毕业设计（论文）储料罐灌区料泵控制及液位显示设计

1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目：储料罐灌区料泵控制及液位显示设计学习中心： 年级专业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 年 月 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 1设计(论文)题目：储料罐灌区料泵控制及液位显示设计 2学生完成设计(论文)期限： 年 9月 1 日至 2014 年 01 月 30 日 3设计(论文)课题要求：查阅文献，查找储料罐的问题，根据存在问题，针对储料罐灌区料泵控制及液位显示的实践，解决一个问题。 通过实践，写一篇有关储料罐灌区料泵控制及液位显示的论文

2、。要求包括 封面、摘要、目录、主体部分、参考文献、致谢、附录等部分。 字数在10000字以上，格式按着石大的要求进行撰写。论文内容要符合一般学术论文的写作规范，具备学术性、科学性和一定的创造性。论文应文字流畅，语言准确，层次清晰，论点清楚，论据准确，论证完整、严密，有独立的观点和见解。 4实验（上机、调研）部分要求内容：查阅有关储料罐文献，针对储料罐灌区料泵控制及液位显示问题，进行实际设计。 5文献查阅要求： 至少查阅15篇 6发 出 日 期： 2013 年 9 月 1 日 7学员完成日期： 2014 年 1 月 20 日指导教师签名： 学 生 签 名： 摘 要 从丁二烯、丙烯腈原料存储开始，

3、到丁腈胶乳产品提纯，分别对丁腈胶乳生产监控系统中的原料存储系统、配料计量系统、冷热水供给系统、聚合釜温控系统、抽提釜脱泡系统以及有害气体检测报警系统的控制功能做了论述。主监控系统通过检测送入车间的冷水总管的水压来获取冷水供给系统的信息，但不能在主控界面中直接控制。根据化工生产安全规定，有害气体检测设备要设置在可能出现有害气体泄漏的地方或设备近旁，因此，有害气体检测系统分属于车间主控系统和灌区原料存储系统中。结合丁腈胶乳聚合工艺对安全生产的要求，从西门子的软冗余技术开始构建该丁腈胶乳生产监控系统的技术基础，接着再根据系统的 i/o 信号类型及i/o 点数，最终确定了监控系统所需的硬件列表。关键词

4、：化工 自动化 储料 仪表 趋势 目录摘 要3第1章 前 言51.1 机械自动化的产生和定义51.2 机械自动化的科学技术51.3机械自动化系统在化工生产中的应用5第 2 章 监控系统功能设计72.1 卸料模块功能实现72.1.1 卸料模块过程控制82.2 储料模块功能实现92.2.1 存储模块过程控制92.3 气体检测模块功能实现102.3.1 气体检测系统过程控制102.4 原料配比功能实现112.4.1 原料计量设备选型112.4.2 配料控制方式132.5 冷热水供给系统功能实现152.5.1 冷水恒压供给功能实现152.5.2 热水储罐温控功能实现162.5.3 热水储罐过程控制17

5、2.6 聚合釜温控功能实现172.6.1 聚合反应过程控制182.7 抽提釜自动脱泡功能实现182.7.1 真空抽提过程控制192.8 小结19第 3 章 监控系统软硬件设计213.1 软冗余系统结构213.2 监控系统硬件选型223.2.1 上位机人机界面系统233.2.2 plc 系统233.2.3 变频器243.2.4 监控系统硬件列表245.4 小结25第4章 结论26参考文献27致 谢29 第1章 前 言1.1 机械自动化的产生和定义早在1971年日本的机械设计杂志副刊上刊登了机电一体化这一名词，后来随着机电一体化的发展而被广泛的应用。美国机械工程师协会于1984年为现代机械下了如下

6、定义：“由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统”。它与前面提及的机电一体化是一致的，因此可以说现代机械就是指机电一体化系统。20世纪90年代国际机器与机构理论联合会，给出了这样的定义，机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。因此又可以说机电一体化就是在机械设计制造及其自动化基础上的发展。1.2 机械自动化的科学技术机械设计制造及其自动化是机械技术和机械技术电子技术为主体，多门技术学科相互渗透、相互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科，机械自动化使机械工业的技术结构、产品

7、结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电器化”迈入了以“机械自动化”为特征的发展阶段。它的发展至今已经成为一门有着自身体系的新型学科，随着生产和科学技术的发展，还将不断被赋予新的内容。但其最基本的特征可概括为：机械自动化的设计制造是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感检测技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，在多功能、高质量、高可靠性，低能耗的意义上实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术。需要强调的是，机械自动化技术是基于上述群体技术

8、有机融合的一种综合性技术，而不是机械技术，以及其他新技术的简单组合、拼凑，这就是现代机械与机械电气化在概念上的根本区别。现代机械设计制造出的产品，不仅是人和手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有智能化的特征是现代机械自动化和传统的机械在功能上的本质区别。1.3机械自动化系统在化工生产中的应用化工生产过程自动化,是机械自动化在化工生产中的应用，其基本概念就是在化工设备上,配置一些自动化装置,代替操作人员的部分直接劳动,使生产在不同程度上自动地进行。这种用自动化装置来管理化工生产过程的方式,就称为化工生产过程的自动化,简称化工自动化。 化学工业是创造价值经济的重要组成部分,它直接影响国计民

9、生还国民经济的其他部门密切相关。化工生产过程,往往是在密闭的容器和设备中,在对于工作人员不利的情况下连续进行的。而且在生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或工艺变量）有着一定的控制要求。有些工艺变量直接表现生产过程，对产品的数量与质量起着决定性的作用。例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超过允许范围，否则将影响后一工段的效果；化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接地影响产品的质量和数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。 此外,不少介质还具直接伤害人体的化学性质。因此,为

10、了响应“以人为本”的号召,使化工生产正常地、高效地进行,就必须把各项工艺参数维持在某一最佳范围之内,并尽量使生产过程自动化,而这些数据的控制和维持,最直观的就是化工生产自动化仪表的部分。 实现自动化以后,一些常规仪表不易实现的功能,在自动化仪表中就很容易实现。比如一台气相或液相色普仪,这种仪器利用对于复杂化学混合物进行色层分离的方法来确定样品中存在的每一种化学成分的含量。 1.4课题的背景和意义 随着化工自动化的快速发展，十几年前聚氨酯密封胶生产的旧工艺已经难以满足如今的产量需求，产品质量上也落后于国内外同类生产厂家，加强物料的给料精度与自动化程度，已成为改善工艺，降本增效的一项重要工作。在液

11、体原材料装罐储存的工序中采用两地控制进出料，储料罐中液位显示与温控系统提高了进料的精度与效率，反应釜中自动控制系统控制进料卸料中粗给 细给与精给料三个环节大大提高了自动化程度。控制系统与生产设备分离，生产设备采用全封闭防护式设计，环保清洁，大大减少了粉料投料时的粉尘污染。第 2 章 监控系统功能设计作为整个化工厂区的自动化生产监控系统，需要检测和控制的设备数量众多、区域分散，而且丁二烯、丙烯腈作为两种危险化工原料，应按照危险化学品全管理条例中的第二十条规定，在作业场所设置相应的监测、监控、通风、调温、防泄漏等安全设施、设备，并按照国家标准和行业规范对安全设施、设备进行经常性维护、保养，保证安全

12、设施、设备的正常使用。因此，该生产监控系统的设计需要综合考虑生产、安全、维护等方面的因素。这就需要从原料进厂到产品成形，结合生产工艺过程对控制系统的监控功能做出详细的规划。2.1 卸料模块功能实现根据工作场所安全使用化学品的规定和常用化学危险品贮存通则规定，对丁二烯、丙烯腈的操作应在全面通风的场所密闭进行，操作尽可能机械化、自动化，必须对现场操作人员进行专业培训，实际操作过程中要严格遵守操作规程。因此卸料模块的主要功能是监控丁二烯、丙烯腈两种原料的卸车转存过程，辅助罐区操作人员安全有序的完成原料转储，防止操作失误。如图 2-1 所示，由于丁二烯、丙烯腈两种原料的卸车转存过程类似，下面仅以丁二烯

13、原料为例进行说明。图2-1丁二烯、丙烯腈两种原料的卸车转存过程2.1.1 卸料模块过程控制罐区卸料如图 2-1 所示。在丁二烯罐区每个球罐装有 1 个液位计和 1 个自动/手动进料阀门，进料主管段装有“泵 1”和手动阀“阀 1”.当需要卸料（丁二烯）时，先由罐区管理人员通过安装在罐区控制室内的触摸屏观察 4 个球罐的液位情况，如果需要向球罐 a、b 进料，则管理人员先通过触摸屏面板打开球罐 a 的进料阀门“阀1a”，plc 监测到“阀 1a”打开后自动闭合“泵 1”的电气控制回路，同时将“阀1a”的开关状态通过触摸屏显示给管理人员，待管理人员看到“阀 1a”的打开反馈信号后，通知现场操作人员开

14、始卸料。现场操作人员在接到开始卸料的通知后，首先打开丁二烯进料主管上的手动阀门“阀 1a”，然后按下现场电气控制柜上的开泵按钮，开始卸料。球罐 a 液位快到上限值时，管理人员在控制室触摸屏面板上选择关闭进料阀门“阀 1a”，plc 在接到关阀命令后，首先断开“泵 1”电气控制回路，关闭进料泵，延时后再关闭“阀 1a”。接着管理人员通过触摸屏，打开球罐 b 的进料阀门“阀 1b”，如球罐 a 过程，待“阀 1b”打开后通知现场操作人员开泵卸料。卸料完成后管理人员关闭“泵 1”及“阀 1b”并通知现场操作员关闭手动阀“阀 1”。在整个卸料过程中，自控系统除了实时监测和显示各个球罐的液位等信息及控制

15、阀门状态外，最主要的是实时监测管理人员的操作，自动判断管理人员的命令可行性，并根据罐内液位自动判断并发出停泵和关阀命令。在实际的卸料过程中如果有 a、b 两个球罐需要进料，此时管理员可能的操作过程将有 4 种1) 管理员打开 a 罐进料阀“阀 1a”，通知现场操作员开始卸料，待 a 罐液位到达上限值时，关“阀 1a”，系统自动停“泵 1”，然后开 b 罐进料阀“阀 1b”，再通知现场开始卸料，待需要停止卸料时，关 b 罐进料阀“阀 1b”，系统自动停“泵1”。2) 管理员打开 a 罐进料阀“阀 1a”，通知现场操作员开始卸料，但 a 罐液位到达上限时管理员没有任何措施。3) 管理员同时将 a、

16、b 两罐的进料阀门打开。4) 管理员将“阀 1c”误当成了球罐 a 的进料阀门而打开。以上 4 种操作过程，第 1 种是规定的正确操作，但作为实际应用，后 3 种情况也可能存在。这时控制系统程序就需要具有一定的自动判断，自动执行的能力，使控制系统在给卸料过程带来方便的同时，更能提供必要的安全防护措施。例如出现第 2 种操作时，控制系统能够自动作出停泵关阀动作，并向管理人员发出报警信息。为了防止第 3 种非规定操作过程，在管理员每次按下开阀按钮打开阀门时，监控系统都会首先检测其它进料阀门的开关状态，此时如果其它阀门都处于关闭状态，则控制系统判断通过，并进行后续判断。又如实际操作出现第 4 种情况

17、时，监控系统要能够通过检测各球罐的进料阀门状态和球罐 c 的液位，自动判断开“阀 1c”命令的可行性。例如管理员按下开“阀 1c”按钮，则系统首先检测 4 个进料阀门此刻的开关状态和球罐 c 的液位，如果有阀门正处于打开状态或球罐 c 液位正处于上限位值，则系统不对此次开阀命令做出响应。如果 4 个阀门此刻都正处于关闭状态，且罐 c 液位也在上限值以下，这时系统响应管理员的开阀命令打开“阀 1c”，向球罐c 进料。在此期间，如果系统接到管理员关“阀 1c”命令或检测到罐 c 液位达到上限，系统会首先停止进料泵，然后再关闭“阀 1c”停止进料。2.2 储料模块功能实现根据有关规定和使用说明，丁二

18、烯，丙烯腈应存储于阴凉、通风处，远离火种、热源（如丁二烯存储的坏境温度不宜超过 30），作业地应安装监测、监控、通风、降温装置，且应及时做好存储设备状态的检测记录工作。因此，原料存储模块的功能主要是检测丁二烯、丙烯腈两种原料储罐的运行状态，将储罐的状态信息采集处理后显示到管区控制室的触摸屏面板上，供控制室管理人员实时查看；同时将状态信息与管理员事先设定的各种参数限值进行比较，根据比较结果向管理人员发出不同级别的颜色和蜂鸣报警。2.2.1 存储模块过程控制罐区原料存储系统如图 2-2 所示，每个储罐都装有一个带现场显示的远传压力变送器 pt，一个带现场显示的远传温度计 tt，一套喷淋降温装置。图

19、2-2 罐区喷淋系统示意图在原料存储期间，压力变送器 pt 和温度计 tt 分别检测每个球罐内的压力和温度并远传至控制器，控制器将压力和温度信号规格化处理后通过触摸屏面人机界面显示，同时控制器将采集回来的压力和温度值与管理员预先设定的上限值进行比较，根据比较结果发出不同的报警及连锁动作。如与喷淋系统相关的温度变量，当温度计测得罐内温度值高于其高限设定值时，喷淋降温系统自动启动，同时触摸屏人机界面中喷淋指示灯开始闪烁报警，如果温度继续升高超过了其高高限设定值，则人机界面中喷淋指示灯开始闪烁报警，且控制台指示温度异常的闪光蜂鸣器开始报警，通知管理人员采取必要措施。以上两种报警，触摸屏人机界面中的喷

20、淋指示报警当温度降到某限值，喷淋系统自动关闭后自动停止，但控制台蜂鸣器报警只能在温度低于报警值后由人工确认停止。对于罐内压力，其报警设置与温度报警设置相似，设有高限和高高限报警值。当远传压力表 pt 测得罐内压力值高于其高限设定值时，触摸屏人机界面压力指示灯闪烁报警，当压力值高于其高高限设定值时，人机界面压力指示闪烁报警，且控制台压力异常闪光蜂鸣器开始报警。同样触摸屏人机界面压力指示报警随压力将到某限值自动停止，而控制台蜂鸣器报警只能在压力低于报警值后由人工确认停止。2.3 气体检测模块功能实现因为丁二烯沸点为-4.5，常压气态易燃，相对蒸汽密度（空气=1）为 1.84，与空气混合能形成爆炸性

21、混合物（v/v：1.4%16.3%）。与氧化剂反应或接触热、火星、火焰易燃烧爆炸，且对人有麻醉刺激作用。而丙烯腈为剧毒易挥发性液体，沸点 77.3，相对蒸气密度（空气=1）为 1.83，对呼吸道和眼部具有刺激作用，中毒后影响中枢神经。因此，依据工业企业设计卫生标准和工作场所有毒气体检测报警装置设置规范规定，为了防止这两种原料在转存及使用过程中，因泄漏超标而引起爆炸或中毒事故，特别需要在罐区安装合适的气体检测装置，尤其在泵房等通风不畅的区域，还需要设置排风装置，与气体检测形成连锁控制。2.3.1 气体检测系统过程控制如下图 2-3 所示，罐区控制系统的危险气体检测区域分为卸车区、泵房、丙烯腈罐区

22、和丁二烯罐区 4 个部分。从卸车到存储，与两种原料接触的设备装置附近都需要安装气体探测仪。如卸车区：丁二烯、丙烯腈运输车辆停放处分别装有可燃气探测器 gdt 和有毒气体探测器 tdt；在泵房：每种原料输送泵的近旁装有相应气体探测器；在丙烯腈罐区：每个储罐的下方安装有毒气体探测器 tdt；丁二烯罐区：每个储罐的下方安装可燃气体探测器 gdt。气体探测器运行时除了将检测的危险气体密度信号远传至控制室，还可根据现场设定值判断报警。传至控制室的检测信号，在控制器（plc）内部经规格化处理后，通过触摸屏人机界面显示报警。同时，对于泵房部分的控制器（plc）程序，还需要与通风装置进行连锁控制，从而实现泵房

23、危险气体不同密度与风机转速的连锁。图2-3 罐区气体探测仪平面布置示意图2.4 原料配比功能实现原料配比工序作为聚合反应的前奏工序，其配比精确与否，不仅影响聚合反应的剧烈程度，给聚合温控子系统带来干扰，而且还可能影响最终的产品质量。因此，实现精确高效的原料配比就成了聚合生产的前提条件之一。然而如何实现或提高原料的配比精度，这里主要从计量设备的选型和计量过程的控制方式两方面进行研究。2.4.1 原料计量设备选型要想选择合适的计量设备，首先需要确定在配料工艺中采用何种计量方式。按中介绍的从连续性的角度，现有计量方式主要分为动态计量和静态计量。静态计量适用于无连续计量要求或连续性要求不高的场合，这时

24、的物料计量可分批多次进行，且允许每次称量之间相距一定的时间间隔。静态计量方式显然无法保证计量过程的连续性，但其计量精度稳定，维护方便。典型的静态计量应用，如超市里的电子台秤、地磅、体重计等。动态计量日常生活中不多见，而多适用于工业生产中，如水泥厂、食品厂、电厂、钢铁厂、化工厂等对连续性配料有较高要求的场合。在本文系统的丁二烯碱洗工艺，要求丁二烯和碱液按一定流量比进行配比，需要连续进行。同时，由于生产系统的聚合反应每次进料时丁二烯和丙烯腈都是以数吨来计量，如果采用静态计量，则需要对每种原料进行多次称量，这样一来不仅配料效率降低，工人的劳动强度也有所提高。当然动态计量也有它的不足之处，即虽然可以保

25、证生产过程的连续，但是由于计量过程在动态情况下进行，其计量精度不如静态计量高。典型的动态计量设备，如用于大块颗粒料计量的皮带秤、粉料计量的转子秤、流体计量的流量计。在丁腈胶乳的生产过程中，需要计量的物料多为流体形态，因此，计量设备也多采用流量计。但是由于物料理化性质、流量计工作原理、测量结果、精度、价格不同，所以适合各物料测量的流量计选型也会不同。涡轮流量计是一种能够测量流体瞬时流量和总量的仪表，它直接测量管道内流体的速度，然后再计算得到流量。其结构如下图 2-4 所示。图2-4 涡轮流量计结构示意图叶轮圆周表面安装与轴向成定夹角的规则形导磁叶片，叶轮安装于中心连接轴上，轴两端再安装于前后支撑

26、件上。脉冲信号发生器和脉冲信号处理单元安装在流量计壳体的中间位置检测叶轮转动时所产生的周期性磁通变化，并将变化的磁信号转变成电信号加以处理。信号发生过程如下图 2-5 所示。图2-5 涡轮流量计信号发生原理图科里奥利质量流量计是一种直接式质量流量计，它是基于牛顿第二定理，即：f= ma而设计的。理论物力学指出：绕某中心做旋转运动的质点在远离或靠近旋转中心时，都会产生一惯性力。假设质点的质量为m ,轴向匀速运动速度为v，以 p 为旋转中心的封闭管道的旋转角速度为 ，质点相对于管道轴心做螺旋运动。如图 2-6所示。图2-6 科里奥利力产生原理图质量流量的确定与被测流体的密度无关，只需要测取科里奥利

27、力便可求出质量流量。因此它极适合于本系统中丙烯腈原料以及气、液两相状态的丁二烯原料的质量计量。对于碱溶液，由于其密度比较稳定，受外界环境影响不大，且流体粘度很小，所以选用测量准确度高（0.2%0.5%）、重复性好（0.05%0.2%）且测量范围宽（30：1）、安装体积小的涡轮流量计。2.4.2 配料控制方式在丁腈胶乳的聚合生产中由于丁二烯原料一般含有酸性杂质，因此，在聚合配料时需要首先经过碱洗工艺进行提纯。根据生产工艺要求，丁二烯进行碱洗时要求流入碱洗塔的碱液质量流量和丁二烯质量流量保持在 1.4：1 一定范围内，这样才能保证送入聚合釜的丁二烯原料即充分提纯又不掺入新的杂质。图2-7 丁二烯碱

28、洗控制示意图如图 2-7 所示丁二烯碱洗时，中控人员通过中控室人机交互系统首先设定丁二烯送料泵“泵 1”的转速和丁二烯总的碱洗量。然后，再设定碱液循环泵的转速。之后打开丁二烯管道上的开关“阀门 1”和碱液管道上的开关“阀门 2”，待监控系统显示阀门 1、2 已处于打开状态后，主控人员再通知车间和罐区的现场操作人员启动碱液循环泵“泵 2”和丁二烯送料泵“泵 1”。此时丁二烯流量计和碱液流量计分别将检测的瞬时流量值远传至主控室人机系统显示并计算瞬时质量流量比和丁二烯总流量值。如果瞬时流量比超出了限定范围，主控人员可以随时调节丁二烯泵的转速设定值，使流量比值达到要求。当然在碱洗过程中，主控人员也可以

29、通过同时改变碱液循环泵和丁二烯送料泵的转速设定值来改变碱洗速度。在碱洗过程中，控制系统实时计算并判断丁二烯的碱洗总量，当达到总量设定时或主控人员发出停止命令后，控制系统自动停止丁二烯送料泵和碱液循环泵，延时后关闭阀门 1、2 停止碱洗。丙烯腈配料控制只涉及自身流量控制，过程简单不再单独说明，丁二烯、丙烯腈控制流程见图 2-8。图2-8 配料控制程序框图2.5 冷热水供给系统功能实现冷热水供应系统从生产角度看是作为丁腈胶乳聚合过程的辅助系统，为主生产提供一定压力和温度的冷热水。但自动监控系统要满足这些看似简单的工艺要求，却要考利各种制约因素，寻求稳定、可靠、可实施性强的解决方案。这里，因为冷水和

30、热水的工艺要求及客观情况有所不同，接下来将分别加以讨论。2.5.1 冷水恒压供给功能实现冷水恒压供给主要是为聚合反应的降温过程提供充足的冷却水，使聚合反应放出的热量能够充分被冷却水吸收。同时，保证冷水的恒压供给也减少或消弱了聚合温控子系统的不确定干扰因素。该冷水恒压供给系统采用西门子变频器 mm420 自身固有的 pid 调节器功能，利用一电阻式远传压力表将冷水总管的实际压力值转化为电阻值信号传送给mm420 变频器，以此作为 pid 调节器的过程值 pv（process value）输入。同时，将一个安装在变频器现场控制柜上的旋转电位计的电阻值作为 pid 调节器的设定值 sp（set po

31、int）输入。以电阻值代替压力值，操作人员通过改变旋转电位计的阻值，即可改变 pid 调节器的压力设定值，pid 调节器再根据压力表传递的包含管道压力变化信息的电阻信号调节 mm420 变频器的输出频率，控制冷水泵的转速，进而达到调节压力的目的。另外，在生产使用过程中，如果由于某瞬时用水量过大，导致单台水泵无法提供足够的压力，这时还可以在运用 pid 功能的基础上采用图 2-9 所示的mm420 变频器的多级输出控制。图2-9 冷水恒压供给控制方案在该方案中，系统包括一台用变频器 pid 调解器控制的主水泵和三台辅助水泵。各台辅助水泵可以通过接触器或电动机启动器投入系统运行。接触器、电动机启动

32、器的接通和断开由变频器的输出继电器进行控制。这种控制方案也可用于通风系统的电机控制。这里恒压供水系统控制功能的实现不需要编写控制程序，只要按选择的控制方案和设备说明接好电气及控制回路，设定参数进行调试即可。2.5.2 热水储罐温控功能实现热水储罐作为整个聚合生产过程中循环热水的存储设备，其主要作用是为引发丁二烯、丙烯腈的聚合反应提供足够的热量。按照该厂丁腈胶乳的生产工艺，当聚合反应所需的原料都安工艺配方加入反应釜后，由于原料温度一般较低，需要主控操作人员向反应釜夹套通入热水，将釜内混合原料的温度提升至适宜开始聚合的起始温度 37，并保持该 370.1一定时间不变后，才能向釜内加入聚合反应催化剂

33、，正式引发聚合反应。在此过程中，由于生产工艺对釜内温度的响应时间及响应精度要求很高，一般需要由主控人员通过控制系统的人机交互功能人工控制完成。即使这样，对温度稳定保持时间的工艺要求也不容易做到。这时，如果热水储罐供给的循环热水温度再有较大波动的话，其对聚合反应能否顺利开始的负面影响是不可忽视的。因此，要求热水储罐的热水温度正常情况下要保持在一定范围内，如 581。2.5.3 热水储罐过程控制热水储罐温度控制系统的构成如下图 2-10 所示。首先用温度计 t（pt100）检测罐内的热水温度，并将温度信号传送至控制器 plc，经内部 pid 运算和连续量离散化处理后，plc 再通过数字输出端口，将

34、周期开关控制信号传送至切断型阀门 v，通过阀门 v 的周期性通断来控制进入储罐夹套的蒸汽流量，进而达到调节罐内水温的目的。图2-10 热水储罐温控方案示意图2.6 聚合釜温控功能实现按聚合配方的工艺要求，该厂的聚合温度需控制在 37-46之间，属高温聚合。在聚合过程中，温度对聚合速度有明显的影响，且随着聚合转化率的增加，丁二烯、丙烯腈单体含量不断减少，需要不断的提高聚合温度来加快反应速度，以此来提高生产效率。但是聚合温度对产物分子量也有很大影响，而且影响大分子的微观结构，同时温度过高会引起氰基的水解，即：生成的酸会破坏乳化剂，导致乳胶不稳定。因此，对聚合釜的温度控制具有较高的工艺要求。 2.6

35、.1 聚合反应过程控制如下图 2-11 所示，聚合釜温控系统包括检测仪表：压力变送器 p 和温度传感器t(pt00)；控制执行设备：冷水阀门 tv（上水）、kv4（回水），热水阀门 kv1（上水）、kv3（回水），空气阀门 kv2；控制器 plc 以及反应釜 e 等。其中，压力变送器 p 将釜内压力转换成 24v、4-20ma 的信号传送给控制器 plc，温度计 t（pt100）将釜内温度转换成电阻值供控制器 plc 模块采样，plc 将电阻值转换成代表釜内温度的连续数字量，调节阀门 tv 根据控制器命令来控制或调节反应釜夹套冷水的流通或流量。图2-11 聚合釜温控系统示意图根据生产单位的实际

36、操作要求，聚合釜的温度控制需要设置全自动程序调节和半自动人工调节两种控制模式。当系统处于全自动模式时，控制器 plc 根据采集得到的压力、温度信息进行 pid 等运算，并根据运算结果控制冷上水调节阀的开度，进而调节进入夹套的冷水流量来控制釜内温度。当控温过程选择半自动人工调节时，主控室操作人员根据人机监控界面显示的温度、压力信息，人工控制冷、热进、回水阀门的开通或开度。在该系统的人工调节模式中，由于工艺要求操作人员既可以使用冷水进行降温操作，也可以使用热水进行升温操作，因此，为防止主控人员操作阀门失误，将冷热水互通，半自动模式时控制系统还应具备阀门动作检测功能。2.7 抽提釜自动脱泡功能实现抽

37、提釜真空脱泡是丁腈胶乳生产的最后一道工序，它的作用是将聚合工序输送过来的丁腈胶乳半成品进行提纯。该工艺阶段，通过向抽提釜夹套通入高温热水或蒸汽，加热胶乳半成品，使其中游离状态的丁二烯和丙烯腈以气态形式从胶乳中分离出去，达到提纯的目的。2.7.1 真空抽提过程控制如下图 2-12 所示，当聚合过程结束需要真空提纯时，由主控操作人员通过监控界面打开抽提釜进料阀门 v2 向釜内进料，当胶乳液面达到下液面设定值时，进料阀门 v2 关闭，真空阀门 v1 打开，开始真空抽提。随着釜内真空度的增加，胶乳中未反应的丁二烯、丙烯腈受热变为气态，从胶乳中析出。在丁二烯、丙烯腈气体从胶乳析出的过程中，胶乳的液面会产

38、生大量泡沫，使罐内液面迅速上升到达上液面。当液位计 l2 检测到物料后，plc 自动关闭真空阀 v1，停止抽真空，以防止物料被吸入真空管道。当罐内胶乳液面回落到下液面设定值时，真空阀 v1 自动打开，重新抽真空。如此反复，直到罐内能保持一定的负压后，真空提纯结束。但是，经过生产应用后发现，由于开始提纯时丁二烯、丙烯腈含量较多，罐内泡沫液位回落很慢，如果只以液位计 l1 信号触发抽真空，生产效率明显降低，因此在真空阀门 v1 的触发条件中又加入了时间触发。控制程序每次检测到 l2 信号并关闭阀门 v1 后，便进入计时和检测下液位的状态，当程序检测到计时时间到或下液位信号 l1 时，就会重新打开真

39、空阀门 v1。这样经过多次反复，罐内压力达到要求后，即停止自动抽提。图2-12 真空抽提控制系统示意图2.8 小结本章从丁二烯、丙烯腈原料存储开始，到丁腈胶乳产品提纯，分别对丁腈胶乳生产监控系统中的原料存储系统、配料计量系统、冷热水供给系统、聚合釜温控系统、抽提釜脱泡系统以及有害气体检测报警系统的控制功能做了分析设计。由于地理位置的原因，这些子控制系统被分属在三个系统中，其中的原料存储系统和冷水恒压供给系统是作为相对独立的辅助系统来独自运行的。在生产过程中，主监控系统通过检测送入车间的冷水总管的水压来获取冷水供给系统的信息，但不能在主控界面中直接控制。根据化工生产安全规定，有害气体检测设备要设

40、置在可能出现有害气体泄漏的地方或设备近旁，因此，有害气体检测系统分属于车间主控系统和灌区原料存储系统中。由于系统控制原理相同，这里未对车间主控系统中的检测报警系统另作说明。第 3 章 监控系统软硬件设计这里的监控系统是指丁腈胶乳生产的整个自动化系统，内容上包括系统硬件和系统软件两大部分。因为该控制系统的整体方案是以西门子自动化产品为基础进行冗余组态的，所以在具体选型之前有必要对西门子控制系统的软冗余技术做一定了解。3.1 软冗余系统结构西门子的软冗余技术可以应用在主、备系统对切换时间要求不高的场合，它可以提高控制系统的安全性并有效控制系统成本。从下图 3-1 所示的系统结构可以看到，软冗余系统

41、中相互备份的两个 plc 控制器可以是 s7-300 或 s7-400，它们有各自的电源模块和 profibus-dp 通信网络，分别与 et200m 从站的两个通讯接口模块im153-2 相连，实现通信网络的冗余。总的来说要构建一个完整实用的软冗余系统需要满足软件和硬件两个方面的要求：图3-1 软冗余系统结构图1) 1 套 step7 编程软件（v5.x）加软冗余软件包（v1.x）；2) 2 套 plc 控制器及 i/o 模块，可以是 s7-300（313c-2dp，314c-2dp，31x-2dp）或 s7-400（全部 s7-400 系列 cpu）系统；3) 4 条网络连接 主 plc

42、系统和备用 plc 系统之间进行数据同步的网络、上位机监控系统与 plc 控制系统交换数据的网络连接、主 plc 系统和 et200m 的通讯网络、备用 plc 系统和 et200m 的通讯网络；4) 若干个配置双 im153-2 模块和所需 i/o 模块的 et200m 远程 i/o 从站；5) 用于编程调试和上位机监控的编程电缆（usb/mpi+）或 cp5611 通讯卡、带屏蔽功能的网络连接双绞电缆、西门子 rs485 网络链接器等。系统选型注意事项：1) 只有 s7- 315-2dp（除 cpu314c-2dp、cpu313c-2dp）型号以上的 plc 才支持软冗余功能；2) 主、备

43、系统的 plc 必须都支持软冗余，但型号可以不同；在具备西门子软冗余功能的控制系统中，两套 plc 控制器系统是独立运行的，只不过处于主模式运行的 plc 掌握对远程 i/o 模块的读取和操作权限，它采集 i/o端口的状态信息并进行程序处理，然后再经过 1 到几个程序运行周期，将需要同步的数据复制到备用 plc 中。主、备 plc 系统之间数据同步时间的长短由两个系统之间的通信网络形式和同步数据量大小决定，mpi 方式周期最长，profibus 方式适中，ethernet 网方式最快。同步效率见表 3-1。表3-1 同步通信效率参考项profibusethernetmpi网络速率1.5 mb1

44、0 mb187.5 kb通信时间60ms48ms152ms同步数据量240 个字节240 个字节76 个字节同时对应不同的网络形式还需要选择不同的通信指令程序，如表 3-2 所示。表 3-2 s7-300 进行数据同步可以使用的程序库网络协议服务包添加链接形式注释mpixsend_300固定组态链接通过cpu mpi 端口链接网络profibusag_send_300fdl 链接通过cp342-5 链接网络ethernetag_send_300iso 链接通过 cp345-1 链接网络3.2 监控系统硬件选型要进行监控系统的硬件选型设计，首先需要确定控制对象及控制任务，根据系统所需的 i/o

45、点数、信号类型、扩展要求、程序容量、系统冗余等进行选择。通过第二、三章的分析说明，可以知道 plc 控制器的直接控制对象包括电磁阀、调节阀、指示灯、蜂鸣器、继电器、接触器、变频器等。被 plc 检测的设备包括温度传感器、压力变送器、液位计、气体探测器等。输入输出 plc 系统的信号类型有24v 开关量和 24v 420ma 模拟信号等。plc 控制器需要完成的控制任务有逻辑控制也有温度、压力等回路的过程控制。系统 i/o 及信号类型统计如下表 3-3 所示。表 3-3 控制系统 i/o 统计控制区数字量输入/个数字量输出/个模拟量输入/个模拟量输出/个主控室1004611414罐区控制室864

46、303.2.1 上位机人机界面系统聚合车间的主控室上位监控系统采用4台大尺寸液晶显示器和四台工业计算机，通过专用通信卡 cp5611 与控制系统的 plc（2 套 s7-315-2dp）相连，构成带冗余功能的主控上位机系统，完成对生产车间 6 套聚合生产系统的运行管理和参数设定。在罐区控制室用大尺寸富士触摸屏 ug530v 通过 mpi 协议与独立主站 s7-313c plc组成灌区人机交互系统。3.2.2 plc 系统plc 作为整个丁腈胶乳生产监控系统的主要控制器，负责监控生产过程中的工艺参数和设备状态，完成大量生产数据的交换和处理工作，它是连接上位监控系统和现场工艺过程的桥梁。在聚合车间

47、主控系统中，两台西门子 plc s7-315-2dp 分别通过自身集成的 mpi 端口与上位监控系统中的四台工业计算机相连，实现 plc 控制系统与上位人机交互系统的冗余通信连接。同时，两台 plc 分别从自身的 dp 端口向下与 im153-2 相连，构成 plc 主站与 3 套 et200m 远程 i/o 从站的 profibus 通信网络。每套 et200m 都有自己的电源模块、i/o 模块和两个 im133-2 接口模块。各种 i/o 模块通过自身端子连接现场仪表、阀门、变频器等，并与 im133-2 通过支持热插拔功能的背板总线相连。这样 plc 控制系统便实现了 cpu 及其电源，

48、主从通信网络和通信模块的冗余搭配。为了使互为备份的两个 plc 内部数据保持同步并检测彼此的运行状态以完成主备自动切换，在主备 plc 之间通过扩展的两块 cp342-3 通信模块构建了主备系统的 profibus-dp 数据同步网络。灌区控制系统由于所需数字 i/o 点数较少，监控任务量较小，故选用 s7-313c plc，利用其内部集成的数字i/o 外加模拟量 i/o 扩展模块构成灌区控制器系统。plc 的 mpi 口与富士触摸屏ug530v 连接组成上位监控系统。3.2.3 变频器变频器作为控制电机的变频调速装置，在丁腈胶乳的生产过程中取得了很好的应用效果。在使用过程中，不仅充分发挥了调

49、速特性，还大大提高了动力系统的节能效率。本系统中选用的是西门子 mm430 变频器，它除了具有很好的调速性能和明显的节能功效外，在内部集成了 pid 调节器功能和智能处理器单元，可以单独完成某些场合的自动控制或调节功能。由于具有一定的智能处理能力，它可以在现场总线系统中作为智能从站使用，为控制系统提供更加丰富的监控功能。在本文的丁腈胶乳生产监控系统中，由于 mm430 的数字通信还不具备冗余组态功能，所以通过远程 i/o 模块连接 mm430 接线端子的方式，用 0-10v 的模拟量信号来实现上位监控系统对电机传动系统的控制。3.2.4 监控系统硬件列表表 3-4 主车间监控系统硬件配置表表 3-5 灌区监控系统硬件配置表3.4小结本章结合丁腈胶乳聚合工艺对安全生产的要求，从西门子的软冗余技术开始构建该丁腈胶乳生产监控系统的技术基础，接着再根据系统的 i/o 信号类型及i/o 点数，最终确定了监控系统所需的硬件列表。第4章 结论 从丁二烯、丙烯腈原料存储开始，到丁腈胶乳产品提纯，