生产过程控制系统设计(PLC控制)

毕业设计（论文）任务书课题名称 生产过程控制系统设计（PLC控制）学院(部) 电子与控制工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学生姓名 周良军 学 号 月 日至 月 日共 周指导教师(签字) 教学院长(签字) 年 月 日毕业设计任务书一、 设计内容（论文阐述的问题） 本设计的背景是利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥料,要求为该生产过程设计相应的控制系统。 造纸企业污染排放是我国水污染的一个主要原因。将造纸厂的废水直接排放会导致生态环境严重恶化，而废水污染治理不仅技术复杂，而且投资很大，因此造纸废液治理成为企业和社会日益关注的问题。 另一方面，造纸黑液也含有大量的可利用成分，其中含氮、钾（硫酸钾）、磷、硅及有机物等因此。可以将造纸厂排出的黑液浓缩后，与有机质预配料混合,再通过喷雾干燥成复合肥，达到治理造纸黑液的目的。利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥的简化工艺过程如图所示。由图可见，经浓缩后的造纸黑液经泵P1送入1#储料罐，有机配料浓液经泵P2送入2#储料罐中。经泵P3、P4将两种液体输入反应器3#罐中，先加热到一定温度，然后进行搅拌。搅拌一段时间后由P5送入4#原料罐中，再由高压泵P5打入压力式干燥器中进行干燥处理，产品由干燥器下部收集。 对上述过程控制要求如下： 一、用PLC实现逻辑控制： (1)按下总启动按钮,P1、P2启动运行，将浓缩造纸黑液和配料浓液分别打入1#、2#罐；（2） 1#、2#罐控制： 1#、2#罐液位达到上限时 P1、P2，P3、P4 ；1#、2#罐液位达到上限时P3、P4，P1、P2。（3） 3#罐控制 3#罐液位达到上限时：1） P3、P4；2） 电加热器，加热到40OC时，电加热器，搅拌电机；3） 搅拌时间到2min时搅拌电机，P5。 3#罐液位达到下限时，P5。（4）4#原料罐控制： P5 4#罐液位达到上限时送风机电磁阀VP6 P5 4#罐液位达到下限时 P6电磁阀V送风机二、过程参数检测：1、 反应器温度；2、干燥器温度；3、蒸气加热器出口温度；4、高压泵P6出口压力5、14#罐液位指示三、用自动化仪表实现干燥器内温度控制控制：1、 控制方案设计（控制量、干扰量等）2、 调节器选择（型号、控制规律、正/反作用等）3、 调节阀（作用形式、流量特性等）4、 工程设计（仪表接线图等）四、设计原始资料（实验、研究方案）1、 1#、2#罐尺寸H(mm)：30005000；反应器尺寸H(mm)：200030004#罐尺寸H(mm)：500080002、 高压泵压力(Mpa)：263、 干燥器进风温度(C)：300-3504、 反应器电加热功率(KW)：305、 P1P4功率（KW）：5.5； P5功率（KW）：7.5； P6功率（KW）：12；6、送风机功率（KW）：7.5三、设计完成后提交的文件和图表（论文完成后提交的文件）1. 计算说明书部分：（1） 设计背景及工艺过程描述（2） FX2N系列PLC的主要特点（3） 过程控制系统的工程设计方法（4） PLC控制系统构成（5） 干燥器温度控制方案的确定（6） 过程检测控制仪表及主要控制电器选择（7） PLC逻辑控制程序的设计及分析说明（8） 元件名称及符号一览表（9） 设计总结2、图纸部分： 1、控制工艺流程图 2、主电路原理图 3、PLC接线原理图 4、过程控制方框图 5、控制柜元件布置图 6、仪表接线图 注：以上图纸任选一张手工绘制。四、毕业设计（论文）进程安排序号 设计（论文）各阶段名称 日期（教学周）1 收集资料，学习相关知识 2 过程控制系统设计 3 PLC控制系统逻辑控制系统设计 4 PLC控制程序的设计 5 工程图纸绘制、审定 6 设计完善，答辩准备 五、主要参考资料 长安大学毕业设计（论文）开题报告表课题名称生产过程控制系统设计（PLC控制）课题来源自选项目课题类型工程设计指导教师王俭老师学生姓名周良军学 号专 业电气工程及其自动化一、课题意义：可编程控制器（PLC）产生于上世纪六十年代，作为一种新兴的工业控制设备，它集合了计算机技术和自动化技术。其灵活可靠、功能强大、使用方便的优点，使得可编程控制器在控制系统中的应用越来越广泛。随着科技的飞速发展，现在的可编程控制器已经拥有了很多的功能，可以用于逻辑控制、模拟控制、设备控制、自动化生产控制等。还可以与其他的计算机等设备组成集散控制系统。可编程控制器之所以能得到飞速发展，是因为它和传统的电器控制相比有很多优点，它继承了传统控制方式的控制效果和功能，它还有传统控制方式无法实现的功能。具体的说，相对于传统的控制方式，它有以下优点：1.控制方法，传统控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合进行控制逻辑，其明显的缺点是线多且复杂、体积大、功耗大。系统一旦架构完毕，将无法进行实时的系统改进和升级。可编程控制器因为采用了计算机技术，其逻辑是以方程式的方式存在存储器里，因此，在结构上体积小、接线少、功耗小。触点结构也可以灵活的扩展。2.控制速度，传统控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快， 程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。3.控制精度，传统控制电路由于机械接触问题，无法达到可编程控制器精度高。4.可靠性，传统的控制系统用机械触点接触，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。正因为上述优点，可编程控制系统在工业控制中的普遍应用是势在必行。对于造纸废液处理系统，使用可编程控制系统进行控制，也能极大的提高生产效率和节约成本。二、课题的目前发展状况随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能正在不断的改进，各个厂家也在不断推出自己的新产品，产品的更新换代速度很快。在造纸废液处理这个领域，传统的技术大多使用的传统的控制方式继电器式。但是很多大型现代化的污水处理企业已经开始使用PLC控制系统。相比之下，PLC控制系统在控制性能和了或新性上都超过传统控制方式，在行业内也得到了广泛的认可。逐步在新一轮的技术改造中占据优势。PLC正朝着两个方向发展，一是微小型，具有体积更小、速度更快、功能更强、多功能、兼容性更好等特点，为小型化、低成本的控制要求服务；二是大型，在具有以上特点的同时，还具有网络化、通信等特点，以满足组网功能，组建整个工厂的自动化控制系统。在造纸行业的应用，也会是朝着这个方向发展。三、 设计方案的初步考虑(或“主要技术路线”)造纸废液生产颗粒状复合肥料（plc）控制系统主要分两大（系统）部分组成，一是配料反应系统，二是干燥处理系统。配料反应系统：要实现配料，其方法大致有：1、通过调节泵P3、P4的流量来实现对原料成比例注入反应罐的控制。2、通过调节1#、2#罐的液位上下限来实现对原料成比例注入反应罐的控制。3、在反应罐中设置上中下三个液位限，按先后顺序注两种原料，以此来实现对原料成比例注入反应罐的控制。本反应罐需要一定的时间进行加热和搅拌，所以无需连续注入原料，因此，选择第三种方式实现。反应罐中恒温搅拌阶段温度波动小于1，其控制过程示意图如图所示：调节器温度检测反应罐干燥处理系统：原材料经过反应、加热、搅拌等工序以后，形成了高浓度的糊状物质，储存在4#原料罐中，经过高压泵P6打入到干燥器中，干燥后最终得到我们的产品。要实现该干燥过程的自动控制，首先要选择出合适的被控参数，要检测产品是否干燥合格，最直接的方法就是检测产品中的水分，但是由于技术等原因，测量水分十分困难，所以，我们选择干燥器温度作为被控参数。温度波动小于2.在干燥过程中分别有原料流量、空气量、蒸汽量影响干燥器温度，分别会形成不同的控制方式，具体的控制示意图分别如下：图1图2图3按照图1使用原料流量作为控制参数时，控制通道滞后最小，对干燥温度的校正是最灵敏的，绕的通道的时间延迟大并且作用位置靠近调节阀，从控制方面来看是最好的选择。但是，该生产过程的最终产品是颗粒状的复合肥料，要检测产品的生产能力会很难实现，因此，图1所示控制工艺不可取。图2、图3所示控制工艺区别在于：由于换热器是一双容对象，时间常数大，因而采用风量为控制参数时，图2控制系统的控制通道的时间常数小，扰动通道的时间常数则大；采用蒸汽量为控制参数时（图3），控制通道时间常数大，扰动通道时间常数反而小。此外，采用风量为控制参数时，扰动作用点位置靠近调节阀，根据相关选择控制参数的原则，选择空气量为控制参数的方案为最佳，亦即图2控制方案。四、 课题的进程安排1、2月20日4月5日 收集资料，学习相关知识2、4月5日4月20日 。控制方案设计3、4月20日5月5日 。总体设计4、5月5日5月15日 。控制程序设计5、5月15日5月20日 工程图纸绘制、审定6、5月20日6月1日 设计完善，答辩准备指导教师意见及建议：指导教师签名： 年 月 日注：1、课题来源分为：国家重点、省部级重点、学校科研、校外协作、实验室建设和自选项目；课题类型分为：工程设计、专题研究、文献综述、综合实验。 2、此表由学生填写，交指导教师签署意见后方可开题。摘 要在我国，造纸业是传统的用水大户，造纸企业污水排放是我国水污染的一个主要原因。将造纸厂的废水直接排放会导致生态环境严重恶化，而废水污染治理技术复杂，投资大，造纸废液治理成为企业和社会日益关注的问题。另一方面，造纸黑液也含有大量的可利用成分，其中含氮、钾、磷、硅及有机物等。因此，可以将造纸厂排出的废液浓缩后，与有机质预配料混合,再通过喷雾干燥成复合肥，达到治理造纸废液的目的。本设计的背景是利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥料，要求为该生产过程设计相应的自动控制系统。首先要通过工艺流程确定控制内容，根据控制内容确定系统控制方案。系统中包含逻辑控制和过程控制。逻辑控制是控制生产过程中各台设备的起停，用FX2N系列PLC编程实现。过程控制是对干燥器内的温度进行控制，令其保持在一定的数值，过程控制部分用常规仪表实现。整个设计通过逻辑控制与过程控制的配合，可以实现生产过程全自动，保证产品质量，进行故障报警及显示关键字：生产过程，控制系统，PLC，仪表ABSTRACTIn our country, papermaking industry is one of the traditional using water rich and influential family also is one of the important pollution sources of the water pollution. Sewage of paper mills is a major cause of water pollution in China. The direct discharge of wastewater will lead to serious deterioration of the ecological environment, and the technology of sewage treatment is complex, the investment in sewage treatment is large. Paper Mill sewage treatment become increasingly concerned. On the other hand, Sewage of paper mill also contains a lot of the available ingredients, including nitrogen, potassium, phosphorus, silicon and organism and so on. Therefore, we can concentrate the sewage of paper mills, and mix it with organic ingredients, then dry it to fertilizer by spray, so that the paper waste water can be treated.The background of the design is to use the waste water from paper industry product fertilizer, it makes demands on designing the automatic control system for the product process. First of all, determine control content through the process, determine system control programme according to the control content. In this system, it included the logic control and process control. Logic control is to control that when an equipment should start or stop in the production process by programming with FX2N PLC. Process control is to control temperature in the dryer, using conventional instruments to maintain a certain value.By the logic control and the process control, this design can automate the production process, ensure the quality of product, make fault alarm and display.key word：production process, PLC, control systems, instrument目录毕业设计任务书2长安大学毕业设计（论文）开题报告表5摘 要10ABSTRACT11目录12第一章 绪论141.1 造纸废液处理的意义141.2 过程控制技术的发展141.3 可编程逻辑控制器（PLC）的发展151.4 PLC生产过程控制系统16第二章 控制方案比较、设计172.1 工艺过程分析172.2 配料（混料）反应系统182.3 干燥处理系统192.4控制原理图202.4 调节阀流通能力的计算222.3.1 调节阀（空气类介质）Kv值计算222.3.2 调节阀选择的一般步骤232.3.3 本设计中调节阀内容的选择232.4 PID控制算法232.4.1 模拟PID控制系统232.5.2 数字PID控制器242.5.3 PID算法的程序实现252.5.4 标准PID的改进26第三章 控制系统的硬件设计313.1 可编程控制器313.1.1 可编程控制器（PLC）313.1.2 可编程控制器的基本原理313.1.3 PLC工作过程的特点333.1.4 系列可编程控制器343.2 模拟量输入模块343.3 模拟量输出模块353.4 液位计363.5 温度变送器373.6 压力变送器383.7 电动执行机构393.8 其他元器件423.8.1 断路器423.8.2 接触器423.8.3 热过载继电器43第四章 控制系统软件设计454.1 控制系统整体分析454.1.1 系统设计基本原则454.1.2 逻辑控制要求454.1.3 系统主电路图464.1.4 输入/输出点数统计464.1.5 PLC最终选型484.2 造纸废液处理控制程序设计与分析48第五章 系统控制参数整定555.1 系统采样周期的选择555.2 系统PID参数选择56总结58致谢59参考文献60附录61附录1 梯形图61附录2 程序清单67附录3 元器件明细表72附录4 常见液体粘度表74第一章 绪论1.1 造纸废液处理的意义造纸术作为我国古代“四大发明”之一，对人类文明的进步做出了巨大的贡献，但现代造纸工业却处在落后水平。在我国，造纸业是传统的用水大户，也是造成水污染的重要污染源之一。随着经济的发展，企业日益面临水资源短缺、原料匮乏的问题，而另一方面，水污染也越来越严重。目前我国造纸工业废水排放量及COD排放量均居我国各类工业排放量的首位，造纸工业对水环境的污染最为严重，它不但是我国造纸工业污染防治的首要问题，也是全国工业废水进行达标处理的首要问题。据统计，我国县及县以上造纸及纸制品工业废水排放量占全国工业总排放量的18.6%，其中处理排放达标量占造纸工业废水总排放量的49.3%，排放废水中COD约占全国工业COD总排放量的44.0%。近年经多方不懈努力，造纸工业水污染防治已经取得了一定的成绩，虽然纸及纸板产量逐年增加，但排放废水中的COD却逐年降低。由此看出，造纸工业初步实现了“增产减污”的目标。但目前造纸行业约占排放总量50%的废水尚未进行达标处理，废水污染防治任务还相当繁重。造纸黑液作为造纸工业的主要污染物，含有大量可利用成分。典型造纸黑液所含的污染杂质中，约有1/3为无机物，无机物主要包括大量的游离碱和硫化物。2/3为有机物，有机物主要是木质素、半纤维素、糖类和有机酸等。这些物质作为资源进行回收，就能化害为利，创造出极为可观的价值。因此对造纸黑液的治理，只有走资源化的道路，搞综合利用，才能从根本上解决污染环境的问题，并在取得环境效益的同时，还可取得良好的经济效益和社会效益。1.2 过程控制技术的发展回顾工业生产过程自动化的发展历程，在20世纪40年代前后，大多数工业生产过程均处于手工操作状态。当时人们主要是凭经验由人工去控制生产，生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程中的操作也靠人工去执行，劳动生产力相对低下。随着科学技术整体的的发展和提高，生产过程控制技术不断的进步，到20世纪90年代，生产过程控制技术更是发展迅速。纵观过程控制的发展历史，大致经历了以下几个阶段。仪表与局部自动化（50-60年代）阶段部分工厂实现了仪表化合局部自动化，这个阶段的过程控制技术主要特点是；采用的过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表，而且多数是气动仪表；过程控制系统的结构方案绝大多数是单输入-单输出的单回路定植控制系统，逐步开发应用串级控制系统；过程控制的主要工艺参数为温度、压力、流量、液位等热工参数；过程控制的主要目的是保持工业生产过程的生产稳定，减少或消除生产过程中的主要扰动；过程控制系统设计、分析的理论基础是经典控制理论中的根轨迹法和频域法。综合自动化（60-70年代中期）阶段在这一阶段中，工业生产过程出现了一个车间甚至于一个工厂的综合自动化，其主要特点是采用的过程检测控制仪表是单元组合式仪表（QDZ和DDZ仪表）和组装式仪表，并逐步采用数字计算机以及以微处理器为基础的集散控制系统；在过程控制系统结构方案的开发和应用方面，相继出现了各种复杂的常规控制系统和计算机控制系统，如均匀控制、比值控制、前馈控制、分程控制、选择性控制、多变量控制和DDC控制等；过程控制的主要目的是提高控制质量，或实现特种要求；过程控制系统设计的理论基础，由经典控制理论发展到现代控制理论；在这一时期，数字计算机开始应用于过程控制领域，如闭环计算机监控系统（SCC），DDC系统、SPC系统，从而引起了过程控制技术的重大变化，实现了局部最优化，推动了过程控制的新发展。全盘自动化（70年代中期至今）阶段在这一阶段里，现代工业生产过程自动化的程度很高，实现了全车间、全厂的工艺流程控制，其主要的特点是：对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机控制系统进行多参数综合控制，或者由多台计算机对生产过程进行控制和经营管理；以微处理器为核心的智能单元组合仪表的开发和广泛应用；在线成分检测与数据处理的测量变送器的应用；在DDZ-III型仪表方面，不仅产品品种增加，而且可靠性有了很大提高，适应了各种复杂控制系统的要求。1.3 可编程逻辑控制器（PLC）的发展可编程控制器（Programble Controller）由美国设备数字公司于60年代末首先开发出来，并在通用汽车公司的技术改造中得到了成功的应用。主要实现多种逻辑控制问题以取代传统的继电器硬接线方式控制系统，另外也具备简单的逻辑处理、计数、定时功能。到20世纪70年代后期，人们将微处理器应用于PLC中，使之成为一种专业的工业控制计算机，功能大大增强。逐渐成为实现工业自动化的主要手段之一。PLC正朝着两个方向发展，一是微小型，具有体积更小、速度更快、功能更强、多功能、兼容性更好等特点，为小型化、低成本的控制要求服务；二是大型，在具有以上特点的同时，还具有网络化、通信等特点，以满足组网功能，组建整个工厂的自动化控制系统。随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能正在不断的改进，各个厂家也在不断推出自己的新产品，产品的更新换代速度很快。在造纸废液处理这个领域，传统的技术大多使用的传统的控制方式继电器式。但是很多大型现代化的污水处理企业已经开始使用PLC控制系统。相比之下，PLC控制系统在控制性能和了或新性上都超过传统控制方式，在行业内也得到了广泛的认可。逐步在新一轮的技术改造中占据优势。1.4 PLC生产过程控制系统可编程控制器（PLC）作为一种新兴的工业控制设备，它集合了计算机技术和自动化技术。其灵活可靠、功能强大、使用方便的优点，使得可编程控制器在控制系统中的应用越来越广泛。随着科技的飞速发展，现在的可编程控制器已经拥有了很多的功能，可以用于逻辑控制、模拟控制、设备控制、自动化生产控制等。还可以与其他的计算机等设备组成集散控制系统。可编程控制器之所以能得到飞速发展，是因为它和传统的电器控制相比有很多优点，它继承了传统控制方式的控制效果和功能，它还有传统控制方式无法实现的功能。具体的说，相对于传统的控制方式，它有以下优点：1.控制方法，传统控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合进行控制逻辑，其明显的缺点是线多且复杂、体积大、功耗大。系统一旦架构完毕，将无法进行实时的系统改进和升级。可编程控制器因为采用了计算机技术，其逻辑是以方程式的方式存在存储器里，因此，在结构上体积小、接线少、功耗小。触点结构也可以灵活的扩展。2.控制速度，传统控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快， 程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。3.控制精度，传统控制电路由于机械接触问题，无法达到可编程控制器精度高。4.可靠性，传统的控制系统用机械触点接触，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。第二章 控制方案比较、设计2.1 工艺过程分析利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥的简化工艺过程如图2-1所示：图2-1 废液生产颗粒状复合肥简化工艺过程图工艺过程可以如下描述，在颗粒复合肥的生产过程中，经浓缩后的造纸黑液经泵P1送入1#储料罐，有机配料浓液经泵P2送入2#储料罐中。经泵P3、P4将两种液体输入反应器3#罐中，先加热到一定温度，然后进行搅拌。搅拌一段时间后由P5送入4#原料罐中，再由高压泵P5打入压力式干燥器中进行干燥处理，产品由干燥器下部收集。通过对整个工艺过程的分析，可以将该生产过程分为两大部分，如图2-2所示，即混料反应过程和干燥工程。图2-2 生产工艺示意方框图据此，我们将造纸废液生产颗粒状复合肥料（plc）控制系统主要分两大（系统）部分组成：一是配料（混料）反应系统，如图2-3所示；二是干燥处理系统，如图2-4所示。图2-3 配料（混料）反应系统图2-4 干燥系统2.2 配料（混料）反应系统图2-3配料（混料）反应系统的工艺过程控制仪描述为，将1#、2#罐中的反应液按一定得要求倒入3#反应罐中，进行加热到T,然后进行搅拌工序，搅拌t时间后，将3#罐中的混合料打入4#罐中，准备进入干燥系统。如何将1#、2#罐中的原料注入3号罐中，以实现原料的按比例注入，其方法大致有以下几种：第一种设计方法，通过调节泵P3、P4的流量来实现对原料成比例注入反应罐的控制。该设计方法能够实时的实现原料的按比例注入，更利于原料的混合，但是要通过PLC实现，则需要采用比例，比例-积分-微分等复杂的控制。对现场的仪表、设备及整个系统的要求比较高。第二种设计方法，通过调节1#、2#罐的液位上下限来实现对原料成比例注入反应罐的控制。该设计方法利用简单的设备，即实现了原料的按比例注入，考虑到3#反应罐在混料后有搅拌过程，所以，这种方法也不会出现原料混合不均的情况。但是，这种方法却无法最好的利用大容量的1#、2#储料罐的储料功能。第三种设计方法，在反应罐中设置上中下三个液位限，按先后顺序注两种原料，以此来实现对原料成比例注入反应罐的控制。这种方法基本上克服了第一、二种方法中的缺点，同时，也满足了基本的要求。经过对已知三种方法的对比分析，在本设计中选择第三种设计方法进行3#罐的原料按比例注入控制。2.3 干燥处理系统图2-4干燥系统的工艺过程可以描述为，来自1#、2#原料罐的原料在3#罐经过反应、加热、搅拌等工序以后，形成了高浓度的糊状物质，储存在4#原料罐中，经过高压泵P6打入到干燥器中，干燥后最终得到我们的产品。要实现该干燥过程的自动控制，首先要选择出合适的被控参数，要检测产品是否干燥合格，最直接的方法就是检测产品中的水分，但是由于技术水平等原因，测量水分十分困难，所以，我们选择干燥器温度作为被控参数。温度波动小于1.在干燥过程中分别有原料流量、空气量、蒸汽量影响干燥器温度，分别会形成不同的控制方式，具体的控制示意图分别如下：图2-5 以混合料流量为控制参数的控制方案示意图图2-6 以进风量为控制参数的控制方案示意图图2-7 以蒸汽量为控制参数的控制方案示意图说明：f1(t)混合料流量；f2(t)风量；f3(t)蒸汽量。按照图2-5使用混合料流量作为控制参数时，控制通道滞后最小，对干燥温度的校正是最灵敏的，绕的通道的时间延迟大并且作用位置靠近调节阀，从控制方面来看是最好的选择。但是，该生产过程的最终产品是颗粒状的复合肥料，要检测产品的生产能力会很难实现，因此，图2-5所示控制工艺不可取。图2-6、图2-7所示控制工艺区别在于：由于换热器是一双容对象，时间常数大，因而采用风量为控制参数时，图2-6控制系统的控制通道的时间常数小，扰动通道的时间常数则大；采用蒸汽量为控制参数时（图2-7），控制通道时间常数大，扰动通道时间常数反而小。此外，采用风量为控制参数时，扰动作用点位置靠近调节阀，根据相关选择控制参数的原则，选择空气量为控制参数的方案为最佳，亦即图2-6控制方案。2.4控制原理图图2-8 控制原理图2.4 调节阀流通能力的计算调节阀额定流量系数的定义是：在规定条件下，即阀的两端压差为105Pa，流体的密度为1g/cm3，额定行程时流经调节阀以m3/h或t/h的流量数。调节阀的流通能力值，是调节阀的重要参数，它反映流体通过调节阀的能力，也就是调节阀的容量。根据调节阀流通能力值的计算，就可以确定选择调节阀的口径。为了正确选择调节阀的尺寸，必须准确计算调节阀的额定流量系数值。2.3.1 调节阀（空气类介质）Kv值计算调节阀的流通能力Kv值，介质不同，算法也不同。本设计选用的调节阀是用来控制进风量的，属于气体类介质，所以计算Kv值夜选用气体类算法。a.一般气体当P20.5P1时当P20.5P1时式中：P1阀前压力（绝对压力）KPa；P2阀后压力（绝对压力）KPa；Qg标准状态下气体流量m3/h；Pm(P1、P2为绝对压力)KPa；P=P1-P2；G气体比重（空气G=1）；t气体温度；b.高压气体（PN10MPa）；当P20.5P1时， 当P20.5P1时，式中：Z气体压缩系数，可查GB2624-81流量测量节流装置的设计安装和使用。2.3.2 调节阀选择的一般步骤（1）首先根据生产能力和设备负荷计算最大流量Qmax和最小流量Qmin。（2）根据所选择的流量特性及系统特点选定S值，然后再根据压力分配和管路损失，确定最小压差Pmin和最大压差Pmax。（3）按流通能力计算公式，求行最大流量时的Kvs。（4）根据Kvs在所选产品型式的标准，选取大于Kvs并接近的Kv值。（5）根据选定的Kv值和流量特性，验证调节阀的开度，要求开度在10%与90%之间。（6）计算R，验算可调比。（7）名项验证合格后，根据Kv值确定调节阀的口径。2.3.3 本设计中调节阀内容的选择1、在过程控制系统中，调节阀的、必须很好的选择，在正常情况下要求调节阀的开度在15%-85%之间。这样才能避免口径选择不合适。如果过小，当系统受到较大扰动时，调节阀可能运行在全开或者接近全开的非线性饱和工作状态，使系统暂时失灵。当口径过大时，系统运行过程中阀门就会长时间处在小开度状态，不但调节不灵敏，而且易造成流体对调节阀本身的损坏。2、综合考虑，选择电开式、气开始调节阀，这样符合选择调节阀的相关原则。2.4 PID控制算法PID控制分为模拟PID控制和数字PID控制两种方法，两种控制的基本原理虽然一样，但是由于其实现的方法不一样，所以两者还是有一定的差别。2.4.1 模拟PID控制系统一、模拟PID控制系统组成 图2-9 模拟PID控制系统原理框图二、模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 1、PID调节器的微分方程 式中 2、PID调节器的传输函数 三、PID调节器各校正环节的作用比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。2.5.2 数字PID控制器一、模拟PID控制规律的离散化模拟形式离散化形式二、数字PID控制器的差分方程式中 称为比例项 称为积分项 称为微分项三、常用的控制方式P控制 PI控制 PD控制 PID控制 四、PID算法的两种类型 、位置型控制 、增量型控制 图2-10 数字PID位置型控制示意图图2-11 数字PID增量型控制示意图2.5.3 PID算法的程序实现一、增量型PID算法的程序流程1、增量型PID算法的算式 式中，2、增量型PID算法的程序流程 图2-12 PID算法程序流程框图 二、位置型PID算法的程序流程 1、位置型的递推形式 2、位置型PID算法的程序流程图519只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。 三、对控制量的限制1、控制算法总是受到一定运算字长的限制2、执行机构的实际位置不允许超过上(或下)极限 2.5.4 标准PID的改进一、微分项的改进1、不完全微分PID算法 、不完全微分型PID算法传递函数 图2-13 不完全微分型PID算法传递函数框图 、完全微分和不完全微分作用的区别 图2-14 完全微分和不完全微分作用的区别 、不完全微分型PID算法的差分方程 4、不完全微分型PID算法的程序流程图2-14 2、微分先行和输入滤波 微分先行，微分先行是把对偏差的微分改为对被控量的微分，这样，在给定值变化时，不会产生输出的大幅度变化。而且由于被控量一般不会突变，即使给定值已发生改变，被控量也是缓慢变化的，从而不致引起微分项的突变。微分项的输出增量为 输入滤波，输入滤波就是在计算微分项时，不是直接应用当前时刻的误差e(n)，而是采用滤波值e(n)，即用过去和当前四个采样时刻的误差的平均值，再通过加权求和形式近似构成微分项 二、积分项的改进1、抗积分饱和积分作用虽能消除控制系统的静差，但它也有一个副作用，即会引起积分饱和。在偏差始终存在的情况下，造成积分过量。当偏差方向改变后，需经过一段时间后，输出u(n)才脱离饱和区。这样就造成调节滞后，使系统出现明显的超调，恶化调节品质。这种由积分项引起的过积分作用称为积分饱和现象。克服积分饱和的方法有：、积分限幅法，积分限幅法的基本思想是当积分项输出达到输出限幅值时，即停止积分项的计算，这时积分项的输出取上一时刻的积分值。其算法流程如图3-7所示。2、积分分离法积分分离法的基本思想是在偏差大时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于一预定的门限值时才进行积分累积。这样既防止了偏差大时有过大的控制量，也避免了过积分现象。其算法流程如图3-8。图2-15 积分限幅法程序流程图2-16 积分分离法程序流程3、变速积分法变速积分法的基本思想是在偏差较大时积分慢一些，而在偏差较小时积分快一些，以尽快消除静差。即用代替积分项中的 式中 为一预定的偏差限。二、消除积分不灵敏区 1、积分不灵敏区产生的原因 当计算机的运行字长较短，采样周期T也短，而积分时间TI又较长时，)容易出现小于字长的精度而丢数，此积分作用消失，这就称为积分不灵敏区。2、消除积分不灵敏区的措施：1）增加A/D转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度。2）当积分项小于输出精度的情况时，把它们一次次累加起来，即其程序流程如图3-9所示。图2-17 消除不灵敏区的程序流程框图第三章 控制系统的硬件设计3.1 可编程控制器3.1.1 可编程控制器（PLC）PLC(programmer logic controller),即可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程控制器的存储器，用来在其内部进行逻辑运算。顺序控制、定时、计算和运算操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制机械的生产过程，PLC及其有关外围设备，都易于扩充功能原则设计。可编程控制器具有以下特点：1可靠性高，抗干扰能力强工业生产一般对控制设备有很高的可靠性要求，应具有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠的工作，平均无故障间隔（MTBF）高，故障修复时间短。2功能完善PLC具有数字和模拟量的输入输出，逻辑算术运算定时，计数，顺序控制，功率驱动，通信，人机对话，自检记录和显示功能，使控制水平大提高。3编程简单，使用方便目前，大多数PLC均采用继电器式控制形式的“梯形图”编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观，又易于接受，因此普遍受到欢迎。4控制程序可变，具有很好的灵活性PLC只需改变程序就可以满足不同的要求，是PLC较继电器控制无可比拟的优点。5扩充方便，组合灵活PLC产品大多为模块化设计，都有扩充插口，可以适应各种不同的工业控制需要。3.1.2 可编程控制器的基本原理PLC基本组成部分有输入部分，逻辑部分和输出部分。输入部分是指各种按钮、行程开关，接近开关，转换开关。逻辑部分是由各种继电器及触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路。输出部分是各种继电器。接触器和电磁闸以及信号灯等执行电器。图3-1 PLC基本组成形式各部分的主要功能作用：输入部分：它收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。逻辑部分：处理输入部分所取得的信息，并且按照被控对象的实际动作要求，做出逻辑反映。输出部分：可提供正在被控制的许多装置中的某些设备实时操作处理。可编程控制器的主要逻辑部件：a. 继电器逻辑：1 输入继电器 2输出继电器 3内部继电器定时器逻辑：1定时条件,2定时语句,3定时器当前值,4定时继电器;计数器逻辑：1计数器的复位信号,2计数器的计数信号,3计数器设定值的记忆单元,4计数器当前计数值单元,5计数器继电器.b. 触发器逻辑 c. 移位寄存器d. 数据寄存器可编程控制器内部存储单元有“I”和“O”这两种状态，对应于继电器的“ON”“OFF”状态，软件为“软继电器”，它与通常的物理继电器相比有以下特点：e. 体积小，功耗低f. 无触点，速度快，寿命长g. 有上千个常开、常闭触点，供程序使用，在使用过程中不考虑触点容量。可编程控制器的内部硬件组成：a. CPU（centrol process unit）它是PLC核心组成部分，功能与微机的CPU功能一致。b. 系统程序存储器它用以存放系统工作程序（监控程序），模块化应用功能子程序，命令解释、功能子程序调用管理，存储各种系统参数等功能。c. 用户存储器用以存放用户程序，即存放通过编程器输入的用户程序d. 输入输出组件（I/O）模块I/O模块是CPU与现声I/O装置或其它外部设备之间的连接部件。e. 编程器编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视。f. 外部设备g. 电源其原理图如下所示：图 3-2