过程控制装置反应釜液位控制毕业设计 精品.docx

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过程控制装置反应釜液位控制毕业设计精品

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3—5%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。

LiquidlevelcontrolofProcesscontroldeviceReactionkettle

Abstract

Thereactionkettlehavemadesignificantdevelopmentsincetheinventionin1912years，stillhasaincreasingattherateof3%-5%everyyear.Theworldofthereactionkettletotalconsumptionof35million.Ourcountryisinthereactionkettleproductionandconsumptionofapplicationofrapidgrowth,hasbeenwidelyusedinpetroleum,chemicalindustry,lightindustry,food,wine,pharmacy,homeappliances,waterandelectricity,machinery,construction,municipalandallkindsofcivilappliances.Stainlesssteelreactionhasquicklyheating,hightemperatureresistance,corrosionresistance,health,noenvironmentalpollution,withoutboilerheating,convenientuse,etc.Inquiteafewfields,andthereactionkettleperformancequalitydecidedtothequalityoftheproductsisgood.Atpresentthereactionkettlecontrolsystemisamicroprocessormostusedasthecoreofthecomputercontroltechnology,cannotonlyimprovethedegreeofautomationequipmentandimproveequipmentcontrolprecision.ThisdesignisthemaintaskoftheuseofSiemensS7-300PLCandKINGVIEWtodesignaconstantlevelcontrolsystem,maintaintheliquidlevelnearbythesetpoint.

Thispaperfirstintroducestheprocesscontrolexperimentdeviceandthereactionkettleofsomebasicinformationunit,includingthesystemcompositionandworkingprinciplefirstly.Secondisthedesignofsystemcontrolscheme,PIDcascadecontrol,withSiemenss7-300PLCforthecontroller.ThenusePLCprogrammingsoftwareprogramming,realizethereactionkettleliquidlevelinautomaticcontrol.AnduseKINGVIEWonsystemconfiguration,usingthePCtocontroltheoperationofthesystemforreal-timemonitoring.Finally,tocontrolthesystem'sperformanceinthetestanalysis,detailedintroducesthesystemoftheexperiment,thedebuggingprocesssteps,andtheanalysisofexperimentalresults.

KeyWords:

Monitoringsystem，PLC，PIDarithmetic，KINGVIEW。

1.绪论

1.1HDU4000-2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，具有较强现场设备感；具有较丰富的设备种类，包括：

●框架系统：

3000X2000X2800mm；（100×50×4mm方钢管，50×5角铁，60×6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:

图1.1HDU4000-2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（-196~600℃）。

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：

图1.2不锈钢反应釜

1.3反应釜内部结构及原理

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

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ts≤120s；

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。

2.系统控制方案设计

2.1控制思想

2.1.1总体控制思想

根据反应釜当前生产现场情况，反应釜的送料完全是人工控制，通过磁力泵从原料罐送到反应釜的，由于产品的不同，混合原料的粘度和比重均不相同，因此单位时间内磁力泵输送的原料重量是不同的变化的，反应釜的化学反应速度，在很大程度上取决于原料，以及氧化剂和还原剂的加入速度。

现在只能由人工依据反应釜的温度和出口温度，初略判断反应釜内的化学反应情况，控制阀门开度，这样就很难真正控制好化学反应速度，使产品质量的稳定性和进一步提高反应釜的生产能力都受到了制约。

经过仔细的系统分析，参照近代控制论原理，借鉴最新型的控制技术，本方案拟在原料罐磁力泵的出口增加一套电动调节阀，并在氧化剂、还原剂的气动输送泵管路上，再分别各安装电动调节阀。

由PLC系统根据反应釜内的温度及出口温度，自动调节加料阀门的开度，同时自动调节反应釜夹套冷却水回流阀门的开度，组成一个智能化的多参数的自适应控制系统，以达到进一步综合控制好化学反应速度，最终优化整个反应过程的升温曲线的目的。

2.1.2控制过程说明

本控制系统仍以日本三菱公司Q系列PLC可编程控制器为核心，上位机采用高性能的组态软件，开发操作可靠、简单易学、实用稳定的监控程序，具有全中文界面，实时数据显示、流量和温控曲线、报警和操作记录，以及完整的生产报表等管理功能，并嵌入反应釜智能化自动控制模块。

2.2控制方案

2.2.1液位—流量串级控制系统

（1）被调参数：

反应釜液位；

（2）调节参数：

主回路流量；

（3）主、副参数的选择

①主参数的选择：

串级控制系统的主回路是一个定值控制系统,副回路要包括主要干扰，我们选择液位作为主被控量。

②副回路的设计依据以下原则：

副回路应包括尽可能多的扰动.副回路包含的二次扰动以及非线性参数、负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主要扰动。

在此系统中，主控参数液位的高低与进出水的流量有关，即流量是影响液位的最大扰动信号。

在出水流量一定的情况下，我们选取进水流量作为被控副参数。

2.2.2主、副调节器控制规律的选择

在串级调节系统中，主、副调节器的工作情况不一样，主调节器起定值调节作用，而副调节器主要起随动调节作用。

主参数要求无余差，副参数却允许在一定范围内变动，这样能保证主参数的调节。

主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般要求无余差，因此，主调节器选择PID控制规律。

副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化,允许有余差，因此副调节器选择用P控制规律，一般不引人积分控制规律和微分控制规律。

液位——流量串级控制系统如图：

图2.1液位-流量串级控制系统结构图

液位变送器的主参数测量信号输入主控制器，主控制器的输出作为副控制器的外给定信号，副控制器根据流量变送器的副参数测量信号与来自主控制器的给定信号之间的偏差的大小和方向，经PID运算输出控制信号送去调节阀，控制其开度，调节进水流量达到控制液位的目的。

2.3控制算法

2.3.1PID控制算法

PID是一个闭环控制算法。

因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。

比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上，下面也将以转速控制为例。

PID是比例（P）、积分（I）、微分（D）控制算法。

但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。

我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有P控制，将当前结果反馈回来，再与目标相减，为正的话，就减速，为负的话就加速。

现在知道这只是最简单的闭环控制算法。

2.3.2PID算法的作用

比例（P）、积分（I）、微分（D控制算法各有作用：

比例，反应系统的基本（当前）偏差e（t），系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；

积分，反应系统的累计偏差

，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；

微分，反映系统偏差信号的变化率e（t）-e（t-1），具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。

但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。

积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。

3.系统硬件结构设计

3.1检测装置

3.1.1扩散硅压力液位变送器

液位传感器是用来对反应釜的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。

可方便的与其他DDZ—IIIX型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。

校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。

在零压力下调整零电位器。

使输出电流为4mA，在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。

本传感器精度为0.5级，因为二线制，故在工作时需串联24V直流电源。

液位传感器用来对反应釜的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，精度为0.5级，二线制4—20mA标准信号输出。

液位传感器（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA/1～5VDC）。

一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。

它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20mADC等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

压力变送器把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力。

其原理大致是：

将水压这种压力的力学信号转变成电流（4-20mA）这样的电子信号，压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系。

所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大。

由此得出一个压力和电压或电流的关系式。

压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元件（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。

压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。

当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。

如图3.1所示为液位传感器：

图3.1液位传感器

如图3.2所示为压力传感器：

图3.2压力传感器

3.1.2磁翻转液位计

磁翻转液位计可用于各种塔、罐、槽、球型容器和锅炉等设备的介质液位检测。

该系列的液位计可以做到高密封，防泄漏和适用于高温、高压、耐腐蚀的场合。

它弥补了玻璃板（管）液位计指示清晰度差、易破裂等缺陷，且全过程测量无盲区，显示清晰、测量范围大。

磁翻板液位计的零部件材料采用1Cr18Ni9Ti、316L、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti衬PTFE（聚四氟乙烯）、PVC、PP等材料及进口元件，具有优秀的可靠性和抗腐蚀性能。

技术参数：

测量范围：

300~12500mm　　精确度：

指示±10mm　

测量原理：

浮力原理、磁耦合传感技术

测量介质：

各种液体及腐蚀、易燃易爆液体介质　　

输出形式：

现场显示、报警、变送器输出　　

工作压力：

≤6.3Mpa　　介质温度：

≤450℃　　

介质密度：

≥0.45g/cm3　　介质粘度：

≤0.15pa·s　　

防爆等级：

ExdⅡBT6.ExiacT6　　防护等级：

IP66　　

材质：

各种牌号不锈钢、PVC等　　连接方式：

法兰DN20、DN25（松套）　　

使用:

磁翻板液位计位计可直接用来观察各种容器内介质的液位高度。

它适用于石油、化工等工业领域的液位指示，该液位计结构简单，观察直观、清晰，不堵塞、不渗漏，安装方便，维修简单。

玻璃板液位计上、下端安装法兰与容器相连接构成连通器，透过玻璃板可直接观察到容器内液位的实际高度。

上下阀门装有安全钢珠，当玻璃因意外损坏时，钢珠在容器内压的作用下自动密封，防止容器内液体外溢，并保证操作人员安全。

产品特点：

·高灵敏度（避免面板花脸现象）、宽视窗（便于观看）；　　

·各种液体以及高温、高压、腐蚀性和易燃易爆介质液位的连续测量；　　

·现场指示、信号远传（4~20mA或HART）、一机多能；　　

·显示器以红色指示液位，直观、醒目；　　

·测量范围大、全过程测量无盲区；　　

·显示器与被测介质完全隔离，安全、可靠。

可选配报警器、变送器：

·液位报警器（干簧管）；　　

·液位报警器（微动开关式）；

·液位报警器（隔爆式）；

·液位变送器（本安型）；　

·液位变送器（静压式）；

·UHZ系列顶装浮球（磁浮子、磁翻板液位计）。

安装与维护：

液位计安装必须垂直，以保证浮球组件在主体管内上下运动自如。

液位计主体周围不容许有导磁体靠近否则直接影响液位计工F确工作。

液位计安装完毕后，需要用磁钢进行校正对翻柱导引一次使零位以下显示红色，零位以上显示白色。

液位计投入运行时应先打开下引液管阀门让液体介质平稳进入主体管，避免液体介质带着浮球组件急速上升，而造成翻柱转失灵和乱翻。

若发生此现象待液面平稳后可用磁钢重新校正。

因运输过程中为了不使浮球组件损坏，故出厂前将浮球组件取出液位计主体管外，待液位计安装完毕后，打开底部排污法兰，再将浮球组件重新装入主体管内，注意浮球组件重的一头朝上，不能倒装。

如果在出厂时已经将浮球组件安装在主体管内，为保证运输过程中不伎浮球组件损坏，我们用软卡将浮球组件固定在主体管内，安装时只要将软卡抽出即可。

根据介质情况，可定期找开排污法兰清洗主体管沉淀物质。

如图3.3所示为磁翻转液位计：

图3.3磁翻转液位计

3.1.3电磁流量计

电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同时在电磁流量计上采用CAN现场总线。

属国内首创，技术达到国内领先水平。

如图3.4所示为电磁流量计：

图3.4电磁流量计

工作原理：

电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。

在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。

当有导电介质流过时，则会产生感应电压。

管道内部的两个电极测量产生的感应电压。

测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。

测量原理：

根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度u成正比，如果B，L，u三者互相垂直，则：

　e=Blu（3-35）　　

与此相仿。

在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就切割磁力线.如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势：

e=BD（3-36）　　

式中，为管道截面上的平均流速.由此可得管道的体积流量为：

　qv=（3-37）　

由上式可见，体积流量qv与感应电动势