【正文】 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要 在工業(yè)過程中，溫度是最常見的控制參數(shù)之一，反應(yīng)器溫度控制是典型的溫度控制系統(tǒng)。對(duì)溫度的控制效果將影響生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，如果控制不當(dāng)，將損害工藝設(shè)備，甚至對(duì)人身安全造成威脅。因此反應(yīng)器溫度的控制至關(guān)重要。連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器是化學(xué)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，是一個(gè)具有大時(shí)滯、非線性和時(shí)變特性、擾動(dòng)變化激烈且幅值大的復(fù)雜控制對(duì)象。結(jié)合控制要求，通過分析工藝流程，本論文設(shè)計(jì)了串級(jí)PID分程控制方案。方案選定后，進(jìn)行了硬件和軟件的選擇。硬件上選用西門子公司的S7200 PLC，并用相應(yīng)的STEP7軟件編程。利用Matlab 。 關(guān)鍵詞：溫度 反應(yīng)器 串級(jí)PID 西門子S7200PLC AbstractIn the industrial process, temperature is one of the most mon 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 plicated control object with a large time delay, nonlinearity,timevarying 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 hardware and software selection are done following the selection of control scheme. As to hardware, the S7200 PLC of Siemens is chosen, and the corresponding software STEP7 is chosen for work for the simulation. Keywords：temperature cascade PID Siemens S7200 PLC 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 目 錄第1章 概 述 1 課題研究背景及意義 1 1 溫度控制概述 1 本設(shè)計(jì)的主要工作 2 第2章 控制方案選擇 3 工藝流程概述 3 工藝過程分析 4 控制方案設(shè)計(jì) 4 PID分程控制方案 5 PID控制原理 5 數(shù)字PID控制算法 7 數(shù)字PID控制器參數(shù)整定 9 分程控制系統(tǒng)原理 11 串級(jí)控制方案 12 串級(jí)控制系統(tǒng)原理 12 串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn) 13 串級(jí)控制方案綜述 15 串級(jí)PID分程控制方案的實(shí)施 15 串級(jí)PID分程控制方案控制流程圖 15 串級(jí)PID分程控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 16 控制過程分析 17 第3章 硬件設(shè)備選型 18 PLC選型 18 I/O選擇 18 PLC型號(hào)選擇 19 結(jié)構(gòu)選擇 20 模擬量擴(kuò)展模塊選擇 21 調(diào)節(jié)閥選型 21 調(diào)節(jié)閥類型確定 22 調(diào)節(jié)閥流量特性選擇 22 調(diào)節(jié)閥口徑選擇 25 作用方式選擇 25 調(diào)節(jié)閥型號(hào)選擇 26 閥門定位器選型 27 檢測(cè)變送器選型 28 溫度傳感器選型 29 溫度變送器選型 30 壓力傳感器選型 31 壓力變送器選型 31 報(bào)警裝置選型 32 系統(tǒng)硬件連接 33 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 36 控制流程圖設(shè)計(jì) 36 主程序流程圖設(shè)計(jì) 36 保溫子程序流程圖設(shè)計(jì) 39 報(bào)警子程序流程圖設(shè)計(jì) 40 控制梯形圖設(shè)計(jì) 41 第5章 監(jiān)控界面設(shè)計(jì) 43 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 43 總 結(jié) 46 致 謝 47 參考文獻(xiàn) 48 附錄1：攪拌釜微機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖 49 附錄2：攪拌釜微機(jī)控制系統(tǒng)梯形圖程序 50 VI第1章 概 述 課題研究背景及意義 反應(yīng)器概述反應(yīng)器，是任何化學(xué)品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，主要給化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)提供場(chǎng)所，決定了化工產(chǎn)品的品質(zhì)、品種和生產(chǎn)能力。不同的生產(chǎn)過程和生產(chǎn)工藝所使用的反應(yīng)器類型也不同，因此反應(yīng)器種類很多。就結(jié)構(gòu)形式看，有釜式、管式、塔式、固定床、流化床反應(yīng)器等；按傳熱情況看，分為絕熱式和非絕熱式反應(yīng)器。釜式反應(yīng)器有兩種操作方式：連續(xù)生產(chǎn)和間歇生產(chǎn)。連續(xù)攪拌反應(yīng)釜（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）是一種復(fù)雜的非線性化學(xué)反應(yīng)器，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于化工、發(fā)酵、石油生產(chǎn)、生物制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程中，成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要化工設(shè)備之一。反應(yīng)釜內(nèi)部都有攪拌裝置，可以使反應(yīng)器中反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)物料的濃度均一。反應(yīng)釜內(nèi)的特征參量一般為溫度、壓力、濃度等，對(duì)這些參數(shù)控制的好壞直接影響生產(chǎn)物的質(zhì)量。 溫度控制概述溫度是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。不同生產(chǎn)工藝要求下的溫度控制方案也有所不同。在本論文中，要保證連續(xù)攪拌反應(yīng)釜生產(chǎn)安全，要對(duì)反應(yīng)釜中的溫度進(jìn)行精確控制。反應(yīng)釜中生產(chǎn)過程既是放熱的化學(xué)反應(yīng)過程，又是物理變化過程，聚合反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，開始需要迅速達(dá)到催化劑適宜溫度開始反應(yīng)，達(dá)到一定溫度后由于化學(xué)反應(yīng)的放熱，如果不及時(shí)移去反應(yīng)熱，將使反應(yīng)劇烈超出正常范圍，易引起“爆聚”或產(chǎn)生安全閥跳；加入過量冷水又將使反應(yīng)激落，甚至造成“僵釜”現(xiàn)象，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及工作人員的生命安全。因此，反應(yīng)釜溫度控制對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。 本設(shè)計(jì)的主要工作 本課題主要設(shè)計(jì)的是基于PLC控制的反應(yīng)器控制系統(tǒng)，主要設(shè)計(jì)流程如下：，熟悉生產(chǎn)工藝過程，根據(jù)控制要求進(jìn)行總體控制方案設(shè)計(jì)。，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型和PLC選型，繪制系統(tǒng)的硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖和I/O連接圖。，確定反應(yīng)釜反應(yīng)過程中PID控制算法的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)的整定。第2章 控制方案選擇 工藝流程概述本設(shè)計(jì)被控對(duì)象為過程工業(yè)常見的帶攪拌釜式反應(yīng)器系統(tǒng)，屬于連續(xù)反映過程。反應(yīng)過程為反應(yīng)物A與反應(yīng)物B在催化劑C的作用下，在反應(yīng)溫度120177?！嫦逻M(jìn)行反應(yīng)，生成產(chǎn)物D。反應(yīng)初期用熱水誘發(fā)，當(dāng)反應(yīng)開始后由冷卻水通過蛇管與夾套進(jìn)行冷卻。其工藝流程圖如圖21所示：圖21 工藝流程圖反應(yīng)過程主要有三股連續(xù)進(jìn)料：第一股是反應(yīng)物A，F(xiàn)4是進(jìn)料流量，V4為進(jìn)料閥；第二股是反應(yīng)物B，F(xiàn)5是進(jìn)料流量，V5是進(jìn)料閥；第三股是催化劑液，F(xiàn)6為進(jìn)料流量，V6是進(jìn)料閥。反應(yīng)器液位為L(zhǎng)4，反應(yīng)器出口漿液流量為F9，由出口閥V9控制其流量。出口泵及出口泵開關(guān)為S6。 工藝過程分析連續(xù)攪拌反應(yīng)釜是一個(gè)典型的非線性模型，化學(xué)反應(yīng)過程表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性和時(shí)滯性，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，連續(xù)攪拌反應(yīng)釜中必然會(huì)受到外部或內(nèi)部因素的影響，使得系統(tǒng)中存在參數(shù)攝動(dòng)，外部干擾等不確定因素。這些給精確控制系統(tǒng)提高了難度?？傮w上系統(tǒng)溫度控制可以分為兩個(gè)階段：反應(yīng)升溫溫度控制和反應(yīng)保溫控制。：℃/s的速率上升，提高反應(yīng)溫度有利于主反應(yīng)的進(jìn)行，保證升溫速度平穩(wěn)避免超壓?jiǎn)栴}。：縮合反應(yīng)階段后保溫階段要使反應(yīng)釜溫度始終保持在120℃左右510分鐘（實(shí)際為23小時(shí)），以使反應(yīng)盡可能充分地進(jìn)行，達(dá)到盡可能高的主產(chǎn)物產(chǎn)率。升溫階段，溫度要求以某一速度上升，是一個(gè)變量。而保溫階段，要求溫度保持在某一數(shù)值上，且波動(dòng)不大，可作為定值控制。傳統(tǒng)的PID控制算法理論成熟，應(yīng)用廣泛，但其控制精度依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，因此有自身的限制。串級(jí)控制對(duì)擾動(dòng)較多、變值控制、非線性系統(tǒng)有很好的控制效果。 控制方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)三種控制方案：PID分程控制方案、串級(jí)控制方案和串級(jí)PID分程復(fù)合控制方案。本系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)溫度的穩(wěn)定性就有較高的要求。為了使反應(yīng)釜內(nèi)的溫度能夠穩(wěn)定在要求的控制范圍內(nèi)，我們采用串級(jí)PID分程控制方案來對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行控制。其中，串級(jí)控制升溫過程效果良好，PID控制方案保溫定值效果良好，分程控制方案有效地解決了同時(shí)處理加熱與冷卻的問題。復(fù)合控制方案綜合了前兩種控制方案的優(yōu)點(diǎn)，又很好的避免了各自的缺點(diǎn)。主變量是生產(chǎn)工藝的主要控制指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，因此對(duì)于本連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)，可以選擇反應(yīng)釜內(nèi)的溫度為主變量，選擇夾套溫度為副變量。串級(jí)控制系統(tǒng)的目的是為了高精度地穩(wěn)定主變量。當(dāng)輸入是定值時(shí)，主變量控制不允許有余差，所以，控制器通常選用比例積分控制規(guī)律；本控制對(duì)象為溫度對(duì)象，具有滯后性，采用比例積分微分控制規(guī)律，實(shí)現(xiàn)主變量的無差控制。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定副變量并不是目的。因此，在控制過程中，對(duì)副變量的給定值允許有波動(dòng)。副控制器采用比例控制規(guī)律，為了能夠快速跟蹤，最好不帶積分作用，因?yàn)榉e分作用會(huì)使跟蹤變得緩慢；副控制器的微分作用也是不需要的，因?yàn)楫?dāng)副控制器有微分作用時(shí)，一