甘油课程设计.doc

专业课综合课程设计说明书前言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。在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，可编程控制器（PLC）已成为解决的最有效的工具之一，所以应当学会PLC控制系统的设计。 随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机 变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性 能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。 本次课程设计主要讲述甘油生产过程控制系统的设计，PLC控制系统的设计以及变频调速在控制应用中的设计。一、甘油生产过程控制系统的设计1.1 课题设计背景及研究意义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。 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。1.2 技术方案的论证1.2.1 工艺设计过程与控制要求 1. 工艺设计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1-1所示图1-1 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。 1.2.2 监控系统的结构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1-2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1-2 甘油监控系统组成 1. 现场控制层的组成与作用：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。1.3 监控过程原理及技术特征1.3.1 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。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1-3所示YYYYYY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1-3 控制系统流程1.3.2 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：0300；误差0.5%压力控制范围与精度：010Mpa；误差0.5%液位控制范围与精度：0.0510m；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。1.4 系统方案的实施1.4.1 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。1.4.2 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（420mA）。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=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 (-2000) （1-1） Rt =R0(1+At+Bt2) ( 0850) （1-2）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420mA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（420mA）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 供电电压：1330V，DC 测量范围：-200500输出信号：420mA 使用环境温度：-2070 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420mA电流输出。F=QAV/2g。 （1-3）F：靶板所受的作用力Q：阻尼系数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：420mA 二线制输出与流量成线性关系供电电压：1236VDC环境温度：-3060介质温度：400（带散热片）阻尼时间：1100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： 420mADC（两线制）供电电压： 1040VDC（两线制）介质温度： -30225环境温度： -2085零点温度漂移： 0.02%FS量程温度漂移： 0.02%FSMD-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: 01150(MPa)综合精度: 0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制)供电电压: 24DCV(936DCV)介质温度: -2085150环境温度: 常温(-2085)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: IP654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，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420mA信号输出。主要技术参数：量程：1.37.5；6.237.4；31.1186.8；117689.5输出：420mA；05V；15V；010V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)1.4.3 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。1.4.4 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1-4所示：1#CPU226EM222模块1#EM232扩展模块1#EM 235模块工控机2#CPU2263#EM235扩展3#EM232扩展2#EM232扩展2#EM235扩展4#EM235扩展电源模块电源模块图1-4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1-1所示表1-1 1#控制系统地址分配表模块PLC设备连接模块PLC设备连接1#CPU226I0.0总电源状态EM222Q2.0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Q2.41#变频器手动开I0.5进料调节阀状态Q2.51#变频器指示灯I0.6加热油调节阀状态Q2.6I0.7真空调节阀状态1#EM232AQ0进料调节阀开度I1.01#变频器状态AQ2加热油调节阀开度I1.11#电机热继电器状态1#EM 235AI0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AI4蒸馏釜液位Q0.1单步操作开指示灯AI6真空压力Q0.2单控制系统操开AQ4Q0.3单控制系统操作指示灯2#EM 235AI8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AQ61#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1-2所示表1-2 2#控制系统地址分配表模块PLC设备连接模块PLC设备连接2#CPU226I0.0冷凝温控系统状态2#EM232AQ0冷凝器1调节阀开度I0.1恒压供水控制系统状态AQ2冷凝器2调节阀开度I0.2冷凝器1调节阀状态2#EM232AQ4冷凝器3调节阀开度I0.3冷凝器2调节阀状态AQ6冷凝器4调节阀开度I0.4冷凝器3调节阀状态3#EM 235AI0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I0.72#变频器状态AI6冷凝器4温度I0.02#电机热继电器状态AQ8数据显示器数据Q0.0冷凝温度控制系统手动开3#EM 235AI8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Q0.2恒压供水控制系统手动开AI12冷凝水压力Q0.3恒压供水控制系统指示灯AQ102#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Q1.62#变频器手动开Q1.73#变频器指示灯1.4.5 PLC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。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1-5 PLC工作过程1.4.6 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。1. 自适应模糊PID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。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。模糊控制器的基本结构框图如图1-6所示。ECErineecKp Ki KdPID控制器A/D模糊推理调节阀蒸馏釜D/A液位传感器de/dt解模糊模糊化yout图1-6模糊控制器的基本结构框图2. 自适应模糊PID控制器的设计1参数的自整定原则PID控制规律离散化的形式: （1-4）其中，k表示采样序号，u(k)为第k次输出时的采样控制，e(k)为第k次输入值和输出值的采样偏差。比例的作用是快速调节，积分系数的作用是消除误差，而微分环节能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个早期的有效修正信号，加强系统的响应速度，减小到达平衡的时间。由e和ec的变化趋向，既:1)e0，ec0；2) e0，ec0；3) e0；4) e0，ec0时，说明系统的误差绝对值正在增大。对于误差绝对值比较大时，为扭转误差绝对值增大的趋势并减小误差，则应该取较大的Kp。对于Ki对系统误差的减小的影响较大，应取较小值。Kd不能取得较大。而误差绝对值较小时，这时只需要扭转其增大的趋势既可，取较大的Kd和较小的Kp， Ki。（3）当eec0或者e=0时，说明系统正在向平衡状态转变或者已经达到平衡。这时，应该维持原来的Kp，Ki，Kd的状态。（4）当eec=0而e0时，说明误差保持在一个稳态的值上，这时应该减小误差，提高系统的调节精度而同时防止较大的超调，则取较大的Kp和Ki， Kd的取值则要适当，以避免系统在设定值附近振荡。2具体设计过程（1）模糊化：将偏差e及其变化率ec的精确量转换为模糊语言变量，即根据输入变量模糊子集的隶属函数找出相应的隶属度，将e和ec变换成模糊语言变量E、EC。在实际控制过程中，把一个实际物理量划分为“正大”，“正中”，“正小”，“零”，“负小”，“负中”，“负大”7级，分别以英文字母PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB表示。每一个语言变量值都对应一个模糊子集。确定这些模糊子集的隶属度函数；隶属度函数曲线选择三角形。（2）模糊规则推理：模糊控制器的核心是依据语言规则进行模糊推理，在控制器设计时，首先要确定模糊语言变量的控制规则。规则的形式为：IFTHEN。 （1-5）一般描述为：IF X is A and Y is B，THEN Z is C。 （1-6）（3）清晰化：将模糊语言变量转换为精确的数值，即根据输出模糊子集的隶属度计算出确定的输出数值。清晰化有各种方法，本项目采用在控制技术中最常用的面积重心法。3. 控制系统算法的实现在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自校正。控制系统算法的实现过程如图1-7所示。入口D/AA/D返回PID控制器输出计算当前的Kp、Ki、Kd模糊化整定Kp、Ki、Kde(k)、ec(k)模糊化取当前采样值ec(k)=e(k)-e(k-1)e(k-1)=e(k)被控对象e(k)=r(k)-y(k) 图1-7控制系统算法的实现过程 到此甘油生产过程控制系统设计已经完成。二、PLC控制系统设计PLC控制系统设计的一般步骤可以分为以下几步：熟悉控制对象并计算输入/输出设备、PLC选型及确定硬件配置、设计电气原理图、设计控制台（柜）、编制控制程序、程序调试和编制技术文件。2.1 明确控制要求，了解被控对象的生产工艺过程熟悉控制对象设计工艺布置图 这一步是系统设计的基础。首先应详细了解被控对象的工艺过程和它对控制系统的要求，各种机械、液压、气动、仪表、电气系统之间的关系，系统工作方式（如自动、半自动、手动等），PLC与系统中其他智能装置之间的关系，人机界面的种类，通信联网的方式，报警的种类与范围，电源停电及紧急情况的处理等等。此阶段，还要选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号指示灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。同时，还应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，并分类统计出各输入量和输出量的性质及数量，是数字量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的大小等级，为PLC的选型和硬件配置提供依据。最后，将控制对象和控制功能进行分类，可按信号用途或按控制区域进行划分，确定检测设备和控制设备的物理位置，分析每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模、互相之间的关系。信号点确定后，设计出工艺布置图或信号图。2.2 PLC控制系统的硬件设计随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多。近年来，从国外引进的PLC产品、国内厂家或自行开发的产品已有几十个系列，上百种型号。PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，使用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。2.2.1 PLC机型的选择PLC机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面：（1）性能与任务相适应 对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型PLC（如西门子公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX系列等）都可以满足要求。对于以数字量控制为主，带少量模拟量控制的应用系统，如工业生产中常遇到的温度、压力、流量等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并选择运算、数据处理功能较强的小型PLC（如西门子公司的S7-200或S7-300系列、OMRON的公司的CQM1/CQM1H系列等）。对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度，选用中档或高档机（如西门子公司的S7-300或S7-400系列、OMRON的公司的C200H或CV/CVM1系列、A-B公司的Control Logix系列等）。（2）结构上合理、安装要方便、机型上应统一 按照物理结构，PLC分为整体式和模块式。整体式每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，所以人们一般倾向于在小型控制系统中采用整体式PLC。但是模块式PLC的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便。因此，对于较复杂的和要求较高的系统一般应选用模块式PLC。根据I/O设备距PLC之间的距离和分布范围确定PLC的安装方式为集中式、远程I/O式还是多台PLC联网的分布式。对于一个企业，控制系统设计中应尽量做到机型统一。因为同一机型的PLC，其模块可互为备用，便于备品备件的采购与管理；其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外部设备通用，资源可共享。同一机型PLC的另一个好处是，在使用上位计算机对PLC进行管理和控制时，通信程序的编制比较方便。这样，容易把控制各独立的多台PLC联成一个多级分布式系统，相互通信，集中管理，充分发挥网络通信的优势。（3）是否满足响应时间的要求 由于现代PLC有足够高的速度处理大量的I/O数据和解算梯形图逻辑，因此对于大多数应用场合来说，PLC的响应时间并不是主要的问题。然而，对于某些个别的场合，则要求考虑PLC的响应时间。为了减少PLC的I/O响应延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC，使用高速I/O处理这一类功能指令，或选用快速响应模块和中断输入模块。（4）对联网通信功能的要求 近年来，随着工厂自动化的迅速发展，企业内小到一块温度控制仪表的RS-485串行通信、大到一套制造系统的以太网管理层的通信，应该说一般的电气控制产品都有了通信功能。PLC作为工厂自动化的主要控制器件，大多数产品都具有通信联网能力。选择时应根据需要选择通信方式。(5)其他特殊要求 考虑被控对象对于模拟量的闭环控制、高速计数、运动控制和人机界面（HMI）等方面的特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的PLC。对可靠性要求极高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备份系统。2.2.2 PLC容量估算PLC的容量指I/O点数和用户存储器的存储容量两方面的含义。在选择PLC型号时不应盲目追求过高的性能指标，但是在I/O点数和存储器容量方面除了要满足控制系统要求外，还应留有余量，以做备用或系统扩展时使用。（1） I/O点数的确定PLC的I/O点数的确定以系统实际的输入输出点数为基础确定。在I/O点数的确定时，应留有适当余量。通常I/O点数可按实际需要的1015%考虑余量；当I/O模块较多时，一般按上述比例留出备用模块。（2） 存储器容量的确定用户程序占用多少存储容量与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序编制前只能粗略的估算。2.2.3 I/O模块的选择在PLC控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入PLC。PLC经过运算、处理后，再将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。所以，在PLC和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置。这个装置就是输入/输出（I/O）模块。不同的信号形式，需要不同类型的I/O模块。对PLC来讲，信号形式可分为四类。（1）数字量输入信号 生产设备或控制系统的许多状态信息，如开关、按钮、继电器的触点等，它们只有两种状态：通或断，对这类信号的拾取需要通过数字量输入模块来实现。输入模块最常见的为24V直流输入，还有直流5V、12V、48V，交流115V/220V等。按公共端接入正负电位不同分为漏型和源型。有的PLC即可以源型接线，也可以漏型接线，比如S7-200。当公共端接入负电位时，就是源型接线；接入正电位时，就是漏型接线。有的PLC只能接成其中一种。 （2）数字量输出信号 还有许多控制对象，如指示灯的亮和灭、电机的启动和停止、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，对它们的控制只需通过二值逻辑“1”和“0”来实现。这种信号通过数字量输出模块去驱动。数字量输出模块按输出方式不同分为继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型等。此外，输出电压值和输出电流值也各有不同。（3）模拟量输入信号 生产过程的许多参数，如温度、压力、液位、流量都可以通过不同的检测装置转换为相应的模拟量信号，然后再将其转换为数字信号输入PLC。完成这一任务的就是模拟量输入模块。（4）模拟量输出信号 生产设备或过程的许多执行机构，往往要求用模拟信号来控制，而PLC输出的控制信号是数字量，这就要求有相应的模块将其转换为模拟量。这种模块就是模拟量输出模块。典型模拟量模块的量程为-10V+10V、0+10V、420mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如热电阻RTD、热电偶等信号）此外，有些传感器如旋转编码器输出的是一连串的脉冲，并且输出的频率较高（20kHz以上），尽管这些脉冲信号也可算作数字量，但普通数字量输入模块不能正确的检测之，应选择高速计数模块。不同的I/O模块，其电路和性能不同，它直接影响着PLC的应用范围和价格，应该根据实际情况合理选择。2.2.4 分配输入/输出点PLC机型及输入/输出（I/O）模块选择完毕后，首先，设计出PLC系统总体配置图。然后依据工艺布置图，参照具体的PLC相关说明书或手册将输入信号与输入点、输出控制信号与输出点一一对应画出I/O接线图即PLC输入/输出电气原理图。PLC机型选择完后输入/输出点数的多少是决定控制系统价格及设计合理性的重要因素，因此在完成同样控制功能的情况下可通过合理设计以简化输入/输出点数。2.2.5 安全回路设计安全回路是保护负载或控制对象以及防止操作错误或控制失败而进行连锁控制的回路。在直接控制负载的同时，安全保护回路还给PLC输入信号，以便于PLC进行保护处理。安全回路一般考虑以下几个方面。（1）短路保护 应该在PLC外部输出回路中装上熔断器，进行短路保护。最好在每个负载的回路中都装上熔断器。（2）互锁与联锁措施 除在程序中保证电路的互锁关系，PLC外部接线中还应该采取硬件的互锁措施，以确保系统安全可靠地运行。（3）失压保护与紧急停车措施 PLC外部负载的供电线路应具有失压保护措施，当临时停电再恢复供电时，不按下“启动”按钮PLC的外部负载就不能自行启动。这种接线方法的另一个作用是，当特殊情况下需要紧急停机时，按下“急停”按钮就可以切断负载电源，同时“急停”信号输入PLC。（4）极限保护 在有些如提升机类超过限位就有可能产生危险的情况下，设置极限保护，当极限保护动作时直接切断负载电源，同时将信号输入PLC。2.3 PLC控制系统的软件设计软件设计是PLC控制系统设计的核心。要设计好PLC的应用软件，必须充分了解被控对象的生产工艺、技术特性、控制要求等。通过PLC的应用软件完成系统的各项控制功能。 1、 PLC应用软件设计的内容PLC的应用软件设计是指根据控制系统硬件结构和工艺要求，