毕业论文-反应釜的温度控制.doc
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4、计起 迄 日 期:2013年02月25日2013年06月15 日设计地点:安 徽 工 业 大 学、电气信息学院指 导 教 师:章家岩系 主 任:李明河发任务书日期:2013年02月25日毕 业 设 计 任 务 书1毕业设计课题的任务和要求:反应釜生产和消费应用的高速增长期,已广泛应用。化工生产等必不可缺,所以反应釜的温度控制也尤为重要,尤其是恒温阶段,本设计要求 1.介绍控制系统的硬件组成,所采用的控制方案; 2.利用可编程逻辑控制器实现反应釜温度控制; 3.使用组态软件对系统进行组态; 4.监控温度PLC 控制系统的运行情况。2毕业设计课题的具体工作内容(包括原始数据、技术要求、工作要求等)
5、:本系统是以PLC、WinCC为基础,利用PLC实现温度控制系统的设计和应用。设计人员应具备下列知识:1. 以过程控制实验装置中的反应釜温度作为被控对象设计一个控制对象,实现对反应釜温度的恒值控制;2.组态测控界面上,实时设定并显示温度给定值、测量值及控制器输出值;3.实时显示温度给定值实时曲线、温度测量值实时曲线;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.设计的反应釜温度控制系统要能够实现反应釜温度的自动控制,控制作用又快又好,。毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计课题成果的要求包括毕业设计、图纸、实物样品等: 1、毕业设计说明书(包括纸质版和电子版
6、)2、毕业设计说明书应包括英文资料全文及翻译稿,3、必要的程序和电路图。4毕业设计课题工作进度计划:起 迄 日 期工 作 内 容2013年2月25日3月31日4月1日4月30日5月1日6月10日6月11日6月15日6月16日6月20日6月20日6月25日检索并仔细阅读有关技术资料,严格按学校对毕业设计开题报告的要求认真完成毕业设计开题报告;翻译英文资料,原稿和译文要附于论文之后;按毕业论文课题的具体工作内容要求,撰写论文,一定要注意的是论文格式严格按系里的要求完成。指导教师审阅论文的电子稿;严格按要求修改论文,打印装订,评阅老师评阅;论文答辩。学生所在系审查意见:系主任: 年 月 日摘 要温度
7、是工业生产中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。在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变,具有不确定性,因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。反应釜中的温度控制是整个化工生产过程中的核心控制部分之一,它具有温度惯性、大的延迟时间等特性,对过
8、程控制造成非常大的困难。为了达到比较理想的控制效果,经过比较和分析,这里采用西门子公司的S7-300系列PLC设备,配以上位机监控系统,并以PID控制为理论基础,实现对反应釜的温度控制。该系统使用STEP7和Wincc软件进行编程,在仿真器上进行的模拟调试以及利用组态画面进行的试验都获得了成功,可以证明这种方案符合基本工艺需求,是实际可行的,可以为实际操作提供应用参考。关键词:STEP7;反应釜;PID控制;温度控制系统;Wincc监控软件AbstractTemperature is one of common working parameters in industrial producti
9、on, any physical change process is closely related to temperature. In many areas of scientific research and production practice, the temperature control occupies very important position, especially in metallurgy, chemical industry, building materials, food, machinery, petroleum and other industries,
10、 plays a decisive role. Under different production conditions and technological requirements for temperature control, heating mode, fuel, the control scheme is also different. Such as metallurgy, machinery, food, chemical industry etc widely used in all kinds of industrial production of all kinds of
11、 heating furnace,heat treatment furnace,reactor,etc. Fuel is coal gas, natural gas, oil, electricity, etc. The technological process of the temperature control system is complicated and uncertain, so the system requires more advanced control technology and control theory.In the reaction kettle tempe
12、rature control is one of the core control portion of the whole chemical production process, it has the character of inertia, large delay time, temperature on the process control cause great difficulties. To achieve ideal control effect, through comparison and analysis, it adopts Siemens S7-300 serie
13、s PLC equipment, with more than a machine monitoring and control system, and based on the theory of PID control, the realization of the reaction kettle temperature control.The system is edited by STEP7 and WinCC software, the successful of the debug on the simulator and the tests carried out by the
14、configuration screens, can prove that this scheme can meet the demand of basic technology, it is practical, can be reference for practical applications.Key words :PLC,The reaction kettle,PID control,Temperature control system, WINCC monitoring software目 录第一章 绪论81.1 选题的背景81.2 国内外研究现状81.3 发展现状91.4 展望1
15、0第二章 连续搅拌反应釜工艺简介122.1 连续搅拌反应釜的基本结构122.2 连续搅拌反应釜工作原理122.3 连续搅拌反应釜温度控制难点132.4 微机控制系统软件142.5 使用设备14第三章 PID控制方案163.1 PID控制器的应用与发展163.2 PID控制原理163.2.1 PID控制器基本概念163.2.2 PID控制器的参数整定163.2.3 数字PID算法173.2.4 数字PID控制器的控制作用193.3 PID控制器的主要优点213.4 闭环控制系统的概念与特点213.5 反应釜的PID控制方案213.5.1 PLC在PID闭环控制系统中的应用21第四章 系统硬件选择
16、254.1 可编程控制器总体概述254.2 PLC工作原理254.3 PLC组成结构264.4 S7-300简介28第五章 下位机过程系统设计305.1 PLC STEP7编程305.2 SIMATIC S7-300可编程控制器模块选型:335.3 下位机程序设计345.3.1 下位机程序设计35第六章 控制系统上位系统设计376.1 监控画面设计376.1.1 WinCC组态软件介绍376.1.2 WinCC与S7-300之间通讯的实现376.1.3 监控画面的设计386.2 组态WinCC编程386.2.1 PLC通信396.2.2 WinCC与Step7-300通讯406.2.3 Win
17、CC编程50第七章 下位机具体程序与结果分析547.1 反应投料运行程序547.2 反应釜的温度控制程序587.3 结果分析62第八章 总结与展望668.1 总结668.2 展望66参考文献67致 谢68附 录69第一章 绪论1.1 选题的背景石油化工工业是国家经济发展的支柱性产业,反应釜作为化工生产中实现化学反应的主要设备,其自动控制方法的研究具有非常重要的意义。在实际的生产过程中,反应釜的温度决定了产品的产量、质量,有时甚至影响到生产过程中的安全性。因此如何对反应釜内化学反应温度进行精确、有效的控制,显得至关重要。然而,由于温度对象具有非线性、时变不确定、大滞后、受环境温度影响大等特点,目
18、前反应釜内的全过程温度自动控制是重点也是难点。本文的指导思想是PID控制理论,该理论成熟、应用范围广,但相较国外先进的控制思想来说,又过于简单,控制精度有限。不过对于本文中简化的系统,还是可以达到最低工艺要求的。采用改进的PID算法或者将其他算法结合也可以进一步提高控制质量。为了克服聚合釜温度的时间滞后问题,常采用串级PID控制,选取反应釜温度为主要调节对象,夹套内冷却液为副调节对象,构成一个闭环负反馈控制系统。提高控制精度,改善工艺,是工程技术人员一直追求的目标,同时也是整个工业行业的发展趋势、工程学术领域的研究方向。1.2 国内外研究现状自上世纪70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是
19、在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国外温度控制系统发展迅速,并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果,在这方面,以美国、德国、瑞典等国技术领先,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点:(1)适应十大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。(2)能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。(3)能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。(4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术,运用先进的算法,适应的范围广泛。(5)普遍
20、温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术,温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能,它能够根据历史经验及控制对象的变化情况,自动调整相关控制参数,以保证控制效果的最优化。(6)温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。结合温度控制器的发展,多年来,许多学者在反应釜的度控制问题上做了大量的探索并提出一些有效的解决方案。比如:Shinskey与Weinstein提出的双模控制(dual-mode),采用bang-bang+PID控制,其大致步骤为:过程开始时,全力加热,直至反应釜温度距其设定值为t1度,然后全力冷却,持续TD1分钟,此后,将夹套水
21、温设定值定在某个合适的中间温度,持续 TD2 分钟,最后,用串级PID控制器控制夹套水温度。如果参数选择得当,双模控制是有效的。Arthur Jutan与Ashok Uppal提出将反应热作为一种扰动,采用适当的方法估计出来,用前馈控制抵消;余下的部分近似为线性系统,可以用PID控制。Barry与Sandro采用GMC方法控制反应釜温度,得到了很好的仿真结果,并且进一步考察了操作条件与过程参数变动时被控过程的鲁棒性,发现GMC的鲁棒性明显强于双模控制。H.MK.DEBELAK与D.HUNKELER采用模糊控制与PID混合的策略控制间歇放热聚合反应釜的温度,在他们的方法中,模糊控制器的输出用来调
22、整PID控制器的设定值,以补偿反应放热对过程温度造成的扰动;将此方案应用与乳液聚合的试验设备上,发现能明显提高控制性能。此外还有一些研究者采用预测控制解决这一难题,如Nagy与Agachi采用非线性预测控制算法控制间歇PVC聚合釜的温度;Xia等采用基于小波神经网络的预测控制算法控制间歇聚丙烯反应器温度;栗志业等采用基于模型分解的预测控制算法也取得了较好的效果。1.3 发展现状几十年来,化工行业工业自动化技术随着工艺和装备技术的不断发展而发展,从初期简单的手工操作到连续工艺及负荷不断加大,对生产稳定性要求越来越高,对控制及自动化水平的要求也越来越高,仪表使用越来越普遍,从简单回路的闭环控制到单
23、元装置的全面自动化,使用的控制工具也从气动单元组合仪表、电动单元组合仪表到DCS的广泛应用;控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制回路,先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有成功应用的典范。随着工业规模的进一步推广,快速反应、临界稳定工艺、能量综合平衡等工艺的开发成功,对自动化提出了更高的要求。另外,激烈的市场竞争也对自动化提出了新的目标与要求。同时,信息技术对化工行业自动化技术的发展也注入了新的活力。为适应化工生产的新特点,一些过程控制领域中的新技术正在由理论研究转向生产实践,如信息综合处理技术、现场总线控制系统、各种智能控制技术、软计算技术和快速仿真技术、多媒体技术等。过程控制采
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