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硕士论文 金属钾生产线自动监控系统的研究与设计 摘 金属钾是一种特种金属，其化合物在工业上应用广泛，需求量非常大。某化工厂作 为国内最大最主要的金属钾生产商，其金属钾车间的生产工作全部依赖人工操作完成， 导致生产效率和产品质量不理想，且存在极大的安全隐患。金属钾生产线自动监控系统 的设计对改善该厂存在的问题具有重要意义。 本文首先分析了金属钾的物理化学性质和金属钾生产线当前生产状况，在生产工艺 分析和生产过程分析的基础上，进行了需求分析。综合考虑系统设计要求、经济成本， 提出了使用目前最可靠和经济的d c s 系统的总体方案和相关关键技术。在此基础上分 为下位机设计、控制算法设计、上位机设计三部分展开d c s 系统的研制。 控制算法部分针对该生产车间具有丰富人工控制经验的优势和被控对象复杂难以 建立精确的数学模型的特点，提出使用模糊控制算法的思路，同时结合传统p i d 控制具 有精度高、变化较为平顺、成本低的优点，最终针对不同控制参量设计了不同的控制算 法。 控制系统的下位机采用西门子公司的s 7 2 0 0 p l c ，上位机部分采用研华工业计算 机。下位机设计工作围绕硬件设计和软件设计两部分展开，上位机部分详细介绍了硬件 选型和组态软件的设计。 本文研究设计的金属钾生产线自动监控系统实现了制钾过程的自动化，提高了制钾 过程的安全性、产品的质量和生产效率，实现了对生产数据的科学管理，对企业的技术 改进有一定的借鉴作用。 关键词：金属钾生产线，d c s ，组态软件，模糊控制，p i d a b s 昀c t 硕士论文 a b s t r a c t p o t a s s i u m ( k ) i sak i n do fs p e c i a lm e t a l i t sc o m p o u n d sa r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r y t h e d e m a n di sv e r yb i g a st h el a r g e s ta n dm o s ti m p o r t a n tp o t a s s i u mm e t a lp r o d u c e r ，ac e r t a i n c h e m i c a lp l a n tc o m p l e t e l yd e p e n d so nm a n u a lw o r kt of i n i s hp o t a s s i u mm a n u f a c t u r e r i n g , r e s u l t i n gi np r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ep r o d u c tq u a l i t yn o ts a t i s f a c t o r y ，a n dl e a d i n gt oab i g s e c u r i t yr i s k t h ed e s i g no f t h ep o t a s s i u mp r o d u c t i o nl i n e sa u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mh a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os o l v et h ep l a n t sp r o b l e m s p o t a s s i u m sp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dp o t a s s i u mp r o d u c t i o nl i n e s sc u r r e n t p r o d u c t i o ns 觚sa r ef i r s t l ya n a l y z e d t h ed e m a n da n a l y s i si sd o n eb a s e do np r o d u c t i v e t e c h n o l o g ya n a l y s i sa n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n a l y s i s c o n s i d e r i n gt h es y s t e m sd e s i g n r e q u i r e m e n t sa n de o n o m i cc o s t s ，t h ed c ss y s t e mi sp r o p o s e da st h em o s tr e l i a b l ea n d e c o n o m i cs o l u t i o n a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa r ep r o p o s e dt o o o nt h i sb a s i st h ed e s i g no ft h e d c s s y s t e mi sd e v i d e dt ot h r e ep a r t s ：t h el o w e rm a c h i n ed e s i g n , t h ec o n t r o la l g o r i t h md e s i g n a n dt h eu p p e rc o m p u t e rd e s i g n s i e m e n ss 7 2 0 0 p l ci su s e da st h el o w e rm a c h i n e a d v a n t e c hi n d u s t r i a lc o m p u t e ri s u s e da su u u p c rc o m p u t e r t h el o w e rm a c h i n e sd e s i g nw o r ki sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h e h a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g n a st h ed e s i g no ft h eu p p e rc o m p u t e r , t h eh a r d w a r e s e l e c t i o na n dt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed e s i g na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i nt h ed e s i g no fc o n t r o la l g o r i t h m ，f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，f o rt h i sp l a n th a s r i c he x p e r i e n c eo nm a n u a lc o n t r o la n dt h ec o n t r o l l e do b j e c ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hap r e c i s e m a t h e m a t i c a lm o d e l b u tp i dc o n t r o li sh i g h - p r e c i s i o na n dl o w - c o s t ，c h a n g e sr e l a t i v e l y s m o o t h d i f f e r e n tc o n t r o la l g o r i t h m sa r ed e s i g n e df o rd i f f e r e n tc o n t r o lp a r a m e t e r s t h ea u t o m a t i o no ft _ h ep o t a s s i u m sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si sa c h i e v e db yt h ed e s i g no f t h ep o t a s s i u mp r o d u c t i o nl i n e sa u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mi nt h i sp a p e r t h es a f e t y , t h e p r o d u c tq u a l i t ya n d t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya r ei m p r o v e d t h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to ft h e p r o d u c t i o nd a t ai sa c h i e v e dt o o t h i ss y s t e mr e p r e s e n t sau s e f u le f f o r tf o rt h ei m p r o v e m e n to f t h ee n t e r p r i s e st e c h n o l o g y k e y w o r d s ：p o t a s s i u mp r o d u c t i o nl i n e ，d c s ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，f u z z yc o n t r o l ，p i d 硕士论文金属钾生产线自动监控系统的研究与设计 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 钾的性质 金属钾是一种银白色金属，很软，可用小刀切割，熔点为6 3 5 ，2 0 时其密度为 8 6 2 k g m 3 。【i 】化学性质比钠还要活泼，暴露在空气中，表面覆盖一层氧化钾和碳酸钾， 使它失去金属光泽，因此金属钾应保存在煤油中以防止氧化。【2 】遇水发生剧烈反应，并 引起爆炸，因此由钾引起的火灾，要用碳酸钠干粉扑灭而不能用水或泡沫灭火剂。单质 钾具有很高的反应活性，能与氧、硫、氮、氢以及卤素等直接反应，能与醇、醚等多种 有机物反应生成钾的有机化合物。因此，自然界中钾只以化合物的形式存在，地壳中钾 含量居第八位约为2 0 9 。钾离子作为人体细胞内最主要的阳离子对人体起着重要的作 用，正常人体内含钾约为1 7 5 9 。 1 1 2 钾的应用价值 钾作为植物生长的三大营养元素之一，对植物生长发育很重要，因此钾就成为制造 钾肥的重要原料。钾对人类和动物也很重要，钾参于细胞内糖和蛋白质的代谢，调节人 体细胞内的渗透压和体液的酸碱平衡，有助于维持心律正常、神经健康，还可协助肌肉 正常收缩和预防中风。缺钾可导致人体肌肉衰弱和烦躁、心律不齐、心电图异常，严重 的将导致心跳停止 金属钾的化合物早就被人类利用，目前其在工业上应用范围很广。钾盐可以用于制 造化肥、肥皂、洗涤剂，作为化学生氧剂的超氧化钾广泛用于消防抢险、宇宙航天、矿 山自救器、潜艇航行、高原作业等领域，还可用作日常生活中安全便利的生氧剂。此外， 金属钾还可以用作制作钠钾合金的原料。随着我国航空航天事业发展势头越来越来好、 煤矿开采安全意识越来越高、潜艇工业不断发展、民众安全意识也越来越高，金属钾必 将得到更广泛的应用。 1 1 3 我国钾资源储备情况 据2 0 0 0 年中国环境状况公报i 中国缺钾耕地面积已占耕地总面积的5 6 。约5 0 以上的耕地微量元素缺乏，7 0 - 8 0 的耕地养分不足，2 0 3 0 的耕地氮养分过量。 我国可溶性钾盐资源严重不足，是我国7 种( 石油天然气、铁i 铜、铝、锰、铬、钾盐) 大宗紧缺矿产之一。 我国钾盐矿储量约5 亿吨，仅占世界已探明储量的5 左右。钾资源对我国来说十 分紧缺，可以说是物以稀为贵。我国钾肥也因此对外依存度很高，国外钾肥市场过于垄 断。我国是钾肥消耗和进口依赖最大的国家之一，钾肥消耗量约占世界消耗总量的2 0 l 绪论 硕士论文 。自2 0 0 3 2 0 0 5 年我国钾肥的每年实际产量分别为1 3 6 万吨、1 9 1 万吨与2 3 3 万吨。 在国内产量不断增长的同时，我国钾肥进口量也呈上涨之势一0 0 7 年与2 0 0 8 年分别 进口7 1 0 万吨与7 7 0 万吨，约7 0 以上的钾肥进口依存度显然不利于我国农业的可持续 发展。 1 1 4 钾的制备 根据工业上用电解氯化钠的方法制取金属钠和电解4 0 0 5 5 氯化锂及4 5 氯化钾 的共熔物制取金属锂的成功案例，以及碱金属性质的相似性，在原理上和实验上类似的 电解熔盐的方法对制备金属钾、铷等应该是可行的。英国人h 戴维于1 8 0 7 年通过电解 碳酸钾熔体首次发现了金属钾，但他使用的电解法却无法在实际生产中使用，分析如下： ( 1 ) 电解碳酸钾熔体的实验中使用的是不与熔融的金属钾作用的铂电极，但工业生 产中只能使用会受到熔融的金属钾侵蚀的石墨电极。 ( 2 ) 金属钾在熔盐中的溶解度大无法浮在熔盐表面不利于分离金属钾。 ( 3 ) 金属钾的沸点为7 7 4 ，电解产生的高温导致钾蒸汽从电解槽中逸出污染环境。 ( 4 ) 在电解过程中会生产超氧化钾，超氧化钾会与金属钾发生爆炸性的剧烈反应。 所以现在金属钾的生产方法都采用熔融的氯化钾和熔融的钠反应制钾蒸汽，反应方 程式如下： n a + k c i ki + n a c i ( 1 1 ) 此法称为真空蒸馏法。k c i ( 氯化钾) 的熔点为7 7 0 ，沸点为1 4 2 0 ，钠的熔点为 9 7 8 l ，沸点为8 8 2 9 ，n a o ( 氯化钠) 熔点为8 0 0 7 ，沸点1 4 6 5 ，钾的熔点为6 3 2 5 ，沸点为7 6 0 比钠低，将反应温度控制在8 5 0 ，恰好钾可以以钾蒸汽的形式蒸发 出来，而钠和其他物质没有达到沸点，无法分离出来。因此反应( 1 1 ) 对温度极敏感，温 度过高钠也被蒸发了，同时导致杂质的生产，甚至生成的全是杂质，温度过低导致生产 效率的降低甚至制钾反应无法发生。这是一个可逆反应，根据勒夏特列原理，要使制钾 反应持续稳定发生反应即反应不要达到平衡状态，必须不断将制得的钾蒸汽分离出去， 让平衡向产生钾蒸汽的方向移动，使反应持续进行。实际操作中采用真空泵将制得的钾 蒸汽抽走，因此反应( 1 1 ) 对压力控制要求也高，真空度过大导致杂质也随着钾蒸汽被分 离出去，降低产品纯度，真空度过小又导致钾蒸汽分离速率过慢，生产效率低。反应( 1 1 ) 本身就是一个高温剧烈的反应过程，反应剧烈程度控制不当将引起极大的危险。 某化工厂的工业制钾生产线如图1 1 所示。从向反应釜里加原料开始，为了使其完 全反应，应先向其里面加入一半k c i ，然后加入钠棒，然后再加k c i 和钠棒，这样有利 于原料充分混合，有利于原料的完全反应。反应所得的钾蒸气从塔顶逸出，冷凝后的金 属钾含有质量分数约为1 的金属钠杂质，经分馏精制就可制得纯度达9 9 9 9 的金属钾。 2 硕士论文 金属钾生产线自动监控系统的研究与设计 图1 1 工业制钾设备 目前，国内金属钾的生产厂家并不多，本项目的委托单位某化工厂就是国内较大的 金属钾生产商，该厂建有年产8 0 0 吨的金属钾生产线。此外，还建有年产1 0 0 0 吨的超 氧化钾生产设备，年产5 0 0 吨的过氧化钠生产设备。该厂以生产钾、钠系列精细化工产 品为主，实力雄厚，产品质量优良，产品销售范围覆盖美国、韩国、日本、乌克兰、南 非等国。 1 2 课题来源及本文主要工作 1 2 1 课题来源 本课题是本课题组与北京含元柳智能机械科技有限公司合作承担的某化工厂口金属 钾生产系统自动化改造项目”的一部分。该项目本着提高金属钾生产效率，实现自动化 生产、安全生产，降低工人工作强度的目的，重点完成存在安全隐患的生产过程的自动 化改造，从而提高该企业的生产安全性和管理水平，最终达到提高企业竞争能力的目的。 1 2 2 选题意义 作为我国当前最大最主要的金属钾生产企业，该厂在生产金属钾的过程中所采用的 装置的操作是完全靠人工完成的，很难保证生产要求的精确度。 目前的生产是通过人对每一个仪表的观察而相应进行操作的，生产过程中车间环境 即工人工作环境较为恶劣，采用这种操作方式极易受到外界因素以及个人自身的人为因 素的影响。这种影响会直接影响到公司的生产质量和生产效率，同时还存在安全隐患。 对于生产数据的管理也是全靠人工记录，存在数据失实、记录不及时等问题。 另外，该厂产品金属钾的主要出口国家为欧美等国，在课题研究期间还有相关国外 合作商参观工厂车间，完成金属钾生产线自动化改造后，产品的科技含量得到提高，安 全隐患得到消除，必然会提升客户对该厂的满意度，这也符合该厂打造具有竞争力的“和 谐 企业的奋斗目标。 l 绪论硕士论文 根据厂家提出的要求同时考虑经济成本，最终选择目前最可靠和最经济的解决方 案：d c s 系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。 综上所述，本课题的意义在于，针对目前我国以该厂为代表制钾生产技术落后的现 状，提出采用目前应用广泛和稳定的d c s 控制系统对生产过程实现自动化控制。采用 全软手操代替以往全人工现场操作，在满足监控系统稳定性和安全性的基础上，提高了 生产过程的自动化水平，减少了人工操作情况下人为因素的影响，提高了生产效率和质 量。针对经典控制思想和现场操作工人控制经验丰富，在本控制系统中容入先进控制思 想，使控制系统试验时工况稳定基本满足要求。由于该厂是我国最大的也是最主要的金 属钾生产企业，该厂金属钾生产线的自动化改造项目必然对我国金属钾生产d c s 控制 系统设计水平的提高和应用推广有一定的借鉴意义。 1 2 3 本文主要研究内容 本文首先研究生产线产品金属钾的特性、金属钾生产线的生产工艺和生产过程。分 析目前存在的问题，在需求分析的基础上提出解决方案和关键技术。对于本金属钾生产 线自动监控系统的具体设计来说，主要研究了以下三方面的内容。 ( 1 ) 下位机设计。输出输出设备选型、布点和p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n _ c r o l l e o 的设计是主要研究内容。p l c 的设计又分为了硬件设计和软件设计两部分。 ( 2 ) 控制算法设计。对各重要控制参数进行控制算法的研究，如反应釜温度、冷凝 钾温度、集钾器温度、集钾速率、系统压力等，根据需要采用p i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a l d e r i v a t i v e ) 控制，模糊控制或两者相结合的控制算法。 ( 3 ) 上位机设计。上位机的设计主要为硬件选型和组态设计，以实现上位机监控、 管理功能。 1 3 相关技术国内外研究现状 1 3 1 分布式工业控制系统 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，是以微处理器为基础的集中分散 型控制系统，其实质是利用计算机技术将控制功能分散到过程控制级，将操作管理集中 到操作监控级，从而实现对工业过程的控制，是计算机技术、网络通信技术、人机接口 技术及测量控制技术交互发展的产品。【3 卅它吸收了分散的常规仪表控制系统和集中式 计算机控制系统两者的优点，是在两者基础上发展起来的一种系统工程技术，目前已在 工业控制领域获得广泛运用。 ( 1 ) 分布式工业控制系统的发展 对于集散控制系统的发展历程没有严格的划分，不同时期不同集散控制系统制造商 生产不同的产品，下面以集散控制系统在不同阶段的主要产品为主线进行介绍。 4 硕士论文金属钾生产线自动监控系统的研究与设计 第一代集散控制系统 1 9 7 5 1 9 8 0 年为d c s 的初创阶段，相应产品为第一代d c s 。其基本结构如图1 2 所 示，这一时期d c s 的特点是：对于过程控制的完成比较理想，但系统人机界面能够提 供的信息量较少，功能不够强大。系统功能上接近仪表控制系统，各个厂家的系统均由 专有产品构成。各个厂家的系统通信自成体系，没有形成相互数据通信的标准，各个厂 家生产的d c s 成本高，系统维护运行成本也较高。综上所述，d c s 的应用范围在这一 阶段受到一定的限制。 图1 2 第一代d c s 基本结构 第二代集散控制系统 1 9 8 0 1 9 8 5 年是d c s 成熟期，相应产品称为第二代d c s 。其基本结构如图1 3 所示。 多微处理器技术得到应用，系统功能增添。同时数据通信技术也从主从式星型数据通信 转变为对等式总线网络的数据通信或环网数据通信，数据通信质量和数据传输速率获得 提高；通信范围扩大。但各厂家通信标准不一，不能进行数据交换，而且设备购买成本、 运行成本及维护成本都很高。 图1 3 第二代d c s 基本结构图 第三代集散控制系统 2 0 世纪9 0 年代是集散控制系统的扩展阶段，以采用了i s o 标准m a p ( 伟i 造自动化 规约) 网络的i as e r i e s 为代表，该系统由f o x b o r o 公司于1 9 8 7 年推出。这一时期的系统 无论硬件、软件都采用了一系列高新技术，具备以下特点：增强了网络通信功能，克服 了自动化孤岛等难题；控制功能得到强化，形成了过程控制、集中控制、生产管理三层 l 绪论硕士论文 功能结构；多数d c s 厂家实现了组态标准化；在硬件和基础软件中，市场采购商品得 到应用，系统成本得到大幅度降低，如图1 4 所示。 i 管理计算机l 网络连接设备监控计算机站 工程师站 操作员站 网络连接设备 l 过程控制站ll 过程控制站i 现场检测设备 现场检测设备 图1 4 第三代d c s 基本结构 第四代集散控制系统 受信息技术发展的影响，用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各d c s 厂商纷纷提升d c s 的技术水平，不断丰富其内容。第四代d c s 的体系结构如图1 5 所 示，特点如下：信息化和集成化。成为真正的混合控制系统。包含f c s 功能并进 一步分散化。开放性平台和专业户的应用服务。 综合管理级 生产管理级 集中监控级 过程控制级 现场设备 图1 5 第四代d c s 基本结构图 ( 2 ) 国内外现状分析 发展至今，d c s 已成为基于通信网络且综合了4 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c r t 、 c o n t r 0 1 ) 技术的多级计算机控制系统，以控制分散化、操作集中化、管理分级化、配置 方便、组态灵活为基本思想，系统具有控制功能完整、协调性好、可靠性高、配置灵活、 兼容性好、维护方便等优点。目前，d c s 生产商主要集中在美、日、德等国。我国在 2 0 世纪8 0 年代末才开始引进d c s 技术、自主研发并逐渐普及。随着国内d c s 厂商不 断对国外技术吸收、改进、自主研发，以及计算机、通讯、控制技术的快速发展，国内 d c s 系统迅速发展并得到普遍应用，目前水平接近国际同类产品。但对一些复杂的生产 过程如炼油化工生产，国产的d c s 还不能满足要求，多采用国外引进d c s 系统。我国 的d c s 应用软件软件也有待进一步开发，目前自动化系统控制软件主要从国外进口。 6 回圆 圃 硕士论文 金属钾生产线自动监控系统的研究与设计 ( 3 ) d c s 目前存在的关键问题及发展展望 在发展历程中厂家注重对d c s 的两个重要部分( 现场控制站和系统网络) 的设计开 发，现场控制站的功能逐渐完善，应用逐渐成熟从而实现了标准化。系统网络从最初封 闭的高速数据总线发展到采用了先进的以太网技术和现场总线技术。d c s 系统实现了由 控制功能为主到综合信息管理平台的转变，d c s 提供了从现场到设备、从设备到车间， 从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。系统的规模不断扩大，功能集成和产 品集成能力显著提高，实现了控制网络和企业网络的集成。目前新型d c s 的突出优点 是系统功能的分散化和开放性1 5 1 。d c s 融合了f c s 技术，实现了控制功能的模块化和单 元化、控制单元现场化，减低了成本，提高了性能。 但d c s 发展中也存在一些关键问题制约了他的发展：( 1 ) 现状很多大学、研究机构、 公司都在做d c s 和现场总线、以太网的融合，但成果依旧不够理想。 6 - 7 l 现场总线是目 前流行的底层控制网络，其显著的特点是数字化、开放性、分散性、互操作性与互换性： 其不足是现场总线的多样性及难以统一，给现场总线产品的标准化和用户的选择带来了 极大的困难，制约着现场总线技术在复杂过程控制中的应用。以太网技术应用的广泛性 和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通讯领域和过程控制领域中上层的信息管 理与通信，并且有进一步直接应用到工业现场的趋势旺。与目前的现场总线相比，以太 网技术具有应用广泛、成本低廉、通信速率高及可持续发展潜力大等优点，但以太网通 信相应的“不确定性 是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。专业化 的应用知识和经验是融合的重要保证。需要针对现实问题提炼出关键点，找到切合点， 得到解决问题的方法和途径，最终实现突破，推动d c s 技术的发展和应用。( 2 ) 信息传 递落后。目前从现场一次仪表到d c s 和从d c s 到现场的信号大都沿用d d z i i i 型仪表 的信号规格，即4 1 0 a d c 或1 - 5 v d c ，采用点到点的传输方式，信号传输精度低，抗干 扰和纠错能力差，难以发挥现场仪表的特长。( 3 ) 分散程度不够【8 l 。每台d c s 的现场控 制单元般都要处理几十个控制回路，并由此而带来实时性的问题，很难实现紧急停车 时要求的m s 级的反应速度。( 4 ) 成本较高。其网络通信体系统结构大多采用封闭式和本 公司专用的标淮和协议。因此d c s 同时面临p l c 控制系统和的现场总线控制系统( f c s ) 的双重挑战。 面对挑战d c s 将会沿着以下几点趋势继续向前发展：( 1 ) 向综合方向发展。由于标 准数据通信链路和网络的发展，将多种单( 多) 回路调节器、p l c 、工业计算机等工控设 备构成大系统，并与现场总线相融合，适应开放化的大趋势。( 2 ) 向智能化方向发展。由 于数据库系统、推理机能的发展，专家系统、知识库系统的应用，人工智能可在d c s 各级实现。与f f 现场总线类似，以微处理机为基础的智能设备，如智能i o 、智能p i d 控制、变送器和执行器等，智能人机接口、可编程调节器也会相继出现。( 3 ) i f i - 专业化方 向发展。使用和领域相应的行业d c s 如电站d c s 、水泥d c s 等。( 4 ) d c s 向工业p c 化 l 绪论硕士论文 方向发展。由工业计算机( i p c ) 组成d c s 成为一大趋势，p c p l c 、p c s t d 、p c - n c 等 就是p c d c s 的先驱，i p c 成为d c s 的硬件平台。( 5 ) o c s 与p l c 、f c s 相互渗透、相 互融合。f c s 相对d c s ，具有高度的分散性，更好地体现了“信息集中、控制分散”的 思想。遵循统一的技术标准，具有开放性，可实现设备互操作性和互换性。而d c s 采 用独家封闭的通信协议，具有不彻底的开放性，不同厂家的产品不能互换互连。d c s 属于多级分层控制网络，f c s 为分散控制结构。综上所述，f c s 具有性能更好、准确度 更高、误码率低、组态简单、便于安装、运行、维护的优点。d c s 正面临f c s 技术的 挑战，f c s 作为一种技术趋势已经势不可挡，但现场总线的国际标准由于各大公司自身 利益等原因并不理想，现场总线仪表和常规仪表相比价格较贵，这些都影响了f c s 的发 展。由于近年来d c s 技术的成熟以及广泛应用，d c s 在可靠性、开放性、标准化方面 有了很大的进步，而且d c s 的价格大幅度下降和能够满足目前生产控制要求，当前d c s 仍具有较强的生命力。d c s 原本多用于连续过程控制，p l c 多用于逻辑顺序控制。但 实际的生产过程比较复杂，既需要连续控制，又需要逻辑j i 顷序控制功能。开始时d c s 将p l c 连入系统，主要用于实现相关的连锁保护系统。p l c 价格低廉，使用方便，得 到了很快的发展。由于p l c 向高功能、高速度、大容量、加大模拟量的方向发展，形 成同d c s 相抗争的大系统，并且p l c 强化通信能力，网络以太化已很成功，又成功地 与现场总线相融合，在许多情况下成为比d c s 性价比更高的分布式控制系统。 1 3 2 工业计算机及组态软件 工业计算机( i p c ) 在我国初步发展于2 0 世纪5 0 年代，至今已经历了萌芽期、起步期、 形成期、成长期和发展期【9 】，形成了一定的产品体系和产业链，成为全球范围内的主要 i p c 生产国之一。但在目前国内普遍存在规模有了但实力不强的现象，导致这种现象主 要是因为缺乏自主创新能力，核心技术依赖国外，技术水平、产品质量和集成水平与国 外都存在较大差距。 近几年，我国i p c 产业进入发展期，i p c 产业加快发展并初具规模，研发能力增强， 初步形成了自己的产品体系，应用范围也不断扩大，形成了以研祥、研华等为代表的i p c 自主知名品牌，开始进入国际市场，产品市场占有率也越来越高。 组态软件是工业自动化系统的软件平台【1 0 1 ，具备良好的人机界面、开放性、高稳定 性及强大的控制功能。通常具备画面组态、实时数据库、报警、报表输出、曲线显示、 安全机制、设备驱动、编制脚本程序、数据处理等基本功能。2 0 世纪8 0 年代初组态软 件开始出现，我国出现组态软件是在2 0 世纪8 0 年代末。经过多年发展，目前国内外市 场上的主流产品主要为：i n t o u c h 、f i x 、w i n c c 、m c g s 、组态王等。多种软件开发平 台并存的现状决定了组态软件在设计风格上大相径庭，软件开发设计人员的思维模式、 编程习惯甚至审美观念的不同则进一步加剧了这种差别的程度。同时，由于没有一个针 8 硕士论文金属钾生产线自动监控系统的研究与设计 对组态软件设计方面的规范，造成了对同一种功能的实现方法上也都各有其侧重点，在 组态功能的实现上各有短长。各家系统生产商在进行策略组态软件的开发上，由于其对 系统所实现的控制功能的侧重有着不同的考虑，加之某些商业利益方面的原因，使他们 采用的软件设计模式不尽相同。同时，软件设计所用语言元素的内部表征方式、组态功 能实现的手段、存储时使用的文件格式等都没有统一的规范可以遵循，由此使各家策略 组态软件之间缺乏协同，在互操作性和互换性上大有商榷之处。 1 3 3p l c 技术 2 0 世纪6 0 年代，工业控制领域中计算机技术已经逐步展露头角，但计算机技术本 身比较精密、复杂，对编程人员的素质要求较高，对环境要求也较高，在恶劣的工业环 境下难以正常工作，而且价格昂贵，导致其没有在工程控制领域中得到推广。继电器 接触器是当时工业控制系统的主要组成部分，这种系统存在明显的不足：设备体积大， 通用性、灵活性差，可靠性低，功能简单，不具备现代工业控制所要求的数据传输及网 络控制等功能。 1 9 6 8 年，为解决汽车生产线继电器接触器控制系统中普遍存在的问题，适应汽车 型号快速的更新换代，一种新型的工业控制器成为通用汽车制造公司( g m ) 的迫切需求。 1 9 6 9 年，世界第一台可编程序控制器终于应g m 公司提出的要求由美国数字设备公司 ( g e c ) 率先推出，称之为“可编程序逻辑控制器”，并在通用汽车公司的自动装配线上试 用成功。随后，日本、西欧国家、我国也先后研制出了自己的可编程序控制器。随着微 电子技术的发展，p l c 在概念、设计、性能、价格以及应用方面都有了新的突破。 目前，可编程序控制器是专为工业现场而设计的，其基本结构与典型的计算机结构 相同【l ，如图1 6 所示。 图1 6 p l c 的基本结构 p l c 的工作原理：p l c 上电后，首先要对硬件和软件进行初始化。当其投入运行后， p l c 采用循环扫描工作方式。其工作周期主要包括：输入采样，用户程序执行，输出刷 新三个阶段。t 1 2 1 p l c 初始化后，就会反复不停地执行上述三个阶段。每完成一次上述三 个阶段称为一个扫描周期。在执行用户程序时，还有系统自诊断、通信处理、中断处理、 l 绪论硕士论文 立即i o 处理等过程。 p l c 按结构分可分为整体式和模块式两类，按控制规模可分为小型p l c 、中型p l c 和大型p l c 。整体式p l c 是将电源、c p u 、存储器、i o 接口等部件都集中装在一个机 箱内，具有机构紧凑、体积小、价格低、安装简单等优点，小型p l c 一般采用这种结 构。模块式p l c 是将p l c 各组成部分，按功能分成若干模块，各模块具有独立的结构， 根据不同需求选择不同模块组成不同系统，具有配置灵活、易于装配、调试及故障诊断 方便、安装及维修容易等优点，在大、中型p l c 中较常使用。 p l c 自问世以来在各个行业得到广泛应用，目前p l c 的发展趋势可概括为：产品 规模朝着大、小两个方向发展；p l c 在闭环过程控制中应用日益广泛；集中控制与网络 连接能力加强；不断开发适应各种不同控制要求的特殊p l c 控制模块；编程语言趋向 标准化；发展容错技术，不断提高可靠性；追求软硬件的标准化。 1 3 4 智能控制算法 自动控制理论是与人类社会发展密切联系的一门学科。1 9 世纪，j c m a x w e l l 首次 利用线性常微分方程实现了对带有调速器的蒸汽发动机系统的数学描述和稳定性分析， 后在b o d e 、n y q u i s t 、n i c h o l s 等人的研究的基础上经典反馈控制的理论基础才得以形成。 第二次世界大战期间军事需求以及后来的工业大发展的需要都推动了自动控制理论发 展取得了巨大成就。目前在工业过程控制领域中经典控制理论依旧发挥着不可替代的作 用，许多控制问题都由此得到解决。但人们逐渐发现对大型复杂控制问题运用经典控制 理论往往得不到理想的解决方案。 随着计算机技术的出现和迅猛发展，计算能力及信息处理能力都得到飞速提高，为 6 0 年代更复杂更严密的现代控制理论的诞生奠定了基础，该理论以状态空间分析为基 础，主要运用以系统辨识理论、线性系统理论、随机控制理论和最优控制理论等为主的 时域的状态空间方法。现代控制理论是在被控对象的数学模型基础上进行系统分析的， 所以控制系统的性能就受到被控对象数学模型精确度的巨大影响，但对于复杂的控制系 统往往很难建立精确的数学模型，为克服这个难题，提高系统的自适应性、鲁棒性成为 控制理论的研究热点。对系统的可观性、可控性和稳定性要求，很多复杂系统的控制难 题都由于现代控制理论的出现从理论上得到了解决。但现代控制理论仍没摆脱定量化的 基于数学模型的思维方式，遗留了不少问题，在实际应用中也存在困难。 依托计算机技术的迅猛发展人工智能得到巨大发展形成了一门学科，并表现出很强 的生命力。系统的复杂性不光体现在高维性上，更体现在系统信息具有不确定性、不完 全性、模糊性和偶然性的特点上，能否将研究主体由控制对象改为控制器? 人工智能能 否成为难以建立精确数学模型的控制系统的解决方案呢? 这体现了智能控制的一种思 想。 1 0 硕士论文金属钾生产线自动监控系统的研究与设计 8 0 年代以来，微计算机的高速发展为实用的智能控制器的研制及智能控制系统的开 放提供了技术基础。人工智能技术的进展也为智能控制系统的研究和开发准备了新的条 件和途径。目前，智能控制设计的方法【”1 有：模糊控制器、神经网络控制器、专家智能 控制系统、集成型智能控制、智能控制系统。 1 4 论文结构安排 本文根据对制钾生产线当前生产情况的调研结果以及厂家提出控制要求，设计了一 套d c s 控制系统。根据对生产工艺的研究，设计了相关控制算法；对下位机控制系统 进行了硬件选型、布点、安装，通信方案确定以及软件设计；对上位机部分进行了硬件 选型和组态软件设计。本文的主要内容如下： 第一章介绍金属钾的性质、应用，金属钾制各的现状，本文的主要工作内容和意义， 相关技术的国内外研究现状。 第二章分析金属钾生产工艺和生产过程，在此基础上进行需求分析，提出设计要求， 完成系统总体方案设计并提出相关关键技术，在此基础上将金属钾自动监控系统分为下 位机、上位机、控制算法三部分进行设计。 第三章介绍p l c 相关知识，对下位机进行详细设计。完成传感器、电动阀、p l c 的选型，制定抗干扰措施和通信方案，完成p l c 外部接线设计和软件部分设计。 第四章根据生产工艺完成控制算法的设计工作。包括：反应釜温度控制，冷凝钾温 度控制，集钾器温度控制，集钾速率控制及系统压力控制，出钾速率和炉渣清理自动控 制。 第五章对上位机进行硬件选型和组态软件设计。设计监控画面，完成生产实时状态 显示、数据存储、历史数据查询、历史曲线查询、实时数据查询、实时曲线查询、报表 输出、报警显示、安全机制等功能。 第六章进行了全文总结，展望了本控制系统的未来发展方向。 2 系统总体方案设计硕士论文 2 系统总体方案设计 对于控制系统设计，分析系统需求是非常重要也是必须要做的一项工作。对于金属 钾生产线来说，对其进行特性分析包括分析生产工艺、生产技术和生产优势等，是设计 金属钾生产线自动监控系统的关键。本章分析生产工艺和生产过程，进而对金属钾生产 线自动监控系统进行需求分析，综合考虑各种主流控制系统，结合设计要求最终提出总 体解决方案，并确定关键技术。 2 1 金属钾生产线生产工艺及生产过程 目前该厂制取金属钾的方法就是采用熔融的氯化钾和熔融的钠反应制钾蒸汽和氯 化钠，反应方程式见( 1 1 ) ，这是一个可逆反应。常温下k 比n a 活泼，n a 不可能置换k ， 但8 5 0 时恰好达到钾沸点而钠、k c i 、n a c l 的沸点都还没有达到，钾恰好能以蒸汽的 形式分离出来，根据勒夏特列原理，要使制钾反应持续稳定发生即反应不要达到平衡状 态，必须不断将制得的钾蒸汽分离出去，让平衡向产生钾蒸汽的方向移动。这就是真空 蒸馏法，制得的钾的纯度可达9 9 。9 9 。反应( 1 1 ) 的发生对温度要求极高，温度过高将 会导致杂质的生成，甚至生成的全是杂质，而温度过低将导致生产效率的降低甚至制钾 反应无法发生。其次反应( 1 1 ) 为一可逆反应，对压力也较敏感，只有不断抽走已经生成 的钾蒸汽才能使反应持续发生，抽取钾蒸汽的压差过大将导致杂质也被抽走，产品质量 降低，抽取的压差过低又导致反应速率变慢生产效率降低。由于反应( 1 1 ) 反应温度高反 应剧烈对工人安全本身就有一定威胁，因此对控制就提出了更高的要求。 该厂采用真空蒸馏法制钾的生产现场示意图如图2 1 所示。 圃。回田重墨墨盈 ! = 基，x 固， 鱼 矗一舞t 手并* i h ，一 曼 o l ； t 暑赫餮琵鹱 ；o 藤褥一 一- 瓯u 曝b c 知i 诵诵算i 硒h 玉”= o 。i ：嚣：_ ：二， t 蔷t i 哪me 图2 1 金属钾生产线示意图 对于该生产线，一个完整的生产周期分为加料过程、反应制钾过程、出钾过程、炉 渣清理过程四个阶段，如图2 2 所示，是一个间歇生产过程。目前该生产线由于采用全 1 2 硕士论文金属钾生产线自动监控系统的研究与设计 手动人工操作，受外在因素和人为因素影响，温度控制不精确导致生产效率不高产品质 量不理想，抽取钾蒸汽时压力控制不当致使收集的钾产品不纯和生产线内正、负压反复 出现，最终导致反应釜、管道变形失效( 如图2 3 ) ，严重影响设备的使用寿命同时导致 安全隐患的产生，下面将对整个生产过程进行详细的分析。 加料过程 上 反应制钾过程 1 l 出钾过程 1 l 炉渣清理过程 图2 2 金属钾生产线生产流程 图2 3 变形破坏的反应釜 生产线开始工作前首先由工人检查生产线各设备是否正常、满足启动要求，在各设 备正常的情况下开始一个新的生产周期。 i 、加料过程：人工向反应釜内丢入原料，为了使其完全反应，应先向其里面加入 一半k c i ，然后加入钠棒，然后再加k c l 和钠棒，这样有利于原料充分混合，有利于原 料的完全反应。此过程工人工作环境极为恶劣，浓烟和火焰不断从加料口冒出。 、反应制钾过程：加热反应釜发生制钾反应( 1 1 ) ，反应( 1 1 ) 对温度极为敏感，实 际生产时按照反应釜在不同时间温度及反应剧烈程度不同，将反应制钾过程分为以下几 个阶段： ( 1 ) 升温阶段。加料完毕后，打开加热器开关给反应釜加热升温，工人按经验手动调 2 系统总体方案设计 硕士论文 节反应釜功率和加热时间，最终使反应釜达到制钾反应发生需要的温度，这一阶段的关 键是控制升温的速度。 ( 2 ) 过渡阶段。当釜内温度升至制钾反应发生需要的温度时，制钾反应开始发生，进 入放热过程。该阶段许多因素都有可能造成反应釜超温或过冷，超温会造成杂质的生成 和不安全因素的产生，而过冷会产生“僵釜”现象，导致反应终止，物料浪费。因此该 阶段反应极为敏感，控制的关键在于实现升温吸热和反应放热的平稳过渡。工人通过观 察温度仪表进行相关操作，要实现平稳过渡需要丰富的经验，受人工控制精度影响，这 一过程的控制并不理想，特别是对于工作不久操作经验不够丰富的新人更加难以掌握控 制方法。 ( 3 ) 恒温阶段。此阶段反应釜内发生稳定制钾反应，该阶段要求在考虑反应放热的基 础上合理控制加热器的功率，保证制钾反应温度的控制精度。针对这一阶段的人工控制 经验极为丰富，但由于人为因素，