1、安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书I装订线安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称 过程控制装置反应釜液位控制学 院 电气信息学院专业班级 测控技术与仪器 081 班姓 名学 号毕业设计(论文)的主要内容及要求：主要内容：1.介绍控制系统的硬件组成，所采用的控制方案；2.利用西门子 S7-300 可编程逻辑控制器实现反 应釜液位 PID 控制；3.使用组态王对系统组态；4.监控液位 PLC 控制系统的运行情况。要求：1. 以过程控制实验装置中的反应釜液位作为被控对象设计一个控制系统，实现对反应釜液位的恒值控制；2.组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、 测量值及控制器输出值；3.实时显
2、示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线；4.选择合适的整定方法确定 PID 参数，并能在组态测控界面上实时改变 PID 参数。5.设计的反应釜液位控制系统要能够实现反应釜液位的自动控制，控制效果好，运行安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书II装订线稳定，操作方便。指导教师签字： 过程控制装置反应釜的液位控制摘 要反应釜自1912年发明以来取得迅猛发展，至今全球仍以每年35%的速度递增。全世界反应釜的消费总量达3500万。我国正处于反应釜生产和消费应用的高速增长期，已广泛应用于石油、化工、轻工、食品、酿酒、制药、家电、水电、机械、建筑、市政和各种民用器具中。不锈钢反应釜具有加热迅速、耐高温、耐
3、腐蚀、卫生、无环境污染、勿需锅炉自动加温、使用方便等特点。在相当多的领域里，反应釜的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前反应釜的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。本次设计的主要任务是利用西门子S7-300PLC和组态王软件设计一个恒液位控制系统，使液位维持在设定值附近。本文首先介绍了过程控制实验装置和反应釜单元的一些基本资料，包括系统组成和工作原理。其次是系统控制方案的设计，采用PID串级控制，以西门子S7-300PLC为控制器。然后用PLC编程软件进行编程，实现反应釜液位的自动控制。并使用组态王对系统组态，制作监控画面。利用上位机对控
4、制系统的运行进行实时监控。最后，对控制系统的性能进行测试分析，详细介绍了系统的实验步骤、调试过程、以及实验结果分析。关键词：监控系统，PLC，PID 算法，组态王。安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书III装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书IV装订线Liquid level control of Process control device Reaction kettleAbstractThe reaction kettle have made significant development since the invention in 1912 years，still has a i
5、ncreasing at the rate of 3%-5% every year.The world of the reaction kettle total consumption of 35 million. Our country is in the reaction kettle production and consumption of application of rapid growth, has been widely used in petroleum, chemical industry, light industry, food, wine, pharmacy, hom
6、e appliances, water and electricity, machinery, construction, municipal and all kinds of civil appliances. Stainless steel reaction has quickly heating, high temperature resistance, corrosion resistance, health, no environmental pollution, without boiler heating, convenient use, etc. In quite a few
7、fields, and the reaction kettle performance quality decided to the quality of the products is good. At present the reaction kettle control system is a microprocessor most used as the core of the computer control technology, can not only improve the degree of automation equipment and improve equipmen
8、t control precision. This design is the main task of the use of Siemens S7-300 PLC and KINGVIEW to design a constant level control system,maintain the liquid level nearby the setpoint .This paper first introduces the process control experiment device and the reaction kettle of some basic information
9、 unit, including the system composition and working principle firstly. Second is the design of system control scheme, PID cascade control, with Siemens s7-300 PLC for the controller. Then use PLC programming software programming, realize the reaction kettle liquid level in automatic control. And use
10、 KINGVIEW on system configuration, using the PC to control the operation of the system for real-time monitoring. Finally, to control the systems performance in the test analysis, detailed introduces the system of the experiment, the debugging process steps, and the analysis of experimental results.K
11、ey Words:Monitoring system，PLC，PIDarithmetic，KINGVIEW。安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书V装订线目 录1. 绪论 .11.1 HDU4000-2 型过程控制综合实训系统 .11.1.1 系统组成 .11.1.2 典型化工流程过程控制综合实训对象系统 .11.2 反应釜描述 .21.3 反应釜内部结构及原理 .31.3.1 反应釜结构 .31.3.2 反应釜工作原理 .31.4 液位控制系统控制要求 .42. 系统控制方案设计 .52.1 控制思想 .52.1.1 总体控制思想 .52.1.2 控制过程说明 .52.2 控制方案 .52.2
12、.1 液位 流量串级控制系统 .52.2.2 主、副调节器控制规律的选择 .62.3 控制算法 .72.3.1 PID 控制算法 .72.3.2 PID 算法的作用 .73. 系统硬件结构设计 .83.1 检测装置 .83.1.1 扩散硅压力液位变送器 .83.1.2 磁翻转液位计 .93.2 执行器 .123.2.1 电动调节阀 .123.2.2 变频器 .143.2.3 水泵 .153.3 通信模块 .163.3.1 模拟量采集模块 .163.3.2 模拟量输出模块 .173.3.3 通信转换模块 .173.4 开关电源 .173.5 硬件连接 .174. 用西门子 S7-300PLC 实
13、现控制系统设计 .184.1 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 .184.2 PLC 的选型和硬件配置 .204.2.1 PLC 型号的选择 .204.2.2 S7-300 CPU 的选择 .204.2.3 模拟量输入/输出模块 .20安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书VI装订线4.2.4 计算机与 PLC 的通信 .214.3 PID 控制器的选取及整定 .214.3.1 PID 控制器的组成 .214.3.2 主、副回路控制规律的选择 .224.3.3 调节器正、反作用方式的确定 .224.3.4 采样周期的分析 .234.3.5 参数整定 .234.4 PLC 程序设计 .234.
14、4.1 PLC 程序设计方法 .234.4.2 编程软件 STEP7.244.5 液位控制程序设计 .264.5.1 程序设计思路 .264.5.2 程序设计 .264.6 控制程序及分析 .335. 利用组态王进行系统组态设计 .365.1 组态软件描述 .365.2 系统流程图 .375.3 组态设计 .385.3.1 工程创建 .385.3.2 定义外部设备和数据变量 .405.3.3 组态画面创建 .415.4 工程实现 .425.4.1 组态王与 PLC 的通讯 .425.4.2 系统的运行测试 .425.4.3 系统抗干扰性能测试 .43结 论 .45致 谢 .46参考文献 .47
15、附录一 图表目录 .48安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 50 页 第 1 页装订线1. 绪论1.1 HDU4000-2 型过程控制综合实训系统1.1.1 系统组成典型化工流程过程控制综合实训系统由：（1）典型化工流程过程控制综合实训对象系统；（2）典型化工流程过程控制综合实训系统检测传感执行装置；（3）智能仪表及电器控制屏台；（4）典型化工流程过程控制综合实训 DCS 控制系统组成。1.1.2 典型化工流程过程控制综合实训对象系统典型化工流程过程控制综合实训对象系统采用化工釜式反应系统的工艺控制流程且结构为开放式，学生可进入系统操作。对象系统由：实训控制对象仿工业设备结构，具有较强现场
16、设备感；具有较丰富的设备种类，包括： 框架系统：3000X2000X2800mm；（100504mm 方钢管，505 角铁，606槽钢，扶手护栏：1 寸及 4分钢管） ，防锈红丹底漆，喷烤漆处理； 反应器：采用蒸馏反应釜，不锈钢，高径比分别为 1: 2（内胆配置冷却盘管、耐压 0.6MPa、夹套加热方式为热水加热） ，带搅拌电机及及浆叶式搅拌浆） ； 液位容器：采用377X800，及300X800 不锈钢密闭容器作为两个高位槽储罐. 加热容器：377X800 加热炉(外带不锈钢包裹的硅酸铝保温棉)； 压力容器：采用工业300X1000 的工业压力储罐做为压力容器，安全且储气容量大，易做压力控制
17、实验； 换热器：采用1597X1000 工业标准列管换热器，换热效果明显； 滞后盘管：温度滞后控制实验用（滞后时间 15秒） ； 管道及阀门：DN25 和 DN20工业不锈钢管道；永德信铜球阀及闸阀阀门。系统结构图见化工过程控制实训装置系统结构图。如图 1.1所示:安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 50 页 第 2 页装订线图 1.1 HDU4000-2型过程控制综合实训系统1.2 反应釜描述反应釜主要应用于石油、聚合、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、缩合等工艺过程的压力容器。根据不同的因素反应釜可分为很多种类，实验室用的是不锈钢反应釜。不锈钢反应釜的
18、适用范围：适用于石油、化工、医药、冶金、科研、大专院校等部门进行高温、高压的化学反应试验，对粘稠和颗粒的物质均能达到高搅拌的效果。不锈钢反应釜的优点具有如下这些优点：1、不锈钢材质具有优良的机械性能，可承受较高的工作压力，也可承受块状固体物料加料时的冲击。2、不锈钢反应釜耐热性能好，工作温度范围很广(-196600)。在较高温度下不会氧化起皮，故可用于直接火加热。3、不锈钢反应釜具有很好的耐腐蚀性能，无生锈现象。4、传热效果比搪瓷反应釜好，升温和降温速度较快。反应釜如图1.2所示：安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 50 页 第 3 页装订线图 1.2不锈钢反应釜1.3 反应釜内部结构及原
19、理1.3.1 反应釜结构反应釜结构：由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成，电加热的配有电加热棒，有的釜内含冷却（加热）盘管。不锈钢材质一般有0Cr18Ni9（304） ，1Cr18Ni9Ti（321） ，00Cr17Ni14Mo2 （316L） 。由于用户因生产工艺、操作条件不尽相同，搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等。不锈钢反应釜加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外（内）盘管加热等。密封形式有填料密封、机械密封。支承座有支承式或耳式支座等。使用电加热反应釜夹套内放置导热油，由电热棒加热，同时要保持放空口畅通。转速超过160转以上宜使用
20、齿轮减速机。开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。 1.3.2 反应釜工作原理安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 50 页 第 4 页装订线加热不锈钢反应釜夹套内放置导热油，由电热棒加热，夹套上开有进、排油、溢测量、放空及电热棒、测温等接管孔。采用蒸汽加热的不锈钢反应釜则直接在夹套内充蒸汽加热，蒸汽加热反应釜需要有稳定蒸汽热源供应，通常加配锅炉。1.4 液位控制系统控制要求1、以过程控制实验装置中的反应釜液位作为被控对象、主回路流量作为调节对象，PLC 作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个反应釜双闭环控制系统，实现对反应釜液位的恒值控制。2、PLC 控制器采用 PID 算法，各项控制性能满足要求：超调量10%，稳态误差0.1；调节时间 ts120s；3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线；4、选择合适的整定方法确定 PID 参数，并能在组态测控界面上实时改变 PID参数；5、通过 S7-300PLC 编程软件 Step7实现 PLC 程序设计与调试；6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；7、设计完成后，提交打印设计报告。
