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t 程硕士论文 聚内烯生产过程计算机控制系统研究与开发 摘要 本文首先阐述了国、内外聚丙烯工业生产的现状，介绍了江西赣北化工厂聚丙 烯聚合生产工段原有手动调节方式控制下的弊病，以及采用微机自动监控系统的意 义，然后通过对原有控制系统的分析，比较，提出了由p l c 和i p c 相结合完成聚 丙烯生产过程自动控制的微机自动监控系统，即采用工业控制计算机作为上位机、 控制功能稳定可靠的可编程控制器作为下位机，实现同时监控两台聚合釜及闪蒸釜 的自动监控系统。这种系统在降低硬件成本、提高系统的稳定性、减少操作人员和 维护费用、易于操作等方面有了明显的改进。 本文的主要内容有：设计了计算机自动监测和控制系统的总体结构，采用了德 国s i e m e n s 公司的三台s 7 2 0 0 系列p l c 及研华1 p c - 6 1 0 工控机，通过r s 4 8 5 总线 构成了整个计算机监控系统。并运用与之相配的s t e p 7 编程软件，编制了下位机的 控制程序，从而使该聚合反应控制系统可以按要求自动完成加料、聚合、闪蒸及回 收等全过程，并自动实现聚合反应的压力自动控制。同时，采用了三维力控公司的 力控2 6t 控组态软件对上位机监控软件组态，实现现场数据实时记蒙和监控；设 计了聚合反应主流程、记录查询、报警、趋势等具有w i n d o w s 风格的动态操作画面。 另外，本文还针对聚丙烯生产过程中的关键控制环节聚合反应的控制参数 及控制方式进行了优化。在详细地分析影响聚合反应过程的各种因素的d 口提f ，设 计了由双位控制、模糊控制及p i d 控制三为一体的复合控制方案。这对提高产品的 质量和产量，对降低工人的劳动强度具有实际意义。 ， 关键词：聚丙烯，模糊控制，p l c ，组态软件 第1 页 工程硕士论文 聚雨烯生产过程计算机控制系统研究与开发 a b s t r a c t a tf i 咄t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i 印 p o l y p r o p y l a n ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i ti n t r o d u c e dt h es h o r t c o m i n go f m a n u a lr e g u l a t i o n w a yi np r o d u c t i o np r o c e s so f t h ep o l y r e a c t i o np r o d u c t i o ns e c t i o ni nt h en o r t ho f j i a n g x i c h e m i c a lp l a n t t h e nt h r o u g h 狮a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e m h a v ep u tf o r w a r dt h ea u t o m a t i c m o n i t o r i n gs y s t e mo fc o m p u t e rt of m i s h o d t h e p o l y p r o p y l e n ew i t ha u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l e dp r o d u c t i o np r o c e s sb yc o m b i n i n gi p cw i t h p l c ，i e i ta d o p ti n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rs st h eu p p e rc o m p u t e r , r e l i a b l ep l co f c o n t r o lf u n c t i o ns t e a d ya st h ed o w nc o m p u t e r , r e a l i z et o c o n t r o l l i n ga u t o m a t i c m o n i t o r i n gs y s t e m so f t w os e t sp o l y r e a c t i n gc a u l d r o na n df l a s h i n gc a u l d r o na tm e a n t i m e t h e r ei so b v i o u si m p r o v e m e n ti nr e d u c i n gt h eh a r d w a r ec o s t , r a i s i n gs y s t e m a t i cs t a b i l i t y , r e d u c i n gw o r k e r sa n dm a i n t a i n i n gt h ee x p e n s e s , e a s yo p e r a t i o ne t c i nt h i sk i n do f s y s t e m ： t h em a i nc o n t e n to ft h i st e x ti sa sf o l l o w s , h a v ed e s i g n e dt h e m o n i t o r i n g a u t o m a t i c a l l yb yc o m p u t e ra n ds t r u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e m , h a sa d o p t e dt h r e es e t s $ 7 - 2 0 0 s e r i e sp l c so f g e r m a n ys i e m e n sc o m p a n ya n dy a nh u ai p c 一6 1 0e n g i n e e r i n gc o n t r o lo f m a c h i n e ，f o r m e dt h em o n i t o r i n gs y s t e mo f t h ew h o l ec o m p u t e rt h r o u g hr s 4 8 5b u s u s e m a t c h i n gw i t hi t ss t e p 7p r o g r a m m i n gs o f t w a r e ，h a sm a d et h ec o n t r o lp r o g r a m m i n go f t h en e x tm a c h i n e , t h r o u g ht h i s p o l y r e a c t i o nc o n t r o ls y s t e m , i tc 孤b ef m i s h e d a u t o m a t i c a l l yr a wm a t e r i a l ，p o l y r e a c t , f l a s hs t e a ma n dr e t r i e v i n go f t h ew h o l ec o u r e t c a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t , a n dr e a l i z e da u t o m a t i c a l l yc o n t r o lo ft h ep r e s s u r eo f p o l y r e a c t i o n m e a n w h i l e ，a d o p t i n gf o r c c c o n t r o lp c a u t 0 2 6i nt h eb e i j i n gs u n w a y f o r c c c o n t r o lt e c h o l o g yc o l t d w e n tt oc o n f i g u r a t ct h eu p p e rc o m p u t e r , r e a l i z e dd a t a r e c o r da n dm o n i t o ri nr e a lt i m eo ns i t e ，d e s i g n e dd 卿- n i co p e r a t i o np i c t u r eo f p o l y r e a c t i o nm a i np r o c e d u r e ，r e c o r di n q u i r e ，a l a r m , t r e n de t c i na d d i t i o n , t h i sa r t i c l eh a sb e e no p t i m i z e dt h ek e yi nt h ep o l y p r o p y l e n ep r o d u c t i o n p r o c e s s 咄ec o n t r o lp a r a m e t e ra n dc o n t r o lm e t h o d a f t e rd e t a i l i n gt h ei n f l u e n c e s v a r i o u sk i n d so f f a c t o r so f t h ep o l y r e a c t i o nc o u r s e ，d e s i g n e dc o m p l e xc o n t r o ls c h e m ei e t y p ec o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o lt o g e t h e r i th a sa c t u a lm e a n i n g st ow o r k e r s s t r e n g t ha n d t oi m p r o v i n gt h eq u a l i t ya n d q u a n t i t yo f t h ep r o d u c t s k e y w o r d s ：p o l y p r o p y l e n e ，f u z z yc o n t r o lp l c ，t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 第页 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 学位论文使用授权声明 年月 日 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上嘲公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 年月 日 第1 页 工程硕十论文 聚丙烯生产过程计算机控制系统研究与开发 1 绪论 1 1 工业生产过程控制系统的综述 当今世界先进工业国家正处于由“工业经济”模式向“信息经济”模式转变的时 期，其中技术进步因素起着极为重要的作用，它在经济增长中占7 0 - 8 0 。“以高 新技术为核心，以信息电子化为手段，提高工业产品附加值”已经成为现代工业企 业自动化重要的发展目标。从我国经济发展史来看，其工业经济增长主要是依靠投 入大量资金和劳动力来实现的，“如何加快发展电子信息技术、调整产业结构，适 应世界经济发展需求”是当i i i 我国工业企业自动化界研究的重要课题之一。 随着工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，对生产过程的自动控制 提出了越来越商的要求，在自动化技术、计算机技术、网络通信技术和先进制造技 术迅速发展的支撑下，工业控制已逐步从单机监控、直接数字控制发展到以新型工 业控制网络、智能化仪表和控制器为主要支撑技术的，过程自动化与信息管理自动 化相结合的计算机综合型控制系统，其本质是利用计算机技术对生产过程进行监 视、操作和管理。 7 0 年代以来，微型机和微处理器的迅猛发展，为计算机控制系统的发展创造了 有利的条件。从控制系统的角度来讲，计算机控制系统也经历了如下几个阶段【l 】： 1 ) 直接数字控制系统( d d c d i r e e td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 。 2 ) 分散控制系统( d c s _ d i s a i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。 3 ) 现场总线控制系统( f c s f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ) 。 目前在过程控制系统的设计中应该采用分散控制的思想已是不争的事实。但是 从控制系统中采用的主要控制器来说，则可以有以可编程逻辑控制器( p l c ) 为中 心或以工业计算机( 口c ) 为中心的区别。这两种控制器都可以形成具有一定规模 的分散式过程控制系统，但是在工作原理、设计方法和手段上有较大的区别。 依据被控制过程的特点，可将其控制策略分为顺序控制和连续控制两类。顺序 控制系统可以以电梯的控制系统为代表，而化工过程则一般具有连续控制的特点。 但实际上大多数工业过程控制系统兼具顺序性控制和连续性控制两种特点。围绕顺 序控制和连续控制方式分别产生了两类具有明显特色的工控产品。可编程控制器 ( p l c - - p r o g r a m m a b l el o 百cc o n u - o l l e r ) 在一开始就是为了解决顺序控制问题而开 发的，而基于工业控制计算机( i p c - - i n d u s 试a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 的集散控制系统 ( d c s - - - d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 则是为解决连续控制问题而开发的典型过程控 制产品。 第1 页 t 程硕士论文 聚内烯生产过程计算机控制系统研究与开发 1 1 1 可编程控制器的应用与发展 1 9 6 9 年，第一台可编程控制器( p l c ) 在美国面世。经过3 0 多年的发展，现 在可编程控制器己经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。 可编程控制器的主要特点【2 1 如下； 1 可靠性高、抗干扰能力强。可靠性是用户的首要要求，因而p l c 的生产厂家 都着力于提高可靠性的指标。目前各生产厂家生产的p l c ，其平均无故障时间都大 大超过美国国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o - t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 规定的 l o 万小时。而且规模较大、要求较高的系统还可以采用多机冗余系统或表决系统， 进一步提高系统的可靠性。p l c 的i 0 接口电路均采用光电隔离，能有效地抑制干 扰。 2 编程简单、使用方便。p l c 的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语 言，也可采用指令表及功能图完成程序的编制。 3 助能完善、通用性强。p l c 不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功 能，而且还具有a d 、d a 转换，数值运算和数据处理，通信和联网，对模拟量进 行闭环p i d ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e ) 控制等功能。尤其是p l c 把专用的数 据高速公路( h i g h w a y ) 改成通用的网络，并逐步将p l c 之间的通信规约靠拢， 使p l c 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统，从 而使p l c 的应用拓展到连续过程控制领域。 4 设计、安装容易，：调试周期短，维护简单。p l c 已实现产品的系列化、标准 化，设计者可在规格繁多、品种齐全的p l c 产品中选用高性价比的产品。p l c 用 软件功能取代了继电器控制系统大量的中间继电器、时间继电器等器件，从而使控 制柜的设计、安装接线工作量大为减少。用户程序大部分可以在实验室模拟进行， 调试好后再将p l c 控制系统放到生产现场联机调试，这样既快速又安全方便，从而 就大大缩短设计和调试周期。在维修方面，由于p l c 本身故障率极低，而且各种模 块上均有运行和故障显示，便于用户了解运行情况和查找故障。又由于大部分p l c 采用模块式结构，一旦某模块发生故障，用户可通过更换模块的办法，使系统迅速 恢复运行。 5 体积小、能耗低、性能价格比高。 p l c 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一起并称为现代工业的三 大支柱。 可编程序控制器以其高可靠性、高稳定性，编程简单，易于使用，广泛应用于 现代工业企业中，尤其是在生产流水线的控制系统中已普遍采用可编程序控制器， 第2 页 程硕士论文 聚丙烯生产过程计算机挣制系统研究与开发 使得整个控制系统在功能可靠性，配置灵活性等方面较之过去的继电器方式产生了 质的飞跃。 但p l c 没能给操作者提供动态的生产线状态参数显示和报表输出，i p c 工业控 制计算机有着十分丰富的商品软件支持，可以开发出直观方便的图形操作界面。工 控机与可编程控制器联合使用已经成为当前工业自动化发展的方向和趋势之一。 1 1 2 计算机监控系统 计算机监测控制系统( 简称计算机监控系统) ，是以监测控制计算机为主体， 加上检测装置，执行机构，与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体【”。 在这个系统中计算机将参与生产过程的检测( m o n i t o r ) 、监督( s u p e r v i s e ) 和控制 ( c o n t r 0 1 ) ，或者说具有以下三方面功能： 1 采集与处理功能 主要是对生产过程的参数进行检测、采样和必要的预处理，并以一定的形式输 出，为生产人员提供详实的数据，以便于他们分析、了解生产情况，监视生产过程 的进行。 2 监督功能 将检测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二 次加工，并制成实时和历史数据库加以存储。根据实际生产过程的需要及生产进程 的情况，进行工况分析、故障诊断、报警等，并以图、文、声等多种形式及时做出 报告，以进行操作指导、事故报警。监督系统的输出一般都不直接作用于生产过程， 而是经过生产人员的判断后再由操作人员对生产过程进行干预。 3 控制功能 在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接 作用于生产过程。 完整的计算机监测控制系统是上述三种功能的综合集成，它利用计算机高速 度、大容量和智能化的特点，可以把一个复杂的生产过程组织管理成为一个综合、 完整、高效的自动化整体。当然，在实际使用中，可以根据实际对象的需求情况， 系统只具有上述一项或两项功能，或是以某一项为主，而辅以其他功能。这样可以 更针对实际应用的需要，以降低成本，减少复杂性，增强可维护性。 计算机监控系统以其良好的实时性、可靠性、可维护性以及优异的计算控制能 力和人机交互功能已成为现代工业企业自动化中必不可少的重要组成部分。 第3 页 工程硕士论文 聚丙烯生产过程计算机控制系统研究畸开发 1 。1 3 监控组态软件及其发展 在设计或初步形成一个控制系统后，还要考虑当可编程控制器与被控对象连成 一体时的操作与控制方式，其中关键之就是人与计算机的联系。选择一个适宜的 人机对话功能，这将既有利于设计、修改程序，又适用于生产过程中的操作与监视。 简单地说，就是选择编程器和操作站以及它们的支持软件。 1 1 3 1 监控组态软件的概念 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统( 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 ) 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。 在控制系统使用的各种仪表中，早期的控制仪表是气动p i d 调节器，后来发展 为气动单元组合仪表，2 0 世纪5 0 年代后出现电动单元组合仪表和直接数字控制系 统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 。7 0 年代中期随着微处理器的出现，诞生了第一代 d c s 。到目前，d c s 和其他控制设备在全球范围内得到了广泛的应用。由于每一套 d c s 都是比较通用的控制系统，可以应用到很多领域中。为了使用户在不需要编代 码程序的情况下，便可生成适合自己需求的应用系统，每个d c s 厂商在d c s 中都 预装了系统软件和应用软件，而其中的应用软件，实际上就是组态软件，但一直没 有人给出明确定义，只是将使用这种应用软件设计生成目标应用系统的过程称为 “组态( c o n f i g u r e ) ”或“做组态”。 组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件 的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满 足使用者要求的目的1 5 1 。监控组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式 灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时，h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 或 m m i ( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 是其中主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随 着它的快速发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、 对f o 设备的广泛支持已经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控组态软件将 会不断被赋予新的内容。 1 1 3 2 监控组态软件的特点 组态软件最突出的特点是实时多任务。例如，数据采集与输出、数据处理与算 法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务 要在同一台计算机上同时运行。 组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件的主要目的是使使用者在 生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码。下面是组态软件主 要解决的问题； 第4 贞 工程硕士论文 聚丙烯生产过程计算机控制系统研究与开发 1 如何与采集，控制设备间进行数据交换； 2 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来； 3 处理数据报警及系统报警； 4 存储历史数据并支持历史数据的查询； 5 各类报表的生成和打印输出； 6 为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求； 7 最终生成的应用系统运行稳定可靠； 8 具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填写一些事先设计的表格，再利用 图形功能把被控对象形象地画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与f o 设 备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对 象相连的f o 设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性变化。若要对应用系统 进行修改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。 从以上可以看出，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、 运行可靠的特点。 实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件 做出反应的特性。在具体地确定这里所说的既定时间时，主要考虑两个要素：其一， 根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；其二，该事件要求计算机在多 长的时间以内必须做出反应，否则，将对生产过程造成损害。可见，实时性是相对 的。工业控制计算机及监控组态软件具有时间驱动能力和事件驱动能力，即在按一 定的周期时问对所有事件进行巡检扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。实 时性一般都要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行 的多个任务，加速程序执行速度。 可以把那些变化并不显著，即使不立即做出反应也不至于造成影响或损害的事 件，作为顺序执行的任务，按照一定的巡检周期有规律地执行，而把那些保持时间 很短且需要计算机立即做出反应的事件，作为中断请求源或事件触发信号，为其专 门编写程序，以便在该类事件一旦出现时计算机能够立即响应。如果由于测控范围 庞大、变量繁多，这样分配仍然不能保证所要求的实时性时，则表明计算机的资源 已经不够使用，只得对结构进行重新设计，或者提高计算机的档次。 在计算机、数据采集控制设备正常工作的情况下，如果供电系统正常，当监控 组态软件的目标应用系统所占的系统资源不超负荷时，则要求软件系统稳定可靠地 运行。 如果对系统的可靠性要求得更高，就要利用冗余技术构成双机乃至多机备用系 统。冗余技术是利用冗余资源来克服故障影响从而增加系统可靠性的技术，冗余资 第5 页 丁程硕十论文 聚内烯生产过程计算机控制系统研究与开发 源是指在系统完成正常工作所需资源以外的附加资源。说得通俗和直接一些，冗余 技术就是用更多的经济投入和技术投入来获取系统可能具有的更高的可靠性指标。 伴随着信息化社会的到来，监控组态软件在社会信息化进程中将扮演越来越重 要的角色，在现代工业企业中得到日益广泛的应用，未来的发展前景十分看好。 1 1 3 3 “力控2 6 ”简介 力控是一个面向方案的h m i s c a d a 平台软件。它基于流行的3 2 位w m d o w s 平台，丰富的f o 驱动能够连接到各种现场设备。分布式实时数据库系统，可提供 访问工厂和企业系统数据的一个公共入口。内置t c p i p 协议的网络服务程序使用 户可以充分利用i n t r a n e t 或i n t e m e t 的网络资源。全部功能都是高度集成的，能传递 给您需要的有价值的信息，以使生产环境更有效率。 力控2 6 的主要特点如下： 1 面向i n t e m e t i n t r a n e t 强大的w e b 功能和i n t e m e t i n t r a n e t 浏览器技术，直接支持多文档。w w w 功 能全部用v c + + 实现，因此当在i n t e m e t 上远程访问监控画面时，具有更好的实时性。 同时易于使用a s p 等快速开发工具构建b s 系统结构，并可以直接访问单窗口。具 有国内领先的网络体系构架，支持b s 和c s 访问方式，支持多层次网络冗余结构， 支持i o 设备冗余、网络冗余、数据库冗余等。设备通讯和力控网络节点支持g p r s 、 c d m a 等移动通讯功能；g s m 手机短信报警管理系统方便地管理报警信息。 2 数据库管理器 内置区域实时数据库，区域实时数据库内置多种功能块以完成数据处理，可实 现累计、统计、控制、线形化、p i d 控制、各种运算等多种功能。还可以完成实时 数据、报警检查、历史数据的存储等功能。数据库对街道数据按区域，单元、子单 元管理，分为6 层结构，方便数据管理，用户可根据实际需要自己定义各类数据库 结构，方便管理及查找。力控的数据库管理具备真正意义上的分布式特征。其h m i ( 人机界面) 部分与数据库部分可以分别运行在不同的网络节点上，任意一台操作 站上的h m i 都可以访问任意一台服务器上的数据库。运行于不同网络节点的数据 库还可以互相访问。真正实现了数据的分布处理，界面的集中监控与管理。在力控 的内部还有丰富的数据库组件，如d b c o m 控件( 标准a c t i v e x 控件，允许第三方 开发工具访问实时数据库) 、o p c d d es e r v e r ) ( 标准的数据服务器，允许第三 方软件通过d d e 、o p c 标准来遍历实时数据库的各种实时和历史数据) 。 3 报表 具有方便快速的历史报表生成工具，能随心所欲地创建出任意类型的报表，对 数据存储的时间范围、间隔、起始时间等进行任意指定。具有灵活的报表生成方式， 第6 页 t 程硕士论文 聚丙烯生产过程计算机控制系统研究与开发 可以任意设置报表格式，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。可以 在报表上同时显示实时数据和任意时刻的历史数据，并加以统计处理。 4 内置数据表 内置数据表具备标准关系数据库所具有的基本特征和功能，利用报表模版可以 将力控实时数据库的变量和报表字段进行任意绑定，并可通过报表过滤器设定不同 情况下的查询条件，以进行数据的处理。 5 图形 增强了过渡色与渐进色功能、优化设计的工具箱及调色扳使选择颜色时更直 观、方便，开发更灵活制作工程画面更快捷。具有集成化的开发环境、增强的图形 功能，丰富的图形元素及子图精灵，使生成个性化图库更快捷。 6 控制策略生成器 控制策略生成器( s t r a t e g yb u i l d e r ) 是下一代自动化控制的解决方案，与传统 的d c s 、p l c 控制系统相比，它充分体现了控制功能丰富、系统组建灵活、扩展方 便的特点。 控制策略生成器的开放性及基于p c b a s e d 技术的特性，将易于连接各种i 0 设 备、f o 网络以及不同广商的相关设备。在控制系统中可以自由地选择控制技术， 取代传统的p l c 、d c s ，降低生产成本，发挥系统的最优性能。 控制策略生成器采用符合i e c l l 3 1 - 3 标准的图形化编程方式，提供包括：变量、 数学运算、逻辑功能、程序控制、常规功能、控制回路、数字点处理等在内的十几 类基本运算块，内置常规p i d 、比值控制、开关控制、斜坡控制等丰富的控制算法。 同时提供开放的算法接口，可以嵌入用户自己的控制程序。另外，控制策略生成器 与力控的其它程序组件可以无缝连接。 7 通信 具有精确的内部时钟系统，调度周期可精确至1 毫秒；网络通信速度更快，可 满足构建大型、复杂s c a d a 系统的需求。力控提供多种通信方法，除t c p i p 网 络通信组件外，使用力控远程拨号通信组件，可以实现对远程现场生产过程的的实 时监控，本组件不仅支持模拟通信方式，还支持i s d n 数字通信方式，以满足高速 远程通信的需求。 力控串行通信组件，可以实现两台计算机之间的低成本通信。采用 r s 2 3 2 c 4 2 2 4 8 5 接口，可实现一对一( 1 ：l 方式) 的通信；如果使用r s 4 8 5 总线， 还可实现一对多台计算机( 1 ：n 方式) 的通信，轻松组建r s 4 8 5 工业总线网。同 时力控也提供无线通信组件，以适应覆盖范围广、通信距离远或野处等恶劣工作环 境。 在力控内部具有一个o p c 管理器，它对所有o p c 链接进行统一管理，相互隔 第7 页 工程硕十论文 聚内烯生产过程计算机拧制系统研究与开发 离，使各o p c 独立进行工作，提高了系统的安全性和可靠性。利用o p c 管理器可 以实现在线数据监测、报警和事件处理、历史数据访问，远程数据访问等功能。 1 1 4 聚丙烯生产控制系统现状 我国的聚丙烯工业化生产始于1 9 7 1 年，当时兰州化学工业公司从英国维克斯 吉玛公司引进5k t a 浆液法聚丙烯装置投产，而后燕山石化公司从日本三井油化公 司引进8 0k t a 浆液法聚丙烯装置和辽阳石油化纤公司从美国阿莫科( a m o c o ) 公司 引进3 5k t a 浆液法聚丙烯装置；8 0 年代引进了日本三井油化公司的h y p o l 工艺( 液 相- 气相本体法) 在扬子石化公司建设1 4 0k t a 聚丙烯装置，又引进了意大利海蒙特 ( h i m o n t ) 公司的s p h e r i p o | 工艺( 液相气相本体法) 在齐鲁石化公司和上海石化 股份公司分别建设7 0k t a 聚丙烯装置，使国内的聚丙烯生产技术达到了比较先进的 水平。与此同时，8 0 年代采用国内自行开发的技术和催化剂，利用炼厂催化裂化装 置的丙烯建设了一批规模较小的间歇式液相本体法聚丙烯装置；进入9 0 年代国内 聚丙烯的发展更快，利用蒸汽裂解装置和炼油厂的丙烯建设了2 0 多套聚丙烯装置， 其中最大的为燕山石化公司2 0 0k t a 采用阿莫科公司气相本体法工艺，一般的生产 能力为7 0k t a ，使聚丙烯成为我国发展最快的一种合成树脂。到1 9 9 8 年底，全国 共有聚丙烯生产企业5 0 多家，总生产能力已达到2 6 2 0k t a ，成为我国合成树脂中 生产能力最大的一个品种。在这些生产能力中采用s p h e r i p o l 工艺的约占4 5 ，采 用h y p o l 工艺的约占2 l ，采用国内自行开发的间歇式液相本体法工艺的约占2 5 ，采用其他工艺的约占9 。目前我国已能自行设计液相一气体本体法( 釜式或 环管式) 聚丙烯装置，开发了能用于上述工艺的催化剂，并向外国转让了聚丙烯催 化剂的专利技术。 我国聚丙烯装置规模最大的为北京燕山石化公司聚丙烯装置，生产能力2 0 0 k t a ，一般生产能力在4 0 7 0k t a ，但相当一部分聚丙烯装置，生产能力只有3 1 0 k t a 。采用国内技术的间歇式本体法聚丙烯装置由于投资低，原料丙烯来自炼油厂 副产，价格低，因此目前尚有一定竞争能力，但由于产品品种单一，只生产均聚物， 质量差，消耗高，且生产的都是粉料，应用上受到一定的限制。 由于我们对化工产品的质量要求越来越高，并要求化工企业减少污染，节约能 源，所有这些都迫使化工企业提高自动化水平。特别在我国加入w t o 之后，国内 传统产业面临着巨大的挑战，利用先进的计算机技术和现代管理手段来改造企业原 有生产方式，实践证明是能够有效提高企业竞争力的。在我国的石化企业中，一些 企业还沿用上世纪九十年代的生产管理方式，为了提升企业管理水平、提高生产效 率、减少消耗、减小污染、改善工作环境，推进企业信息化建设是石化企业发展之 第8 页 工程硕十论文 聚丙烯生产过程计算机控制系统研究与开发 路。以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，用高新技术和先进适用技术改造 传统产业，这将是我国企业在现阶段的发展之路。 在聚丙烯生产控制过程中，聚合反应的控制尤其重要。在国内的一些传统生产 企业中，对聚合反应温度用常规仪表串级调节，但其斜率升温及重要的拐点过渡常 规仪表是无法实现自控的，只能手动遥控。而聚合反应对升温拐点及反应温度的控 制要求较高，误差分别为 i - 0 5 。c 和 o“：j “一 o 【”一，。 0 其偏差与控制器输出的关系曲线如图3 1 3 1 所示。 域t ) 。 0 e f t ) “m 图3 1 3 1 双位控制特性曲线 由于这种控制方式只有两种输出方式：全开或全关，用它控制压力会使系统处 于不平衡状态，压力会上下波动，出现持续振荡而使控制质量较差，但双位控制的 调整速度很快。 2 p i d 控制 所谓p d 控制就是比例、积分、微分控制，对于实际的控制系统，其被控制对 第2 0 页 象通常都有储能元件存在，这就造成系统对输入作用的响应有一定的惯性。另外， 在能量和信息传输过程中，由于管道和传输等原因会引入一些时间上的滞后，往往 会导致系统的响应变差，甚至不稳定。因此，为了改善系统的调节品质，通常在系 统中引入偏差的比例调节，以保证系统的快速性。引入偏差的积分调节以提高控制 精度，引入偏差的微分调节来消除系统惯性的影响，这就形成了按偏差p i d 调节的 系统，其控制结构如图3 1 3 2 所示。 圈3 1 3 2p i d 控制系统图 其控制规律为： 坼m ， 印，专印肌乃刽 t ， 式中：“咖控制量。 p ( 忙系统的控制偏差5 一比例增益； 砰一积分时间； 乃微分时间。 不过，要使计算机控制系统使用p i d 控制，必须使p i d 控制规律数字化，也就 是对上面的微分方程式离散化，为此可作出如下近似： “( f ) ( k t ) e ( t ) e ( k t ) ( 3 2 ) 丘f 矽* k 飘力 ( 3 3 ) 生盟。e ( k ) - e ( k - 1 ) 西r ( 3 4 ) 第2 i 页 t 程硕士论文聚丙烯生产过程计算机控制系统研究l j 开发 式中：t 一采样周期。 为使算式简便，把f ( 女力计为p ( 妨，碳| i 乃计为“( 助。 数字p i d 控制器有三种形式，即位置式p i d 、增量式p i d 和速度式p i d 。 ( 1 ) 位置式p i d 位置式p i d 控制器的输出u ( k z ) 是全量输出，是执行机构所应达到的位置( 如 调节阀位置的大小) 。 将式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 、( 3 4 ) 代入式( 3 1 ) ，可得差分方程 m m ，卜音扣，+ 枷h 旷) 】 s ， 或 “( k ) = k p e ( ? ) + 置，e ( 卅岛k ( t ) 一p ( k - 0 】 ， ( 3 6 ) 式中“分斗= 七r 时的控制量； x 。r 蜀= 积分系数； 杨：兰璺 微分系数。 式( 3 5 ) 或( 3 6 ) 就是p i d 控制算式的位置式。这种p i d 的积分项是对以前 逐次偏差p 的累加，这样就需要占用较多的存储单元，而且不便于计算机编程， 所以位置式p i d 目前很少使用。 ( 2 ) 增量式p i d 所谓增量式p i d 是对位置式p i d 取增量，数字调节器的输出值是增量。p i d 运 算的输出增量为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即 “( 助= 玑d - u ( k - i ) ( 3 7 ) 由式3 5 可知： ： 蚺t m 卜盼三扣哼一z ) 】) 由式( 3 5 ) 减上式得： “( 助2 置， k ( 女) 一e ( 女一1 ) 】+ 寺e ( t ) + 孚k ( t ) 一2 e ( t 1 ) + e ( k - 2 ) 】 ( 3 8 ) 或“( 炉髟k ( 的一p ( 七一1 ) 】+ 墨p ( 七) + 髟【文t ) 一2 e ( k 1 ) + 口( i 一2 ) 】 ( 3 9 第2 2 页 t 程硕士论文 聚内烯生产过程计算机控制系统研究开发 式3 8 或式3 9 就是p i d 控制算式的增量式，其输出a u ( k ) 表示调节阀位置的增 量。 。 -， 在增量形式的控制算法中，控制作用的比例、积分和微分部分是相互独立的， 操作人员易于理解，便于检查参数变化对控制效果的影响。有时为了使控制算法更 简单，可对( 3 8 ) 式合并同类项得； a u ( k ) = a e ( k ) b e ( k - 1 ) + c e ( k - 2 ) ( 3 ，1 0 ) 式中：舻& ( - + i t + 等 ；肛砟 + z 爿；c - 石，争。 a 、b 、c 这三个参数可独立进行选择，但从形式上已看不出比例、积分和微分 对系统的不同影响，为便于系统调试，在工程上常采用3 8 式或3 9 式进行计算机 编程。p i d 计算程序可根据精度要求和计算速度选择定点计算和浮点计算。定点计 算程序简单，运算速度快但精度受限。浮点计算适应范围宽，精度高，但程序复杂， 运算速度慢。 3 模糊控制及模糊控制系统概述 ( 1 ) 模糊控制的基本原理嗍 图3 1 3 3 所示为模糊控制系统的方块图。从系统结构上来说，模糊控制系统类 同于一般的数字控制系统，对象的输出( 被控变量) y 被反馈回输入端与给定值进 行比较后得到偏差p ，偏差e 和偏差变化率c 输入到模糊控制器。由模糊控制器推 断出控制量“来控制对象。 图3 1 3 3 模糊控制系统方框图 由于对模糊控制来说，输入和输出都是精确的数值，而模糊控制原理是采用人 的思维，也就是按语占规则进行推理的，因此必须将输入数据变换成语言值，这个 过程称为精确量的模糊化，然后进行推理及控制规则的形成，最后将推理所得结果 变换成实际的一个精确的控制值。综上所述，模糊控制的几个步骤如下： 根据所得到的对象输出( 被控变量) 计算系统的输入变量。一般选择偏差信 号及偏差信号的变化率为模糊控制器的输入量。 将输入变量模糊化，即将输入变量的精确值变为模糊量。 根据输入变量( 模糊量) 及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量 第2 3 页 工程硕十论文聚丙烯生产过程计算机控制系统研究弓开发 ( 模糊量) 。 将得到的控制量( 模糊量) 精确化。 模糊控制器的基本结构框图如图3 1 3 4 所示。下面对输入变量的模糊化、模糊 推理、控制变量的清晰化以及知识库进行说明。 图3 1 3 4 模糊控制器基本结构 输入变量的模糊化 这部分的作用是将给定值，与输出量的偏差e 及偏差的变化率c 的精确量转换 为模糊量，即先对e 和f 进行尺度变换，再进行模糊推理，成为模糊量及c ，也 就是根据输入变量模糊子集的隶属度函数找出相应的隶属度的过程。在实际控制过 程中，经常把输入变量和输出变量分成“正大”、“正中”、。正小”、“零”、“负小”、 “负中”、“负大”这七级，称模糊分割为七级，用英文字母表示为： p l ，p m ，p s ，z e ，n s ，n m ，n l 每一个变量的语言值都对应一个模糊子集。先要确定这些模糊子集的隶属度函 数，才能进行模糊化这一步骤。 。 一个语言变量的各个模糊子集之间没有明确的分界线，反映在模糊子集的隶属 度函数的曲线上，就是这些曲线必定是相互重叠的，这个相邻隶属度函数的合适选 择的重叠正是一个模糊控制器相对于参数变化时具有鲁棒性的原因所在。 各种