过程控制系统课程设计报告

PAGEPAGE9目录第一章概述 11.1设计目的 21.2具体任务 21.3氧化铝生产的意义 2第二章氧化铝高压溶出工序介绍 32.1铝工业的国内外现状 32.2氧化铝生产过程 42.3高压溶出工序 9第三章氧化铝高压溶出工序生产设备及控制要求 123.1双程预热器 123.2溶出器 123.3自蒸发器 133.4蒸汽缓冲器 14第四章氧化铝高压溶出工序3#溶出器温度控制系统设计 164.1方案论证 164.2硬件设计 174.3控制算法 204.4软件设计 21第五章总结 245.1方案评价及改进方向 245.2收获及体会 24参考文献 26第一章概述现代工业生产过程，随着生产规模的不断扩大，生产过程的强化，对产品质量的严格要求，以及各公司的激烈竞争，人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的要求，工业过程控制系统已成为工业生产过程必不可少的设备，因为，它是保证现代企业安全、优化、低功耗和高效益生产的主要技术手段。由于工业生产过程各种各样而且非常复杂，工业生产过程可分连续的生产过程和离散的生产过程。因此，在设计工业生产过程控制系统时，必须花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程控制系统的首要条件。工业生产过程由简单到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的生产工业过程，生产出各种各样的产品满足人们的生活需要。作为工业生产过程的一部分的工业过程控制系统也在不断发展和提高。在工业生产过程中，通常需要测量和控制变量有：温度、压力、流量、物位（液位）、物质成分和物性（PH值）等。1.1设计目的经过一个学期的过程控制系统课程的学习，对过程控制有了一个基本的了解。然而仅仅在理论方面是远远不够的，需要将所学的应用于实际生产过程中，只有这样才能真正的对过程控制有一个比较深入的认识，为以后的学习和工作打下一个良好的基础。通过这次课程设计，我们可以了解具体生产工业过程控制系统设计的基本步骤和方法。同时也对氧化铝的生产工艺有一个大概的认识，只有弄清楚生产工艺对控制的具体要求，才能去设计一个过程控制系统。1.2具体任务由于氧化铝的生产工序相当复杂，相关的控制系统也很复杂。因此在此次的课程设计中所做的是氧化铝生产中的高压溶出工序，其具体生产设备源自于郑州铝厂。本次课程设计的具体任务是设计氧化铝高压溶出工序中的3#溶出器温度控制系统。3#溶出器需要将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在+0.5摄氏度。溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳定，是提高溶出率的关键之一。1.3氧化铝生产的意义铝由于其自身的优良性能，一直以来都是经济发展过程中的重要材料，在国民经济的各个领域得到广泛的应用。近年来，铝产量大幅增长，作为电解铝的原料，氧化铝的供应显得尤为重要，国内氧化铝供应紧张、价格不断攀升。近年以来氧化铝的产量大幅攀升，供应的压力得到一定的缓解，价格也有一定程度的回落。但从长远来看，氧化铝作为资源性产品的供应应该得到重视，我们不仅要增加产量，更重要的是提升氧化铝的质量。从而提高铝产品的质量，满足日益增长的国民经济的需要。要提升氧化铝的质量，除了改进工艺之外，改善控制系统和提高控制精度也至关重要。第二章氧化铝高压溶出工序介绍2.1铝工业的国内外现状铝和铝合金是国民经济、国防军工和民用制品的基础原材料。铝工业是国家的基础工业之一。高性能铝合金是制造飞机、潜艇、火箭、导弹、鱼雷、坦克的重要部件的原材料，被称为国家的战略物资。氧化铝是铝生产的主要原料，2吨氧化铝可以生产1吨铝锭。我国具有丰富的铝土矿资源，迄今，我国已探明铝土矿矿区310处，分布于全国19个省、自治区、直辖市。其中工业储量7.05亿t，占总保有储量的31%。国内的氧化铝生产从50年代起步，80~90年代得到了快速发展，年生产能力已达到近800万吨。2006年氧化铝年产量约高达1300万吨，较去年同期提高57%，居世界第二位。国内氧化铝生产状况，改革开放以来，为适应国民经济发展的需要，国家在铝土矿资源丰富的四省区内大力发展氧化铝工业，规划并建成了山西铝厂，平果铝厂和中州铝厂等氧化铝项目。采用新工艺、新技术和先进设备，加大对已有的山东铝厂、贵州铝厂和郑州铝厂的技术改造，提高产能，形成了六个氧化铝厂为基地的生产布局。为进一步发挥桂西和晋北铝土矿资源优势，国家规划建设华银氧化铝和晋北氧化铝基地，进一步扩大氧化铝产能，使氧化铝基地由六个增加到八个。国内氧化铝供应紧张、价格不断攀升。据有关数据，2006年1-2月份，我国共生产氧化铝177.6万吨，同比增长44.6％。06年前9个月氧化铝产量为944万吨，较去年同期提高57%。2007年的国际市场上，虽然铝市呈现供需两旺的局面，但由于占全球铝产量近三分之一的中国铝产量增长过快，铝市短期内出现了供过于求格局。全球金属统计局（WBMS）去年10月中旬表示，2007年1-8月份全球铝市过剩36.8万吨。8月份原铝产量为325.76万吨，消费量为302万吨，去年前8个月原铝需求为2450万吨，较去前年同期增加19.67万吨。同期铝产量增加25.85万吨至2484万吨。全球铝需求的增长赶不上产出的增速。供应增长的压力在库存上得以显现，并成为铝价大幅回落的主要因素。2007年1-9月我国累计生产原铝890.1万吨，同比增长37.1%；累计生产铝材839.8万吨，同比增长47.1%。下游消费需求大幅增长的同时，氧化铝供应亦高水平增长。1-9月我国累计生产氧化铝1439.7万吨，同比增加50.7%。在供需两旺的情况下，供应方面的因素主导了下半年来氧化铝价格的走势。2.2氧化铝生产过程2.2.1自然界产出的铝矿石有各种类型，同一种类型的铝矿石中各种杂质的含量又各不相同。为了最经济地生产出氧化铝，对不同的铝矿石便需采用不同的生产方法。铝土矿的特点是化学组成和矿物组成多种多样，要采用不同的方法来处理。铝土矿处理方法和合理的工艺设备的选择取决于许多因素，其中主要的是：a.硅指数，b.原料中硫化物；碳酸盐和有机物的含量；c.铝化合物和硅化合物的矿物组成；d.氧化铁含量。已经提出的氧化铝生产方法可以归纳为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前用于大规模工业生产的只有碱法。碱法生产氧化铝的实质是将铝转变为铝酸钠进入苛性碱溶液。铝原料中可溶SiO2含量越高，转变为不溶性沉淀的水合铝酸钠就越多。而从原料提取到铝酸钠溶液的氧化铝则越少。铝硅比是评价铝土矿质量和选择其具体处理方法的主要指数。生产氧化铝的碱式法有四种：拜耳法，烧结法，混联法，选矿拜耳法。拜耳法适合Al/SiO2较高（Al/SiO2〉16）的矿石，其成本较低；烧结法适合Al/SiO2较低（Al/SiO2〈8）的矿石，其成本较高；混联法则适合Al/SiO2适中（大部分矿石的Al/SiO2在12以上，小部分矿石的Al/SiO2在8以下）的矿石，成本也适中；选矿拜耳法适合Al/SiO2为中低的矿石。我国由于矿石成分的原因，适合采用混联法生产氧化铝。2.2.2高温和高浓度的铝酸钠溶液处于介稳状态，而在温度和浓度降低的时候则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样的基础上的。铝土矿所含的一水和三水氧化铝在一定条件下（提高温度和浓度）以铝酸钠的形式进入溶液。在95~100摄氏度时铝酸钠稳定，当降低温度和浓度时它转变为不稳定状态，析出氢氧化铝。精精矿矿浆配制预脱硅溶出赤泥分离种子分解过滤洗涤焙烧氧化铝水赤泥水图2.1拜耳法生产流程按拜耳法制取氢氧化铝的过程：1、铝土矿的溶出铝土矿在溶出之前，先在矿山粗碎，然后再冶金混匀、中碎、细碎和湿磨。坚硬的铝土矿在工厂中用2~3级破碎，松软的用1~2级破碎。铝土矿在球磨机中湿磨，磨机与分级机或水利旋流器组成闭路循环。细磨过程在铝酸钠中进行，液固比为0.8~1.0。大部分循环溶液在其加热溶出之前加入到分级机和搅拌槽中，以制备原矿浆。铝土矿的溶出应该在消耗最小而氧化铝进入溶液的溶出率最高的条件下进行。对于铝土矿的溶出速度和程度起作用的主要因素如下：温度、循环液的浓度和苛性比、铝土矿的细磨程度、原矿浆的搅拌速度和石灰添加量。温度是影响溶出过程的主要因素。为了达到目前实践中所允许的速度，三水铝石型铝土矿的溶出过程是在95~100摄氏度进行的，一水软铝石型铝土矿是在150~200摄氏度进行的，一水硬铝石型铝土矿是在230~245摄氏度进行的。石灰石对一水软硬铝石型铝土矿的溶解速度和程度有十分良好的作用，向过程中添加石灰石对一水铝石型铝土矿的溶出过程有很大的意义。铝土矿中未溶出的氧化铝一般为0.5~5%。2、赤泥的分离和洗涤铝土矿溶出后的浆液用赤泥洗涤过程得到的一次洗液稀释至三氧化二铝的浓度为120~150克/升。为了实现铝酸钠的脱硅并保证溶液黏度降低到赤泥分离过程能以工业要求的速度进行，这种稀释过程是必要的。赤泥的分离和洗涤方法和设备流程取决于铝土矿的处理方法。3、铝酸钠溶液的分解过滤之后的铝酸钠溶液，在分解前，在换热器中自95~100摄氏度冷却到50~55摄氏度，分解过程持续很长时间（50~60小时）。4、母液的蒸发为了使拜耳循环闭路，根据铝土矿溶出条件将母液蒸发到氧化钠浓度为200~300克/升的循环母液。蒸发水量取决于溶出温度和被洗涤的赤泥的物理过程。蒸发过的溶液冷却时，结晶出纯碱，随同析出的还有各种有机物和其他杂质。5、循环纯碱的苛化补充的纯碱以及溶液蒸发时析出的棕色纯碱都用石灰乳苛化，以制取苛性碱来补偿拜耳法中的碱损失。为了避免在沉淀中生成难溶的复盐，这个过程是在氧化钠的浓度约为100克/升的溶液中进行的。6、氢氧化铝的煅烧最后这道工序的目的是将氢氧化铝在1200~1250摄氏度煅烧使之成为成品氧化铝。2.2.3所有类型的高硅原料都可以用这种方法处理。烧结法的实质是含铝原料与纯碱、石灰石一同烧结时原料中的硅转变为在碱溶液中难溶的化合物原硅酸钙，而铝和铁转变为铝酸钠和铁酸钠。含铝原料与纯碱、石灰石烧结时，各原始组分的固体粉末之间的化学反应，是在有少量熔体存在下进行的。硅渣、碱赤泥浆硅渣、碱赤泥浆配料过程铝矿、石灰、煤、碱粉等原料配料湿磨生料浆调整烧结窑溶出脱硅过滤蒸发焙烧氧化铝熟料新碱液图2.2烧结法生产流程其制取氢氧化铝的过程为：1、生料备制。2、生料烧结3、铝酸盐熟料的破碎和溶出。4、泥渣的分离和洗涤及铝酸钠溶液的脱硅5、溶液炭化分解，氢氧化铝的分离和洗涤6、纯碱母液的蒸发7、石灰石的煅烧和氢氧化铝的煅烧在处理铝土矿的烧结法中，循环的物料是纯碱而不是拜耳法中的苛性钠，溶液是用炭化方法来分解的。纯碱以蒸发后浓溶液形态返回到生料配制过程。2.2.41、并联法在并联法中，大部分铝土矿按拜耳法处理，由烧结法处理的只是少部分。这两部分平行的进行直到成为铝酸钠溶液为止，然后将烧结法的脱硅的铝酸钠溶液与拜耳法部分的溶液混合，再将混合的溶液加晶种分解。图2.3并联法生产流程并联法的优越性：可以在一个工厂里高硅和低硅两种铝土矿。拜耳法循环中的全部苛性碱损失都用铝土矿烧结时的苛化来补偿，降低了成本。烧结法部分除了实现纯碱的热化苛化，还增产一定量的氧化铝。拜耳法赤泥经洗涤和过滤后，用烧结法回收其中的氧化铝和氧化钠。烧结法除了处理拜耳法赤泥外，尚添加相当数量的低品位的铝土矿。2、串联法在串联法中，铝土矿常压溶出或压煮溶出后的高氧化铝和氧化钠赤泥与纯碱和石灰石一同烧结。熟料溶出后的铝酸钠溶液经过脱硅，然后与稀释的拜耳法溶液混合到一起分解。母液蒸发出的棕色纯碱在烧结之前与赤泥、棕色纯碱返料、石灰石和霞石组成的。加入的霞石数量应该保证完全补偿拜耳法中苛性碱损失。图2.4串联法生产流程在烧结过程处理赤泥时，生料的组成应该保证在熟料中得到铝酸钠、原硅酸钙，或是合成铁酸钙。在烧结过程中氧化时催化剂。串联法适用于处理高硅铝土矿，具有以下优化：有当量的纯碱来补偿苛性碱的损失。原料中总氧化铝回收高。烧结过程的生料流量较烧结法少。2.2.5选矿拜耳法生产工艺与烧结法有很大不同，总体上可分为选矿和拜耳法两大部分。选矿部分主要包括磨浮选矿、矿浆调配等工段；拜耳法部分主要包括高压溶出、种子分解、过滤洗涤、焙烧等工段。2.3高压溶出工序高压溶出工序属于拜耳法中的一个环节。它也是混联法生产氧化铝的生产过程中的重要工序。高压溶出的目的就是用苛性钠溶液把铝土矿中的氧化铝溶出来。双程预热器双程预热器溶出碱液溶出器新蒸汽蒸汽新蒸汽自蒸发器乏汽稀释蒸汽缓冲器图2.5高压溶出生产流程高压溶出的生产条件为：2.0~2.2Mpa的高压；245摄氏度的高温。高压溶出的化学反应可以分为两大类：Ⅰ、氧化铝水合物的溶出反应，这是主反应。Ⅱ、各种杂质在溶出过程中的化学反应，这是副反应。为了使高压溶出过程得到良好的效果，必须掌握主副反应的规律。2、溶出化学反应在常压下低碱浓度溶液中溶出三水铝石型铝土矿时，其中Al(OH)3与NaOH发生反应：用高碱浓度或用稀碱溶液在较高温度下溶出一水铝石型铝土矿时，反应如下：3、溶出速度铝土矿溶出属于多相反应，即液体和固体之间的反应，其特征是反应过程发生于两相（矿粒与碱液）的界面上。两相接触界面的OH-,由于不断反应而逐渐消耗，在靠近矿粒表面层的溶液中的OH-浓度显著降低。同时，在这一层中的反应产物Al(OH)4-或Al(OH)2-的浓度则接近饱和，于是形成扩散层。OH-通过扩散层不断地向固相（矿粒）表面移动与氧化铝水合物反应，而反应产物Al(OH)4-或Al(OH)2-则不断地通过扩散层向外移动（离开矿粒），使反应能继续进行。因此，铝土矿的溶出过程可分为下列几步：(1)、循环母液湿润矿粒表面；(2)、OH-与氧化铝水合物反应；(3)、形成NaAl(OH)4或NaAl(OH)2扩散层；(4)、Al(OH)4-或AlO(OH)2-从扩散层扩散出来，而OH-则从溶液中扩散到固液接触面上。铝土矿的溶出过程在低温低碱浓度下的溶出速度随温度变化很快，因而在这种情况下的溶出速度是决定于化学反应。在高温高碱浓度下，化学反应速度极快，此时溶出速度随温度变化而变化的幅度较小，因而这时溶出速度决定于扩散。溶出速度可以用下式表示：由溶出速度的表达式可得下式：当矿石一定时，其粘度一定，且P、S均为常数，则从式中可以看出通过控制温度T，可以控制反应速度。并且，通过提高温度来提高溶出反应的速度也是可行的。第三章氧化铝高压溶出工序生产设备及控制要求高压溶出工序的生产设备主要包含四个部分：1、双程预热器，2、溶出器，3、自蒸发器，4、蒸汽缓冲器。它们全部是不同结构的高压罐。高压溶出工序生产设备的四个部分中，各部分高压罐的级数是由各工厂的实际情况和设计情况来定的。但是，各部分生产设备的功能并不因工厂的不同而不同。在此次的课程设计中所做的高压溶出工序源自于郑州铝厂。因此，在后面介绍高压溶出工序各部分生产设备时，如涉及到具体的量或某高压罐的级数的话，那就是说它是针对于郑州铝厂而言的。首先对后面将要用到的符号作相应的解释：

I表示该监测量要显示

P表示该监测量为压力

T表示该监测量为温度

T这个T是紧跟在压力或温度后面的，表示该监测量要传送

F表示该监测量为流量3.1双程预热器双程预热器有四组双程预热罐。采用高压蒸汽间接加热。其内部是蒸汽管。矿浆在蒸汽管外，包围着蒸汽管，由60摄氏度被加热到195摄氏度左右，称为预热。这时，因为矿浆温度低（反应温度为245摄氏度），所以还不能用于生产。预热器在此次控制系统未作要求。3.2溶出器溶出器由九个高压罐串联构成，1#罐和2#罐用高压蒸汽直接加热使矿浆达到溶出温度（245摄氏度左右）。溶出器内加热为直接加热，其效率较高，但是加热过程中由蒸汽带来了水份，使得矿浆溶液的浓度降低。溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳定，是提高溶出率的关键之一。在溶出稳度低到一定值（240摄氏度），则控制变频调速装置，降低电机转速，减少进入高压溶出器的矿浆流量（每降低1摄氏度，则减少矿浆流量0.5%）；若溶出温度高到一定值（250摄氏度），则控制变频调速装置，提高电机速度，增加进入高压溶出器的矿浆流量（每提高1摄氏度，则增加矿浆流量0.5%），以保证溶出温度的稳定。矿浆经1‾9溶出器后，形成一定的压差，为了保证正常生产，压差应尽量稳定在0.2MPa左右。溶出器需要监测的量有:1#~9#溶出器的压力PT401~PT409以及就地仪表显示的量PI401~PI409。在此次控制系统的设计中，设计的是3#溶出器温度控制系统，3#溶出器需要将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在+0.5摄氏度。3.3自蒸发器自蒸发器的作用主要是回收热量。它由五个高压罐组成，各级压力逐渐降低，由2.0~2.2Mpa下降到0.2Mpa。在压力下降的过程中，蒸汽会从矿浆中逸出。其产生的蒸汽称为乏气。不同压力的乏气被送至双程预热器用作加热矿浆。图3.1自蒸发器高压罐为了既充分利用乏汽又保证自蒸发器正常工况，选择自蒸发器压力作为监测量。自蒸发器需要监测的量有：自蒸发器各级的压力PT501~PT505；同时还有就地显示仪表PI501~PI505；需要控制的压力PC,不能过高亦不能过低。在此次控制系统的设计中，自蒸发器部分包括Ⅰ#，Ⅱ#，Ⅲ#自蒸发器压力控制三部分。氧化铝高压溶出工序蒸发器压力控制系统分为Ⅰ#~Ⅴ#自蒸发器的分步控制，通过这五步的控制使压力由2.0~2.2Mpa降到0.2Mpa。矿浆由Ⅰ#自蒸发器进入，通过调节蒸汽流量来控制自蒸发器的压力。给定的矿浆流量值经过调节蒸汽来达到所要求的Ⅰ#自蒸发器的出口压力值。之后矿浆进入到Ⅱ#自蒸发器，经调节最后由Ⅴ#自蒸发器流出，此时压力为所需要的值。压力的控制精度应为：+0.1Mpa。自蒸发器的压力控制可以通过控制蒸汽的流量来调节压力的变化，用压力变送器来检测压力并返回控制。3.4蒸汽缓冲器蒸汽缓冲器用于存储高压蒸汽，给1#溶出器和2#溶出器提供加热蒸汽。其高压蒸汽一般为2.4Mpa。它有稳定加热蒸汽压力的作用。在此次控制系统的设计中，蒸汽缓冲器部分包括蒸汽缓冲器压力控制。为了防止蒸汽缓冲器的矿浆倒流，其进口压力必须为3.3MPa,出口压力为3.15MPa，若蒸汽缓冲器的进出口压力降低了0.05MPa，则给出报警信号。图3.2蒸汽缓冲器高压罐蒸汽缓冲器需要监视的量有：TT301和PT301；就地显示的量有：TI301和PI301蒸汽缓冲器中的蒸汽来自锅炉房（热电厂）。有新蒸汽Z2、Z3加入。此处需要监测蒸汽的流量FT101和FT102（此处监测蒸汽流量主要是为了与锅炉房输出的流量作比较，用作蒸汽费用凭证）。新蒸汽的压力是由电动阀门的开度来调节。第四章氧化铝高压溶出工序3#溶出器温度控制系统设计4.1方案论证溶出器由九个高压罐串联构成，1#罐和2#罐用高压蒸汽直接加热使矿浆达到溶出温度（245摄氏度左右）。然后矿浆从2#罐流入3#罐进行铝土矿的溶出，在3#溶出器中需要将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在+0.5摄氏度。控制器采用单片机可以取得比较好的控制效果，。但采用单片机控制软件编程复杂,积木式搭建的硬件可靠性较低。采用小型的模块化PLC控制温度系统，不仅简单方便而且可靠性大大提高。PLC是一种专门用于工业环境过程控制的数字运算操作的电子系统,是集自动控制、计算机网络、通信等功能于一体的自动化装置,可靠性高、功能完善，具有编程简单、体积小、重量轻等特点。控制方案采用数字PID控制，根据检测到的温度值和设定值之间的偏差，经过PID运算得到控制输出值控制变频调速装置，以便调节电机转速改变进入高压溶出器的矿浆流量来控制温度保持在设定值。整个温度控制系统的原理如图4.1所示：TTueR(s)——变频器交流电机PLC3#溶出器温度传感器图4.13#溶出器温度控制系统该系统主要由控制器PLC、执行器、调节对象3#溶出器、温度传感器等四大环节组成,构成负反馈闭环系统。4.2硬件设计4.2.1P根据控制工艺的要求、综合输入、输出点以及性价比等综合因素,选择西门子公司的SIMATICS7-200作为数据采集、运算、自动操作和回路控制的核心，S7-200是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样。S7-200CPU22*系列PLC具有多种功能模块和人机界面(HMI)可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-200PLC硬件系统由CPU模块、扩展模块、特殊功能模块、编程器和工业软件。CPU模块采用CPU224，它由14输入/10输出，I/O共计24点，可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力。另外同时还选择一块模拟量输入扩展模块EM231，模拟量输入/输出扩展模块EM235。确定控制系统开关量输入输出信号点数：1、输人信号点数温度控制系统的启动、停止开关各需点动按钮一个,此外还需要手动/自动切换按钮一个。因此,共需开关量输入点3个。2、输出信号点数指示系统运行和报警的指示灯各1个,因此,共需开关量输出点2个。模拟量输入、输出特殊功能模块：1、模拟量输人模块的选择与连接本系统使用热电偶来测量溶出器温度,选用可以与热电偶直接相连而不需要温度变送器的模拟量输人特殊功能模块EM231一块，其包括有4路热电偶输入,其输入电压为0～24VDC,经A/D转换成数值为:0～1023,最大误差≤0.2%。输入点内部均有一放大器,增益<10～>100倍。2、模拟量输人模块的选择PLC需要输出4～20mA电流信号给变频器，选取模拟量输入/输出扩展模块EM235，它具有4路模拟量输入/1路模拟量输出，为以后的系统扩展提供方便。表4.1输入输出地址分配表输入地址外设名称输出地址外设名称I0.0启动按钮Q0.0运行指示灯I0.1停止按钮Q0.1报警指示灯I0.2手动/自动切换按钮AQW0变频器AIW0热电偶输入其配置图如图4.2所示。手动/自动切换按钮手动/自动切换按钮变频器热电偶运行指示灯故障指示灯停止按钮启动按钮I0.0Q0.0I0.1Q0.1S7-200I0.2CPUEM231AIW0EM235AQW0图4.2PLC与输入、输出设备之间的接线图4.2.2为了实现对溶出器温度的精确测量,可采用以下技术措施：1、选择工业应用最多、适应氧化性气氛、线性度好的K型热电偶，WRN系列K防爆热电偶HT-131允许等级I级，用于测量生产过程中范围在0℃～+1300℃之间的液体、蒸汽、气体介质及固体表面的温度,以充分保证测量精度。2、为了保证测量结果能充分反映溶出器内的实际情况,采用适当的测量点数量和位置。3、为了节省昂贵的热电极金属以及避免热电偶冷端受炉体热辐射等的影响,在热电偶和模拟量输入模块EM231之间用补偿导线连接。4.2.3显示仪表用于显示温度的值，以便进行监测。本系统采用XSD多通道数显表进行显示，XSD多通道数显表进行显示可与各类模拟量输出的传感器、变送器配合完成温度、压力、流量和液位等物理量的测量变换和显示。XSD多通道数显表的注意性能指标如下：输入信号类型，如电压、电流、热电阻、热电偶、电位器、远传压力表等。对来自传感器、变送器的输入信号具有误差修正和故障检测功能，有效提高系统的测控性能。最多可有8点报警输出，可选择10种报警方式，报警灵敏度独立设定，防止干扰原因造成误报。多重保护，隔离设计，抗干扰能力强，可靠性高。各通道输入信号及量程独立设定，各通道调校、数字滤波独立设定。精度：优于0.2%FS。供电：220VAC,24VDC或12VDC。测控周期：0.2s。显示范围：-1999～9999。4.2.4变频器的选型以前工业生产中常采用滑差调速、直流调速两种传统的调速方式,这些调速方式已满足不了现代工业生产发展的需要。变频调速控制系统克服了以上两种调速系统的缺点,具有节能、线性调速、保护可靠、维护量小等诸多优点。本系统选用西门子MMV400变频器,将此变频器设置为4～20mA的电流控制，由PLC控制器判断比较用户指令和现场状态反馈后发送4～20mA电流至变频器的4-,2,3+模拟量输入口,变频器将输入的电流信号转换为对应的频率后输出控制电机,电路如图4.3所示。图4.3变频器接线原理图整个仪表的清单如表4.2所示：表4.2仪表清单仪表名称仪表型号数量PLC西门子S7-2001台温度传感器WRN系列K防爆热电偶HT-1311个显示仪表XSD多通道数显表1台变频器西门子MMV4001台4.3控制算法由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性,这使系统控制出现误差。为了减小误差提高系统控制精度。我们采用PID控制算法。比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。模拟PID控制算法为：（4.1）在数字PID算法中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化为差分方程。数字PID位置型控制算法为为了便于计算机实现，必须把式（4.1）变换为差分方程，为此可作如下近似：（4.2）（4.3）式中，T为采样周期，k为采样序号。由式（4.1）、（4.2）、（4.3）可得数字PID位置型控制算式为（4.4）式（4.4）表示的控制算法提供了执行机构的位置u(k)，如阀门的开度，所以被称为数字PID位置型算式。4.4软件设计S7-200PLC采用梯形图编程，其专门有一个PID指令，如图4.4所示。PIDPIDENENOTBLLOOP图4.4PID指令TBL是回路表的起始地址,LOOP是回路的编号,可以是0-7的常数。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。PID运算程序流程如图3所示。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A/D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0.0～1.0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(0.0～1.0之间)转换成相应的整数,再通过D/A转换输出。S7-200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。I0.2是手动/自动转换开关信号，I0.2为1时，为系统自动运行。整个程序包括主程序、初始化子程序SBR_0和中断服务程序INT_0。主程序的方框图：NNY开始调用初始化子程序停止吗？结束图4.5主程序框图初始化子程序SBR_0是将设定值、采样时间、比例增益、积分时间、微分时间和定时中断设定好。由于溶出器的传递函数无法确定,因此的参数只能根据经验法来选取。假如还需要更精确的调整，在这个基础上再进行整定。其程序框图为开始开始设置设定值、采样时间、比例增益、积分时间和微分时间结束设定定时中