基于PLC的化工精餾塔控制系

.z.基于PLC的化工精餾塔控制系統(tǒng)摘要PLC作為在現(xiàn)在工業(yè)中應(yīng)用最多的控制軟件，在化工精餾的控制中也起重要作用。PLC具有非常高的可靠性，并且操作簡單，編程簡單入手，而且隨著工業(yè)的開展越來越多并且功能強(qiáng)大的PLC已經(jīng)被開發(fā)出來而且應(yīng)用逐漸走向成熟。對于化工生產(chǎn)中的精餾過程，具有控制因素復(fù)雜，要求的控制指標(biāo)又必須非常準(zhǔn)確，各因素及控制過程的聯(lián)系非常復(fù)雜，功能強(qiáng)大編程簡單的PLC非常適合精餾過程的控制。在諸多的控制要素中，溫度的控制占據(jù)著核心地位，因此我的設(shè)計主要是選用適宜的PLC，并且選擇最能滿足工藝要求的過程控制方案來實現(xiàn)化工精餾塔中塔底的溫度。我的設(shè)計主要任務(wù)是是根據(jù)一個具體化工精餾塔設(shè)計的要求，運(yùn)用PLC來完成控制。在此設(shè)計中要做的具體工作是詳細(xì)了解精餾塔的工藝過程和它對控制系統(tǒng)的要求，根據(jù)精餾塔的要求來進(jìn)展PLC的選型，過程控制的選擇與設(shè)計，輸入輸出量確實定，并且能夠畫出具體的設(shè)計圖，還有軟件程序的編寫。最終要到達(dá)的效果是能夠編出PLC程序，并且能夠在計算機(jī)上模擬運(yùn)行。關(guān)鍵詞：化工精餾塔，PLC控制，串級控制，PID算法ChemicalDistillationColumnControlSystemBasedonPLCAbstractPLCinindustrialcontrolsoftwarehasbeemostpopularsoftware,alsoplayanimportantroleinchemicaldistillationcontrol.PLCnotonlyhasaveryhighreliabilityandsimpleoperationbutalsohassimpleprogrammingways.AndwiththedevelopmentoftheindustrymoreandmorePLCwhichhashugefactionhasbeendevelopedandgraduallygonetomature.Fordistillationprocessofchemicalproduction,ithasple*controlfactors,requirementsofthecontroltargetsmustbeveryprecise,thefactorsandthecontrolprocessofcontactisveryple*.Accordingtothesetraits,powerfulPLCissuitablefordistillationprocesscontrol.Inallcontrolfactors,thetemperaturecontroloccupiesthecoreposition,soinmydesign,mymaintaskistoselectthesuitablePLC,andchoosethemostreasonableschemetorealizethechemicalrequirementinthecolumnbottomtemperature.Inmydesign,themaintaskis,accordingtotherequirementsofaspecificchemicalrectificationtowerdesign,tousePLCtoacplishcontrol.Inthisdesign,thespecificworkImusttodoistogethangofdetailsaboutdistillationprocessanditsrequirementforcontrolsystem.Accordingtotherequirementoftherectifyingcolumn,tochoosethetypeofPLCaswellasthechoiceofprocesscontrolandthendesignthesystem,todeterminepointsofinputandoutput,andcandrawthedetaileddesigndrawing,andtowritesoftwareprograms.FinallytheeffectwillbetoachievedistobeabletowritePLCprogram,andisabletorunontheputersimulation.Keywords:Chemicalrectificationcolumn,PLCcontrol,cascadecontrol,PIDalgorithm-.z.目錄TOC\o"1-3"\h\u22465第一章緒論 1129931.1化工精餾塔研究的目的及意義1106651.2化工精餾塔的研究現(xiàn)狀250371.3設(shè)計主要研究內(nèi)容230238第二章系統(tǒng)總體概述418572.1精餾工藝簡介473312.2系統(tǒng)總體構(gòu)造與設(shè)計流程5275302.3串級控制系統(tǒng)的選擇6218542.4PID算法的選擇 818744第三章硬件的設(shè)計10314483.1PLC機(jī)型及安裝方式的選擇1068823.1.1F*2N-48MR-001PLC1118101F*2N-4AD特殊功能模塊12244133.2輸入輸出量確實定12166843.3PLC外部構(gòu)造圖13224853.3.1溫度值給定電路13249103.3.2溫度流量檢測電路146013輸出控制電路1531533.3.4復(fù)位電路1531264第四章PLC軟件設(shè)計17216364.1編程與通信軟件的使用17327254.2程序單元設(shè)計1873194.4控制系統(tǒng)控制程序的開發(fā)20162864.4.1溫度設(shè)定20108364.4.2A/D轉(zhuǎn)換功能模塊的控制程序20286084.4.3標(biāo)度變換程序21194614.4.4恒溫控制程序〔PID〕設(shè)計22148634.4.4數(shù)字觸發(fā)器程序243602第五章結(jié)論25914參考文獻(xiàn)2610920謝辭2718969附錄一三菱F*系列PLC指令根本指令〔本系統(tǒng)所涉及)2827484附錄二三菱F*系列PLC指令功能指令〔本系統(tǒng)所涉及〕294035附錄三三菱F*系列PLC指令定時器中斷標(biāo)號指針表3013611附錄四三菱F*系列PLC指令輸入中斷標(biāo)號指針表3120830附錄五BFM數(shù)據(jù)緩沖存儲器分布表3216062附錄六系統(tǒng)程序〔梯形圖〕34-.z.第一章緒論精餾塔的根本原理就是化工原料混合物在高溫加熱的情況下根據(jù)各種純潔物沸點(diǎn)和揮發(fā)度的不同來提純?？梢姕囟仍谡麄€精餾過程中必須的維持相對穩(wěn)定，且應(yīng)該具有較高的準(zhǔn)確度。在整個的精餾過程中最主要的設(shè)備就是精餾塔，再沸器，冷凝器，回流泵等也起著輔助作用以將溫度，在各種設(shè)備的配合中到達(dá)精餾產(chǎn)物純度高，產(chǎn)量穩(wěn)且多的要求。精餾對于工業(yè)生產(chǎn)來說起著舉足輕重的作用，但是精餾塔的溫度，流量，壓力等各因素在這個復(fù)雜的系統(tǒng)中卻往往得不到很好的控制，所以一直以來精餾塔控制系統(tǒng)的研究一直是化工行業(yè)中研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)針對工業(yè)生產(chǎn)中中運(yùn)用最普遍的PLC控制的精餾塔系統(tǒng)做了很多研究，從PLC的開發(fā)到PLC與精餾塔各個設(shè)備的結(jié)合問題，目前已經(jīng)相對完善。根本的溫度，流量等因素的控制已經(jīng)能穩(wěn)定控制。但是所缺乏之處就是PLC的研究與現(xiàn)實生產(chǎn)中的PLC還存在著脫軌現(xiàn)象，而解決這種現(xiàn)象就要要求一是將研究投入到生產(chǎn)，而是需要改善生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計，使之能夠適應(yīng)PLC的性能。本設(shè)計做的就是第二方面，根據(jù)精餾塔的要求，來選擇最優(yōu)的設(shè)計方案。相對于國內(nèi)來說，國外精餾系統(tǒng)開展的相比照擬先進(jìn)。國外現(xiàn)在無論是在塔的處理能力還是塔的處理效率方面都已有了先進(jìn)的技術(shù)，例如他們創(chuàng)造的能增加板的處理面積的將MD塔板的懸掛降液管技術(shù)移植到常規(guī)板式塔上的技術(shù)，另外在PLC的開發(fā)方面，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中大局部都用一直在不連續(xù)更新的西門子系列的PLC。國內(nèi)也緊跟時代的步伐，不斷的將世界上的新技術(shù)運(yùn)用到我國的生產(chǎn)中，并且根據(jù)自己的情況在不斷地完善，根據(jù)實際情況，用科技引領(lǐng)工業(yè)使我們國家現(xiàn)在開展工業(yè)的宗旨。但是目前的控制系統(tǒng)雖然具有控制精度高和硬件簡單的特點(diǎn)，但是很多PLC的強(qiáng)度功能仍然存在著很大的局限性，因此如何進(jìn)一步將PLC的功能在精餾塔的控制當(dāng)中還需要做更多的研究。1.1化工精餾塔研究的目的及意義精餾塔在石化生產(chǎn)作為一個重要的設(shè)備被廣泛使用。他的角色是加熱混合液體使其控制在一定的溫度，然后提純其中的純潔物。精餾過程是基于每種成分的相對揮發(fā)度的不同,別離混合物的各種成分。對于一個正常的精餾塔塔頂和塔底產(chǎn)品必須一個應(yīng)滿足一定純度,另一個在一定純度*圍內(nèi)。在上述情況下,保持能源消耗最低。從這個過程監(jiān)管要求四個方面:(1)質(zhì)量要求:使塔底和塔頂?shù)募兌纫粋€保證在一個確定的純度，另一個維持在一定的純度*圍內(nèi);(2)處理要求:為了保證穩(wěn)定高產(chǎn)必須要保證進(jìn)給速率應(yīng)該平衡,平穩(wěn)；(3)物料平衡要求:為了保持物料平衡生產(chǎn)穩(wěn)定，必須要保證塔釜及溜出液回流罐的液位比擬穩(wěn)定;(4)約束條件:正常運(yùn)轉(zhuǎn)的塔,必須滿足一些條件,使汽液兩相流束應(yīng)該在一個特定的限制,所以經(jīng)常設(shè)置在頂部的柱底之間的一些壓差測量和報警。不僅僅精餾塔需要滿足上面的四個需求,而且其他與之相連的的配套設(shè)備也要滿足這些要求。而且在整個工藝過程中都應(yīng)該準(zhǔn)確的控制響應(yīng)的因素以滿足控制指標(biāo)的要求。精餾過程是化工生產(chǎn)中的核心過程，而精餾塔的穩(wěn)定控制更是保證精餾正常進(jìn)展的重要環(huán)節(jié)。通過對精餾過程的了解，其需要控制的變量非常多，需要操作的變量也多，而且各個變量之間的耦合方式很復(fù)雜，組合方式多。因此要合理的選擇所以過程控制系統(tǒng)并且將PLC與精餾塔的控制完美結(jié)合，這樣才能保證精餾過程的順利高效運(yùn)行。1.2化工精餾塔的研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究趨勢根本上是采用西門子系列PLC，目前大局部的PLC已經(jīng)都具有了精餾塔控制所需要的功能，但是目前國內(nèi)外的研究似乎都已經(jīng)到達(dá)一個飽和期，很難再有新的突破，再就是，開發(fā)PLC的種類比擬多，很多新型比擬成熟的PLC卻存在與現(xiàn)在的工業(yè)情況接不上軌的情況，因此雖然開發(fā)PLC很重要，但是真正將PLC運(yùn)用到實際的工業(yè)生產(chǎn)中還需要將實際的設(shè)備與軟件結(jié)合到一塊考慮，鼓勵基層工作人員積極的搞研發(fā)是很多國家和企業(yè)都在著力辦的事情。因此精餾塔與現(xiàn)有PLC的適合度已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。1.3設(shè)計主要研究內(nèi)容隨著科學(xué)的開展和工業(yè)需求的工業(yè)自動化解放生產(chǎn)力越來越高。國內(nèi)的蒸餾控制配套也日趨完善,對于需要的監(jiān)測點(diǎn)信號的采集，而且也能夠在上位機(jī)的輔助下檢測，從而進(jìn)展控制整個系統(tǒng)。研究的主要內(nèi)容是基于自調(diào)整PID控制的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的蒸餾塔。包括控制系統(tǒng)總體構(gòu)造、現(xiàn)場總線控制節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件設(shè)計和整體控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。該設(shè)計的研究結(jié)果是,可以有效的提高科學(xué)研究的效率,使精餾過程的智能化,研究內(nèi)容完整化，與實際使用蒸餾過程系統(tǒng)相比,具有一定的創(chuàng)新控制。第二章系統(tǒng)總體概述2.1精餾工藝簡介圖2-1精餾塔工藝流程圖〔1〕如上圖2-1所示精餾過程的主要組件有：精餾塔、再沸器、冷凝器、回流罐和輸送設(shè)備等。精餾塔以進(jìn)料板為線，上面為精餾段，下面為提留段?！?〕精餾過程：一定溫度和壓力的物料進(jìn)入精餾塔后，輕組分在精餾段逐漸壓縮，離開塔頂后全部冷卻物料進(jìn)入回流罐，一局部作為塔頂產(chǎn)物〔也叫餾出液〕，另一局部被輸入塔內(nèi)作為回流液。回流液的作用是補(bǔ)充塔板上的輕組分，使塔板上的液體成分一局部被送入塔內(nèi)作為回流液?；亓饕旱淖饔檬茄a(bǔ)充塔板上的輕組分，使塔板上的液體成分持穩(wěn)定，保證精餾過程連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)展。而重組分在提留段中壓縮后，一局部作為塔釜產(chǎn)物〔也叫殘液〕，一局部則經(jīng)再沸器升溫后送回塔中，為精餾操作提供一定量持續(xù)上升的蒸氣氣流。精餾的本質(zhì)是將混合物根據(jù)各種組分不同的沸點(diǎn)和揮發(fā)度，在加熱的情況下會在不同的溫度下?lián)]發(fā)，即保證塔內(nèi)溫度控制在一定的溫度*圍內(nèi)，將精餾塔中的混合物氣液別離的過程。如果溫度控制的不準(zhǔn)確，塔底或者塔頂?shù)臏囟榷加休^大偏差時，溫度過高容易造成過多的物料以氣體的形式揮發(fā)，溫度過低會使塔底的殘留物過多，這兩種情況都會使物料浪費(fèi)嚴(yán)重。在了解了精餾塔各局部的作用后一定得，將每一局部的溫度都控制準(zhǔn)確。精餾塔是化工產(chǎn)物從高壓釜中送來的原料在塔中進(jìn)展輕組分和重組分的別離，收集產(chǎn)品是輕組分。在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計中熟悉工藝流程與設(shè)備構(gòu)造是為了確定溫度監(jiān)測點(diǎn)，以及輸入輸出模塊，由下列圖可示這個系統(tǒng)的溫度監(jiān)測點(diǎn)較多，輸入輸出量也較復(fù)雜，本設(shè)計中會主要對塔底溫度來進(jìn)展設(shè)計。2.2系統(tǒng)總體構(gòu)造與設(shè)計流程該精餾塔的控制變量比擬多，各局部連接也比擬復(fù)雜，整個精餾塔的控制系統(tǒng)要選用適合的PLC以滿足CPU的響應(yīng)速度均符合精餾控制系統(tǒng)要求，可以在外在條件差的情況下運(yùn)行。還要選用適合的溫度傳感器，以使測溫*圍適宜，線性度良好。這些在后面的硬件設(shè)計中會具體介紹。下列圖2-2為PLC控制系統(tǒng)的總體構(gòu)造圖。圖2-2系統(tǒng)構(gòu)造圖圖2-3PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟2.3串級控制系統(tǒng)的選擇由于精餾塔溫度的滯后性較明顯，具有較大慣性時間常數(shù)，如果只是單純的選擇單回路控制回路則無法消除系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，所以現(xiàn)實中采用的是串級控制另外在串級控制主控制器中采用積分別離PID控制的方案。在滯后特性比擬明顯，并且增加擾動后系統(tǒng)容易出現(xiàn)震蕩的系統(tǒng)串級控制，我們通常采用串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)是一種對于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，完善過程動態(tài)特性，等都有著重要作用。對與進(jìn)入二次回路的擾動變量，串級控制系統(tǒng)能夠迅速作出判斷，通過反響控制從而快速消除擾動，使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定?？傊谝粋€復(fù)雜的控制過程中，串級控制系統(tǒng)能有效地提高響應(yīng)頻率，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，克制系統(tǒng)的擾動。在整個精餾控制過程中對產(chǎn)物的純度有直接影響的便是塔爐底部的溫度，因此就將主要控制參數(shù)確定為塔爐底溫度，而塔爐底部的溫度又直承受進(jìn)料的溫度，流量影響，因此副回路的參數(shù)便可確定為蒸汽調(diào)控閥門，物料配送管道，原料溫度、流量。圖2-4為串級控制方框圖。圖中：F2：為壓力，流量等量的變化；F1：為高壓釜物料預(yù)熱，原料流量，原料的溫度等擾動。圖2-5為精餾塔串級控制系統(tǒng)構(gòu)造圖。圖2-4串級控制系統(tǒng)方框圖圖2-5串級控制系統(tǒng)構(gòu)造圖1-精餾塔2-蒸汽加熱器串級控制系統(tǒng)有主副兩個閉合回路，主副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，相互作用，使系統(tǒng)控制更加穩(wěn)定。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，而系統(tǒng)通過通過副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行器動作，實現(xiàn)對主被控變量的定值控制。通過主副回路的協(xié)調(diào)工作，使主被控變量較為準(zhǔn)確地限定在工藝要求的*圍之內(nèi)。顯然，副回路的補(bǔ)充作用，使串級控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)相對于單回路控制系統(tǒng)顯著提高。2.4PID算法的選擇在串級控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器起定值調(diào)控作用，且塔底溫度要求的浮動*圍較小所以必須要采用無誤差調(diào)節(jié)，所以采用PID調(diào)節(jié)器，對于算法方面，積分別離的PID算法具有計算準(zhǔn)確的作用，正好適用于精餾塔溫度的調(diào)節(jié)；對于副回路調(diào)節(jié)器的選擇，應(yīng)該考慮的到，副回路主要起的作用隨動地保證主控參數(shù)的控制要求，沒有必要做到零誤差，因此應(yīng)該選擇P調(diào)節(jié)器作為副調(diào)節(jié)器。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。人們在應(yīng)用的過程中積累了許多的經(jīng)歷，PID的研究已經(jīng)到達(dá)一個比擬高的程度。比例控制(P)是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。其特點(diǎn)是具有快速反響，控制及時，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對誤差進(jìn)展有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分〔即誤差的變化率〕成正比關(guān)系。微分控制具有超前作用，它能預(yù)測誤差變化的趨勢。防止較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們一起使用的時候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。雖然PID調(diào)節(jié)器能夠解決控制精度的問題，但是對于精餾塔溫度控制的明顯的滯后性和較大的慣性常數(shù)仍然得不到很好的改善，所以一般的PID控制不能滿足要求，所以考慮能夠解決這個問題的積分別離PID控制算法。但是在實際的生產(chǎn)中并不是時刻都采用這種方式，因為如果偏差較小還要繼續(xù)使用積分別離作用的話會造成誤差變大，只有在偏差較大時，為了解決擾動過大帶來的滯后性過大，并且減小慣性常數(shù)才使用積分別離作用。只有這樣才能既防止振蕩的產(chǎn)生又能保證一定的控制精度。圖2-6積分別離PID示意圖第三章硬件的設(shè)計3.1PLC機(jī)型及安裝方式的選擇為了順應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)自動化的靈活性與可靠性，根據(jù)所要求的功能，容量的大小等方面，各種型號PLC的PLC應(yīng)運(yùn)而生。因此,要想將PLC合理的運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)指標(biāo)的最優(yōu)化必須要合理的選擇PLC的機(jī)型。PLC選型的主要原則是功能模塊必須符合要求，PLC的容量，電源也要與實際生產(chǎn)相適應(yīng)，另外也要考慮PLC的通信功能等方面。另外要想將PLC與實際生產(chǎn)結(jié)合的更加合理，必須在遵循PLC選型原則的情況下，也要根據(jù)生產(chǎn)的可操作性，合理的選擇PLC的構(gòu)造形式，安裝方式等方面，盡量做到機(jī)型統(tǒng)一?！?〕從構(gòu)造來看，PLC主要分為整體式和模塊式兩種。整體式的主要特點(diǎn)是體積相對較少，價格比擬廉價，主要適用于工藝流程比擬簡單的系統(tǒng)；模塊式相對于整體式來說，輸入輸出點(diǎn)數(shù)的選擇*圍比擬廣，靈活性比擬好，一般各局部聯(lián)系復(fù)雜的控制系統(tǒng)適合用模塊式。由于精餾塔，再沸器，冷凝器等需要聯(lián)合工作，此系統(tǒng)控制系統(tǒng)比擬復(fù)雜，控制變量比擬多，所以選用模塊式。〔2〕安裝方式的選擇PLC系統(tǒng)的安裝方式，根據(jù)傳輸*圍與傳輸距離的不同分為集中式、遠(yuǎn)程輸入輸出式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。集中式的主要特點(diǎn)是：不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程輸入輸出硬件,系統(tǒng)的響應(yīng)速度比擬快，價格相對廉價；遠(yuǎn)程輸入輸出式的主要特點(diǎn)是：分布*圍廣，連線短，但是沒有驅(qū)動器和遠(yuǎn)程輸入輸出電源，一般在比擬復(fù)雜的大型系統(tǒng)中比擬常用；多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式的主要特點(diǎn)：協(xié)調(diào)性比擬好，比擬適合多臺獨(dú)立控制的設(shè)備聯(lián)合工作的系統(tǒng)。由于精餾塔，再沸器，冷凝器等需要聯(lián)合工作所以我們選用PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式,但是此設(shè)計中因為主要以一個變量為例來設(shè)計所以暫且不需要選擇安裝方式。〔3〕相應(yīng)的功能要求：對于這個系統(tǒng)來說最主要的功能模塊便是PID算法模塊，這個就已經(jīng)確定我們必須選用具有這種功能的中檔或高檔PLC，對于只具有簡單運(yùn)算功能的小型PLC我們不作考慮，至于具體的型號還要考慮工廠的實際情況。〔4〕不同檔次的PLC響應(yīng)速度也有很大的區(qū)別，因為PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著核心地位，所以要想控制系統(tǒng)的控制精度到達(dá)生產(chǎn)需要的要求，必須要根據(jù)響應(yīng)速度來選擇PLC。在實際的生產(chǎn)中往往會遇到突發(fā)事件與需要有附加功能的情況，要及時的處理好這些情況不至于造成大的損失，這還要要求我們對PLC的響應(yīng)速度要慎重選擇，一定要聯(lián)系工廠實際的可操作性來選擇具有適宜響應(yīng)速度的PLC，可選用選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的PLC,或具有高速輸入輸出處理功能的PLC等。〔5〕增加備用系統(tǒng)或者冗余系統(tǒng)是提高可靠性與平安性最好的方式，但是對于一般的系統(tǒng)，現(xiàn)在大局部的PLC都能滿足要求。只有個別的隊可靠性性和平安性要求特別高的大型系統(tǒng)，才會考慮用這種方式，畢竟這種方式花費(fèi)比擬大?！?〕機(jī)型盡量統(tǒng)一只有機(jī)型統(tǒng)一，才能既充分發(fā)揮PLC的功能，又保證設(shè)備的正常運(yùn)行。在選用PLC時考慮下面幾個原則：備品備件是否方便采購與管理；PLC的功能使用與設(shè)備是否類似，便于工作人員操作；PLC與外設(shè)的通信是否通用，便于編程控制。根據(jù)設(shè)計方案的分析，系統(tǒng)設(shè)計需要使用16個輸入端口和3個輸出端口，另外還需要一個A/D轉(zhuǎn)換器來完成溫度采樣。在課程學(xué)習(xí)中，我們學(xué)習(xí)了三菱的F*系列PLC，因此，選擇三菱F*2N-48MR-001〔根本I/O點(diǎn)數(shù)為24〕和F*2N-4AD特殊功能模塊。3.1.1F*2N-48MR-001PLCF*2N系列PLC是F*系列中功能最強(qiáng)、速度最高的微型可編程序控制器。它由根本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊等構(gòu)成。用戶存儲器容量可擴(kuò)展到16K步。I/O點(diǎn)最大可擴(kuò)展到256點(diǎn)。它有27條根本指令，其根本指令的執(zhí)行速度超過了很多大型PLC。三菱F*2N—48MRPLC，為繼電器輸出類型，其輸入、輸出點(diǎn)數(shù)皆為是24點(diǎn)，可擴(kuò)展模塊可用的點(diǎn)數(shù)為48~64,內(nèi)附8000步RAM。其內(nèi)部資源如下：〔1〕輸入繼電器*〔*0~*27，24點(diǎn)，八進(jìn)制〕〔2〕輸出繼電器Y〔Y0~Y27，24點(diǎn)，八進(jìn)制〕〔3〕輔助繼電器M〔M0~M8255〕[通用輔助繼電器〔M0~M499〕]〔4〕狀態(tài)繼電器〔S0~S999〕〔5〕定時器T〔T0~T255〕〔T0~T245為常規(guī)定時器〕〔6〕計數(shù)器C〔C0~C255〕〔7〕指針〔P/I〕〔見附表三和附表四〕?！?〕數(shù)據(jù)存放器D〔D0~D8255〕〔D0~D199為通用型〕。3.1.2F*2N-4AD特殊功能模塊F*2N-4AD為模擬量輸入模塊,有四個模擬量輸入通道〔分別為CH1、CH2、CH3和CH4〕，每個通道都可進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，其分辨率為12位。其模擬量輸出性能〔見附表五〕。另外所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)置的調(diào)整可通過FROM/TO指令完成。同時在編程過程中重點(diǎn)用到了BFM數(shù)據(jù)緩沖存儲器，具體分布情況見附表六所示。在程序設(shè)計中通道選擇原則如下：在BFM#0中寫入十六進(jìn)制4位數(shù)字H****進(jìn)展A/D模塊的初始化，最低位數(shù)字控制CH1，最高位數(shù)字控制CH4，各位數(shù)字的含義如下：*=0時設(shè)定輸入*圍為-10V～+10V；*=1時，設(shè)定輸入*圍為+4mA～+20mA；*=2時，設(shè)定輸入*圍為-20mA～+20mA；*=3時，關(guān)斷通道。3.2輸入輸出量確實定對于化工精餾塔的溫度控制也要考慮到各個方面的因素，無論精餾塔本身還是外在環(huán)境或多或少的都會影響塔內(nèi)的溫度不穩(wěn)定性進(jìn)而影響產(chǎn)物的輸出，所以必須監(jiān)測多個控制量以便于調(diào)節(jié)塔內(nèi)溫度。如下表3-1為所有的控制對象控制量的統(tǒng)計表。由此表可以看出整個控制系統(tǒng)的控制變量多且復(fù)雜，在整個的控制系統(tǒng)中各變量之間關(guān)系非常復(fù)雜，并且互相聯(lián)系互相作用，在此設(shè)計中只以塔底溫度控制為例來介紹控制過程。表3-6輸入、輸出信號I/O地址表工程地址功能說明輸入地址*0電源周波信號輸入端*1溫度給定允許*2啟動/關(guān)閉*3實際溫度測定*4實際流量測定*10~*21SB2~SB11輸出地址Y0VT1觸發(fā)脈沖〔電源正半波〕Y1VT2觸發(fā)脈沖〔電源負(fù)半波〕Y6蒸汽流量閥3.3PLC外部構(gòu)造圖因為溫度對于精餾塔的影響是最大的，此設(shè)計是以精餾塔的塔底溫度為例來設(shè)計一個基于PLC的溫度控制系統(tǒng)。3.3.1溫度值給定電路按設(shè)計要求，共設(shè)計了十個開關(guān)按鍵，作為溫度給定值的輸入端口，接收十進(jìn)制數(shù)。假設(shè)給定值*圍為280~700℃。設(shè)計電路如圖2-1所示：SB1為溫度值輸入允許，SB2~SB11分別表示十進(jìn)制數(shù)0~9。先按下溫度值給定允許開關(guān)SB1，然后再輸入給定溫度值，先按下的數(shù)字為高位上的數(shù)值，后按下的數(shù)字為低位上的數(shù)值。比方，先后按下開關(guān)SB5、SB2和SB2，則表示給定溫度值為300℃，并送PLC數(shù)據(jù)存放器保存。圖3-1溫度值給定電路3.3.2溫度流量檢測電路溫度檢測是溫度控制系統(tǒng)的一個很重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能。在PLC溫度控制系統(tǒng)中，溫度的檢測不僅要完成溫度到模擬電壓量的轉(zhuǎn)換還要將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送PLC。其一般構(gòu)造如圖2-2所示。溫度傳感器溫度傳感器信號放大器A/DPLC圖3-2溫度檢測根本構(gòu)造溫度傳感器將測溫點(diǎn)的溫度變換為模擬電壓，其值一般為mA級，需要放大為滿足A/D轉(zhuǎn)換要求的電壓值。然后送PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，得到表示溫度的電壓數(shù)字量，再用軟件進(jìn)展標(biāo)度變換與誤差補(bǔ)償，得到測溫點(diǎn)的實際溫度值。流量檢測電路原理同溫度檢測電路一樣。流量傳感器信號放大器A/DPLC流量傳感器信號放大器A/DPLC輸出控制電路圖3-4輸出控制電路3.3.4復(fù)位電路復(fù)位電路由一個開關(guān)SB12完成開/關(guān)功能，當(dāng)按下開關(guān)SB12時系統(tǒng)啟動，正常運(yùn)行，執(zhí)行任務(wù)；當(dāng)斷開SB12時，系統(tǒng)停頓運(yùn)行，不執(zhí)行任何任務(wù)。設(shè)計電路如圖2-8所示。圖3-5復(fù)位電路第四章PLC軟件設(shè)計4.1編程與通信軟件的使用三菱F*系列PLC通信軟件名稱為F*GWIN，它供對F*0/F*0S、F*1、F*2/F*2C、F*1S、F*1N和F*2N/F*2NC系列三菱PLC以及監(jiān)控PLC中各軟元件的實時狀態(tài)。它的運(yùn)行環(huán)境為MS-window3.1或window95以上的版本，其具體應(yīng)用說明如下?！?〕編程?雙擊圖標(biāo)，即可進(jìn)入編程環(huán)境。?首先翻開File〔文件〕菜單下的New〔新文件〕子菜單，選擇F*2NPLC型號，進(jìn)入程序編制環(huán)境?！布僭O(shè)想翻開已有文件，翻開File〔文件〕菜單下的Open〔翻開〕子菜單，選擇正確的文件和PLC型號后，按回車鍵即可?！?采用梯形圖編寫程序：翻開View〔視圖〕菜單，選中Ladderview〔梯形圖〕子菜單。然后選擇View〔視圖〕菜單中的Toolbar〔工具欄〕、Status〔狀態(tài)欄〕、Functionbar〔功能鍵〕和Palette〔功能圖〕四欄。?梯形圖中的軟元件的選擇既可通過以上Functionbar〔功能鍵〕和Palette〔功能圖〕完成，也可通過Toolbar〔工具欄〕完成。?使用Edit〔編輯〕菜單下的Cut〔剪切〕、Undo〔撤消鍵入〕、Paste〔粘貼〕、Copy〔復(fù)制〕和Delete〔刪除〕等欄目，可對軟元件進(jìn)展剪切、復(fù)制和粘貼等操作?！?〕程序檢查。雙擊Option〔選項〕菜單下的ProgramCheck〔程序檢查〕，進(jìn)入程序檢查環(huán)境，即可對程序進(jìn)展檢查，包括三項：檢查軟元件有無錯誤、檢查輸出軟元件和檢查各回路有無錯誤?！?〕PLC程序下載正確連接好編程電纜，翻開編程界面的PLC菜單下的Ports(端口設(shè)置)選擇正確的串行口、傳送頻率后，按OK。翻開PLC菜單下的transfers->write(寫出)，輸入程序步數(shù)，按確定即可下載程序到PLC上?！?〕PLC運(yùn)用和停頓下載完程序，把PLC機(jī)上的開關(guān)撥向RUN/STOP，或翻開PLC菜單下的RemoteRun/Stop(遙控運(yùn)行/停頓)欄目，即可運(yùn)行/停頓PLC?！?〕軟元件監(jiān)控翻開Monitor/Test〔監(jiān)控/測試〕菜單下的Entrydevicemonitor〔進(jìn)入元件遙控〕，選擇所要的監(jiān)控的軟元件，即可監(jiān)控各軟元件?！?〕程序打印翻開File〔文件〕菜單下的PageSetup〔頁面設(shè)置〕子菜單即可進(jìn)展編程頁面設(shè)置。翻開File〔文件〕菜單下的PrinterSetup〔打印機(jī)設(shè)置〕子菜單即可進(jìn)展打印設(shè)置?！?〕退出主程序翻開File〔文件〕菜單下的E*it〔退出〕子菜單或按右上角的"*〞按鍵，即可退出主程序。4.2程序單元設(shè)計本設(shè)計系統(tǒng)采用三菱F*系列PLC控制。其輸入、輸出地址表如表3-1所示。另外，內(nèi)存分配如表4-1所示：表4-1內(nèi)存分配表內(nèi)存器特定意義內(nèi)存器特定意義D0A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量結(jié)果D30u(k)D4溫度給定值Q0D31u(k-1)D5塔溫QD32e(k)D25觸發(fā)周波數(shù)nD33e(k-1)D26晶閘管允許觸發(fā)標(biāo)志D34e(k-2)D27采樣周期計數(shù)器D35D28蒸汽流量D37D100~D121數(shù)據(jù)緩沖區(qū)D36D38十鍵輸入指定存儲元件4.3系統(tǒng)程序流程圖圖4-1系統(tǒng)程序流程圖4.4控制系統(tǒng)控制程序的開發(fā)針對本系統(tǒng)設(shè)計的要求，要求控制系統(tǒng)實現(xiàn)確定溫度控制的功能，假定精餾塔塔底溫度在〔280～700℃〕*圍內(nèi)任意設(shè)定〔*10~*21輸入給定值〕，經(jīng)過積分別離PID，并且采用溫度流量串級控制調(diào)節(jié)，實現(xiàn)定溫控制。特編寫以下主要控制程序?！睵LC指令見附錄一，總程序見附錄三〕。4.4.1溫度設(shè)定本設(shè)計系統(tǒng)利用十鍵數(shù)字輸入指令，設(shè)定恒溫給定值。程序如圖4-1所示。當(dāng)溫度設(shè)定允許〔*1=1〕時，執(zhí)行十鍵輸入指令，輸入給定溫度值，送D38。圖4-2讀取溫度給定4.4.2A/D轉(zhuǎn)換功能模塊的控制程序溫度檢測硬件電路給定的A/D轉(zhuǎn)換通道號CH2，完成塔溫的A/D轉(zhuǎn)換。為了提高抗干擾能力，程序采用了數(shù)字濾波措施，濾波方法是取8次輸入的平均值作為檢測結(jié)果。在此過程中設(shè)定塔溫的模擬量送入F*2N-4AD模塊的2#通道〔CH2〕。根據(jù)三菱公司的用戶手冊中的模塊編號規(guī)則，F(xiàn)*2N-4AD直接連PLC的為0號模塊。A/D轉(zhuǎn)換功能的PLC程序如圖4-3所示圖4-3A/D轉(zhuǎn)換程序本程序設(shè)計以4.8s為一個控制周期，當(dāng)控制周期到才讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果控制周期計時中斷效勞程序〔I610〕如圖4-4所示。圖4-4計時中斷程序4.4.3標(biāo)度變換程序另外針對本次設(shè)計所選擇的功能模塊F*2N-4AD的輸入輸出特性，有280～700℃經(jīng)零點(diǎn)遷移后所對應(yīng)的數(shù)字量為0～2047〔0～10V對應(yīng)的數(shù)字量〕，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的溫度的數(shù)字量存入D0，根據(jù)此特性，輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)的模擬量應(yīng)該為數(shù)字量占2047的百分比，即實際溫度=〔700-280〕*數(shù)字量/2047+280≈?jǐn)?shù)字量*21/102+280。從而得到實際的溫度的數(shù)值而送入D5，同時將所得的余數(shù)與0.5℃所對應(yīng)的數(shù)字量(約等于2)進(jìn)展比擬，如果大于2，則將D5中的數(shù)加一，反之則不變。所得結(jié)果再加上280，就完成了對采樣溫度值的標(biāo)度變換。標(biāo)度變換功能的PLC程序如圖4-5所示：圖4-5標(biāo)度變換程序流量讀取的寫法與溫度的寫法一樣，見附錄總程序。4.4.4恒溫控制程序〔PID〕設(shè)計為了減少超調(diào)和消除振蕩現(xiàn)象，當(dāng)自由升溫小于給定的恒溫值10℃，系統(tǒng)就開場進(jìn)展恒溫控制，恒溫控制采用積分別離PID調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的控制算法如下：當(dāng)塔溫Q大于給定恒溫值10℃時〔可以根據(jù)硬件及生產(chǎn)要求作出其他規(guī)定這里只是為了方便設(shè)計暫定的一個值，這里面的其它數(shù)也是一般生產(chǎn)要求最長用的數(shù)據(jù)。〕，系統(tǒng)全速升溫，令u〔k〕=240，240為一個控制周期〔4.8s〕的工頻電源周波數(shù)。當(dāng)e〔k〕<5℃時，進(jìn)展PID調(diào)節(jié)。除上述兩種情況外，系統(tǒng)均進(jìn)展PD調(diào)節(jié)，去掉e〔k〕，溫度數(shù)字調(diào)節(jié)器程序如圖3-6所示。將實際溫度〔D5〕與設(shè)定值〔D4〕比擬得到的差值e〔k〕存于D32。假設(shè)e〔k〕大于10，則送240給D31〔u〔k〕〕；假設(shè)e〔k〕小于10而大于5時，則進(jìn)展PD算式運(yùn)算〔去掉積分項e〔k〕的剩余項〕。假設(shè)e〔k〕小于5時則進(jìn)展PID算式運(yùn)算。最后保存u〔k〕，更新u〔k-1〕、e〔k-1〕和e〔k-2〕以備下次運(yùn)算。然后將主控制器的輸出與副控制器做差輸入P調(diào)節(jié)器，將P調(diào)節(jié)器的輸出送入D30，進(jìn)而D30中的數(shù)據(jù)通過外設(shè)調(diào)節(jié)閥門。圖4-6溫度調(diào)節(jié)程序4.4.4數(shù)字觸發(fā)器程序數(shù)字觸發(fā)器程序由兩局部組成：準(zhǔn)備程序和觸發(fā)程序。電源在一個控制周期〔4.8s〕有240個周波，而u〔k〕的最大亦也240，因此，晶閘管在一個控制周期的導(dǎo)通周波數(shù)n與控制量u〔k〕的關(guān)系為n=u〔k〕脈沖輸出通道要求PLC輸出的觸發(fā)脈沖為正脈沖，故程序先使Y0〔或Y1〕由0變1，延時約0.01s后〔半個周波時間〕，再將Y0〔或Y1〕置0，在Y0〔或Y1〕端形一個寬約0.01s的正脈沖。當(dāng)*2為ON時，將u〔k〕送D25作觸發(fā)周波數(shù)n，將其與0比擬，假設(shè)n大于0，則置位D26〔觸發(fā)允許標(biāo)志〕允許觸發(fā)并將Y0和Y1置1。*0為電源周波信號輸入端，當(dāng)允許晶閘管觸發(fā)時，當(dāng)*0的上升沿〔下降沿〕到時Y0〔Y1〕輸出1，延時半個周波時間后Y0〔Y1〕輸出0，即在Y0〔Y1〕端口產(chǎn)生正脈沖去觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。同時每完成一個周波觸發(fā)，將D25減1。直到D25為0止。D25為0而采樣周期未到D26被清0，系統(tǒng)將不再對晶閘管輸出觸發(fā)脈沖。其程序如圖4-7所示。圖4-6數(shù)字脈沖觸發(fā)程序第五章結(jié)論此設(shè)計中主要完成的任務(wù)是，在了解PLC的性能與精餾塔的工藝指標(biāo)后，設(shè)計一個PLC控制的溫控系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的PLC的功能，選擇與PLC最符合的過程控制方式，并且根據(jù)控制指標(biāo)的要求，確定最能保證溫度穩(wěn)定控制的輸入輸出量，編制出程序，是這個設(shè)計完成的主要任務(wù)。本設(shè)計最大的優(yōu)點(diǎn)是采用了最能保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的串級控制，采用具有自整定功能的PID模塊，并且分情況運(yùn)用積分別離算法，大大提高了溫度控制精度，PLC控制的系統(tǒng)相對于其它設(shè)計來說操作相對簡單，能夠保證溫度在生產(chǎn)所需要的*圍內(nèi)。這種基于PLC的精餾塔溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用及維護(hù)簡潔方便，可以持久地將溫度控制在可靠*圍內(nèi)。該溫度控制系統(tǒng)為精餾塔的正常運(yùn)行創(chuàng)造了良好的條件，提高了設(shè)備的效率。參考文獻(xiàn)［1］*智賢．沈永良自動化儀表與過程控制[M]．中國電力，2009［2］廖常初．PLC編程及應(yīng)用．機(jī)械工業(yè)[M]，2005,4［3］賈紹義.柴誠敬.化工傳遞與單元操作課程設(shè)計[M].**大學(xué),2002［4］王靜廉.黃璐.化工設(shè)計.**大學(xué)[M].1989［5］易泓可.基于數(shù)字PID設(shè)計.機(jī)械工業(yè)[M].2004［6］于海生.微型計算機(jī)控制技術(shù)清華大學(xué)[M]..2000［7］史國生.電氣控制與可編程控制器技術(shù)[M].：化學(xué)工業(yè).2004［8］陳**.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)[M].電子工業(yè).1993[9]GAOJUNLI,CHEN,DENG.ResearchofrectificationtowertemperaturecontrolbasedonDCS.Instrumenttechniqueandsensor,2009[10]HEWLETT-PACKARD8175ADigitalSignalGenerator.OperatingandProgrammingGuide.[11]三菱公司編.三菱F*系列可編程序控制器特殊功能模塊用戶手冊[J]，2001[12]三菱公司編.三菱可編程序控制器應(yīng)用101例[J].1994謝辭經(jīng)過這么長時間的努力畢業(yè)設(shè)計總算告一段落，從剛確定題目時的一頭霧水，到