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DZ228 蒸馏水 专家 控制系统 研究 实现

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浅谈 PLC 1、前言世界上第一台可编程序控制器产生于1969年，是由当时美国数字设备公司（DEC）为美国通用汽车公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，被人们称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。在70年代，随着电子及计算机技术的发展，出现了微处理器和微计算机，并被应用于PLC中，使其具备了逻辑控制、运算、数据分析、处理以及传输等功能。电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）于1980年正式命名其为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC。为与个人计算机（Personal Computer）相区别，同时也使用其早期名称PLC。国际电工技术委员会IEC（International Electrotechnical Commission）分别于1982年11月和1985年1月颁布了PLC的第一稿和第二稿标准。以后PLC开始向小型化、高速度、高性能、高可靠性方面发展，并形成多种系列产品，编程语言也不断丰富，使其在80年代工业控制领域中占据着主导地位。可编程序控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制产品，是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。通常把PLC认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。2、可编程序控制器简介PLC组成：中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出单元（I/O单元）、电源、编程器等；PLC分类：按照结构形成分为整体式和模块式；按照输入/输出（I/O）点数分为小、中和大型；PLC特点：可靠性高，通用性强，编程简单（常用编程语言有梯形图、语句表、逻辑符号图、顺序功能图和高级语言等），体积小，安装维护简便等；PLC工作方式：PLC是采用循环扫描的工作方式，即每一次状态变化需一个扫描周期。PLC循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。整个过程分为内部处理、通信、输入处理、执行程序、输出处理几部分；PLC发展趋势：向高速度、大容量、多种类发展；丰富编程语言，开发用户友好界面；开发智能模块；加强联网通讯能力；予留现场总线接口（现已有产品应用，如：SIEMENSSIMATICS7-400）；拥有智能诊断等功能；保护功能加强，有效保护用户信息，防止非法复制、修改；对现场环境的适应能力更强。3、可编程序控制器选型 在PLC实际应用中，是以其为控制核心组成电气控制系，实现对生产、工业过程的控制。方案设计步骤：首先要全面了解被控制对象的机构、运行过程等，并明确动作逻辑关系；根据系统功能要求（包括输入、输出信号数量的多少、性质、参数；有无特殊功能要求；是否联网运行等）选择PLC型号及各种附加配置，并有规则、有目的的分配输入、输出点；根据控制及流程要求，对应输入、输出开发相应应用程序；同时连接PLC与外部设备连线；将编制完成的程序写入PLC中，模拟工况运行，进行调试及修改；在模拟调试成功后，接入现场实际控制系统中进行再次调试，直至完全通过为止。4、PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：4.1开关量逻辑控制取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。4.2工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。4.3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.4数据处理PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。4.5通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。5、PLC的应用特点5.1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。5.2配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。5.3易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。5.4系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。6、PLC应用中需要注意的问题PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题：6.1工作环境(1) 温度 PLC要求环境温度在055oC，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。(2) 湿度 为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。(3) 震动 应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。(4) 空气 避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。(5) 电源 PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。6.2控制系统中干扰及其来源现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。因此必须知道现场干扰的源头。(1) 干扰源及一般分类影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流，亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。(2) PLC系统中干扰的主要来源及途径a. 强电干扰PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。b. 柜内干扰控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。c. 来自信号线引入的干扰与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。d. 来自接地系统混乱时的干扰接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。e. 来自PLC系统内部的干扰主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。f. 变频器干扰一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。摘 要多效蒸馏水机的运行过程十分复杂，其热交换回路中主蒸汽压力、温度与原料水的压力、温度、流量耦和紧密，且呈现非线性关系。因此在蒸馏水生产过程中需要控制两个重要参数：一个是蒸馏水在出口处的电导率，另一个是蒸馏水在出口处的温度。电导率一般通过调节原料水的阀门开度来控制；出口温度一般通过调节进入热交换器的蒸汽流量来控制。由于蒸馏水机系统本身具有大滞后、非线性、时变、强干扰等特性，且纯汽输出回路和冷却水回路都是热交换回路的强烈干扰源，所以常规的PID控制就不能很好的保证系统的精度。鉴于此，本文采用由PID控制器和专家控制器一起组成自整定PID控制器进行控制。结合蒸发过程实际，在研究专家系统的基础上，本文建立了比较完善的知识库，并且对知识库进行了量化处理，采用正向推理机制，启发式搜索方式，交互式人机接口开发设计了适用于医药用蒸馏水生产过程的专家系统。本文使用组态软件开发蒸馏水机的监控系统，实现了在中央控制室遥控在线产品质量，既避免了在现场操作的很多烦琐，又提高了管理水平。系统功能全面，界面友好，实用性强，开放性好。关键词： 多效蒸馏水机、 PID控制、专家系统、 PLC、 组态软件 Title: Multi-effect distilled water machineAbstractDistilled water machines work process is very complicated. The main steam pressure, temperature of its hot exchange loop and the pressure, temperature, liquid quantity of raw material water connect closely and present nonlinear relation. So during the process, we need to control two important parameters: one is the electric on ductivity rate of distilled water at exit; another is the temperature of distilled water at exit. Electric conductivity rate generally is controlled by regulating the raw material waters valve door,while export temperature generally is controlled by regulating steam quantity passed into the heat exchanger. Because the distilled water machine has the characteristics of serious delay, nonlinear, strong interference etc., And because the pure vapor output loop and cool water loop are all hot exchange loops strong interference resource, therefore common PID cant achieve satisfactory effect. For this reason, this paper adopt PID controller composed of PID controller and expert system to control the system . Combined the actual evaporating process, on the basis of expert system, this paper establish the perfect knowledge warehouse and adopt forward-reasoning mechanism,inspiring research method, exchange person-machine junction to design an expert system applicable to the distilled water production.This paper uses configuration software to develop the supervisory control system of distilled water machine and realizes in the central control room to control on-line product quality examination, which not only saves a lot of spot operation, but also increases the control accuracy. This system has plenty of functions, friendly interface and high practicality. Keywords: Multi-effect distilled water machine; PID control; Expert system;Programmable logic controller; Configuration software2020 2 28 1 毕业设计题目 多效蒸馏水机专家控制系统研究与实现 2020 2 28 2 多效蒸馏水机产生的目的及意义 1 中国药典关于 注射用水 的定义和质量要求规定如下 注射用水 为纯化水经蒸馏所得的水 应符合细菌内毒素试验要求 按照我国2000版药典和 药品生产质量管理规范 要求 注射用蒸馏水必需由蒸馏水机生产 2 多效蒸馏水机工作原理复杂 设备控制参数较多 如果单靠人工操作 对于蒸汽压力 进水流量 蒸馏水温度等诸多参数人工很难操作平稳 长时间工作很难保证多效蒸馏水机的正常工作 因而 研制蒸馏水机高效 准确的自动控制系统对提高医药质量 减轻工作人员的劳动强度有着重要意义 2020 2 28 3 多效蒸馏水机国内外发展现状 国外在50年代以前 我国在80年代初期还在使用LS型单效重蒸馏机器 60年代以后 国外研制出压汽式蒸馏水机组 进入70年代 国外又研制成功多效蒸馏水机组 我国在80年代 甚至90年代 相当部分厂家 尤其是医院仍然在使用LS型单效重蒸馏设备 70年代 国外在多效蒸馏水机的研制发展方面是个高峰期 芬兰 意大利 德国 瑞典 美国等先后研制成功并推出各具特色的多效蒸馏水机 80年代初 国门打开 这些国家的制造商都曾来我国举办讲座介绍推荐多效蒸馏水机技术 1982年上海淮海制药厂在联合国援建避孕药项目中 引进了一台芬兰FINN AQUA500 H 4型蒸馏水机 在此基点上 上海制药机械二厂在上级领导的支持组织下 仅化了几个月时间 就造出了我国第一台多效蒸馏水机 开始了我国多效蒸馏水机的研究发展历史 2020 2 28 4 多效蒸馏水机结构图片 蒸馏塔冷凝器高压水泵电气控制器件管道 阀门 仪器仪表机架 电控制箱 2020 2 28 5 多效蒸馏水机工作原理 图 原料水进入冷凝器被塔5进来的蒸气预热 再依次通过塔4 塔3 塔2及塔1上部的盘管而进入1级塔 这时进料水温度可达130 C或更高 在1级塔内 进料水被高压蒸 165 C 进一步加热迅速蒸发 蒸发的蒸气进入2级塔作为2级塔的热源 高压蒸气被冷凝后由器底排除 在2级塔内 由1级塔进入的蒸气将2级塔的进料水蒸发而本身冷凝为蒸馏水 2级塔的进料水由1级塔经压力供给 3级4级和5级塔经历同样的过程 最后 由2 3 4 5级塔产生的蒸馏水加上5级塔的蒸气被冷凝器冷凝后得到的蒸馏 80 C 均汇集于收集器即成为注射用水 2020 2 28 6 系统硬件设计 主蒸汽恒压力PID控制回路设计原料水恒流量PID控制回路设计液位控制设计冷却水回路控制 温度变送器选用 电导检测仪表 2020 2 28 7 整体构思 根据专家控制经验给出原料水流量与主蒸汽压力之间关系曲线 见20页 确定主蒸汽与原料水流量的给定值 利用PID控制 见8 12 使两个参数达到专家控制要求 一效液位 由于蒸馏水机长时间工作 蒸馏塔结垢等因素 会使原料水蒸发不完全 导致水位过高 使蒸汽带液 不利于保证质量 也为防止水位过低 造成设备损坏 需要加入液位控制 详见13页 冷却水回路 保证蒸汽冷凝彻底 我们采用的是5效蒸发器 出于节能考虑 加热与冷凝双向同步进行 但并不能完全达到彻底冷凝 需加入冷却水回路控制来保证 见14页 电导率质量保证控制设计 检测原料水合格与否 根据设计要求原料水入口电导率小于5 s cm 出口处蒸馏水电导率小于1 s cm才符合 合格入贮罐 不合格排出 见15页 2020 2 28 8 主蒸汽恒压力PID控制回路设计 AEC200系列压力传感器 其压力测量范围为0MPa 1 2MPa之间 被测物质可为气体 蒸汽或液体 压力传感器是由过压传感元件CO20和电子电路组成 外施蒸汽压力 Pe 作用于传感元件 传感元件变形使感应电路产生一个与压力成正比的电压变化 在电子电路中此电压变化被转换成4 20mA的电流输出 2020 2 28 9 PLCPID控制方框图 2020 2 28 10 主蒸汽经AEC200蒸汽压力传感器检测 变送成4 20mA模拟总线信号 信号直接进入PLC模拟输入模块 并将其转换成相应数字信号 在由背板总线进入CPU 在其中经PID算法运算生成数字控制信号 通过背板总线进入模拟输出模块 并将数字控制信号转换成相应4 20mA模拟信号 进入蒸汽电磁阀门 控制蒸汽压力 控制原理图 2020 2 28 11 原料水恒流量PID控制回路设计 当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时 流束将在节流件处形成局部收缩 使流速增大 静压力降低 于是在节流件前后产生压力差 流体的体积流量或质量流量与节流元件前后的压差平方根成正比 因此可使用开方器和差压变送器测量这一差压 经开方运算后得到1 5V流量信号 2020 2 28 12 控制原理图 原料水经差压流量计检测 变送成1 5V模拟总线信号 信号直接进入PLC模拟输入模块 并将其转换成相应数字信号 在由背板总线进入CPU 在其中经PID算法运算生成数字控制信号 通过背板总线进入模拟输出模块 并将数字控制信号转换成相应4 20mA模拟信号 进入流量电磁阀门 控制原料水的流量 2020 2 28 13 液位控制 传感器部分是根据光在液体界面发生反射的原理制成的 D1为红外发射二极管 发射光信号 D2为红外光敏二极管 其作用是接受来自D1被水面反射的光 D1 D2放在指定水位线上方 玻璃管两侧对称位置 其发射管和接收管的轴线与玻璃管中心线夹角约为45 为了防止过多的背景光进入D2 将D1 D2周围封装起来 光敏二极管D2的接收光与反射光源的距离有关 当水位高度低于HL或高于HH时 D2接收的反射光几乎为零 此时D2产生的电流ID只为背景光电流IO 2020 2 28 14 冷却水回路控制 温度变送器选用Pt100铂电阻温度变送器测温范围 200 500 A等级允差 0 15 0 002 t 2020 2 28 15 电导仪 二位三通电控换向阀选用8020750型号 工作压力0 15 0 8MPa环境温度 5 40 有效面积40m 换向时间 0 06S寿命 200万次电压220V 2020 2 28 16 PLC配置 PLC采用SIEMENS的S7 300系列 根据控制要求 PLC总体配置如下 模块 PS 选用PS307 10A中央处理模块 CPU 选用CPU315 CPU315 2DP数字量输入模块 DI 选用SM321共一块 16点 块 处理16点输入信号 数字量输出模块 DO 选用SM322共一块 16点 块 处理16点输出信号 模拟量输入模块 AI 选用SM331共两块 8通道 块 处理8点输入信号 模拟量输出模块 AO 选用SM332共一块 4通道 块 处理4点输出信号 接口模块 选用IM360 IM361通信模块 选用CP340 RS232上位机配置 上位机采用研华工控机 CPU为PIII 866EB 128M内存 40G硬盘 17寸纯平彩显 上位机是以RS232接口与PLC的CP340连接 采用SIEMENS的3964R协议完成通信 2020 2 28 17 S7 300I O模块地址分配 DI 0机架4号槽 16点 I0 0 I0 7I1 0 I1 7DO 1机架4号槽 16点 Q32 0 32 7Q33 0 Q33 7AI 0机架5号槽 8通道 272 284AI 0机架6号槽 8通道 288 298AO 0机架5号槽 4通道 400402 2020 2 28 18 PLCPID运算指令参数控制表 2020 2 28 19 专家控制 应用专家系统概念和技术 模拟人类专家的控制知识与经验而建造的控制系统 称为专家控制系统 专家系统由知识库 数据库 推理机 解释部分及知识获取五部分组成 知识库存储以适当形式表示的从专家那里得到的关于某个领域的专门知识 经验以及书本知识和常识 它是领域知识的存储器 数据库是存放专家系统当前工作已知的一些情况 用户提供的事实和由推理得到的中间结果 对专家系统而言 就是在计算机中划出一部分存储单元 用于存放以一定形式组织的该系统的当前数据 相当于一个工作区 推理机实质上是计算机的一组程序 目的是用于控制 协调整个专家系统的工作 它根据当前的输入数据和信息 再利用知识库中的知识 按一定的推理策略去处理 解决当前的问题 它分为正向推理 反向推理 2020 2 28 20 专家控制规则 Rule1IF 入口主蒸汽压力低于0Mpa THEN 系统不工作 Rule2IF 入口主蒸汽压力高于0 6Mpa THEN 报警关机 Rule3IF 入口原料水的电导率大于20 s cm THEN 关闭原料水阀门 Rule4IF 出口蒸馏水电导率低于0 s cm THEN 作为不合格水排出 Rule5IF 出口蒸馏水的温度低于85oC THEN 作为不合格水排出 Rule6IF 出口蒸馏水的温度高于97oC THEN 作为不合格水排出 Rule7IF 一效水位过高 THEN 关小原料水阀门 加大蒸汽 Rule8IF 一效水位过低 THEN 开大原料水阀门 本设计包含主蒸汽压力与原料水流量之间的专家控制经验数据 如图随着蒸馏水温度的变化 原料水与主蒸汽之间控制比例有所变化 通过专家控制系统能够解决这个问题 2020 2 28 21 组态软件图 2020 2 28 22 致谢 本设计对蒸馏水机的硬件控制 控制方法做了初步的论证和设计 完成了蒸馏水机热交换回路的专家系统控制设计 恒压力PID控制回路设计 原料水回路的PID控制设计 入口 出口电导率 I IV效液位 储罐液位的测量 硬件PLC S7 300的I O A D D A回路模块设计及软件编程 基本上满足了设计任务书的各种要求 虽然该设计在理论上已经形成了比较完善的功能 但在具体实施上还有许多不足之处 希望各位老师给予批评指正 本论文是在尤文老师的悉心指导下完成的 在设计中经常碰到许多不懂的问题 非常感谢尤老师的点拨指导 使我能够快速 准确地完成毕业设计每个阶段的设计任务 最后 我向大学四年来培育过我的老师致以最诚挚的感谢 和衷心的祝福 目目 录录第一章 绪 论11.1 多效蒸馏水机产生的目的及意义11.2 多效蒸馏水机国内外发展现状及主要技术结构11.3 多效蒸馏水机的制水工艺流程、工作原理71.4 多效蒸馏水机的主要结构81.4.1 蒸馏塔是主机的重要组成部分91.4.2 冷凝器111.4.3 电气控制器121.4.4 机架结构121.4.5 材质选用121.5 多效蒸馏水机控制要求12第二章 方案论证142.1 硬件控制核心选择142.2 控制单元选择162.3 控制系统的选择17第三章 多效蒸馏水机控制过程数学模型及控制算法223.1 数学模型223.2 控制算法27第四章 系统硬件设计284.1 主蒸汽恒压力 PID 控制回路设计284.1.1 传感器284.1.2 PID 控制过程294.2 原料水恒流量 PID 控制回路设计304.2.1 差压流量计304.2.2 PID 控制过程304.3 专家控制314.4 液位检测334.5 电导仪表384.6 温度变送器选用404.7 二位三通电控换向阀414.8 PLC 配置42第五章 软件设计435.1 S7-300 模块地址的确定435.2 PID 编程 435.3 组态 445.3.1 监控组态软件445.3.2 监控系统功能实现455.3.3 界面设计465.3.4 组态软件与 I/O 设备通信 46致 谢47参考文献48附录491第一章第一章 绪绪 论论1.1 多效蒸馏水机产生的目的及意义多效蒸馏水机产生的目的及意义中国药典关于“注射用水”的定义和质量要求，以及制取、贮藏规定如下： 注射用水为纯化水经蒸馏所得的水，应符合细菌内毒素试验要求。注射用水必须在防止内毒素产生的设计条件下生产、贮藏及分装类。其质量应符合二部注射用水项下的规定。 为保证注射用水的质量，必须随时监控蒸馏法制备注射用水的各生产环节，定期清洗与消毒注射用水制造与输送设备，严防内毒素产生。一般应在80以上保温、65保温循环或 4以下的无菌状态下存放，并在制备 12 小时内使用。 按照我国 2000 版药典和药品生产质量管理规范即 GMP (Good Manufactory Practice) 要求，注射用蒸馏水（即无热原蒸馏水）是由多效蒸馏水机生产的。多效蒸馏水机分为列管式、盘管式和板式多种型式。板式现尚未广泛使用。列管式多效蒸馏水机是采用列管式的多效蒸发制取蒸馏水的设备。 是我国制药行业的主要制水设备，也是国家推广的节能高效制水设备。由于比以往的单效蒸馏水器工作原理更复杂、设备控制参数较多，如果单靠人工操作，对于蒸汽压力、进水流量、蒸馏水温度等诸多参数人工很难操作平稳，长时间工作很难保证多效蒸馏水机的正常工作。传统的蒸馏水机完全靠手工操作，不仅工作人员工作环境差，而且调节精度不高，很难实现实时监控。当生产完毕采样检测产品质量时，若出现问题只能废掉，造成极大的浪费。因而，蒸馏水机高效、准确的自动控制系统是提高医药质量、减轻工作人员劳动强度的重要保证。1.2 多效蒸馏水机国内外发展现状及主要技术结构多效蒸馏水机国内外发展现状及主要技术结构长期以来，生产蒸馏水的技术装备发展过程比较缓慢，国外在 50 年代以前，我国在 80 年代初期还在使用 LS 型单效重蒸馏机器。这种装置的能耗指标高，每生产一吨的蒸馏水，需消耗蒸汽约 1.1 吨，折合标准煤 150kg 以上；消耗冷凝水 12 吨以上。资源浪费严重。而且由于其生产工艺和除沫器技术落后，生产出来的蒸馏水质量也不高。 60 年代以后，国外研制出压汽式蒸馏水机组，由于她具有明显的节能节水的优点，所以国外使用较多。但是这种机组的耗电大，噪音大，操作使用维护都不很方便。进入 70 年代，国外又研制成功多效蒸馏水机组，这种设备技术工艺先进，操作简便，使用可靠，没有噪音，很受用户欢迎。而我国在 80 年代，甚至 90 年代，相2当部分厂家，尤其是医院仍然在使用 LS 型单效重蒸馏设备，这种设备和国外的先进设备比较，无论从能耗还是质量上，落后差异是明显的，我们以芬兰 FINN-AQUA500-H-4 型机器为例作一个比较（图 1.1 所示）：图 1.1 芬兰 FINN-AQUA 机 如折合产量为 1000kg/h，其能耗比较： 从上表中可以看出，每增加一效，则加热蒸汽节能 19，冷却水节能 60以上，到六效机时热效率基本平衡，冷却水基本可以不用。需要指出的是：根据 JB20030-2004多效蒸馏水机标准规定：设备规格定型条件在 0.3Mpa 蒸汽压力时的蒸馏水产量。70 年代，国外在多效蒸馏水机的研制发展方面是个高峰期，芬兰、意大利、德国、瑞典、美国等先后研制成功并推出各具特色的多效蒸馏水机，80 年代初，国门打开，这些国家的制造商都曾来我国举办讲座介绍推荐多效蒸馏水机技术。由此，我国陆续不断引进各种形式、各种规格的多效蒸馏水机，其中对我国产生一定影响的有：芬兰 FINN-AQUA、意大利 STILMAS 公司（图 1.2 所示）和 OLSA 公司、德国 PHARMA-PLAN 公司和 SUDEM 公司（图 1.3 所示）、瑞典 HAFER 公司和KEMITERM 公司、美国 BARNSTED 等品牌机器。3 图 1.2 意大利 STILMAS 公司机器 图 1.3 德国 PHARMA-PLAN 机器1982 年上海淮海制药厂在联合国援建避孕药项目中，引进了一台芬兰 FINN-AQUA 500-H-4 型蒸馏水机，在此基点上，上海制药机械二厂在上级领导的支持组织下，仅化了几个月时间，就造出了我国第一台多效蒸馏水机。开始了我国多效蒸馏水机的研究发展历史。至今已有近 20 年的历史了。国内从厂商及数量品种上有了一定的发展。近二十年来，国内外厂商对多效蒸馏水机研制有了很大发展，但是，在分离原理结构上，都是上述结构的组合应用。下面我们主要将几种进口蒸馏水机的汽液分离装置作一个分析： 芬兰 FINN-AQUA 机：(见图 1.4) 图 1.4 芬兰 FINN-AQUA 机 汽液分离装置4FINN-AQUA 机的热原分离结构采用了螺旋板技术装置，水汽混合物通过螺旋板时一次分离完成。这种结构设计是理想的，运行是可靠的，自使用至今，笔者未有听说过由于此结构技术而发生过热原问题的。它的分离原理是：热原存在于水以及蒸汽和水混合的液滴中，液滴和蒸汽粒子的质量之比相差若干几何级数。带有液滴的湿蒸汽在高速旋转下使该系统里的液滴和蒸汽微粒分离的加速度甚至达到几百倍地心引力的加速度，从而完成蒸汽中热原的分离。蒸汽加速通过螺旋板时运动阻力小，整个分离结构通畅干燥。由于该结构技术的理想可靠，因此赢得了广大用户的认可。 德国 SUDMO 机：(见图 1.5) 图 1.5 德国 SUDMO 机德国 SUDMO 机采用了列管降膜蒸馏原理，据有关资料分析，SUDMO 机的除热原装置采用三级分离技术：即一级重力水汽分离；二级小螺旋分离；三级丝网除沫器分离。从图中可以看出：该机的螺旋分离器在加热蒸发室的里边，因此，此结构技术亦称为“内螺旋分离”技术。笔者认为：SUDMO 机在加热蒸发除热原结构技术的设计上有其新颖性，但是在去除热原的技术结构原理上，有其不足之处，主要的是：SUDMO 机将分离室放在加热蒸发室的内中间，形成“内螺旋分离”。此种结构不同于 FINN-AQUA 机，FINN-AQUA 机的分离室环绕在蒸发室外壁，国人称为“外螺旋”。 SUDMO 机分离室在里边，受这种结构限制，螺旋分离半径不可能做大，分离半径有限，加速度离心力就有限，而汽水混合物通过螺旋板旋转，产生的离心分离效果显然不如 FINN-AQUA，尽管 SUDMO 机有相似的旋风分离形式，但不能确保旋风分离效果，最终加以丝网除沫式进行再次分离，以确保效果。由此可见，这种所谓“内螺旋分离”，其实质既是丝网除沫式分离。 美国（Barnstead）机（见图 1.6）： 5图 1.6 美国（Barnstead）机从图中可以看出：这种蒸馏方式为温差环流升膜式结构，经蒸发后的蒸汽和水混合物首先经第一级分离室，水滴从混合物初步分离出来，然后经过第二级 Q 型挡板，Q 型挡板的理论原理即导流板撞击式分离器，经改变方向撞击除去夹带的水滴。就此完成二级分离，用以除去热原。 德国 Pharmaplan 机（见图 1.7）： 图 1.7 德国 Pharmaplan 机这种蒸馏方式同样为温差环流升膜式结构。升膜（沸腾）蒸发原理。从图 1.7中可以看出：除热原装置采用了单级丝网除沫器。意大利 Stilmas 纯蒸汽发生器（见图 1.8）： 6 图 1.8 意大利 Stilmas 纯蒸汽发生器这种蒸馏方式也是温差环流升膜式结构。升膜（沸腾）蒸发原理。从图中很清楚可以看出水气混合物直接通过丝网除沫器就完成了热原分离。 这也是一种列管降膜式蒸发器，它与其它机型不同的是加热蒸发室与分离室分开，各位一体，蒸发室在上，经蒸发的水汽混合物沿漏斗状管流入下面的分离室，转向 360进行一级小螺旋分离，而后经过丝网除沫器完成了二级分离，因此这种分离结构应为“小螺旋+丝网除沫器”。 瑞典 HAFER 机（见图 1.9） 图1.9 瑞典 HAFER 机 这种蒸馏方式也是温差环流升膜式结构。升膜蒸发原理。从图中很清楚可以看出水气混合物首先通过一级挡水水汽分离器，然后进入小螺旋作二级分离，通过对上述七种机型的热原分离结构原理装置的对比分析，归纳为：大螺旋板、小螺旋板+丝网除沫器、Q 型挡板、丝网除沫器等等；在大、小螺旋板分离结构上又有内、外螺旋之分。优选的当然是芬兰 FINN-AQUA 机分离结构技术了。 国内众多的制造商先后翻版仿制蒸馏水机多种，归根结底，其热原分离结构装置无非是：“大（外）螺旋”结构；“内螺旋”结构；“丝网除沫器”结构。等等。上述结构技术均有产品出产过，技术水平的先进程度，自己该有个评价。 上述这些国家的一个共同点：蒸馏塔均为列管式。在我国则另有盘管式蒸馏水机，这类机器是由 LS 塔式重蒸馏水机改进而来的，采用了喷淋蒸发原理，分离器基本上是丝网除沫器结构。 71.3 多效蒸馏水机的制水工艺流程、工作原理开机原料泵开蒸汽压力到？关机检测原料水电导率更换原料水检测一效水位检测蒸馏水温度检测出口电导率水位高水位低温度高温度低温度正常电导率正常电导率高关小原料泵开大原料泵加大冷却水量不合格水排出合格水入贮罐不合格水排出YN合格不合格图 1.10 工艺流程检测蒸汽压力是否达到要求，来决定是否开机。开机后，原料泵开，检测原料水电导率是否合格，不合格循环水排出，更换原料水；检测一效水位，如一效水位高，关小原料水量；检测蒸馏水温度，如温度高，通过电动执行器加大冷却水量；检测蒸馏水温度和电导率，如温度低或电导率高，通过二位三通阀作为不合格水排出；实时检测蒸汽压力，利用 PID 控制把蒸汽压力控制在允许范围内。通过 PLC 与工控机的通讯，各种仪表和工控机的通讯，用计算机实现监测的功能、报表的功能和故障分析报警的功能等。图 1.11 工作原理 8蒸馏水机的工作原理（如图 1.11 所示）：进料水（纯化水）进入冷凝器被塔 5进来的蒸气预热，再依次通过塔 4、塔 3、塔 2 及塔 1 上部的盘管而进入 1 级塔，这时进料水温度可达 130C 或更高。在 1 级塔内，进料水被高压蒸气（165C）进一步加热部分迅速蒸发，蒸发的蒸气进入 2 级塔作 为 2 级塔的热源，高压蒸气被冷凝后由器底排除。在 2 级塔内，由 1 级塔进入的蒸气将 2 级塔的进料水蒸发而本身冷凝为蒸馏水，2 级塔的进料水由 1 级塔经压力供给， 3 级 4 级和 5 级塔经历同样的过程。最后，由 2、3、4、5 级塔产生的蒸馏水加上 5 级塔的蒸气被第一及第二冷凝器冷凝后得到的蒸馏水（80C）均汇集于收集器即成为注射用水。图 1.12 多效蒸馏水机实图1.4 多效蒸馏水机的主要结构 （参见图 1.12）蒸馏水机的主要部件有：蒸馏塔，冷凝器、高压水泵、电气控制元器件及有关管道、阀门、计量显示仪器仪表加上机架、电控制箱等组成。 91.4.1 蒸馏塔是主机的重要组成部分：（参见蒸馏塔内部结构图） 蒸馏塔内部结构分加热室、蒸发室、分离器等，都安装在一个蒸馏塔内。加热、蒸发、除沫分离热原几个工艺过程在一个腔体内完成。这一点凡是列管式蒸馏水机都差不多，各国都如此，只有压汽式蒸馏水机将除沫分离器分开。 图 1.13 蒸馏塔内部结构图多效蒸馏水机从蒸发原理上分析，有降膜蒸发与沸腾蒸发之分，主要就是进料水布液后进入列管的方向，是从顶部进入蒸发室成膜状沿管壁流下，即降膜蒸发式；降膜蒸发是料液以液膜的形式流经加热表面进行的一种表面蒸发。和普通的蒸发不同，降膜蒸发过程中，没有料液的剧烈沸腾。在降膜蒸发传热过程中，热流密度沿液膜厚度方向保持不变，热量从加热面经过液膜直到自由表面才以潜热的形式释放出来，蒸发一般只在液膜表面发生，是管内气液两相的强制对流传热。降膜蒸发传热的实验研究，早在 30 年代就开始了。50 年代中期以来，又开始了强化传热的研究，到 60 年代，强化传热的研究发展迅速发展，70 年代是降膜蒸发传热研究最集中的一个时期，逐步形成了一个强化传热的专题，列管降膜多效蒸馏水机就是这个理论的产物。沸腾蒸发就是进料水经加热沸腾后，产生二次蒸汽，进行分离，也称升膜式。降膜式的代表是芬兰 FINN-AQUA。其次是德国 SUDMO 机。 图 1.15 美国 Barnstead 机10升膜式的代表是：美国 Barnstead（见图 1.15） 再从热原分离结构（即汽液分离结构）分析：在蒸发过程中，汽液两相互相运动接触，会有液滴进入气相。对多效蒸馏水机来说，上一效产生的二次蒸汽将作为下一效的加热源，如不进行有效的汽液分离，将造成一定的温差损失和整机的热效率，因为水的温度和汽相温度大不同；同时，汽液两相分离的效果还讲直接影响蒸馏水的质量。因为水中存在的可溶盐类、含氧化矽的胶体粒子等无机成分，以及细菌和微生物死亡分解而产生的微量有机物，特别发热性物质（热原）（Pyogen）有耐热性，在 250x30 分钟条件下才能破坏，在120x30 分钟下则不能破坏。热原存在于水以及蒸汽和水混合的液(雾)滴中。我们利用热原的不挥发性和水溶性采用蒸馏法和汽水分离装置来除去热原。热原的除去程度则取决于汽水分离装置的设计技术。如果汽液分离不清，液膜和汽相之间的传质和传热机理都将发生较大的变化，将直接影响到蒸馏水的质量和蒸馏水机的节能热效率、产量等技术经济指标。所以，汽液分离是保证最终蒸馏水质量的关键技术。 要从汽相中将夹带的液滴分离出去,必须满足以下条件： a、有分离界面可供液滴附于其上，如器壁、织物或纤维等； b、有使液滴的运动轨迹和气流的运动轨迹相异的作用力，诸如重力离心力碰撞作用等； c、有足够的时间让颗粒达到分离界面； d、能够除去附在界面上的液滴而不使其再次被卷入汽流中。 根据液滴分离的理论，一般的分离方法有下列几种： a、利用液滴本身的重力来实现分离是最简单的一种措施。称重力分离。蒸发器中的闪蒸室，实际上就是利用重力来分离的。从列管中高速流出的汽流经闪蒸室后，其速度将降低到一定的值，汽流经过 180O 转向向上，这时候就会有一定部分液滴从汽流中分离并沉降下来。重力分离可使汽流中液滴的残留量 50 m 的液滴。使用重力分离结构原理的蒸馏水机有芬兰FINN-AQUA 机、德国 SUDMO 机等。 b、当分离要求更高时，可采用导流板撞击式分离器，当带有液滴的汽流通过这种通道时，液滴会和挡板发生碰撞并留在上面，最后以液膜的形式经排液管排走。使用这一原理的有美国 Barnstead 机。 c、旋风离心分离器也是一种重要的汽液分离结构装置，当汽流经过分离器时，使汽流完成一系列的旋转运动，它利用旋转汽流对液滴产生的离心力是重力的 2500倍左右，足够将液滴分离出去，达到理想的分离效果。芬兰 FINN-AQUA 的多效蒸馏水机成功应用了这一技术。 11图 1.16 旋风离心分离器d、还有采用丝网除沫器，它利用惯性碰撞、气体吸附、截留作用以及静电吸附来实现分离的目的。对于 5m 以上的液滴，丝网除沫器的分离效率在 98以上。但对金属丝网来说，当夹带的雾沫量很高时，网中会产生液层不凝降现象，从而使分离效果下降或恶化。丝网除沫器分离结构技术是比较传统原始的，过去的 LS 型塔式单效重蒸馏器普遍使用这一技术结构。它存在着明显的不足之处：蒸汽运行阻力大，增加热能损失；丝网除沫器处于温暖潮湿状态，这种环境最容易使微生物细菌滋生，再次污染，尤其在停止使用其间；丝网除沫器要达到除沫效果，丝网一般要求 100150mm 的安装高度，有时要达成 300mm 之多。除了保持一定的气流速度外，还必须保证气流通量，其体积必然是大的，但其效率又是低的；蒸发腔内液位一旦失控，就很容易造成液滴夹带。 1.4.2 冷凝器： 冷凝器在主机中起三相交换作用：纯蒸汽、进料水和冷却水。即预热进料水，冷凝纯蒸汽成蒸馏水，调节蒸馏水出水温度。冷凝器在整机制水全过程是最后一个重要部件，制成的蒸馏水汇集于此，然后输出。因此蒸馏水与进料水，冷却水和外界是严格密封分隔，绝对不得有任何相互泄漏，渗透。所以，各国在冷凝器的制作上都采用了双管板结构（见图），有效地防止了相互泄漏，渗透。 12图 1.17“上海天鼎”生产的双管板冷凝器而意大利 STILMAS 机和德国 PHARMA-PLAN 机干脆将冷凝器一分为二，进料水与冷却水分开为二个单独行程的热交换器，壳腔串联连通。 图 1.18 意大利 STILMAS 机美国 BARNSTEAD 机为列管式双管板结构冷凝器。芬兰原来是单板盘管式冷凝器的，现改进为“U”型管双管板结构冷凝器。 1.4.3 电气控制器 国外设备的自动化程度都很高，仪器仪表非常先进，意大利机已应用电脑显示控制屏。芬兰机达到人机对话程度。对我们国内厂商来说已经不是很难的事了，也已达到这些要求。1.4.4 机架结构机架结构部分决定外观：芬兰机小规格的装有门、旁板，象立柜，其他几家均是敞开的。这要根据用户需求，都可以制作。 1.4.5 材质选用 国外机在材质选用上凡接触蒸馏水部分均是 SUS316L（OOCr17Ni12Mo2）超低碳优质不锈钢。机架材质基本上是铁的，蒸汽阀门基本是铸铁的，该考究的考究，不该考究的不考究。1.5 多效蒸馏水机控制要求13在蒸馏水生产过程中需要控制两个重要技术参数:一个为蒸馏水在出口处每平方厘米的电导，即电导率；另一个是蒸馏水在出口处的温度，简称出口温度。电导率一般用调节原料水的阀门开度来控制；出口温度一般用调节进入热交换器的蒸汽流量来控制。当蒸汽流量增加时使出口温度增加，同时也使电导率减小。同样原料水阀门开度的变化也会引起电导率和出口温度的变化。目前，许多蒸馏水生产设备的这两个参数大都是处于手动(或人工)控制状态，因而蒸馏水的质量往往不容易保证。从控制的角度看，此过程是一个典型的双人双出、强耦合系统，而且蒸馏水机系统本身具有大滞后、非线性、时变、强干扰等特性，因此，传统方法设计的系统控制器在实际应用中无法获得满意效果。需要一些先进的控制理念，如多媒体微机控制系统，智能控制、专家控制、神经网络解耦控制系统 。结合蒸发过程实际，在研究专家系统的基础上，建立了比较完善的知识库，并且对知识库进行了量化处理，采用正向推理机制，启发式搜索方式，交互式人机接口开发设计了适用于医药用蒸馏水生产过程的专家系统。研究内容及技术关键：1、恒压力 PID 控制回路设计；2、贮水罐液位控制回路设计；3、冷却水回路三段式控制设计；4、热交换回路及质量保证回路专家控制系统设计；5、研究补偿热交换系数时变性的方法。具体技术指标如下： 1、蒸馏水机产量： 02000Kg/h 2、主蒸气压力：00.6Mpa 测量误差0.01 3、入口电导率： 020s/cm 误差0.1s/cm 4、 出口电导率： 010s/cm 误差0.05s/cm 5、IIV 效、主蒸气及储罐温度：0200 误差0.05 6、I 效液位：020cm,误差0.1cm 7、储罐液位：06m14第二章第二章 方案论证方案论证2.1 硬件控制核心选择：方案一：单片机所谓单片机就是在一块芯片上集成了 CPU、RAM、ROM(EPROM 或 EEPROM)、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行 I/O 口。如 Intel 公司的 8031 系列等。除了以上基本功能外，有的还集成有 A/D、D/A，如 Intel 公司的 8098 系列。概括起来说，单片机具有如下特点： 具有位处理能力，强调控制和事务处理功能。 价格低廉。如低档单片机价格只有人民币几元钱。 开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。 后备人才充足。国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。 方案二：DSP目前国内推广应用最为广泛的 DSP 器件是美国德州仪器(TI)公司生产的TMS320 系列。DSP 开发系统的国产化工作已经完成，国产开发系统的价格至少比进口价格低一半，有的如 TMS320C2XX 开发系统只有进口开发系统价格的 1/5，这大大刺激了 DSP 器件的应用。DSP 器件具有较高的集成度。DSP 具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和 FIFO 缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了 A/D 和采样/保持电路，可提供 PWM 输出。DSP 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使 DSP 器件具有高速的数据运算能力。DSP 器件比 16 位单片机单指令执行时间快 810 倍，完成一次乘加运算快1630 倍。DSP 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了 FFT 快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP 器件提供 JTAG 接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编/链接 C 编译器、C 源码调试器。方案三：可编程逻辑控制器（PLC）可编程序控制器(简称PLC)的硬件由CPU、电源等组成,而其软件则由系统程序和用户程序组成。PLC根据输入口、输出口(常称:输入点、输出点)的总数,分为微型、小型、中型、大型、超大型数种。PLC根据主机结构,又分为整体式、模块(板)式两15种。整体式是把所有硬件安装在一个整体内,其表面仅有输入点、输出点、电源接口和通讯接口。整体式多用于微型小型机。模块式是把其硬件划分成若干模块,如把CPU、存贮器组成主控模块,把电源组成电源模块,把若干输入点组成输入模块,把若干输出点组成输出模块,还有根据特殊要求所制成的具有某一特定功能的功能模块。这些模块可根据需要任意选择、组合,在槽板上以插拔方式联成主机。模块式多用于中型、大型及超大型机。 可编程序控制器(简称PLC)是一种在集成电路和计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制技术。存贮器、编程器、I/O模块、扩展单元、它具有如下特点：(1)可靠性高 抗干扰能力强，能在恶劣环境中可靠地工作。 可靠性高在PLC的设计与制造中采取了许多有效措施，如采用优质器件、严格的隔离和电磁屏蔽、有效的故障自诊断、良好的电源系统等，保证PLC具有很高的可靠性其平均无故障时间达到以万小时计的程度。(2)编程简单，使用方便。 PLC生产厂为其系列产品开发了多种类型的编程器，并向用户提供多种编程语言，如梯形图语言、指令表、流程图语言或步进顺序控制语言(SFC)。有的PLC还提供“用户宏指令”供用户扩展指令。大型PLC还能使用计算机高级语言编程，如BASIC和C语言等。借助PLC的通讯能力，有的PLC直接在个人计算机(PC)上进行编程，可以实现程序的存贮和编辑、模拟运行和自动跟踪，形成良好的编程环境。(3)具备高灵活性及很强的信息处理能力和多功能性组合灵活PLC具有丰富的输入输出方式。 输入可以是无源的触点开关或晶体管的集电极开路输出。输出有继电器、晶体管和可控硅等不同方式，可以直接驱动不同类型的继电器、接触器和电磁阀等各种交直流负载。此外还有模拟量输入输出，各种智能I/O模块，过程控制模块，通信模块，用于数控的定位模块等。用户可以根据需要进行组合，以建立各种各样的控制系统。(4)体积小，重量轻 。(5)扩充方便，组台灵活。(6)维护简单。 由于PLC的高可靠性，延长了控制系统的检修周期，使维护工作量大大减少;PLC的模决化结构和自诊断功能又使维修简便快捷，故障修复时间大大缩短。有的PLC还具备在线修改程序的能力，使用户可以方便地启用后备元件替换发生故障的元件。 (7)PLC是实现机电一体化的重要手段和发展方向。 近几年来，PLC在国内发展特别快，在纺织、造纸、钢厂、化工、机床等行业得到广泛的应用。根据本文工艺特点、设计要求，采用方案三为佳。162.2 控制单元选择：方案一：PID 控制作为一种非常简便、有效的控制方法,PID 控制长期以来一直被广泛用于温度、液位、张力、压力、速度等过程控制系统中。虽然在多年的实际应用中，也出现了多种改进型的 PID 算法，但是常规的 PID 控制算法对大多数控制系统已经能够满足误差精度要求，因此许多用于过程控制的设备都采用常规的 PID 控制算法。PID 控制是比例(Propor-tional )、积分(Integral)和微分(Derivative)三种动作的合成作用，其作用是使被控制对象达到并保持于设定值(SV)，当 SV 发生变化时，能使受控对象快速达到新的目标值。在工业生产过程控制中,模拟量的 PID(比例!积分!微分)调节是常见的一种控制方式,这是于 PID 调节不需要求出控制系统的数学模型,至今为止,很难求出许多控制对象准确的数学模型,对于这一类系统,使用 PID 控制可以取得比较令人满意的效果,同时 PID 调节器又具有典型的结构,可以根据被控对象的具体情况,采用各种 PID 的变种,有较强的灵活性和适用性。 图 2.1 闭环控制系统原理框图方案二：专家控制应用专家系统概念和技术,模拟人类专家的控制知识与经验而建造的控制系统,称为专家控制系统。根据系统结构的复杂性把专家控制系统分为两种形式,即专家控制系统和专家控制器。专家控制器有时又称为基于知识控制器,以基于知识控制器在整个系统中的作用为基础,可把专家控制系统分为直接专家控制系统和间接专家控制系统两种。间接专家控制系统中的专家系统可能是一个PID整定“专家”它能够利用专家的经验,根据现场响应及环境条件,确定PID控制器的参数,使之实现更有效的控制。专家系统由知识库、数据库、推理机、解释部分及知识获取五部分组成。知识库是专家系统第一个重要组成部分,它存储以适当形式表示的从专家那里得到的关于某个领域的专门知识、经验以及书本知识和常识,它是领域知识的存储器。数据库是存放专家系统当前工作已知的一些情况,用户提供的事实和由推理得到的中17间结果。对专家系统而言,就是在计算机中划出一部分存储单元,用于存放以一定形式组织的该系统的当前数据,相当于一个工作区。随着推理的进行及用户的对话,这部分的内容是随时变化的,因此它不同于一般意义上的“数据库”。推理机实质上是计算机的一组程序,目的是用于控制、协调整个专家系统的工作,它根据当前的输入数据和信息,再利用知识库中的知识,按一定的推理策略去处理、解决当前的问题。它分为正向推理、反向推理。正向推理是从原始数据和已知条件推理出的方法，这种推理方式也称数据驱动策略,或称由底向上策略。图2.2 专家整定PID控制系统鉴于以上各控制单元优点，本文在单回路方面选用 方案一 PID控制；热交换回路采用 方案二 专家控制。2.3 控制系统的选择： 方案一：通过以工控机控制系统对制药行业的多效蒸馏水机设备进行全自动控制。为了提高多效蒸馏水机的自动化程度，随着我国GMP认证的广泛开展，制水设备除了运行稳定外，其工作参数的记录也要准确详细地保存；人机界面也要友好，方便工人操作。这样就不仅需要人机界面，还要配备液晶触摸屏，而液晶触摸屏成本较高。我们利用工控机开发蒸馏水机设备控制系统。该系统自带CRT彩色显示器，有软件开发方便、应用软件多、可连续存储大容量数据、数据浏览打印、易于维护、多媒体声音报警等优点，在微机日益普及的今天其易用性明显增强。1. 系统的硬件结构18普通工控机一般不具备对设备仪表的信号采集功能，为此我们在微机主板上插人模拟量板卡和开关量板卡各一块，由这两块板卡负责设备运行时模拟量的采集和开关量的动作，微机内的软件通过板卡间接控制现场设备。两块板卡上面都有设定板卡地址的DIP开关，保证板卡插入计算机后不与声卡、显卡等发生冲突。2. 系统的工作原理现场传感器的4-20mA信号经过中间转换箱后变成010V信号送给主机内的模拟量板卡，微机控制程序通过VC的DLL动态链接库读取板卡端口值，经过微机运算后得出的动作命令由模拟量板卡输出010V的控制信号到现场阀门进行控制如果要进行开关量输出则由主机内的开关量板卡输出开关量信号给现场的开关量部件。3. 软件设计由于采用Windows 98操作系统，所以采用VisualBaisc 60与Visual C 60联合开发控制软件。控制界面用VB编写，硬件端口级操作用Vc编写成DLL动态链接库，然后在VB程序中加以调用VB程序界面包括系统密码、参数设置、运行画面、数据打印等诸多界面，加上动画演示与声音提示，整个控制程序界面优美，更主要的是程序完全自主开发，没有版权等因素的干扰，也利于技术人员出外调试安装。4. 控制系统特点(1) 系统稳定，操作简单为了尽量降低工人的劳动强度，整个控制程序从启动开始完全模拟人工操作过程，前2030分钟微机控制前端执行器件适当地通一定压力的锅炉蒸汽和逐渐增多的纯化水，当时间值达到预定值后使设备进人正常的水汽联动控制状态。(2) 调试安装方便VB控制程序在设备调试时有关键控制参数的实时参数设定功能，在现场仪表线路接好后可以针对每一个控制对象调整现场显示参数与微机屏幕显示数据的同步性，二者同步后参数自动存储到硬盘的文件中供以后调用。(3) 可恢复性强程序调试完毕后在D盘存有备份，当系统由于人为原因被破坏后可以将D盘数据直接拷贝到C盘，系统立即可以恢复，(4) 保密性好19由于系统参数可以调节，故存在系统参数人为改动的因素。为此，在控制软件中我们给参数设定项提供了密码保护。此密码没有专业编程人员干预无法发现，这个密码只提供给厂家负责此设备的具体某个人，现场的任何操作人员在无密码的情况下均无法改变系统的参数设置，从而避免了各种人为因素的干扰。方案二：通过以可编程序控制器为控制系统对制药行业的多效蒸馏水机设备进行全自动控制。近年来，一些可编程控制器（PLC）各项控制性能指标不断提高，特别是在模拟量处理及通讯方面的性能得到了长足的发展，有些性能技术指标已不断接近某些 DCS 的控制器，这样在 PLC 控制系统中采用一些 PID 回路控制也就成为可能，实现的控制精度和性能基本能够满足一般工艺要求；而同时，某些 PLC 控制工程也需要应用一些复杂 PID 回路控制来满足某些工艺要求，鉴于这种情况，在 PLC 控制系统中采用多回路 PID 控制也就具有了一定的工程应用价值。根据应用系统的特点，我们 PLC 选用西门子 SIMATIC S7-300 系列 PLC 作为控制器。西门子 SIMATIC S7-300 系列 PLC 具有丰富的内置集成功能、强劲的通讯能力和极高的可靠性，可以独立或联网实现各种复杂的控制功能，是一种性价比很高的 PLC，在工业及民用领域有着广泛的应用。1 PLC 中的 PID 参数设定PID 回路有 2 个输入量即 SP(给定值)和 PV(过程变量)。SP 通常是固定值,PV 则要经过扩展模块经 AD 转换后得到。SP 与 PV 是实际值,由于 PLC 考虑到系统的通用性,对不同系统的数字大小、范围与工程单位的区别,故在 PID 运算之前要将他们转换成标准化浮点数,即转换为 0.01.0 之间的标准化实数,这可通过指令运算来完成。与之相对应回路的输出,要将运算后的标准化实数(0.01.0 之间)转换成 16b 的二进制数,再通过 DA 转换输出。S7300 的 PID 指令没有设置控制方式,执行 PID 指令时为自动方式,不执行 PID 指令时为手动方式。PLC 闭环控制系统如图 2.3 所示图 2.3 PLC 模拟量闭环控制系统PID 指令如图 2.4 所示图 2.4 PID 指令20TBL 是回路表的起始地址,LOOP 是回路的编号,PID 指令有一个能流记忆位,用该位检测到 EN 输入端从 0 到 1 正跳时,指令执行一系列操作,使 PID 能实现自动与手动的切换。1 系统的硬件结构SIMATIC S7 系列是德国西门子公司推出性价比较高的PLC系统。它采用模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛的组合和扩展。它的主要部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。它们通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7 PLC相连。2系统的工作原理现场仪表的4-20mA信号经过模拟输入模块变成数字信号通过背板总线送给主机内的CPU单元，在其中进行PID等各种控制运算后得出的动作命令由模拟量输出010V的控制信号到现场阀门进行控制如果要进行开关量输出则由PLC的开关量输入、输出模传送开关量信号给现场的开关量部件。2组态软件设计开发工具以力控组态软件为主。力控组态软件是由国内专业自动化软件公司大庆三维自动化软件科技有限公司开发的新兴组态软件，是已经在近千个工程中成功运用的国产优秀组态软件。与国外同类产品相比，该软件具有较高的性能价格比。它可以运行在Windows NT或Windows 2002作系统之上，具有可组态的工具箱、开放的图形库、丰富的控件、灵活的语言、实时数据库，能够与PLC,智能仪表等多种I/0设备进行通信。它的突出优点是大大降低了开发界面的工作量，使开发者精力更多地放在系统的重点难点上。因此，本系统采用力控组态软件作为主要开发工具。4 控制系统主要功能(1) 高速的指令处理0.1-0.6s的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。 (2) 人机界面（HMI）21方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面（HMI）从S7-300 中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统是自动地处理数据传送的。(3) 诊断功能CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件（例如超时、模块更换等）。(4) 口令保护多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。S7-300 的操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。第三章第三章 多效蒸馏水机控制过程数学模型及控制算法多效蒸馏水机控制过程数学模型及控制算法13.1 数学模型蒸馏水机的数学模型较为复杂，其热交换回路与主蒸汽压力、温度及原料水的压力、流量之间耦和紧密，且呈非线性关系。另外，纯汽输出回路和冷却水回路都是热交换回路的强烈干扰源，依据传统的方法很难建立一个精确的数学模型。根据化工热交换原理，从双效蒸发器人手，首先建立双效蒸发器的数学模型，然后对其进行线性化处理，得到一个五阶的数学模型，进而推导出六效蒸发器的数学模型。由于建立的控制系统数学模型经常有微小的变化，常规的PID控制不能很好地保证控制系统的精度。鉴于此， 采用由PID控制器和模糊控制器一起组成模糊自整定PID控制器进行控制得到了很好的效果。22在建立多个微分方程之前，根据现场的实际运行情况以及热交换原理，做了一些特殊的假设，从而推导出双效蒸发系统的五阶数学模型： （3-1）1111OBFdtdW （3-2）1111111)(COCCFdtdCWF （3-3）1111111111)()(LhHOQhhFdtdhWvF （3-4）2212OBBdtdW （3-5）2221122)(COCCBdtdCW （3-6）)(11111TTAUSSS （3-7）)/()(21221CVhHLQO （3-8）)(11111TTAUQS （3-9） )(22222TTAUQS （3-10）)()()(1212221122222222CCBChhhBLQCChhHOV （3-11） SVTH1157. 06 .606 （3-12）SVTH2257. 06 .606 （3-13）59042. 011STh （3-14）59042. 022STh （3-15）2111122. 678. 1CCTTS （3-16）12222222. 678. 1TCCTTS五阶数学模型用数字计算机进行处理虽然方便，但是模型阶数如果能够更低一些，就会更容易处理。五阶线性模型系数矩阵的特征值有相同的数量级，为了保持状态变量的物理意义，模型的进一步降阶只能采用某些假设来实现。在设计的蒸发器中，进行一些特殊的假设：规定第二效蒸发器的蓄液量必须在稳态工作点2w2310 以内，可以假设为常数；热焓与浓度的关系很小，可以假设第一效蒸发2w器温度为常数；假设蒸发系统没有热损，即有L=0。1T这样，模型就由5阶简化为3阶。 （3-17） 1111OBFdtdW （3-18）1111111)(COCCFdtdCWF （3-19）2221222)(COCCBdtdCW如果再假定第一效的蓄液量为常数，即=0， 就可以得到下式：2w （3-20）) 1)(1() 1()()(3212sTsTsTsSSC对此式进行仿真，发现它可近似于一阶滞后特性，即： （3-21）sesTKsSSC) 1()()(12同理，通过这样的方法可以得到： （3-22）sessSSC5211 .17431. 0)()( （3-23）sessFSC112111565. 0)()( （3-24）sessSST112111493. 0)()( （3-25）sessFST5211 .17711. 0)()(其中S为入口原料水的流量；F为入口蒸汽的流量；为第二效蒸发器蒸馏水的浓度；2C 为第二效蒸发器蒸馏水的温度。即有：2T )()(11 .17711. 0111493. 0111565. 011 .17431. 0)()(51111522sFsSesesesessTsCssss （3-26）对于双效蒸发器，在不进行假设时，得到的是一个10阶的微分方程。在正式建立模24型时，经过某些假设，得到一个5阶的数学模型。在工程允许的情况下经过两次特定的假设，数学模型从5阶降为3阶，再从3阶降为2阶。可以得到不同模型的开环响应仿真曲线如图3.1所示。图3.1 出口浓度相对原料水流量，二阶、三阶、五阶模型及实际运行的阶跃输入响应曲线图3.2 出口温度相对蒸汽流量，二阶、三阶、五阶模型及实际运行的阶跃输入响应曲线如果按照推导双效蒸发器数学模型的方法建立六效蒸发器的数学模型，需要列写30个数学方程，最终将会得到一个30维的状态方程，运算起来相当复杂，推导出的数学模型在实际中很难得到有效的应用。因此，在这里结合热交换的实际情况，对六效蒸发器也作近似等效，把六效蒸发器近似认为是三个双效蒸发器的串联。则由双25效蒸发器的数学模型： （3-27）)()(11 .17711. 0111493. 0111565. 011 .17431. 0)()(51111522sFsSesesesessTsCssss可以得到六效蒸发器模型为： （3-28）)()(14036. 012012. 012018. 014008. 0)()(2545452566sFsSsesesesesTsCssss其中S为入口原料水的流量；F为入口蒸汽的流量；为末效蒸发器蒸馏水的浓度；6C为末效蒸发器蒸馏水的温度。6T图3.3 原料水的流量一定时，末效蒸发器蒸馏水浓度响应曲线图3.4 原料水的流量一定时，末效蒸发器蒸馏水温度响应曲线图3.3和图3.4分别为仿真研究结果。以上通过对三个两效蒸发器与六效蒸发器的数学模型进行假设等效的仿真结果验证了其可行性。由于蒸馏水机的结构复杂，热交换和冷却水等回路均呈现非线性特性，整个生产过程很难建立准确的数学模型，因而系统辩识和模式识别在所设计的系统中变得很重要。通过仿真对所建立的数学26模型进行验证可以得出结论：机理模型和辩识测试的结合，是得到可靠模型的很好途径。对于化工过程来说，非线性程度往往相当严重，分布参数的情况又极为普遍。计算机作为控制工具进入控制系统使得许多性能更好的系统得以实现，对化工过程也是如此。在化工过程中使用计算机进行控制，一方面能实现人们对程控的要求，另一方面能发挥计算机快速计算的特点来实现一些较为复杂的控制，以达到更好的控制效果。3.2 控制算法在蒸馏水生产过程中需要控制两个重要参数：一是蒸馏水在出口处的电导率，另一是蒸馏水在出口处的温度。电导率一般通过调节原料水的阀门开度来控制；出口温度一般通过调节进入热交换器的蒸汽流量来控制。这是一个典型的双人双出的控制系统。由于蒸馏水机系统本身具有大滞后、非线性、时变、强干扰等特性，造成双人双出的控制系统是一个强耦合的控制系统。采用简化解耦的设计方法，对双人双出的控制系统进行解耦。由于等效方法建立的控制系统数学模型经常有微小的变化，这样常规的PID控制就不能很好地保证经过解耦后的双人双出控制系统的精度。鉴于此，采用由PID控制器和模糊控制器一起组成模糊自整定PID控制器进行控制。针对对象的等效近似数学模型，设计采用在线实时模糊自整定PID控制策略，即用模糊控制方法对PID参数进行模糊自校正， 并对此进行了大量的仿真研究。图 3.5 PID 和 Fuzzy PID 控制系统的输出响应示意图由图3.5可以得出，对系统数学模型进行近似处理之后，采用模糊PID自适应控制，比只用PID调节效果更好。主要表现在：(1)稳态误差减小；(2)对负载干扰的调节时间变短；(3)上升时间明显缩短；(4)超调量大大减少。结论：27文中介绍的多效蒸发器的数学模型，从其热力学原理出发，通过一系列合理的简化，满足了蒸发器运行所特有的外部特性。MATLAB仿真证明，从双效蒸发器人手，推广建立起六效蒸发器的数学模型，获得了很好的效果。在改进蒸发器的基础上，采用了一种不基于精确数学模型的模糊PID自整定控制算法，这种新型控制器的主要优点是具有自动调节的功能，对于不同响应的过程，选择不同的PID控制参数，从而使控制参数选择更为合理，使过程的各项性能指标均能达到最佳状态。第四章第四章 系统硬件设计系统硬件设计4.1 主蒸汽恒压力 PID 控制回路设计4.1.1 传感器AEC200 系列压力传感器是德国 Schoppe&Faeser 公司生产的，用于检测过程参数过压(低压，充填情况)和测量变化的自动信号。其压力测量范围为 600bar 到1000bar 之间。被测物质可为气体、蒸汽或液体。结构：压力传感器是由过压传感元件 CO20 和电子电路组成，图 4.1 为其组成原理图。其工作原理是：外施流体压力(Pe)作用于传感元件，传感元件变形使感应电路产生一个与流体压力成正比的电压变化;在电子电路中此电压变化被转换成 4 20mA 的电流输出。图 4.1 原理图技术参数：被测物质 气体、蒸汽、液体测量范围 600 一 1000bar测量起点 可在lbar 至测量范围的 100%之间调节28测量终点 可在测量范围的 100%至l bar 之间调节特性曲线 线性(上升或下降)过载极限 测量范围的 130%测量室容积 测量范围100bar 约 7cm3外壳材料 压铸铝轻金属外壳保护型式 德国工业标准 40050 IP54安装方式 壁、管式或装在过程连接器上重量 约 2kg使用等级 德国工业标准 40040 HSC 工作温度 25 +70 运输温度 40 +80湿度 年平均95%，允许露珠浸湿4.1.2 PID 控制过程图 4.2 PLC 闭环控制系统方框图29AIA/DPLC CPU PIDAOD/A蒸汽压力传感器AEC200主蒸汽电磁阀门420mA420mA一效蒸发器背板总线背板总线图 4.3 主蒸汽 PID 控制图控制流程：主蒸汽经 AEC200 蒸汽压力传感器检测，变送成 420mA 模拟总线信号。信号直接进入 PLC 模拟输入模块，并将其转换成相应数字信号。在由背板总线进入CPU，在其中经 PID 算法运算生成数字控制信号，通过背板总线进入模拟输出模块，并将数字控制信号转换成相应 420mA 模拟信号，进入蒸汽电磁阀门，控制蒸汽压力。4.2 原料水恒流量 PID 控制回路设计4.2.1 差压流量计当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差流体的体积流量或质量流量与节流元件前后的压差平方根成正比。因此可使用开方器和差压变送器测量这一差压。经开方运算后得到 15V 流量信号。图 4.4 差压流量计原理304.2.2 PID 控制过程控制流程：原料水经差压流量计检测，变送成 15V 模拟总线信号。信号直接进入 PLC 模拟输入模块，并将其转换成相应数字信号。在由背板总线进入 CPU，在其中经 PID算法运算生成数字控制信号，通过背板总线进入模拟输出模块，并将数字控制信号转换成相应 420mA 模拟信号，进入流量电磁阀门，控制原料水的流量。AIA/DPLC CPU PIDAOD/A流量计原料水电磁阀门15V420mA一效蒸发器背板总线背板总线图 4.5 原料水流量 PID 控制图4.3 专家控制图 4.6 专家整定 PID 控制系统图 4.7 阶跃响应曲线120度140度150度160度QP0.3Mpa1.05i2.1i0.27Mpa图 4.8 关系曲线本设计包含主蒸汽压力与原料水流量之间的专家控制经验数据。如图 4.8 所示31随着蒸馏水温度的变化，原料水与主蒸汽之间控制比例有所变化，通过专家控制系统能够解决这个问题。控制规则下面将对蒸发系统的控制规律进行具体的分析。蒸馏水机的专家系统的知识库就是要求给出各种情况下，系统需要进行怎样的控制。资料来源：通过收集蒸馏水机专家的现场经验，以及蒸馏水机系统的预算资料作为主 的资料来源。表达方式：本知识库使用产生式规则表达方式，也就是典型的 IFTHEN 形式，具有模块性，易于编写和从系统增删知识，便于知识库的维护，同时知识间联系较强，便于推理机检索。例如： Rule 1 IF （入口主蒸汽压力低于 0Mpa） ， THEN 系统不工作； Rule 2 IF （入口主蒸汽压力高于 0.6Mpa） ， THEN 报警关机； Rule 3 IF （入口原料水的电导率大于 20s/cm） ， THEN 关闭原料水阀门； Rule 4 IF （出口蒸馏水电导率低于 0s/cm） ， THEN 作为不合格水排出； Rule 5 IF （出口蒸馏水的温度低于 85oC） ， THEN 作为不合格水排出； Rule 6 IF （出口蒸馏水的温度高于 97oC） ， THEN 作为不合格水排出； Rule 7 IF （一效水位过高） ， THEN 关小原料水阀门，加大蒸汽； Rule 8 IF（一效水位过低） ， THEN 开大原料水阀门；4.4 液位检测一效液位检测： 用光电反射法检测蒸馏水液位的装置传感器：采用红外发射和接收二极管，通过抗干扰电路，有效地抑制了背景光干扰和电32磁波干扰；应用放大、整流电路使弱信号增强，应用滞回比较器使输出端得到稳定的控制信号。它是一种无污染、精度高、控制建果好的液住测控蓑置。近年来，随着生产和科技的进步，作为一门新兴学科的光电检测技术正在迅猛发展。以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号，再由输人、放大、整流、滤波、比较等光电检测电路提取和控制有用信号是光电检测技术的核心组成和基本原理 由于光电检测是一种非接触测量的高新技术，所以它被广泛用于无污染的电子、化工、食品和医疗等行业。目前，随着水拥有量的日益增多，对水质和水量精度的要求越来越高，尤其是医用蒸馏水，传统的应用漂浮和电极的测量方法已不能满足优质水的要求。为了防止水污染，我们采用非接触测量光电耦合法接收位水信号；为了精确地计算蒸馏水的体积，控制蒸馏水的液面在某一种指定高度范围，我们研究出一种光反射式测量蒸馏水液位的装置。检测电路的原理框图如图4.9所示：图4.9 检测电路方框图4.4.1 传感器结构与检测原理：传感器部分是根据光在气体 液体界面发生反射的原理制成的，如图4.10所示。用一个直径10 mm玻璃管与蒸馏水容器联通。D1为红外发射二极管，发射光信号；D2为红外光敏二极管，其作用是接受来自D1被水面反射的光 。D1 、D2 放在指定水位线上方、玻璃管两侧对称位置，其发射管和接收管的轴线与玻璃管中心线夹角约为45。，为了防止过多的背景光进入D2 ，将D1 、D2 周围封装起来。图 4.10 发射接受示意图光敏二极管D2的接收光与反射光源的距离有关，当水位高度低于HL或高于HH时，D2接收的反射光几乎为零，此时D2产生的电流ID只为背景光电流 IO。水面高度H 的变化与D2接收光产生的电流ID的定性关系为图4.11所示。图4.11 光电流随水面高度变化的关系曲线H1为反射光最强时水面的高度；H2 为最大给定误差高度，给定误差是为了在33水面波动时有稳定的电压输出；IO为背景光产生的光电流。4.4.2 电路原理与设计(1)驱动电路：由于本装置是测量水面的高度，由D2 接收的反射光所产生光电流ID很小，一般在lA以下，故本装置采用方波电流驱动发射二极管D1 由集成运放Al和三极管T组成的方波发生电路见图4.12。图中，三极管T作为输出的控制开关，产生的方波电流为IF，其频率为l kHz，波形图见图4.14(a)。但由于背景光的干扰D2接收到的电流信号ID为有用信号与干扰信号之和，由于背景光电流近似为直流，故ID波形如图4.14(b)所示。图4.12 方波发生电路(2)抗干扰电路：由于本装置是放在常规的生产环境中，背景光干扰非常突出 。如果不消除这种干扰，电路无法正常工作 由高输入阻抗运放A2和A3组成两个积分电路可有效的消除背景光的影响，电路如图4.13所示 ，其输出波形为图4.14(c)所示。由于传感器与电路连接有较长的距离，信号传输中的噪声(电磁)干扰，其影响的程度往往要比信号本身大得多。噪声传播的途径很多，而电磁性耦合又是本装置最主要的干扰来源之一，为了消弱电磁干扰对测量电路的影响，本装置采用低噪声屏蔽线，即将非磁性屏蔽体包在导线的周围、并让它成为流经导线返回电流的一个通路，使电流的回路包围的面积最小，则接受外界磁通的影响也最小，从而达到良好的抗干扰效果。(3)电压放大电路：由集成运放A4组成反相电压放大电路见图4.13。它将抗干扰电路的输出作为输入信号，经A4进行反相放大，其放大倍数可调，以防止D1 、D2反射角度变化时输出信号超出测量范围。当输入信号波动时，通过改变可调电阻RP1 使输出电压稳定，其放大倍数约为200倍。(4)全波整流电路：由A5、A6组成了全波整流电路见图4.13。整流是将交流电变为直34流电的过程。采用此种全波整流是为了产生更高的输出电压，提高电路的灵敏度。其输出波形为图4.14(d)所示。图 4.13 信号处理电路图 4.14 抗干扰、放大、整流电路波形图(5)比较输出：由A7组成滞回比较器见图4.13。比较电压 VREE=3V，上门限电压VH-=3.5 V；下门限电压VH-=2.7 V，RP2 为可调电阻。上门限电压VH+是设定水位线所对应的电压。为了防止控制电路产生误动作，设计VH+ - VH-应大于水面在设定水位线附近振动时输出电压产生的变化量。其工作过程是：当给容器中注入蒸馏水时，水面不断升高，但由于VO3VB+，输出电压VO为高电平；当水面到达设定的水位线时，VO3=VH+，VO变为低电平(利用这个电平变化去控制执行部件动作)。此后虽然35水位高度有所波动，但只要 VO3 VH-，VO仍保持低电平。当水面下降使输出电压 VO35s/cm 时为不合格水需要更换原料水，电导率1s/cm 时为不合格水，将其排除，电导率1s/cm 时为合格水，进入贮罐。水的去向用三通阀来控制。此控制涉及的信号有：三通阀的开限位和关限位阀位反馈信号；控制三通阀的开 /关输出信号；电导率的模拟输入信号。其控制电路图见图 4.16。图 4.19 电导控制的输入、输出电路图AIA/DPLC CPU PIDDOD/A蒸馏水出口420mA二位三通阀贮罐排出电导仪背板总线背板总线图 4.20 蒸馏水出口电导检测控制4.6 温度变送器选用 Pt100 铂电阻温度变送器测温范围： 200500A等级允差（）： ( 0.15 + 0.002| t | )38温度采集单元温度采集单元由精密电压源电路、测温电桥等组成，将测温点温度传感器 Pt100送来的温度信号(电阻值)转为电压信号。信号放大器由集成运放 LM124 及外围元件组成放大器。该放大器的放大倍数在一定范围内可调，以便将温度采集单元送来的电压信号放大到一定的幅值，以满足 PLC 的模拟量输入模块的电平要求。AIA/DPLC CPU DOD/APt 100蒸馏水出口末效蒸汽冷凝器冷却水温度变送器小流量阀门中流量阀门背板总线背板总线图 4.21 冷却水回路温度检测控制4.7 二位三通电控换向阀本设计选用 8020750 型号。 工作压力 0.150.8MPa; 环境温度-540 有效面积 40m 换向时间0.06S 寿命200 万次 电压 220V外型：39图 4.22 二位三通电控阀外型4.8 PLC 配置PLC 采用 SIEMENS 的 S7-300 系列，根据控制要求，PLC 总体配置如下：模块（PS）：PS307/10A中央处理模块（CPU）：选用 CPU315/CPU315-2DP数字量输入模块（DI）：选用 SM321 共一块（