信号，因此模块内有多路转换开关，将选中的模拟量经A/D转换器变成数字量，经驱动器输出或锁存，待CPU读取。
SM331主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、隔离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换的精度。被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数，也即积分时间越长，被测值的精度越高。
数字量输出模块
该设计中选用数字量输出模块SM322。
数字量输出模块SM322用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机起动器等负载。数字量输出模块将S7-300的内部信号电平转换为控制过程所需的外部信号电平，同时有隔离和放大的作用。
按负载回路使用的电源不同，它可分为直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。按输出开关器件的种类不同，它又可分为晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器触点输出方式。晶体管输出方式的模块只能带直流负载，属于直流输出模块；可控硅输出方式属于交流输出模块；继电器触点方式的模块属于交直流两用输出模块。从响应速度上看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型最佳。
电源模块
PS307是西门子公司为S7—300专配的24VDC电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2A、5A、10A三种），其工作原理和各种参数都相同。
在S7—300PLC系统中，确定所有的模块后，要选择合适的电源模块，所选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等总消耗功率之和，并且要留有30%左右的裕量。
电源模块为PS307(2A)，输入电压120V～230V,输出电压24VDC,输出电流2A，功耗10W,电源模块向总线提供电流1.2A。经计算可知，信号模块从S7—300背板总线吸取的总电流小于1.2A，各模块从24V电源吸取的总电流小于2A，且电源留有一定裕量，所以该设计中电源模块选PS3072A。
PS307可安装在S7—300的专用导轨上，除了给S7—300CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。
通信模块
S7—300有广泛的应用范围，不同的应用要求PLC具有不同程度的通信能力。用MPI接口可构成低成本的MPI网，实现网上各S7PLC间的数据共享。采用专用的通信处理器模块可组成不同层次的网络,与S5/S7PLC、外部设备或其它厂家的PLC进行通信。这些通信处理模块都是智能化的，它们能在很大程度上减小CPU模块的通信负担。
(1)MPI接口
S7—300系列PLC模块内置有MPI接口，MPI网在内置的S7协议的支持下工作，在S7系统内对编程器、CPU和I/O等进行内部数据交换。MPI接口的用途之一是把各种具有MPI的设备连接起来组成MPI网。能接入MPI网的设备是PG(编程器)、OP(操作面板)、S7—300PLC或其它具有MPI的设备。MPI接口的用途之二是以全局数据通信方式实现网上CPU间的少量数据交换。
(2)S7—300通信处理器模块
S7—300系列PLC有多种用途的通信处理器模块，如CP340、CP342—5DP、CP343—FMS等，其中既有为装置进行点对点进行通信设计的模块，也有为PLC上网到西门子的低速现场总线SINECL2和高速SINECH1网设计的网络接口模块。
该设计中采用的通信处理器模块是MPI接口。
执行器
执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要作用。人们常把它称为实现生产过程自动化的“手足”。因为它在自动控制系统中接受调节器的控制信号，自动地改变操作变量，达到对被调参数（如温度、压力、液位等）进行调节的目的。使生产过程按项定要求正常进行。
执行器简介
执行器根据执行机构使用的工作能源不同可分为三大类：气动执行器、电动执行器、液动执行器。
气动执行器是以压缩空气为能源的执行器。它的主要特点：结构简单，输出推力大、动作可靠、性能稳定、维护方便、价格便宜、本质安全防爆等。它不仅能与气动调节仪表配套使用，还可通过电/气转换器或电/气阀门定位器与电动调节仪表或工业控制计算机配套使用。因此，广泛用于化工、石油、冶金、电力等工业部门。在目前的实际应用中气动执行器的使用数量约为90％。
电动执行器是以电为能源的执行器。它的主要特点：能源取用方便，信号传输速度快，传送距离远；便于集中控制；停电时执行器保持原位不动，不影响主设备的安全；灵敏度和精度较高；与电动调节仪表配合方便，安装接线简单。缺点是结构复杂、体积较大、推力小、价格贵，平均故障率高于气动执行器。适用于防爆要求不高及缺乏气源和使用数量不太多的场合。
液动执行器很少用。
执行器选型
执行器是自动控制系统的终端控制元件之一，其选型的正确与否对系统的工作好坏关系很大。执行器选型中一般应考虑以下方面：
(1)根据工艺条件，选择合适的执行器结构型式和材质。
(2)根据工艺对象的特点，选择合适的流量特性。
(3)根据工艺变量，计算出流量系数，选择合理的阀门口径。
(4)根据工艺过程要求，选择合适的辅助装置。
该设计中选用电磁阀，电磁阀是用来控制流的方向的自动化基础元件，通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。电磁阀选型首先应该依次遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则，其次是根据六个方面的现场工况即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择。用于液体和气体管路的开关控制，是两位DO控制。一般用于小型管道的控制断电可以复位外漏堵绝，内漏易控，使用安全系统简单，价格动作，功率微小，外形轻巧。STEP7环境下完成。STEP7是西门子公司为SIMATICS7系列PLC提供的，支持用户开发应用程序的软件包。
STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的组成部分。有下列版本的STEP7标准软件包：用于SIMATICS7-200上简单单站应用的STEP7Micro/DOS和STEP7Micro/WIN；用于使用带有各种功能的SIMATICS7-300/S7-400、SIMATICM7-300/M7-400和SIMATICC7的STEP7：
(1)可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展
(2)为功能模板和通讯处理器赋值参数
(3)强制和多处理器模式
(4)全局数据通讯
(5)使用通讯功能块的事件驱动数据传送
(6)组态连接
STEP7的应用程序有：SIMATIC管理器，符号编辑器，诊断硬件，编程语言。实现的功能包括对硬件和通讯作组态和参数赋值,管理符号,创建程序，例如为S7可编程控制器创建程序,下载程序到可编程控制器,测试自动化系统,诊断设备故障。
STEP7的功能
SETP7具有以下功能：硬件配置和参数配置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。SETP7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1键可以得到该对象的在线帮助。
标准软件包的功能使用如下:
(1)建立和管理项目
(2)对硬件和通讯作组态和参数赋值
(3)管理符号
(4)创建程序，例如为S7可编程控制器创建程序
(5)下载程序到可编程控制器
(6)测试自动化系统
(7)诊断设备故障
编程功能如下:
1.编程语言
STEP7的标准版只配置了3种基本的编程语言：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL），有鼠标拖放、复制和粘贴功能。语句表是一种文本编程语言，使用户能节省输入时间和存储区域，并且更接近硬件。
用户可以按增量方式输入，立即检查每一个输入的正确性；或者先在文本编辑器上用字符生成整个程序的源文件，然后将它编译成为软件块。
STEP7专业版的编程语言包括S7-SCL（结构化控制语言）；S7-GRAPH（顺序功能图语言）；S7Hi-Graph和CFC。这4种标准版是可选的。
2.符号编辑器
STEP7用符号表编辑器工具管理所有的全局变量；用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。
3.增强的测试和服务功能
测试和服务功能包括设置断点、强制输入和输出、多CPU运行、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时检测几个块的状态。
4.STEP7的帮助功能
（1）在线帮助功能
（2）从帮助菜单获得帮助
PLC的I/O地址分配
表5.1输入地址分配
数
字
量 输入信号名称 地址 输入信号名称 地址 启动按钮 I0.0 停止按钮 I0.1 定时方式按钮 I0.2 压差方式按钮 Q0.3
模
拟
量 除尘器出口压力 1#烟气出口压力 除尘器入口压力 2#烟气出口压力 新鲜氧化铝料位 1#排烟机温度 载氟氧化铝料位 2#排烟机温度 反吹风机温度 喷吹风机温度
表5.2输出地址分配
序号 输出信号名称 地址 序号 输出信号名称 地址 1 启动信号指示灯 Q0.0 1 停止信号指示灯 Q0.1 2 定时方式指示灯 Q0.2 2 压差方式指示灯 Q0.3 3 新鲜氧化铝1#进料阀 Q0.4 3 新鲜氧化铝2#进料阀 Q0.5 4 载氟氧化铝1#出料阀 Q0.6 4 载氟氧化铝2#出料阀 Q0.7 5 1#烟气挡板开25% Q1.0 5 1#烟气挡板开50% Q1.1 6 1#烟气挡板开75% Q1.2 6 1#烟气挡板开100% Q1.3 7 2#烟气挡板开25% Q1.4 7 2#烟气挡板开50% Q1.5 8 2#烟气挡板开75% Q2.2 8 2#烟气挡板开100% Q2.3 9 新鲜氧化铝下限警灯 Q1.6 9 新鲜氧化铝上限警灯 Q1.7 10 载氟氧化铝下限警灯 Q2.0 10 载氟氧化铝上限警灯 Q2.1 11 袋滤室1#电磁阀 Q5.0 11 袋滤室2#电磁阀 Q5.1 12 袋滤室3#电磁阀 Q5.2 12 袋滤室4#电磁阀 Q5.3 13 袋滤室5#电磁阀 Q5.4 13 袋滤室6#电磁阀 Q5.5 14 袋滤室7#电磁阀 Q5.6 14 袋滤室8#电磁阀 Q5.7 15 袋滤室9#电磁阀 Q6.0 15 袋滤室10#电磁阀 Q6.1
系统程序流程图
烟气净化系统主程序流程图如图5.1所示:
图5.1主程序流程图
袋滤室反吹风控制是整个烟气净化流程中至关重要的一环。在布袋除尘过程中，灰尘会堵塞布袋孔，因此要求定时反吹风或者按一定要求反吹风。如果反吹风失败，烟气将无法排放，从而影响铝生产车间的烟气收集，进而影响工作条件，甚至导致生产停止，带来严重的经济损失。
反吹风控制有三种方式：定时、压差和手动反吹。
系统采用定时反吹工作方式，优点就是电路所需元件少，程序简单，系统工作可靠；缺点就是电磁阀频繁启动，减少使用寿命。压差工作方式正好与之相反。定时控制方式是开环控制系统，压差控制方式是闭环控制系统。
压差控制子程序流程图
通过压差检测控制系统，把除尘器出口与入口压差作为是否进行反吹清灰的控制信号。当压差大于设定值时，表明布袋被堵塞，需反吹清灰，这时控制系统启动电磁阀，10个袋滤室按一定顺序依次进行反吹清灰。如图5.2所示：
图5.2除尘器压差控制程序流程图
2．定时控制子程序流程图
定时控制方式是以一定的时间周期进行循环反吹。在选定定时方式之后，打开所有除尘器同一位置的阀门全部开、关一遍后，再移向下一个阀，直至除尘器的所有电磁阀全部开、关一遍。
图5.3定时控制子程序流程图
3．新鲜氧化铝料位控制子程序流程图
新鲜氧化铝料仓为进料系统，新鲜氧化铝的料仓是为反应器提供新鲜氧化铝的，1#电磁阀和2#电磁阀都对进料进行控制。当仓内氧化铝料位处于正常状态时，只打开1#电磁阀，当储仓料位高于上限时，关闭1#电磁阀与2#电磁阀，当物位低于下限时将1#电磁阀与2#电磁阀都打开。如图所示：
图5.4新鲜氧化铝料位控制程序流程图
4.载氟氧化铝料位控制子程序流程图
载氟氧化铝料仓为出料系统，在反应器中跟一次烟气反应完的氧化铝随同净化后的烟气进入布袋除尘器，经过布袋除尘器的过滤一部分返回反应器中再次循环使用，另一部分进入载氟氧化铝贮仓，通过管道送至电解槽。当仓内料位处于正常状态时，只打开1#电磁阀，当储仓的料位高于上限时，1#电磁阀与2#电磁阀都打开，当料仓物位低于下限时两电磁阀都关闭。如图所示：
图5.5载氟氧化铝料位控制程序流程图
5.烟气出口压力控制子程序流程图
烟气从除尘器出来在管道中会产生一定得压力，为了保证烟气净化过程顺畅进行，不影响净化效果。通过调节烟气档板开度，来调节烟气出口压力。当烟气出口压力小于1KPa时，烟气挡板开25%；当烟气出口压力在1～2KPa时，烟气挡板开50%；当烟气出口压力在2～3KPa时，烟气挡板开75%；当烟气出口压力在3～4KPa时，烟气挡板开100%；当烟气出口压力大于4KPa时烟气出口压力高报警指示灯亮。
图5.6出口烟气压力控制程序流程图
软件编程
项目创建
创建项目时，首先双击桌面的STEP7图标，进入SIMATICManger（管理器）窗口，并弹出一个对话框进行创建。完成时出现如图所示界面：
图5.7管理器中项目的结构
硬件组态
该设计中使用的是S7-300系列的可编程控制器，所以点击S7-300进入选择目录，在本站的设计中使用的是CPU是315—2DP，这是一种紧凑型CPU自身集成了数字量和模拟量的输入输出模块，如果需要更改模块中默认的参数设置，就双击模块，再打开得对话框中设置模块的参数。然后保存硬件设置，如下图所示：
图5.8硬件组态
定义符号表
在硬件的设置完成后就要开始定义符号表为编程做准备，在工作区的左侧点击S7-Program，然后再右侧点击Symbals图标进入定义环节，结果如下图：
图5.9符号表
编程界面
在该设计中所选择的编程语言是梯形图，在对话框中选择LAD。然后点击OK就会进入编程界面，在上面一排工具栏中可以选择常开触点或是常闭触点和输出线圈，或者添加新的网络。如要选用定时器指令，比较指令等可在左侧工作区域来完成。编程界面如下图所示：
图5.10编程界面
结束语
这次设计我选择的题目是《电解铝烟气净化控制系统》，在此次设计中我参阅了大量的资料和文献，受益匪浅。通过这次设计使我亲身体验到了，要想有所作为就必须翻阅大量的资料并且要大量实践，事情的起步总是感觉有点困难，但是在摸索中学习也是一件很快乐的事情。同时我也认识到了PLC是很有发展前景的先进技术，这三个多月的设计时间里使我我对PLC有更深一层的认识。当然，我学到的这一点东西还远远不够，还需在今后的工作和学习中继续努力。
在杨老师的指导、监督以及同学的帮助下，整个设计已经告一段落。这期间，不仅培养了独立学习的能力、分析综合能力和交流合作能力，而且也让我深刻体会到实践的重要性。虽然在设计过程中已经解决了许多遇到的问题，但是还存在一些问题没能解决，对于未解决的问题我会在以后的工作和学习中进一步探索，在现有设计基础上将其继续完善。在设计的过程中可能存在一些缺陷、遗漏以及不妥之处，敬请各位老师帮我指正。
参考文献
1.王捷.电解铝生产工艺与设备[M].北京：冶金工业出版社,2006.9
2.杜维.过程检测技术及仪表[M].北京：化学工业出版社，1998.11
3.宋伯生.PLC编程实用指南[M].北京：机械工业出版社，2006.6
4.汪志锋.可编程控制器原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.2
5.于庆广.可编程逻辑控制器原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社，2002.
6.邱竹贤.铝电解[M].冶金工业出版社.1999.
7.郭爱民.冶金过程检测与控制[M].冶金工业出版社.2003
8.张宝芬，张毅.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京：化学工业出版社，2000.11
9.深入浅出西门子S7-300PLC.电子版资料
10.张卫东.铝电解烟气净化控制系统设计[D].中南大学,2005
11.张国玉.铝电解烟气净化控制系统设计及应用[D].中南大学,2004
12.王祥德.干法烟气净化控制系统[J].工业仪表与自动化装置,1994,(02)
13.韩书魁.PLC在电解烟气净化系统中的应用[J].中国西部科技,2004,(10)
14.黄衡,曹静华.电解铝烟气净化的自动控制系统[J].上海有色金属,2008,(04)
15.李雅琳.浅谈铝电解生产的烟气净化技术[J].有色冶金节能,2006,(04)
16.杨火明,任恩平,张家拓,曹成山,赵劲松.[J].轻金属,1999,(01)赵劲松.160kA预焙阳极电解槽烟气的干法净化[J].轻金属,1999,(12)孙波.铝电解烟气干法净化PLC控制系统[J].轻金属,1992,(12)吕锋,容文杰.PLC控制系统的设计方法与技巧[J].河北冶金,1999,(04)吕维宁.铝电解槽的烟气净化[J].有色冶炼,1998,(06)周学慧,袁奕,罗永涛.DCS与PLC控制系统的特点分析[J].平顶山工学院学报,2005,(01)谢红亮.PLC控制系统的设计步骤[J].职业教育研究,2004,(1)
23.张旭波.电解铝厂自控系统中PLC的选择[J].甘肃科技,2006,(08)
致谢
在这里，首先要感谢我的指导教师老师。杨老师平时工作繁忙，但在我做毕业设计的每一个阶段，从查阅资料，设计草案的确定和修改，中期报告，以及后期详细设计等整个过程中都给了我悉心的指导和帮助，而且及时细心的纠正我设计思路中的错误。同时也感谢大学四年来所有老师的谆谆教诲，使我学到很多东西；此外还要感谢在设计中帮助我的同学们。
最后对我的母校表示感谢。我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与论文答辩的各位老师表示感谢
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大学毕业设计说明书（毕业论文）
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学毕业设计说明书（毕业论文）
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