第1章引言1.1研究背景及意義在電解鋁生產(chǎn)過程中，煙氣凈化是一項至關(guān)重要的任務(wù)，因為其煙氣中含有各種有害氣體和顆粒物，對環(huán)境和人體健康造成潛在威脅。因此，設(shè)計一套高效可靠的電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)具有重要的背景和意義。隨著環(huán)境保護意識的提高和環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，電解鋁企業(yè)需要加強對煙氣排放的監(jiān)控和治理，以減少對環(huán)境的污染和破壞。煙氣凈化技術(shù)的引入和應(yīng)用，可以有效地降低煙氣排放的濃度和量，改善周邊環(huán)境質(zhì)量，提高企業(yè)的環(huán)保形象和社會責(zé)任感。電解鋁生產(chǎn)過程中煙氣排放的治理也直接關(guān)系到生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)的煙氣治理方法往往效率低下、能耗高，而且需要大量的人力和物力投入。因此，設(shè)計一套智能化的電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對煙氣治理設(shè)備的精準控制和智能化管理，提高系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性，降低能耗和操作成本，從而提升生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，PLC技術(shù)作為一種高效可靠的控制技術(shù)，已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?；赟7-1200PLC的電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，不僅可以充分發(fā)揮PLC技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)對煙氣凈化過程的精密控制和智能化管理，還可以為電解鋁生產(chǎn)企業(yè)提供一種可靠的煙氣治理解決方案，促進行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外電解鋁煙氣凈化研究發(fā)展現(xiàn)狀在國內(nèi)，傳統(tǒng)的電解鋁煙氣凈化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，如干法除塵、濕法脫硫和脫硝等方法。這些技術(shù)在電解鋁生產(chǎn)企業(yè)中已經(jīng)成熟，被大規(guī)模采用。隨著環(huán)保要求的提高，國內(nèi)一些研究機構(gòu)和企業(yè)開始探索新型的電解鋁煙氣凈化技術(shù)。例如，活性炭吸附、催化氧化、等離子體處理等新技術(shù)逐漸受到關(guān)注，并在實際生產(chǎn)中進行了一些應(yīng)用試驗。國內(nèi)一些企業(yè)和研究機構(gòu)也開始關(guān)注智能化控制系統(tǒng)在電解鋁煙氣凈化領(lǐng)域的應(yīng)用。通過PLC、SCADA等技術(shù)，實現(xiàn)對凈化設(shè)備的智能化控制和遠程監(jiān)控，提高系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。在國外，一些發(fā)達國家，如歐美國家，電解鋁煙氣凈化技術(shù)的研究水平較高。他們在煙氣凈化領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗和成果，涉及傳統(tǒng)凈化技術(shù)、新型技術(shù)以及智能化控制系統(tǒng)等方面。受到環(huán)保法規(guī)的嚴格要求，國外企業(yè)對煙氣凈化技術(shù)的研究和應(yīng)用更加積極。他們注重技術(shù)創(chuàng)新和成本效益，致力于開發(fā)更加高效、環(huán)保的煙氣凈化技術(shù)。美國對電力、熱力、建材、冶金等行業(yè)的煙氣排放都制定了嚴格的限值。歐美等發(fā)達國家在煙氣處理上，強調(diào)從源頭上減少煙氣量的產(chǎn)生，中端再利用，末端資源化，將節(jié)能與環(huán)保理念貫徹到煙氣處理中，這是非常值得我國學(xué)習(xí)和借鑒的思想。1.3論文的研究內(nèi)容介紹電解鋁生產(chǎn)中煙氣排放問題的背景和意義，闡述設(shè)計電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)的目的和意義。對電解鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣成分、排放特性進行分析，包括有害氣體和顆粒物的成分及濃度。綜述國內(nèi)外電解鋁煙氣凈化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括傳統(tǒng)凈化技術(shù)和新型凈化技術(shù)的原理和應(yīng)用情況。簡要介紹PLC技術(shù)的基本原理、特點和應(yīng)用優(yōu)勢，為后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計做鋪墊。選擇合適的傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和PLC設(shè)備，設(shè)計硬件連接方案。編寫PLC程序，實現(xiàn)對煙氣凈化設(shè)備的控制和管理，包括邏輯控制、數(shù)據(jù)采集與處理等功能。詳細描述電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)的各項功能，如實時監(jiān)測、自動調(diào)節(jié)、遠程控制和數(shù)據(jù)記錄等。進行實驗驗證。評估電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)在凈化效率、能耗和操作成本等方面的性能表現(xiàn)。對實驗結(jié)果進行分析和討論，評價系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出改進建議和未來發(fā)展方向。總結(jié)論文的研究成果，展望電解鋁煙氣凈化技術(shù)未來的發(fā)展前景，并指出研究的局限性和未來工作方向。

基于PLC電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計電解鋁工藝流程電解鋁就是通過預(yù)培電解槽電解得到鋁，電解產(chǎn)生煙氣，現(xiàn)代金屬鋁的生產(chǎn)主要采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法，生產(chǎn)工藝流程如圖2.1所示：圖2.1生產(chǎn)工藝流程圖2.1電解鋁生產(chǎn)的過程分析電解鋁是一種重要的工業(yè)原料，其生產(chǎn)過程主要包括鋁礦石冶煉、氧化鋁電解以及煙氣處理等環(huán)節(jié)。其中，氧化鋁電解是電解鋁生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟，同時也是煙氣排放的主要來源之一。在氧化鋁電解過程中，通過電解槽對氧化鋁礦進行電解，產(chǎn)生大量的熱量和氣體。這些氣體主要包括氧氣和氫氣，同時還伴隨著一定量的煙塵和有害氣體，如二氧化硫和氮氧化物等。在電解槽中，鋁礦石在高溫下電解成鋁和氧氣，而殘留的氧化鋁礦則會被還原成氧化氣體，其中含有二氧化硫等有害氣體。此外，電解槽中的電解質(zhì)也可能在高溫下分解產(chǎn)生氣體。除此之外，電解槽在運行過程中還需要不斷加入冷卻水進行散熱，導(dǎo)致水蒸氣的排放。這些煙氣排放不僅對周圍的環(huán)境造成污染，還可能對人員健康構(gòu)成威脅。針對電解鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣排放問題，傳統(tǒng)的煙氣凈化方法包括干法除塵、濕法脫硫和脫硝等。干法除塵主要通過過濾器或電除塵器去除煙塵，濕法脫硫和脫硝則是利用化學(xué)方法將二氧化硫和氮氧化物轉(zhuǎn)化成不溶于水的化合物，然后通過洗滌器進行去除。雖然這些方法在一定程度上可以減少煙氣排放的污染物濃度，但傳統(tǒng)凈化方法存在能耗高、效率低、操作復(fù)雜等問題。為了解決傳統(tǒng)凈化方法存在的問題，設(shè)計一套基于PLC的電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)顯得尤為重要。通過PLC技術(shù)，可以實現(xiàn)對煙氣凈化設(shè)備的智能化控制和管理，提高系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。例如，可以根據(jù)煙氣排放的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動調(diào)節(jié)除塵器和脫硫脫硝設(shè)備的運行參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的煙氣凈化效果。此外，PLC系統(tǒng)還能實現(xiàn)對煙氣凈化過程的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄，便于企業(yè)進行環(huán)保數(shù)據(jù)報告和管理。綜上所述，電解鋁生產(chǎn)過程中的煙氣排放問題是一項亟待解決的環(huán)境挑戰(zhàn)?；赑LC的電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)設(shè)計將為凈化技術(shù)的智能化和高效化提供新的解決方案，有望有效降低煙氣排放的污染物濃度，改善環(huán)境質(zhì)量，促進電解鋁產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2.2凈化工藝流程鋁電解生產(chǎn)行業(yè)各種類型電解槽的煙氣治理一般采用干法凈化技術(shù)，其主要技術(shù)內(nèi)容是:利用鋁電解的生產(chǎn)原料氧化鋁粉的表面積大、吸附能力強的特性來吸附煙氣中的HF和瀝青煙。其吸附過程有化學(xué)吸附和物理吸附，HF的化學(xué)吸附式為:A1203+6HF-2A1F3+3H20HF的吸附效率可達98%~99%,瀝青煙的吸附效率在95%以上。載有氟和瀝青煙的氧化鋁由布袋除塵器分離后供電解使用?；厥盏姆祷仉娊獠劭裳a充電解生產(chǎn)過程中損失的氟元素，瀝青焦油返槽后可逐步被燒掉。鋁電解車間產(chǎn)生的煙氣收集、治理和排放工藝流程如圖2.2所示:圖2.2煙氣干法凈化工藝流程圖干法凈化流程主要包括電解槽集氣、吸附反應(yīng)、氣固分離、氧化鋁輸送、機械排風(fēng)等五個部分。(1)電解槽集氣將電解槽中產(chǎn)生的煙氣有效地收集起來，避免煙氣直接釋放到大氣中造成污染。將收集到的煙氣輸送至后續(xù)的凈化設(shè)備，如除塵器、脫硫脫硝設(shè)備等，進行進一步的處理。通過集氣處理，有效減少了煙氣的直接排放，符合環(huán)保要求，降低對周圍環(huán)境的污染程度。(2)吸附反應(yīng)吸附反應(yīng)是干法凈化中的重要環(huán)節(jié)，主要用于去除煙氣中的有害氣體和揮發(fā)性有機物。通常采用活性炭或其他吸附劑作為吸附介質(zhì)，將煙氣中的污染物吸附到表面上。通過與污染物之間的物理或化學(xué)吸附作用，實現(xiàn)煙氣凈化的目的。吸附反應(yīng)可以在固定床、流動床或旋轉(zhuǎn)式吸附器等裝置中進行。(3)氣固分離氣固分離是將煙氣中的顆粒物與氣體分離的過程，通常通過除塵器實現(xiàn)。除塵器利用慣性力、重力、離心力或靜電力等原理，將煙氣中的顆粒物捕集或沉降，從而凈化煙氣。常見的除塵器包括旋風(fēng)除塵器、電除塵器和袋式除塵器等，它們可以有效地去除煙氣中的顆粒物，提高煙氣的清潔度。(4)氧化鋁輸送在煙氣凈化過程中，氧化鋁通常用作吸附劑或催化劑，用于捕集或轉(zhuǎn)化煙氣中的有害氣體。氧化鋁通常以顆?；蝾w粒狀的形式存在，需要通過輸送系統(tǒng)將其輸送到吸附器或反應(yīng)器中。輸送系統(tǒng)可以采用螺旋輸送機、皮帶輸送機或氣力輸送等方式，將氧化鋁粉末或顆粒輸送至需要的位置。(5)機械排風(fēng)機械排風(fēng)是干法凈化流程中的重要環(huán)節(jié)，用于排除煙氣凈化過程中產(chǎn)生的廢氣或凈化后的煙氣。機械排風(fēng)系統(tǒng)包括風(fēng)機、風(fēng)道、排氣口等組件，通過風(fēng)機產(chǎn)生負壓，將煙氣從凈化設(shè)備中排出，保持系統(tǒng)的正常運行。機械排風(fēng)系統(tǒng)可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，以確保煙氣排放符合環(huán)保標準并保持設(shè)備的穩(wěn)定運行。電解槽產(chǎn)生的煙氣經(jīng)密閉集氣罩收集，通過支煙管進入水平排煙總管到地下煙道。煙氣在地下煙道與來自氧化鋁儲槽下部電磁振動給料機的新鮮氧化鋁接觸混合，經(jīng)文丘里管吸附反應(yīng)，送到布袋除塵器袋濾室過濾吸附后的載氟氧化鋁由除塵器的沸騰床的溢流口，一部分經(jīng)輸送風(fēng)動溜槽及垂直輸送氣力提升機輸送到載氟氧化鋁料倉供電解使用，另一部分作為循環(huán)氧化鋁繼續(xù)參與吸附反應(yīng)，凈化后的煙氣，由排煙機抽送到煙囪排入到大氣。本次控制主要是通過PLC對溫度傳感器，壓力傳感器，液位（料位）傳感器等進行監(jiān)測，從而進一步對除塵器進口和出口壓力差、反應(yīng)中溫度壓力變化（定時）、新鮮氧化鋁料位、載氟氧化鋁料位，煙氣出口壓力等進行控制。2.3凈化系統(tǒng)組成本次設(shè)計采用干法凈化，所用設(shè)備主要有文丘里反應(yīng)器，脈沖袋式除塵器，風(fēng)動溜槽，氣力提升機以及引風(fēng)機等。2.3.1文丘里反應(yīng)器文丘里反應(yīng)器是一種用于氣體凈化和氣體-固體反應(yīng)的設(shè)備。它通常由一個或多個填料層組成，填料層上覆蓋著吸附劑或催化劑。煙氣通過文丘里反應(yīng)器時，污染物會與填料表面的吸附劑或催化劑發(fā)生吸附或化學(xué)反應(yīng)，從而被去除或轉(zhuǎn)化。這種設(shè)備通常用于去除煙氣中的有機物、惡臭氣體、二氧化硫等有害物質(zhì)。如圖2.3所示:圖2.3文丘里反應(yīng)器2.3.2脈沖袋式除塵器脈沖袋式除塵器是一種常見的除塵設(shè)備，適用于去除煙氣中的顆粒物。它由一系列濾袋組成，煙氣通過濾袋時，顆粒物被捕集在濾袋表面，而清潔的氣體則通過濾袋而出。當(dāng)濾袋表面積聚了一定量的顆粒物后，可以通過脈沖氣流或振動裝置清潔濾袋表面，將顆粒物抖落下來，從而實現(xiàn)連續(xù)的除塵作業(yè)。脈沖清灰袋式除塵器的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示：圖2.4脈沖袋式除塵器含塵氣體從袋式除塵器進口引入后，通過煙氣分配裝置均勻進入濾袋，在此過程中，粉塵即被濾袋的外側(cè)所阻擋，經(jīng)過凈化處理的氣體從出口排出，當(dāng)濾袋表面的粉塵不斷增加達到一定厚度，導(dǎo)致設(shè)備阻力上升到設(shè)定值時，微壓差控制器有信號輸出。控制儀便發(fā)出信號，使噴吹系統(tǒng)工作，電磁脈沖閥打開，此時壓縮空氣從氣包順序經(jīng)脈沖閥和噴吹管上的噴咀向濾袋內(nèi)噴射。在濾袋膨脹產(chǎn)生的加速度和反向氣流的作用下。附于袋外的粉塵脫離濾袋落入灰斗，然后由回轉(zhuǎn)排灰閥將粉塵排出。除塵器內(nèi)的濾袋分為若干組，每組濾袋的噴射時間只需0.2~0.5s左右，一組噴射完畢經(jīng)過15~30s左右的時間間隔后，接著對下一組進行噴射，全部濾袋噴射完畢至下一周期的時間則根據(jù)濾袋數(shù)量和積灰情況決定。2.3.3氣力提升機氣力提升機是一種利用氣流動力將顆粒物垂直提升的設(shè)備。它由垂直管道、氣體噴嘴、顆粒物入口和出口等組成。當(dāng)壓縮空氣通過氣體噴嘴噴射到管道內(nèi)時，形成了負壓區(qū)域，將顆粒物吸入管道內(nèi)并垂直提升，最終通過出口排出。氣力提升機適用于輸送粉狀或顆粒狀物料，具有輸送量大、輸送距離遠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。氣力提升機的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示：圖2.5氣力提升機2.3.4風(fēng)動溜槽風(fēng)動溜槽是一種用于輸送顆粒狀物料的裝置，主要由導(dǎo)向槽、風(fēng)動板和氣動控制裝置等組成。當(dāng)煙氣中的顆粒物需要輸送時，通過氣動控制裝置向?qū)虿蹆?nèi)噴射壓縮空氣，使得風(fēng)動板受到推動，從而推動顆粒物沿著導(dǎo)向槽運動。風(fēng)動溜槽可根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸送速度和方向，適用于短距離或中等距離的顆粒物輸送。風(fēng)動溜槽的結(jié)構(gòu)如圖2.6所示：圖2.6風(fēng)動溜槽2.4凈化控制技術(shù)電解鋁生產(chǎn)是一個污染較嚴重的生產(chǎn)工藝。我國一直重視鋁電解槽煙氣凈化的開發(fā)研究。特別是近年來引進了國外鋁電解煙氣凈化先進技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。2.4.1自動控制方式選擇DCS與PLC都是應(yīng)用于自控領(lǐng)域的控制系統(tǒng)。隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，工業(yè)自動化程度越來越高，對自動控制系統(tǒng)的可靠性，可操作性的要求越來越高。PLC與DCS無疑是目前自動控制系統(tǒng)中最為流行的兩大工具?；赑LC的控制系統(tǒng),又稱為可編輯控制器。它由微處理器、儲存器、輸入/輸出單元（I/O），編程器和電源構(gòu)成。PLC的特點在于其可靠性高、抗干擾能力強、硬件配套齊全。并且其功能完善、適用性強、體積小、重量輕能耗、容易改造。因此適合作為控制器的選擇。2.4.2凈化方式選擇關(guān)于鋁電解煙氣凈化處理的工藝方法，國內(nèi)外大多采用干法凈化方式，即首先用新鮮的氧化鋁吸附煙氣中的有害物質(zhì)，然后經(jīng)過布袋過濾，最后將優(yōu)于國家標準的煙氣排入大氣。鋁電解煙氣凈化工藝主要有濕法凈化和干法凈化回收兩種。(1)濕法凈化濕法凈化是通過液體吸收劑或溶液將煙氣中的污染物吸收或溶解，達到凈化目的的一種方法。主要包括濕式電除塵、濕法脫硫和濕法脫硝等技術(shù)。將煙氣通入水中，利用電場將顆粒物帶電，然后通過電極板吸附在板上，最終由水帶走。這種方法適用于顆粒物直徑較大的情況。通過在煙氣中噴射石灰石漿液或其他含堿溶液，利用氧化反應(yīng)將二氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸鈣或硫酸鈉等水溶性化合物，達到去除二氧化硫的目的。通常采用氨水或尿素溶液作為還原劑，與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)生成氮氣和水，從而達到脫硝的目的。(2)干法凈化干法凈化回收是通過干法凈化技術(shù)去除煙氣中的顆粒物和氣態(tài)污染物，然后對捕集的污染物進行回收利用的方法。采用除塵器等設(shè)備捕集煙氣中的顆粒物，常見的除塵器包括脈沖袋式除塵器、電除塵器等。利用吸附劑或催化劑將煙氣中的氣態(tài)污染物捕集或轉(zhuǎn)化成易于處理的物質(zhì)，如活性炭吸附二氧化硫、氮氧化物等。對捕集的污染物進行處理和回收利用。如將捕集的顆粒物用于水泥生產(chǎn)、建筑材料等，將捕集的二氧化硫轉(zhuǎn)化為硫酸等。該設(shè)計采用的是干法凈化，易于控制、流程簡單、環(huán)境好、操作容易，而且干法凈化回收過程中產(chǎn)生的二次污染小、凈化效果好。干法凈化流程主要包括袋濾室脈沖控制系統(tǒng)，袋濾室壓差檢測系統(tǒng)，排煙機控制系統(tǒng)三個部分。即首先用新鮮的氧化鋁吸附煙氣中的有害物質(zhì)，然后經(jīng)過布袋過濾，最后將干凈的煙氣排入大氣。

基于PLC電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計本章是由控制要求所確定的PLC應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計。主要是對PLC選型以及I/O模塊、執(zhí)行器等的選型。在掌握了PLC的硬件構(gòu)成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可用PLC作為主要控制器來構(gòu)造PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。本章主要從硬件設(shè)計的角度對控制系統(tǒng)進行硬件設(shè)計。3.1PLC選型西門子S7-1200系列PLC是西門子工業(yè)自動化領(lǐng)域的經(jīng)典產(chǎn)品之一，具有成熟穩(wěn)定的技術(shù)和可靠的性能。長期以來，該系列PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，并且在各種環(huán)境和應(yīng)用條件下都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性。西門子S7-1200系列PLC具有豐富的功能和性能，包括多種通信接口、模擬量和數(shù)字量輸入輸出、高速計數(shù)等功能，可以滿足復(fù)雜控制系統(tǒng)的需求。對于以開關(guān)量為主，帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如遇到的溫度、壓力、液位等連續(xù)量的控制，應(yīng)選用帶有A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和帶有D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，對溫度控制的系統(tǒng)可選用溫度傳感器直接輸入的溫度模塊。西門子S7-1200系列PLC支持模塊化設(shè)計，可以根據(jù)實際需求靈活擴展輸入輸出模塊、通信模塊、特殊功能模塊等，從而適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜度的控制系統(tǒng)。西門子S7-1200系列PLC使用博途編程軟件進行編程，該軟件界面友好，編程語言豐富，易于上手。同時，西門子S7-1200系列PLC具有完善的診斷和監(jiān)控功能，便于系統(tǒng)的調(diào)試和維護。綜合考慮以上因素，選擇西門子S7-1200系列PLC是基于其穩(wěn)定可靠的性能、豐富的功能和靈活的擴展性，以及全集成的通訊接口功能和分布式I/0，無需安裝其它組件，運行成本低、結(jié)構(gòu)更緊湊、運行時間更短。因此，鋁電解煙氣凈化控制系統(tǒng)選擇西門子S7-1200作為主控制系統(tǒng)。當(dāng)然，具體選擇還需根據(jù)項目需求、預(yù)算限制、技術(shù)要求等因素進行綜合評估。3.1.1西門子S7—1200PLC西門子S7-1200PLC是一款功能強大、性能穩(wěn)定的可編程邏輯控制器（PLC），廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。它是西門子工業(yè)自動化產(chǎn)品系列中的一員，具有先進的技術(shù)特性和靈活的應(yīng)用性，成為許多制造業(yè)企業(yè)自動化控制系統(tǒng)的首選。西門子S7-1200PLC系列提供了多種型號和配置，以滿足不同規(guī)模和復(fù)雜度的應(yīng)用需求。它們的處理器速度、內(nèi)存容量和輸入/輸出（I/O）數(shù)量各不相同，用戶可以根據(jù)具體項目的要求選擇適當(dāng)?shù)男吞?。無論是小型控制系統(tǒng)還是中等規(guī)模的自動化系統(tǒng)，西門子S7-1200PLC都能提供可靠的性能。這款PLC具有易于使用的工程工具，它集成了多種編程語言（如圖形化編程語言、結(jié)構(gòu)化文本語言等），使工程師可以高效地開發(fā)、調(diào)試和維護控制系統(tǒng)。通過此編程工具，用戶可以輕松地創(chuàng)建控制邏輯、配置硬件、監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)等。西門子S7-1200PLC還支持多種通信接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以與其他設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器、人機界面等）進行無縫集成，實現(xiàn)信息的傳輸和共享。此外，它還具有豐富的擴展模塊，可以根據(jù)需要擴展輸入/輸出數(shù)量、增加通信功能等，提供了更大的靈活性和可擴展性。安全性也是西門子S7-1200PLC的重要特點之一。它采用了先進的安全功能，如用戶身份驗證、數(shù)據(jù)加密、訪問權(quán)限控制等，保護控制系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問和惡意攻擊?？偟膩碚f，西門子S7-1200PLC以其可靠性、靈活性和安全性，成為了工業(yè)自動化領(lǐng)域的領(lǐng)先產(chǎn)品之一，為用戶提供了完善的解決方案，幫助他們實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高效管理和優(yōu)化控制。西門子S7—1200系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種單獨模塊之間可進行廣泛組合和擴展。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖3.1所示：圖3.1S7—1200系列PLC系統(tǒng)構(gòu)成框圖其組成部分包括以下幾個方面：1.CPU（中央處理器單元）：西門子S7-1200的核心部件是CPU，負責(zé)執(zhí)行用戶編寫的控制程序、處理輸入信號、并控制輸出信號。CPU是PLC的核心，它按PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC有條不紊地進行工作。因此，CPU的性能直接影響到PLC系統(tǒng)的運行速度和功能擴展能力。2.數(shù)字輸入/輸出模塊（DI/DO模塊）：這些模塊用于連接外部傳感器、開關(guān)和執(zhí)行器等設(shè)備，將物理信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到CPU中，或者將CPU輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為物理信號輸出到外部設(shè)備。3.模擬輸入/輸出模塊（AI/AO模塊）：模擬輸入模塊用于接收模擬量信號，如溫度、壓力等，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到CPU中；模擬輸出模塊則用于將CPU輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號輸出到外部設(shè)備。4.通信模塊：S7-1200PLC通常配備有各種通信接口模塊，用于與其他設(shè)備、上位機或者遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信和遠程控制。5.電源模塊：電源模塊為PLC提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，保證其正常運行。通常有AC和DC兩種類型的電源模塊，可以根據(jù)實際需要進行選擇。6.內(nèi)存：S7-1200PLC內(nèi)置有不同容量的內(nèi)存，用于存儲用戶程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置信息。內(nèi)存容量的大小直接影響到PLC能夠處理的程序規(guī)模和數(shù)據(jù)量。7.工程軟件：西門子提供了專用的工程軟件（如TIAPortal），用于編寫、編輯和調(diào)試PLC的控制程序，進行系統(tǒng)配置和監(jiān)控。8.擴展模塊：S7-1200PLC還支持各種擴展模塊，包括數(shù)字輸入/輸出模塊、模擬輸入/輸出模塊、通信模塊等，用于擴展PLC的輸入輸出點數(shù)和功能。9.附件：除了上述主要組成部分外，S7-1200還可能配備各種附件，如連接電纜、接線端子、散熱器等，以滿足不同的安裝和使用需求?？偟膩碚f，S7-1200PLC由CPU、輸入/輸出模塊、通信模塊、電源模塊、內(nèi)存、工程軟件、擴展模塊和各種附件組成，是一款功能強大、性能穩(wěn)定的工業(yè)自動化控制設(shè)備，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、能源、交通、建筑等各個領(lǐng)域。3.2模塊選擇3.2.1PLC模塊可編程邏輯控制器（PLC）模塊是構(gòu)成PLC系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，通過各種不同類型的模塊組合，實現(xiàn)對工業(yè)控制系統(tǒng)的精確控制和監(jiān)控。這些模塊包括輸入輸出模塊、通信模塊、特殊功能模塊、電源模塊等。輸入輸出模塊負責(zé)接收外部信號并輸出控制信號，其中數(shù)字量輸入模塊用于接收開關(guān)、傳感器等信號。數(shù)字量輸出模塊控制繼電器、電磁閥等執(zhí)行器；模擬量輸入輸出模塊則處理模擬信號，如溫度、壓力等。通信模塊實現(xiàn)PLC與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，如以太網(wǎng)、PROFIBUS、MODBUS等通信協(xié)議；特殊功能模塊提供了額外的功能，如計數(shù)、位置、PID控制等；電源模塊則確保系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。這些模塊可以根據(jù)具體需求自由組合，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的高效控制和監(jiān)測，使得PLC系統(tǒng)具備靈活性、可擴展性和可靠性，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、化工、電力等領(lǐng)域。PLC的關(guān)鍵技術(shù)在于其內(nèi)部固化了一個能解釋梯形圖語言的程序及輔助通訊程序，梯形圖語言的解釋程序的效率決定了PLC的性能，通訊程序決定了PLC與外界交換信息的難易。在本設(shè)計電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)中選擇S7-1214CPLC作為本設(shè)計的PLC首選。3.2.2CPU模塊S7-1214CPLC的CPU模塊是其核心部件，負責(zé)執(zhí)行用戶編寫的控制程序，處理輸入信號，并控制輸出信號。下面是CPU模塊的一些關(guān)鍵特性和功能：CPU模塊的性能和處理能力直接影響到PLC系統(tǒng)的運行速度和功能擴展能力。S7-1214CPLC提供了多個不同性能等級的CPU模塊，用戶可以根據(jù)實際需求選擇適合的型號。CPU模塊通常集成了以太網(wǎng)接口，支持PROFINET通信協(xié)議，用于與其他設(shè)備、上位機或者遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信和遠程控制。CPU模塊內(nèi)置了不同容量的內(nèi)存，用于存儲用戶程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)配置信息。內(nèi)存容量的大小直接影響到PLC能夠處理的程序規(guī)模和數(shù)據(jù)量。用戶可以使用西門子提供的工程軟件編寫、編輯和調(diào)試控制程序，進行系統(tǒng)配置和監(jiān)控。CPU模塊支持多種通信協(xié)議，包括以太網(wǎng)等，能夠靈活滿足不同的通信需求。本次設(shè)計采用西門子S7-1214CPLC的CPU模塊，進而對煙氣凈化進行控制。3.2.3數(shù)字量輸入模塊S7-1214CPLC的數(shù)字量輸入模塊用于連接外部傳感器、開關(guān)和其他數(shù)字設(shè)備，將外部物理信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到CPU中，用于系統(tǒng)的邏輯控制和處理。以下是數(shù)字量輸入模塊的主要特點和功能：數(shù)字量輸入模塊通常提供多個輸入通道，每個通道可以連接一個外部數(shù)字設(shè)備，如傳感器、開關(guān)等。輸入模塊通常支持不同類型的數(shù)字信號輸入，包括DC電平信號、AC電平信號、脈沖信號等。輸入模塊通常支持不同的輸入電壓范圍，如24VDC、120VAC等，以滿足不同外部設(shè)備的電源要求。輸入模塊通常具有較高的防護等級，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作。輸入模塊通常通過總線或者專用接口與CPU模塊連接，以實現(xiàn)與CPU之間的數(shù)據(jù)通信和信息交換。3.2.4模擬量輸入模塊S7-1214CPLC的模擬量輸入模塊用于接收外部模擬量信號，如溫度、壓力、液位等，將這些模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到CPU中，用于系統(tǒng)的控制和處理。模擬量輸入模塊通常提供多個輸入通道，每個通道可以連接一個外部模擬傳感器或者設(shè)備。輸入模塊支持不同的輸入范圍，如0-10V、4-20mA等，以滿足不同傳感器的輸出信號范圍。輸入模塊通常具有高分辨率，能夠精確地采集和轉(zhuǎn)換外部模擬量信號。輸入模塊通常具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠在不同工作條件下保持準確的信號采集和轉(zhuǎn)換。輸入模塊通過總線或者專用接口與CPU模塊連接，以實現(xiàn)與CPU之間的數(shù)據(jù)通信和信息交換。3.2.4數(shù)字量輸出模塊S7-1214CPLC的數(shù)字量輸出模塊用于控制外部執(zhí)行器、閥門和其他數(shù)字設(shè)備，將CPU輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為外部物理信號輸出到外部設(shè)備中，用于系統(tǒng)的控制和執(zhí)行。數(shù)字量輸出模塊通常提供多個輸出通道，每個通道可以連接一個外部數(shù)字設(shè)備，如執(zhí)行器、閥門等。輸出模塊通常支持不同類型的數(shù)字信號輸出，包括DC電平信號、AC電平信號等。輸出模塊通常支持不同的輸出電壓范圍，如24VDC、120VAC等，以滿足不同外部設(shè)備的電源要求。輸出模塊通常具有較高的防護等級，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作。輸出模塊通過總線或者專用接口與CPU模塊連接，以實現(xiàn)與CPU之間的數(shù)據(jù)通信和信息交換。以上是S7-1214CPLC的CPU模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊的主要特點和功能介紹。這些模塊共同組成了S7-1214CPLC系統(tǒng)，為用戶提供了強大的自動化控制系統(tǒng)。3.3傳感器傳感器是一種用于檢測和感知環(huán)境中各種物理量和化學(xué)量的裝置，將感知到的信息轉(zhuǎn)換為可用的電信號或其他形式的信號輸出。傳感器在工業(yè)自動化中扮演著重要角色，常見的傳感器類型包括溫度傳感器、壓力傳感器、液位（料位）傳感器、PH傳感器等。它們可以實時監(jiān)測生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)，為系統(tǒng)提供準確的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)自動控制和智能化管理。在此次電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)設(shè)計中主要應(yīng)用了溫度傳感器、PH傳感器、液位（料位）傳感器和壓力傳感器，通過這些傳感器進一步控制煙氣凈化的實時監(jiān)測。通過對溫度，壓力等檢測可以進一步控制新鮮氧化鋁的加入量，從而控制化學(xué)反應(yīng)的速率，達到優(yōu)化的目的。如溫度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示：圖3.2溫度傳感器3.4攪拌設(shè)備攪拌設(shè)備用于將不同成分的物料混合均勻，常見于化工、食品加工、制藥等領(lǐng)域。攪拌設(shè)備的種類繁多，包括攪拌桶、攪拌罐、攪拌器、攪拌機等。它們通過旋轉(zhuǎn)、攪動或振動等方式，將物料混合均勻，確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在自動化控制系統(tǒng)中，攪拌設(shè)備通常與傳感器、PLC等設(shè)備配合使用，實現(xiàn)精確的攪拌控制和參數(shù)監(jiān)測，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示：圖3.3攪拌設(shè)備3.5水泵水泵是一種用于輸送液體的機械設(shè)備，通常用于給水、排水、循環(huán)水等場合。水泵根據(jù)工作原理和用途不同分為多種類型，包括離心泵、柱塞泵、齒輪泵等。它們通過機械或電動力驅(qū)動，將液體從低處輸送到高處或遠處。在工業(yè)自動化中，水泵常常被用于水處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)等，通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動開關(guān)、調(diào)節(jié)流量等功能，提高系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。水泵結(jié)構(gòu)圖如圖3.4所示：圖3.4水泵3.6執(zhí)行器執(zhí)行器根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)使用的工作能源不同可分為三大類：氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器、液動執(zhí)行器。平常主要用的是氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器。氣動執(zhí)行器是一種以氣體壓力作為動力源的執(zhí)行裝置，用于控制閥門、門、夾具等機械設(shè)備的動作。其工作原理基于壓縮空氣的流動，通過氣缸或活塞產(chǎn)生推拉力，實現(xiàn)相應(yīng)的線性或旋轉(zhuǎn)運動。氣動執(zhí)行器具有快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的優(yōu)點，適用于需要快速動作和相對簡單控制的場合。在工業(yè)自動化中，氣動執(zhí)行器常見于自動控制系統(tǒng)，如裝配線、生產(chǎn)線等，特別是在惡劣環(huán)境下或無需高精度控制的工藝中表現(xiàn)出色。然而，由于氣動系統(tǒng)需要氣源和壓縮設(shè)備，因此在安裝和運行成本方面可能會有一定考量。電動執(zhí)行器是利用電力作為動力源的執(zhí)行裝置，通過電機或電動裝置實現(xiàn)對閥門、閥球、門等設(shè)備的動作控制。它具有精準的位置控制、可編程性強的特點，廣泛應(yīng)用于需要高精度和復(fù)雜操作的場合。電動執(zhí)行器可實現(xiàn)準確的位置調(diào)節(jié)，通過控制電源的通斷或電機的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)線性或旋轉(zhuǎn)運動。在工業(yè)自動化和建筑自動化中，電動執(zhí)行器常見于閥門控制、門禁系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)等領(lǐng)域，其可靠性和靈活性使其成為許多自動化系統(tǒng)的核心部件。然而，相對于氣動執(zhí)行器，電動執(zhí)行器可能具有更高的成本和復(fù)雜性，需要更多的電氣設(shè)備和維護工作。針對本設(shè)計，考慮到工藝相關(guān)問題，采用電動執(zhí)行器，即電磁閥。電磁閥結(jié)構(gòu)圖如圖3.5所示：圖3.5電磁閥3.7壓力檢測壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要參數(shù)之一。許多工藝過程只有在一定的壓力條件下進行，才能取得預(yù)期的效果，壓力檢測也是安全生產(chǎn)所必須的，通過監(jiān)視壓力可以及時防止生產(chǎn)設(shè)備因過壓而引起的破壞或操作。壓力的檢測和控制是保證工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)濟性和安全性的重要環(huán)節(jié)。在引風(fēng)機，排煙機等地方都會因加入氧化鋁的不同，導(dǎo)致反應(yīng)不同，從而產(chǎn)生壓力的變化，因此，需要對其進行壓力的檢測。本次系統(tǒng)設(shè)計所選的壓力測量點如表3.1所示：表3.1電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)壓力測量點列表序號采樣信號名稱性質(zhì)傳感器范圍1除塵器出入口壓差模擬量電容式差壓變送器0～6KPa2煙氣出口壓力1模擬量壓電式傳感器0～4KPa3煙氣出口壓力2模擬量壓電式傳感器0～4KPa4壓縮空氣罐出口壓力模擬量壓電式傳感器0～2KPa3.8物位和溫度檢測3.8.1物位檢測物位測量在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化中具有重要的地位。隨著現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備規(guī)模的擴大和集中管理，特別是計算機投入運行以后，物位的測量和遠傳顯得更為重要。該設(shè)計中采用的是電容式物位傳感器。其測量原理是：在電容器的極板之間，充以不同介質(zhì)時，電容量的大小也有所不同。因此，可通過測量電容量的變化來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。圖3.6是由兩個同軸圓柱極板1，2組成的電容器，在兩圓筒間充以介電系數(shù)為的介質(zhì)時，則兩圓筒間的電容量表達式為：C＝(3-1)式中，L—兩極板相互遮蓋部分的長度；d，D—分別為圓筒形電容器內(nèi)電極的外徑和外電極的內(nèi)徑；—中間介質(zhì)的介電常數(shù)。所以，當(dāng)D和d一定時，電容量C的大小與極扳的長度L和介質(zhì)的介電常數(shù)的乘積成比例。這樣將電容傳感器(探頭)插入被測物料中，電極浸入物料中的深度隨物位高低變化，必然引起其電容量的變化，從而可檢測出物位。圖3.6電容器的組成1—內(nèi)電極；2—外電極3.8.2溫度檢測溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最常見和最基本的工藝參數(shù)之一，任何化學(xué)反應(yīng)或物理變化的進程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度的測量與控制是生產(chǎn)過程自動化的重要任務(wù)。在電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)中，電解槽出口煙氣溫度在80～100℃之間，所以可以直接進入文丘里反應(yīng)器與氧化鋁進行反應(yīng)。系統(tǒng)中反吹風(fēng)機和噴吹風(fēng)機都需要進行溫度控制，當(dāng)反吹風(fēng)機溫度高于100℃的時候，自動跳閘。用同樣的方式將噴吹風(fēng)機的溫度控制在110℃以下，除此之外，還要將排煙機溫度控制在130℃以下。該系統(tǒng)采用的是熱電阻測溫。熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的，即電阻的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測量出被測溫度。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即=[1+(t-)]（3-2）式中，為溫度t時對應(yīng)的熱電阻；為（通常=0℃）時對應(yīng)的電阻值；為溫度系數(shù)。熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和溫度顯示儀表等組成，系統(tǒng)溫度測量點如下表3.2所示：表3.2電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)溫度測量點列表序號采樣信號名稱性質(zhì)熱電阻分度號范圍1管道煙氣溫度模擬量Cu10080℃～100℃21#排煙機溫度模擬量Pt1000℃～130℃32#排煙機溫度模擬量Pt1000℃～130℃4反吹風(fēng)機溫度模擬量Cu1000℃～100℃5噴吹風(fēng)機溫度模擬量Cu1000℃～110℃3.9袋濾室壓差檢測布袋除塵器是煙氣凈化流程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，它不僅是凈化煙氣的主要設(shè)施，而且布袋除塵器能否正常工作直接關(guān)系到整個凈化系統(tǒng)能否安全運轉(zhuǎn)，因此對袋濾室電磁閥控制提出了較高的要求。對除塵器出口與入口壓差進行測量監(jiān)測，將其作為是否進行反吹清灰的控制信號。當(dāng)壓差大于設(shè)定值時，表明布袋被堵塞，需反吹清灰，這時控制系統(tǒng)啟動電磁閥，袋濾室按一定順序依次進行反吹清灰。第4章基于PLC電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件是應(yīng)用西門子S7—1200PLC梯形圖語言編制。整體上，分為袋濾室脈沖控制系統(tǒng)、袋濾室壓差檢測系統(tǒng)，排煙機控制系統(tǒng)。從功能上分為啟動程序、手動/自動轉(zhuǎn)換控制程序、定時控制程序、反吹風(fēng)（壓差）控制程序、新鮮、載氟氧化鋁料位控制程序以及整體的溫度控制程序。在該系統(tǒng)中，需要進行軟件編寫的總體分為兩部分：PLC控制程序的設(shè)計和觸摸屏組態(tài)界面的設(shè)計。4.1PLC控制程序設(shè)計系統(tǒng)所用的西門子S7-1200系列PLC采用TIAPortalV16進行程序編制，該軟件在安裝時自動安裝西門子PLC的驅(qū)動程序，可實現(xiàn)離線模擬、在線監(jiān)控、在線修改及調(diào)試等多種功能。在TIA寫好程序后，可以通過西門子專用的數(shù)據(jù)線將程序下載到PLC中。4.1.1PLC的I/O地址分配表4.1輸入地址分配數(shù)字量輸入信號名稱地址輸入信號名稱地址啟動按鈕I0.0停止按鈕I0.1定時方式按鈕I0.2壓差方式按鈕I0.3模擬量除塵器出口壓力1#煙氣出口壓力除塵器入口壓力2#煙氣出口壓力新鮮氧化鋁料位1#排煙機溫度載氟氧化鋁料位2#排煙機溫度反吹風(fēng)機溫度噴吹風(fēng)機溫度表4.2輸出地址分配序號輸出信號名稱地址序號輸出信號名稱地址1啟動信號指示燈Q0.01停止信號指示燈Q0.12定時方式指示燈Q0.22壓差方式指示燈Q0.33新鮮氧化鋁1#進料閥Q0.43新鮮氧化鋁2#進料閥Q0.54載氟氧化鋁1#出料閥Q0.64載氟氧化鋁2#出料閥Q0.751#煙氣擋板開25%Q2.051#煙氣擋板開50%Q2.161#煙氣擋板開75%Q2.261#煙氣擋板開100%Q2.372#煙氣擋板開25%Q2.472#煙氣擋板開50%Q2.582#煙氣擋板開75%Q2.682#煙氣擋板開100%Q2.79新鮮氧化鋁下限警燈Q3.09新鮮氧化鋁上限警燈Q3.110載氟氧化鋁下限警燈Q3.210載氟氧化鋁上限警燈Q3.311袋濾室1#電磁閥Q4.011袋濾室2#電磁閥Q4.112袋濾室3#電磁閥Q4.212袋濾室4#電磁閥Q4.313袋濾室5#電磁閥Q4.413袋濾室6#電磁閥Q4.514袋濾室7#電磁閥Q4.614袋濾室8#電磁閥Q4.715袋濾室9#電磁閥Q5.015袋濾室10#電磁閥QPLC系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計在設(shè)計PLC的程序時，首先制定各個模塊的I/O地址。在PLC程序設(shè)計TIAPortalV16的設(shè)備處進行定義，方便程序的編寫。主程序的設(shè)計是通過PLC控制連接到電動機對整個系統(tǒng)進行控制，又分別通過各子系統(tǒng)對煙氣凈化的過程進行記錄監(jiān)測，從而記錄各檢測量的變化。當(dāng)需要凈化的氣體進入到反應(yīng)器時，流速會變快，從而壓力降低，產(chǎn)生負壓。因此，在氣體進入文丘里反應(yīng)器，布袋除塵器等，要做好溫度，壓力的測量。而袋式除塵器主要起到過濾和清灰的作用，當(dāng)含塵氣體進入進風(fēng)口進入到除塵器時，就會有熱量的產(chǎn)生，然后經(jīng)過排風(fēng)口排出清潔的空氣。在排風(fēng)時也會產(chǎn)生溫度，壓力的變化。因此一系列操作過程中會涉及到溫度，壓力等因素的影響，因此通過PLC的控制來實時的監(jiān)測和控制模擬量的變化可以達到更好的凈化效果。該設(shè)計中的控制系統(tǒng)選擇單變量控制系統(tǒng)，被控對象是核心，被測信號（溫度，壓力，物料等）經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成標準信號，與給定值進行比較，并對結(jié)果進行調(diào)節(jié)運算，以輸出作為控制信號，經(jīng)執(zhí)行器實現(xiàn)對被控變量的調(diào)節(jié)作用。其中，對布袋除塵器，新鮮氧化鋁，載氟氧化鋁等一系列的控制本質(zhì)是在于控制其溫度和壓力等因素對煙氣凈化的影響。在主監(jiān)控臺，可實現(xiàn)對凈化系統(tǒng)供料系統(tǒng)等全部生產(chǎn)運行參數(shù)和全部設(shè)備狀態(tài)的集中顯示。按需隨意切換調(diào)看各種設(shè)備運行狀態(tài)畫面及有關(guān)參數(shù)的歷史趨勢曲線和實時趨勢曲線。并且允許對相應(yīng)設(shè)備隨時進行手動/自動操作轉(zhuǎn)換以避免或減少因局部設(shè)備的故障而影響整個系統(tǒng)的運行。當(dāng)電解鋁得到煙氣后，電解氣經(jīng)排煙管進入電解槽，然后電解氣會與加入的新鮮氧化鋁在文丘里反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)速率會受到溫度，壓力等影響。又因為在反應(yīng)時會加入催化劑，從而導(dǎo)致反應(yīng)中PH值等變化，然后進一步產(chǎn)生HF等氣體。此時就已產(chǎn)生了溫度和壓力的變化。因此，可通過PLC對溫度和壓力就可進行檢測和控制。當(dāng)一次氣體進入布袋除塵器時，在引風(fēng)機口處會產(chǎn)生壓差，此時也可進行壓力的檢測與控制。最后通過布袋除塵器，過濾器進入到排煙機，排除過濾后的氣體。其中對載氟氧化鋁的控制就是通過對壓力的控制得到優(yōu)化。因為載氟氧化鋁較低時，會使倉內(nèi)壓力過大，使其載氟氧化鋁的流動性變差，導(dǎo)致氣力提升機輸送載氟氧化鋁困難甚至堵塞，影響煙氣凈化的效率。同樣，對新鮮氧化鋁的控制也應(yīng)進行物位的檢測，當(dāng)料位輸送達到一定量時利用PLC對鼓風(fēng)機進行控制，及時向控制室發(fā)出信號報警，使壓力減小，促進煙氣的凈化效率。煙氣凈化系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.1所示:圖4.1主程序流程圖袋濾室反吹風(fēng)控制是整個煙氣凈化流程中至關(guān)重要的一環(huán)。在布袋除塵過程中，灰塵會堵塞布袋孔，因此要求定時反吹風(fēng)或者按一定要求反吹風(fēng)。如果反吹風(fēng)失敗，煙氣將無法排放，從而影響鋁生產(chǎn)車間的煙氣收集，進而影響工作條件，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)停止，帶來嚴重的經(jīng)濟損失。4.1.3壓差控制子程序梯形圖通過壓差檢測控制系統(tǒng)，把除塵器出口與入口壓差作為是否進行反吹清灰的控制信號。當(dāng)壓差大于設(shè)定值時，表明布袋被堵塞，需反吹清灰，這時控制系統(tǒng)啟動電磁閥，袋濾室按一定順序依次進行反吹清灰。在清灰過程需要對壓力的變化進行檢測和控制。打開設(shè)備，通過觀察液位（料位）位置情況，可判斷壓力情況，控制過程如圖4.2所示： 圖4.2壓差控制程序梯形圖4.1.4定時控制子程序梯形圖在工業(yè)中，除了要對煙氣凈化進行壓力控制，還需要對煙氣凈化進行定時控制。定時的控制方式是以一定的時間周期進行循環(huán)反吹，從而維持加入量的多少。在定時控制進行時，要考慮反應(yīng)器和布袋除塵器里的反應(yīng)程度。如果反應(yīng)過于強烈，會導(dǎo)致其反應(yīng)器和除塵器內(nèi)溫度和壓力過高，因此需要加入溫度，壓力等傳感器實時監(jiān)測煙氣凈化產(chǎn)生的溫度值或壓力值。因此就需要定時控制來進行監(jiān)測處理。打開所有除塵器同一位置的閥門全部開、關(guān)一遍后，再移向下一個閥，直至除塵器的所有電磁閥全部開、關(guān)一遍?？刂七^程如圖4.3所示：圖4.3定時控制子程序梯形圖4.1.5新鮮氧化鋁料位控制子程序梯形圖新鮮氧化鋁料倉為進料系統(tǒng)，新鮮氧化鋁的料倉是為反應(yīng)器提供新鮮氧化鋁的，在此過程中，會產(chǎn)生溫度和壓力的變化。如果加入的新鮮氧化鋁粉過少就不能充分吸收煙氣中的氟化氫，因而降低氟化氫的凈化指標，達不到設(shè)計的凈化效果。如果加入的新鮮氧化鋁粉過大，盡管充分吸收了煙氣中的氟化氫但將增加系統(tǒng)的工作負擔(dān)影響系統(tǒng)的工作效率和節(jié)能效果。因此通過新鮮氧化鋁的料位控制可實現(xiàn)更好的凈化。當(dāng)倉內(nèi)氧化鋁料位處于正常狀態(tài)時，料位會處于正常位置。當(dāng)儲倉料位高于上限時，通過對料位的觀測，可知壓力的高度，從而進一步控制加入量。如圖4.4所示：圖4.4新鮮氧化鋁控制子程序梯形圖4.1.6載氟氧化鋁料位控制子程序梯形圖載氟氧化鋁料倉為出料系統(tǒng)，在反應(yīng)器中跟一次煙氣反應(yīng)完的氧化鋁隨同凈化后的煙氣進入布袋除塵器，經(jīng)過布袋除塵器的過濾一部分返回反應(yīng)器中再次循環(huán)使用，另一部分進入載氟氧化鋁貯倉，通過管道送至電解槽。當(dāng)倉內(nèi)料位處于正?；虍惓顟B(tài)時，通過對電磁閥的控制來進一步調(diào)節(jié)限位開關(guān)，控制反應(yīng)的速率，從而檢測反應(yīng)的變化。使倉內(nèi)料位始終處于正常位置，控制如圖4.5所示：圖4.5載氟氧化鋁料位控制子程序梯形圖4.1.7煙氣出口壓力控制子程序梯形圖煙氣從除塵器出來在管道中會產(chǎn)生一定的壓力，為了保證煙氣凈化過程順暢進行，不影響凈化效果。通過調(diào)節(jié)煙氣檔板開度，來調(diào)節(jié)煙氣出口壓力。當(dāng)煙氣出口等壓力小于設(shè)定量時，來調(diào)節(jié)煙氣擋板進行控制?？刂茍D如圖4.6所示：圖4.6煙氣壓力控制子程序梯形圖4.1.8溫度控制程序梯形圖隨著整個反應(yīng)的發(fā)生，在煙氣進口以及出口等位置會產(chǎn)生大量的熱，如果控制不好溫度的一定量，會使反應(yīng)的效率降低，因此，通過溫度傳感器的監(jiān)測來控制溫度有利于煙氣凈化的進行。因此在整個系統(tǒng)中要對溫度進行控制。控制圖如圖4.7所示：圖4.7溫度控制程序梯形圖4.2軟件編程4.2.1項目創(chuàng)建創(chuàng)建項目時，首先雙擊桌面的TIAPartai圖標，進入SIMATICManger（管理器）窗口，并彈出一個對話框進行創(chuàng)建。完成時出現(xiàn)如圖4.8所示界面：圖4.8管理器中項目的結(jié)構(gòu)4.2.2硬件組態(tài)該設(shè)計中使用的是S7-1200系列的可編程控制器，所以點擊S7-1200進入選擇目錄，在本站的設(shè)計中使用的是CPU1214C，這是一種緊湊型CPU自身集成了數(shù)字量和模擬量的輸入輸出模塊，如果需要更改模塊中默認的參數(shù)設(shè)置，就雙擊模塊，再打開得對話框中設(shè)置模塊的參數(shù)。然后保存硬件設(shè)置，如下圖所示：圖4.9硬件組態(tài)4.2.3定義符號表在硬件的設(shè)置完成后就要開始定義符號表為編程做準備，在工作區(qū)的左側(cè)點擊圖標進入定義環(huán)節(jié)，結(jié)果如下圖所示：圖4.10符號表4.2.4編程界面在該設(shè)計中所選擇的編程語言是梯形圖，在對話框中選擇LAD。然后點擊OK就會進入編程界面，在上面一排工具欄中可以選擇常開觸點或是常閉觸點和輸出線圈，或者添加新的網(wǎng)絡(luò)。如要選用定時器指令，比較指令等可在左側(cè)工作區(qū)域來完成。編程界面如下圖所示：圖4.11編程界面第5章基于PLC電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)仿真設(shè)計5.1仿真軟件的介紹MCGS仿真軟件是一款全面、專業(yè)的基于Windows平臺的組態(tài)軟件系統(tǒng)仿真工具，實現(xiàn)窗口之間的邏輯控制，以及窗口內(nèi)的基本功能，其中按鍵應(yīng)用程序、文本框等圖像對象的基本功能由MCGS的腳本程序完成。致力于為工程師和設(shè)計人員提供強大的仿真分析功能，以解決各種復(fù)雜的工程和產(chǎn)品設(shè)計問題。該軟件集成了多學(xué)科仿真技術(shù)，涵蓋了結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁場等多個領(lǐng)域，為用戶提供了全方位的仿真解決方案。在MCGS仿真軟件中，用戶可以輕松構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，并通過豐富的求解器和算法進行高效、精確的仿真計算。其強大的求解器能夠快速求解各種非線性、動態(tài)、多物理場耦合等復(fù)雜問題，為用戶提供準確可靠的仿真結(jié)果。該軟件具有直觀友好的用戶界面，使用戶能夠快速上手，并通過簡單易懂的操作進行模型建立、仿真設(shè)置和結(jié)果分析。同時，MCGS仿真軟件還提供多種版本，包括網(wǎng)絡(luò)版、通用版和嵌入版，以滿足不同用戶的需求。除了支持多種版本，MCGS仿真軟件還擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力。支持與其他硬件設(shè)備結(jié)合，快速開發(fā)用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的專用設(shè)備。其豐富的動畫效果，通過圖像、圖符報表和曲線等多種形式，及時提供系統(tǒng)運行狀態(tài)信息。并且擁有開放式結(jié)構(gòu)，支持廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強大的數(shù)據(jù)處理功能。MCGS仿真軟件廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工程、電子電氣、能源環(huán)保等眾多領(lǐng)域，為工程設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的支持和幫助。通過該軟件，用戶可以快速評估設(shè)計方案的性能和可靠性，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和參數(shù)，降低開發(fā)成本和周期，提高產(chǎn)品競爭力和市場占有率?？偟膩碚f，MCGS仿真軟件是一款功能強大、性能穩(wěn)定、易于使用的仿真工具，為用戶提供了全面的仿真解決方案，是工程設(shè)計和優(yōu)化的理想選擇。圖5.1是MCGS軟件的操作界面。圖5.1MCGS操作界面5.2仿真過