基于PLC的化工精馏塔控制系

-基于PLC的化工精馏塔控制系统摘要PLC作为在现在工业中应用最多的控制软件，在化工精馏的控制中也起重要作用。PLC具有非常高的可靠性，并且操作简单，编程简单入手，而且随着工业的开展越来越多并且功能强大的PLC已经被开发出来而且应用逐渐走向成熟。对于化工生产中的精馏过程，具有控制因素复杂，要求的控制指标又必须非常准确，各因素及控制过程的联系非常复杂，功能强大编程简单的PLC非常适合精馏过程的控制。在诸多的控制要素中，温度的控制占据着核心地位，因此我的设计主要是选用适宜的PLC，并且选择最能满足工艺要求的过程控制方案来实现化工精馏塔中塔底的温度。我的设计主要任务是是根据一个具体化工精馏塔设计的要求，运用PLC来完成控制。在此设计中要做的具体工作是详细了解精馏塔的工艺过程和它对控制系统的要求，根据精馏塔的要求来进展PLC的选型，过程控制的选择与设计，输入输出量确实定，并且能够画出具体的设计图，还有软件程序的编写。最终要到达的效果是能够编出PLC程序，并且能够在计算机上模拟运行。关键词：化工精馏塔，PLC控制 ，串级控制，PID算法 Chemical Distillation Column Control System Based on PLCAbstract PLC in industrial control software has bee most popular software, also play an important role in chemical distillation control. PLC not only has a very high reliability and simple operation but also has simple programming ways.And with the development of the industry more and more PLC which has huge faction has been developed and gradually gone to mature. For distillation process of chemical production, it has ple* control factors, requirements of the control targets must be very precise, the factors and the control processof contactisveryple*.Accordingto these traits,powerful PLC is suitable for distillation process control. In all control factors, the temperature control occupies the core position, so in my design,my main task is to selectthe suitable PLC, and choose the mostreasonablescheme to realize the chemicalrequirement in the column bottom temperature. In my design,the main task is,according to the requirements of a specific chemical rectification tower design, to use PLC toacplish control. In this design, the specific work I must to do is to get hang of details about distillation process and its requirement for control system.According to the requirement of the rectifying column,to choose the type of PLC as well as the choice of process control and then design the system,to determine points of input and output, and can draw the detailed design drawing, and to writesoftware programs . Finally the effect will be to achieved is to be able to write PLC program, and is able to run on the puter simulation.Key words: Chemical rectification column, PLC control, cascade control, PID algorithm. z.-目 录第一章 绪论11.1 化工精馏塔研究的目的及意义11.2 化工精馏塔的研究现状21.3 设计主要研究内容2第二章 系统总体概述42.1 精馏工艺简介42.2 系统总体构造与设计流程52.3 串级控制系统的选择62.4 PID算法的选择8第三章 硬件的设计103.1 PLC机型及安装方式的选择103.1.1 F*2N-48MR-001 PLC11F*2N-4AD 特殊功能模块123.2 输入输出量确实定123.3 PLC外部构造图133.3.1温度值给定电路133.3.2 温度流量检测电路14 输出控制电路153.3.4 复位电路15第四章 PLC软件设计174.1 编程与通信软件的使用174.2 程序单元设计184.4 控制系统控制程序的开发204.4.1 温度设定204.4.2 A/D转换功能模块的控制程序204.4.3 标度变换程序214.4.4 恒温控制程序PID设计224.4.4 数字触发器程序24第五章 结论25参考文献26谢 辞27附录一 三菱F*系列PLC指令根本指令本系统所涉及)28附录二 三菱F*系列PLC指令功能指令本系统所涉及29附录三 三菱F*系列PLC指令定时器中断标号指针表30附录四 三菱F*系列PLC指令输入中断标号指针表31附录五BFM数据缓冲存储器分布表32附录六 系统程序梯形图34. z.-第一章 绪论精馏塔的根本原理就是化工原料混合物在高温加热的情况下根据各种纯洁物沸点和挥发度的不同来提纯。可见温度在整个精馏过程中必须的维持相对稳定，且应该具有较高的准确度。在整个的精馏过程中最主要的设备就是精馏塔，再沸器，冷凝器，回流泵等也起着辅助作用以将温度，在各种设备的配合中到达精馏产物纯度高，产量稳且多的要求。精馏对于工业生产来说起着举足轻重的作用，但是精馏塔的温度，流量，压力等各因素在这个复杂的系统中却往往得不到很好的控制，所以一直以来精馏塔控制系统的研究一直是化工行业中研究的热点。现在国内外已经针对工业生产中中运用最普遍的PLC控制的精馏塔系统做了很多研究，从PLC的开发到PLC与精馏塔各个设备的结合问题，目前已经相对完善。根本的温度，流量等因素的控制已经能稳定控制。但是所缺乏之处就是PLC的研究与现实生产中的PLC还存在着脱轨现象，而解决这种现象就要要求一是将研究投入到生产，而是需要改善生产系统的设计，使之能够适应PLC的性能。本设计做的就是第二方面，根据精馏塔的要求，来选择最优的设计方案。相对于国内来说，国外精馏系统开展的相比照拟先进。国外现在无论是在塔的处理能力还是塔的处理效率方面都已有了先进的技术，例如他们创造的能增加板的处理面积的将MD塔板的悬挂降液管技术移植到常规板式塔上的技术，另外在PLC的开发方面，现在工业生产中大局部都用一直在不连续更新的西门子系列的PLC。国内也紧跟时代的步伐，不断的将世界上的新技术运用到我国的生产中，并且根据自己的情况在不断地完善，根据实际情况，用科技引领工业使我们国家现在开展工业的宗旨。但是目前的控制系统虽然具有控制精度高和硬件简单的特点，但是很多PLC的强度功能仍然存在着很大的局限性，因此如何进一步将PLC的功能在精馏塔的控制当中还需要做更多的研究。1.1 化工精馏塔研究的目的及意义精馏塔在石化生产作为一个重要的设备被广泛使用。他的角色是加热混合液体使其控制在一定的温度，然后提纯其中的纯洁物。精馏过程是基于每种成分的相对挥发度的不同,别离混合物的各种成分。对于一个正常的精馏塔塔顶和塔底产品必须一个应满足一定纯度,另一个在一定纯度*围内。在上述情况下,保持能源消耗最低。从这个过程监管要求四个方面:(1)质量要求:使塔底和塔顶的纯度一个保证在一个确定的纯度，另一个维持在一定的纯度*围内;(2)处理要求:为了保证稳定高产必须要保证进给速率应该平衡,平稳；(3)物料平衡要求:为了保持物料平衡生产稳定，必须要保证塔釜及溜出液回流罐的液位比拟稳定;(4)约束条件:正常运转的塔,必须满足一些条件,使汽液两相流束应该在一个特定的限制,所以经常设置在顶部的柱底之间的一些压差测量和报警。不仅仅精馏塔需要满足上面的四个需求,而且其他与之相连的的配套设备也要满足这些要求。而且在整个工艺过程中都应该准确的控制响应的因素以满足控制指标的要求。精馏过程是化工生产中的核心过程，而精馏塔的稳定控制更是保证精馏正常进展的重要环节。通过对精馏过程的了解，其需要控制的变量非常多，需要操作的变量也多，而且各个变量之间的耦合方式很复杂，组合方式多。因此要合理的选择所以过程控制系统并且将PLC与精馏塔的控制完美结合，这样才能保证精馏过程的顺利高效运行。1.2 化工精馏塔的研究现状国内外研究趋势根本上是采用西门子系列PLC，目前大局部的PLC已经都具有了精馏塔控制所需要的功能，但是目前国内外的研究似乎都已经到达一个饱和期，很难再有新的突破，再就是，开发PLC的种类比拟多，很多新型比拟成熟的PLC却存在与现在的工业情况接不上轨的情况，因此虽然开发PLC很重要，但是真正将PLC运用到实际的工业生产中还需要将实际的设备与软件结合到一块考虑，鼓励基层工作人员积极的搞研发是很多国家和企业都在着力办的事情。因此精馏塔与现有PLC的适合度已经成为现在研究的热点。1.3 设计主要研究内容随着科学的开展和工业需求的工业自动化解放生产力越来越高。国内的蒸馏控制配套也日趋完善,对于需要的监测点信号的采集，而且也能够在上位机的辅助下检测，从而进展控制整个系统。研究的主要内容是基于自调整PID控制的PLC控制系统设计的蒸馏塔。包括控制系统总体构造、现场总线控制节点的硬件和软件设计和整体控制系统的优化设计。该设计的研究结果是,可以有效的提高科学研究的效率,使精馏过程的智能化,研究内容完整化，与实际使用蒸馏过程系统相比,具有一定的创新控制。第二章 系统总体概述2.1 精馏工艺简介图2-1 精馏塔工艺流程图1如上图2-1所示精馏过程的主要组件有：精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。精馏塔以进料板为线，上面为精馏段，下面为提留段。2精馏过程：一定温度和压力的物料进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐压缩，离开塔顶后全部冷却物料进入回流罐，一局部作为塔顶产物也叫馏出液，另一局部被输入塔内作为回流液。回流液的作用是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体成分一局部被送入塔内作为回流液。回流液的作用是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体成分持稳定，保证精馏过程连续稳定地进展。而重组分在提留段中压缩后，一局部作为塔釜产物也叫残液，一局部则经再沸器升温后送回塔中，为精馏操作提供一定量持续上升的蒸气气流。精馏的本质是将混合物根据各种组分不同的沸点和挥发度，在加热的情况下会在不同的温度下挥发，即保证塔内温度控制在一定的温度*围内，将精馏塔中的混合物气液别离的过程。如果温度控制的不准确，塔底或者塔顶的温度都有较大偏差时，温度过高容易造成过多的物料以气体的形式挥发，温度过低会使塔底的残留物过多，这两种情况都会使物料浪费严重。在了解了精馏塔各局部的作用后一定得，将每一局部的温度都控制准确。精馏塔是化工产物从高压釜中送来的原料在塔中进展轻组分和重组分的别离，收集产品是轻组分。在PLC控制系统的设计中熟悉工艺流程与设备构造是为了确定温度监测点，以及输入输出模块，由下列图可示这个系统的温度监测点较多，输入输出量也较复杂，本设计中会主要对塔底温度来进展设计。2.2 系统总体构造与设计流程该精馏塔的控制变量比拟多，各局部连接也比拟复杂，整个精馏塔的控制系统要选用适合的PLC以满足CPU的响应速度均符合精馏控制系统要求，可以在外在条件差的情况下运行。还要选用适合的温度传感器，以使测温*围适宜，线性度良好。这些在后面的硬件设计中会具体介绍。下列图2-2为PLC控制系统的总体构造图 。图2-2 系统构造图 图2-3 PLC控制系统的设计步骤2.3 串级控制系统的选择由于精馏塔温度的滞后性较明显，具有较大惯性时间常数，如果只是单纯的选择单回路控制回路则无法消除系统的不稳定性，所以现实中采用的是串级控制另外在串级控制主控制器中采用积分别离PID控制的方案。在滞后特性比拟明显，并且增加扰动后系统容易出现震荡的系统串级控制，我们通常采用串级控制系统。串级控制系统是一种对于增加系统的稳定性，完善过程动态特性，等都有着重要作用。对与进入二次回路的扰动变量，串级控制系统能够迅速作出判断，通过反响控制从而快速消除扰动，使系统恢复稳定。总之，在一个复杂的控制过程中，串级控制系统能有效地提高响应频率，增加系统的稳定性，克制系统的扰动。在整个精馏控制过程中对产物的纯度有直接影响的便是塔炉底部的温度，因此就将主要控制参数确定为塔炉底温度，而塔炉底部的温度又直承受进料的温度，流量影响，因此副回路的参数便可确定为蒸汽调控阀门，物料配送管道，原料温度、流量。图2-4为串级控制方框图。图中：F2：为压力，流量等量的变化；F1：为高压釜物料预热，原料流量，原料的温度等扰动。图2-5为精馏塔串级控制系统构造图。图2-4 串级控制系统方框图图2-5串级控制系统构造图1-精馏塔 2-蒸汽加热器串级控制系统有主副两个闭合回路，主副调节器串联工作，相互作用，使系统控制更加稳定。主调节器的输出作为副调节器的给定值，而系统通过通过副调节器的输出控制执行器动作，实现对主被控变量的定值控制。通过主副回路的协调工作，使主被控变量较为准确地限定在工艺要求的*围之内。显然，副回路的补充作用，使串级控制系统的控制品质相对于单回路控制系统显著提高。2.4 PID算法的选择在串级控制系统中主调节器起定值调控作用，且塔底温度要求的浮动*围较小所以必须要采用无误差调节，所以采用PID调节器，对于算法方面，积分别离的PID算法具有计算准确的作用，正好适用于精馏塔温度的调节；对于副回路调节器的选择，应该考虑的到，副回路主要起的作用随动地保证主控参数的控制要求，没有必要做到零误差，因此应该选择P调节器作为副调节器。模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经历，PID的研究已经到达一个比拟高的程度。 比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反响，控制及时，但不能消除余差。 在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进展有效的控制。 在微分控制(D)中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系。微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。防止较大的误差出现，微分控制不能消除余差。 PID控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。虽然PID调节器能够解决控制精度的问题，但是对于精馏塔温度控制的明显的滞后性和较大的惯性常数仍然得不到很好的改善，所以一般的PID控制不能满足要求，所以考虑能够解决这个问题的积分别离PID控制算法。但是在实际的生产中并不是时刻都采用这种方式，因为如果偏差较小还要继续使用积分别离作用的话会造成误差变大，只有在偏差较大时，为了解决扰动过大带来的滞后性过大，并且减小惯性常数才使用积分别离作用。只有这样才能既防止振荡的产生又能保证一定的控制精度。 图2-6 积分别离PID示意图第三章 硬件的设计3.1 PLC机型及安装方式的选择为了顺应工业生产自动化的灵活性与可靠性，根据所要求的功能，容量的大小等方面，各种型号PLC的PLC应运而生。因此,要想将PLC合理的运用到工业生产中，实现经济生产指标的最优化必须要合理的选择PLC的机型。PLC选型的主要原则是功能模块必须符合要求，PLC的容量，电源也要与实际生产相适应，另外也要考虑PLC 的通信功能等方面。另外要想将PLC与实际生产结合的更加合理，必须在遵循PLC选型原则的情况下，也要根据生产的可操作性，合理的选择PLC的构造形式，安装方式等方面，尽量做到机型统一。1从构造来看，PLC主要分为整体式和模块式两种。整体式的主要特点是体积相对较少，价格比拟廉价，主要适用于工艺流程比拟简单的系统；模块式相对于整体式来说，输入输出点数的选择*围比拟广，灵活性比拟好，一般各局部联系复杂的控制系统适合用模块式。由于精馏塔，再沸器，冷凝器等需要联合工作，此系统控制系统比拟复杂，控制变量比拟多，所以选用模块式。2安装方式的选择PLC系统的安装方式，根据传输*围与传输距离的不同分为集中式、远程输入输出式以及多台PLC联网的分布式。集中式的主要特点是：不需要设置驱动远程输入输出硬件,系统的响应速度比拟快，价格相对廉价；远程输入输出式的主要特点是：分布*围广，连线短，但是没有驱动器和远程输入输出电源，一般在比拟复杂的大型系统中比拟常用；多台PLC联网的分布式的主要特点：协调性比拟好，比拟适合多台独立控制的设备联合工作的系统。由于精馏塔，再沸器，冷凝器等需要联合工作所以我们选用PLC联网的分布式,但是此设计中因为主要以一个变量为例来设计所以暂且不需要选择安装方式。3相应的功能要求：对于这个系统来说最主要的功能模块便是PID算法模块，这个就已经确定我们必须选用具有这种功能的中档或高档PLC，对于只具有简单运算功能的小型PLC我们不作考虑，至于具体的型号还要考虑工厂的实际情况。4不同档次的PLC响应速度也有很大的区别，因为PLC控制系统在工业生产中占据着核心地位，所以要想控制系统的控制精度到达生产需要的要求，必须要根据响应速度来选择PLC。在实际的生产中往往会遇到突发事件与需要有附加功能的情况，要及时的处理好这些情况不至于造成大的损失，这还要要求我们对PLC的响应速度要慎重选择，一定要联系工厂实际的可操作性来选择具有适宜响应速度的PLC，可选用选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC,或具有高速输入输出处理功能的PLC等。5增加备用系统或者冗余系统是提高可靠性与平安性最好的方式，但是对于一般的系统，现在大局部的PLC都能满足要求。只有个别的队可靠性性和平安性要求特别高的大型系统，才会考虑用这种方式，毕竟这种方式花费比拟大。6机型尽量统一只有机型统一，才能既充分发挥PLC的功能，又保证设备的正常运行。在选用PLC时考虑下面几个原则：备品备件是否方便采购与管理；PLC的功能使用与设备是否类似，便于工作人员操作；PLC与外设的通信是否通用，便于编程控制。根据设计方案的分析，系统设计需要使用16个输入端口和3个输出端口，另外还需要一个A/D转换器来完成温度采样。在课程学习中，我们学习了三菱的F*系列PLC，因此，选择三菱F*2N-48MR-001根本I/O点数为24和F*2N-4AD特殊功能模块。3.1.1 F*2N-48MR-001 PLCF*2N系列PLC是F*系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。它由根本单元、扩展单元、扩展模块等构成。用户存储器容量可扩展到16K步。I/O点最大可扩展到256点。它有27条根本指令，其根本指令的执行速度超过了很多大型PLC。三菱F*2N48MR PLC，为继电器输出类型，其输入、输出点数皆为是24点，可扩展模块可用的点数为4864,内附8000步RAM。其内部资源如下：1输入继电器*0*27，24点，八进制2输出继电器YY0Y27，24点，八进制3辅助继电器MM0M8255通用辅助继电器M0M4994状态继电器S0S9995定时器TT0T255T0T245为常规定时器6计数器CC0C2557指针P/I见附表三和附表四。8数据存放器DD0D8255D0D199为通用型。3.1.2 F*2N-4AD 特殊功能模块F*2N-4AD为模拟量输入模块,有四个模拟量输入通道分别为CH1、CH2、CH3和CH4，每个通道都可进展A/D转换，将模拟量信号转换成数字量信号，其分辨率为12位。其模拟量输出性能见附表五。另外所有数据转换和参数设置的调整可通过FROM/TO指令完成。同时在编程过程中重点用到了BFM数据缓冲存储器，具体分布情况见附表六所示。在程序设计中通道选择原则如下：在BFM#0中写入十六进制4位数字H*进展A/D模块的初始化，最低位数字控制CH1，最高位数字控制CH4，各位数字的含义如下：*=0时设定输入*围为-10V+10V；*=1时，设定输入*围为+4mA+20mA；*=2时，设定输入*围为-20mA+20mA；*=3时，关断通道。3.2 输入输出量确实定对于化工精馏塔的温度控制也要考虑到各个方面的因素，无论精馏塔本身还是外在环境或多或少的都会影响塔内的温度不稳定性进而影响产物的输出，所以必须监测多个控制量以便于调节塔内温度。如下表3-1为所有的控制对象控制量的统计表。由此表可以看出整个控制系统的控制变量多且复杂，在整个的控制系统中各变量之间关系非常复杂，并且互相联系互相作用，在此设计中只以塔底温度控制为例来介绍控制过程。表3-6输入、输出信号I/O地址表工程地址功能说明输入地址*0电源周波信号输入端*1温度给定允许*2启动/关闭*3实际温度测定*4实际流量测定*10*21SB2SB11输出地址Y0VT1触发脉冲电源正半波Y1VT2触发脉冲电源负半波Y6蒸汽流量阀3.3 PLC外部构造图因为温度对于精馏塔的影响是最大的，此设计是以精馏塔的塔底温度为例来设计一个基于PLC的温度控制系统。 3.3.1温度值给定电路按设计要求，共设计了十个开关按键，作为温度给定值的输入端口，接收十进制数。假设给定值*围为280700。设计电路如图2-1所示：SB1为温度值输入允许，SB2SB11分别表示十进制数09。先按下温度值给定允许开关SB1，然后再输入给定温度值，先按下的数字为高位上的数值，后按下的数字为低位上的数值。比方，先后按下开关SB5、SB2和SB2，则表示给定温度值为300，并送PLC数据存放器保存。图3-1 温度值给定电路3.3.2 温度流量检测电路温度检测是温度控制系统的一个很重要的环节，直接关系到系统性能。在PLC温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换还要将电压转换为数字量送PLC。其一般构造如图2-2所示。温度传感器信号放大器A/DPLC图3-2 温度检测根本构造温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为mA级，需要放大为满足A/D转换要求的电压值。然后送PLC的A/D转换模块进展A/D转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进展标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。流量检测电路原理同温度检测电路一样。流量传感器信号放大器A/DPLC图3-3 流量检测根本构造 输出控制电路图3-4 输出控制电路 3.3.4 复位电路复位电路由一个开关SB12完成开/关功能，当按下开关SB12时系统启动，正常运行，执行任务；当断开SB12时，系统停顿运行，不执行任何任务。设计电路如图2-8所示。图3-5 复位电路第四章 PLC软件设计4.1 编程与通信软件的使用三菱F*系列PLC通信软件名称为F*GWIN，它供对F*0/F*0S、F*1、F*2/F*2C、F*1S、F*1N和 F*2N/F*2NC系列三菱PLC以及监控PLC中各软元件的实时状态。它的运行环境为MS-window3.1或window95以上的版本，其具体应用说明如下。1编程双击图标，即可进入编程环境。首先翻开File文件菜单下的New新文件子菜单，选择F*2N PLC型号，进入程序编制环境。假设想翻开已有文件，翻开File文件菜单下的Open翻开子菜单，选择正确的文件和PLC型号后，按回车键即可。采用梯形图编写程序：翻开View视图菜单，选中Ladder view梯形图子菜单。然后选择View视图菜单中的Tool bar工具栏、Status状态栏、Function bar功能键和Palette功能图四栏。梯形图中的软元件的选择既可通过以上Function bar功能键和Palette功能图完成，也可通过Tool bar工具栏完成。使用Edit编辑菜单下的Cut剪切、Undo撤消键入、Paste粘贴、Copy复制和Delete删除等栏目，可对软元件进展剪切、复制和粘贴等操作。2程序检查。双击Option选项菜单下的Program Check程序检查，进入程序检查环境，即可对程序进展检查，包括三项：检查软元件有无错误、检查输出软元件和检查各回路有无错误。3PLC程序下载正确连接好编程电缆，翻开编程界面的PLC菜单下的Ports(端口设置)选择正确的串行口、传送频率后，按OK。翻开PLC菜单下的transfers-write(写出)，输入程序步数，按确定即可下载程序到PLC上。4PLC运用和停顿 下载完程序，把PLC机上的开关拨向RUN/STOP，或翻开PLC菜单下的Remote Run/Stop(遥控运行/停顿)栏目，即可运行/停顿PLC。5软元件监控翻开Monitor/Test监控/测试菜单下的Entry device monitor进入元件遥控，选择所要的监控的软元件，即可监控各软元件。6程序打印翻开File文件菜单下的Page Setup页面设置子菜单即可进展编程页面设置。翻开File文件菜单下的Printer Setup打印机设置子菜单即可进展打印设置。7退出主程序翻开File文件菜单下的E*it退出子菜单或按右上角的*按键，即可退出主程序。4.2 程序单元设计本设计系统采用三菱F*系列PLC控制。其输入、输出地址表如表3-1所示。另外，内存分配如表4-1所示：表4-1 内存分配表内存器特定意义内存器特定意义D0A/D转换数字量结果D30u(k)D4温度给定值Q0D31u(k-1)D5塔温QD32e(k)D25触发周波数nD33e(k-1)D26晶闸管允许触发标志D34e(k-2)D27采样周期计数器D35D28蒸汽流量D37D100D121数据缓冲区D36D38十键输入指定存储元件4.3 系统程序流程图图4-1 系统程序流程图4.4 控制系统控制程序的开发针对本系统设计的要求，要求控制系统实现确定温度控制的功能，假定精馏塔塔底温度在280700*围内任意设定*10*21输入给定值，经过积分别离PID，并且采用温度流量串级控制调节，实现定温控制。特编写以下主要控制程序。PLC指令见附录一，总程序见附录三。4.4.1 温度设定本设计系统利用十键数字输入指令，设定恒温给定值。程序如图4-1所示。当温度设定允许*1=1时，执行十键输入指令，输入给定温度值，送D38。图4-2读取温度给定4.4.2 A/D转换功能模块的控制程序温度检测硬件电路给定的A/D转换通道号CH2，完成塔温的A/D转换。为了提高抗干扰能力，程序采用了数字滤波措施，滤波方法是取8次输入的平均值作为检测结果。在此过程中设定塔温的模拟量送入F*2N-4AD模块的2#通道CH2。根据三菱公司的用户手册中的模块编号规则，F*2N-4AD直接连PLC 的为0号模块。A/D转换功能的PLC程序如图4-3所示图4-3 A/D转换程序本程序设计以4.8s为一个控制周期，当控制周期到才读取A/D转换结果控制周期计时中断效劳程序I610如图4-4所示。 图4-4 计时中断程序4.4.3 标度变换程序另外针对本次设计所选择的功能模块F*2N-4AD的输入输出特性，有280700经零点迁移后所对应的数字量为02047010V对应的数字量，通过模数转换得到的温度的数字量存入D0，根据此特性，输入数据对应的模拟量应该为数字量占2047的百分比，即实际温度=700-280*数字量/2047+280数字量*21/102+280。从而得到实际的温度的数值而送入D5，同时将所得的余数与0.5所对应的数字量(约等于2)进展比拟，如果大于2，则将D5中的数加一，反之则不变。所得结果再加上280，就完成了对采样温度值的标度变换。标度变换功能的PLC程序如图4-5所示： 图 4-5 标度变换程序流量读取的写法与温度的写法一样，见附录总程序。4.4.4 恒温控制程序PID设计为了减少超调和消除振荡现象，当自由升温小于给定的恒温值10，系统就开场进展恒温控制，恒温控制采用积分别离PID调节。系统的控制算法如下：当塔温Q大于给定恒温值10时可以根据硬件及生产要求作出其他规定这里只是为了方便设计暂定的一个值，这里面的其它数也是一般生产要求最长用的数据。，系统全速升温，令uk=240，240为一个控制周期4.8s的工频电源周波数。当ek5时，进展PID调节。除上述两种情况外，系统均进展PD调节，去掉ek，温度数字调节器程序如图3-6所示。将实际温度D5与设定值D4比拟得到的差值ek存于D32。假设ek大于10，则送240给D31uk；假设ek小于10而大于5时，则进展PD算式运算去掉积分项ek的剩余项。假设ek小于5时则进展PID算式运算。最后保存uk，更新uk-1、ek-1和ek-2以备下次运算。然后将主控制器的输出与副控制器做差输入P调节器，将P调节器的输出送入D30，进而D30中的数据通过外设调节阀门。 图 4-6 温度调节程序4.4.4 数字触发器程序数字触发器程序由两局部组成：准备程序和触发程序。电源在一个控制周期4.8s有240个周波，而uk的最大亦也240，因此，晶闸管在一个控制周期的导通周波数n与控制量uk的关系为n=uk脉冲输出通道要求PLC输出的触发脉冲为正脉冲，故程序先使Y0或Y1由0变1，延时约0.01s后半个周波时间，再将Y0或Y1置0，在Y0或Y1端形一个宽约0.01s的正脉冲。当*2为ON时，将uk送D25作触发周波数n，将其与0比拟，假设n大于0，则置位D26触发允许标志允许触发并将Y0和Y1置1。*0为电源周波信号输入端，当允许晶闸管触发时，当*0的上升沿下降沿到时Y0Y1输出1，延时半个周波时间后Y0Y1输出0，即在Y0Y1端口产生正脉冲去触发晶闸管导通。同时每完成一个周波触发，将D25减1。直到D25为0止。D25为0而采样周期未到D26被清0，系统将不再对晶闸管输出触发脉冲。其程序如图4-7所示。图 4-6 数字脉冲触发程序第五章 结论此设计中主要完成的任务是，在了解PLC的性能与精馏塔的工艺指标后，设计一个PLC控制的温控系统，利用现有的PLC的功能，选择与PLC最符合的过程控制方式，并且根据控制指标的要求，确定最能保证温度稳定控制的输入输出量，编制出程序，是这个设计完成的主要任务。本设计最大的优点是采用了最能保证系统稳定可靠运行的串级控制，采用具有自整定功能的PID模块，并且分情况运用积分别离算法，大大提高了温度控制精度，PLC控制的系统相对于其它设计来说操作相对简单，能够保证温度在生产所需要的*围内。这种基于 PLC 的精馏塔温度控制系统，系统运行稳定可靠，使用及维护简洁方便，可以持久地将温度控制在可靠*围内。该温度控制系统为精馏塔的正常运行创造了良好的条件，提高了设备的效率。参考文献1 *智贤沈永良 自动化仪表与过程控制M 中国电力，20092 廖常初PLC编程及应用 机械工业M，2005,43贾绍义.柴诚敬.化工传递与单元操作课程设计M.*大学,20024王静廉.黄璐.化工设计.*大学M. 19895易泓可. 基于数字PID设计.机械工业M.20046于海生 .微型计算机控制技术清华大学M.20007史国生.电气控制与可编程控制器技术M.：化学工业.20048陈* .可编程序控制器应用技术M.电子工业 .19939 GAO JUNLI, CHEN, DENG. Research of rectification tower temperature control based on DCS. Instrument technique and sensor, 200910 HEWLETT-PACKARD 8175A Digital Signal Generator. Operating and Programming Guide.11 三菱公司编. 三菱F*系列可编程序控制器特殊功能模块用户手册J，200112 三菱公司编. 三菱可编程序控制器应用101例J.1994谢 辞经过这么长时间的努力毕业设计总算告一段落，从刚确定题目时的一头雾水， 到大体了解这个题目需要解决的问题，然后再将问题一个个解决，期间遇到过很多的问题，特别是在PLC的具体操作方面，自己做起来感觉特别吃力，特别的感谢在这期间帮助过我的教师和同学。毕业设计的整个过程也是跟教师和同学交流的过程，积极帮助我的同学，一直指导我们，为我们解答疑惑的教师，这一切都让我感觉到学校带给我的温暖与鼓励。毕业设计的完成也宣告着自己四年大学生活的落幕，但是也昭示着我们必须以更加积极的心态迈向社会。附录一 三菱F*系列PLC指令根本指令本系统所涉及)指令助记符、名称功能指令助记符、名称功能LD取触点运算开场ORB电路块或串联电路块的并联连接LDI取反触点运算开场OUT输出线圈驱动指令LDP取脉冲上升沿检测运算开场SET置位线圈接通保持指令LDF取脉冲下降沿检测运算开场RST复位线圈接通去除指令AND与串联连接MPS进栈运算存储ANDI与非串联连接MRD读栈存储读出OR或并联连接MPP出栈存储读出与复位ORI或非并联连接NOP空操作无动作ANB电路块与并联电路块的串联连接END完毕顺控程序完毕附录二 三菱F*系列PLC指令功能指令本系统所涉及指令分类功能号FNC NO.指令助记符功能程序流程00CJ条件跳转01CALL子程序调用02SRET子程序返回03IRET中断返回04EI中断许可05DI中断制止06FEND主程序完毕指令分类功能号FNC NO.指令助记符功能传送与比拟10CMP比拟11ZCP区域比拟12MOV传送18BCDBCD转换四则逻辑运算20ADDBIN加法21SUBBIN减法22MULBIN乘法23DIVBIN除法24INCBIN加一数据处理40ZRST批次复位外围设备I/O70TKY数字键输入十键73SEGD7段译码78FROMBFM读出79TOBFM写入附录三 三菱F*系列PLC指令定时器中断标号指针表输入编号中断周期ms中断制止特殊辅助继电器I6*在指针名称的*局部中，输入1099的整数。I610为每10ms执行一次定时器中断M8056I7*M8057I8*M8058附录四 三菱F*系列PLC指令输入中断标号指针表输入编号指针编号中断制止特殊辅助继电器上升中断下降中断*0I001I000M8050*1I101I100M8051*2I201I200M8052*3I301I300M8053*4I401I400M8054*5I501I500M8055 注：M8050M8058=0表允许；M8050M8058=1表制止。项 目电压输入电流输入电压或电流输入的选择基于对输入端子的选择，一次可使用4个输入点模拟量输入*围DC ：-10+10V输入电阻200K注意：假设输入电压超过15V，单元会被损坏DC ：-20+20mA输入电阻250注意：假设输入电流超过32mA，单元会被损坏数字输出12位的转换结果以16位二进制补码方式存储-2048+2047分辨率5mV20A总体精度1%对于-10+10V*围1%对于-20+20mA*围转换速度15ms/通道常速6ms/通道高速 模拟量输出性能表附录五BFM数据缓冲存储器分布表BFM编号内容#0通道初始化，缺省值=H0000#1通道1存放采样值14096，用于得到平均结果。缺省值设为8正常速度，高速操作可选择1#2通道2#3通道3#4通道4#5通道1缓冲器#5#8独立存储通道CH1CH4平均输入采样值#6通道2#7通道3#8通道4#9通道1这些缓冲区用于存放每个输入通道读入的当前值BFM编号内容#10通道2#11通道3#12通道4#13#14保存#15选择A/D转换速度设0，则选择正常速度，15ms/通道缺省设1，则选择高度，6ms/通道BFMB7B6B5B4B3B2B1B0#16#19保存#20复位到缺省值和预设，缺省值=0#21制止调整偏差、增益值，缺省值=0，1允许#22偏移，增益调整G4O4G3O3G2O2G1O1#23偏移值，缺省值=0#24增益值，缺省值=5000#25#28保存#29错误状态#30识别码#31不能使用附录六 系统程序梯形图. z.