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1、间歇生产过程的温度控制第一章多变量温度控制系统的设计1.1系统设计的意义在聚合和发酵反应的生产过程中，温度是决定产品质量的关键所在。如不能精确控制, 则产品质量将难以保证。聚合反应和发酵反应都是放热反应过程,釜内温度会随着反应热的产生而迅速上升. 所以,我们必须对反应温度作准确而稳定的控制. 无论是间歇生产还是连续生产,温度控制的精确与否都是关键所在。 这就要求我们能对反应的机理与过程、 控制系统的构建及控制方案的选择有较深的认识、 同时也要求我们能对当前在工业过程自动控制中应用广泛的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)有深入的了解, 并能通过编写梯形
2、图程序来实现控制方案, 最终实施对工业过程(对象)的控制。并用Intouch软件平台实现相应的监控。 这就是本课题-间歇反应过程装置研究-的基本出发点.1.2实验原理 I. 装置流程图见附图1，带控制点控制流程图见附图2，控制点说明见附表1由附图1可见本实验装置是采用一个小型的反应釜来模拟各种聚合或发酵的反应。实验室中不可能用实际的聚合或发酵反应来进行研究。循环水经泵分别进进料管、盘管、夹套，这样就有了进料系统、冷却系统。系统的反应热是通过PLC来控制釜下部的加热器来模拟的，并用一搅拌电机来使物料加热均匀。水的排出有两种情况，模拟间歇反应时：通过釜下部电磁阀（现为手阀）来控制排料；模拟连续反应
3、时，通过釜内压力把水压入排水管。这样就可调节物料储槽的液位了。另外，水槽的液位是通过变频电机来实现控制的。可见：该系统是一套模拟连续,间歇聚合生产的实验装置.也可模拟发酵反应和聚合反应。实验装置主要包括反应釜，加热棒，釜内盘管冷却系统，夹套冷却系统，进料出料系统。实验中以出釜水温（或釜内水温）和釜内液位为被控变量，以两套冷却水流量及入釜水流量，出釜水流量为控制变量，同时也可将各流量变化作为干扰量加入，从而组成多种控制系统，并通过实验装置验证系统稳定性及控制系统各质量指标。II. 可编程序控制器的应用在本系统中，通过AB 公司的SLC50004型PLC作为下位机，与现场的传感器、变送器、电磁阀、
4、调节阀、以及变频器和电机相连构成了数据采集系统和控制系统。使系统的硬件柔性化，从而通过PLC编程，可实现各种控制回路、实现多种算法等，使各种高级控制算法的研究成为可能。III. 上位机的组态软件Intouch的应用由四套装置的PLC通过网络适配器构成DH+工业局域网，通过1784KTX卡与上位机的组态软件Intouch相链接。通过Intouch的组态实现系统的监控，历史趋势、报警、报表的生成以及Web的访问功能。而Intouch提供的SQL及Visual C的接口为我们应用数据库及其他的软件提供了方便。如：用Matlab对控制算法的在线研究等。第二章多变量温度控制系统设计说明书及图纸2.1 系
5、统装置本身设计说明：1 加热棒 三根棒状电加热器（1kw+2kw+2kw）安装于釜底，主要作用：(1)系统开机后，大功率加热，模拟聚合反应前的物料升温加热，并模拟聚合升温反应温度曲线（实验中视具体要求设定）。(2)釜内温度稳定后可用单支小功率加热，模拟聚合（或发酵）反应放热，同时，可通过上位计算机设定加热棒功率，通过PLC控制加热棒开关周期来达到不同的放热效果，并可对系统模拟放热反应进行干扰设定。 2. 内盘管冷却系统安装于釜内，可通过控制管内冷却水流量来达到控制釜温或出釜水温度，也可以改变其流量作为控制系统的干扰量加入，管路上安装的主要部件有： (1) 电磁阀，用于启，闭盘管冷却系统，安装于
6、入口前,由PLC输出开关量信号控制。 (2) 涡轮流量计，用于测量盘管冷却水流量，输出信号送PLC. (3) 电动调节阀,由PLC输出信号（420mA）控制流量. (4) 冷却水入出口温度，由热电阻Pt100测得，经温度变送器转换成420mA信号后送PLC. 3.夹套冷却系统. 装于釜外壁进行热交换，可通过控制冷却水流量来达到控制釜温或出釜水温度，也可以改变其流量作为干扰量加入，管路上安装的主要部件有： (1) 电磁阀，用于启，闭夹套冷却系统，安装于入口前,由PLC输出开关信号控制。 (2) 涡轮流量计，用于测量盘管冷却水流量，输出信号送PLC. (3) 电动调节阀，由PLC输出信号（420m
7、A）控制流量. (4) 冷却水出口温度，由热电阻Pt100测得，经温度变送器转换成420mA信号后送PLC. 4. 进料,出料系统. 进料直接通过进水管进水,出料由釜内压力压出或下面的手阀排出。管路上安装的主要部件有： 1):电磁阀（两个），用于开关进，出料。间歇操作时，待物料充至指定液位后，两阀均关闭。2): 涡轮流量计，用于测量进出料流量，输出信号送PLC。3):电动调节阀，由PLC输出信号（420mA）控制进出料流量.4): 温度测量变送器，测量出料温度，由热电阻Pt100测得，经温度变送器转换成420mA信号后送PLC. 5. 反应釜 反应釜为一密封器件，装有搅拌器，内盘管，加热棒，外
8、壁有夹套，进料靠近釜底下部，出料由釜上部出，釜出口水温及釜内液体为被控变量.测量量有: 1）： 釜内部温度 2）： 釜压 3）：内液位(由差压变送器测) 4）：釜出口水温（温度Pt100测） 以上测量信号都送至PLC ,其分配槽号地址见附表22.2系统的特点和作用该装置的设备图见附图（1），由附图我们可发现该装置有如下特点1. 反应釜的大小适中, 从而要求实验的时间(主要是初始阶段加热釜液的时间)不能太长, 整个实验过程应控制在较为合理的时间范围内.2. 该反应釜应具有进/出料系统和排空系统，且进料管有电磁阀可控制通断。这样为间歇/连续生产两种生产方式的控制提供硬件基础。3. 釜液的冷却既可通
9、过盘管冷却, 又可由夹套冷却，且冷水的进出口的温度都有测量。 这也是从为各种控制方案的实施提供了基础.4. 反应釜有搅拌装置. 这有利于反应液与冷却系统之间的传热。5. 加热功率可变的加热系统（通过调节加热器的个数和加热器的通断占空比）. 使加热系统既能够全功率的加热釜液使之快速升温, 又能在釜温达到设定值后降低功率, 以部分功率加热来模拟反应热。由于该装置通过下位机可编程控制器PLC来进行对整个系统的顺序控制、PID控制以及采用其他的各种高级控制算法。上位机用工控机的Intouch软件实现对系统的监控、生产的历史记律、危险的报警及各种控制方案的选择和设计（设计现代控制方案）。组成了十分先进的
10、小型DCS系统。通过改变对象的特性曲线（利用特点5），可模拟发酵反应、聚合反应、连续反应、间歇反应以及时变反应和非时变反应。通过下位机PLC的编程可实现经典控制方案，如：单回路PID控制、串级PID控制、前馈PID控制以及选择性控制等，也可通过PLC编程或Intouch提供的控制开发软件Incontrol组件实现各种现代控制（模糊控制PID控制、智能PID控制、自适应PID控制、预测PID控制、神经网络PID控制以及PID自整定技术等等）。可见该系统可便捷的进行各种温控方案的设计和实物仿真测试。2.3电器柜接线图设计2.3.1带控制点的工艺流程图由附图(2)可见：所选择的多个测控点能较为全面的
11、为多种控制方案的实施提供基础, 即能通过从已有的测量点和控制点当中分别选取被控变量和控制变量来实现不同的控制方案(当然, 这其中包括了简单而具有工业实际应用价值的单回路PID控制方案)，并且各测控点与生产过程紧密结合在一起, 即从装置开始运行起至整个实验结束, 都能很好的实现上位机的监控，如对排空阀, 搅拌电机的控制.2.3.2供电系统图（见附录一图（2）及系统回路图（见附录一图（3，4，5）供电系统图包括电源供电回路的分配，并注出开关,熔断器的容量以及设备表. 在设计中, 采用了一些简化的表示，详细情况可参见总背面接线图。在系统连线回路图中, 主要包含了PLC与测量仪表的连线回路, PLC与
12、调节阀的连线回路, 以及PLC与电磁阀,变频器和电加热器的连线回路. 在设计中, 参照各仪表,设备的有关说明进行接线. 主要需要注意的是:(1) PLC的开关量输出视输出功率的大小，对电磁阀、搅拌电机采用220V直接驱动，而对于大功率的电加热器则采用电子开关来进行驱动，这样即可确保负载的正常工作又可隔离较大负载对PLC的干扰。(2) 对三支电加热器分三个回路单独加以控制的做法是为了满足电加热器能在不同要求下改变加热功率这一需要。(3) 对于变频器的控制，我们采用ABB标准接法。用一模拟量输出和一开关量输出来控制电机的起停、转速。(4) 对于不用的模拟量输入端子，可将其+，-短接。2.3.3仪表
13、背面接线图（见附录一图（6，7，8,9）仪表背面接线图根据位置绘制仪表, 电器设备, 元件的连线端子, 并注明仪表的实际接线点号编号. 此处仅为接线目的而有所简化. 表示方法采用相对呼应编号法.这样既能清晰的表达出物理意义, 又符合工业标准, 便于今后的维护和检修.第三章控制系统及软件设计3.1PLC系统软件设计在多变量温度控制系统实验装置中,下位机PLC主要需要完成的工作一方面是起到输入输出数模转换的作用，另一方面是根据上位机给定的数据完成各种控制功能。3.1.1软件编制中的注意的事项1.对输入模块1746-NI8，要使之正确工作，必须先设置控制字，具体方法为 向每一输入通道对应的控制字设置
14、通道写入一个数。 图：12. 当S2:1/15被处理器置位时，说明用户程序在运行或测试方式的首次扫描中，这时可以运行初始化程序。3.PID指令有多选择,在使用PID指令之前，必须先设置控制字，以明确具体实施方法。4.由于PID指令计算值的范围和输出模块1746-NO4I的表示范围不同，必须进行标度转换。：对于间歇控制，可用步进编程思想3.1.2编程方法1) 间歇生产过程的单回路PID控制 a. 程序实现的功能是：启动实验装置，加入物料并关闭进料阀；全功率加热釜液至给定温度，然后改变加热器功率模拟反应中放出的反应热，同时实施单回路PID控制方案，将温度说明在给定温度点上。程序还将在接到停止实验命
15、令后停止系统运行，并打开排料阀放掉釜液。若排放槽内液位过高，程序还将自动启动排放电机将釜液打回至总管。b. 编程思路：在可编程序控制器中，采用循环扫描的方式，不断地对输入和输出变量进行采样和输出，使得变量满足程序条件时及时有相应的输出使执行机构动作。这里，与计算机程序执行过程的区别是，在计算机的工作过程中，如果变量的条件没有满足，程序将等待，直到该条件满足。而在可编程序控制器中，程序执行时，如果这一个扫描周期变量的条件未满足，程序将继续执行下去，到下面的某一个扫描周期，变量的条件满足时，满足条件的运行结果就被执行。 正是出于PLC这一顺序执行操点，所以成在作程序流程图及编程时也采用了与以往编写Pascal及C语言程序不同的方法，用对象或事件为出发点来安排程序。依据这种思想来编写PLC程序，还有另一点合理之处是， 把控制阀的动作作为对象或事件来看待。对象和事件都只具有真/假两个值，这符合梯形逻辑程序依照逻辑连续性来判别每个阶梯的特点。使用这一编程思路使梯
