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1、专业课综合课程设计说明书前言随着计算机技术与过程控制技术的发展，人们对过程控制的目标已经提高到完善生产管理、提高产品质量、节约能源降及低生产成本的水平上来；这样就对当前过程控制的发展提出了很多新的要求，如何利用计算机管理与控制技术对生产过程进行更好的管理与控制，已越来越为企业所关注，实现整个生产流水线监控，实现企业的管控一体化已成为企业发展的必由之路。在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，可编程控制器（PLC）已成为解决的最有效的工具之一，所以应当学会PLC控制系统的设
2、计。 随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机 变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性 能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是
3、通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。 本次课程设计主要讲述甘油生产过程控制系统的设计，PLC控制系统的设计以及变频调速在控制应用中的设计。一、甘油生产过程控制系统的设计1.1 课题设计背景及研究意义甘油是一种重要的化工原料，在工业、医药及日常生活中用途十分广泛，目前大约有1700多种用途。我国每年约有1/4的需求依靠进口来解决。甘油的来源一般有两条途径，一是制皂废液，另一途径是油脂水解废水。制皂废液经净化处理和浓缩得到的粗甘油，甘油浓度一般为80左
4、右，其中含有大量的杂质，主要有8左右的NaCI、1-2的NaS04、1.5-3的有机杂质、7左右的水分以及少量的易挥发性杂质；油脂水解废水经净化和浓缩制得的粗甘油质量较制皂废液制得的好，甘油含量一般在88左右，也含有少量水以及2-3的有机杂质和无机杂质。而食用、药用、化妆品用和其他工业用甘油都对甘油的质量要求较高，因此，粗甘油必须进行精制。甘油的精炼过程非常复杂，而且条件较为恶劣，它涉及到温度、压力、流量、物位等大量物理参数，包括物理变化、化学反应等复杂过程。针对甘油生产工艺这样复杂的生产过程，自动控制的主要目标是在保证人身和设备安全的情况下，稳定生产工艺状况，避免人为因素造成产品质量和产量的
5、剧烈波动，确保生产能够获得最大的效益。这就对生产过程自动化控制提出了更高的要求。必须通过先进的控制手段实现关键工艺参数的稳定化监控，保证生产产量和质量目标的实现，以获得最大的生产效益。目前，大型的石化、化工等行业已采用DCS用于生产过程的监控，但由于成套的DCS一则价格昂贵，一套中型的DCS价格动则几百万，甚至上千万，成本太高，对中小型企业根本吃不消；二则一般的DCS系统封闭，兼容性不好。鉴如此，开发成本低，兼容性好的具有自主产权的监控系统不但适应市场的需求，具有较好的经济价值，而且具有较高的社会价值。 通过本项目的研究开发，不但能实现对现场工艺参数准确控制，而且通过监控网络能动态监测作业流程
6、、主要设备的运行状态，还能读取现场数据、对数据进行分析，对异常工况进行声光报警和数据查询打印，提高了工业控制的自动化水平，实现了管控一体化，改善了生产的劳动条件，提高了甘油生产的产量与质量，提高经济效益。1.2 技术方案的论证1.2.1 工艺设计过程与控制要求 1. 工艺设计过程甘油精炼的工艺流程是将粗甘油通入蒸馏釜，因粗甘油溶液属多相混合物系，蒸馏时可视粗甘油中的有机盐、无机盐以及难挥发的其他杂质为高沸点组分，视粗甘油中的甘油、水及其他易挥发性杂质(如醛、酮等)为低沸点组分。在一定条件 (温度、压力) 下，高沸点组分留在蒸馏釜中，低沸点组分从粗甘油中汽化分离出来，而低沸点组分在汽化后成为以甘
7、油和水蒸气为主体的混合气体，将其通入冷凝器组，利用甘油与水沸点的差异，通过多次部分冷凝后即可得到纯度较高的精甘油。整个流程如图1-1所示图1-1 甘油精炼监控工艺流程图 2. 控制要求（1）甘油产品质量控制粗甘油经蒸馏釜加热蒸馏，再经冷凝器组冷凝的到的精甘油必须符合规定的纯度，同时保证产品损失小于规定值。（2）物料平衡和能量平衡控制进出蒸馏釜和冷凝器组的物料和能量应保持平衡。（3）约束条件控制甘油在常压下沸点是290，在205或稍高温度时，甘油随着受热时间的长短而有一定程度的聚合和分解，要求蒸馏采用真空蒸馏，以使甘油蒸溜在较低温度下进行，同时为保证蒸馏釜的正常、安全操作，蒸馏釜内的操作压力必须
8、维持稳定。（4）经济效益控制达到上述基本目标的同时，蒸馏过程需要获得最大的产品回收率和最小的能量消耗，即优化塔的操作。 1.2.2 监控系统的结构整个监控控制系统分监控层和现场控制层两层；甘油监控系统组成如图1-2所示进料控制系统釜温控制系统真空控制系统冷凝控制系统巡检系统供水控制系统工控机监控层网络现场控制层图1-2 甘油监控系统组成 1. 现场控制层的组成与作用：由进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、冷凝器组温度控制系统、真空压力控制系统、恒压供水控制系统和流程巡检系统六个子控制系统构成，用于对现场流程进行测量与控制，其中进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、真空压力控制系统公用一套PLC控制，
9、冷凝器组温度控制系统和恒压供水控制系统公用一套PLC控制，流程巡检系统的数据采集以上两套PLC的数据。（1）进料控制系统由PLC、液位传感器、进料调节阀组成定值闭环控制系统。其原理是由液位传感器检测出蒸馏釜液位，送入PLC与设定值比较后，按设计的控制规律控制进料调节阀，使蒸馏釜液位保持恒定，以保持蒸馏釜的物料平衡。（2）蒸馏釜温度控制系统由PLC、温度传感器、加热油流量调节阀组成定值闭环控制系统。其原理是由温度传感器检测出蒸馏釜出口温度，与设定值比较后，按设计的控制策略控制加热油调节阀，使蒸馏釜出口温度保持恒定，从而保证产品的质量。（3）真空压力控制系统由PLC、真空压力传感器、真空压力调节阀
10、组成定值闭环控制系统。其原理是由真空压力传感器检测出真空压力，与PLC设定值比较后，按控制规律控制真空压力变频电机，使蒸馏釜内真空压力和冷凝器内真空压力保持恒定。（4）恒压供水控制系统由PLC、压力传感器、冷凝水压力调节阀组成定值闭环控制系统。其原理是由压力传感器检测出冷凝水压力，与PLC设定值比较后，按控制规律控制恒压供水变频电机，使冷凝水压力保持恒定，以保持冷凝组用水的稳定。（5）冷凝器组温度控制系统由一个PLC、四个温度传感器、四个冷凝器温度调节阀组成四个相互独立的定值闭环控制系统。其原理是由四个温度传感器分别检测出四个冷凝器温度，与PLC的设定值比较后，按控制规律分别控制四个冷凝器温度
11、调节阀，使四个冷凝器温度保持恒定（冷凝器共六个串联连接，其中前两个采用自然冷却方式不用控制）。（6）流程巡检系统由PLC、液位传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器及TP200文本显示器组成。按一定周期巡回检测蒸馏釜出口液位、温度、六个凝器温度、真空压力、冷凝水压力及粗甘油进料量、三个等级的精甘油流量并显示，同时显示甘油精炼的成品率。2监控层的组成与作用：监控层硬件由装有MCGS的工控机、各种参数显示器和打印机构成。软件环境由“组态环境”和“运行环境”组成。作用：一方面可以通过网络接受来自现场控制层的各种信息进行显示、分析和处理，对现场层进行监视；另一方面，可以按照工艺要求，通过网络对现场
12、控制层下达指令，对现场控制层进行控制。1.3 监控过程原理及技术特征1.3.1 监控过程及原理监控系统有单机控制和联机控制两种工作方式：1单机控制工作方式：包括单步操作、单控制系统操作和异常操作三种形式，主要是为设备安装、调试检修需要设计。原理：单步操作为开环控制，以检查与控制单个电气设备运行状况；单控制系统操作为闭环控制，以检查现场控制层单闭环控制系统的运行状态；异常操作为生产运行发生异常工况时，系统及时切换到规定的处理程序。2联机控制工作方式：包括监控层对现场控制层实时监控，现场控制层对现场流程实时测量与控制。工作原理及过程：系统启动后，首先启动真空控制系统、恒压供水控制系统、流程巡检系统
13、，在真空作用下将粗甘油吸入蒸馏釜，通入蒸馏釜粗甘油液位不能太高，也不能太低，太高易泛液，太低设备有危险，由进料控制系统控制蒸馏釜的液位。当蒸馏釜粗甘油液位到达工艺设定液位后，启动蒸馏釜温度控制系统，在蒸馏釜温度控制系统作用下，将由甘油、水及其他易挥发性杂质等组成的低沸点组分汽化，和由有机盐、无机盐以及难挥发的其他杂质等组成的高沸点组分分离，分离的工艺温度由蒸馏釜温度控制系统实现。汽化分离后的低沸点组分进入冷凝器组；高沸点组分保留在蒸馏釜中，由监控系统控制定时排放到废液渣罐中。汽化后的低沸点组分依次进入冷凝器组冷凝，利用甘油与低沸点组分中的其它组分沸点不同进行分离。冷凝器组由六个冷凝器用管道串连
14、组成，1#与2#冷凝器用空气冷凝，3#至6#冷凝器用冷却水冷凝，3#至6#冷凝器的冷却工艺温度由冷凝器组温度控制系统实现；冷却用水由恒压供水控制系统实现。因工艺条件要求，整个蒸馏过程必须在真空环境下进行，同时蒸馏釜进料、甘油由蒸馏釜进入冷凝器组也用到真空。真空度控制由真空控制系统完成。控制系统流程如图1-3所示YYYYYY启动自动？真空控制系统进料控制系统真空度到液位到釜温控制系统温度到结束单机运行冷凝温控系统和供水控制系统冷凝温度到供水压力流程巡检系统结束结束图1-3 控制系统流程1.3.2 总体性能指标1针对甘油精炼设备特点，采用先进的控制策略实现对温度、压力、流量、液位等现场参数的准确控
15、制。温度控制范围与精度：0300；误差0.5%压力控制范围与精度：010Mpa；误差0.5%液位控制范围与精度：0.0510m；误差0.5%2实现整个生产流水线监控，实现企业的管控一体化。动态监测作业流程；主要设备的运行状态；显示主要参数的实时曲线及历史曲线；显示和记录主要参数的实时数据和历史数据。3数据的处理分析与报警。能对采集数据进行存储；能对被控参数进行趋势分析；对监控参数能实施越限报警；自动生成异常状态数据库。4查询功能。能查询各种监控参数的历史数据，各种参数的曲线及趋势，能自动生成各种监控参数的报表并具有打印功能。1.4 系统方案的实施1.4.1 系统变量的分析与选择 1被控变量的选择被控变量的选择依据：根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量；当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量；被控变量必须有足够大的灵敏度；选择被控变量时，要考虑工艺合理性。甘油生产工艺是在蒸馏釜中分离粗甘油中的高沸点组分和低沸点组分，然后利用冷凝器组冷凝低沸点组分得到精甘油，选择被控变量时除考虑工艺条件外，同时要兼顾约束条件的限制；因此选择甘油的浓度、蒸馏釜内压力、蒸馏釜液位、各级冷却塔的温度及冷却
