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(强烈推荐)连续搅拌釜式反应器毕业论文

摘要

在工业过程中,温度是最常见的控制参数之一,反应器温度控制是典型的温度控制系统。对温度的控制效果将影响生产的效率和产品的质量,如果控制不当,将损害工艺设备,甚至对人身安全造成威胁。因此反应器温度的控制至关重要。

连续搅拌釜式反应器是化学生产的关键设备,是一个具有大时滞、非线性和时变特性、扰动变化激烈且幅值大的复杂控制对象。结合控制要求,通过分析工艺流程,本论文设计了串级PID分程控制方案。方案选定后,进行了硬件和软件的选择。硬件上选用西门子公司的S7-200 PLC,并用相应的STEP7软件编程。利用Matlab 7.0对系统进行了仿真。

关键词:温度反应器串级PID 西门子S7-200PLC

Abstract

In the industrial process, temperature is one of the most common control parameters, reactor temperature control system is a typical temperature control system. The temperature control effect will influence the production efficiency and product quality, if it is not controlled properly, process equipment will be damaged, even personal safety will be threatened. Thus the reactor temperature control is essential.

Continuous stirred tank reactor is the key equipment in chemical production, it is a complicated control object with a large time delay, nonlinearity,time-varying characteristics and drastic changes and large amplitude disturbance. Combined with the control requirements, in this paper I design the cascade PID control scheme after a careful analysis of the production process.The are done following the selection of control scheme. As to , and the

corresponding software STEP7 is chosen for programming.Matlab7.0 work for the simulation.

Keywords:temperature cascade PID Siemens S7-200 PLC

毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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目录

第1章概述 .................................................. - 1 - 1.1 课题研究背景及意义........................................ - 1 - 1.1.1反应器概述............................................. - 1 - 1.1.2 温度控制概述........................................... - 1 - 1.2 本设计的主要工作.......................................... - 2 - 第2章控制方案选择.............................................. - 3 - 2.1 工艺流程概述.............................................. - 3 - 2.2 工艺过程分析.............................................. - 4 - 2.3 控制方案设计.............................................. - 4 - 2.4 PID分程控制方案.......................................... - 5 - 2.4.1 PID控制原理........................................... - 5 - 2.4.2 数字PID控制算法....................................... - 7 - 2.4.3 数字PID控制器参数整定................................. - 9 - 2.4.4 分程控制系统原理...................................... - 11 - 2.5 串级控制方案............................................. - 12 - 2.5.1 串级控制系统原理...................................... - 12 - 2.5.2 串级控制系统特点...................................... - 13 - 2.5.3 串级控制方案综述...................................... - 15 -

2.6 串级PID分程控制方案的实施............................... - 15 - 2.6.1 串级PID分程控制方案控制流程图........................ - 15 - 2.6.2 串级PID分程控制方案系统结构框图...................... - 16 - 2.6.3 控制过程分析.......................................... - 17 - 第3章硬件设备选型............................................ - 18 -

3.1 PLC选型................................................. - 18 - 3.1.1 IO选择............................................... - 18 - 3.1.2 PLC型号选择.......................................... - 19 - 3.1.3 结构选择.............................................. - 20 - 3.1.4 模拟量扩展模块选择.................................... - 21 - 3.2 调节阀选型............................................... - 21 - 3.2.1 调节阀类型确定........................................ - 22 - 3.2.2 调节阀流量特性选择.................................... - 22 - 3.2.3 调节阀口径选择........................................ - 25 - 3.2.4 作用方式选择.......................................... - 25 - 3.2.5 调节阀型号选择........................................ - 26 - 3.3 阀门定位器选型........................................... - 27 - 3.4 检测变送器选型........................................... - 28 - 3.

4.1 温度传感器选型........................................ - 29 - 3.4.2 温度变送器选型........................................ - 30 - 3.4.3 压力传感器选型........................................ - 31 - 3.4.4 压力变送器选型........................................ - 31 - 3.4.5 报警装置选型.......................................... - 32 -

3.5 系统硬件连接............................................. - 33 - 第4章系统软件设计............................................ - 36 -

4.1 控制流程图设计........................................... - 36 - 4.1.1 主程序流程图设计...................................... - 36 - 4.1.2 保温子程序流程图设计.................................. - 39 - 4.1.3 报警子程序流程图设计.................................. - 40 - 4.2 控制梯形图设计........................................... - 41 - 第5章监控界面设计............................................ - 43 -

5.1 系统仿真设计............................................. - 43 - 总结 ......................................................... - 46 - 致谢 ......................................................... - 47 - 参考文献 ....................................................... - 48 - 附录1:搅拌釜微机控制系统的原理图 .............................. - 49 - 附录2:搅拌釜微机控制系统梯形图程序 ............................ - 50 -

第1章概述

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 反应器概述

反应器,是任何化学品生产过程中的关键设备,主要给化学反应的介质提供场所,决定了化工产品的品质、品种和生产能力。不同的生产过程和生产工艺所使用的反应器类型也不同,因此反应器种类很多。就结构形式看,有釜式、管式、塔式、固定床、流化床反应器等;按传热情况看,分为绝热式和非绝热式反应器。釜式反应器有两种操作方式:连续生产和间歇生产。

连续搅拌反应釜(Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR)是一种复杂的非线性化学反应器,随着生产的发展,广泛应用于化工、发酵、石油生产、生物制药等工业生产过程中,成为发展国民经济的重要化工设备之一。

反应釜内部都有搅拌装置,可以使反应器中反应区的反应物料的浓度均一。反应釜内的特征参量一般为温度、压力、浓度等,对这些参数控制的好坏直接影响生产物的质量。

1.1.2 温度控制概述

温度是工业生产中最常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关,因此温度控制是生产自动化的重要任务。不同生产工艺要求下的温度控制方案也有所不同。

在本论文中,要保证连续搅拌反应釜生产安全,要对反应釜中的温度

进行精确控制。反应釜中生产过程既是放热的化学反应过程,又是物理变化过程,聚合反应机理复杂,开始需要迅速达到催化剂适宜温度开始反应,达到一定温度后由于化学反应的放热,如果不及时移去反应热,将使反应剧烈超出正常范围,易引起“爆聚”或产生安全阀跳;加入过量冷水又将使反应激落,甚至造成“僵釜”现象,直接影响产品的质量和产量,严重时还会危及工作人员的生命安全。因此,反应釜温度控制对于保证产品质量和安全生产起着举足轻重的作用。

1.2 本设计的主要工作

本课题主要设计的是基于PLC控制的反应器控制系统,主要设计流程如下:

1.在分析系统功能的基础上确定系统的被控参数和控制参数,熟悉生产工艺过程,根据控制要求进行总体控制方案设计。

2.相关硬件设计,进行系统的硬件设备选型和PLC选型,绘制系统的硬件连接图:包括系统硬件配置图和IO连接图。

3.根据所选硬件设备,确定反应釜反应过程中PID控制算法的实现和参数的整定。

第2章控制方案选择

2.1 工艺流程概述

本设计被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器系统,属于连续反映过程。反应过程为反应物A与反应物B在催化剂C的作用下,在反应温度120±1.0℃下进行反应,生成产物D。反应初期用热水诱发,当反应

开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。其工艺流程图如图2-1所示:

图2-1 工艺流程图

V4为进料阀;第二股是反应物B,F5

是催化剂液,F6为进料流量,V6

口浆液流量为F9,由出口阀V9

2.2 工艺过程分析

的非线性和时滞性,在实际的工业生产中,

外部或内部因素的影响,使得系统中存在参数摄动,外部干扰等不确定因素。这些给精确控制系统提高了难度。总体上系统温度控制可以分为两个阶段:反应升温温度控制和反应保温控制。

1.保证反应器升温速度恒定:保证温度以0.1-0.2℃s的速率上升,提高反应温度有利于主反应的进行,保证升温速度平稳避免超压问题。

2.保证反应器保温温度恒定:缩合反应阶段后保温阶段要使反应釜温度始终保持在120℃左右5-10分钟(实际为2-3小时),以使反应尽可能充分地进行,达到尽可能高的主产物产率。

升温阶段,温度要求以某一速度上升,是一个变量。而保温阶段,要求温度保持在某一数值上,且波动不大,可作为定值控制。传统的PID 控制算法理论成熟,应用广泛,但其控制精度依赖于精确的数学模型,因此有自身的限制。串级控制对扰动较多、变值控制、非线性系统有很好的控制效果。

2.3 控制方案设计

本设计将设计三种控制方案:PID分程控制方案、串级控制方案和串级PID分程复合控制方案。本系统对反应釜内温度的稳定性就有较高的要求。为了使反应釜内的温度能够稳定在要求的控制范围内,我们采用串级PID分程控制方案来对反应温度进行控制。

其中,串级控制升温过程效果良好,PID控制方案保温定值效果良好,分程控制方案有效地解决了同时处理加热与冷却的问题。复合控制方案综合了前两种控制方案的优点,又很好的避免了各自的缺点。主变量是生产工艺的主要控制指标,直接关系到产品质量,因此对于本连续反应系统,可以选择反应釜内的温度为主变量,选择夹套温度为副变量。串级控制系

统的目的是为了高精度地稳定主变量。当输入是定值时,主变量控制不允许有余差,所以,控制器通常选用比例积分控制规律;本控制对象为温度对象,具有滞后性,采用比例积分微分控制规律,实现主变量的无差控制。在串级控制系统中,稳定副变量并不是目的。因此,在控制过程中,对副变量的给定值允许有波动。副控制器采用比例控制规律,为了能够快速跟踪,最好不带积分作用,因为积分作用会使跟踪变得缓慢;副控制器的微分作用也是不需要的,因为当副控制器有微分作用时,一旦主控制器输出稍有变化,就容易引起控制阀大幅度地变化,影响系统的稳定性。基于串级控制理论,结合本系统的特点,副回路采用比例(K )控制器,主回路采用比例积分微分(PID )控制器,由主、副控制器组成的温度—温度串级控制原理图。如图2-2所示:

图2-2 温度-温度串级控制原理图

2.4 PID 分程控制方案

2.4.1 PID 控制原理

PID 是一种经典的控制算法,实现起来容易,成熟。

1.比例(P)控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

2.积分(I)控制

在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

3.微分(D)控制

在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。

按偏差的比例、积分、微分进行控制的控制器成为PID控制器。模拟PID控制器的原理框图如图2-3所示:

图2-3 模拟PID

PID

定性、快速性和准确性。调节PID的参数,

兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时由于在PID 控制器中引入了积分项,系统阶跃响应的稳态误差就为零。

用公式2-1,完成的模拟PID 控制器的控制表达式为:

()()()()]1[0dt

t de T d e T t e k t u d t i p ++=?ττ (式2-1)

式中,e(t)为系统偏差,;为比例系数;为积分时间常数;

为微分时间常数。

式(2-1)也可以写成:

()()()()dt

t de k d e k t e k t u d t i p ++=?ττ0 (式2-2)

式中,为比例系数;为积分系数,;为微分系数,;

简单说来,PID 控制器各校正环节的作用如下:

1.比例环节 及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即产生调节作用,以减少误差。

2.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,越大,积分作用越弱,反之则越强。

3.微分环节 能够反应偏差信号的变化趋势,即偏差信号的变化速率,并能在偏差信号值变得太大之前,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。

2.4.2 数字PID 控制算法

在过程控制中,PID 控制器(PID 调节器)一直是应用最广泛的一种自动控制器。采用计算机作为系统的控制器后,使得PID 控制实现起来变得

更为简便。但是计算机控制是一种离散的采样控制,在计算机控制系统中所使用的是数字PID 控制器,而式(2-1)和式(2-2)均为模拟PID 控制器的控制表达式。通过将模拟PID 表达式的积分、微分运算用数值计算方法来逼近,便可实现数字PID 控制。是要采样周期足够小,这种逼近也就可以相当精确。

用公式2-3,将微分项和积分项分别写成差分方程为:

(式2-3)

(式2-4)

式中,T 为采样周期;k 为采样序号,k=0,1,2,…;

e(k-1)、e(k)为第(k-1)和第k 次采样所得的偏差信号。

将式(2-3)和式(2-4)代入式(2-1),可得数字PID 算式:

()()()()()[]?

?????--++=∑=k j d i p k e k e T T j e T T k e K k u 01 (式2-5) 式中,u(k)为第k 时刻的控制输出。

⒈位置型PID 算式

任何瞬间的控制器输出u(t)都对应于执行机构的位置。由式(2-5)可知,数字PID 控制器的输出u(k)也和阀位对应,故称式(2-5)为位置型PID 算式。

⒉增量型PID 算式

计算机实现位置型算式不够方便,因为要累积偏差e(j),不仅要占用较多的存储单元,而且不便于编程序。

由式(2-5)可以写出第(k-1)时刻的控制量u(k-1)即:

()()()()()[]??????---++-=-∑-=1

02111k j d i p k e k e T T j e T T k e K k u (式2-6)

将式(2-5)减式(2-6)得k 时刻控制量的增量为:

()()()()()()()[]?

?????-+--++--=?2121k e k e k e T T k e T T k e k e K k u d i p ()()[]()()[])2()1(21-+--++--=k e k e k e K k e K k e k e K d i p

(式2-7)

式中,为比例增益,;为积分增益,;

为微分增益,。

综上所述,计算和u(k)要用到也仅需用到第(k-1)、(k-2)时刻的历史数据e(k-1)、e(k-2)、u(k-1),这三个历史数据需存于内存储器。

由此可见,采用增量型计算式的优点是:编程程序简单,占用存储单元少,运算速度快。

在控制系统中,如果执行机构采用调节阀,则控制量对应阀门的开度,表征了执行机构的位置,此时控制器应采用数字PID 位置型控制算法,如图2-4(a)所示:

如果执行机构采用步进电机,每个采样周期,控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加,此时控制器应采用数字PID 增量型控制算法,如图2-4(b)所示:

(a)位置型

(b)增量型

图2-4 位置型PID 控制算法与增量型PID 控制算法示意图

2.4.3 数字PID控制器参数整定

整定模拟PID调节器参数时根据生产工艺对控制性能的要求用理论计算整定法或者工程整定法来整定、、。理论计算整定法通过理论计算来求取最佳整定参数;而工程整定法是根据工作经验直接在过程控制系统中进行的参数整定。

数字控制器的参数整定一般亦是首先按模拟PID控制参数整定的方法选择数字PID参数,然后再作适当调整,并适当考虑采样周期对整定参数的影响。理论整定法包括根轨迹法、频率特性法等;工程整定方法主要有动态特性参数法、临界比例度法、衰减曲线法、凑试法。下面介绍其中一种常用整定方法—衰减曲线法,又名阻尼振荡法。

阻尼振荡法是在总结稳定边界法的基础上提出来的。整定步骤为:

1.在闭合系统中,置调节器积分时间为最大(),微分时间置零(),比例度取较大数值反复做定值扰动试验,并逐渐减少比例度,直至记录曲线出现4:1的衰减为止。这时的比例度称为4:1衰减比例度,两个相邻波峰间的距离称为4:1衰减周期。

2.根据和值按表2-1中的经验公式,计算出调节器各个参数、和的数值。

3.根据上述计算结果设置调节器的参数值,观察系统的响应过程。如果不够理想,再适当调整整定参数值,直到控制质量符合要求为止。

表2-1 阻尼振荡整定计算公式4:1

对大多数控制系统,4:1衰减过程是最佳整定。但在有些过程中,例如热电厂锅炉的燃烧控制系统,希望衰减越快越好,则可采用10:1的衰减过程。在这种情况下,由于衰减很快,第二个波峰往往不易分辨,使测取衰减周期很困难,可通过测取从施加给定值扰动开始至达到第一个波峰的上升时间,然后根据和值,运用表2-2中的经验公式计算出调节器参数、和的值。具体整定步骤与4:1衰减曲线法完全相同。

表2-2 阻尼振荡整定计算公式10:1

2.4.4 分程控制系统原理

单回路控制系统是由一个调节器的输出带动一个调节阀动作的。在生产过程中为了满足被控参数宽范围的工艺要求,需要改变几个控制参数。这种由一个调节器的输出信号分段分别去控制两个或者更多调节阀动作的系统称为分程控制系统。分程控制系统框图如图2-5所示:

图2-5 分程控制框图

例如,一个气动调节阀在调节器输出20-60kPa范围内工作,另一个气动调节阀在60-100kPa范围内工作。在分程控制中,可以将两个调节阀当作一个调节阀使用,从而可扩大其调节范围,改善其特性,提高控制质量。分程控制是通过阀门定位器或电-气阀门定位器来实现的。它将调节器的输出压力信号分为几段,不同区段的信号由相应的阀门定位器转化为20-100kPa压力信号,使调节阀全行程工作。分程控制根据调节阀的气开、气关形式和分段信号区段不同,可分为两类:一类是调节阀同向动作的分程控制,即随着调节阀输入信号的增加或减小,调节阀的开度均逐渐增大或均逐渐关小;另一类是调节阀异向动作的分程控制,即随着调节阀输入信号的增加或减小,调节阀开度按一只逐渐开大、而另一只逐渐关小的方向动作。分程控制中调节阀同向或异向动作的选择完全由生产工艺安全的原则决定。

在分程控制中,要求从一个阀向另一个阀过渡时,其流量变化要平滑。当均为线性阀时,其突变情况非常严重。在分程控制中调节阀流量特性的选择非常重要,因此尽量选择对数调节阀。

2.5 串级控制方案

2.5.1 串级控制系统原理

串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一。串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器,前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定,后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器,它所检测和控制的变量称主变量(主被控参数),即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器,它所检测和控制的变量称副变量(副被控参数),是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路,主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。系统的扰动分为两种:

1.一次扰动:又称主回路扰动,作用在主被控过程上的,而不包括在副回路范围内的扰动。

2.二次扰动:又称副回路扰动,作用在副被控过程上的,即包括在副回路范围内的扰动。

串级控制系统的系统原理框图可归纳为如图2-6所示:

图2-6 串级控制系统原理框图

如图2-6,系统的一次扰动为,二次扰动为、。

二次扰动先影响副对象,于是副调节器立即发出校正信号,控制调节阀的开度,适当改变以克服上述扰动对其的影响。如果扰动量不大,经过副回路的及时控制一般不会引起主对象的参数变化;如果扰动的幅值较大,虽然经过副回路的及时校正,仍影响到主对象,此时再由主回路进一步调节,从而完全克服上述扰动,将主对象的被控参数调回到设定值上来。当一次

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