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1、生产管理知识生产过程控制系统设计目录前言21课题设计的背景22造纸废液处理的意义23过程控制的发展概况24可编程逻辑控制器（PLC）的发展35 PLC生产过程控制系统4第二章过程控制方案比较、设计51工艺过程分析52配料（混料）反应系统63干燥处理系统74控制原理图（见附录）85调节阀流通能力的计算95.1调节阀95.2 PID控制算法106数字PID参数的选择166.1采样周期的选择166.2数字PID控制的参数选择17.6.3数字PID控制的工程实现19第三章控制系统的硬件设计231可编程控制器231.1可编程控制器（PLC）231.2可编程控制器的基本原理231.3可编程控制器261.4
2、模拟量输入模块261.5模拟量输出模块272液位计273温度变送器283.1概述283.2主要特点283.3工作原理294压力变送器305电动执行机构31第四章控制系统软件设计341控制系统整体分析341.1系统设计基本原则341.2逻辑控制要求341.3系统主电路图351.4输入/输出点数统计351.5PLC最终选型37总结38致谢39参考文献40附录41前言1课题设计的背景本设计的背景是利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥料,要求为该生产过程设计相应的控制系统。造纸企业污染排放是我国水污染的一个主要原因。将造纸厂的废水直接排放会导致生态环境严重恶化，而废水污染治理不仅技术复杂，而且投资很
3、大，因此造纸废液治理成为企业和社会日益关注的问题。另一方面，造纸黑液也含有大量的可利用成分，其中含氮、钾（硫酸钾）、磷、硅及有机物等因此。可以将造纸厂排出的黑液浓缩后，与有机质预配料混合,再通过喷雾干燥成复合肥，达到治理造纸黑液的目的。2造纸废液处理的意义造纸术作为我国古代“四大发明”之一，对人类文明的进步做出了巨大的贡献，但现代造纸工业却处在落后水平。在我国，造纸业是传统的用水大户，也是造成水污染的重要污染源之一。随着经济的发展，企业日益面临水资源短缺、原料匮乏的问题，而另一方面，水污染也越来越严重。目前我国造纸工业废水排放量及COD排放量均居我国各类工业排放量的首位，造纸工业对水环境的污染
4、最为严重，它不但是我国造纸工业污染防治的首要问题，也是全国工业废水进行达标处理的首要问题。据统计，我国县及县以上造纸及纸制品工业废水排放量占全国工业总排放量的18.6%，其中处理排放达标量占造纸工业废水总排放量的49.3%，排放废水中COD约占全国工业COD总排放量的44.0%。近年经多方不懈努力，造纸工业水污染防治已经取得了一定的成绩，虽然纸及纸板产量逐年增加，但排放废水中的COD却逐年降低。由此看出，造纸工业初步实现了“增产减污”的目标。但目前造纸行业约占排放总量50%的废水尚未进行达标处理，废水污染防治任务还相当繁重。造纸黑液作为造纸工业的主要污染物，含有大量可利用成分。典型造纸黑液所含
5、的污染杂质中，约有1/3为无机物，无机物主要包括大量的游离碱和硫化物。2/3为有机物，有机物主要是木质素、半纤维素、糖类和有机酸等。这些物质作为资源进行回收，就能化害为利，创造出极为可观的价值。因此对造纸黑液的治理，只有走资源化的道路，搞综合利用，才能从根本上解决污染环境的问题，并在取得环境效益的同时，还可取得良好的经济效益和社会效益。3过程控制的发展概况基本概念过程控制系统-指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及PH值(氢离子浓度)等这样一些过程变量时的系统。过程控制-指工业部门生产过程的自动化。过程控制的重要性进入90年代以来自动化技术发展很快，是重要的高科技技
6、术。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化电过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。过程控制的发展概况19世纪40年代前后(手工阶段)：手工操作状态，凭经验人工控制生产过程，劳动生产率很低。19世纪50年代前后(仪表化与局部自动化阶段)：过程控制发展的第一个阶段，一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。主要特点：检测和控制仪表-采用基地式仪表和部分单元组合仪表(多数是气动仪表)；过程控制系统结构-单输入、单输出系统；被控参数-温度、压力、流量和液位参数；控制目的-保持这些参数的稳定
7、，消除或者减少对生产过程的主要扰动；理论-频率法和根轨迹法的经典控制理论，解决单输入单输出的定值控制系统的分析和综合问题。19世纪60年代(综合自动化阶段)：过程控制发展的第二个阶段，工厂企业实现车间或大型装置的集中控制。主要特点：检测和控制仪表-采用单元组合仪表(气动、电动)和组装仪表，计算机控制系统的应用，实现直接数字控制(DDC)和设定值控制(SPC)；过程控制系统结构-多变量系统，各种复杂控制系统，如串级、比值、均匀控制、前馈、选择性控制系统；控制目的-提高控制质量或实现特殊要求；理论-除经典控制理论，现代控制理论开始应用。前馈控制-按扰动来控制，在扰动可测的情况下，可以地提高控制质量
8、。选择性控制-在生产过程遇到不正常工况或被控量达到安全极限事，自动实现的保护性控制。19世纪70年代以来(全盘自动化阶段)：发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三个阶段。主要特点：检测和控制仪表-新型仪表、智能化仪表、微型计算机；过程控制系统结构-由单变量到多变量系统，由PID控制规律到特殊控制规律，由定值控制到最优控制、自适应控制，由仪表控制系统到智能化计算机分布式控制系统；理论-现代控制理论过程控制领域，如状态空间分析，系统辨识与状态估计，最优滤波与预报。4可编程逻辑控制器（PLC）的发展可编程控制器（ProgrambleController）由美国设备数字公司于60年代末首先
9、开发出来，并在通用汽车公司的技术改造中得到了成功的应用。主要实现多种逻辑控制问题以取代传统的继电器硬接线方式控制系统，另外也具备简单的逻辑处理、计数、定时功能。到20世纪70年代后期，人们将微处理器应用于PLC中，使之成为一种专业的工业控制计算机，功能大大增强。逐渐成为实现工业自动化的主要手段之一。PLC正朝着两个方向发展，一是微小型，具有体积更小、速度更快、功能更强、多功能、兼容性更好等特点，为小型化、低成本的控制要求服务；二是大型，在具有以上特点的同时，还具有网络化、通信等特点，以满足组网功能，组建整个工厂的自动化控制系统。随着技术的发展和市场需求的增加，PLC的结构和功能正在不断的改进，
10、各个厂家也在不断推出自己的新产品，产品的更新换代速度很快。在造纸废液处理这个领域，传统的技术大多使用的传统的控制方式继电器式。但是很多大型现代化的污水处理企业已经开始使用PLC控制系统。相比之下，PLC控制系统在控制性能和了或新性上都超过传统控制方式，在行业内也得到了广泛的认可。逐步在新一轮的技术改造中占据优势。5PLC生产过程控制系统可编程控制器（PLC）作为一种新兴的工业控制设备，它集合了计算机技术和自动化技术。其灵活可靠、功能强大、使用方便的优点，使得可编程控制器在控制系统中的应用越来越广泛。随着科技的飞速发展，现在的可编程控制器已经拥有了很多的功能，可以用于逻辑控制、模拟控制、设备控制
11、、自动化生产控制等。还可以与其他的计算机等设备组成集散控制系统。可编程控制器之所以能得到飞速发展，是因为它和传统的电器控制相比有很多优点，它继承了传统控制方式的控制效果和功能，它还有传统控制方式无法实现的功能。具体的说，相对于传统的控制方式，它有以下优点：1.控制方法，传统控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合进行控制逻辑，其明显的缺点是线多且复杂、体积大、功耗大。系统一旦架构完毕，将无法进行实时的系统改进和升级。可编程控制器因为采用了计算机技术，其逻辑是以方程式的方式存在存储器里，因此，在结构上体积小、接线少、功耗小。触点结构也可以灵活的扩展。2.控制速度，传统控
12、制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微秒级，且不会出现触点抖动问题。3.控制精度，传统控制电路由于机械接触问题，无法达到可编程控制器精度高。4.可靠性，传统的控制系统用机械触点接触，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的连线多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高，PLC还具有自诊断功能，能查出自身的故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。第二章过程控制方案比较、设计1工艺过
13、程分析利用造纸工业产生的废液生产颗粒状复合肥的简化工艺过程如图2-1所示：图2-1工艺过程可以如下描述，在颗粒复合肥的生产过程中，经浓缩后的造纸黑液经泵P1送入1#储料罐，有机配料浓液经泵P2送入2#储料罐中。经泵P3、P4将两种液体输入反应器3#罐中，先加热到一定温度，然后进行搅拌。搅拌一段时间后由P5送入4#原料罐中，再由高压泵P5打入压力式干燥器中进行干燥处理，产品由干燥器下部收集。通过对整个工艺过程的分析，可以将该生产过程分为两大部分，如图2-2所示，即混料反应过程和干燥工程。图2-2据此，我们将造纸废液生产颗粒状复合肥料（plc）控制系统主要分两大（系统）部分组成：一是配料（混料）反
14、应系统，如图2-3所示；二是干燥处理系统，如图2-4所示。图2-3配料（混料）反应系统图2-4干燥系统2配料（混料）反应系统图2-3配料（混料）反应系统的工艺过程控制仪描述为，将1#、2#罐中的反应液按一定得要求倒入3#反应罐中，进行加热到T,然后进行搅拌工序，搅拌t时间后，将3#罐中的混合料打入4#罐中，准备进入干燥系统。如何将1#、2#罐中的原料注入3号罐中，以实现原料的按比例注入，其方法大致有以下几种：第一种设计方法，通过调节泵P3、P4的流量来实现对原料成比例注入反应罐的控制。该设计方法能够实时的实现原料的按比例注入，更利于原料的混合，但是要通过PLC实现，则需要采用比例，比例-积分-
15、微分等复杂的控制。对现场的仪表、设备及整个系统的要求比较高。第二种设计方法，通过调节1#、2#罐的液位上下限来实现对原料成比例注入反应罐的控制。该设计方法利用简单的设备，即实现了原料的按比例注入，考虑到3#反应罐在混料后有搅拌过程，所以，这种方法也不会出现原料混合不均的情况。但是，这种方法却无法最好的利用大容量的1#、2#储料罐的储料功能。第三种设计方法，在反应罐中设置上中下三个液位限，按先后顺序注两种原料，以此来实现对原料成比例注入反应罐的控制。这种方法基本上克服了第一、二种方法中的缺点，同时，也满足了基本的要求。经过对已知三种方法的对比分析，在本设计中选择第三种设计方法进行3#罐的原料按比例注入控制。3干燥处理系统图2-4干燥系统的工艺过程可以描述为，来自1#、2#原料罐的原料在3#罐经过反应、加热、搅拌等工序以后，形成了高浓度的糊状物质，储存在4#原料罐中，经过高压泵P6打入到干燥器中，干燥后最终得到我们的产品。要实现该干燥过程的自动控制，首先要选择出合适的被控参数，要检测产品是否干燥合格，最直接的方法就是检测产品中的水分，但是由于技术水平等原因，测量水分十分困难，所以，我们选择干燥器温度作为被控参数。温度波动小
