连续搅拌釜式反应器课程设计

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1、长春工业大学人文信息学院毕业设计（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

2、度 反应器 串级PID 西门子S7-200PLC AbstractIn 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

3、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,tim

4、e-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 hardware and software selection are done following the selection of cont

5、rol scheme. As to hardware, the S7-200 PLC of Siemens is chosen, 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本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标

6、注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录

7、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

8、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 I/O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 -

9、 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

10、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 -VI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

11、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

12、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

13、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I/O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1201.0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：

14、图2-1 工艺流程图反应过程主要有三股连续进料：第一股是反应物A，F4是进料流量，V4为进料阀；第二股是反应物B，F5是进料流量，V5是进料阀；第三股是催化剂液，F6为进料流量，V6是进料阀。反应器液位为L4，反应器出口浆液流量为F9，由出口阀V9控制其流量。出口泵及出口泵开关为S6。2.2 工艺过程分析连续搅拌反应釜是一个典型的非线性模型，化学反应过程表现出很强的非线性和时滞性，在实际的工业生产中，连续搅拌反应釜中必然会受到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.

15、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

16、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

17、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

18、：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

19、，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控制器的原理框图PID控制解决了自动控制原理索要解决的最基本的问题，即系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可以实现在系统稳定的前提下，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

20、成的模拟PID控制器的控制表达式为： (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： (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

21、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

22、，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： (式2-5)式中，u(k)为第k时刻的控制输出。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。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： (式2-6)将式(2-5)减式(2-6)得k时刻控制量

23、的增量为： (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：

24、(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

25、，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调节器参数控制规律PPI1.20.5PID0.80.30.1对大多数控制

26、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调节器参数控制规律PPI1.22PID0.81.20.42.4.4 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

27、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

28、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

29、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

30、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。当一次扰动 使主对象的被控参数发生变化时主回路产生校正作用，克服 对其的影响，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主对象的影响比单回路系统要小很多。2.5.2 串级

31、控制系统特点串级控制系统与单回路控制系统相比又一个显著的区别，即它在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环双闭环或成为双环。串级控制系统，就其主回路（外环）来看是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动系统。以反应釜系统为例，在控制过程中，副回路起着对反应腔温度的“粗调”作用，而主回路则完成对反应腔温度的“细调”的任务。图2-7为串级控制系统的框图。与单回路控制系统相比，它用一个闭合的副回路代替了原来的部分被控过程。 图2-7 串级控制系统的等效框图由图2-7可写出式2-8为： (式2-8) 由式2-8可知，串级系统的特征方程式2-9为： (式2-9)设，主调节器与主测量变送器传递函数分别

32、为和，将以上各传递函数代入式(2-9)，可得式2-10为： (式2-10)经整理后为： 则串级控制系统的特征方程式可写成如下标准形式2-11为： (式2-11)如果通过调节器的参数整定，使串级控制系统与单回路控制系统具有相同的衰减率，即，则可写成式2-12为： (式2-12)由于，所以。以上结论表明增加一个副回路的串级控制系统其等效被控过程的时间常数减小了，从而改善了系统的动态特性。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器和一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果却有明显的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统：1.改善了被控过程的动态特性，提高了系

33、统的工作频率；2.对二次干扰有很强的克服能力；3.提高了对一次扰动的克服能力；4.提高了对回路参数变化的自适应能力。串级控制系统在工程的应用场合：1.应用于容量滞后较大的过程； 2.应用于纯时延较大的过程； 3.应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程；4.应用于参数互相关联的过程； 5.应用于非线性过程。2.5.3 串级控制方案综述在现代工业生产过程中，一些以温度等作为被控参数的系统，往往其容量滞后较大，控制要求又较高，为了满足控制质量，通常选择串级控制系统，以充分利用其改善过程的动态特性、提高其工作频率的特点。串级控制系统可以将变化剧烈、幅度大的扰动包括在串级系统的副回路中，由副回路实现对主要扰

34、动的及时控制，大大减少这些大扰动对主参数的影响，从而提高控制质量。2.6 串级PID分程控制方案的实施2.6.1 串级PID分程控制方案控制流程图通过以上两种方案的论证，可以得出比较理想的最终控制方案为串级PID分程控制方案。由于温度属于时间常数较大、惯性较大的变量，夹套冷却水的温度变化随着阀门的开关变化较快、时间常数较小。针对这种情况，选择反应釜内的反应温度为主变量，选择夹套温度为副变量，采用“温度-温度串级控制”。其中温度副控制器分程控制热水输入阀S6和冷水输入阀V7、V8。其控制流程图如图2-9所示：图2-9 最终方案控制流程图主控制器作用选择为正作用形式，副控制器作用选择为反作用形式。

35、调节阀开关模式的选择主要考虑在不同工艺条件下安全需要。因此冷水阀V7、V8采用气关式，工作范围选择4-12mA;热水阀S6采用气开式，工作范围选择12-20mA。这样既可满足分程控制的需要，又可保证事故状态下调节阀处于适当位置。被控参数选为反应釜的反应温度，控制参数为冷水阀和热水阀的开度。2.6.2 串级PID分程控制方案系统结构框图最终控制方案为串级PID分程控制方案，其系统结构图如图2-10所示。外环主控制器控制规律为比例积分微分控制，内环副控制器控制规律为比例控制。 图2-10 串级PID分程控制系统结构框图系统的给定分为两部分，一部分是升速率大小，另一部分是保温阶段给定保温温度大小。操

36、作者可以根据不同的需要改变升温/保温切换器，升温阶段选择到升温方向，保温阶段选择到保温方向。置于升温阶段工作时，微分结构将反应温度取一阶微分，得到温度变化率，再与升温速率设定值作比较，将偏差作为控制器的输入，可实现升温速度较稳。置于保温阶段工作时，直接将反应温度与给定保温温度作比较，将偏差作为控制器的输入，可实现保温控制。2.6.3 控制过程分析当反应物投入设备后，由于釜温测量值远远小于反应给定温度，反应温度变化率很低，因此升温/保温切换器选择升温控制，由于主控制器为正作用输出信号较小，副控制器为反作用输出信号较大，则分程控制的热水阀S6工作，两路冷水阀全部关闭，此时诱发反应进行。当釜温达到反

37、应诱发温度时，化学反应发生，将有反应热量放出，釜温将逐渐升高并且温度上升速率越来越大，则副控制器输出信号较小，那么分程控制的热水阀S6逐渐关闭，冷却水入口阀V7、V8逐渐打开，反应所产生的热量就被冷水带走一部分，从而达到维持釜温以适当速率上升的目的。当反应进行一段时间后，釜温接近给定值120时，将升温/保温切换器选择保温控制，双闭环PID控制器调节使其温度始终保持在120左右。反应物经过了剧烈难控的大量反应阶段，已消耗掉大部分，化学反应的剧烈程度显著降低，釜温和釜压将会相应减少，两路冷水阀V7、V8将会逐渐关闭，热水阀S6将逐渐打开。釜温还在继续下降，热水阀S6将完全打开为反应提供热量。第3章

38、 硬件设备选型3.1 PLC选型现代社会生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)正适应这一要求，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已广泛应用与各种各样的自动控制系统中。PLC产品的种类有很多，不同型号的PLC,其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。3.1.1 I/O选择 系统需要3路模拟量输入分别为反应温度、反应釜压力P、夹套温度；2

39、路数字量输出即S8搅拌机开关和压力报警信号W；3路模拟量输出分别控制热水阀S6、蛇管冷却水阀V7、夹套冷却水阀V8。由于模拟量的输入是温度测量变送装置或压力测量变送装置传递来的4-20mA直流电流信号，模拟量的输出信号控制直流电流输入的气动调节阀，所以应选用直流电流形式的模拟量输入输出模块，其量程均为4-20mA，考虑到精度要求和成本应选择12位的A/D和D/A模块。PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2-3个扫描周期）等，由于温度控制系统属于大滞后过程，对I/O响应时间要求不高，所以可不必考虑响应时间问题。系统所需的输入输出量可见表3-1。

40、表3-1 系统I/O统计I/O类型个数说明模拟量输入AI3：反应温度：夹套温度P：反应釜压力模拟量输出AO3S6：控制热水阀V7：蛇管冷却水阀V8：夹套冷却水阀数字量输出DO2S8：搅拌机开关W：压力报警信号3.1.2 PLC型号选择本文选用西门子公司的S7-200型PLC。S7-200系列可编程控制器(简称PLC)是西门子公司1995年底推出的新一代微型PLC，由于其性能价格比极高，目前已经在各个领域得到广泛的应肉用。S7-200CN系列的强大功能使其无论独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，其在集散自动化系统中充分发挥其强大功能，适用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化

41、控制。S7-200CN系列可编程控制器可以分为4个不同的基本型号8种CPU。如：CPU221、CPU222CN、CPU224CN、CPU224XPCN、CPU226CN等。各种机型配置一览表见表3-2。表3-2 S7-200系列机型配置一览表型号I/O点数扩展功能CPU2216输入，4输出，共10个无I/O扩展能力CPU222CN8输入，6输出，共14个可连接2个扩展模块最大扩展至78路数字量I/O点或10点模拟量I/O点CPU224CN14输入，10输出，共24个可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或者35路模拟量I/O点CPU224XPCN14输入，10输出，共24个可连接

42、7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或者38路模拟量I/O点CPU226CN24输入，16输出，共40个可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或者35路模拟量I/O点以上型号S7-200CN系列PLC均具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本文根据I/O点数和性价比综合考虑可选择CPU224CN。本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/

43、编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。3.1.3 结构选择根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式、模块式和混合式。模块式PLC一般被大、中型PLC采用。模块插在模块插座上，模块插座则焊在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用接口模块和电缆相连。整体式PLC每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，小型控制系统一般采用整体式PLC。整体式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸整体。在相同

44、功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，维修方便（换模块），容易判断故障等优点。 综上考虑，根据控制规模、工作速度和内存容量等要求选用西门子公司的S7-200整体式模块。3.1.4 模拟量扩展模块选择本文中系统有3个模拟量输入，3个模拟量输出，而所选S7-200 PLC的CPU只能处理数字量，因此需配合使用模拟量扩展模块。模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能。模拟量I/O模块的主要任务是实现A/D转换（模拟量输入）和D/A转换（模拟量输出）。模拟量输入模块可选用西门子 S7-

45、200CN配套使用模拟量输入/输出组合模块EM231CN。EM231 CN模拟量输入模块有5档量程（ DC 0-10V、0-5V、0-20mA、2.5V和5V）并且可以提供4路模拟量输入。模拟量输出模块可选用EM232 CN型号。它只能提供2路模拟量输出点数，因此选用2个EM232 CN模拟量输出模块。EM231CN和EM232 CN模拟量扩展模块的优点如下： 1.最佳适应性。 2.可适用于复杂的控制场合。 3.直接与传感器和执行器相连。4.灵活性：当实际应用变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用户程序。3.2 调节阀选型在过程控制中，执行器（亦称执行机构）大多采用阀的形式，控

46、制各种气体或液体的流量与流速，是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。实践证明，在过程控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。所以，应根据生产过程的特点、被控介质的情况（尤其关注高温、高压、剧毒、易燃易爆、易结晶、易腐蚀等介质）和安全运行需要，并从系统设计的总体考虑，选用合适的执行器。在过程控制中，使用最多的是气动执行器，其次是电动执行器，较少采用液动执行器。调节阀特性的选用原则包括：选择合适的工作区间：在正常工作情况下要求调节阀开度处于15%-85%之间。选择合适的流量特性：调节阀流量特性的选择一般分为两步进行

47、。首先根据过程控制系统的要求，确定工作流量特性，然后根据流量特性曲线的畸变程度，确定理想流量特性。选择合适的调节阀开、关形式。3.2.1 调节阀类型确定根据工艺使用环境要求，选择相应的执行机构。气动执行器具有结构简单，动作可靠，性能稳定，维修方便，价格便宜，适用于防火防爆场合等特点，它不仅能与QDZ仪表配用，而且通过电-气转换器或阀门定位器与DDZ仪表配用，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻纺等工业部门。由于本系统采用了分程控制，需要用到阀门定位器，所以选择气动调节阀。3.2.2 调节阀流量特性选择在过程控制工程中，执行器的流量特性将直接影响系统的稳定性和控制质量。所以在工程中必须合理、正确

48、使用。执行器的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，得式3-1为： (式3-1)式3-1中为相对流量，即执行器某一开度流量与全开流量之比；为相对开度，即执行器某一开度行程与全开行程之比。流量特性有理想流量特性和工作流量特性两个概念。理想流量特性，就是在阀前后压差为一定的情况下（常数）得到的流量特性。它取决于阀芯的形状。不同的阀芯曲面可以得到不同的理想流量特性。一般，理想流量特性有直线流量特性、对数流量特性、快开流量特性与抛物线流量特性。 1.直线流量特性：是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化多引起的流量变化是一个常数，其数学表达式3-2为： (式

49、3-2)式3-2中K为常数，即执行器的放大系数。2.对数流量特性：是指单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。其数学表达式3-3为： （式3-3）对数流量特性在控制系统中是有利的。调节阀在小开度时，调节阀的放大系数小，控制平稳缓和；调节阀在大开度时，其放大系数，控制作用灵敏有效。3.抛物线流量特性：是指单位相对行程的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量的平方根成正比关系。其数学表达式3-4为： （式3-4）4.快开流量特性：这种流量特性在小开度时流量就已很大，其流量就很快达到最大，故称快开特性。它们的理想流量特性曲线如图3-1所示:图3-1 理想流量特性曲线1-快

50、开2-直线 3-抛物线 4-对数工作流量特性，就是在实际工程使用中，调节阀两端的压力差常数，此时调节阀的相对开度和相对流量的关系。流量特性的选择原则为 ：一个过程控制系统，在负荷变动的情况下，为了使系统能保持预定的品质指标，则要求系统总放大系数在整个操作范围内保持不变，可以通过适当选择调节阀的特性来补偿被控过程的非线性，从而使系统总的放大系数保持不变。所以当过程特性为非线性时，应选用对数流量特性的调节阀，否则就使用直线特性的调节阀。本设计被控过程为非线性和时变的过程，根据以上原则应选用对数流量特性的调节阀，而且考虑到系统采用了分程控制，为了使流量变化平滑，防止在分程点上引起流量特性的突变，也应

51、选择对数流量特性的调节阀。3.2.3 调节阀口径选择在过程控制系统中，调节阀的（公称直径）、（阀座直径）必须很好地选择，在正常工况下要求调节阀开度处于1585之间。因为调节阀口径选得过小，当系统受到较大扰动时，调节阀可能运行在全开或接近全开的非线性饱和工作状态，使系统暂时失控，调节阀口径选得过大，系统运行中阀门会经常处于小开度的工作状态，不但调节不灵敏，而且易造成流体对阀芯、阀座的严重冲蚀，在不平衡力作用下产生振荡现象，甚至引起调节阀失灵。对通过调节阀的流体流量的控制，是通过改变其阀芯与阀座之间的流通及截面积大小，即改变其阻力大小来达到的。所以，从流体力学来看，执行器是一个局部阻力可以变化的节

52、流元件。调节阀的和是根据计算出来的流通能力C来选择的。流通能力C表示执行器的容量，其定义为：调节阀全开，阀前后压差为0.1MPa、流体密度为1时，每小时流过阀门的流体流量（体积（m3）或质量（kg）。由流通能力的公式3-5为： （式3-5）式3-5中，为流体的体积流量；为流体重度；为调节阀前后压差。由式(3-5)可以算得最大流量时的。应选择单座阀=20mm，=12mm。3.2.4 作用方式选择执行器有气开、气关两种形式。所谓气开式，即当气动执行器输入压力p0.02MPa时，阀开始打开，也就是说有信号压力时阀开，无信号压力时阀关。对于气关式则反之，即有信号压力时阀关，无信号压力时阀开。在本系统中

53、，考虑到以上安全生产情况的需要：当热水阀S6输入信号为零或调节失灵时，应防止蒸汽进入反应器诱发反应进行使温度不断升高产生危险，所以应选用气开形式；而当冷水阀V7、V8输入信号为零或调节失灵时，为保证生产安全应使阀处于打开状态以阻止反应器内温度的上升，所以应选用气关形式。3.2.5 调节阀型号选择通过以上分析，本系统可选用上海巨良电磁阀制造有限公司生产的ZMAP系列气动薄膜单座调节阀。ZMAP气动薄膜单座调节阀由气动薄膜多弹簧执行机构和单座阀组成。它具有高度低、重量轻、动作可靠、泄露量小、安装维修简便及不会发生火灾爆炸等优点。它适应与对泄漏量要求严格、阀前后压差低及有一定粘度和少量纤维介质的场合

54、，ZMAP标准型使用温度为：-17到230；ZMAP-G散热型使用温度为：230到450；ZMAP-D低温型使用温度为：-196到-60。本文中选择ZMAP标准型即可。本文中选用的各调节阀的具体特性和选型如表3-5所示：表3-5 调节阀选型一览表阀门编号作用方式流量特性公称通径（mm）额定流量系数弹簧压力范围（Pa）供气压力（M Pa）产品型号S6气开型对数型201.220-1000.14ZMAP标准型V7气关型对数型202.020-1000.14ZMAP标准型V8气关型对数型202.020-1000.14ZMAP标准型3.3 阀门定位器选型阀门定位器是调节阀的主要附件，通常与气动调节阀配套使

55、用，它接受调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的磨擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。阀门定位器按其结构形式和工作原理可以分成气动阀门定位器、电-气阀门定位器和智能式阀门定位器。阀门定位器按输入信号分为气动阀门定位器、电气阀门定位器和智能阀门定位器。气动阀门定位器的输入信号是标准气信号，例如，20-100kPa气信号，其输出信号也是标准的气信号。电气阀门定位器的输

56、入信号是标准电流或电压信号，例如，4-20mA电流信号或1-5V电压信号等，在电气阀门定位器内部将电信号转换为电磁力，然后输出气信号到拨动控制阀。智能电气阀门定位器它将控制室输出的电流信号转换成驱动调节阀的气信号，根据调节阀工作时阀杆摩擦力，抵消介质压力波动而产生的不平衡力，使阀门开度对应于控制室输出的电流信号。并且可以进行智能组态设置相应的参数，达到改善控制阀性能的目的。按阀门定位器输出和输入信号的增益符号分为正作用阀门定位器和反作用阀门定位器。正作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号也增加，因此，增益为正。反作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号减小，因此，增益为负。本系统的调节器输出

57、信号即阀门定位器的输入信号为电信号，所以应选择电-气阀门定位器。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程几段，不同区段的信号有相应的阀门定位器转化为20100kPa压力信号，使调节阀全行程动作。本系统的分程控制是调节阀异向动作的分程控制，如图3-2所示：图3-2 调节阀异向动作图根据各调节阀的动作方向可知，热水阀S6为气开型阀门，对应的阀门定位器应选择输入信号为1220mA，冷水阀V7、V8为气关型阀门，对应的阀门定位器应选择输入信号为412mA。本系统采用常熟市常仪仪表有限公司生产的ZPD-1121型号的电-气阀门定位器。其规格参数为：输入信号412m

58、A，1220mA；输出信号20100kPa；气源压力140kPa；行程范围 直行程10100mm；耗气量450L/h。3.4 检测变送器选型被控参数（变量）以及其它一些参数、变量的检测和将测量信号传送至控制器是设计过程控制系统中的重要一环。对被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要前提。检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。被检测参数性质的不同，准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能要求的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。检测及变送器件的选择主要从以下几点考虑：1.尽可能选择测量误差小的测量元件；2.尽可能选择快速响应的

59、测量元件与变送设备；3.正确采用微分超前补偿；4.合理选择测量点位置并正确安装；5.对测量信号作必要的处理。3.4.1 温度传感器选型温度是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一。任何化学反应和物理变化都和温度有关，它约占生产过程中全部过程参数的50左右。测量温度的方法很多，从测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触式测温两类。接触式测温是通过测量体与被测介质的接触来测量物体温度的；非接触式测温是通过接受被测介质发出的辐射热来判断温度的。接触式测温仪器目前在工业生产和科学研究领域得到广泛应用的主要是热电偶和热敏电阻温度计。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，其主要缺点是温度传感器灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。当测量低于150的温度时，由于热电偶输出的热电动势很小，故本系统采用热电阻温度传感器。热电阻温度计的最大特点是性能稳定、测量精度高、测温范围宽，同时还不需要冷端补偿，一般可在-270900范围内使用。热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的性质来测量温