【正文】 1904年才用于煉油工業(yè)，當時的填料是碎磚瓦、小石塊和管子縮節(jié)等。 1． 階段 I: 20~50年代 ： 1920年，有溢流的泡罩塔板開始應(yīng)用于煉油工業(yè)，開創(chuàng)了一個新的煉油時代。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等 。該控溫系統(tǒng)具有控溫精度高和硬件簡單的特點。在 20世紀 80年代初期 ， 國外開發(fā)了一種超重力精餾分離傳質(zhì)機器一 Higee。在精餾塔產(chǎn)品的分餾過程中 ， 溫度是一個最為關(guān) 鍵的控制量。 從精 餾設(shè)備的歷史發(fā)展來看，精餾技術(shù)與石油、化學加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進步的發(fā)展關(guān)系。實際運行結(jié)果驗證了 PLC應(yīng)用于精餾塔溫度控制系統(tǒng)的可行性 及精確性。熱電偶作為溫度的采 集元件，采集的信號經(jīng)過 EM231的處理后就可把數(shù)據(jù)送入 PLC中進行處理。洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） I 基于 PLC 的 工業(yè)精餾控制系統(tǒng) 摘 要 精餾是石油、輕工、化工等生產(chǎn)過程中，常常需要將原料、中間產(chǎn)物或粗產(chǎn)品中的組成部分進行分離，最常用的方法。 本設(shè)計硬件方面采用了西門子 S7200系列 CPU型號為 226的 PLC、 K型熱電偶和溫度模 EM231。用 WINCC上位機和西門子 S7200 PLC下位機組成一個穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)， 以 達到溫度控制的目的， 初始時給系統(tǒng)一個設(shè)定值， 一旦溫度 偏離 設(shè)定值， 熱電偶采集到后把溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬟f到 PLC中 ， PLC會 發(fā)出信號 使 精餾塔 內(nèi)電阻加熱絲 ，使其增加或減小 功率 ，使溫度達到設(shè)定值。 而精餾系統(tǒng)又是石化工業(yè)的重中之重。 精餾塔溫度控制系統(tǒng)主要由 PLC控制程序和 WINCC人機監(jiān)控界面實現(xiàn)塔內(nèi)溫度的實時調(diào)節(jié)與監(jiān)控。 國外新型板式塔的發(fā)展是將 MD塔板的懸掛 降液管技術(shù)移植到常規(guī)板式塔上，增加了塔板的鼓泡面積，提高了塔設(shè)備的處理能力。針對以上情況 ， 開發(fā) 了一種以西門子 S7200 PLC為核心的精餾塔溫度控制系統(tǒng)?？稍谒O(shè)備中完成的常見的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。 精餾塔的發(fā)展過程 塔設(shè)備的廣泛應(yīng)用是伴隨著十九世紀初期迅猛發(fā)展的煉油工業(yè)，并且隨著煉油和石化企業(yè)的不斷發(fā)展而成為主導(dǎo)的工業(yè)單元操作過程。從 1832年開始用于釀造工業(yè)，是出現(xiàn)較早并獲得廣泛應(yīng)用的一種塔型。 2． 階段 II (50～ 70年代 )： 浮閥塔板的開發(fā) FRI的成立系統(tǒng)化的設(shè)計方法 ， 1955年 Monsanto公司的 Bolles發(fā)表了著名的 “ 泡罩塔板設(shè)計手冊 ” ，首先提出了科學的、規(guī)范化塔板設(shè)計技術(shù)，該方法到目前為止仍然廣泛流行。 3． 階段 III (70～ 90年代 )： 大型液體分布器的基礎(chǔ)研究 ， 使得填料塔的放大研究成功，在減壓塔中應(yīng)用獲得極大的經(jīng)濟效益和社會效益。據(jù)有關(guān)資料報道，煉油裝置的年處理能力也達 1000 萬噸，年產(chǎn) 60～ 90 萬噸的乙烯工廠、 60 萬噸的甲醇工廠、45 萬噸的氯乙烯工廠、 34 萬噸的低密度聚乙烯工廠、 萬噸的苯乙烯工廠以及 萬噸的異丙苯工廠，也將相繼興建。在此期間，為了滿足設(shè)備大型化以及化工工藝方面提出的高壓、減壓、高操作彈性等特殊要求，又出現(xiàn)了很多新型塔盤，但按其結(jié)構(gòu)特點，仍屬泡罩、篩板、浮閥、舌型等幾種典型塔型的改進或相互結(jié)合。同時，還創(chuàng)建了使小球浮動萊強化傳質(zhì)的湍球塔 [1]。 目前，我國常用的板式塔型仍為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔和舌形塔等，填料種類除拉西環(huán)、鮑爾環(huán)外，階梯環(huán)以及波紋填料、金屬絲網(wǎng)填料 等規(guī)整填料也常采用。 洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 自動化技術(shù)在精餾塔控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。此外，人們還開發(fā)出了一些專用或通用的商業(yè)化軟件，應(yīng)用于精餾塔的控制。通常，滿足一端的產(chǎn)品質(zhì)量，即塔頂（或塔釜）產(chǎn)品達到規(guī)定純度，而另一端產(chǎn)品的純度維持在規(guī)定范圍內(nèi)即可。所以，質(zhì)量控制系統(tǒng)目前并不多見，而是通過能間接控制質(zhì)量的溫度控制系統(tǒng)來代替。常用的精餾過程的約束條件有以下幾點： （ 1） 液泛限：是指精餾過程中上升蒸汽速度的最大限。 為了防止液泛現(xiàn)象和漏液現(xiàn)象，可以通過塔壓降或者壓力差來監(jiān)視氣相速度，一般控制氣相速度在液泛附近略小于液泛點比較好。 （ 4） 正常傳熱 臨界溫度限：主要是指再沸器兩側(cè)的溫差限度，當這一溫差高于臨界溫差時，給熱系數(shù)會急劇下降，傳熱量也會隨之下降，不能保證塔的正常傳熱需求?？刂扑?nèi)壓力穩(wěn)定，對精餾過程的平衡操作是十分必要的。 精餾過程的基本自動控制 1． 被控變量和操縱變量的配對選擇 精餾過程有多個被控變量和多個操縱變量，合理選擇它們的配對，能有效地減少系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，并能使精餾塔的平穩(wěn)操作。 2． 精餾過程的控制方案 （ 1）按產(chǎn)品 成分或物性直接控制。因此，絕大多數(shù)精餾塔在當塔壓恒定時采用溫度作為間接質(zhì)量指標。采用塔頂溫度作為被控變量，能夠直接反映產(chǎn)品質(zhì)量，但因鄰近塔頂處塔板之間的溫度差很小，該控制方案對溫度檢測裝置提出較高要求，因此，采用塔頂溫度控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的控制方案很少采用，主要用于石油產(chǎn)品按沸點的粗級切割餾分處理。 （ 3）按照溫差間接控制。 論文選題的目的和意義 精餾塔是化工生產(chǎn)中分離互溶液體混合物的典型分離設(shè)備。維持正常的塔釜溫度，可以避免輕組分流失，提高物料的回收率，也可減少殘余物料的污染作用。以往調(diào)節(jié)只是采用靈敏板溫度調(diào)節(jié)器單一回路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)反應(yīng)慢，時間滯后，對精餾操作而言，產(chǎn)品的純度很難保證。精餾塔的控制最終目標是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前 提下，使回收率最高，能耗最小，或使總收益最大。在 20世紀 80年代初期，國外開發(fā)了一種超重力精餾分離傳質(zhì)機器一 Higee。該控溫系統(tǒng)具有控溫精度高和硬件簡單的特點。 論文的主要工作包括： 1． 進行精餾溫度控制系統(tǒng)的總體方案的制定。 洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 論文技術(shù)路線 1． PLC技術(shù) PLC技術(shù)可編程控制器（ Programmable Logical Controller）簡稱 PLC，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動控制技術(shù) 和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。 2． 現(xiàn)場總線技術(shù) 現(xiàn)場總線技術(shù)根據(jù)國際電工委員會 (IEC)和美國 儀表協(xié)會 (ISA)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。通過 MPI方式與 PLC進行通信，實現(xiàn)不間斷的數(shù)字信息傳輸。非均相物系的分離主要依靠質(zhì)點運動與流體流動原理實現(xiàn)分離。通常，將低沸點的組分稱為易揮 發(fā)組分，高的稱為難揮發(fā)組分。其中較易揮發(fā)的稱為易揮發(fā)組分（或輕組分），較難揮發(fā)的稱為難揮發(fā)組分（或重組分）。進、出第 n 板的物流有四種： 1．由第 n1 板溢流下來的液體量為 ln1，其組成為 n1， 溫度為 tn1。 因此，當組成為 xn1 的液體及組成為 yn+1 的蒸汽同時進入第 n 板，由于存在溫度差和濃度差，汽液兩相在第 n 板上密切接觸進行傳質(zhì)和傳熱的結(jié)果會使離開第 n 板的汽液兩相平衡（如果為理論板，則離開第 n 板的汽液兩相成平衡），若汽液兩相在板上的接觸時間長，接觸比較充分，那么離開該板的汽液兩相相互平衡，通常稱這種板為理論板（ yn， xn 成 平衡）。一個完整的精餾塔應(yīng)包括精餾段和提餾段。 rm——進料液體在其組成和泡點溫度下的汽化熱， J/mol。 x1， x2——分別為純組份 1 和組份 2 在進料中的摩爾分率。 所謂理論板，是指在其上氣、液兩相都充分混合，且傳熱和傳質(zhì)過程阻力為零的理想化塔板。通常，在精餾計算中，先求得理論板數(shù)，然后利用塔板效率予以修正，即求得實際板數(shù)。 %1001 ??? PTT NNE （式 26） 溫控系統(tǒng)的 工藝流程 精餾過程的實質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度，即同一溫度下各組分的蒸汽分壓不同，使液相中輕組分轉(zhuǎn)移到氣相，氣相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相，實現(xiàn)組分的分離。為了便于運行過程中數(shù)據(jù)的對比和故障后問題的分析判斷，要將相關(guān)數(shù)據(jù)形成歷史趨勢。如下面是本次系統(tǒng)的硬件 構(gòu)造 圖。其作用是存放用戶程序，其特點具有易失性 。其作用是存放用戶程序，其特點是具有非易失性 。 PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。 1. 輸入階段 在輸入刷新階段， CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 寄存器。當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入（出）刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和 I/O刷新外， PLC還要進行各種錯誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為 “ 監(jiān)視服務(wù) ”， 一般在程序執(zhí)行之后進行 [8]。其控制規(guī)模可以從幾點上到幾百點。 S7200 有四種 CPU，其性能差異很大。檔次最高的應(yīng)屬 CPU226， CPU226集成了 24 點輸入／ 16 點輸出，共有 40 個數(shù)字量 I/O。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。本論文才用的是 K型熱電 偶。80mV范圍 )，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。SW4 沒有使用， SW5 用于選擇斷線檢測方向， SW6 用于選擇是否進行斷線檢測， SW7 用于 選擇測量單位， SW8 用于選擇是否進行冷端補償，見表32。根據(jù) PID 輸出值來控制下一個周期內(nèi)（ 10s）內(nèi)洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 的加熱時間 和非加熱時間。精餾溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由下位機 PLC 和上位工控機的編程為主。 STEP7 編程軟件是一個用于 SIMATIC 可編程邏輯控制器的組態(tài)和編程的標準軟件包。利 用STEP7 可以方便地創(chuàng)建一個自動化解決方案。它們都被收集在一個項目下。連 接表可用來定義網(wǎng)絡(luò)中可編程模板之間的通訊連接。打開一個空的塊，然后用語句表，梯形圖或功能圖輸入程序 [11]。當電源關(guān)斷后和 CPU 復(fù)位時，保存在他們上面的數(shù)據(jù)將被保留。 LAD 是 STEP7 編程語言的圖形表達方式。 STEP7 編程軟件允許結(jié)構(gòu)化用戶程序，可以將程序分解為單個的自成體系的程序部分。 在 S7 用戶程序中可以使用如下幾種不同類型的塊： 組織塊 (OB)是操作系統(tǒng)和用戶程序的接口。用于循環(huán)程序處理的組織塊 OB1 的優(yōu)先級最高。 FC 的臨時變量存儲在局域數(shù)據(jù)堆棧中，當 FC 執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)就丟失了。傳遞洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 給 FB 的參數(shù)和靜態(tài)變量存在背景數(shù)據(jù)塊中。 STEP7 的調(diào)用結(jié)構(gòu)如下圖 4 2 所示： D B 1D B 2F C 1F C 1F B 1 S F C 1D B 1C B1操作系統(tǒng)嵌 套 深 度循 環(huán) 開 始背 景 D B 1背 景 D B 2 背 景 D B 1 圖 42 STEP7 的調(diào)用結(jié)構(gòu) PID 控制算法描述 模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是 PID 控制， PID 在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有 60 多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。其特點是具有快速反應(yīng)，控制及時，但不能消除余差。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測誤差變化的趨勢。 Kp —— 比例系數(shù) P。其離散化的規(guī)律如表 41 所示： 表 41 模擬與離散形式 模擬形式 離散化形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? dTtde)( T nene )1()( ?? ?t dtte0 )( ?? ?? ? nini ieTTie 00 )()( 所以 PID 輸出經(jīng)過離散化 后，它的輸出方程 ? ?000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnudiPnidiP??????????? ????? ?? （式 44） 式 44 中， )()( neKnu PP ? 稱為比例項； ???niipi ieTTKnu0 )()( 稱為積分項； ? ?)1()()( ??? neneTTKnu dpd 稱為微分項； 上式中，積分項 ??ni e1 i)( 是包括第一個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的累積值。一般可以通過理論計算來確定，但誤差太大。 （ 1） 整定比例控制 將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快超調(diào)小響 應(yīng)曲線。根據(jù)反復(fù)的試 湊 ，調(diào)出比較好的結(jié)果是 P=120， I= ， D=。 洛陽理工學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 讀 入 溫 度 并 轉(zhuǎn) 換把 實 際 溫 度 存 儲調(diào) 用 PID指 令時 間 寄 存 器 加 10S設(shè) 定 下 一 周 期 加 熱 時 間返 回 圖 45 子 程序流程圖 程序 梯形圖是一種使用最多的 PLC 圖形編程語言。 （ 3）梯形圖 中 繼電器 只出現(xiàn)輸入繼電器的觸點，而 并 不出現(xiàn)輸入繼電器的