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1、本科生毕业设计（论文） 编号毕业设计(论文)基于PLC的精馏塔控制系统设计The Design of Control System of Distillation Column Based on PLC 学院名称电气工程学院 专业名称自动化 学生姓名胡晚赢 学号130302049， 指导教师张健 教授2016年6月25日 摘 要本设计是基于PLC的精馏塔控制系统设计，精馏塔是石油化工、医药等领域常见的生产过程装备，是较为典型的单元生产过程。本设计以常见的精馏塔产品生产过程为对象，对精馏塔的硬件进行设计与选型，同时进行了软件设计与人机界面的设计。在硬件设计中，以西门子PLC可编程控制器为硬件平台
2、，通过对液位检测器、压力传感器、温度传感器、调阀开关的选型，分别使用YSB型液位变送器、高温压力传感器、XPZX隔爆型一体化温度传感器对精馏塔液位、压力、温度进行检测，通过对PID算法对精馏塔参数的计算以及通过对串级控制来控制这些参数，设计完成了I/O口的分配与控制器PLC的外部接线等硬件设计。软件设计包括STEP7的组态，温度控制程序，压力控制程序，液位上下限控制程序，PID的参数调整，人机界面的设计。STEP7组态设计实现了PID的控制输出，从而使得系统对精馏塔的温度、压力和液位进行控制，选择功能灵活的紫金桥Realinfo组态完成了人机界面的设计。最终实现了基于PLC和软件组态的精馏塔控
3、制系统的设计，实现了对选择的生产过程对象参数的自动监测和控制。关键词：精馏塔；PLC控制；串级控制；PID算法AbstractThis work is the design of control system of distillation column based on PLC. It is equipped with the common production process of petroleum chemical industry, medicine and other fields. it is also a typical unit of production process.T
4、he design considers the distillation products common production process as the object. The work designs and selects the distillation of the hardware and design software and man-machine interface also. In the hardware design, based on Siemens PLC which can be programmable controller as hardware platf
5、orm, through theYSB type liquid level transmitter, high temperature pressure sensor, XPZX flameproof type integrated temperature sensor, the selection of valve switch, respectively, uses static level gauge, pressure piezoresistive pressure sensor, and the heat resistance to test the distillation tow
6、er liquid level, pressure and temperature. Based on the PID algorithm, the parameters of the distillation tower calculation and controlling of these parameters through the cascade control completed the design of I/O port allocation, external wiring of the control device PlC and other hardwares desig
7、nation.The software design not only includes STEP7 configuration, procedures of tempreture, pressure, and lower level control but also the parameters of the PIDs ajusting, the design of man-machine interface. The design and implementation of STEP7 configuration achieves the controlling output of the
8、 PID, so that the system can control the distillations temperature, pressure and liquid level. it can select the purple Realinfo of flexible functoin to complete the design of man-machine interface.Finally realized the distillation tower design based on PLC control system and software configuration.
9、 it can also reach automatic monitoring and make true of the control of the production process parameters on the selected object. Key words：Rectification column；PLC control；Cascade control；PID algorithm目 录第1章 绪 论11.1精馏塔应用的背景11.2精馏塔的应用现状21.3设计主要研究内容3第2章 精馏塔控制系统设计方案42.1精馏塔工艺简介42.1.1精馏塔的工艺要求52.1.2精馏塔工艺
10、干扰因素62.2系统总体结构92.3串级控制系统的选择102.4PID算法的选择112.5串级均匀控制12第3章 硬件设计143.1 硬件选择143.2液位传感器153.3压力传感器173.4温度传感器183.5调节阀开关式203.6I/O口的分配213.7控制器PLC的外部接线22第4章 软件设计244.1PLC程序设计244.2编程软件STEP7概述254.2.1STEP7简单介绍254.2.2梯形图语言特点264.2.3TEP7V5.5参数设置274.3程序设计284.3.1PLC控制系统设计的一般步骤284.3.2程序设计流程图294.3.3设计关键思路324.3.4梯形图程序324.
11、4PID控制参数的整定344.5控制算法344.6人机界面基础364.6.1人机界面的定义364.6.2人机界面产品的组成及工作原理364.6.3紫金桥组态软件主要特点364.7人机界面（HMI）设计38第5章 结论42参考文献43致 谢45附 录46附 录65V第1章 绪 论1.1精馏塔应用的背景精馏操作是炼油，化工生产过程中的一个十分重要的环节。精馏塔的控制直接影响到产品质量，产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视。1 精馏塔是一个多输入和多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用响应缓慢，参数间相互关联严重，而控制要求又大多较高。这些都给自动
12、控制的实施带来一定困难。同时各塔工艺结构特点又千差万别，这就更需要深入分析工艺特性，进行自动控制方案的设计和研究。精馏塔的基本原理就是化工原料混合物在高温加热的情况下根据各种纯净物沸点和挥发度的不同来提纯。可见温度在整个精馏过程中必须的维持相对稳定，且应该具有较高的精确度。在整个的精馏过程中最主要的设备就是精馏塔，再沸器，冷凝器，回流泵等也起着辅助作用以将温度，在各种设备的配合中达到精馏产物纯度高，产量稳且多的要求。精馏对于工业生产来说起着举足轻重的作用，但是精馏塔的温度、流量、压力等各因素在这个复杂的系统中却往往得不到很好的控制，所以一直以来精馏塔控制系统的研究一直是化工行业中研究的热点。现
13、在国内外已经针对工业生产中中运用最普遍的PLC控制的精馏塔系统做了很多研究，从PLC的开发到PLC与精馏塔各个设备的结合问题，目前已经相对完善。基本的温度，流量等因素的控制已经能稳定控制。但是所不足之处就是PLC的研究与现实生产中的PLC还存在着脱轨现象，而解决这种现象就要要求一是将研究投入到生产，而是需要改善生产系统的设计，使之能够适应PLC的性能。本设计做的就是第二方面，根据精馏塔的要求，来选择最优的设计方案。相对于国内来说，国外精馏系统发展的相对比较先进。国外现在无论是在塔的处理能力还是塔的处理效率方面都已有了先进的技术，例如他们发明的能增加板的处理面积的将MD塔板的悬挂降液管技术移植到
14、常规板式塔上的技术，另外在PLC的开发方面，现在工业生产中大部分都用一直在不间断更新的西门子系列的PLC。国内也紧跟时代的步伐，不断的将世界上的新技术运用到我国的生产中，并且根据自己的情况在不断地完善，根据实际情况，用科技引领工业使我们国家现在发展工业的宗旨。但是目前的控制系统虽然具有控制精度高和硬件简单的特点，但是很多PLC的强度功能仍然存在着很大的局限性，因此如何进一步将PLC的功能在精馏塔的控制当中还需要做更多的研究。精馏塔在石化生产作为一个重要的设备被广泛使用。他的角色是加热混合液体使其控制在一定的温度，然后提纯其中的纯净物。精馏过程是基于每种成分的相对挥发度的不同，分离混合物的各种成
15、分。对于一个正常的精馏塔塔顶和塔底产品必须一个应满足一定纯度，另一个在一定纯度范围内。在上述情况下，保持能源消耗最低。从这个过程监管要求四个方面：精馏过程是化工生产中的核心过程，而精馏塔的稳定控制更是保证精馏正常进行的重要环节。通过对精馏过程的了解，其需要控制的变量非常多，需要操作的变量也多，而且各个变量之间的耦合方式很复杂，组合方式多。因此要合理的选择所以过程控制系统并且将PLC与精馏塔的控制完美结合，这样才能保证精馏过程的顺利高效运行。1.2精馏塔的应用现状精馏是化工中首选的分离过程，虽然有许多优点，但是能耗特别大，为节能，国内外已研制出一些节能型耦合精馏塔:像反应与精馏耦合的塔。精馏与其他分离过程耦合的塔（吸附-精馏耦合，结晶-精馏耦合等）；精馏-精馏耦合的塔；热耦精馏塔；内部热耦精馏塔；分隔壁精馏塔（Dividing wall column）简称DWC。国内外应用趋势基本上是采用西门子系列PLC，目前大部分的PLC已经都具有了精馏塔控制所需要的功能，但是目前国内外的研究似乎都已经到达一个饱和期，很难再有新的突破，再就是，开发PLC的种类比较多，很多新型比较成熟的PLC却存在与现在的工业情况接不上轨的情况，因此虽然开
