（模式识别与智能系统专业论文）50kty复合肥控制系统.pdf

摘要 复合肥是提高肥料利用率的有效途经，是化肥工业发展的趋势。复合肥适应 作物多种营养成分的需要，且便于使用。专家指出，2 1 世纪的中国化肥工业，为 确保粮食供应，将不能再单纯依靠扩大生产能力，而是要通过技术更新、产品丌 发，生产高效、节能、复合化的肥料。将自动控制系统应用于复合肥生产线，不 仅可以提高复合肥生产的产量，同时也提高了复合肥料的质量，且节省人力、物 力。 复合肥生产中的控制对象多为流量控制，流量控制为具有纯滞后的一阶惯性。 纯滞后对象都难以控制，比较有代表性的纯滞后控制算法为大林算法，但是大林 算法要求准确确定被控对象的特性，我们知道工业控制对象中具体对象的准确数 学模型是很难建立的，但是在不能够准确知道被控对象的数学模型及相关参数时， 用大林算法控制效果极不理想。在不确定对象数学模型的情况下，神经网络控制 算法可以达到比较理想的效果，所以对于这种情况，控制系统最终加入了小脑模 型神经网络( c m a c ) 控制算法。同时出于混合反应等原因，一些控制对象受到的干 扰信号比较大，采用普通的控制算法系统振荡特别严重，尤其是控制器的输出， 因而造成执行机构动作频繁，磨损严重，且不能达到较好的控制效果。为了减小 这种现象，不但对所有采集信号进行了滑动平均滤波，而且在混酸、喷浆流量控 制器设计中加入了低通滤波环节。并结合p i d 、c m a c 、砰砰等控制算法的优点， 采用了多模态控制，达到了较好的效果。在算法的实现过程中，考虑到实现的难 易程度等问题，采用了上位机、下位机相结合的控制策略，算法比较复杂的 c m a c + p 算法在上位机上实现，采用v b 编程，并通过d d e 协议与监控系统软件 进行数据交换。下位机接收上位机的数据，并结合自己的控制算法，根据一定的 规则，将其合成为多模念控制，达到了较好的效果。监控系统采用组态王6 5 进 行组态，主要起参数调整、数据监视功能，是v b 应用程序与下位机交换数据的媒 介，也是操作者与人机对话的窗口。 关键词：小脑模型神经网络、低通滤波器、多模态控制、p i d 、复合肥 s u m m a r y c o m p o u n df e r t i l i z e ri sa ne f f e c t i v ew a yi ni m p r o v i n gt h eu t i l i z e de f f i c i e n c yo ft h e f e r t i l i z e r , an e wf i e n di nt h ef e r t i l i z e ri n d u s t r yd e v e l o p m e n t i ts u i t st h en e e d so f ：v a r i o u s n o u r i s h m e n t so ft h ef a r mc r o p ，a n de a s yt ou s e f o re n s u r e st h ef o o ds u p p l i e s ，t h e21 c e n t u r i e s 。c h i n ac h e m i c a lf e r t i l i z e ri n d u s t r y , t h ee x p e r tp o i n t so u t ，c o u l d n to n l yd e p e n d o ne x p a n d i n gp r o d u c t i o nc a p a c i t ya n ym o r e ，b u ts h o u l dt h r o u g hr e n e w i n gs k i l l s ， p r o d u c t i o nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，a n db r i n go u te f f i c i e n t l y ，s a v ee n e r g y , c o m p l e x f e r t i l i z e r u s i n gt h ea u t o m a t i o nt e c h n i c a li nc o m p o u n df e r t i l i z e rp r o d u c t i o n ，w h i c hc a n r a i s et h eo u t p u to fp r o d u c t i o n ，b u ta l s oi m p r o v ei t sq u a l i t y , c o n s e l w eo nm a n p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r c e s m o s to f t h eo p e r a t i n go b j e c t so f t h ec o m p o u n df e r t i l i z e ra r et h ef l o w o fl i q u i d s ，w h i c ha r ef i r s to r d e rl a g a l lo b j e c t sa r ed i f f i c u l tt ob ec o n t r o l l e d ，t h et y p i c a l a l g o r i t h mi sd a h l i nc o n t r o la l g o r i t h m ，b u ti t i sn e e dt ok n o wa c c u r a t em a t h e m a t i c a l m o d e la n dp e c u l i a r i t yo ft h ec o n t r o l l e do b j e c t i ti sw e l lk n o wt h a tt oe s t a b l i s h t h e a c c u r a t em o d e lo ft h ei n d u s t r yo b j e c ti sn o ta ne a s yt h i n g b u td a h l i nc o n t r o la l g o r i t h m d i s a d v a n t a g e si nu n k n o w ni t w ek n o wa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki se s p e c i a l l ye x c e l l e n t i nt h i sf i e l d s o ，a tt h i sc o n d i t i o n ，w ea d d e dc e r e b e l l u mm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r t oa l g o r i t h m i ca g g r e g m i o no ft h ec o n t r o l l e r ，a tt h es a m et i m e ，f o rt h er e a c t i o nc a u s e db y a m a l g a m a t ea n ds o m eo t h e rr e a s o n s ，s o m eo fs i g n a lo ft h eo b j e c tf a l lu n d e rs e r i o u s d i s t u r b a n c e ，i fw eu s et h en o r m a la l g o r i t h m ，i tw o u l db eu n s t e a d i n e s s ，e s p e c i a l l yt h e o u t p u to ft h ec o n t r o l l e r , w h i c hw i l lc a u s e dt h em a c h i n e r ys w i n ga l lt h et i m e ，a n dt h e m a c h i n e r yw i l ls e r i o u ss c a t h e d e v e ns o ，t h eo b j e c t ss t i l lc a n tw o r ki ns t a b l ew a y s t o d i m i n i s ht h i sp h e n o m e n o n ，w en o to n l yc a r r yo u tl e a c hd i s t u r b a n c eb ys l i d es m o o t h i n g a l g o r i t h m ，b u ta l s oa d d e dl o wp a s sf i l t e rt om i xa c i da n ds p o u to a r i na d d i t i o n ，w e i n c o r p o r a t e dt h ea d v a n t a g eo ft h ep i d ，c m a ca n db a n g b a n gc o n t r o la l g o r i t h me t c ， w h i c hi ss o c a l l e dm u l t i - m o d e lc o n t r 0 1 i nt h ep r o c e s so fa c h i e v i n gt h eo p e r a t i n g a l g o r i t h m i c ，w ea p p l yac o m p l e xw a yo fp l ca n dt h ei p ci nv i e wo f t h ec o n v e n i e n c eo f e x c o g i t a t i n gt h ep r o g r a mo ft h ec o n t r o l l e r t h ei n v o l v e ds e c t i o ns u c ha sc m a c + p i s d e s i g n e di ni p c w h i c hu s i n gv bp r o g r a ml a n g u a g e t h ev ba p p l i c a t i o ne x c h a n g ed a t a w i t ht h ek i n gv i e ws y s t e m ，w h i c h b ym e a n so fd d ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h ep l c r e c e i v i n gt h o s ep a r a m e t e r sa n di n c o r p o r a t et h e mw i t hi t so w nd a t aa c c o r d i n gac e r t a i n w a y i nt h i sw a y , t h ec o n t r o l l e ds y s t e mr u n ss t e a d i l y t h es u p e r v i s e da n dc o n t r o ls y s t e m w h i c hf u n c t i o ni sm a i n l yi na d j u s t i n gp a r a m e t e ra n dd i s p l a yo ft h ed a t ai sp r o g r a m m e d b yk i n gv i e w6 5 i t i st h em e d i u mf o rt h ep l ct oe x c h a n g et h ed a t aw i t hv b a p p l i c a t i o n ，a n da l s ot h eh u m a nm e c h a n i ci n t e r f a c e k e yw o r d s ：c e r e b e l l u mm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r ，l o wp a s sf i l t e r , m u l t i m o d e l c o n t r o l ，p i d ，c o m p o u n df e r t i l i z e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得云洼王业太堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：_ 存他 签字日期：勿。缉 月7r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗王、业太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：啼。永凄 导师签名：扬公；良 签字同期：沙。辟f 月7r签字闩期：，。j 啤j 月7f 1 学位论文的主要创新点 结合p i d 、c m a c 、砰砰等控制算法的优点，最终以c m a c 、p i d 、 砰砰多种算法相结合的多模态控制策略； 为实现无扰切换，充分利用位置式p i d 算法与增量式p i d 算 法的优点，将位置式p i d 算法进行了改进，达到了理想效果： 第1 章引言 1 1 化肥工业基本现状 第1 章引言 化肥行业包括基础肥料生产和化肥的二次加工两大部分，基础肥料生产主要 包括氮肥、磷肥、钾肥；化肥的二次加工主要包括复合肥、混配肥( 含微量元素肥 料及有机、无机复合肥) 等。2 0 0 3 年。全国基础化肥生产企业1 0 0 0 多家，其中 氮肥约5 0 0 家，磷肥5 0 0 家，钾肥4 0 家。化肥生产能力约4 0 0 0 万吨年( 按有效 养分1 0 0 计，下同) ，位居世界第一。合成氨生产能力约4 0 0 0 万吨年，氮肥生 产能力约3 0 0 0 万吨年，尿素约1 8 0 0 万吨年；磷肥生产能力约1 0 0 0 万吨年，硫 酸生产能力3 3 0 0 万吨年；钾肥生产能力1 2 0 万吨年，其中氯化钟5 0 乃吨年。 按国家统计局统计，2 0 0 3 年我国化肥产量3 9 2 5 万吨( 折纯，下同) ，净进口 4 5 0 万吨，消费量4 3 7 5 万吨。化肥自给率为9 0 ，进口产品主要是钾肥、磷酸二 铵和三元复台肥。2 0 0 3 年，氮、磷、钾肥产量分别为2 8 8 0 万吨、8 8 1 万吨和1 6 4 万吨。化肥生产中高浓度和复合肥料的品种及产量逐年上升。在氮肥总量中，高 浓度尿素产量已由1 9 9 0 年的3 3 上升到6 0 。1 9 9 0 年我国高浓度磷肥f 磷铵、重 钙、硝酸磷肥、氮磷钾复合肥) 产量不到总产量的3 ，2 0 0 2 年，己上升到总产量 的4 5 。 近几年，我国氮磷钾复合肥有了较大的发展。目前复合肥的生产能力已突破 1 0 0 0 万吨( 实物量) ：获得复合肥生产许可证的企业达2 5 0 0 多家，生产能力在近 1 0 0 0 0 万吨( 实物量) ，各种专用肥发展也很快。近几年来，我国化肥消费量基本 稳定并略有增长，2 0 0 2 年的化肥消费量约4 0 6 0 万吨，其中氮肥2 5 7 5 力吨，磷肥 1 0 1 0 万吨，钾肥4 7 8 万吨，国产化肥占8 0 。国内氮、磷肥的市场占有率稳步增 长，国产氮肥已占氮肥消费量的9 0 以i - ( 主要是磷复肥进1 ：3 带进的氮) ，国产磷 肥已占7 5 以上。由于受资源条件的限制，国产钾肥仅占总消费量的7 。 1 2 存在的问题 一是化肥资源较紧张。国际上天然气为原料的氮肥占8 5 ，我国氮肥原料以 煤为主，天然气仅占2 0 。 二是化肥产品中氮磷钾比例不尽合理。2 0 0 2 年国产化肥的n ：p 2 0 5 ：k 2 0 为 1 ：o 3 2 ：0 0 t 化肥行业的产品结构尚不适应农业发展的需要。农业部门提出要 求施肥的氮磷钾比例为1 ：o 3 7 ：o 2 5 。钾肥由于资源限制，国产量小，氮磷比也 第1 章引言 达不到农业部门的要求。 三是化肥施用的复合化程度和科学施肥的水平低。我国目前化肥的复合化施 用率约为3 0 ，而发达国家已达5 0 以上。化肥施用大多尚不能做到平衡施肥， 化肥利用率低于发达国家。 四是企业结构不合理，产业集中度低。我国小化肥企业的数目远远超过大中 型化肥企业。虽然最近几年我国新建成投产了不少大化肥企业：一些小化肥企业 也因各种原因关停并转，但小化肥企业仍占到总企业数的7 0 以上，产量仍占半 壁江山。 五是技术水平不很高。我国化肥工业经过几十年的发展，通过引进技术、消 化吸收、自主丌发等措施，在科研、生产、设计等方仍以劳动密集为主。 需求预测：结合农业部门的要求，考虑施肥技术进步因素，综合预测我国 2 0 0 5 、2 0 1 0 、2 0 2 0 年化肥需求如下：( 力1 吨) 项目年2 0 0 5 年2 0 1 0 年2 0 2 0 年 化肥总计4 6 0 0 5 1 0 05 6 0 0 氮肥( n ) 2 8 2 83 0 0 03 3 0 0 磷, q e ( p 2 0 5 1 1 0 7 21 2 0 01 3 1 0 钾月e ( k 2 0 1 7 0 0 9 0 09 9 0 1 3 发展目标 1 总量目标：根据入世后国内外竞争的态势及我国的资源条件，氮肥将基本 立足自给，国产磷肥市场占有率为8 0 以上，国产钾肥根据条件发展。化肥的二 次加工品种如复合肥应基本立足国内解决。 2 品种结构：品种结构主要发展高浓度基础肥料，鼓励发展尿素、磷铵；继 续提高尿素、磷铵在氮磷肥中的比重。2 0 1 0 年，高浓度尿素占7 0 以上，高浓度 磷复合肥占6 0 以上。低浓度肥料根据市场要求生产。因地制宜发展化肥二次加 工和农化服务。 继续提高高浓度化肥比重及化肥的复合化率，到2 0 0 5 、2 0 1 0 、2 0 2 0 年，化肥 复合化施用率分别达到3 0 、4 0 、5 0 。大力发展新型肥料品种如控释肥料、 大颗粒肥料，提高肥料利用率。复合肥料基本立足国内解决，进口少量基础肥料 品种。 氮肥行业重点是调整高浓度尿素的比例，淘汰部分碳铵的生产能力。到2 0 1 0 年，高浓度尿素在氮肥中的比例要占7 0 以上，碳铵在氮肥中的比例下降到1 0 第1 章引言 1 5 。适当发展大颗粒尿素，以适应掺混肥料的发展需要。 磷肥的行业的发展重点是高浓度基础磷肥，尤其是p 2 0 ，含量高的磷肥品种， 重点是磷酸一铵、磷酸二铵。2 0 1 0 年，高浓度磷肥占磷肥总产量的6 0 以上。 钾肥行业重点调整无氯钾肥的比例，发展硫酸钾，适当发展硝酸钾等新品种。2 0 0 5 和2 0 1 0 年，无氯钾肥基本满足国内需求。 优化产业结构，提高竞争力。鼓励氮肥、磷肥、钾肥、化肥流通企业突破原 有业务领域，向氮、磷、钾，产、供、销，内外贸一体化发展，鼓励企业兼并、 联合重组，以资产为纽带，逐步培育有国际竞争能力的大型肥料产业集团。到2 0 1 0 年，力争达到2 0 家大型企业集团控制全国5 0 化肥产量的集中度，并形成2 3 家在国际上有一定影响的大型企业集团。 调整企业结构，减少基础肥料生产厂的数量，提高单套装置的规模。大型氮 肥厂合成氨平均规模达4 0 万吨年以上，中型氮肥厂平均规模达2 0 万吨年以上。 大中型磷肥厂平均规模达1 0 万吨年p 2 0 以上。部分资源条件差、能耗高、污染 严重、经济效益差、不能适应市场竞争的小化肥企业，逐步使基础肥料的生产转 到农化服务和化肥的二次加工上来。 专家指出，2 l 世纪的中国化肥工业，为确保粮食供应，将不能再单纯依靠扩 大生产能力，而是要通过技术更新、产品开发，生产高效、节能、复合化的肥料。 1 4 课题的来源及意义 随着农业的发展和科学技术的进步，人们逐渐认识到作物生长，除了从空气 和水中摄取碳、氢、氧外，还要经常补充其它营养成分。主要的有三大营养元素 氮、磷、钾：中量营养元素钙、镁、硫；微量营养元素锌、硼、钼、 铁、铜、锰。有些作物还需要一定数量的硅、氯、碘、钴、钠、钡、锶等。因此， 人们开始研究用化学合成和机械加工的方法，生产出上述营养成分含量高、易被 作物吸收利用、贮运施用方便的化学肥料。十九世纪四十年代n - - 十世纪初叶， 英国和德国先后实现了磷肥、钾肥和以合成氨为基础的氮肥的工业化生产，逐步 建立起化学肥料工业。此后，含有其他营养元素的化肥也相继生产出来。为了适 应作物多种营养成分的需要和更便于施用，又发展了含有氮、磷、钾的二元和三 元复合肥料以及混配复合肥料的生产。化肥对农业增产的作用，可以占到3 0 - 5 0 ， 效果十分显著。从而使得化肥工业成为当今世界发展速度较快的工业部f 7 2 - 一。 复合肥是提高肥料利用率的有效途经。复合肥料是化肥工业发展的趋势，本课 题来源于河北冀衡集团的复合肥项目，本复合肥控制系统生产线投入使用，节省 了人力、物力，大大提高了生产效率本系统具有普遍应用意义，其设计技术及 原理可以应用到其它生产线，对提高我国化学肥料的质量、产量有着很重要的应 用价值。 第1 章引言 1 5 本课题完成的主要工作 在复合肥控制系统中，流量的控制及其多成分配比控制是设计系统的一个重 点也是一个难点。在复杂的现场环境下，取得优秀的控制效果就显得比较困难， 在课题的进展过程中，主要针对各种不同情况流量的控制算法进行了研究与探索， 并在现场环境中不断摸索试验，最终采用了各种滤波技术及其控制中的低通滤波 算法相结合的方法实现抗干扰技术。结合p i d 、c m a c 、砰砰控制算法的优点， 采用了多模念控制的策略。 在算法的实现过程中，考虑到实现的难易程度等问题，采用了上位机、下位 机相结合的控制策略。算法比较复杂的c m a c + p 算法在上位机上实现，采用v b 编程，并通过d d e 协议与监控系统软件进行数据交换。下位机接收上位机的数 据，并结合自己的控制算法，根据一定的规则，将其合成为多模态控制，达到了 较好的效果。监控系统采用组念王6 5 进行组念，主要起参数调整、数据监视功 能，是v b 应用程序与下位机交换数据的媒介，也是操作者与人机对话的窗口。 1 6 本文的层次结构 本文由7 章、附录和参考文献组成。 第l 章从国内化肥的现状谈起，分析了国内肥料行业与国际水平的差距。同 时论述了肥料产业对国民经济的重要意义，阐明了将自动控制系统应用复合肥加 工生产的重要性和必要性。随后论述了课题的来源及意义并对在课题中的主要 工作做了总结，此部分说明论文的层次结构，是全体论文的一个缩影。 第2 章主要论述了控制系统中的元器件；第3 章主要讨论了控制系统中控制 程序设计中用到的基本信号处理方法及基本的控制算法；第4 章是本文的核心， 阐述和分析了本课题中所用到的主要控制算法：第5 章介绍了组态界面的结构及 设计思想；第6 章讲述了控制算法的实现方法及在控制过程中上下位计算机的作 用；第7 章以在现场调试过程中的历史曲线为对象对系统的运行效果进行了详细 分析。 附录部分为作者攻读硕士学位期蒯发表论文和参加科研情况说明。 最后一部分为参考文献，列举了作者在书写此论文过程中参考过的书目论文， 在此向这些书目论文的作者表示深深的敬意。 第2 章 复合肥计算机监督控制系统简介 第2 章复合肥计算机监督控制系统简介 计算机监督控 1 ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r 0 1 ) 系统简称为s c c 系统。在d d c 系统中，是用计算机代替模拟调节器进行控制的。而在s c c 系统中，则是出计算 机测量被控参数，按照描述尘产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调 节器或者d d c 计算机，最后出模拟调节器或d d c 计算机控制生产过程，从而使 生产过程处于最优工作状态。s c c 系统较d d c 系统更接近生产变化实际情况，它 不仅可以进行给定值控制，还可以进行顺序控制、最优控制及自适应控制等，它 是操作指导和d d c 系统的综合与发展。s c c 系统就其结构柬讲，s c c + 模拟调节 器和s c c + d d c 控制系统两类。 本控制系统采用的是s c c + d d c 控制系统方案，d d c 计算机采用的是欧姆龙 公司的c 2 0 0 h g 系列的p l c 。 2 1对工业控制计算机的要求 大部分计算机控制系统是用于工业生产控制包括过程控制的。作为工业控制 用的计算机系统一般具有以下特点： 1 具有较高的可靠性 用计算机控制连续性生产过程要求高度可靠。所谓可靠性是指在规定的时间 内运行不发生故障。它决定系统在控制上的可用程度。 2 控制的实时性 所谓实时是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间内完成，亦即计算 机必须对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时阳】内做出反应或进行 控制输出。为此，工业控制机必须配有实时多任务操作系统，包括实时时钟和强 有力的中断操作系统。它的c p u 的字长和运算速度必须符合控制对时间的要求， 并且与所使用的算法有关。随着控制技术的发展，对计算机字长和速度要求也越 来越高。 3 较完善的输入输出通道 为了对生产装置和生产过程进行控制，计算机需不断地测量输入被控对象的 参数，并需输出模拟量或数字量控制被控对象，因此需要较完善的输入输出通道。 工业控制计算机除特殊要求外，一般装置于生产现场，其环境条件( 如温度、 湿度、腐蚀性气体、强电磁场干扰等) 均比较差。这要求工业控制机一方面必须具 有高的抗干扰能力，能不受电源、外界电磁场变化的影响而正常工作即使发生 停电等意外情况而不能幽失控而引起生产事故；另一方面必须能在各种恶劣的坏 第2 章复台肥计算机监督控制系统简介 境下来f 常工作，特别是高温和低温环境，一般应选用可工作一4 0 + 8 5 。c 的集成电 路来设计工业控制机。 4 良好的可维护性 为了实现长期连续工作，可维护性是必须的。它一方面包括可经常不断检查 系统各部分工作的e 常与否，另一方面是在发生故障时，应能快速得到维修。 p l c 自身的特点：可编程控制器( p l c ) 是非常有用的工业控制装置。国际 电工委员会( i e c ) 与1 9 8 7 年对p l c 定义如下。p l c 是专为在工业环境下应用而设 计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它 能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并 通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。p l c 及其 有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体、易于扩展其功能的原则 设计。 事实上，p l c 就是以嵌入式c p u 为核心，配以输入、输出等模块可以方便 地用于工业控制领域的装置。p l c 与机器人、计算机辅助设计与制造成为现代工 业的三大支柱。 欧姆龙p l c 优越的性能价格比使其在工业控制中占有相当的席位。 2 2 复合肥控制系统层次结构 复合肥控制系统分为两个工段，即前工段转化工段和后工段复肥工段。系统 需要两个操作站，两操作站之间存在着一定的距离。在本控制系统中，操作人员 通过人机界面( 即上位机工业控制机+ 组念操作软件) 来完成系统的监督和管理。 两个控制站运行情况及数据需要进行相互观测。 在本控制系统中，两台工业控制计算机( i p c ) 通过以太网进行数据通信。将 两操作站分为主站和从站。主站为转化工段，主站工业控制计算机( i p c ) 通过 c o n t r o l l e rl i n k 与p l c 进行数据通信。从总体上来说，主站计算机是从站计算机和 p l c 进行数据交换的桥梁。c o n t m l l e rl i n k 是主站计算机和p l c 进行数据交换的媒 介。所有的数据又通过组态软件和操作员进行对话。 p l c 是本系统的核心所在，信号采集和运算、控制都是通过p l c 来实现，p l c 根据上位计算机传来的控制指令来运行相应程序，通过相关模块的输出而控制相 关设备。对于几个液体流量，p l c 又是通过控制变频器，调节频率从而通过变频 器对执行机构进行控制。 控制系统层次结构如图2 - 1 所示： 第2 章复合肥计算机监督控制系统简介 i p c 2 i p c i 苎f 厂 1f 厂 1 锗 层氲帚甚一 第 二 层 第 三 层 忍d 猡性块 一 变帻器扭( t - 6 ) 画画 棚瓤放土器 统场传感器电釉卓座调节阀 图2 1 复合肥控制系统层次结构图 图中可以看出，我们把控制系统分为四个层次：第一层为监控层，由两台工 控机( i p c ) 组成，i p c i 作为主机，i p c 2 为从机。两上位计算机由以太网连接， 监控系统人机界面( h m i ) 运行于两上位机上，主计算机i p ci 同时运行着部分滤 波及控制程序，主要是用来进行数据设定和查看及部分控制调节。第二层为主控 制层，此层采集现场数据并由此c o n t r o l l e r l i n k 总线与上位机交换数据，将现场数 据送到上位机。直接对部分现场数据处理并输出控制信号。且对部分上位机处理 结果再进行处理，输出控制信号。信号的采集及输出主要是由p l c 运算单元与相 关模块来完成。第三层为信号放大层，主要由伺服放大器和变频器来完成，此层 次将p l c 送出的信号转化成为能够直接控制执行机构运行的相应信号。第四层为 现场层，此层包括执行机构及现场传感器。 表2 1 控制系统主要数据一览表( 包括前工段与后工段) 项目参数地址分配项目参数地址分配 硫酸流昂= c 】0 1 4 l 汽化氨流景 c 1 0 1 4 6 硫酸流景累引。内存实数 汽化氨流景累讣内存实数 议定值s vd m 3 2 3 0设定值s vd m 2 9 9 0 m m - i m ， 扭 m 机电 m 行 ； 执 m 第四展 第2 章复合肥计算机监督控制系统简介 硫比例pd m 3 2 3 1 汽 比例pd m 2 9 9 1 酸稍分 t i kd m 3 2 3 2 氨_ 毛 分 t f k d m 2 9 9 2 微分 t d kd m 3 2 3 3 微分 t d k d m 2 9 9 3 硫酸变频器控制c 1 0 1 8 3 汽化氨调节阀 c 1 0 1 5 l 热磷酸流录 c 1 0 1 4 2 氨站乐山 c 1 0 1 4 7 热热磷酸流帚累计内存实数设定值s vd m 2 8 8 0 磷 设定值s v d m 3 1 8 0 水比例pd m 2 8 8 j 酸比例pd m 3 l 引阀积分t i kd m 2 8 8 2 积分 t i kd m 3 i8 2微分t d k d m 2 8 8 3 微分t d kd m 3 l8 3 水阀调节 c r 0 1 5 2 热磷酸变频器控 制 c i o l 8 5 反一医温度c 1 0 1 3 t 混酸流罱c 1 0 1 4 3 应槽：区温度 c r o l 3 2 混酸流晕岽计液混酸槽 c 1 0 1 6 l 设定值s v d m 3 1 3 0 付混酸储槽 c 1 0 1 6 2 混比例pd m 3 1 3 1k c lk c l 变频器控制c 1 0 1 8 1 酸毛 分丁j kd m 3j 3 2造 进气u 佩度 c 1 0 1 6 3 微分t d kd m 3 i3 3粒出气u 温度c 1 0 1 3 l 嘲络_ 学习速率q d m 2 0 0 机进气u 压力 c 1 0 1 6 4 惯性罱ad m 2 0 1氨汽化氨储罐渝c 1 0 1 6 , 5 混酸变频器控制 c 1 0 1 8 4 站进水温度 c 1 0 1 3 4 循环槽液何 c 1 0 1 4 4 循设定值s vd m 2 9 5 0 环比例p d m 2 9 5 l 槽秘分t i kd m 2 9 5 2 ( 液)微分t d k d m 2 9 5 3 磷酸变颇器 c 1 0 1 8 2 喷浆流采 c 1 0 1 4 5 喷浆流最累计山存实数 设定值s v d m 3 0 8 0 喷比例p d m 3 0 8 l 浆积分t i kd m 3 0 8 2 微分 t d kd m 3 0 8 3 唢浆变频器 c i o l 8 6 8 一 第2 章 复合肥计算机监督控制系统简介 2 3 控制对象分析 本控制系统被控量分别为： 1 k c l 给料； 2 硫酸流量； 3 磷酸流量： 4 中和混酸流量； 5 磷酸储槽液位： 6 汽化氨流量； 7 氨站压力； 8 喷浆流量。 其中k c l 给料为丌环控制，其余均需进行闭环控制。在闭环控制中，控制量 多为流量控制，其中硫酸流量、磷酸流量为前工段被控量，中和混酸流量、磷酸 储槽液位、汽氨流量、氨站压力、喷浆流量控制为后工段被控量。与前工段相比 后工段环境比较恶劣，被控对象干扰大，最为显著的是混酸、喷浆流量，由于混 酸管内化学反应引起的压力变化，而导致混酸流量波动较大，很难稳定，其它干 扰相对较小。除了压力控制外，所有其它控制都存在着严重的死区，具体表现为： 当输出信号一定大时，才丌始有流量信号，并且此死区不恒定，但有其具体的范 围。 2 4 控制系统中的变频器 此控制系统选择变频器为m i c r o m a s t e r 4 3 0 系列。m i c r o m a s t e r 4 3 0 变频器适合用于各种变速驱动装置，尤其适合用于水泵，风机和传送带系统的驱 动装嚣。它的特点是设备性能按用户的需求定向并且使用方便。 主要特征： 1 调试简单，模块化的结构，因而组念具有最大的灵活性，具有三个完全可 编程的隔离的数字输入； 2 一个可标定的模拟输入( o v 至l o v ) ；它也可以作为第4 个数字输入来使用； 3 一个可编程的模拟输( 0 m a 至2 0 m a ) ； 4 一个完全可编程的继电器输m ( 3 0 v ，直流5 a ，电阻负载或2 5 0 v ，交流2 a ， 感性负载) 采用较高的丌关频率时，电动机运行的噪声很小，完善的变频器和电动 机保护功能。 保护的特点： 1 过载能力为】5 0 额定负载电流，持续时间6 0 秒，间隔周期5 分钟。过 电压欠电压保护： 第2 章 复合肥计算机监督控制系统简介 2 变频器过温保护； 3 采用p t c ，通过数字输入接入的电动机过热保护 4 接地故障保护； 5 短路保护； 6 1 2 t 电动机过热保护； 7 闭锁电动机保护； 8 防止失速： 9 采用p i n 编号实现参数连锁。 2 5 控制系统中主要传感器 2 5 1 温度传感器 温度传感器将温度信号变换成电阻或电压信号，它有多种类型，各种温度传 感器变换特性和使用范圈也不相同。本控制系统选用的温度传感器为铂电阻。 铂是一种贵金属，在氧化性介质中的物理化学性能稳定，尤其是内氧化的能 力强。此外它容易提纯、工艺简单，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔，有较高 的电阻率，是一种理想的热电阻材料，铂电阻具有精度高、稳定性好、性能可靠 等优点。铂电阻的温度测量范围在2 0 0 _ 8 5 0 左右，在小于2 0 0 时，非线性 误差小于0 3 ，它的电阻值r 和温度t 之问的关系可以近似地表示为： r = a f + b a ，b 为常数。a 为热敏系数( a r ) 。 铂电阻的阻值比较小，常用的有p t l 0 和p t l 0 0 ，它们在0 的阻值分别为1 0 q 和1 0 0 0 ，温度一阻值换算关系如表2 2 所示。 表2 - 2 铂电阻分度简表 电阻( n ) 电阻( 0 )电阻( q ) 温度( )温度( )温度( ) p t l 0p t l 0 0p t l 0p t l 0 0p t l 0 p t l 0 0 一2 0 01 8 4 91 8 4 96 01 2 3 2 41 2 3 2 44 0 02 4 7 0 42 4 7 0 4 1 5 03 9 7 13 9 7 l7 01 2 7 0 71 2 7 0 74 5 02 6 4 1 12 6 4 1 1 】o o 6 0 2 56 0 2 58 01 3 0 8 9 1 3 0 8 95 0 0 2 8 0 9 2 8 0 9 5 08 0 3 18 0 3 l9 01 3 4 7l3 4 75 5 02 9 7 3 92 9 7 3 9 01 01 0 01 0 01 3 8 51 3 8 56 0 03 1 3 5 93 1 3 5 9 1 01 0 3 91 0 3 91 5 01 5 7 3 11 5 7 3 16 5 03 2 9 5 13 2 9 5 1 2 0 1 0 7 7 9 1 0 7 7 9 2 0 0 1 7 5 8 41 7 5 8 4 7 0 03 4 5 1 33 4 5 1 3 3 01 1 1 6 71 1 1 6 72 5 01 9 4 0 71 9 4 0 7 7 5 0 3 6 0 4 73 6 0 4 7 第2 章复合肥计算机监督控制系统简介 4 01 1 5 5 41 15 5 43 0 02 j2 0 22 1 2 0 28 0 03 7 5 5 13 7 5 s 1 5 01 1 9 41 1 9 4 3 5 0 2 2 9 6 7 2 2 9 6 78 5 03 9 0 2 63 9 02 6 2 5 2 电磁流量计 电磁流量计基于法拉第电磁感应原理研制出的一种测量导电液体体积流量的 仪表，根据法拉第电磁感应定律，导电体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中 产生感应电压，该电动势的大小与导体在磁场中做垂直予磁场运动的速度成正比， 由此再根据管径，介质的不同，转换成流量。 电磁流量计与选型原则： 1 被测量液体必须是导电的液体或浆液； 2 口径与量程，最好是f 常量程超过满量程的一半，流速在2 4 米之 间； 3 使用压力必须小于流量计耐压； 4 不同温度及腐蚀性介质选用不同内衬材料和电极材料。 电磁流量计的测量精度建立在液体充满管道的情形下，管道中有空气的测量 问题目前尚未得到很好解决。 电磁流量计的转换器是其核心部件，直接影响测量的精度，目前国产的转换 器由于种种原因达不到要求，基本被外国品牌所垄断，见下表2 3 。 表2 3 知名电磁流量计及转换器厂家 电磁流量计生产厂家转换器厂家 上海光华爱而美特德国科隆 开封仪表厂英国e m a g 上海横河r 本横河 上海威尔泰荧国a b 重庆川仪美国a b 电磁流量计的优点：无节流部件，因此压力损失小减少能耗，只与被测流 体的平均速度有关，测量范围宽：只需经水标定后即可测量其他介质，无须修正， 最适合作为结算用计量设备使用。出于技术及工艺材料的不断改进，稳定性、线 性度、精度和寿命的不断提高和管径的不断扩大，对于固液两项的介质的测量采 用了可更换电极以及刮刀电极的方式，解决了高压( 3 2 m p a ) 、耐腐蚀( 防强酸、 碱衬里) 介质的测量问题，以及口径的不断扩大( 最大作到3 2 0 0 m m 口径) ，寿 命的不断增长( 般大于1 0 年) ，电磁流量计得到越来越广泛的应用，其成本也 得到了降低，但整体价格特别是大管径的价格仍较高。因此在流量仪表的采购中 有重要的地位。 本系统选用威尔泰的c o p a x e d n 3 2 ；p n 4 0d i n 2 5 0 1 。 第2 章复合肥计算机监督控制系统简介 2 5 3 气体质量流量计 本系统选用t f 系列热式气体质量流量计对汽化氨流量进行测量。 t f 系列热式气体质量流量计是塞尔瑟斯仪表科技有限公司开发研制的一种先 进的小巧智能新型仪表，广泛应用于石油、化工、钢铁冶会、电力、轻工、医药、 环境等工业部门的各种气体质量流量测量，特别适于大管径低流速的特殊工况。 具有插入式和管道式、一体和分体多种组合结构，是测量气体质量流量的理想选 择。 无需温度和压力补偿； 性能可靠，重复性好，测量精度高： 压损小，无活动部件，量程比宽； 响应速度快，安装简单、维护方便： 提供4 2 0 m ad c 的瞬时流量输出： 现场设定量程和报警点： 显示按键模块选项可提供瞬时和累计流量： 1 工业气体： 2 燃气过程空气，烟气： 3 压缩空气； 4 天然气，煤气，液化气，火炬气，氢气； 技术指标 1 测量范围：0 - - 6 0 m s ； 2 温度范围：环境温度：4 0 - , + 8 5 ： 3 介质温度：1 0 , - + 2 0 0 ； 4 准确度：1 的读数0 5 满量程： 5 重复性：0 5 的满量程： 6 输出： 流速( 4 2 0 ) m ad c ； 7 温度： f 4 2 0 ) m ad c 8 输出阻抗：r m a x ：( v s 1 2 ) 0 0 2 ( q ) 其中v s 为电源电压 9 高低限报警无源光隔输出( 5 0 v 1 5 0 m a d c ) ： 1 0 温度系数： o 0 5 d 1 0 ； 1 1 压力影响：可以忽略： 1 2 响应速度：i s ： 1 3 供电电压：2 4 v d c 1 0 ：2 2 0 v a c ： 1 4 工作压力： 1 6 m p a ； 点2 3 4 5 6 7 用 特 茈 第2 章复合肥计算机监督控制系统简介 1 5 通讯接口：半双工r s 2 3 2 或r s 4 8 5