甘油生产过程控制系统.doc

1 甘油过程控制系统 课程设计 2 目录 一 一 课题的背景及意义课题的背景及意义 1 1 1 课题的背景 1 1 2 课题研究的意义 2 二 二 技术方案的论证技术方案的论证 2 2 1 工艺过程与控制要求 2 2 2 监控系统的结构与功能 4 三 三 监控过程原理及技术特征监控过程原理及技术特征 6 3 1 监控过程及原理 6 3 2 控制算法 8 3 3 总体性能指标 9 四 四 系统方案的实施系统方案的实施 10 4 1 现场采集系统的研制 10 4 1 1 系统变量的分析与选择 10 4 1 2 传感器的选择与转换电路设计 11 4 2 现场控制系统的研制 16 4 2 1 现场控制系统配置要求 16 4 2 2 现场控制系统硬件设计 17 4 2 3 PLC 工作流程 20 4 3 控制系统算法研制 21 4 3 1 自适应模糊 PID 控制系统的结构 22 4 3 2 自适应模糊 PID 控制器的设计 23 4 3 3 控制系统算法的实现 25 4 4 上位机监控系统的开发 26 4 4 1 上位机监控系统的组成 26 4 4 2 上位机监控系统的设计流程 27 4 4 3 实时数据库的构造与数据处理的设计 29 4 4 4 主控窗口与用户窗口组态的设计 29 4 4 5 设备窗口与运行策略的设计 34 4 4 6 报警处理与数据报表设计 35 4 4 7 实时趋势曲线和历史趋势曲线设计 37 1 一 一 课题的背景及意义课题的背景及意义 1 11 1 课题的背景课题的背景 随着计算机技术与过程控制技术的发展 人们对过程控制的目 标已经提高到完善生产管理 提高产品质量 节约能源降及低生产 成本的水平上来 这样就对当前过程控制的发展提出了很多新的要 求 如何利用计算机管理与控制技术对生产过程进行更好的管理与 控制 已越来越为企业所关注 实现整个生产流水线监控 实现企 业的管控一体化已成为企业发展的必由之路 甘油是一种重要的化工原料 在工业 医药及日常生活中用途 十分广泛 目前大约有 1700 多种用途 我国每年约有 1 4 的需求依 靠进口来解决 甘油的来源一般有两条途径 一是制皂废液 另一 途径是油脂水解废水 制皂废液经净化处理和浓缩得到的粗甘油 甘油浓度一般为 80 左右 其中含有大量的杂质 主要有 8 左右 的 NaCI 1 2 的 NaS04 1 5 3 的有机杂质 7 左右的水分 以及少量的易挥发性杂质 油脂水解废水经净化和浓缩制得的粗甘 油质量较制皂废液制得的好 甘油含量一般在 88 左右 也含有少 量水以及 2 3 的有机杂质和无机杂质 而食用 药用 化妆品 用和其他工业用甘油都对甘油的质量要求较高 因此 粗甘油必须 进行精制 甘油的精炼过程非常复杂 而且条件较为恶劣 它涉及到温度 压力 流量 物位等大量物理参数 包括物理变化 化学反应等复 2 杂过程 针对甘油生产工艺这样复杂的生产过程 自动控制的主要 目标是在保证人身和设备安全的情况下 稳定生产工艺状况 避免 人为因素造成产品质量和产量的剧烈波动 确保生产能够获得最大 的效益 这就对生产过程自动化控制提出了更高的要求 必须通过 先进的控制手段实现关键工艺参数的稳定化监控 保证生产产量和 质量目标的实现 以获得最大的生产效益 目前 大型的石化 化工等行业已采用 DCS 用于生产过程的监 控 但由于成套的 DCS 一则价格昂贵 一套中型的 DCS 价格动则几 百万 甚至上千万 成本太高 对中小型企业根本吃不消 二则一 般的 DCS 系统封闭 兼容性不好 鉴如此 开发成本低 兼容性好 的具有自主产权的监控系统不但适应市场的需求 具有较好的经济 价值 而且具有较高的社会价值 1 21 2 课题研究的意义课题研究的意义 通过本项目的研究开发 不但能实现对现场工艺参数准确控制 而且通过监控网络能动态监测作业流程 主要设备的运行状态 还 能读取现场数据 对数据进行分析 对异常工况进行声光报警和数 据查询打印 提高了工业控制的自动化水平 实现了管控一体化 改善了生产的劳动条件 提高了甘油生产的产量与质量 提高经济 效益 3 二 二 技术方案的论证技术方案的论证 2 12 1 工艺过程与控制要求工艺过程与控制要求 1 工艺过程 甘油精炼的工艺流程是将粗甘油通入蒸馏釜 因粗甘油溶液属 多相混合物系 蒸馏时可视粗甘油中的有机盐 无机盐以及难挥发 的其他杂质为高沸点组分 视粗甘油中的甘油 水及其他易挥发性 杂质 如醛 酮等 为低沸点组分 在一定条件 温度 压力 下 高沸点组分留在蒸馏釜中 低沸点组分从粗甘油中汽化分离出来 而低沸点组分在汽化后成为以甘油和水蒸气为主体的混合气体 将 其通入冷凝器组 利用甘油与水沸点的差异 通过多次部分冷凝后 即可得到纯度较高的精甘油 整个流程如图 2 1 所示 图 2 1 甘油精炼监控工艺流程图 2 控制要求 1 甘油产品质量控制 4 粗甘油经蒸馏釜加热蒸馏 再经冷凝器组冷凝的到的精甘油必 须符合规定的纯度 同时保证产品损失小于规定值 2 物料平衡和能量平衡控制 进出蒸馏釜和冷凝器组的物料和能量应保持平衡 3 约束条件控制 甘油在常压下沸点是 290 在 205 或稍高温度时 甘油随着 受热时间的长短而有一定程度的聚合和分解 要求蒸馏采用真空蒸 馏 以使甘油蒸溜在较低温度下进行 同时为保证蒸馏釜的正常 安全操作 蒸馏釜内的操作压力必须维持稳定 4 经济效益控制 达到上述基本目标的同时 蒸馏过程需要获得最大的产品回收 率和最小的能量消耗 即优化塔的操作 2 22 2 监控系统的监控系统的结构与功能结构与功能 整个监控控制系统分监控层和现场控制层两层 甘油监控系统 组成如图 2 2 所示 进料 控制 系统 釜温 控制 系统 真空 控制 系统 冷凝 控制 系统 巡检 系统 供水 控制 系统 工控机 监控层 网络 现场控制层 图 2 2 甘油监控系统组成 1 现场控制层的组成与作用 5 由进料控制系统 蒸馏釜温度控制系统 冷凝器组温度控制系 统 真空压力控制系统 恒压供水控制系统和流程巡检系统六个子 控制系统构成 用于对现场流程进行测量与控制 其中进料控制系 统 蒸馏釜温度控制系统 真空压力控制系统公用一套 PLC 控制 冷凝器组温度控制系统和恒压供水控制系统公用一套 PLC 控制 流 程巡检系统的数据采集以上两套 PLC 的数据 1 进料控制系统 由 PLC 液位传感器 进料调节阀组成定值闭环控制系统 其 原理是由液位传感器检测出蒸馏釜液位 送入 PLC 与设定值比较后 按设计的控制规律控制进料调节阀 使蒸馏釜液位保持恒定 以保 持蒸馏釜的物料平衡 2 蒸馏釜温度控制系统 由 PLC 温度传感器 加热油流量调节阀组成定值闭环控制系 统 其原理是由温度传感器检测出蒸馏釜出口温度 与设定值比较 后 按设计的控制策略控制加热油调节阀 使蒸馏釜出口温度保持 恒定 从而保证产品的质量 3 真空压力控制系统 由 PLC 真空压力传感器 真空压力调节阀组成定值闭环控制 系统 其原理是由真空压力传感器检测出真空压力 与 PLC 设定值 比较后 按控制规律控制真空压力变频电机 使蒸馏釜内真空压力 和冷凝器内真空压力保持恒定 4 恒压供水控制系统 6 由 PLC 压力传感器 冷凝水压力调节阀组成定值闭环控制系 统 其原理是由压力传感器检测出冷凝水压力 与 PLC 设定值比较 后 按控制规律控制恒压供水变频电机 使冷凝水压力保持恒定 以保持冷凝组用水的稳定 5 冷凝器组温度控制系统 由一个 PLC 四个温度传感器 四个冷凝器温度调节阀组成四 个相互独立的定值闭环控制系统 其原理是由四个温度传感器分别 检测出四个冷凝器温度 与 PLC 的设定值比较后 按控制规律分别 控制四个冷凝器温度调节阀 使四个冷凝器温度保持恒定 冷凝器 共六个串联连接 其中前两个采用自然冷却方式不用控制 6 流程巡检系统 由 PLC 液位传感器 温度传感器 压力传感器 流量传感器 及 TP200 文本显示器组成 按一定周期巡回检测蒸馏釜出口液位 温度 六个凝器温度 真空压力 冷凝水压力及粗甘油进料量 三 个等级的精甘油流量并显示 同时显示甘油精炼的成品率 2 监控层的组成与作用 监控层硬件由装有 MCGS 的工控机 各种参数显示器和打印机构 成 软件环境由 组态环境 和 运行环境 组成 作用 一方面可以通过网络接受来自现场控制层的各种信息进 行显示 分析和处理 对现场层进行监视 另一方面 可以按照工 艺要求 通过网络对现场控制层下达指令 对现场控制层进行控制 7 三 三 监控过程原理监控过程原理及技术特征及技术特征 3 13 1 监控过程及原理监控过程及原理 监控系统有单机控制和联机控制两种工作方式 1 单机控制工作方式 包括单步操作 单控制系统操作和异常操 作三种形式 主要是为设备安装 调试检修需要设计 原理 单步操作为开环控制 以检查与控制单个电气设备运行 状况 单控制系统操作为闭环控制 以检查现场控制层单闭环控制 系统的运行状态 异常操作为生产运行发生异常工况时 系统及时 切换到规定的处理程序 2 联机控制工作方式 包括监控层对现场控制层实时监控 现场 控制层对现场流程实时测量与控制 工作原理及过程 系统启动后 首先启动真空控制系统 恒压 供水控制系统 流程巡检系统 在真空作用下将粗甘油吸入蒸馏釜 通入蒸馏釜粗甘油液位不能太高 也不能太低 太高易泛液 太低 设备有危险 由进料控制系统控制蒸馏釜的液位 当蒸馏釜粗甘油液位到达工艺设定液位后 启动蒸馏釜温度控 制系统 在蒸馏釜温度控制系统作用下 将由甘油 水及其他易挥 发性杂质等组成的低沸点组分汽化 和由有机盐 无机盐以及难挥 发的其他杂质等组成的高沸点组分分离 分离的工艺温度由蒸馏釜 温度控制系统实现 汽化分离后的低沸点组分进入冷凝器组 高沸 点组分保留在蒸馏釜中 由监控系统控制定时排放到废液渣罐中 8 汽化后的低沸点组分依次进入冷凝器组冷凝 利用甘油与低沸 点组分中的其它组分沸点不同进行分离 冷凝器组由六个冷凝器用 管道串连组成 1 与 2 冷凝器用空气冷凝 3 至 6 冷凝器用冷却水 冷凝 3 至 6 冷凝器的冷却工艺温度由冷凝器组温度控制系统实现 冷却用水由恒压供水控制系统实现 因工艺条件要求 整个蒸馏过程必须在真空环境下进行 同时 蒸馏釜进料 甘油由蒸馏釜进入冷凝器组也用到真空 真空度控制 由真空控制系统完成 控制系统流程如图 3 1 所示 Y Y Y Y Y Y 启动 自动 真空控制系统 进料控制系统 真空度到 液位到 釜温控制系统 温度到 结束 单机运行 冷凝温控系统 和 供水控制系统 冷凝温度 到 供水压力 流程巡检系统 结束 结束 图 3 1 控制系统流程 9 3 23 2 控制控制算法算法 由于蒸馏釜温度 液位与冷凝器温度的被控参数具有时变 非 线性特点 常规的 PID 控制很难达到理想的控制精度要求 而且常 规的 PID 控制有对不同的控制对象采用不同的 PID 参数要求 PID 参数调整极不方便 为改变常规 PID 控制以上弱点 本项目采用自 适应模糊 PID 控制方法以提高系统的控制精度 安全性和可靠性 即模拟人的控制行为 利用人的经验知识实现对蒸馏釜温度 液位 与冷凝器温度等被控参数的控制 蒸馏釜温度控制系统设计成以温度偏差和偏差变化率为输入量 加热油调节阀流量为输出量的双输入单输出模糊控制器进行控制 进料控制系统设计成以液位偏差和偏差变化率为输入量 进料调节 阀流量为输出量的双输入单输出模糊控制器进行控制 冷凝器温度 控制系统设计成分别以各个冷凝器的温度偏差和偏差变化率为输入 量 各个冷凝器的调节阀流量为输出量的双输入单输出模糊控制器 进行控制 真空压力控制系统 恒压供水控制系统采用增量式 PID 控制 3 33 3 总体性能指标总体性能指标 1 针对甘油精炼设备特点 采用先进的控制策略实现对温度 压 力 流量 液位等现场参数的准确控制 温度控制范围与精度 0 300 误差 0 5 压力控制范围与精度 0 10Mpa 误差 0 5 10 液位控制范围与精度 0 05 10m 误差 0 5 2 实现整个生产流水线监控 实现企业的管控一体化 动态监测 作业流程 主要设备的运行状态 显示主要参数的实时曲线及历史 曲线 显示和记录主要参数的实时数据和历史数据 3 数据的处理分析与报警 能对采集数据进行存储 能对被控参 数进行趋势分析 对监控参数能实施越限报警 自动生成异常状态 数据库 4 查询功能 能查询各种监控参数的历史数据 各种参数的曲线 及趋势 能自动生成各种监控参数的报表并具有打印功能 四 四 系统方案的实施系统方案的实施 4 14 1 现场采集系统的研制现场采集系统的研制 4 1 14 1 1 系统变量的分析与选择系统变量的分析与选择 1 被控变量的选择 被控变量的选择依据 根据生产工艺的要求 找出影响生产的 关键变量作为被控变量 当不能用直接工艺参数作为被控变量时 应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变 量 被控变量必须有足够大的灵敏度 选择被控变量时 要考虑工 艺合理性 甘油生产工艺是在蒸馏釜中分离粗甘油中的高沸点组分和低沸 点组分 然后利用冷凝器组冷凝低沸点组分得到精甘油 选择被控 11 变量时除考虑工艺条件外 同时要兼顾约束条件的限制 因此选择 甘油的浓度 蒸馏釜内压力 蒸馏釜液位 各级冷却塔的温度及冷 却水的压力应为被控变量 其中甘油的浓度是反映甘油质量的被控 变量 蒸馏釜内压力 蒸馏釜液位 各级冷却塔的温度及冷却水的 压力为约束条件的被控变量 因甘油的浓度不便测量 工业浓度检 测仪表可靠性差 测量滞后大 反应缓慢 并且价格高 而蒸馏釜 出口温度和甘油浓度有近似的对应关系 因此选用蒸馏釜出口温度 作为反映甘油质量的间接被控变量 2 操纵变量的选择 控制变量的选择原则 工艺上允许控制的变量 控制通道应比 其它干扰对被控参数的影响灵敏 即静态放大倍数要大 时间常数 要小 滞后越小越好 被控过程存在多个时间常数 在选择设备及 控制参数时 尽量错开 考虑工艺的合理性与生产的经济性 本项目主要有进料控制系统 蒸馏釜温度控制系统 冷凝器组 温度控制系统 真空压力控制系统 恒压供水控制系统五个现场控 制子系统和一个流程巡检系统构成 其中恒压供水控制系统和真空 压力控制系统的执行器是变频电机 操纵变量选择变频电机的频率 通过改变变频电机的频率实现对供水压力及真空压力的控制 进料 控制系统 蒸馏釜温度控制系统 冷凝器温度控制系统等系统执行 器都是调节阀 操纵变量选择调节阀的开度 通过改变调节阀的开 度实现对系统被控变量的控制 流程巡检系统只采集数据 无操纵 变量 12 4 1 24 1 2 传感器的选择与转换电路设计传感器的选择与转换电路设计 1 温度信号的采集与转换电路设计 本系统温度检测点有 蒸馏釜出口温度 六个冷凝器温度 加 热油温度共八个检测点 这八个检测点温度都在 500 以下 要求 快速检测且转变成标准信号 4 20mA 工业常用的传感器有热电 偶温度传感器和铂电阻温度传感器两种 对于 500 以下的中 低 温度测量 热电偶输出的热电势很小 且容易受到干扰而测量不准 而铂电阻在 500 以下的中 低温测温时 物理化学性能稳定 检 测速度快 选择铂电阻 Pt100 做作八个温度检测点传感器 并将温 度采集系统设计成隔爆型一体化温度变送器形式 电阻温度关系 Rt R0 1 At Bt2 C t 100 t3 200 0 4 1 Rt R0 1 At Bt2 0 850 4 2 隔爆型一体化温度变送器组成与原理 由温度传感器和信号转 换器组成 信号转换器安装在温度传感器的接线盒内 由铂电阻 Pt100 温度传感器将温度转变为电阻信号 电阻信号经不平衡电桥 经放大后直接转换成 4 20mA 电流输出 特点 结构简单 可直接与控制器 记录仪表 计算机等配套 使用 组成各种测量控制系统 输出为电流 4 20mA 信号 抗干 扰能力强 远传性能好 使用场所包括含有爆炸性气体混合物的环 境 主要技术指标 13 供电电压 13 30V DC 测量范围 200 500 输出信号 4 20mA 使用环境温度 20 70 防护等级 IP54 2 流量信号的采集与转换电路设计 流量监控点主要有 蒸馏釜粗甘油进料流量 精甘油 1 流量 精甘油 2 流量和精甘油 3 流量 常见的流量计有 差压式流量计 转子流量计 靶式流量计 椭圆齿轮流量计 涡轮流量计 电磁流量计 旋涡式流量计 经分析比较认为靶式流量计可用于测量雷诺数较小的流量 适 合高粘度的流体 如甘油 重油 沥青等的流量测量 粗甘油流量 精甘油 1 流量 精甘油 2 流量和精甘油 3 流量四个流量计均采用 HTCB 靶式流量计 HTCB 流量计原理 在管道中央安装垂直于流体流向的同轴圆片 形靶 流体沿靶周围的环形间隙流过时 靶就会受到流体推力的作 用 力的大小和流体的动能与靶面积的乘积正比 传感器将靶力转 换成毫伏电信号 经过 A D 转换器 微处理器 D A 转换器 转换 成与流量成正比的 4 20mA 电流输出 F QA V 2g 4 3 F 靶板所受的作用力 Q 阻尼系数 14 A 靶板面积 流体密度 V 2g 特征流速 HTCB 靶式流量计主要特点 耐高温高压 性能可靠 智能化结 构设计 具有参数设定及故障提示功能 可显示瞬时流量 累积流 量 具有上下限报警以及脉冲输出功能 主要技术参数 流量范围 0 400t h 输出信号 4 20mA 二线制输出与流量成线性关系 供电电压 12 36VDC 环境温度 30 60 介质温度 400 带散热片 阻尼时间 1 100 秒任意可调 3 压力传感器的选择与设计 压力传感器包括真空压力传感器和恒压供水压力传感器 经分 析比较真空压力传感器采用 PTB709 真空压力变送器 供水压力传感 器采用 MD W 恒压供水压力传感器 PTB709 真空压力变送器特点 不锈钢一体化结构 可适应恶 劣环境 精度高 性价比高 稳定性高 调试方便 防雷击 零点 满度可调 主要技术参数 输出信号 4 20mADC 两线制 15 供电电压 10 40VDC 两线制 介质温度 30 225 环境温度 20 85 零点温度漂移 0 02 FS 量程温度漂移 0 02 FS MD W 恒压供水压力传感器特点 全不锈钢焊接外壳 具有良好 的防潮能力及介质兼容性 输出信号的稳定 集成度高 体积小 精度高 一致性好 抗干扰能力强 响应速度快 主要技术参数 量 程 0 1 150 MPa 综合精度 0 1 FS 0 2 FS 0 5 FS 1 0 FS 输出信号 4 20mA 二线制 0 5V 1 5V 0 10V 三线 制 供电电压 24DCV 9 36DCV 介质温度 20 85 150 环境温度 常温 20 85 负载电阻 电流输出型 最大 800 电压输出型 大于 50K 绝缘电阻 大于 2000M 100VDC 密封等级 IP65 4 液位信号的采集与转换电路设计 因蒸馏釜属密闭容器 对其液位测量必须选用差压液位变送器 16 同时在测量中粗甘油因含有结晶颗粒及粘度较大 易造成引压管线 堵塞 故采用加隔离膜盒的 PTP1151DP 差压液位变送器 PTP1151DP 差压液位变送器直接安装在管道或容器上 由于隔离膜片直接与液 相介质相接触 无须将正压侧用导压管引出 PTP1151DP 差压液位变送器特点 测量高温 高粘度 易结晶 易沉淀和强腐蚀等介质的液位 然后将其转换成 4 20mA 信号输出 主要技术参数 量程 1 3 7 5 6 2 37 4 31 1 186 8 117 689 5 输出 4 20mA 0 5V 1 5V 0 10V 精度 0 5 FS 最大过载压力或静压 MPa 2 5 10 环境温度影响 28 0 25 量程 3 加 0 5 倍 介质温度影响 28 0 15 量程 3 加 0 5 倍 4 24 2 现场控制系统的研制现场控制系统的研制 4 2 14 2 1 现场控制系统配置要求现场控制系统配置要求 现场控制层由 6 套控制系统组成 包括 15 个模拟量输入检测点 9 个模拟量输出控制点 20 个数字量输入检测点和 38 个数字量输出 控制点 模拟量输入检测点 1 个蒸馏釜出口温度 6 个冷凝器温度和 1 17 个加热油温度共 8 个温度检测点 粗甘油进料流量 精甘油 1 流量 精甘油 2 流量和精甘油 3 流量共 4 个流量检测点 1 个真空压力和 1 个冷凝水压力共 2 个压力检测点 蒸馏釜粗甘油液位 1 个液位检 测点 模拟量输出控制点 1 个进料调节阀控制点 1 个加热油调节阀 控制点 4 个冷凝器温度调节阀控制点 1 个数据显示器控制点 1 个真空压力变频电机控制点和 1 个恒压供水变频电机控制点 数字量输入检测点 总电源启停开关 1 个检测点 手动自动切 换开关 1 个检测点 子控制系统 进料控制系统 蒸馏釜温度控制 系统 冷凝器温度控制系统 真空压力控制系统 恒压供水控制系 统和流程巡检系统 的启停 6 个检测点 调节阀运行状况 8 个检测 点 变频器运行 2 个检测点和电机热继电器 2 个检测点 数字量输出控制点 单步操作及指示灯 2 个控制点 单控制系 统操作及指示灯 2 个控制点 异常操作及指示灯 2 个控制点 子控 制系统 进料控制系统 蒸馏釜温度控制系统 冷凝器温度控制系 统 真空压力控制系统 恒压供水控制系统和流程巡检系统 的手 动启停及指示灯 12 个控制点 调节阀运行手动启停及指示灯 16 个 控制点和变频器运行手动启停及指示灯 4 个控制点 4 2 24 2 2 现场控制系统硬件设计现场控制系统硬件设计 根据配置要求现场控制系统选西门子 CPU226PLC 做控制器 配 以模拟量输入 输出模块 数字量输出模块完成对现场的控制 具体 18 配置如下 CPU 控制器 CPU226 I24 O16 2 块 数字量输出模块 EM222 O8 1 块 模拟量输出模块 EM232 AO2 3 块 模拟量输入 输出模块 EM235 AI4 AO1 4 块 电源 SITO powers 24v 直流稳压电源 SA 2 块 CPU226 功能与特点 集成 24 输入 16 输出共 40 个数字量 I O 点 可连接 7 个扩展模块 最大扩展至 248 路数字量 I O 点 或 35 路模拟量 I O 点 13K 字节程序和数据存储空间 6 个独立的 30kHz 高速计数器 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出 可实现 8 个回路的 PID 控制 2 个 RS485 通讯 编程口 具有 PPI 通讯协议 MPI 通讯 协议和自由方式通讯能力 指令功能丰富 运算速度较快 基于 WINDOWS 的编程软件 STEP7 WICRO WIN32 容易使用 结构清晰 并 有在线变量监测功能 利用总线连接电缆可以与扩展模块和上位监 控机连接在一起 现场控制系统连接如图 4 1 所示 19 1 CPU 226 EM 222 模块 1 EM 232 扩展 模块 1 EM 235 模块 工控机 2 CPU 226 3 EM 235 扩展 3 EM 232 扩展 2 EM 232 扩展 2 EM 235 扩展 4 EM 235 扩展 电源 模块 电源 模块 图 4 1 现场控制系统连接 1 控制系统由一块 CPU226 主机模块 一块 EM222 数字量输出扩 展模块 一块 EM232 模拟量输出扩展模块 二块 EM235 模拟量输入 输出扩展模块及电源模块组成 模块间用西门子专用电缆连接 主 要用于对进料控制系统 蒸馏釜温度控制系统 真空压力控制系统 和流程巡检系统的控制 与 1 控制系统连接的数字量输入输出点共 33 个 模拟量输入 输出点共 11 个 地址分配表如表 4 1 所示 表 4 1 1 控制系统地址分配表 模块 PLC 设备连接模块 PLC 设备连接 I0 0 总电源状态 Q2 0 真空调节阀开开 I0 1 自动状态 Q2 1 真空调节阀指示灯 I0 2 进料控制系统状态 Q2 2 流程巡检系统手动开 I0 3 釜温控制系统状态 Q2 3 流程巡检系统指示灯 I0 4 真空压力控制系统状态 Q2 4 1 变频器手动开 I0 5 进料调节阀状态 Q2 5 1 变频器指示灯 I0 6 加热油调节阀状态 EM222 Q2 6 I0 7 真空调节阀状态 AQ0 进料调节阀开度 I1 0 1 变频器状态 1 EM 232 AQ2 加热油调节阀开度 I1 1 1 电机热继电器状态 AI0 蒸馏釜出口温度 I1 2 流程巡检系统状态 AI2 加热油温度 Q0 0 单步操作开 1 EM 235AI4蒸馏釜液位 20 Q0 1 单步操作开指示灯 AI6 真空压力 Q0 2 单控制系统操开 AQ4 Q0 3 单控制系统操作指示灯 AI8 粗甘油进料流量 Q0 4 异常操作开 AI10 精甘油 1 流量 Q0 5 异常操作指示灯 AI12 精甘油 2 流量 Q0 6 进料控制系统手动开 AI14 和精甘油 3 流量 Q0 7 进料控制系统指示灯 2 EM 235 AQ6 1 变频器频率 Q1 0 釜温控系统手动开 Q1 1 釜温控系统手动指示灯 Q1 2 真空控制系统手动开 Q1 3 真空控制系统指示灯 Q1 4 进料调节阀开 Q1 5 进料调节阀指示灯 Q1 6 加热油调节阀开开 1 CPU 226 Q1 7 加热油调节阀指示灯 2 控制系统由一块 CPU226 主机模块 二块 EM232 模拟量输出扩 展模块 二块 EM235 模拟量输入 输出扩展模块及电源模块组成 主 要用于对冷凝器组温度控制系统恒压供水控制系统的控制 与 2 控制系统连接的数字量输入输出点共 25 个 模拟量输入 输出点共 13 个 地址分配表如表 4 2 所示 表 4 2 2 控制系统地址分配表 模块 PLC 设备连接模块 PLC 设备连接 I0 0 冷凝温控系统状态 AQ0 冷凝器 1 调节阀开度 I0 1 恒压供水控制系统状态 2 EM 232 AQ2 冷凝器 2 调节阀开度 I0 2 冷凝器 1 调节阀状态 AQ4 冷凝器 3 调节阀开度 I0 3 冷凝器 2 调节阀状态 2 EM 232 AQ6 冷凝器 4 调节阀开度 I0 4 冷凝器 3 调节阀状态 AI0 冷凝器 1 温度 I0 5 冷凝器 4 调节阀状态 AI2 冷凝器 2 温度 I0 6 恒压供水调节阀状态 AI4 冷凝器 3 温度 I0 7 2 变频器状态 AI6 冷凝器 4 温度 I0 0 2 电机热继电器状态 3 EM 235 AQ8 数据显示器数据 Q0 0 冷凝温度控制系统手动开 AI8 冷凝器 5 温度 Q0 1 冷凝温度控制系统指示灯 AI10 冷凝器 6 温度 2 CPU 226 Q0 2 恒压供水控制系统手动开 3 EM 235AI12冷凝水压力 21 Q0 3 恒压供水控制系统指示灯 AQ10 2 变频器频率 Q0 4 冷凝器 1 调节阀开 Q0 5 冷凝器 1 调节阀指示灯 Q0 6 冷凝器 2 调节阀开 Q0 7 冷凝器 2 调节阀指示灯 Q1 0 冷凝器 3 调节阀开 Q1 1 冷凝器 3 调节阀指示灯 Q1 2 冷凝器 4 调节阀开 Q1 3 冷凝器 4 调节阀指示灯 Q1 4 恒压供水调节阀开 Q1 5 恒压供水调节阀指示灯 Q1 6 2 变频器手动开 Q1 7 3 变频器指示灯 4 2 34 2 3 PLCPLC 工作流程工作流程 PLC 采用循环扫描工作方式 包括内部处理 通信处理 输入 扫描 用户程序执行 输出处理五个阶段 内部处理 执行 CPU 自测试诊断程序 保证硬件 程序内存和 所有扩充模块均正常作业 通信处理 处理所有通讯请求 执行点至点或网络通讯要求的 所有任务 输入扫描 读取输入 将实际输入状态复制至映像输入寄存器 用户程序执行 在程序中执行控制逻辑 执行程序的指令 并 将数值存储在不同的内存区 输出处理 向输出写入 存储在映像输出寄存器中的数值被写 入实际输出 PLC 工作过程如图 4 2 所示 22 开始 内部处理 通信处理 输出处理 输入扫描 RUN 方式 执行用户程序 图 4 2 PLC 工作过程 4 34 3 控制系统算法研制控制系统算法研制 由于蒸馏釜的温度 液位与冷凝器温度等被控参数具有时变 非线性特点 常规的 PID 调节很难达到理想的控制精度要求 为克 服常规 PID 控制的弱点 本项目利用人工智能的方法将蒸馏釜温度 控制系统 进料控制系统 冷凝器温度组控制系统设计成自适应模 糊 PID 控制系统 自适应模糊 PID 控制系统的设计思路是将操作人员的调整经验 作为知识存入计算机中 运用模糊数学的基本理论和方法 把规则 的条件 操作用模糊集表示 并把这些模糊控制规则存入有关知识 库中 然后控制器根据控制系统的实际响应情况 运用模糊推理 自动调整 PID 参数 实现系统的最佳控制 23 4 3 14 3 1 自适应模糊自适应模糊 PIDPID 控制系统的结构控制系统的结构 蒸馏釜温度系统控制器以温度偏差和偏差变化率为输入量 加 热油调节阀流量为输出量 进料控制系统控制器以液位偏差和偏差 变化率为输入量 进料调节阀流量为输出量 冷凝器温度组控制系 统控制器是分别以各个冷凝器的温度偏差和偏差变化率为输入量 各个冷凝器的调节阀流量为输出量 以下只以蒸馏釜进料系统自适 应模糊 PID 控制系统作以说明 由液位传感器测得的实际液位 yout与蒸馏釜液位给定值相比较 得到的偏差 e 和偏差变化率 ec 送入模糊控制器后经模糊化得到模 糊量 E 及 EC E 及 EC 经模糊推理及解模糊得到 PID 的比例系数 Kp 积分系数 Ki 微分系数 Kd 调整后的 Kp Ki Kd送入 PID 控制器参 与 PID 运算 运算后输出经 D A 转换 送给调节阀执行 通过调节 阀来控制蒸馏釜中的加水量的大小 从而控制液位 模糊控制器的输入 输出变量都是精确的数值 模糊控制器采 用模糊语言变量 用模糊逻辑进行推理