1、长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）I摘 要在工业过程中，温度是最常见的控制参数之一，反应器温度控制是典型的温度控制系统。对温度的控制效果将影响生产的效率和产品的质量，如果控制不当，将损害工艺设备，甚至对人身安全造成威胁。因此反应器温度的控制至关重要。连续搅拌釜式反应器是化学生产的关键设备，是一个具有大时滞、非线性和时变特性、扰动变化激烈且幅值大的复杂控制对象。结合控制要求，通过分析工艺流程，本论文设计了串级 PID 分程控制方案。方案选定后，进行了硬件和软件的选择。硬件上选用西门子公司的 S7-200 PLC，并用相应的 STEP7 软件编程。利用 Matlab 7.0 对系统进行了仿真
2、。关键词：温度 反应器 串级PID 西门子S7-200PLC 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）IIAbstractIn the industrial process, temperature is one of the most common control parameters, reactor temperature control system is a typical temperature control system. The temperature control effect will influence the production efficiency and pr
3、oduct quality, if it is not controlled properly, process equipment will be damaged, even personal safety will be threatened. Thus the reactor temperature control is essential.Continuous stirred tank reactor is the key equipment in chemical production, it is a complicated control object with a large
4、time delay, nonlinearity,time-varying characteristics and drastic changes and large amplitude disturbance. Combined with the control requirements, in this paper I design the cascade PID control scheme after a careful analysis of the production process.The hardware and software selection are done fol
5、lowing the selection of control scheme. As to hardware, the S7-200 PLC of Siemens is chosen, and the corresponding software STEP7 is chosen for programming.Matlab7.0 work for the simulation.Keywords：temperature cascade PID Siemens S7-200 PLC 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）III毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交
6、的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对 本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它
7、复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）IV目 录第 1 章 概 述 .- 1 -1.1 课题研究背景及意义 .- 1 -1.1.1 反应器概述 .- 1 -1.1.2 温度控制概述 .- 1 -1.2 本设计的主要工作 .- 2 -第 2 章 控制方案选择 .- 3 -2.1 工艺流程概述 .- 3 -2.2 工艺过程分析 .- 4 -2.3 控制方案设计 .- 4 -2.4 PID 分程控制方案 .- 5 -2.4.1 PID 控制原理 .- 5 -2.4.2 数字 PID 控制算法 .- 7
8、 -2.4.3 数字 PID 控制器参数整定 .- 9 -2.4.4 分程控制系统原理 .- 11 -2.5 串级控制方案 .- 12 -2.5.1 串级控制系统原理 .- 12 -2.5.2 串级控制系统特点 .- 13 -2.5.3 串级控制方案综述 .- 15 -2.6 串级 PID 分程控制方案的实施 .- 15 -2.6.1 串级 PID 分程控制方案控制流程图 .- 15 -2.6.2 串级 PID 分程控制方案系统结构框图 .- 16 -2.6.3 控制过程分析 .- 17 -第 3 章 硬件设备选型 .- 18 -3.1 PLC 选型 .- 18 -长春工业大学人文信息学院毕业
9、设计（论文）V3.1.1 I/O 选择 .- 18 -3.1.2 PLC 型号选择 .- 19 -3.1.3 结构选择 .- 20 -3.1.4 模拟量扩展模块选择 .- 21 -3.2 调节阀选型 .- 21 -3.2.1 调节阀类型确定 .- 22 -3.2.2 调节阀流量特性选择 .- 22 -3.2.3 调节阀口径选择 .- 25 -3.2.4 作用方式选择 .- 25 -3.2.5 调节阀型号选择 .- 26 -3.3 阀门定位器选型 .- 27 -3.4 检测变送器选型 .- 28 -3.4.1 温度传感器选型 .- 29 -3.4.2 温度变送器选型 .- 30 -3.4.3 压
10、力传感器选型 .- 31 -3.4.4 压力变送器选型 .- 31 -3.4.5 报警装置选型 .- 32 -3.5 系统硬件连接 .- 33 -第 4 章 系统软件设计 .- 36 -4.1 控制流程图设计 .- 36 -4.1.1 主程序流程图设计 .- 36 -4.1.2 保温子程序流程图设计 .- 39 -4.1.3 报警子程序流程图设计 .- 40 -4.2 控制梯形图设计 .- 41 -第 5 章 监控界面设计 .- 43 -5.1 系统仿真设计 .- 43 -总 结 .- 46 -致 谢 .- 47 -参考文献 .- 48 -长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）VI附录 1：
11、搅拌釜微机控制系统的原理图 .- 49 -附录 2：搅拌釜微机控制系统梯形图程序 .- 50 -长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）- 1 -第 1 章 概 述1.1 课题研究背景及意义1.1.1 反应器概述反应器，是任何化学品生产过程中的关键设备，主要给化学反应的介质提供场所，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。不同的生产过程和生产工艺所使用的反应器类型也不同，因此反应器种类很多。就结构形式看，有釜式、管式、塔式、固定床、流化床反应器等；按传热情况看，分为绝热式和非绝热式反应器。釜式反应器有两种操作方式：连续生产和间歇生产。连续搅拌反应釜（Continuous Stirred Tank
12、 Reactor, CSTR）是一种复杂的非线性化学反应器，随着生产的发展，广泛应用于化工、发酵、石油生产、生物制药等工业生产过程中，成为发展国民经济的重要化工设备之一。反应釜内部都有搅拌装置，可以使反应器中反应区的反应物料的浓度均一。反应釜内的特征参量一般为温度、压力、浓度等，对这些参数控制的好坏直接影响生产物的质量。1.1.2 温度控制概述温度是工业生产中最常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。不同生产工艺要求下的温度控制方案也有所不同。在本论文中，要保证连续搅拌反应釜生产安全，要对反应釜中的温度进行精确控制。反应釜中生产过程既
13、是放热的化学反应过程，又是物理变化过程，聚合反应机理复杂，开始需要迅速达到催化剂适宜温度开始反应，达到一定温度后由长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）- 2 -于化学反应的放热，如果不及时移去反应热，将使反应剧烈超出正常范围，易引起“爆聚”或产生安全阀跳；加入过量冷水又将使反应激落，甚至造成“僵釜”现象，直接影响产品的质量和产量，严重时还会危及工作人员的生命安全。因此，反应釜温度控制对于保证产品质量和安全生产起着举足轻重的作用。1.2 本设计的主要工作本课题主要设计的是基于 PLC 控制的反应器控制系统，主要设计流程如下：1.在分析系统功能的基础上确定系统的被控参数和控制参数，熟悉生产工艺
14、过程，根据控制要求进行总体控制方案设计。2.相关硬件设计，进行系统的硬件设备选型和 PLC 选型，绘制系统的硬件连接图：包括系统硬件配置图和 I/O 连接图。3.根据所选硬件设备，确定反应釜反应过程中 PID 控制算法的实现和参数的整定。长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）- 3 -第 2 章 控制方案选择2.1 工艺流程概述本设计被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器系统，属于连续反映过程。反应过程为反应物 A 与反应物 B 在催化剂 C 的作用下，在反应温度1201.0下进行反应，生成产物 D。反应初期用热水诱发，当反应开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。其工艺流程图如图 2-1
15、所示：S 8F 7C 进料B 进料冷水入口 夹套出口反应物出口F 5V 5V 6F 6F 4V 4V 7V 8F 8V 9F 9AT 1L 4P 7S 6热水入口A 进料蛇管出口图 2-1 工艺流程图长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）- 4 -反应过程主要有三股连续进料：第一股是反应物 A，F4 是进料流量，V4 为进料阀；第二股是反应物 B，F5 是进料流量，V5 是进料阀；第三股是催化剂液，F6为进料流量，V6 是进料阀。反应器液位为 L4，反应器出口浆液流量为 F9，由出口阀 V9 控制其流量。出口泵及出口泵开关为 S6。2.2 工艺过程分析连续搅拌反应釜是一个典型的非线性模型，化
16、学反应过程表现出很强的非线性和时滞性，在实际的工业生产中，连续搅拌反应釜中必然会受到外部或内部因素的影响，使得系统中存在参数摄动，外部干扰等不确定因素。这些给精确控制系统提高了难度。总体上系统温度控制可以分为两个阶段：反应升温温度控制和反应保温控制。1.保证反应器升温速度恒定：保证温度以 0.1-0.2/s 的速率上升，提高反应温度有利于主反应的进行，保证升温速度平稳避免超压问题。2.保证反应器保温温度恒定：缩合反应阶段后保温阶段要使反应釜温度始终保持在 120左右 5-10 分钟（实际为 2-3 小时） ，以使反应尽可能充分地进行，达到尽可能高的主产物产率。升温阶段，温度要求以某一速度上升，是一个变量。而保温阶段，要求温度保持在某一数值上，且波动不大，可作为定值控制。传统的 PID 控制算法理论成熟，应用广泛，但其控制精度依赖于精确的数学模型，因此有自身的限制。串级控制对扰动较多、变值控制、非线性系统有很好的控制效果。2.3 控制方案设计本设计将设计三种控制方案：PID 分程控制方案、串级控制方案和串级 PID分程复合控制方案。本系统对反应釜内温度的稳定性就有较高的要求。为了使反应釜内的温度能够稳定在要求的控制范围内，我们采用串级 PID 分程控制方案来对反应温度进行控制。其中，串级控制升温过程效果良好，PID 控制方案保温定值效果良好，分程
