【正文】 1904年才用于煉油工業(yè)，當(dāng)時(shí)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(kāi)始應(yīng)用于煉油工業(yè)，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的煉油時(shí)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(jiǎn)單的特點(diǎn)。在 20世紀(jì) 80年代初期 ， 國(guó)外開(kāi)發(fā)了一種超重力精餾分離傳質(zhì)機(jī)器一 Higee。在精餾塔產(chǎn)品的分餾過(guò)程中 ， 溫度是一個(gè)最為關(guān) 鍵的控制量。 從精 餾設(shè)備的歷史發(fā)展來(lái)看，精餾技術(shù)與石油、化學(xué)加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進(jìn)步的發(fā)展關(guān)系。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)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(hào)經(jīng)過(guò) EM231的處理后就可把數(shù)據(jù)送入 PLC中進(jìn)行處理。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(guò)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(jìn)行分離，最常用的方法。 本設(shè)計(jì)硬件方面采用了西門(mén)子 S7200系列 CPU型號(hào)為 226的 PLC、 K型熱電偶和溫度模 EM231。用 WINCC上位機(jī)和西門(mén)子 S7200 PLC下位機(jī)組成一個(gè)穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)， 以 達(dá)到溫度控制的目的， 初始時(shí)給系統(tǒng)一個(gè)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?hào)傳遞到 PLC中 ， PLC會(huì) 發(fā)出信號(hào) 使 精餾塔 內(nèi)電阻加熱絲 ，使其增加或減小 功率 ，使溫度達(dá)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(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與監(jiān)控。 國(guó)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(duì)以上情況 ， 開(kāi)發(fā) 了一種以西門(mén)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(jiàn)的單元操作有：精餾、吸收、解吸和萃取等。 精餾塔的發(fā)展過(guò)程 塔設(shè)備的廣泛應(yīng)用是伴隨著十九世紀(jì)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(guò)程。從 1832年開(kāi)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(kāi)發(fā) FRI的成立系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法 ， 1955年 Monsanto公司的 Bolles發(fā)表了著名的 “ 泡罩塔板設(shè)計(jì)手冊(cè) ” ，首先提出了科學(xué)的、規(guī)范化塔板設(shè)計(jì)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(jì)效益和社會(huì)效益。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，煉油裝置的年處理能力也達(dá) 1000 萬(wàn)噸，年產(chǎn) 60～ 90 萬(wàn)噸的乙烯工廠(chǎng)、 60 萬(wàn)噸的甲醇工廠(chǎng)、45 萬(wàn)噸的氯乙烯工廠(chǎng)、 34 萬(wàn)噸的低密度聚乙烯工廠(chǎng)、 萬(wàn)噸的苯乙烯工廠(chǎng)以及 萬(wàn)噸的異丙苯工廠(chǎng)，也將相繼興建。在此期間，為了滿(mǎn)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(pán)，但按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，仍屬泡罩、篩板、浮閥、舌型等幾種典型塔型的改進(jìn)或相互結(jié)合。同時(shí)，還創(chuàng)建了使小球浮動(dòng)萊強(qiáng)化傳質(zhì)的湍球塔 [1]。 目前，我國(guó)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(lèi)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(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 自動(dòng)化技術(shù)在精餾塔控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。此外，人們還開(kāi)發(fā)出了一些專(zhuān)用或通用的商業(yè)化軟件，應(yīng)用于精餾塔的控制。通常，滿(mǎn)足一端的產(chǎn)品質(zhì)量，即塔頂（或塔釜）產(chǎn)品達(dá)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(jiàn)，而是通過(guò)能間接控制質(zhì)量的溫度控制系統(tǒng)來(lái)代替。常用的精餾過(guò)程的約束條件有以下幾點(diǎn)： （ 1） 液泛限：是指精餾過(guò)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(guò)塔壓降或者壓力差來(lái)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(diǎn)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(dāng)這一溫差高于臨界溫差時(shí)，給熱系數(shù)會(huì)急劇下降，傳熱量也會(huì)隨之下降，不能保證塔的正常傳熱需求。控制塔內(nèi)壓力穩(wěn)定，對(duì)精餾過(guò)程的平衡操作是十分必要的。 精餾過(guò)程的基本自動(dòng)控制 1． 被控變量和操縱變量的配對(duì)選擇 精餾過(guò)程有多個(gè)被控變量和多個(gè)操縱變量，合理選擇它們的配對(duì)，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(guò)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(dāng)塔壓恒定時(shí)采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)。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(duì)溫度檢測(cè)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(diǎn)的粗級(jí)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(shí)間滯后，對(duì)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(biāo)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(jì) 80年代初期，國(guó)外開(kāi)發(fā)了一種超重力精餾分離傳質(zhì)機(jī)器一 Higee。該控溫系統(tǒng)具有控溫精度高和硬件簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 論文的主要工作包括： 1． 進(jìn)行精餾溫度控制系統(tǒng)的總體方案的制定。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 論文技術(shù)路線(xiàn) 1． PLC技術(shù) PLC技術(shù)可編程控制器（ Programmable Logical Controller）簡(jiǎn)稱(chēng) PLC，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù) 和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。 2． 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)和美國(guó) 儀表協(xié)會(huì) (ISA)的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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(guò) MPI方式與 PLC進(jìn)行通信，實(shí)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)與流體流動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)分離。通常，將低沸點(diǎn)的組分稱(chēng)為易揮 發(fā)組分，高的稱(chēng)為難揮發(fā)組分。其中較易揮發(fā)的稱(chēng)為易揮發(fā)組分（或輕組分），較難揮發(fā)的稱(chēng)為難揮發(fā)組分（或重組分）。進(jìn)、出第 n 板的物流有四種： 1．由第 n1 板溢流下來(lái)的液體量為 ln1，其組成為 n1， 溫度為 tn1。 因此，當(dāng)組成為 xn1 的液體及組成為 yn+1 的蒸汽同時(shí)進(jìn)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(jìn)行傳質(zhì)和傳熱的結(jié)果會(huì)使離開(kāi)第 n 板的汽液兩相平衡（如果為理論板，則離開(kāi)第 n 板的汽液兩相成平衡），若汽液兩相在板上的接觸時(shí)間長(zhǎng)，接觸比較充分，那么離開(kāi)該板的汽液兩相相互平衡，通常稱(chēng)這種板為理論板（ yn， xn 成 平衡）。一個(gè)完整的精餾塔應(yīng)包括精餾段和提餾段。 rm——進(jìn)料液體在其組成和泡點(diǎn)溫度下的汽化熱， J/mol。 x1， x2——分別為純組份 1 和組份 2 在進(jìn)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(guò)程阻力為零的理想化塔板。通常，在精餾計(jì)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(shí)際板數(shù)。 %1001 ??? PTT NNE （式 26） 溫控系統(tǒng)的 工藝流程 精餾過(guò)程的實(shí)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(shí)現(xiàn)組分的分離。為了便于運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)的對(duì)比和故障后問(wèn)題的分析判斷，要將相關(guān)數(shù)據(jù)形成歷史趨勢(shì)。如下面是本次系統(tǒng)的硬件 構(gòu)造 圖。其作用是存放用戶(hù)程序，其特點(diǎn)具有易失性 。其作用是存放用戶(hù)程序，其特點(diǎn)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(xiě)入輸入狀態(tài)洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 寄存器。當(dāng)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(shí)際上，除了執(zhí)行程序和 I/O刷新外， PLC還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測(cè)（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱(chēng)為 “ 監(jiān)視服務(wù) ”， 一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行 [8]。其控制規(guī)模可以從幾點(diǎn)上到幾百點(diǎn)。 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(diǎn)輸入／ 16 點(diǎn)輸出，共有 40 個(gè)數(shù)字量 I/O。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類(lèi)。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(lèi)型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。SW4 沒(méi)有使用， SW5 用于選擇斷線(xiàn)檢測(cè)方向， SW6 用于選擇是否進(jìn)行斷線(xiàn)檢測(cè)， SW7 用于 選擇測(cè)量單位， SW8 用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償，見(jiàn)表32。根據(jù) PID 輸出值來(lái)控制下一個(gè)周期內(nèi)（ 10s）內(nèi)洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 的加熱時(shí)間 和非加熱時(shí)間。精餾溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由下位機(jī) PLC 和上位工控機(jī)的編程為主。 STEP7 編程軟件是一個(gè)用于 SIMATIC 可編程邏輯控制器的組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。利 用STEP7 可以方便地創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化解決方案。它們都被收集在一個(gè)項(xiàng)目下。連 接表可用來(lái)定義網(wǎng)絡(luò)中可編程模板之間的通訊連接。打開(kāi)一個(gè)空的塊，然后用語(yǔ)句表，梯形圖或功能圖輸入程序 [11]。當(dāng)電源關(guān)斷后和 CPU 復(fù)位時(shí)，保存在他們上面的數(shù)據(jù)將被保留。 LAD 是 STEP7 編程語(yǔ)言的圖形表達(dá)方式。 STEP7 編程軟件允許結(jié)構(gòu)化用戶(hù)程序，可以將程序分解為單個(gè)的自成體系的程序部分。 在 S7 用戶(hù)程序中可以使用如下幾種不同類(lèi)型的塊： 組織塊 (OB)是操作系統(tǒng)和用戶(hù)程序的接口。用于循環(huán)程序處理的組織塊 OB1 的優(yōu)先級(jí)最高。 FC 的臨時(shí)變量存儲(chǔ)在局域數(shù)據(jù)堆棧中，當(dāng) FC 執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)就丟失了。傳遞洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(kāi) 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(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，但不能消除余差。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。 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(guò)離散化 后，它的輸出方程 ? ?000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnudiPnidiP??????????? ????? ?? （式 44） 式 44 中， )()( neKnu PP ? 稱(chēng)為比例項(xiàng)； ???niipi ieTTKnu0 )()( 稱(chēng)為積分項(xiàng)； ? ?)1()()( ??? neneTTKnu dpd 稱(chēng)為微分項(xiàng)； 上式中，積分項(xiàng) ??ni e1 i)( 是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)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(guān)察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快超調(diào)小響 應(yīng)曲線(xiàn)。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(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 讀 入 溫 度 并 轉(zhuǎn) 換把 實(shí) 際 溫 度 存 儲(chǔ)調(diào) 用 PID指 令時(shí) 間 寄 存 器 加 10S設(shè) 定 下 一 周 期 加 熱 時(shí) 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(yǔ)言。 （ 3）梯形圖 中 繼電器 只出現(xiàn)輸入繼電器的觸點(diǎn)，而 并 不出現(xiàn)輸入繼電器的