反應(yīng)釜自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、300L反應(yīng)釜加熱閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-溫度控制接口設(shè)計(jì)學(xué) 院：核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)老師：彭煥榮小組成員：何遲、閔志鵬、李巖李榮、鄭遠(yuǎn)鋒、許新目錄前言-（3）一、 元件參數(shù)-（3-5）1 LM2907主要特點(diǎn)2 電性能參數(shù)3 引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、技術(shù)指標(biāo)-（5-6）三、控制程序流程圖-（6）四、設(shè)計(jì)控制過程-（7）五、設(shè)計(jì)結(jié)果及問題討論-（8-9）前言據(jù)反應(yīng)釜當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)場情況，反應(yīng)釜的送料完全是人工控制，通過磁力泵從原料罐送到反應(yīng)釜的，由于產(chǎn)品的不同，混合原料的粘度和比重均不相同，因此單位時(shí)間內(nèi)磁力泵輸送的原料重量是不同的變化的，反應(yīng)釜的化學(xué)反應(yīng)速度，在很大程度上

2、取決于原料，以及氧化劑和還原劑的加入速度?，F(xiàn)在只能由人工依據(jù)反應(yīng)釜的溫度和出口溫度，初略判斷反應(yīng)釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)情況，控制閥門開度，這樣就很難真正控制好化學(xué)反應(yīng)速度，使產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和進(jìn)一步提高反應(yīng)釜的生產(chǎn)能力都受到了制約。 經(jīng)過仔細(xì)的系統(tǒng)分析，參照近代控制論原理，借鑒最新型的控制技術(shù)，本方案擬在原料罐磁力泵的出口增加一套電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并在氧化劑、還原劑的氣動(dòng)輸送泵管路上，再分別各安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度及出口溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)加料閥門的開度，同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)釜夾套冷卻水回流閥門的開度，組成一個(gè)智能化的多參數(shù)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，以達(dá)到進(jìn)一步綜合控制好化學(xué)反應(yīng)速度，最終優(yōu)化整個(gè)反應(yīng)過程的升溫曲

3、線的目的。一、元件參數(shù)及LM2907芯片介紹 LM2907為集成式頻率電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了比較器、充電泵、高增益運(yùn)算放大器，能將頻率信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。LM2917與LM2907基本相同，區(qū)別是：LM2917內(nèi)部有一只穩(wěn)壓管，用于提高電源的穩(wěn)定性。 主要特點(diǎn) LM2917進(jìn)行頻率倍增時(shí)只需使用一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)；以地為參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)速計(jì)（頻率）輸入可直接從輸入管腳接入；運(yùn)算放大器比較器采用浮動(dòng)三極管輸出；最大50mA的輸出電流可驅(qū)動(dòng)開關(guān)管、發(fā)光二極管等；內(nèi)含的轉(zhuǎn)速計(jì)使用充電泵技術(shù)，對低紋波有頻率倍增功能；比較器的滯后電壓為30mV利用這個(gè)特性可以抑制外界干擾；輸出電壓與輸入頻率成正比，線性度典型

4、值為0.3%；具有保護(hù)電路，不會受高于Vcc值或低于地參考點(diǎn)輸入信號的損傷；在零頻率輸入時(shí)，LM2907的輸出電壓可根據(jù)外圍電路自行調(diào)節(jié)；當(dāng)輸入頻率達(dá)到或超過某一給定值時(shí)，可將輸出用于驅(qū)動(dòng)繼電器、指示燈等負(fù)載。 電性能參數(shù)LM2907的主要電性能參數(shù)如表所列：表1 LM2907的主要電性能參數(shù)（Vcc=12VDC,TA=25） 引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu) LM2907/LM2917有DIP8和DIP14兩種封裝形式。LM2907的DIP14的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，DIP8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各引腳功能可參考圖。各引腳功能如下：腳（）和11腳（IN-）為運(yùn)算放大器比較器的輸入端；腳接充電泵的定時(shí)電容（C1）；腳接充

5、電泵的輸出電阻和積分電容（R1/C2）；腳（IN+）和10腳（UF1）為運(yùn)算放大器的輸入端；腳為輸出晶體管的發(fā)射極（U0）；腳為輸出晶體管的集電極，一般接電源（UC）；腳為正電源端（VCC）；12腳為接地端（GND）；，13，14腳未用。二、技術(shù)指標(biāo) LM2907為集成式頻率電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了比較器、充電泵、高增益運(yùn)算放大器，能將頻率信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，后接加熱、降溫電路。我們采用頻壓轉(zhuǎn)化電路將頻率信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，進(jìn)而控制加熱與降溫電路工作。選用集成式頻率電壓轉(zhuǎn)換器LM2907，配以外加電路，能將經(jīng)PC機(jī)處理后輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，電壓信號控制繼電器（相當(dāng)于開關(guān)）工作

6、從而使電路聯(lián)通，電風(fēng)扇或加熱絲工作。在一定范圍內(nèi)，LM2907的頻率和電壓轉(zhuǎn)換可成線性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)電熱絲加熱功率和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的連續(xù)可調(diào)。由于技術(shù)原因，我們未能實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能，預(yù)留此項(xiàng)功能，可以作為功能擴(kuò)展。三、控制程序流程圖自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖如下：接口電路原理圖：四、設(shè)計(jì)控制過程 本控制系統(tǒng)仍以上位機(jī)采用高性能的組態(tài)軟件，開發(fā)操作可靠、簡單易學(xué)、實(shí)用穩(wěn)定的監(jiān)控程序，具有全中文界面，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、流量和溫控曲線、報(bào)警和操作記錄，以及完整的生產(chǎn)報(bào)表等管理功能，并嵌入反應(yīng)釜智能化自動(dòng)控制模塊。 考慮到由于實(shí)際裝置的設(shè)備共有4個(gè)反應(yīng)釜（現(xiàn)有3個(gè)，改造時(shí)將再增加1個(gè)），并列為2套相同的流程，每套流程公共

7、用1組原料、氧化劑和還原劑加料裝置，故加料部分原料、氧化劑和還原劑加料電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門2組，共6個(gè)，在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥之后在裝置并聯(lián)的電控截止閥2組，共12個(gè)，完成在2個(gè)反應(yīng)釜之間加料的切換。再配置冷卻水回水調(diào)節(jié)閥門，每個(gè)反應(yīng)釜裝置1個(gè)，共4個(gè)DG65電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。全系統(tǒng)共有10個(gè)調(diào)節(jié)回路。本系統(tǒng)將分三個(gè)層次來完成對反應(yīng)釜生產(chǎn)過程綜合控制：第一層次：完成接收電子秤的秤重信號，計(jì)算出化學(xué)原料單體、氧化劑和還原劑的瞬時(shí)流量、平均給料流量等參數(shù)，反應(yīng)釜及出口溫度的實(shí)時(shí)顯示。第二層次：根據(jù)給料流量，結(jié)合反應(yīng)釜及出口溫度以及各種工藝條件，自動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)釜溫度，并優(yōu)化主要工藝參數(shù)的越界報(bào)警和處理功能。第三層次：根據(jù)工藝

8、模板所要求的總加料量、配方和加料時(shí)序；反應(yīng)釜升溫曲線等不同的控制特性，通過新增加的單片機(jī)模擬輸出調(diào)節(jié)模塊，反應(yīng)釜冷卻水回水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，原料罐、氧化劑和還原劑的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜全過程化學(xué)反應(yīng)的智能化自動(dòng)控制。上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為人機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)以下功能。1實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括原料罐重量的實(shí)時(shí)變化，各種物料的給料流速，閥門動(dòng)作情況和溫度顯示等。模擬流程圖形逼真、直觀。2顯示各工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，與設(shè)定工藝曲線進(jìn)行比較，指導(dǎo)工藝操作。歷史曲線可保存一年或以上數(shù)據(jù)，用戶可隨時(shí)查閱3預(yù)先貯存各種工藝曲線和配比，根據(jù)各產(chǎn)品的工藝要求，可隨時(shí)給單片機(jī)發(fā)出控制要求，完成生產(chǎn)品種

9、和生產(chǎn)工藝的快速變換。4完善的主要工藝參數(shù)的越界報(bào)警和處理，確保生產(chǎn)過程的安全性。5打印各種生產(chǎn)和統(tǒng)計(jì)報(bào)表。具有較強(qiáng)的管理功能，可打印各批次實(shí)配重量及溫度、壓力等數(shù)據(jù)，對貯存數(shù)據(jù)進(jìn)行成本核算及工藝分析。6手動(dòng)和自動(dòng)無擾動(dòng)切換。為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，又不失靈活性，本系統(tǒng)設(shè)置計(jì)算機(jī)屏幕操作，手動(dòng)、自動(dòng)及操作臺按鈕開關(guān)，手動(dòng)、自動(dòng)兩套工作方式，閥門的操作采用智能控制儀表手操器，確保進(jìn)行無擾動(dòng)的切換操作。7采用自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)，電子秤的秤量誤差可得到最有效的補(bǔ)償。8采用智能化控制技術(shù)，通過對反應(yīng)釜夾套冷卻水回水和物料加入速度的多參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)、對反應(yīng)釜溫度的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)，反應(yīng)釜中整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程

10、可得到更穩(wěn)定有效的控制。其中第三個(gè)層次是本次改造的主要內(nèi)容，為此，單片機(jī)模塊配置中要增加具有DA輸出的模擬量輸出模塊和開關(guān)量輸出模塊，包括擴(kuò)展基板、電源和連接電纜。用于自動(dòng)調(diào)節(jié)加料過程的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，手操器，2個(gè)反應(yīng)釜切換加料之用的電動(dòng)截止閥等硬件。以及完成上述全部功能的智能控制軟件的開發(fā)。 五、設(shè)計(jì)結(jié)果及問題討論1設(shè)計(jì)結(jié)果分析本次課程設(shè)計(jì)的結(jié)果是模擬反應(yīng)釜溫度采集存儲系統(tǒng)，按下B鍵，輸入10個(gè)溫度數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)輸入以A鍵結(jié)束。然后若要存儲此次輸入的數(shù)據(jù)可按下C鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲將其存入AT24C02存儲器芯片中或按下D鍵顯示本次輸入的溫度數(shù)據(jù)以便于查看溫度輸入是否正確。若正確則可關(guān)閉電源后，再打

11、開實(shí)驗(yàn)儀，按下E鍵，方可進(jìn)行斷電前數(shù)據(jù)的查詢后可按下B鍵更新溫度采集存儲系統(tǒng)。若不正確，可再次按下B鍵進(jìn)行正確數(shù)據(jù)的輸入即可。2.問題討論 本次課程設(shè)計(jì)中遇到的最大問題就是總控程序的邏輯實(shí)現(xiàn)問題。開始閉關(guān)沒有把各項(xiàng)功能分開，而是想當(dāng)然的把輸入數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)放在了一個(gè)功能塊，把讀出數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)放到了一個(gè)功能塊。而各個(gè)功能塊間程序的編寫出現(xiàn)了沖突而又不易被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)進(jìn)度一直無法向前。也由于比較毛躁的心理，無法發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤在何處。后與同學(xué)討論，決定把各個(gè)數(shù)據(jù)段功能分開實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)，以便于問題的發(fā)現(xiàn)和解決。3、總結(jié)與體會從未接觸過硬件和軟件結(jié)合的課程設(shè)計(jì)。第一次接觸到本設(shè)計(jì)時(shí)感覺應(yīng)該還比較簡單，因?yàn)榘l(fā)

12、現(xiàn)周圍同學(xué)的設(shè)計(jì)課題都比我的要復(fù)雜。后真正著手去做時(shí)才發(fā)現(xiàn)不僅硬件方面出現(xiàn)了問題，軟件方面更存在很多問題。開始設(shè)計(jì)時(shí)對使用的幾個(gè)硬件模塊不是很了解。第一次就把原理圖給畫錯(cuò)了，因?yàn)槲抑苯訉T24C02存儲器芯片與主機(jī)的PCI板卡相連。后經(jīng)老師指點(diǎn)才知道AT24C02雖然是存儲器芯片，可卻掛在總線上，且與主機(jī)之間有數(shù)據(jù)的交換，一定要有輸入輸出接口，而只有兩根線：SDA和SCL，故接口要有獨(dú)立可控的數(shù)據(jù)端口，后經(jīng)考慮8255再合適不過了。這時(shí)我才發(fā)現(xiàn)自己的硬件知識是多么的缺乏，連輸入輸出接口都沒有怎么可能進(jìn)行主機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換呢。而這些我明明知道卻沒有將其應(yīng)用，將知識應(yīng)用于實(shí)踐的能力太差。后仔細(xì)研習(xí)老師給的資料，掌握I2C總線的通信協(xié)議，8279的使用說明以及其與LED、鍵盤的聯(lián)系終于畫出了正確的硬件原理圖。而軟件設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)了很多錯(cuò)誤，雖然設(shè)計(jì)過程是痛苦的，可是完成設(shè)計(jì)時(shí)開心的。此次設(shè)計(jì)雖然完成的不夠好，系統(tǒng)具有比較大的局限性，但是還是完成了要求系統(tǒng)的基本功能，而且從中受益匪淺。在課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束時(shí)老師檢查我的系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了很多不完善，當(dāng)