攪拌釜課程設計

1、長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文）摘 要 在工業(yè)過程中，溫度是最常見的控制參數之一，反應器溫度控制是典型的溫度控制系統(tǒng)。對溫度的控制效果將影響生產的效率和產品的質量，如果控制不當，將損害工藝設備，甚至對人身安全造成威脅。因此反應器溫度的控制至關重要。連續(xù)攪拌釜式反應器是化學生產的關鍵設備，是一個具有大時滯、非線性和時變特性、擾動變化激烈且幅值大的復雜控制對象。結合控制要求，通過分析工藝流程，本論文設計了串級PID分程控制方案。方案選定后，進行了硬件和軟件的選擇。硬件上選用西門子公司的S7-200 PLC，并用相應的STEP7軟件編程。利用Matlab 7.0對系統(tǒng)進行了仿真。 關鍵詞：溫

2、度 反應器 串級PID 西門子S7-200PLC AbstractIn the industrial process, temperature is one of the most common control parameters, reactor temperature control system is a typical temperature control system. The temperature control effect will influence the production efficiency and product quality, if it is not

3、controlled properly, process equipment will be damaged, even personal safety will be threatened. Thus the reactor temperature control is essential.Continuous stirred tank reactor is the key equipment in chemical production, it is a complicated control object with a large time delay, nonlinearity,tim

4、e-varying characteristics and drastic changes and large amplitude disturbance. Combined with the control requirements, in this paper I design the cascade PID control scheme after a careful analysis of the production process.The hardware and software selection are done following the selection of cont

5、rol scheme. As to hardware, the S7-200 PLC of Siemens is chosen, and the corresponding software STEP7 is chosen for programming.Matlab7.0 work for the simulation. Keywords：temperature cascade PID Siemens S7-200 PLC 目 錄第1章 概 述- 1 - 1.1 課題研究背景及意義- 1 - 1.1.1反應器概述- 1 - 1.1.2 溫度控制概述- 1 - 1.2 本設計的主要工作- 2

6、-第2章 控制方案選擇- 3 - 2.1 工藝流程概述- 3 - 2.2 工藝過程分析- 4 - 2.3 控制方案設計- 4 - 2.4 PID分程控制方案- 5 - 2.4.1 PID控制原理- 5 - 2.4.2 數字PID控制算法- 7 - 2.4.3 數字PID控制器參數整定- 9 - 2.4.4 分程控制系統(tǒng)原理- 11 - 2.5 串級控制方案- 12 - 2.5.1 串級控制系統(tǒng)原理- 12 - 2.5.2 串級控制系統(tǒng)特點- 13 - 2.5.3 串級控制方案綜述- 15 - 2.6 串級PID分程控制方案的實施- 15 - 2.6.1 串級PID分程控制方案控制流程圖- 15

7、 - 2.6.2 串級PID分程控制方案系統(tǒng)結構框圖- 16 - 2.6.3 控制過程分析- 17 -第3章 硬件設備選型- 18 - 3.1 PLC選型- 18 - 3.1.1 I/O選擇- 18 - 3.1.2 PLC型號選擇- 19 - 3.1.3 結構選擇- 20 - 3.1.4 模擬量擴展模塊選擇- 21 - 3.2 調節(jié)閥選型- 21 - 3.2.1 調節(jié)閥類型確定- 22 - 3.2.2 調節(jié)閥流量特性選擇- 22 - 3.2.3 調節(jié)閥口徑選擇- 25 - 3.2.4 作用方式選擇- 25 - 3.2.5 調節(jié)閥型號選擇- 26 - 3.3 閥門定位器選型- 27 - 3.4

8、檢測變送器選型- 28 - 3.4.1 溫度傳感器選型- 29 - 3.4.2 溫度變送器選型- 30 - 3.4.3 壓力傳感器選型- 31 - 3.4.4 壓力變送器選型- 31 - 3.4.5 報警裝置選型- 32 - 3.5 系統(tǒng)硬件連接- 33 -第4章 系統(tǒng)軟件設計- 36 - 4.1 控制流程圖設計- 36 - 4.1.1 主程序流程圖設計- 36 - 4.1.2 保溫子程序流程圖設計- 39 - 4.1.3 報警子程序流程圖設計- 40 - 4.2 控制梯形圖設計- 41 -第5章 監(jiān)控界面設計- 43 - 5.1 系統(tǒng)仿真設計- 43 -總 結- 46 -致 謝- 47 -參

9、考文獻- 48 -附錄1：攪拌釜微機控制系統(tǒng)的原理圖- 49 -附錄2：攪拌釜微機控制系統(tǒng)梯形圖程序- 50 -V第1章 概 述1.1 課題研究背景及意義1.1.1 反應器概述反應器，是任何化學品生產過程中的關鍵設備，主要給化學反應的介質提供場所，決定了化工產品的品質、品種和生產能力。不同的生產過程和生產工藝所使用的反應器類型也不同，因此反應器種類很多。就結構形式看，有釜式、管式、塔式、固定床、流化床反應器等；按傳熱情況看，分為絕熱式和非絕熱式反應器。釜式反應器有兩種操作方式：連續(xù)生產和間歇生產。連續(xù)攪拌反應釜（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）是一種

10、復雜的非線性化學反應器，隨著生產的發(fā)展，廣泛應用于化工、發(fā)酵、石油生產、生物制藥等工業(yè)生產過程中，成為發(fā)展國民經濟的重要化工設備之一。反應釜內部都有攪拌裝置，可以使反應器中反應區(qū)的反應物料的濃度均一。反應釜內的特征參量一般為溫度、壓力、濃度等，對這些參數控制的好壞直接影響生產物的質量。1.1.2 溫度控制概述溫度是工業(yè)生產中最常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關，因此溫度控制是生產自動化的重要任務。不同生產工藝要求下的溫度控制方案也有所不同。在本論文中，要保證連續(xù)攪拌反應釜生產安全，要對反應釜中的溫度進行精確控制。反應釜中生產過程既是放熱的化學反應過程，又是物理變化過

11、程，聚合反應機理復雜，開始需要迅速達到催化劑適宜溫度開始反應，達到一定溫度后由于化學反應的放熱，如果不及時移去反應熱，將使反應劇烈超出正常范圍，易引起“爆聚”或產生安全閥跳；加入過量冷水又將使反應激落，甚至造成“僵釜”現象，直接影響產品的質量和產量，嚴重時還會危及工作人員的生命安全。因此，反應釜溫度控制對于保證產品質量和安全生產起著舉足輕重的作用。1.2 本設計的主要工作 本課題主要設計的是基于PLC控制的反應器控制系統(tǒng)，主要設計流程如下：1.在分析系統(tǒng)功能的基礎上確定系統(tǒng)的被控參數和控制參數，熟悉生產工藝過程，根據控制要求進行總體控制方案設計。2.相關硬件設計，進行系統(tǒng)的硬件設備選型和PLC

12、選型，繪制系統(tǒng)的硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖和I/O連接圖。3.根據所選硬件設備，確定反應釜反應過程中PID控制算法的實現和參數的整定。第2章 控制方案選擇2.1 工藝流程概述本設計被控對象為過程工業(yè)常見的帶攪拌釜式反應器系統(tǒng)，屬于連續(xù)反映過程。反應過程為反應物A與反應物B在催化劑C的作用下，在反應溫度1201.0下進行反應，生成產物D。反應初期用熱水誘發(fā)，當反應開始后由冷卻水通過蛇管與夾套進行冷卻。其工藝流程圖如圖2-1所示：圖2-1 工藝流程圖反應過程主要有三股連續(xù)進料：第一股是反應物A，F4是進料流量，V4為進料閥；第二股是反應物B，F5是進料流量，V5是進料閥；第三股是催化劑液，F6

13、為進料流量，V6是進料閥。反應器液位為L4，反應器出口漿液流量為F9，由出口閥V9控制其流量。出口泵及出口泵開關為S6。2.2 工藝過程分析連續(xù)攪拌反應釜是一個典型的非線性模型，化學反應過程表現出很強的非線性和時滯性，在實際的工業(yè)生產中，連續(xù)攪拌反應釜中必然會受到外部或內部因素的影響，使得系統(tǒng)中存在參數攝動，外部干擾等不確定因素。這些給精確控制系統(tǒng)提高了難度?？傮w上系統(tǒng)溫度控制可以分為兩個階段：反應升溫溫度控制和反應保溫控制。1.保證反應器升溫速度恒定：保證溫度以0.1-0.2/s的速率上升，提高反應溫度有利于主反應的進行，保證升溫速度平穩(wěn)避免超壓問題。2.保證反應器保溫溫度恒定：縮合反應階段

14、后保溫階段要使反應釜溫度始終保持在120左右5-10分鐘（實際為2-3小時），以使反應盡可能充分地進行，達到盡可能高的主產物產率。升溫階段，溫度要求以某一速度上升，是一個變量。而保溫階段，要求溫度保持在某一數值上，且波動不大，可作為定值控制。傳統(tǒng)的PID控制算法理論成熟，應用廣泛，但其控制精度依賴于精確的數學模型，因此有自身的限制。串級控制對擾動較多、變值控制、非線性系統(tǒng)有很好的控制效果。2.3 控制方案設計本設計將設計三種控制方案：PID分程控制方案、串級控制方案和串級PID分程復合控制方案。本系統(tǒng)對反應釜內溫度的穩(wěn)定性就有較高的要求。為了使反應釜內的溫度能夠穩(wěn)定在要求的控制范圍內，我們采用

15、串級PID分程控制方案來對反應溫度進行控制。其中，串級控制升溫過程效果良好，PID控制方案保溫定值效果良好，分程控制方案有效地解決了同時處理加熱與冷卻的問題。復合控制方案綜合了前兩種控制方案的優(yōu)點，又很好的避免了各自的缺點。主變量是生產工藝的主要控制指標，直接關系到產品質量，因此對于本連續(xù)反應系統(tǒng)，可以選擇反應釜內的溫度為主變量，選擇夾套溫度為副變量。串級控制系統(tǒng)的目的是為了高精度地穩(wěn)定主變量。當輸入是定值時，主變量控制不允許有余差，所以，控制器通常選用比例積分控制規(guī)律；本控制對象為溫度對象，具有滯后性，采用比例積分微分控制規(guī)律，實現主變量的無差控制。在串級控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定副變量并不是目的。因

16、此，在控制過程中，對副變量的給定值允許有波動。副控制器采用比例控制規(guī)律，為了能夠快速跟蹤，最好不帶積分作用，因為積分作用會使跟蹤變得緩慢；副控制器的微分作用也是不需要的，因為當副控制器有微分作用時，一旦主控制器輸出稍有變化，就容易引起控制閥大幅度地變化，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于串級控制理論，結合本系統(tǒng)的特點，副回路采用比例（K）控制器，主回路采用比例積分微分（PID）控制器，由主、副控制器組成的溫度溫度串級控制原理圖。如圖2-2所示：圖2-2 溫度-溫度串級控制原理圖2.4 PID分程控制方案2.4.1 PID控制原理 PID是一種經典的控制算法，實現起來容易，成熟。 1.比例(P)控制比例控制

17、是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 2.積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3.微分(D)控制在微分控制中，控制器的

18、輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。按偏差的比例、積分、微分進行控制的控制器成為PID控制器。模擬PID控制器的原理框圖如圖2-3所示:圖2-3 模擬PID控制器的原理框圖PID控制解決了自動控制原理索要解決的最基本的問題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。調節(jié)PID的參數，可以實現在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時由于在PID控制器中引入了積分項，系統(tǒng)階躍響應的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。用公式2-1，完成的模擬PID控制器的控制表達式為： (式2-1)式中，e(t)為系統(tǒng)偏差，；為比例系數；為積分時間常數； 為微分時間常數。 式(2-1)也可以寫成： (式2-2)式

19、中，為比例系數；為積分系數，；為微分系數，；簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1.比例環(huán)節(jié) 及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生調節(jié)作用，以減少誤差。2.積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越弱，反之則越強。3.微分環(huán)節(jié) 能夠反應偏差信號的變化趨勢，即偏差信號的變化速率，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。2.4.2 數字PID控制算法在過程控制中，PID控制器(PID調節(jié)器)一直是應用最廣泛的一種自動控制器。采用計算機作為系

20、統(tǒng)的控制器后，使得PID控制實現起來變得更為簡便。但是計算機控制是一種離散的采樣控制，在計算機控制系統(tǒng)中所使用的是數字PID控制器，而式(2-1)和式(2-2)均為模擬PID控制器的控制表達式。通過將模擬PID表達式的積分、微分運算用數值計算方法來逼近，便可實現數字PID控制。是要采樣周期足夠小，這種逼近也就可以相當精確。用公式2-3，將微分項和積分項分別寫成差分方程為： (式2-3) (式2-4)式中，T為采樣周期；k為采樣序號，k=0,1,2,；e(k-1)、e(k)為第(k-1)和第k次采樣所得的偏差信號。將式(2-3)和式(2-4)代入式(2-1)，可得數字PID算式： (式2-5)式

21、中，u(k)為第k時刻的控制輸出。位置型PID算式任何瞬間的控制器輸出u(t)都對應于執(zhí)行機構的位置。由式(2-5)可知，數字PID控制器的輸出u(k)也和閥位對應，故稱式(2-5)為位置型PID算式。增量型PID算式計算機實現位置型算式不夠方便，因為要累積偏差e(j)，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編程序。由式(2-5)可以寫出第(k-1)時刻的控制量u(k-1)即： (式2-6)將式(2-5)減式(2-6)得k時刻控制量的增量為： (式2-7)式中，為比例增益，； 為積分增益，； 為微分增益，。綜上所述，計算和u(k)要用到也僅需用到第(k-1)、(k-2)時刻的歷史數據e(k-1)

22、、e(k-2)、u(k-1)，這三個歷史數據需存于內存儲器。由此可見，采用增量型計算式的優(yōu)點是：編程程序簡單，占用存儲單元少，運算速度快。在控制系統(tǒng)中，如果執(zhí)行機構采用調節(jié)閥，則控制量對應閥門的開度，表征了執(zhí)行機構的位置，此時控制器應采用數字PID位置型控制算法，如圖2-4(a)所示：如果執(zhí)行機構采用步進電機，每個采樣周期，控制器輸出的控制量是相對于上次控制量的增加，此時控制器應采用數字PID增量型控制算法，如圖2-4(b)所示：(a)位置型(b)增量型圖2-4 位置型PID控制算法與增量型PID控制算法示意圖2.4.3 數字PID控制器參數整定整定模擬PID調節(jié)器參數時根據生產工藝對控制性能

23、的要求用理論計算整定法或者工程整定法來整定、。理論計算整定法通過理論計算來求取最佳整定參數；而工程整定法是根據工作經驗直接在過程控制系統(tǒng)中進行的參數整定。數字控制器的參數整定一般亦是首先按模擬PID控制參數整定的方法選擇數字PID參數，然后再作適當調整，并適當考慮采樣周期對整定參數的影響。理論整定法包括根軌跡法、頻率特性法等；工程整定方法主要有動態(tài)特性參數法、臨界比例度法、衰減曲線法、湊試法。下面介紹其中一種常用整定方法衰減曲線法，又名阻尼振蕩法。阻尼振蕩法是在總結穩(wěn)定邊界法的基礎上提出來的。整定步驟為：1.在閉合系統(tǒng)中，置調節(jié)器積分時間為最大()，微分時間置零()，比例度取較大數值反復做定值

24、擾動試驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現4：1的衰減為止。這時的比例度稱為4：1衰減比例度，兩個相鄰波峰間的距離稱為4：1衰減周期。2.根據和值按表2-1中的經驗公式，計算出調節(jié)器各個參數、和的數值。3.根據上述計算結果設置調節(jié)器的參數值，觀察系統(tǒng)的響應過程。如果不夠理想，再適當調整整定參數值，直到控制質量符合要求為止。表2-1 阻尼振蕩整定計算公式4：1調節(jié)器參數控制規(guī)律PPI1.20.5PID0.80.30.1對大多數控制系統(tǒng)，4：1衰減過程是最佳整定。但在有些過程中，例如熱電廠鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)，希望衰減越快越好，則可采用10：1的衰減過程。在這種情況下，由于衰減很快，第二個波峰往往

25、不易分辨，使測取衰減周期很困難，可通過測取從施加給定值擾動開始至達到第一個波峰的上升時間，然后根據和值，運用表2-2中的經驗公式計算出調節(jié)器參數、和的值。具體整定步驟與4：1衰減曲線法完全相同。表2-2 阻尼振蕩整定計算公式10：1調節(jié)器參數控制規(guī)律PPI1.22PID0.81.20.42.4.4 分程控制系統(tǒng)原理單回路控制系統(tǒng)是由一個調節(jié)器的輸出帶動一個調節(jié)閥動作的。在生產過程中為了滿足被控參數寬范圍的工藝要求，需要改變幾個控制參數。這種由一個調節(jié)器的輸出信號分段分別去控制兩個或者更多調節(jié)閥動作的系統(tǒng)稱為分程控制系統(tǒng)。分程控制系統(tǒng)框圖如圖2-5所示：圖2-5 分程控制框圖例如，一個氣動調節(jié)閥

26、在調節(jié)器輸出20-60kPa范圍內工作，另一個氣動調節(jié)閥在60-100kPa范圍內工作。在分程控制中，可以將兩個調節(jié)閥當作一個調節(jié)閥使用，從而可擴大其調節(jié)范圍，改善其特性，提高控制質量。分程控制是通過閥門定位器或電-氣閥門定位器來實現的。它將調節(jié)器的輸出壓力信號分為幾段，不同區(qū)段的信號由相應的閥門定位器轉化為20-100kPa壓力信號，使調節(jié)閥全行程工作。分程控制根據調節(jié)閥的氣開、氣關形式和分段信號區(qū)段不同，可分為兩類：一類是調節(jié)閥同向動作的分程控制，即隨著調節(jié)閥輸入信號的增加或減小，調節(jié)閥的開度均逐漸增大或均逐漸關?。涣硪活愂钦{節(jié)閥異向動作的分程控制，即隨著調節(jié)閥輸入信號的增加或減小，調節(jié)閥

27、開度按一只逐漸開大、而另一只逐漸關小的方向動作。分程控制中調節(jié)閥同向或異向動作的選擇完全由生產工藝安全的原則決定。在分程控制中，要求從一個閥向另一個閥過渡時，其流量變化要平滑。當均為線性閥時，其突變情況非常嚴重。在分程控制中調節(jié)閥流量特性的選擇非常重要，因此盡量選擇對數調節(jié)閥。2.5 串級控制方案2.5.1 串級控制系統(tǒng)原理串級控制系統(tǒng)是改善控制質量的有效方法之一。串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的設定，后一個調節(jié)器的輸出送往調節(jié)閥。前一個調節(jié)器稱為主調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標；后一個調節(jié)器稱為副調節(jié)器，它所

28、檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節(jié)器、調節(jié)閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節(jié)器、副調節(jié)器、調節(jié)閥、副過程和主過程構成。系統(tǒng)的擾動分為兩種：1.一次擾動：又稱主回路擾動，作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。2.二次擾動：又稱副回路擾動，作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內的擾動。串級控制系統(tǒng)的系統(tǒng)原理框圖可歸納為如圖2-6所示： 圖2-6 串級控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-6，系統(tǒng)的一次擾動為，二次擾動為、。二次擾動先影響副對象，于是副調節(jié)器立即發(fā)出校正信號

29、，控制調節(jié)閥的開度，適當改變以克服上述擾動對其的影響。如果擾動量不大，經過副回路的及時控制一般不會引起主對象的參數變化；如果擾動的幅值較大，雖然經過副回路的及時校正，仍影響到主對象，此時再由主回路進一步調節(jié)，從而完全克服上述擾動，將主對象的被控參數調回到設定值上來。當一次擾動 使主對象的被控參數發(fā)生變化時主回路產生校正作用，克服 對其的影響，由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對主對象的影響比單回路系統(tǒng)要小很多。2.5.2 串級控制系統(tǒng)特點串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比又一個顯著的區(qū)別，即它在結構上多了一個副回路，形成了兩個閉環(huán)雙閉環(huán)或成為雙環(huán)。串級控制系統(tǒng)，就其主回路（外環(huán)）來看是一個定

30、值控制系統(tǒng)，而副回路（內環(huán)）則為一個隨動系統(tǒng)。以反應釜系統(tǒng)為例，在控制過程中，副回路起著對反應腔溫度的“粗調”作用，而主回路則完成對反應腔溫度的“細調”的任務。圖2-7為串級控制系統(tǒng)的框圖。與單回路控制系統(tǒng)相比，它用一個閉合的副回路代替了原來的部分被控過程。 圖2-7 串級控制系統(tǒng)的等效框圖由圖2-7可寫出式2-8為： (式2-8) 由式2-8可知，串級系統(tǒng)的特征方程式2-9為： (式2-9)設，主調節(jié)器與主測量變送器傳遞函數分別為和，將以上各傳遞函數代入式(2-9)，可得式2-10為： (式2-10)經整理后為： 則串級控制系統(tǒng)的特征方程式可寫成如下標準形式2-11為： (式2-11)如果通

31、過調節(jié)器的參數整定，使串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相同的衰減率，即，則可寫成式2-12為： (式2-12)由于，所以。以上結論表明增加一個副回路的串級控制系統(tǒng)其等效被控過程的時間常數減小了，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器和一個控制器，增加的投資并不多，但控制效果卻有明顯的提高。其原因是在串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統(tǒng)：1.改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；2.對二次干擾有很強的克服能力；3.提高了對一次擾動的克服能力；4.提高了對回路參數變化的自適應能力。串級控制系統(tǒng)在工程的應用場合：1.應用于容量滯后較

32、大的過程； 2.應用于純時延較大的過程； 3.應用于擾動變化激烈而且幅度大的過程；4.應用于參數互相關聯的過程； 5.應用于非線性過程。2.5.3 串級控制方案綜述在現代工業(yè)生產過程中，一些以溫度等作為被控參數的系統(tǒng)，往往其容量滯后較大，控制要求又較高，為了滿足控制質量，通常選擇串級控制系統(tǒng)，以充分利用其改善過程的動態(tài)特性、提高其工作頻率的特點。串級控制系統(tǒng)可以將變化劇烈、幅度大的擾動包括在串級系統(tǒng)的副回路中，由副回路實現對主要擾動的及時控制，大大減少這些大擾動對主參數的影響，從而提高控制質量。2.6 串級PID分程控制方案的實施2.6.1 串級PID分程控制方案控制流程圖通過以上兩種方案的論

33、證，可以得出比較理想的最終控制方案為串級PID分程控制方案。由于溫度屬于時間常數較大、慣性較大的變量，夾套冷卻水的溫度變化隨著閥門的開關變化較快、時間常數較小。針對這種情況，選擇反應釜內的反應溫度為主變量，選擇夾套溫度為副變量，采用“溫度-溫度串級控制”。其中溫度副控制器分程控制熱水輸入閥S6和冷水輸入閥V7、V8。其控制流程圖如圖2-9所示：圖2-9 最終方案控制流程圖主控制器作用選擇為正作用形式，副控制器作用選擇為反作用形式。調節(jié)閥開關模式的選擇主要考慮在不同工藝條件下安全需要。因此冷水閥V7、V8采用氣關式，工作范圍選擇4-12mA;熱水閥S6采用氣開式，工作范圍選擇12-20mA。這樣

34、既可滿足分程控制的需要，又可保證事故狀態(tài)下調節(jié)閥處于適當位置。被控參數選為反應釜的反應溫度，控制參數為冷水閥和熱水閥的開度。2.6.2 串級PID分程控制方案系統(tǒng)結構框圖最終控制方案為串級PID分程控制方案，其系統(tǒng)結構圖如圖2-10所示。外環(huán)主控制器控制規(guī)律為比例積分微分控制，內環(huán)副控制器控制規(guī)律為比例控制。 圖2-10 串級PID分程控制系統(tǒng)結構框圖系統(tǒng)的給定分為兩部分，一部分是升速率大小，另一部分是保溫階段給定保溫溫度大小。操作者可以根據不同的需要改變升溫/保溫切換器，升溫階段選擇到升溫方向，保溫階段選擇到保溫方向。置于升溫階段工作時，微分結構將反應溫度取一階微分，得到溫度變化率，再與升溫

35、速率設定值作比較，將偏差作為控制器的輸入，可實現升溫速度較穩(wěn)。置于保溫階段工作時，直接將反應溫度與給定保溫溫度作比較，將偏差作為控制器的輸入，可實現保溫控制。2.6.3 控制過程分析當反應物投入設備后，由于釜溫測量值遠遠小于反應給定溫度，反應溫度變化率很低，因此升溫/保溫切換器選擇升溫控制，由于主控制器為正作用輸出信號較小，副控制器為反作用輸出信號較大，則分程控制的熱水閥S6工作，兩路冷水閥全部關閉，此時誘發(fā)反應進行。當釜溫達到反應誘發(fā)溫度時，化學反應發(fā)生，將有反應熱量放出，釜溫將逐漸升高并且溫度上升速率越來越大，則副控制器輸出信號較小，那么分程控制的熱水閥S6逐漸關閉，冷卻水入口閥V7、V8

36、逐漸打開，反應所產生的熱量就被冷水帶走一部分，從而達到維持釜溫以適當速率上升的目的。當反應進行一段時間后，釜溫接近給定值120時，將升溫/保溫切換器選擇保溫控制，雙閉環(huán)PID控制器調節(jié)使其溫度始終保持在120左右。反應物經過了劇烈難控的大量反應階段，已消耗掉大部分，化學反應的劇烈程度顯著降低，釜溫和釜壓將會相應減少，兩路冷水閥V7、V8將會逐漸關閉，熱水閥S6將逐漸打開。釜溫還在繼續(xù)下降，熱水閥S6將完全打開為反應提供熱量。第3章 硬件設備選型3.1 PLC選型現代社會生產設備和自動化生產線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程控制器(Programmable Logic Contro

37、ller，PLC)正適應這一要求，它是以微處理器為基礎的通用工業(yè)控制裝置。PLC的應用面廣、功能強大、使用方便，已廣泛應用與各種各樣的自動控制系統(tǒng)中。PLC產品的種類有很多，不同型號的PLC,其結構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標有著重要意義。3.1.1 I/O選擇 系統(tǒng)需要3路模擬量輸入分別為反應溫度、反應釜壓力P、夾套溫度；2路數字量輸出即S8攪拌機開關和壓力報警信號W；3路模擬量輸出分別控制熱水閥S6、蛇管冷卻水閥V7、夾套冷卻水閥V8。由于模擬量的輸入是溫度測量變送裝置或壓力測量變送裝

38、置傳遞來的4-20mA直流電流信號，模擬量的輸出信號控制直流電流輸入的氣動調節(jié)閥，所以應選用直流電流形式的模擬量輸入輸出模塊，其量程均為4-20mA，考慮到精度要求和成本應選擇12位的A/D和D/A模塊。PLC的I/O響應時間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時間延遲（一般在2-3個掃描周期）等，由于溫度控制系統(tǒng)屬于大滯后過程，對I/O響應時間要求不高，所以可不必考慮響應時間問題。系統(tǒng)所需的輸入輸出量可見表3-1。表3-1 系統(tǒng)I/O統(tǒng)計I/O類型個數說明模擬量輸入AI3：反應溫度：夾套溫度P：反應釜壓力模擬量輸出AO3S6：控制熱水閥V7：蛇管冷卻水閥V8：夾套冷卻水閥數字量

39、輸出DO2S8：攪拌機開關W：壓力報警信號3.1.2 PLC型號選擇本文選用西門子公司的S7-200型PLC。S7-200系列可編程控制器(簡稱PLC)是西門子公司1995年底推出的新一代微型PLC，由于其性能價格比極高，目前已經在各個領域得到廣泛的應肉用。S7-200CN系列的強大功能使其無論獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能，其在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能，適用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。S7-200CN系列可編程控制器可以分為4個不同的基本型號8種CPU。如：CPU221、CPU222CN、CPU224CN、CPU224XPCN、CPU226C

40、N等。各種機型配置一覽表見表3-2。表3-2 S7-200系列機型配置一覽表型號I/O點數擴展功能CPU2216輸入，4輸出，共10個無I/O擴展能力CPU222CN8輸入，6輸出，共14個可連接2個擴展模塊最大擴展至78路數字量I/O點或10點模擬量I/O點CPU224CN14輸入，10輸出，共24個可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或者35路模擬量I/O點CPU224XPCN14輸入，10輸出，共24個可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或者38路模擬量I/O點CPU226CN24輸入，16輸出，共40個可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點

41、或者35路模擬量I/O點以上型號S7-200CN系列PLC均具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。本文根據I/O點數和性價比綜合考慮可選擇CPU224CN。本機集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O 點。16K字節(jié)程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。3.1.3 結構選擇根據硬件結構的不同，可以

42、將PLC分為整體式、模塊式和混合式。模塊式PLC一般被大、中型PLC采用。模塊插在模塊插座上，模塊插座則焊在機架中的總線連接板上，有不同槽數的機架供用戶選用，如果一個機架容納不下選用的模塊，可以增設一個或數個擴展機架，各機架之間用接口模塊和電纜相連。整體式PLC每一I/O點的平均價格比模塊式的便宜，小型控制系統(tǒng)一般采用整體式PLC。整體式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸整體。在相同功能和相同I/O點數據的情況下，整體式比模塊式價格低。但模塊式具有功能擴展靈活，在I/O點數、輸入點數與輸出點數的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大，維修方便（換

43、模塊），容易判斷故障等優(yōu)點。 綜上考慮，根據控制規(guī)模、工作速度和內存容量等要求選用西門子公司的S7-200整體式模塊。3.1.4 模擬量擴展模塊選擇本文中系統(tǒng)有3個模擬量輸入，3個模擬量輸出，而所選S7-200 PLC的CPU只能處理數字量，因此需配合使用模擬量擴展模塊。模擬量擴展模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能。模擬量I/O模塊的主要任務是實現A/D轉換（模擬量輸入）和D/A轉換（模擬量輸出）。模擬量輸入模塊可選用西門子 S7-200CN配套使用模擬量輸入/輸出組合模塊EM231CN。EM231 CN模擬量輸入模塊有5檔量程（ DC 0-10V、0-5V、0-20mA、2.5V和5V）并且可

44、以提供4路模擬量輸入。模擬量輸出模塊可選用EM232 CN型號。它只能提供2路模擬量輸出點數，因此選用2個EM232 CN模擬量輸出模塊。EM231CN和EM232 CN模擬量擴展模塊的優(yōu)點如下： 1.最佳適應性。 2.可適用于復雜的控制場合。 3.直接與傳感器和執(zhí)行器相連。4.靈活性：當實際應用變化時，PLC可以相應地進行擴展，并可非常容易的調整用戶程序。3.2 調節(jié)閥選型在過程控制中，執(zhí)行器（亦稱執(zhí)行機構）大多采用閥的形式，控制各種氣體或液體的流量與流速，是過程控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，其特性好壞對控制質量的影響是很大的。實踐證明，在過程控制系統(tǒng)設計中，若調節(jié)閥特性選用不當，閥門動作不靈

45、活，口徑大小不合適，都會嚴重影響控制質量。所以，應根據生產過程的特點、被控介質的情況（尤其關注高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、易結晶、易腐蝕等介質）和安全運行需要，并從系統(tǒng)設計的總體考慮，選用合適的執(zhí)行器。在過程控制中，使用最多的是氣動執(zhí)行器，其次是電動執(zhí)行器，較少采用液動執(zhí)行器。調節(jié)閥特性的選用原則包括：選擇合適的工作區(qū)間：在正常工作情況下要求調節(jié)閥開度處于15%-85%之間。選擇合適的流量特性：調節(jié)閥流量特性的選擇一般分為兩步進行。首先根據過程控制系統(tǒng)的要求，確定工作流量特性，然后根據流量特性曲線的畸變程度，確定理想流量特性。選擇合適的調節(jié)閥開、關形式。3.2.1 調節(jié)閥類型確定根據工藝使用環(huán)

46、境要求，選擇相應的執(zhí)行機構。氣動執(zhí)行器具有結構簡單，動作可靠，性能穩(wěn)定，維修方便，價格便宜，適用于防火防爆場合等特點，它不僅能與QDZ儀表配用，而且通過電-氣轉換器或閥門定位器與DDZ儀表配用，廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、輕紡等工業(yè)部門。由于本系統(tǒng)采用了分程控制，需要用到閥門定位器，所以選擇氣動調節(jié)閥。3.2.2 調節(jié)閥流量特性選擇在過程控制工程中，執(zhí)行器的流量特性將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質量。所以在工程中必須合理、正確使用。執(zhí)行器的流量特性是指被控介質流過閥門的相對流量與閥門的相對開度之間的關系，得式3-1為： (式3-1)式3-1中為相對流量，即執(zhí)行器某一開度流量與全開流量之比；

47、為相對開度，即執(zhí)行器某一開度行程與全開行程之比。流量特性有理想流量特性和工作流量特性兩個概念。理想流量特性，就是在閥前后壓差為一定的情況下（常數）得到的流量特性。它取決于閥芯的形狀。不同的閥芯曲面可以得到不同的理想流量特性。一般，理想流量特性有直線流量特性、對數流量特性、快開流量特性與拋物線流量特性。 1.直線流量特性：是指調節(jié)閥的相對流量與相對開度成直線關系，即單位位移變化多引起的流量變化是一個常數，其數學表達式3-2為： (式3-2)式3-2中K為常數，即執(zhí)行器的放大系數。2.對數流量特性：是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關系。其數學表達式3-3為： （式3

48、-3）對數流量特性在控制系統(tǒng)中是有利的。調節(jié)閥在小開度時，調節(jié)閥的放大系數小，控制平穩(wěn)緩和；調節(jié)閥在大開度時，其放大系數，控制作用靈敏有效。3.拋物線流量特性：是指單位相對行程的變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量的平方根成正比關系。其數學表達式3-4為： （式3-4）4.快開流量特性：這種流量特性在小開度時流量就已很大，其流量就很快達到最大，故稱快開特性。它們的理想流量特性曲線如圖3-1所示:圖3-1 理想流量特性曲線1-快開2-直線 3-拋物線 4-對數工作流量特性，就是在實際工程使用中，調節(jié)閥兩端的壓力差常數，此時調節(jié)閥的相對開度和相對流量的關系。流量特性的選擇原則為 ：一個過程控制

49、系統(tǒng)，在負荷變動的情況下，為了使系統(tǒng)能保持預定的品質指標，則要求系統(tǒng)總放大系數在整個操作范圍內保持不變，可以通過適當選擇調節(jié)閥的特性來補償被控過程的非線性，從而使系統(tǒng)總的放大系數保持不變。所以當過程特性為非線性時，應選用對數流量特性的調節(jié)閥，否則就使用直線特性的調節(jié)閥。本設計被控過程為非線性和時變的過程，根據以上原則應選用對數流量特性的調節(jié)閥，而且考慮到系統(tǒng)采用了分程控制，為了使流量變化平滑，防止在分程點上引起流量特性的突變，也應選擇對數流量特性的調節(jié)閥。3.2.3 調節(jié)閥口徑選擇在過程控制系統(tǒng)中，調節(jié)閥的（公稱直徑）、（閥座直徑）必須很好地選擇，在正常工況下要求調節(jié)閥開度處于1585之間。因

50、為調節(jié)閥口徑選得過小，當系統(tǒng)受到較大擾動時，調節(jié)閥可能運行在全開或接近全開的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時失控，調節(jié)閥口徑選得過大，系統(tǒng)運行中閥門會經常處于小開度的工作狀態(tài)，不但調節(jié)不靈敏，而且易造成流體對閥芯、閥座的嚴重沖蝕，在不平衡力作用下產生振蕩現象，甚至引起調節(jié)閥失靈。對通過調節(jié)閥的流體流量的控制，是通過改變其閥芯與閥座之間的流通及截面積大小，即改變其阻力大小來達到的。所以，從流體力學來看，執(zhí)行器是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。調節(jié)閥的和是根據計算出來的流通能力C來選擇的。流通能力C表示執(zhí)行器的容量，其定義為：調節(jié)閥全開，閥前后壓差為0.1MPa、流體密度為1時，每小時流過閥門的流體

51、流量（體積（m3）或質量（kg）。由流通能力的公式3-5為： （式3-5）式3-5中，為流體的體積流量；為流體重度；為調節(jié)閥前后壓差。由式(3-5)可以算得最大流量時的。應選擇單座閥=20mm，=12mm。3.2.4 作用方式選擇執(zhí)行器有氣開、氣關兩種形式。所謂氣開式，即當氣動執(zhí)行器輸入壓力p0.02MPa時，閥開始打開，也就是說有信號壓力時閥開，無信號壓力時閥關。對于氣關式則反之，即有信號壓力時閥關，無信號壓力時閥開。在本系統(tǒng)中，考慮到以上安全生產情況的需要：當熱水閥S6輸入信號為零或調節(jié)失靈時，應防止蒸汽進入反應器誘發(fā)反應進行使溫度不斷升高產生危險，所以應選用氣開形式；而當冷水閥V7、V8

52、輸入信號為零或調節(jié)失靈時，為保證生產安全應使閥處于打開狀態(tài)以阻止反應器內溫度的上升，所以應選用氣關形式。3.2.5 調節(jié)閥型號選擇通過以上分析，本系統(tǒng)可選用上海巨良電磁閥制造有限公司生產的ZMAP系列氣動薄膜單座調節(jié)閥。ZMAP氣動薄膜單座調節(jié)閥由氣動薄膜多彈簧執(zhí)行機構和單座閥組成。它具有高度低、重量輕、動作可靠、泄露量小、安裝維修簡便及不會發(fā)生火災爆炸等優(yōu)點。它適應與對泄漏量要求嚴格、閥前后壓差低及有一定粘度和少量纖維介質的場合，ZMAP標準型使用溫度為：-17到230；ZMAP-G散熱型使用溫度為：230到450；ZMAP-D低溫型使用溫度為：-196到-60。本文中選擇ZMAP標準型即可

53、。本文中選用的各調節(jié)閥的具體特性和選型如表3-5所示：表3-5 調節(jié)閥選型一覽表閥門編號作用方式流量特性公稱通徑（mm）額定流量系數彈簧壓力范圍（Pa）供氣壓力（M Pa）產品型號S6氣開型對數型201.220-1000.14ZMAP標準型V7氣關型對數型202.020-1000.14ZMAP標準型V8氣關型對數型202.020-1000.14ZMAP標準型3.3 閥門定位器選型閥門定位器是調節(jié)閥的主要附件，通常與氣動調節(jié)閥配套使用，它接受調節(jié)器的輸出信號，然后以它的輸出信號去控制氣動調節(jié)閥，當調節(jié)閥動作后，閥桿的位移又通過機械裝置反饋到閥門定位器，閥位狀況通過電信號傳給上位系統(tǒng)。閥門定位器能夠增大調節(jié)閥的輸出功率，減少調節(jié)信號的傳遞滯后，加快閥桿的移動速度，能夠提高閥門的線性度，克服閥桿的磨擦力并消除不平衡力的影響，從而保證調節(jié)閥的正確定位。閥門定位器按其結構形式和工作原理可以分成氣動閥門定位器、電-氣閥門定位器和智能式閥門定位器。閥門定位器按輸入信號分為氣動閥門定位器、電氣閥門定位器和智能閥門定位器。氣動閥門定位器的輸入信號是標準氣信號，例如，20-100kPa氣信號，其輸出信號也是標準的氣信號。電氣閥門定位器的輸入信號是標準電流或電壓信號，例如，4-