反应釜自动控制系统

1、300L反应釜加热闭环控制系统设计 温度控制接口设计学院：核技术与自动化工程学院专 业：电气工程及其自动化 指导老师：彭焕荣 小组成员：何迟、闵志鹏、李岩李荣、郑远锋、许新目录前言 （3）一、元件参数 （3-5 ）1. LM2907主要特点2. 电性能参数3. 引脚排列及内部结构二、 技术指标 （5-6）三、控制程序流程图 （6）四、设计控制过程 （7）五、设计结果及问题讨论 （8-9）据反应釜当前生产现场情况，反应釜的送料完全是人工控制，通过磁力泵 从原料罐送到反应釜的，由于产品的不同，混合原料的粘度和比重均不相同， 因此单位时间内磁力泵输送的原料重量是不同的变化的，反应釜的化学反应速 度，

2、在很大程度上取决于原料，以及氧化剂和还原剂的加入速度。 现在只能由 人工依据反应釜的温度和出口温度，初略判断反应釜内的化学反应情况， 控制 阀门开度，这样就很难真正控制好化学反应速度， 使产品质量的稳定性和进一 步提高反应釜的生产能力都受到了制约。经过仔细的系统分析，参照近代控制论原理，借鉴最新型的控制技术，本 方案拟在原料罐磁力泵的出口增加一套电动调节阀，并在氧化剂、还原剂的气动输送泵管路上，再分别各安装电动调节阀。根据反应釜内的温度及出口温度， 自动调节加料阀门的开度，同时自动调节反应釜夹套冷却水回流阀门的开度， 组成一个智能化的多参数的自适应控制系统，以达到进一步综合控制好化学反 应速度

3、，最终优化整个反应过程的升温曲线的目的。一、元件参数及LM2907芯片介绍LM2907为集成式频率/电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益 运算放大器，能将频率信号转换为直流电压信号。LM2917与 LM2907基本相同，区别是：LM2917内部有一只稳压管，用于提高电源的稳定性。1主要特点LM2917进行频率倍增时只需使用一个 RC网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；运算放大器/比较器采用浮动三极管输 出；最大50mA勺输出电流可驱动开关管、发光二极管等；内含的转速计使用充 电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为30mV利用这个特性可以抑制外界干

4、扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为土 0.3%;具有 保护电路，不会受高于Vcc值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时， LM2907的输出电压可根据外围电路自行调节；当输入频率达到或超过某一给定 值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。2电性能参数LM2907的主要电性能参数如表1所列:表1 LM2907的主要电性能参数（Vcc=12VDC,TA=25琴数TypVnits转速计输入门限±w±25±40nV30mV偏移电压 L5I2TO/LM2S1T LM29G7/LM291T-S3.551015mV mV输入基堆电流0.11曲V0K8.3V

5、VOL2.3V输出电流140ISO240站漏电瀛0. 1|1A増益参数0.9101 1线性度-1.00.3+1.0%DF/AMF比较器V0S310mVIEIAS50500nA共模输入电压0Vcc-l.SV¥电压増益200VM输出灌电疣4050mA辅出源电凉10mA馆和电压a. i0.5V10V1.0ISV3引脚排列及内部结构LM2907/LM2917 有 DIP8和 DIP14两种封装形式。LM2907的 DIP14 的内 部结构如图1所示，DIP8的内部结构及各引脚功能可参考图2。各引脚功能如 下： 1脚（F）和11脚（IN-）为运算放大器/比较器的输入端； 2脚接充电泵的定时电容

6、（C1）; 3脚接充电泵的输出电阻和积分电容（R1/C2）; 4脚（IN+）和10脚（UF1）为运算放大器的输入端； 5脚为输出晶体管的发射极（U0; 8脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（UC ; 9脚为正电源端（VCC ; 12脚为接地端（GND; 6,7, 13, 14 脚未用。图2f LM2907（DIP8）的频率/电圧转换电路二、技术指标LM2907为集成式频率/电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高 增益运算放大器，能将频率信号转换为直流电压信号，后接加热、降温电路。我们采用频压转化电路将频率信号转化成电压信号，进而控制加热与降温电路工作。用集成式频率/电压转换器LM2907,

7、配以外加电路，能将经 PC机处理后输出的频率信号转换为直流电压信号， 电压信号控制继电器 （相当于开关）工作从而使电路联通，电风扇或加 热丝工作。在一定范围内，LM2907的频率和电压转换可成线性关系，可以实现电热丝加热功率和 风扇转速的连续可调。由于技术原因，我们未能实现这项功能，预留此项功能，可以作为功 能扩展。三、控制程序流程图自动控制系统硬件框图如下:扰动单片机手调节阀釧蒸磬路Fl反应釜A/D模块接口电路原理图:+12C2H0IAONM 2TACHCTOTACHCCLIN-EMITIN-xcCHPCAPNCNCXCIJ1S5 BoLAC907NQ4)N113QUo四、设计控制过程本控制

8、系统仍以上位机采用高性能的组态软件， 开发操作可靠、简单易学、 实用稳定的监控程序，具有全中文界面，实时数据显示、流量和温控曲线、报警 和操作记录，以及完整的生产报表等管理功能，并嵌入反应釜智能化自动控制模 块。考虑到由于实际装置的设备共有 4个反应釜（现有3个，改造时将再增加1 个），并列为2套相同的流程，每套流程公共用1组原料、氧化剂和还原剂加料 装置，故加料部分原料、氧化剂和还原剂加料电动调节阀门2组，共6个，在电动调节阀之后在装置并联的电控截止阀 2组，共12个，完成在2个反应釜之间 加料的切换。再配置冷却水回水调节阀门，每个反应釜装置1个，共4个DG65电动调节阀。全系统共有10个调

9、节回路。本系统将分三个层次来完成对反应釜生产过程综合控制：第一层次：完成接收电子秤的秤重信号，计算出化学原料单体、氧化剂和还原剂 的瞬时流量、平均给料流量等参数，反应釜及出口温度的实时显示。第二层次：根据给料流量，结合反应釜及出口温度以及各种工艺条件，自动调节反应釜温度，并优化主要工艺参数的越界报警和处理功能。第三层次：根据工艺模板所要求的总加料量、 配方和加料时序；反应釜升温曲线 等不同的控制特性，通过新增加的单片机模拟输出调节模块， 反应釜冷却水回水 电动调节阀，原料罐、氧化剂和还原剂的电动调节阀，实现反应釜全过程化学反 应的智能化自动控制。上位工业控制计算机作为人机界面，可以实现以下功能

10、。1 实时动态显示各设备运行状态，包括原料罐重量的实时变化，各种物料的给 料流速，阀门动作情况和温度显示等。模拟流程图形逼真、直观。2显示各工艺参数的实时曲线和历史曲线，与设定工艺曲线进行比较，指导工 艺操作。历史曲线可保存一年或以上数据，用户可随时查阅3预先贮存各种工艺曲线和配比，根据各产品的工艺要求，可随时给单片机发 出控制要求，完成生产品种和生产工艺的快速变换。4 完善的主要工艺参数的越界报警和处理，确保生产过程的安全性。5 打印各种生产和统计报表。具有较强的管理功能，可打印各批次实配重量及 温度、压力等数据，对贮存数据进行成本核算及工艺分析。6 手动和自动无扰动切换。为加强系统的可靠性

11、，又不失灵活性，本系统设置 计算机屏幕操作，手动、自动及操作台按钮开关，手动、自动两套工作方式，阀 门的操作采用智能控制仪表手操器，确保进行无扰动的切换操作。7采用自适应补偿技术，电子秤的秤量误差可得到最有效的补偿。8 采用智能化控制技术，通过对反应釜夹套冷却水回水和物料加入速度的多参 数自动优化调节、对反应釜温度的动态自适应 PID调节，反应釜中整个化学反应 过程可得到更稳定有效的控制。其中第三个层次是本次改造的主要内容，为此，单片机模块配置中要增加具有 DA输出的模拟量输出模块和开关量输出模块，包括扩展基板、电源和连接电缆。 用于自动调节加料过程的电动调节阀，手操器，2个反应釜切换加料之用

12、的电动截止阀等硬件。以及完成上述全部功能的智能控制软件的开发。五、设计结果及问题讨论1设计结果分析本次课程设计的结果是模拟反应釜温度采集存储系统，按下B键，输入10个温度数据，每个数据输入以 A键结束。然后若要存储此次输入的数据可按下 C 键进行数据的存储将其存入AT24C02存储器芯片中或按下D键显示本次输入的温 度数据以便于查看温度输入是否正确。若正确则可关闭电源后，再打开实验仪， 按下E键，方可进行断电前数据的查询后可按下 B键更新温度采集存储系统。若 不正确，可再次按下B键进行正确数据的输入即可。2.问题讨论本次课程设计中遇到的最大问题就是总控程序的逻辑实现问题。开始闭关没有把各项功能

13、分开，而是想当然的把输入数据和存储数据放在了一个功能块，把读出数据和显示数据放到了一个功能块。 而各个功能块间程序的编写出现了冲突 而又不易被发现，导致设计进度一直无法向前。也由于比较毛躁的心理，无法发 现错误在何处。后与同学讨论，决定把各个数据段功能分开实现其相应， 以便于 问题的发现和解决。3、总结与体会从未接触过硬件和软件结合的课程设计。第一次接触到本设计时感觉应该还 比较简单，因为发现周围同学的设计课题都比我的要复杂。 后真正着手去做时才 发现不仅硬件方面出现了问题，软件方面更存在很多问题。开始设计时对使用的几个硬件模块不是很了解。第一次就把原理图给画错 了，因为我直接将AT24C02

14、存储器芯片与主机的PCI板卡相连。后经老师指点才 知道AT24C02虽然是存储器芯片，可却挂在总线上，且与主机之间有数据的交换， 一定要有输入输出接口，而只有两根线：SDA和 SCL故接口要有独立可控的数据端口，后经考虑8255再合适不过了。这时我才发现自己的硬件知识是多么的缺乏， 连输入输出接口都没有怎么可 能进行主机与外设的数据交换呢。而这些我明明知道却没有将其应用，将知识应 用于实践的能力太差。后仔细研习老师给的资料，掌握I2C总线的通信协议，8279 的使用说明以及其与LED键盘的联系终于画出了正确的硬件原理图。而软件设计时出现了很多错误，虽然设计过程是痛苦的，可是完成设计时开 心的。此次设计虽然完成的不够好，系统具有比较大的局限性，但是还是完成了 要求系统的基本功能，而且从中受益匪浅。在课程设计即将结束