基于S-200PLC的精馏温度控制系统的毕业设计

《基于S-200PLC的精馏温度控制系统的毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于S-200PLC的精馏温度控制系统的毕业设计（50页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、基于PLC的工业精馏控制系统摘 要精馏是石油、轻工、化工等生产过程中，常常需要将原料、中间产物或粗产品中的组成部分进行分离，最常用的方法。精馏分离是根据溶液中各组分挥发度或沸点的差异，使各组分得以分离。精馏是化工过程中的核心组成部分，而对于精馏过程控制来说温度的控制是重中之重，剧烈的温度变化会导致分离组分离提纯度降低，对精馏的效率影响极大，甚至导致精馏塔无法正常运行以及设备的损坏。本设计硬件方面采用了西门子S7-200系列CPU型号为226的PLC、K型热电偶和温度模EM231。热电偶作为温度的采集元件，采集的信号经过EM231的处理后就可把数据送入PLC中进行处理。PLC的程序中采用了位置式

2、PID算法，实现温度的自动控制。使PID控制更为灵活, 较好地满足了生产过程的要求。用WINCC上位机和西门子S7-200 PLC下位机组成一个稳定的温度控制系统，以达到温度控制的目的，初始时给系统一个设定值，一旦温度偏离设定值，热电偶采集到后把温度变化转变为电信号传递到PLC中，PLC会发出信号使精馏塔内电阻加热丝，使其增加或减小功率，使温度达到设定值。实际运行结果验证了PLC应用于精馏塔温度控制系统的可行性及精确性。关键词：可编程控制器，温度控制，WINCC上位机，PID控制 Industrial distillation tower based on PLC control system

3、 ABSTRACTDistillation is the petroleum, light industry, chemical industry production process, often need to be raw materials, intermediate products or the crude product components were separated, the most commonly used method. Distillation separation is based on the solution of volatile components i

4、n degree or boiling point difference, make each allocated to separate. Distillation is the process of the core components, and for the distillation process control, temperature control is the most important, sharp temperature change causes the separated group separation purity decreasing, the rectif

5、ication efficiency greatly, and even lead to the normal operation of distillation tower and equipment damage. While the PLC has high reliability, easy programming, easy maintenance and other advantages, can be widely used in various control systems, so for the distillation process control special de

6、cided to use PLC to achieve temperature control for distillation system utility. In the rectifying tower temperature system is complicated in structure and accuracy requirements higher characteristic, adopts Siemens S7-200programmable controller PLC on system temperature system. As a result of disti

7、llation column temperature lag time constant and the inertia time constant was bigger, used to separate the single loop feedback control system, easy to cause larger oscillation, so the actual is used in cascade control and cascade control main controller adopts the integral separation PID control s

8、cheme. At the same time, the single parameter fuzzy PID control and programmable controller logic instructions to combine, the PID control more flexible, to better meet the requirements of the production process. Using WINCC PC and Siemens S7-200PLC machine consists of a stable temperature control s

9、ystem, has reached the purpose of temperature control, once the temperature does not reach the set value, monitoring software to monitor out, send a signal to transfer to the PLC for the control of a distillation column motor speed, which increases or decreases the speed, the temperature reaches set

10、 value. The actual operation results showed that PLC is applied to the distillation column temperature control system feasibility and accuracy.KEY WORDS: programmable logic controller，temperature control，WINCC PC， PID control目录前言1第1章 绪 论21.1精馏塔的发展过程21.1.1精馏塔简介21.1.2精馏塔的发展过程21.2自动化技术在精馏塔控制系统中的应用。51.2

11、.1自动化技术概况51.2.2精馏过程的控制目标51.2.3精馏过程的基本自动控制71.3论文选题的目的和意义81.4论文的主要工作和技术线路91.4.1论文主要工作91.4.2论文技术路线10第2章 精馏温控系统工艺流程112.1精馏温控系统原理112.2温控系统的工艺流程14第3章 精馏系统的硬件设计163.1硬件配置163.1.1 PLC的选择163.1.2 热电偶193.1.3 EM 231模拟量输入模块203.2 I/O分配表和硬件连接图21第4章 温控系统软件设计234.1编程软件的功能及选用234.2 PID控制算法描述264.3程序流程图及程序294.3.1程序流程图294.3

12、.2程序31第5章 上位机监控系统设计355.1 上位机监控软件设计35结论38谢 辞39参考文献40附录42外文资料翻译45前言自从中国加入WTO后，中国市场包括石化市场日趋受到国外的严重冲击已是当今不争的事实，然而石化工业如何适应未来这种新的生产局面、参与市场竞争已经成为极为严重的问题，降低加工成本、提高经济效益、提高产品质量和开发高附加值的精细化工产品已成为当今中国石化工业面临的紧要工作。而精馏系统又是石化工业的重中之重。从精馏设备的历史发展来看，精馏技术与石油、化学加工工业的发展是相辅相成、相互刺激、共同进步的发展关系。精馏技术的任何进步，都会极大刺激化学加工工业的技术发展，同样在石油

13、、化学加工工业发展的每一个历史阶段都会对精馏设备技术提出更高的要求。然而精馏塔温度控制系统更是精馏工艺的重要部分。精馏塔温度控制系统主要由PLC控制程序和WINCC人机监控界面实现塔内温度的实时调节与监控。在精馏塔产品的分馏过程中，温度是一个最为关键的控制量。当塔底温度过高且塔顶温度过低时，过多的原料会以气体的形式蒸发反之，当塔底的温度过低时，则会成过多的釜残，导致物料损耗大。国外精馏系统发展的相当先进。国外新型板式塔的发展是将MD塔板的悬挂降液管技术移植到常规板式塔上，增加了塔板的鼓泡面积，提高了塔设备的处理能力。在20世纪80年代初期，国外开发了一种超重力精馏分离传质机器一Higee。这种

14、超重力离心分离机具有极为优良的传质效率和处理能力特性。目前，国内精馏塔设备的温度控制系统一般采用温控仪+继电器进行控制，虽具有价格优势，但在控制功能上受到许多限制，如精度差，超调量大以及无法实施综合控制与监控等，因此，很难满足生产的要求。针对以上情况，开发了一种以西门子S7-200 PLC为核心的精馏塔温度控制系统。该控温系统具有控温精度高和硬件简单的特点。 第1章 绪 论1.1精馏塔的发展过程1.1.1精馏塔简介精馏塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解

15、吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。从精馏设备的历史发展来看，精馏技术与石油、化学加工工业的发展是相辅相成、相互刺激、共同进步的发展关系。精馏技术的任何进步，都会极大刺激化学加工工业的技术发展，同样在石油、化学加工工业发展的每一个历史阶段都会对精馏设备技术提出更高的要求。1.1.2精馏塔的发展过程塔设备的广泛应用是伴随着十九世纪初期迅猛发展的炼油工业，并且随着炼油和石化企业的不断发展而成为主导的工业单元操作过程。1阶段I: 2050年代：1920年，有溢流的泡罩塔板开始应用于炼油工业，开创了一个新的炼油时代。泡罩塔板对设计水平要

16、求不高、对各类操作的适应能力强、对操作控制要求低等特性在当时被认为是无可替代的板型。泡罩塔是1813年Cellier提出的，它在化工生产中一直占有重要的地位。从1832年开始用于酿造工业，是出现较早并获得广泛应用的一种塔型。工业规模的填料塔始于1881年的蒸馏操作中，1904年才用于炼油工业，当时的填料是碎砖瓦、小石块和管子缩节等。20世纪初，随着炼油工业的发展和石油化学工业的兴起，塔设备开始被广泛采用，并逐渐积累了有关设计、制造、安装、操作等方面的数据和经验。当时，炼油工业中多用泡罩塔，无机酸碱工业则以填料塔为主，则筛板塔因当时尚无精确的设计方法和操作经验，故未能广泛使用。2阶段II (50

17、70年代)：浮阀塔板的开发 FRI的成立系统化的设计方法，1955年Monsanto公司的Bolles发表了著名的“泡罩塔板设计手册”，首先提出了科学的、规范化塔板设计技术，该方法到目前为止仍然广泛流行。大孔筛板的研究这批新型塔盘的出现，不仅为创建综合性能更好的塔型打开了思路，而且为接着发生的设备大型化后选择塔型指出了方向。在此期间，许多学者总结了塔设备长期操作的经验，并对筛板塔作了系统研究，认为设计合理筛板塔，不仅保留了制造方便、用材省、处理能力大等优点，而且操作负荷在较大范围内变动时，仍能保持理想的效率。近年来，随着对筛板塔研究工作的不断深入和设计方法的日趋完善，筛板塔已成为生产上最为广泛

18、采用的塔型之一。3阶段III (7090年代)：大型液体分布器的基础研究，使得填料塔的放大研究成功，在减压塔中应用获得极大的经济效益和社会效益。计算机应用辅助馏塔放大效应的研究，计算塔板效率精馏过程设计。新型高性能浮阀塔板的开发及应用。从20世纪60年代起，由于化工机械制造业成功地解决了高压离心式压缩机的转动密封和高温高压废热锅炉的结构强度设计等技术关键，使化肥和石油化工的生产，在能量综合利用方面提高到一个新水平，继而带动了整个化学、炼油工业向大型化方向迅速发展。据有关资料报道，炼油装置的年处理能力也达1000万吨，年产6090万吨的乙烯工厂、60万吨的甲醇工厂、45万吨的氯乙烯工厂、34万吨

19、的低密度聚乙烯工厂、31.5万吨的苯乙烯工厂以及22.5万吨的异丙苯工厂，也将相继兴建。在大型装置中，塔设备的单台规模也随之增大。直径在10m以上的板式塔时有出现（如某炼油厂的减压蒸馏塔塔径为12.2m，并在酝酿设计18m直径的塔），塔板数多达上百块，塔的高度达80余米，设备重量有几百吨（操作时的最大塔重可达1500吨）；填料塔的最大直径也有15m，塔高达100m。近年来，由于出现了世界性的能源危机，暴露出设备大型化带来的不容忽视的问题：大型设备必须保证在全负荷下长期连续运转，否则经济损失将是非常巨大的。在此期间，为了满足设备大型化以及化工工艺方面提出的高压、减压、高操作弹性等特殊要求，又出现

20、了很多新型塔盘，但按其结构特点，仍属泡罩、筛板、浮阀、舌型等几种典型塔型的改进或相互结合。4阶段IV (80末-至今)：新型高性能塔板的开发及工业应用塔板设计、开发更趋于科学化的方向这一时期，新型填料也有了较多的发展。属于颗粒型填料的有：海佐涅尔（Hydronyl）填料、阶梯环（Cascade mini ring）填料、多角螺旋填料、金属鞍环填料（Intalox metal pakcing）、比阿雷茨基环（Bialecki ring）、莱瓦填料（Levapak）以及它们的改进型式。属于规整填料的有：苏采尔填料（Sulzer packing）、重叠式丝网波纹板填料、重叠式金属波形板填料、格利希栅

21、格填料（Glitsch grid）、格子填料、拉伸金属板网填料、塑料蜂窝填料、Z形格子填料、Perform喷射式填料和脉冲填料（Impulse packing）等。同时，还创建了使小球浮动莱强化传质的湍球塔1。我国塔设备技术的发展，经历了一个漫长的过程。新中国成立以后，随着国民经济的发展，陆续建立了一批现代化的石油化工装置。随着这些装置引进的新型塔设备，不仅在操作、使用这些设备方面提供了大量的第一手资料，还带动了塔设备的科研、设计工作，加速了这方面的技术开发。目前，我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等，填料种类除拉西环、鲍尔环外，阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常

22、采用。近年来，参考国外塔设备技术的发展动向，加强了对筛板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。对多降液管塔盘、导向筛板、网孔塔盘等，也都作了较多的研究，并推广应用于生产。其他如大孔径筛板、双孔径筛板、穿流式可调开孔率筛板、浮阀筛板复合塔盘，以及喷杯塔盘、角钢塔盘、旋流塔盘、喷旋塔盘、旋叶塔盘等多种塔型和金属鞍环填料的流体力学性能、传质性能和几何结构等方面的试验工作，也在进行，有些已取得了一定的成果或用于生产。1.2自动化技术在精馏塔控制系统中的应用。1.2.1自动化技术概况自动化控制技术是综合运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对化学工业生产过程实现检测、控制、优化达到增加

23、产量，提高质量、降低消耗、确保安全的一种综合性技术，现已成为衡量化学工业现代化水平的重要标志是之一。精馏过程一个非常复杂的传质传热过程，其内在机理复杂，具有较长死时延滞、相互关联的多变量系统，动态特性分析复杂且困难,难以进行变量配对，约束条件复杂，工艺对控制质量提出的要求又较高，这些使其成为过程控制界多年来理论研究和实践的热点，所以自动化控制技术在精馏塔操作过程中的应用是极为重要的课题之一。 近20年来，有关精馏过程的自动化控制技术的研究热点大致包括：开发和应用线性多变量控制技术、自适应控制、预测控制、推理控制和鲁棒控制算法，进行精馏塔自动控制系统设计；将非线性控制技术应用于精馏塔的控制；将神

24、经网络、模糊控制等智能控制方法应用于精馏塔；考虑精馏过程的节能设计，应用先进控制与优化策略实现精馏塔的节能优化运行。此外，人们还开发出了一些专用或通用的商业化软件，应用于精馏塔的控制。 1.2.2精馏过程的控制目标 精馏过程的控制目标是在保证产品质量合格的前提下，保证总收益最大、成本最小，也就是使塔的回收率最高、能耗最低。精馏过程是在一定约束条件下进行的，可从四个方面来衡量自动化控制技术的应用。 1控制产品质量 精馏塔的产品质量，是指塔顶或塔釜产品的纯度要符合要求。通常，满足一端的产品质量，即塔顶（或塔釜）产品达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内即可。但是，产品组分含量并非越纯越好

25、，原因是纯度越高，对控制系统的控制精度要求就越高，操作成本的提高和产品的价格并不成比例增加，因此纯度要求应与使用要求适应。 为此，应当取塔顶或塔釜的产品质量作为被控变量，这样的控制系统称为质量控制系统，它需要能测出产品成分的分析仪表。由于目前被测物料种类繁多，还不能相应地生产处多钟测量滞后小而又精确的分析仪表。所以，质量控制系统目前并不多见，而是通过能间接控制质量的温度控制系统来代替。 2控制精馏塔的物料平衡 控制精馏塔的物料平衡，就是为了保证塔的平稳操作，保证进出物料平衡，即塔顶、塔釜采出量应和进料量相平衡，而且两个采出量变化要缓慢，保证上下工序之间的协调工作。为此，必须对冷凝液罐（回流罐）

26、与塔釜液位进行控制，使其介于规定上、下限之间。控制操作符合约束条件为了保证正常操作，满足稳定和安全运行，需规定某些参数的极限值作为约束条件。常用的精馏过程的约束条件有以下几点： （1）液泛限：是指精馏过程中上升蒸汽速度的最大限。当蒸汽上升速度过高时，造成雾沫夹带十分严重，出现液泛现象，破坏正常操作。 （2）漏液限：是指精馏过程中上升蒸汽速度的最小限。当上升蒸汽速度过低时，不能托起上层的液相，会造成漏液现象，精馏操作不能正常进行，塔板效率下降。 为了防止液泛现象和漏液现象，可以通过塔压降或者压力差来监视气相速度，一般控制气相速度在液泛附近略小于液泛点比较好。通常在塔顶与塔釜间装有测量压差的仪表，

27、有的还装有报警装置。 （3）压力限：一般是指最大操作压力限。就是说塔的操作压力不能过大，否则会影响塔内汽液平衡，容器的安全无法保证，严重越限时甚至会影响到安全生产。 （4）正常传热临界温度限：主要是指再沸器两侧的温差限度，当这一温差高于临界温差时，给热系数会急剧下降，传热量也会随之下降，不能保证塔的正常传热需求。同时，为了保证精馏过程中的需要，也要有合适的回流温度。 3控制精馏塔平稳操作 为了保证塔的平稳操作，必须将进塔之前的主要可控干扰尽可能的克服，同时尽可能缓和一些不可控的主要干扰。例如：可设置进料的温度控制、加热剂和冷却剂的压力控制、进料量的均匀控制系统等。控制塔内压力稳定，对精馏过程的

28、平衡操作是十分必要的。 4控制能耗和经济效益 石油化工的能耗约占全国工业总能耗的15%，而精馏过程的能耗要占整个石油化工行业总能耗的40%，因此，必须要做好精馏过程的节能。精馏过程的能量消耗主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗，精馏塔和附属设备及管线也要散失一部分能量。 此外，精馏过程必须从经济效益来衡量，在保证产品质量的前提下，能量消耗尽可能要小，经济效益要尽可能的大2。1.2.3精馏过程的基本自动控制1被控变量和操纵变量的配对选择精馏过程有多个被控变量和多个操纵变量，合理选择它们的配对，能有效地减少系统的关联，并能使精馏塔的平稳操作。被控变量和操纵变量配对选择有三条准则：（1）当只需要

29、控制塔的一端产品时，应选用物料平衡方式控制该端产品的质量。（2）塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质量。（3）当塔两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少、杂质较多的一端采用物料平衡方式控制其质量，对含纯产品较多、杂质较少的一端采用能量平衡方式控制其质量。 2精馏过程的控制方案 （1）按产品成分或物性直接控制。利用成分分析器，例如：红外分析器、色谱仪、密度计、干点和闪点以及初馏点分析器等，分析出塔顶（或塔釜）的产品成分并作为被控变量，用回流量（或再沸器加热量）作为控制手段组成成分控制系统，可实现按产品成分的直接控制。（2）按照温度间接控制。由于石油化工过程中精馏产品大多数是

30、碳氢化合物的同系物，在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系，误差较小。因此，绝大多数精馏塔在当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。精馏段和提馏段的温度控制以产品的质量为控制目标，根据温度检测点的位置不同，有塔顶（或塔釜）温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。精馏段温度控制的操纵变量可选择回流量或塔顶采出量。也可将塔釜采出量作为操纵变量。采用塔顶温度作为被控变量，能够直接反映产品质量，但因邻近塔顶处塔板之间的温度差很小，该控制方案对温度检测装置提出较高要求，因此，采用塔顶温度控制塔顶产品质量的控制方案很少采用，主要用于石油产品按沸点的粗级切割馏分处理。提馏段温度控制的操纵变量可选择再

31、沸器加热蒸汽量或塔釜采出量。也可将塔顶采出量作为操纵变量，但应用较少。控制策略与精馏段温度控制类似。 （3）按照温差间接控制。采用温差作为衡量质量指标的间接变量，是为了消除塔压波动对产品质量的影响。精密精馏时，用温度作为被控变量就能很好地代表产品的成分，温度的变化可能是成分和压力两个变量都变化的结果。可以在塔顶（或塔釜）附近的一块塔板上检测出该板温度，再在灵敏板上也检测出温度，由于压力波动对每块塔板的温度影响是基本相同的，只要将上述检测到的两个温度相减，压力的影响就消除了3。1.3论文选题的目的和意义精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。它是依据精馏原理对液体进行分离，即在一定压

32、力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组份（即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化。经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产的需要。精馏塔塔釜温度控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。维持正常的塔釜温度，可以避免轻组分流失，提高物料的回收率，也可减少残余物料的污染作用。影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰（如进料流量，温度及成分等的变化对温度的影响）。一般情况下精馏塔塔釜的温度，我们是通过控制精馏塔釜

33、内灵敏板的温度来控制的。灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。以往调节只是采用灵敏板温度调节器单一回路调节，调节反应慢，时间滞后，对精馏操作而言，产品的纯度很难保证。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制要求又大多较高。这些都给自动控制带来一定的困难。同时各塔工艺结构特点有千差万别，这需要深入分析特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。国外精馏系统发展的相当先进。国外新型板

34、式塔的发展是将MD塔板悬挂降液管技术移植到常规板式塔上，增加了塔板的鼓泡面积，提高了塔设备的处理能力。在20世纪80年代初期，国外开发了一种超重力精馏分离传质机器一Higee。这种超重力离心分离机具有极为优良的传质效率和处理能力特性。目前, 国内精馏塔设备的温度控制系统一般采用温控仪+ 继电器进行控制, 虽具有价格优势, 但在控制功能上受到许多限制, 如精度差、超调量大以及无法实施综合控制与监控等, 因此, 很难满足生产的要求。针对以上情况, 开发了一种以西门子S7-200 PLC为核心的精馏塔温度控制系统。该控温系统具有控温精度高和硬件简单的特点。1.4论文的主要工作和技术线路1.4.1论文

35、主要工作精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较为复杂、动态响应迟缓、变量之间相互关联，不同的塔结构差别很大，而工艺对控制的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。我们此次设计就是要设计一个精馏塔温度的控制系统。要求当物料进入精馏塔时，塔釜的温度可控并且温度恒定，保证生产的连续性。论文的主要工作包括：1进行精馏温度控制系统的总体方案的制定。2进行精馏温度控制系统的硬件设计和软件设计。3进行精馏温度控制系统的算法的研究。4进行精馏温度控制系统的通信网络的研究。1.4.2论文技术路线1PLC技术PLC技术可编程控制器（Programmable Logical Contro

36、ller）简称PLC，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的，从最初的逻辑控制、顺序控制，发展为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。它具有可靠性高、模块化组合灵活、功能强、编程方便、适应工业环境、安装维护简单以及运行速度快等特点。由于它具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱（即PLC、机器人和CAD/CAM）之一。2现场总

37、线技术 现场总线技术根据国际电工委员会(IEC)和美国仪表协会(ISA)的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。现场总线使数字通信总线一直延伸到现场仪表4。3组态软件技术 组态软件技术监控软件选取西门子公司的SIMATIC WINCC6.0组态软件。通过MPI方式与PLC进行通信，实现不间断的数字信息传输。能监控工业流程和各个量的变化，及时作出调整以适应工业生产。第2章 精馏温控系统工艺流程2.1精馏温控系统原理混合物的分离是化工生产中的重要过程。混合物可分为非均相物系和均相物系。非均相物系的

38、分离主要依靠质点运动与流体流动原理实现分离。而化工中遇到的大多是均相混合物，例如，石油是由许多碳氢化合物组成的液相混合物，空气是由氧气、氮气等组成的气相混合物。均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差异，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。精馏是分离液体混合物的典型单元操作，它是通过加热造成气、液两相物系，利用物系中各组分挥发度不同的特性以实现分离的目的。通常，将低沸点的组分称为易挥发组分，高的称为难挥发组分。 根据精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，必须同时有塔底再沸器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回流液泵等附属

39、设备，才能实现整个操作。再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流，冷凝器的作用是提供塔顶液相产品及保证有适宜的液相回流，因而使精馏能连续稳定的进行。精馏分离是根据溶液中各组分挥发度（或沸点）的差异，使各组分得以分离。其中较易挥发的称为易挥发组分（或轻组分），较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）。它通过汽、液两相的直接接触，使易挥发组分由液相向汽相传递，难挥发组分由汽相向液相传递，是汽、液两相之间的传递过程。现取第n板（如下图）为例来分析精馏过程和原理。图2-1 第N板质量和热量衡算图塔板的形式有多种，最简单的一种是板上有许多小孔（称筛板塔），每层板上都装有降液管，来自下一层（n+1层）的蒸汽通过板

40、上的小孔上升，而上一层（n-1层）来的液体通过降液管流到第n板上，在第n板上汽液两相密切接触，进行热量和质量的交换。进、出第n板的物流有四种：1由第n-1板溢流下来的液体量为ln-1，其组成为n-1，温度为tn-1。2由第n板上升的蒸汽量为Vn，组成为yn，温度为tn。3从第n板溢流下去的液体量为Ln，组成为xn，温度为tn。4由第n+1板上升的蒸汽量为Vn+1，组成为yn+1，温度为tn+1。 因此，当组成为xn-1的液体及组成为yn+1的蒸汽同时进入第n板，由于存在温度差和浓度差，汽液两相在第n板上密切接触进行传质和传热的结果会使离开第n 板的汽液两相平衡（如果为理论板，则离开第n板的汽液

41、两相成平衡），若汽液两相在板上的接触时间长，接触比较充分，那么离开该板的汽液两相相互平衡，通常称这种板为理论板（yn，xn成平衡）。精馏塔中每层板上都进行着与上述相似的过程，其结果是上升蒸汽中易挥发组分浓度逐渐增高，而下降的液体中难挥发组分越来越浓，只要塔内有足够多的塔板数，就可使混合物达到所要求的分离纯度（共沸情况除外）。加料板把精馏塔分为二段，加料板以上的塔，即塔上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的难挥发组分，因而称为精馏段。加料板以下（包括加料板）的塔，即塔的下半部完成了下降液体中难挥发组分的提浓，除去了易挥发组分，因而称为提馏段。一个完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段。 精馏段操作方

42、程为： （式2-1）提馏段操作方程为： （式2-2） 其中，R为操作回流比，F为进料摩尔流率，W为釜液摩尔流率，L为提馏段下降液体的摩尔流率，q为进料的热状态参数，部分回流时，进料热状况参数的计算式为： （式2-3）式中 tF进料温度，。tBP进料的泡点温度，。Cpm进料液体在平均温度（tF + tBP）/2下的比热，J/（mol ）。rm进料液体在其组成和泡点温度下的汽化热， J/mol。Cpm=Cp1M1x1+Cp2M2x2 （式2-4） rm=r1M1x1+r2M2x2 （式2-5）式中Cp1，Cp2分别为纯组份1和组份2在平均温度下的比热容，kJ/（kg）。r1，r2分别为纯组份1和组

43、份2在泡点温度下的汽化热，kJ/kg。M1，M2分别为纯组份1和组份2的摩尔质量，kg/kmol。x1，x2分别为纯组份1和组份2在进料中的摩尔分率。精馏操作涉及气、液两相间的传热和传质过程。塔板上两相间的传热速率和传质速率不仅取决于物系的性质和操作条件，而且还与塔板结构有关，因此它们很难用简单方程加以描述。引入理论板的概念，可使问题简化。 所谓理论板，是指在其上气、液两相都充分混合，且传热和传质过程阻力为零的理想化塔板。因此不论进入理论板的气、液两相组成如何，离开该板时气、液两相达到平衡状态，即两温度相等，组成互相平衡。 实际上，由于板上气、液两相接触面积和接触时间是有限的，因此在任何形式的

44、塔板上，气、液两相难以达到平衡状态，即理论板是不存在的。理论板仅用作衡量实际板分离效率的依据和标准。通常，在精馏计算中，先求得理论板数，然后利用塔板效率予以修正，即求得实际板数。引入理论板的概念，对精馏过程的分析和计算是十分有用的5。对于二元物系，如已知其汽液平衡数据，则根据精馏塔的原料液组成，进料热状况，操作回流比及塔顶馏出液组成，塔底釜液组成可由图解法或逐板计算法求出该塔的理论板数NT。按照下式可以得到总板效率ET，其中NP为实际塔板数。 （式2-6）2.2温控系统的工艺流程精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相

45、中的重组分转移到液相，实现组分的分离。塔底的控温精度对分馏的效果有最直接的影响，塔底温度高、塔顶温度低时，过多的原料会以气体的形式蒸发，当塔底的温度过低时，会形成过多的釜残，物料损耗大。其工艺流程图如下所示。图2-2 精馏系统的工艺流程图精馏塔的控制系统要求具有实时监控能力，还要具有历史数据的记录。为了便于运行过程中数据的对比和故障后问题的分析判断，要将相关数据形成历史趋势。控制系统也要有较高的传输速率和刷新频率，来确保数据库的实时性。于是选用WINCC来进行上位监控画面的制作，通过MPI方式与PLC进行通信，实现不间断的数据传输如下图所示。图2-3 系统的结构图第3章 精馏系统的硬件设计 3

46、.1硬件配置 温度控制系统的主要硬件组成：带有WINCC和有STEP7Micro软件的计算机、PLC、PROFIBUS数据线、塔内加热丝。如下面是本次系统的硬件构造图。图3-1 系统硬件构造图3.1.1 PLC的选择广义上的可编程序控制器简称PLC，狭义上的PLC是一种数字运算操作系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时计数等的指令，并通过输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC由硬件部分和软件两部分组成，硬件部分由输入模块，CPU模块，输出模块、编程器这四部分组成。PLC的优点：1可靠性高抗干扰能力强2配套齐全功能完善实用性强3易

47、学易用深受工程技术人员欢迎4系统的设计、建造工作量小，维修方便，容易改造5体积小，重量轻，能耗低PLC的应用领域：1开关量的逻辑控制2模拟量的控制3运动控制4过程控制5数据处理6通讯及联网PLC的硬件结构1CPU模块由CPU和存储器组成存储器又包括：（1）随机存储器（读/写存储器）RAM。其作用是存放用户程序，其特点具有易失性。（2）只读存储器ROM。其作用是存放系统程序，其特点具有非易失性。（3）可以电擦出可编程只读存储器EEPROM。其作用是存放用户程序，其特点是具有非易失性。2输入模块I 包括直流输入型和交流输入型3输出模块O包括继电器输出型模块、双向晶闸管输出型模块、晶体管输出型模块4

48、编程器指电脑CPU的软件结构是指PLC的编程语言其编程语言包括梯形图、指令表（S7-200中的编程语言）、顺序功能图（S7-200和S7-300中的编程语言）等6。PLC的工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周

49、而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为3个阶段7。1. 输入阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。2程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄

50、存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入（出）刷新阶段。3输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行8。PLC的工作模

51、式包括:（1）RUN（运行）模式，（2）STOP（停止）模式（1）PLC的RUN工作模式： 图3-2 PLC的RUN工作模式 （2）PLC的STOP工作模式： 图3-3 PLC的STOP工作模式S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一种小型PLC。它以紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格，已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器。S7-200PLC包含了一个单独的S7-200CPU和各种可选择的扩展模块，可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点上到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模更大的工程。S

52、7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN32可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控，使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。S7-200有四种CPU，其性能差异很大。这些性能直接影响到PLC的控制规模和PLC系统的配置9。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四种。档次最低的是CPU221，其数字量输入点数有6点，数字量输出点数有4点，是控制规模最小的PLC。档次最高的应属CPU226，CPU226集成了24点输入16点输出，共有40个数字量I/O。可连接七个扩展模块

53、，最大扩展至248点数字量I/O点或35路模拟量I/O。本次设计选用的是CPU22610。3.1.2 热电偶热电偶是一种感温元件，直接测量温度，并把温度信号转换成热动势信号。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型

54、热电偶。本论文才用的是K型热电偶。3.1.3 EM 231模拟量输入模块传感器检测到温度转换成041mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户通过DIP开关进行选择的有：热电偶的类型、断线检查、测量单位、冷端补偿和开路故障方向，用户可以很方便地通过位于模块下

55、部的组态DIP开关进行以上选择，如图3-2所示。本设计采用的是K型热电偶，结合其他的需要，我们设置DIP开关为。对于EM231 4TC模块，SW1SW3用于选择热电偶类型，见表3-1 。SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿，见表3-2。为了使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC的电源断电再通电。表3-1 热电偶类型选择热电偶类型SWISW2SW3J（默认）000K001T010E011R100S101N110+/-80mv111表3-2 热电偶其他设置DIP开关功能开/关状态SW5熔断方向正向标定0

56、负定方向1SW6断线启动断线测量电流0禁止断线测量电流1SW7测量单位摄氏0华氏1SW8冷端启用冷端补偿启用0冷端补偿禁止13.2 I/O分配表和硬件连接图PLC采用的是的S7-200，CPU是226系列，采用了5个灯来显示过程的状态，分别是运行灯，停止灯，温度正常灯，温度过高（过低）灯，和加热灯，可以通过5个灯的开关状况判断精馏塔内的大概情况。K型传感器负责检测塔内的温度，把温度信号转化成对应的电压信号，经过PLC模数转换后进行PID调节。根据PID输出值来控制下一个周期内（10s）内的加热时间和非加热时间。在加热时间内使得继电器接通，那精馏塔就可处于加热状态，反之则停止加热。I/O分配表如

57、下所示,硬件连接图如下。表3-3 I/O分配表地址名称功能I0.1启动按扭按下开关，设备开始运行I0.2开关按钮按下开关，设备停止运行I0.3保护按钮按下开关，终止加热Q0.1运行灯灯亮表示设备处于运行状态Q0.2停止灯灯亮表示设备处于停止状态Q0.3温度状态指示灯（正常）灯亮表示炉温在正常范围内Q0.4温度状态指示灯（危险）灯两表示炉温过高，处于危险状态Q0.5固态继电器灯亮表示加热炉正处于加热阶段图3-4 硬件连接图第4章 温控系统软件设计4.1编程软件的功能及选用硬件为温控系统的实体，为系统的正常工作提供了条件和基础，但要使系统能够有效的自动工作，还必须要有软件的配合。精馏温控系统的软件

58、设计主要由下位机PLC和上位工控机的编程为主。本设计的控制器是由西门子公司的S7-200系列的PLC。必须采用西门子系列的专门编程软件进行设计。本设计的PLC软件编程设计采用西门子STEP7软件编辑系统。STEP7 编程软件是一个用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7标准软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。STEP7编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对PLC在线上载或下载。利用STEP7可以方便地创建一个自动化解决方案。

59、图4-1为创建一个自动化项目的基本步骤。 图4-1 创建自动化项目的步骤项目可用来存储为自动化任务解决方案而生成的数据和程序。这些数据包括：硬件结构的组态数据及模板参数；网络通讯的组态数据以及为可编程模板编制的程序。它们都被收集在一个项目下。在生成一个项目后，先插入站，然后可以组态硬件。在组态硬件时，可以借助于模板样本对可编程控制器中的CPU及各模板进行定义，通过双击站来启动硬件组态的应用程序。一旦存储并退出硬件组态，对于在组态中生成的每一个可编程模板，都会自动生成S7/M7程序及空的连接表。连接表可用来定义网络中可编程模板之间的通讯连接。硬件组态完成后就可为编程模板生成软件。为可编程模板编制

60、的软件存储在对象文件夹中。对该对象文件夹称“S7-Program”在子菜单中，可以选择想要生成的块的类型(如：数据块，用户定义的数据类型，功能，功能块，组织块或变量表)。打开一个空的块，然后用语句表，梯形图或功能图输入程序11。在完成组态，参数赋值，程序创建和建立在线连接后，可以下载整个用户程序或个别块到一个可编程序控制器。在下载完整的或部分用户程序到CPU之前，把工作方式从RUN模式置到STOP模式。可以通过在线连接下载各个块或整个用户程序到RAM。当电源关断后和CPU复位时，保存在他们上面的数据将被保留。另外，可以从可编程控制器中上载一个工作站，或从一个S7 CPU中上载块到PG/PC。这

61、样，当出现故障而不能访问到程序文档的符号或注释时，就可以在PG/PC中编辑它。用于S7-200的编程语言有：梯形图(LAD)，语句表(STL)和功能块图(FBD)。LAD是STEP7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点复合元件以及输出线圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。STL是STEP7编程语言的文本表达方式，与机器码相似，CPU执行程序时按每一条指令一步一步地执行。FBD是STEP7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。STEP7编程软件允许结构化用户程序，可以将程序分解为单个的自成体系的程序部分。

62、从而使大规模的程序更容易理解，可以对单个的程序部分进行标准化。程序组织简化，修改更容易。系统的调试也容易了许多。在S7用户程序中可以使用如下几种不同类型的块：组织块(OB)是操作系统和用户程序的接口。它们由操作系统调用，并控制循环和中断驱动程序的执行，以及可编程控制器如何启动。它们还处理对错误的响应。组织块决定各个程序部分执行的顺序。用于循环程序处理的组织块OB1的优先级最高。操作系统循环调用OB1并用这个调用启动用户程序的循环执行。功能(FC)属于用户自己编程的块。功能是“无存储区”的逻辑块。FC的临时变量存储在局域数据堆栈中，当FC执行结束后，这些数据就丢失了。功能块(FB)属于用户自己编程的块。功能块是具有“存储功能”的块。用数据块作为功能块的存储器(背景数据块)。传递给FB的参数和静态变量存在背景数据块中。背景数据块(背景DB)在每次功能块调用时都要分配一块给这次调用，用于传递参数。系统功能块(SFB)和系统功能(SFC)是STEP7为用户提供的己编程好的程序的块，经过测试集成CPU 中的功能程序库。SFB作为操作系统的一部分并不占用程序空间，是具有存储能力的块，它需要一个背景数据块，并须将此块作为程序