基于S200PLC的精餾溫度控制系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于PLC的工業(yè)精餾控制系統(tǒng)摘 要精餾是石油、輕工、化工等生產(chǎn)過程中，常常需要將原料、中間產(chǎn)物或粗產(chǎn)品中的組成部分進(jìn)行分離，最常用的方法。精餾分離是根據(jù)溶液中各組分揮發(fā)度或沸點(diǎn)的差異，使各組分得以分離。精餾是化工過程中的核心組成部分，而對(duì)于精餾過程控制來說溫度的控制是重中之重，劇烈的溫度變化會(huì)導(dǎo)致分離組分離提純度降低，對(duì)精餾的效率影響極大，甚至導(dǎo)致精餾塔無(wú)法正常運(yùn)行以及設(shè)備的損壞。本設(shè)計(jì)硬件方面采用了西門子S7-200系列CPU型號(hào)為226的PLC、K型熱電偶和溫度模EM231。熱電偶作為溫度的采集元件，采集的信號(hào)經(jīng)過EM231的處理后就可把數(shù)據(jù)送入PLC中進(jìn)行處理。PLC的程序中采用了位置式

2、PID算法，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。使PID控制更為靈活, 較好地滿足了生產(chǎn)過程的要求。用WINCC上位機(jī)和西門子S7-200 PLC下位機(jī)組成一個(gè)穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)，以達(dá)到溫度控制的目的，初始時(shí)給系統(tǒng)一個(gè)設(shè)定值，一旦溫度偏離設(shè)定值，熱電偶采集到后把溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳遞到PLC中，PLC會(huì)發(fā)出信號(hào)使精餾塔內(nèi)電阻加熱絲，使其增加或減小功率，使溫度達(dá)到設(shè)定值。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了PLC應(yīng)用于精餾塔溫度控制系統(tǒng)的可行性及精確性。關(guān)鍵詞：可編程控制器，溫度控制，WINCC上位機(jī)，PID控制 Industrial distillation tower based on PLC control system

3、 ABSTRACTDistillation is the petroleum, light industry, chemical industry production process, often need to be raw materials, intermediate products or the crude product components were separated, the most commonly used method. Distillation separation is based on the solution of volatile components i

4、n degree or boiling point difference, make each allocated to separate. Distillation is the process of the core components, and for the distillation process control, temperature control is the most important, sharp temperature change causes the separated group separation purity decreasing, the rectif

5、ication efficiency greatly, and even lead to the normal operation of distillation tower and equipment damage. While the PLC has high reliability, easy programming, easy maintenance and other advantages, can be widely used in various control systems, so for the distillation process control special de

6、cided to use PLC to achieve temperature control for distillation system utility. In the rectifying tower temperature system is complicated in structure and accuracy requirements higher characteristic, adopts Siemens S7-200programmable controller PLC on system temperature system. As a result of disti

7、llation column temperature lag time constant and the inertia time constant was bigger, used to separate the single loop feedback control system, easy to cause larger oscillation, so the actual is used in cascade control and cascade control main controller adopts the integral separation PID control s

8、cheme. At the same time, the single parameter fuzzy PID control and programmable controller logic instructions to combine, the PID control more flexible, to better meet the requirements of the production process. Using WINCC PC and Siemens S7-200PLC machine consists of a stable temperature control s

9、ystem, has reached the purpose of temperature control, once the temperature does not reach the set value, monitoring software to monitor out, send a signal to transfer to the PLC for the control of a distillation column motor speed, which increases or decreases the speed, the temperature reaches set

10、 value. The actual operation results showed that PLC is applied to the distillation column temperature control system feasibility and accuracy.KEY WORDS: programmable logic controller，temperature control，WINCC PC， PID control目錄前言1第1章 緒 論21.1精餾塔的發(fā)展過程21.1.1精餾塔簡(jiǎn)介21.1.2精餾塔的發(fā)展過程21.2自動(dòng)化技術(shù)在精餾塔控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。51.2

11、.1自動(dòng)化技術(shù)概況51.2.2精餾過程的控制目標(biāo)51.2.3精餾過程的基本自動(dòng)控制71.3論文選題的目的和意義81.4論文的主要工作和技術(shù)線路91.4.1論文主要工作91.4.2論文技術(shù)路線10第2章 精餾溫控系統(tǒng)工藝流程112.1精餾溫控系統(tǒng)原理112.2溫控系統(tǒng)的工藝流程14第3章 精餾系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)163.1硬件配置163.1.1 PLC的選擇163.1.2 熱電偶193.1.3 EM 231模擬量輸入模塊203.2 I/O分配表和硬件連接圖21第4章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)234.1編程軟件的功能及選用234.2 PID控制算法描述264.3程序流程圖及程序294.3.1程序流程圖294.3

12、.2程序31第5章 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)355.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)35結(jié)論38謝 辭39參考文獻(xiàn)40附錄42外文資料翻譯45前言自從中國(guó)加入WTO后，中國(guó)市場(chǎng)包括石化市場(chǎng)日趨受到國(guó)外的嚴(yán)重沖擊已是當(dāng)今不爭(zhēng)的事實(shí)，然而石化工業(yè)如何適應(yīng)未來這種新的生產(chǎn)局面、參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)成為極為嚴(yán)重的問題，降低加工成本、提高經(jīng)濟(jì)效益、提高產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品已成為當(dāng)今中國(guó)石化工業(yè)面臨的緊要工作。而精餾系統(tǒng)又是石化工業(yè)的重中之重。從精餾設(shè)備的歷史發(fā)展來看，精餾技術(shù)與石油、化學(xué)加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進(jìn)步的發(fā)展關(guān)系。精餾技術(shù)的任何進(jìn)步，都會(huì)極大刺激化學(xué)加工工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，同樣在石油

13、、化學(xué)加工工業(yè)發(fā)展的每一個(gè)歷史階段都會(huì)對(duì)精餾設(shè)備技術(shù)提出更高的要求。然而精餾塔溫度控制系統(tǒng)更是精餾工藝的重要部分。精餾塔溫度控制系統(tǒng)主要由PLC控制程序和WINCC人機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與監(jiān)控。在精餾塔產(chǎn)品的分餾過程中，溫度是一個(gè)最為關(guān)鍵的控制量。當(dāng)塔底溫度過高且塔頂溫度過低時(shí)，過多的原料會(huì)以氣體的形式蒸發(fā)反之，當(dāng)塔底的溫度過低時(shí)，則會(huì)成過多的釜?dú)垼瑢?dǎo)致物料損耗大。國(guó)外精餾系統(tǒng)發(fā)展的相當(dāng)先進(jìn)。國(guó)外新型板式塔的發(fā)展是將MD塔板的懸掛降液管技術(shù)移植到常規(guī)板式塔上，增加了塔板的鼓泡面積，提高了塔設(shè)備的處理能力。在20世紀(jì)80年代初期，國(guó)外開發(fā)了一種超重力精餾分離傳質(zhì)機(jī)器一Higee。這種

14、超重力離心分離機(jī)具有極為優(yōu)良的傳質(zhì)效率和處理能力特性。目前，國(guó)內(nèi)精餾塔設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)一般采用溫控儀+繼電器進(jìn)行控制，雖具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但在控制功能上受到許多限制，如精度差，超調(diào)量大以及無(wú)法實(shí)施綜合控制與監(jiān)控等，因此，很難滿足生產(chǎn)的要求。針對(duì)以上情況，開發(fā)了一種以西門子S7-200 PLC為核心的精餾塔溫度控制系統(tǒng)。該控溫系統(tǒng)具有控溫精度高和硬件簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 第1章 緒 論1.1精餾塔的發(fā)展過程1.1.1精餾塔簡(jiǎn)介精餾塔設(shè)備是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的的設(shè)備之一。它可使氣（或汽）液或液液兩相之間進(jìn)行緊密接觸，達(dá)到相際傳質(zhì)及傳熱的目的。可在塔設(shè)備中完成的常見的單元操作有：精餾、吸收、解

15、吸和萃取等。此外，工業(yè)氣體的冷卻與回收氣體的濕法凈制和干燥，以及兼有氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的增濕、減濕等。從精餾設(shè)備的歷史發(fā)展來看，精餾技術(shù)與石油、化學(xué)加工工業(yè)的發(fā)展是相輔相成、相互刺激、共同進(jìn)步的發(fā)展關(guān)系。精餾技術(shù)的任何進(jìn)步，都會(huì)極大刺激化學(xué)加工工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，同樣在石油、化學(xué)加工工業(yè)發(fā)展的每一個(gè)歷史階段都會(huì)對(duì)精餾設(shè)備技術(shù)提出更高的要求。1.1.2精餾塔的發(fā)展過程塔設(shè)備的廣泛應(yīng)用是伴隨著十九世紀(jì)初期迅猛發(fā)展的煉油工業(yè)，并且隨著煉油和石化企業(yè)的不斷發(fā)展而成為主導(dǎo)的工業(yè)單元操作過程。1階段I: 2050年代：1920年，有溢流的泡罩塔板開始應(yīng)用于煉油工業(yè)，開創(chuàng)了一個(gè)新的煉油時(shí)代。泡罩塔板對(duì)設(shè)計(jì)水平要

16、求不高、對(duì)各類操作的適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)操作控制要求低等特性在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是無(wú)可替代的板型。泡罩塔是1813年Cellier提出的，它在化工生產(chǎn)中一直占有重要的地位。從1832年開始用于釀造工業(yè)，是出現(xiàn)較早并獲得廣泛應(yīng)用的一種塔型。工業(yè)規(guī)模的填料塔始于1881年的蒸餾操作中，1904年才用于煉油工業(yè)，當(dāng)時(shí)的填料是碎磚瓦、小石塊和管子縮節(jié)等。20世紀(jì)初，隨著煉油工業(yè)的發(fā)展和石油化學(xué)工業(yè)的興起，塔設(shè)備開始被廣泛采用，并逐漸積累了有關(guān)設(shè)計(jì)、制造、安裝、操作等方面的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，煉油工業(yè)中多用泡罩塔，無(wú)機(jī)酸堿工業(yè)則以填料塔為主，則篩板塔因當(dāng)時(shí)尚無(wú)精確的設(shè)計(jì)方法和操作經(jīng)驗(yàn)，故未能廣泛使用。2階段II (50

17、70年代)：浮閥塔板的開發(fā) FRI的成立系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法，1955年Monsanto公司的Bolles發(fā)表了著名的“泡罩塔板設(shè)計(jì)手冊(cè)”，首先提出了科學(xué)的、規(guī)范化塔板設(shè)計(jì)技術(shù)，該方法到目前為止仍然廣泛流行。大孔篩板的研究這批新型塔盤的出現(xiàn)，不僅為創(chuàng)建綜合性能更好的塔型打開了思路，而且為接著發(fā)生的設(shè)備大型化后選擇塔型指出了方向。在此期間，許多學(xué)者總結(jié)了塔設(shè)備長(zhǎng)期操作的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)篩板塔作了系統(tǒng)研究，認(rèn)為設(shè)計(jì)合理篩板塔，不僅保留了制造方便、用材省、處理能力大等優(yōu)點(diǎn)，而且操作負(fù)荷在較大范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，仍能保持理想的效率。近年來，隨著對(duì)篩板塔研究工作的不斷深入和設(shè)計(jì)方法的日趨完善，篩板塔已成為生產(chǎn)上最為廣泛

18、采用的塔型之一。3階段III (7090年代)：大型液體分布器的基礎(chǔ)研究，使得填料塔的放大研究成功，在減壓塔中應(yīng)用獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。計(jì)算機(jī)應(yīng)用輔助餾塔放大效應(yīng)的研究，計(jì)算塔板效率精餾過程設(shè)計(jì)。新型高性能浮閥塔板的開發(fā)及應(yīng)用。從20世紀(jì)60年代起，由于化工機(jī)械制造業(yè)成功地解決了高壓離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)密封和高溫高壓廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)等技術(shù)關(guān)鍵，使化肥和石油化工的生產(chǎn)，在能量綜合利用方面提高到一個(gè)新水平，繼而帶動(dòng)了整個(gè)化學(xué)、煉油工業(yè)向大型化方向迅速發(fā)展。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，煉油裝置的年處理能力也達(dá)1000萬(wàn)噸，年產(chǎn)6090萬(wàn)噸的乙烯工廠、60萬(wàn)噸的甲醇工廠、45萬(wàn)噸的氯乙烯工廠、34萬(wàn)噸

19、的低密度聚乙烯工廠、31.5萬(wàn)噸的苯乙烯工廠以及22.5萬(wàn)噸的異丙苯工廠，也將相繼興建。在大型裝置中，塔設(shè)備的單臺(tái)規(guī)模也隨之增大。直徑在10m以上的板式塔時(shí)有出現(xiàn)（如某煉油廠的減壓蒸餾塔塔徑為12.2m，并在醞釀設(shè)計(jì)18m直徑的塔），塔板數(shù)多達(dá)上百塊，塔的高度達(dá)80余米，設(shè)備重量有幾百噸（操作時(shí)的最大塔重可達(dá)1500噸）；填料塔的最大直徑也有15m，塔高達(dá)100m。近年來，由于出現(xiàn)了世界性的能源危機(jī)，暴露出設(shè)備大型化帶來的不容忽視的問題：大型設(shè)備必須保證在全負(fù)荷下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，否則經(jīng)濟(jì)損失將是非常巨大的。在此期間，為了滿足設(shè)備大型化以及化工工藝方面提出的高壓、減壓、高操作彈性等特殊要求，又出現(xiàn)

20、了很多新型塔盤，但按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，仍屬泡罩、篩板、浮閥、舌型等幾種典型塔型的改進(jìn)或相互結(jié)合。4階段IV (80末-至今)：新型高性能塔板的開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用塔板設(shè)計(jì)、開發(fā)更趨于科學(xué)化的方向這一時(shí)期，新型填料也有了較多的發(fā)展。屬于顆粒型填料的有：海佐涅爾（Hydronyl）填料、階梯環(huán)（Cascade mini ring）填料、多角螺旋填料、金屬鞍環(huán)填料（Intalox metal pakcing）、比阿雷茨基環(huán)（Bialecki ring）、萊瓦填料（Levapak）以及它們的改進(jìn)型式。屬于規(guī)整填料的有：蘇采爾填料（Sulzer packing）、重疊式絲網(wǎng)波紋板填料、重疊式金屬波形板填料、格利希柵

21、格填料（Glitsch grid）、格子填料、拉伸金屬板網(wǎng)填料、塑料蜂窩填料、Z形格子填料、Perform噴射式填料和脈沖填料（Impulse packing）等。同時(shí)，還創(chuàng)建了使小球浮動(dòng)萊強(qiáng)化傳質(zhì)的湍球塔1。我國(guó)塔設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。新中國(guó)成立以后，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，陸續(xù)建立了一批現(xiàn)代化的石油化工裝置。隨著這些裝置引進(jìn)的新型塔設(shè)備，不僅在操作、使用這些設(shè)備方面提供了大量的第一手資料，還帶動(dòng)了塔設(shè)備的科研、設(shè)計(jì)工作，加速了這方面的技術(shù)開發(fā)。目前，我國(guó)常用的板式塔型仍為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔和舌形塔等，填料種類除拉西環(huán)、鮑爾環(huán)外，階梯環(huán)以及波紋填料、金屬絲網(wǎng)填料等規(guī)整填料也常

22、采用。近年來，參考國(guó)外塔設(shè)備技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，加強(qiáng)了對(duì)篩板塔的科研工作，提出了斜孔塔和浮動(dòng)噴射塔等新塔型。對(duì)多降液管塔盤、導(dǎo)向篩板、網(wǎng)孔塔盤等，也都作了較多的研究，并推廣應(yīng)用于生產(chǎn)。其他如大孔徑篩板、雙孔徑篩板、穿流式可調(diào)開孔率篩板、浮閥篩板復(fù)合塔盤，以及噴杯塔盤、角鋼塔盤、旋流塔盤、噴旋塔盤、旋葉塔盤等多種塔型和金屬鞍環(huán)填料的流體力學(xué)性能、傳質(zhì)性能和幾何結(jié)構(gòu)等方面的試驗(yàn)工作，也在進(jìn)行，有些已取得了一定的成果或用于生產(chǎn)。1.2自動(dòng)化技術(shù)在精餾塔控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。1.2.1自動(dòng)化技術(shù)概況自動(dòng)化控制技術(shù)是綜合運(yùn)用控制理論、儀器儀表、計(jì)算機(jī)和其他信息技術(shù)，對(duì)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制、優(yōu)化達(dá)到增加

23、產(chǎn)量，提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全的一種綜合性技術(shù)，現(xiàn)已成為衡量化學(xué)工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志是之一。精餾過程一個(gè)非常復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程，其內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，具有較長(zhǎng)死時(shí)延滯、相互關(guān)聯(lián)的多變量系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性分析復(fù)雜且困難,難以進(jìn)行變量配對(duì)，約束條件復(fù)雜，工藝對(duì)控制質(zhì)量提出的要求又較高，這些使其成為過程控制界多年來理論研究和實(shí)踐的熱點(diǎn)，所以自動(dòng)化控制技術(shù)在精餾塔操作過程中的應(yīng)用是極為重要的課題之一。 近20年來，有關(guān)精餾過程的自動(dòng)化控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)大致包括：開發(fā)和應(yīng)用線性多變量控制技術(shù)、自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、推理控制和魯棒控制算法，進(jìn)行精餾塔自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；將非線性控制技術(shù)應(yīng)用于精餾塔的控制；將神

24、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能控制方法應(yīng)用于精餾塔；考慮精餾過程的節(jié)能設(shè)計(jì)，應(yīng)用先進(jìn)控制與優(yōu)化策略實(shí)現(xiàn)精餾塔的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行。此外，人們還開發(fā)出了一些專用或通用的商業(yè)化軟件，應(yīng)用于精餾塔的控制。 1.2.2精餾過程的控制目標(biāo) 精餾過程的控制目標(biāo)是在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，保證總收益最大、成本最小，也就是使塔的回收率最高、能耗最低。精餾過程是在一定約束條件下進(jìn)行的，可從四個(gè)方面來衡量自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用。 1控制產(chǎn)品質(zhì)量 精餾塔的產(chǎn)品質(zhì)量，是指塔頂或塔釜產(chǎn)品的純度要符合要求。通常，滿足一端的產(chǎn)品質(zhì)量，即塔頂（或塔釜）產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定純度，而另一端產(chǎn)品的純度維持在規(guī)定范圍內(nèi)即可。但是，產(chǎn)品組分含量并非越純?cè)胶?/p>

25、，原因是純度越高，對(duì)控制系統(tǒng)的控制精度要求就越高，操作成本的提高和產(chǎn)品的價(jià)格并不成比例增加，因此純度要求應(yīng)與使用要求適應(yīng)。 為此，應(yīng)當(dāng)取塔頂或塔釜的產(chǎn)品質(zhì)量作為被控變量，這樣的控制系統(tǒng)稱為質(zhì)量控制系統(tǒng)，它需要能測(cè)出產(chǎn)品成分的分析儀表。由于目前被測(cè)物料種類繁多，還不能相應(yīng)地生產(chǎn)處多鐘測(cè)量滯后小而又精確的分析儀表。所以，質(zhì)量控制系統(tǒng)目前并不多見，而是通過能間接控制質(zhì)量的溫度控制系統(tǒng)來代替。 2控制精餾塔的物料平衡 控制精餾塔的物料平衡，就是為了保證塔的平穩(wěn)操作，保證進(jìn)出物料平衡，即塔頂、塔釜采出量應(yīng)和進(jìn)料量相平衡，而且兩個(gè)采出量變化要緩慢，保證上下工序之間的協(xié)調(diào)工作。為此，必須對(duì)冷凝液罐（回流罐）

26、與塔釜液位進(jìn)行控制，使其介于規(guī)定上、下限之間?？刂撇僮鞣霞s束條件為了保證正常操作，滿足穩(wěn)定和安全運(yùn)行，需規(guī)定某些參數(shù)的極限值作為約束條件。常用的精餾過程的約束條件有以下幾點(diǎn)： （1）液泛限：是指精餾過程中上升蒸汽速度的最大限。當(dāng)蒸汽上升速度過高時(shí)，造成霧沫夾帶十分嚴(yán)重，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，破壞正常操作。 （2）漏液限：是指精餾過程中上升蒸汽速度的最小限。當(dāng)上升蒸汽速度過低時(shí)，不能托起上層的液相，會(huì)造成漏液現(xiàn)象，精餾操作不能正常進(jìn)行，塔板效率下降。 為了防止液泛現(xiàn)象和漏液現(xiàn)象，可以通過塔壓降或者壓力差來監(jiān)視氣相速度，一般控制氣相速度在液泛附近略小于液泛點(diǎn)比較好。通常在塔頂與塔釜間裝有測(cè)量壓差的儀表，

27、有的還裝有報(bào)警裝置。 （3）壓力限：一般是指最大操作壓力限。就是說塔的操作壓力不能過大，否則會(huì)影響塔內(nèi)汽液平衡，容器的安全無(wú)法保證，嚴(yán)重越限時(shí)甚至?xí)绊懙桨踩a(chǎn)。 （4）正常傳熱臨界溫度限：主要是指再沸器兩側(cè)的溫差限度，當(dāng)這一溫差高于臨界溫差時(shí)，給熱系數(shù)會(huì)急劇下降，傳熱量也會(huì)隨之下降，不能保證塔的正常傳熱需求。同時(shí)，為了保證精餾過程中的需要，也要有合適的回流溫度。 3控制精餾塔平穩(wěn)操作 為了保證塔的平穩(wěn)操作，必須將進(jìn)塔之前的主要可控干擾盡可能的克服，同時(shí)盡可能緩和一些不可控的主要干擾。例如：可設(shè)置進(jìn)料的溫度控制、加熱劑和冷卻劑的壓力控制、進(jìn)料量的均勻控制系統(tǒng)等。控制塔內(nèi)壓力穩(wěn)定，對(duì)精餾過程的

28、平衡操作是十分必要的。 4控制能耗和經(jīng)濟(jì)效益 石油化工的能耗約占全國(guó)工業(yè)總能耗的15%，而精餾過程的能耗要占整個(gè)石油化工行業(yè)總能耗的40%，因此，必須要做好精餾過程的節(jié)能。精餾過程的能量消耗主要是再沸器的加熱量和冷凝器的冷卻量消耗，精餾塔和附屬設(shè)備及管線也要散失一部分能量。 此外，精餾過程必須從經(jīng)濟(jì)效益來衡量，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，能量消耗盡可能要小，經(jīng)濟(jì)效益要盡可能的大2。1.2.3精餾過程的基本自動(dòng)控制1被控變量和操縱變量的配對(duì)選擇精餾過程有多個(gè)被控變量和多個(gè)操縱變量，合理選擇它們的配對(duì)，能有效地減少系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，并能使精餾塔的平穩(wěn)操作。被控變量和操縱變量配對(duì)選擇有三條準(zhǔn)則：（1）當(dāng)只需要

29、控制塔的一端產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)選用物料平衡方式控制該端產(chǎn)品的質(zhì)量。（2）塔兩端產(chǎn)品流量較小者，應(yīng)作為操縱變量去控制塔的產(chǎn)品質(zhì)量。（3）當(dāng)塔兩端產(chǎn)品均需按質(zhì)量控制時(shí)，一般對(duì)含純產(chǎn)品較少、雜質(zhì)較多的一端采用物料平衡方式控制其質(zhì)量，對(duì)含純產(chǎn)品較多、雜質(zhì)較少的一端采用能量平衡方式控制其質(zhì)量。 2精餾過程的控制方案 （1）按產(chǎn)品成分或物性直接控制。利用成分分析器，例如：紅外分析器、色譜儀、密度計(jì)、干點(diǎn)和閃點(diǎn)以及初餾點(diǎn)分析器等，分析出塔頂（或塔釜）的產(chǎn)品成分并作為被控變量，用回流量（或再沸器加熱量）作為控制手段組成成分控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)按產(chǎn)品成分的直接控制。（2）按照溫度間接控制。由于石油化工過程中精餾產(chǎn)品大多數(shù)是

30、碳?xì)浠衔锏耐滴?，在一定塔壓下，溫度與成分之間仍有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，誤差較小。因此，絕大多數(shù)精餾塔在當(dāng)塔壓恒定時(shí)采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)。精餾段和提餾段的溫度控制以產(chǎn)品的質(zhì)量為控制目標(biāo)，根據(jù)溫度檢測(cè)點(diǎn)的位置不同，有塔頂（或塔釜）溫度控制、靈敏板溫度控制和中溫控制等類型。精餾段溫度控制的操縱變量可選擇回流量或塔頂采出量。也可將塔釜采出量作為操縱變量。采用塔頂溫度作為被控變量，能夠直接反映產(chǎn)品質(zhì)量，但因鄰近塔頂處塔板之間的溫度差很小，該控制方案對(duì)溫度檢測(cè)裝置提出較高要求，因此，采用塔頂溫度控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的控制方案很少采用，主要用于石油產(chǎn)品按沸點(diǎn)的粗級(jí)切割餾分處理。提餾段溫度控制的操縱變量可選擇再

31、沸器加熱蒸汽量或塔釜采出量。也可將塔頂采出量作為操縱變量，但應(yīng)用較少?？刂撇呗耘c精餾段溫度控制類似。 （3）按照溫差間接控制。采用溫差作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接變量，是為了消除塔壓波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。精密精餾時(shí)，用溫度作為被控變量就能很好地代表產(chǎn)品的成分，溫度的變化可能是成分和壓力兩個(gè)變量都變化的結(jié)果。可以在塔頂（或塔釜）附近的一塊塔板上檢測(cè)出該板溫度，再在靈敏板上也檢測(cè)出溫度，由于壓力波動(dòng)對(duì)每塊塔板的溫度影響是基本相同的，只要將上述檢測(cè)到的兩個(gè)溫度相減，壓力的影響就消除了3。1.3論文選題的目的和意義精餾塔是化工生產(chǎn)中分離互溶液體混合物的典型分離設(shè)備。它是依據(jù)精餾原理對(duì)液體進(jìn)行分離，即在一定壓

32、力下，利用互溶液體混合物各組分的沸點(diǎn)或飽和蒸汽壓不同，使輕組份（即沸點(diǎn)較低或飽和蒸汽壓較高的組分）汽化。經(jīng)多次部分液相汽化和部分氣相冷凝，使氣相中的輕組分和液相中的重組分濃度逐漸升高，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的，滿足化工連續(xù)化生產(chǎn)的需要。精餾塔塔釜溫度控制的穩(wěn)定與否直接決定了精餾塔的分離質(zhì)量和分離效果，控制精餾塔的塔釜溫度是保證產(chǎn)品高效分離，進(jìn)一步得到高純度產(chǎn)品的重要手段。維持正常的塔釜溫度，可以避免輕組分流失，提高物料的回收率，也可減少殘余物料的污染作用。影響精餾塔溫度不穩(wěn)定的因素主要是來自外界來的干擾（如進(jìn)料流量，溫度及成分等的變化對(duì)溫度的影響）。一般情況下精餾塔塔釜的溫度，我們是通過控制精餾塔釜

33、內(nèi)靈敏板的溫度來控制的。靈敏板是當(dāng)外界條件或負(fù)荷改變時(shí)精餾塔內(nèi)溫度變化最靈敏的一塊塔板。以往調(diào)節(jié)只是采用靈敏板溫度調(diào)節(jié)器單一回路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)反應(yīng)慢，時(shí)間滯后，對(duì)精餾操作而言，產(chǎn)品的純度很難保證。精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的對(duì)象，它由很多級(jí)塔板組成，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，對(duì)控制要求又大多較高。這些都給自動(dòng)控制帶來一定的困難。同時(shí)各塔工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有千差萬(wàn)別，這需要深入分析特性，結(jié)合具體塔的特點(diǎn)，進(jìn)行自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)和研究。精餾塔的控制最終目標(biāo)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使總收益最大。在這個(gè)情況為了更好實(shí)現(xiàn)精餾的目標(biāo)就有了提餾段溫度控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。國(guó)外精餾系統(tǒng)發(fā)展的相當(dāng)先進(jìn)。國(guó)外新型板

34、式塔的發(fā)展是將MD塔板懸掛降液管技術(shù)移植到常規(guī)板式塔上，增加了塔板的鼓泡面積，提高了塔設(shè)備的處理能力。在20世紀(jì)80年代初期，國(guó)外開發(fā)了一種超重力精餾分離傳質(zhì)機(jī)器一Higee。這種超重力離心分離機(jī)具有極為優(yōu)良的傳質(zhì)效率和處理能力特性。目前, 國(guó)內(nèi)精餾塔設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)一般采用溫控儀+ 繼電器進(jìn)行控制, 雖具有價(jià)格優(yōu)勢(shì), 但在控制功能上受到許多限制, 如精度差、超調(diào)量大以及無(wú)法實(shí)施綜合控制與監(jiān)控等, 因此, 很難滿足生產(chǎn)的要求。針對(duì)以上情況, 開發(fā)了一種以西門子S7-200 PLC為核心的精餾塔溫度控制系統(tǒng)。該控溫系統(tǒng)具有控溫精度高和硬件簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。1.4論文的主要工作和技術(shù)線路1.4.1論文

35、主要工作精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過程，內(nèi)在機(jī)理較為復(fù)雜、動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩、變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對(duì)控制的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個(gè)極為重要的課題。我們此次設(shè)計(jì)就是要設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔溫度的控制系統(tǒng)。要求當(dāng)物料進(jìn)入精餾塔時(shí)，塔釜的溫度可控并且溫度恒定，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。論文的主要工作包括：1進(jìn)行精餾溫度控制系統(tǒng)的總體方案的制定。2進(jìn)行精餾溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。3進(jìn)行精餾溫度控制系統(tǒng)的算法的研究。4進(jìn)行精餾溫度控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的研究。1.4.2論文技術(shù)路線1PLC技術(shù)PLC技術(shù)可編程控制器（Programmable Logical Contro

36、ller）簡(jiǎn)稱PLC，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，從最初的邏輯控制、順序控制，發(fā)展為具有邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信及PID回路調(diào)節(jié)等功能的現(xiàn)代PLC。它具有可靠性高、模塊化組合靈活、功能強(qiáng)、編程方便、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單以及運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。由于它具有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱（即PLC、機(jī)器人和CAD/CAM）之一。2現(xiàn)場(chǎng)總

37、線技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和美國(guó)儀表協(xié)會(huì)(ISA)的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信?，F(xiàn)場(chǎng)總線使數(shù)字通信總線一直延伸到現(xiàn)場(chǎng)儀表4。3組態(tài)軟件技術(shù) 組態(tài)軟件技術(shù)監(jiān)控軟件選取西門子公司的SIMATIC WINCC6.0組態(tài)軟件。通過MPI方式與PLC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)不間斷的數(shù)字信息傳輸。能監(jiān)控工業(yè)流程和各個(gè)量的變化，及時(shí)作出調(diào)整以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)。第2章 精餾溫控系統(tǒng)工藝流程2.1精餾溫控系統(tǒng)原理混合物的分離是化工生產(chǎn)中的重要過程?；旌衔锟煞譃榉蔷辔锵岛途辔锵怠７蔷辔锵档?/p>

38、分離主要依靠質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與流體流動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)分離。而化工中遇到的大多是均相混合物，例如，石油是由許多碳?xì)浠衔锝M成的液相混合物，空氣是由氧氣、氮?dú)獾冉M成的氣相混合物。均相物系的分離條件是必須造成一個(gè)兩相物系，然后依據(jù)物系中不同組分間某種物性的差異，使其中某個(gè)組分或某些組分從一相向另一相轉(zhuǎn)移，以達(dá)到分離的目的。精餾是分離液體混合物的典型單元操作，它是通過加熱造成氣、液兩相物系，利用物系中各組分揮發(fā)度不同的特性以實(shí)現(xiàn)分離的目的。通常，將低沸點(diǎn)的組分稱為易揮發(fā)組分，高的稱為難揮發(fā)組分。 根據(jù)精餾原理可知，單有精餾塔還不能完成精餾操作，必須同時(shí)有塔底再沸器和塔頂冷凝器，有時(shí)還要配原料液預(yù)熱器、回流液泵等附屬

39、設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作。再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流，冷凝器的作用是提供塔頂液相產(chǎn)品及保證有適宜的液相回流，因而使精餾能連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行。精餾分離是根據(jù)溶液中各組分揮發(fā)度（或沸點(diǎn)）的差異，使各組分得以分離。其中較易揮發(fā)的稱為易揮發(fā)組分（或輕組分），較難揮發(fā)的稱為難揮發(fā)組分（或重組分）。它通過汽、液兩相的直接接觸，使易揮發(fā)組分由液相向汽相傳遞，難揮發(fā)組分由汽相向液相傳遞，是汽、液兩相之間的傳遞過程?，F(xiàn)取第n板（如下圖）為例來分析精餾過程和原理。圖2-1 第N板質(zhì)量和熱量衡算圖塔板的形式有多種，最簡(jiǎn)單的一種是板上有許多小孔（稱篩板塔），每層板上都裝有降液管，來自下一層（n+1層）的蒸汽通過板

40、上的小孔上升，而上一層（n-1層）來的液體通過降液管流到第n板上，在第n板上汽液兩相密切接觸，進(jìn)行熱量和質(zhì)量的交換。進(jìn)、出第n板的物流有四種：1由第n-1板溢流下來的液體量為ln-1，其組成為n-1，溫度為tn-1。2由第n板上升的蒸汽量為Vn，組成為yn，溫度為tn。3從第n板溢流下去的液體量為L(zhǎng)n，組成為xn，溫度為tn。4由第n+1板上升的蒸汽量為Vn+1，組成為yn+1，溫度為tn+1。 因此，當(dāng)組成為xn-1的液體及組成為yn+1的蒸汽同時(shí)進(jìn)入第n板，由于存在溫度差和濃度差，汽液兩相在第n板上密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱的結(jié)果會(huì)使離開第n 板的汽液兩相平衡（如果為理論板，則離開第n板的汽液

41、兩相成平衡），若汽液兩相在板上的接觸時(shí)間長(zhǎng)，接觸比較充分，那么離開該板的汽液兩相相互平衡，通常稱這種板為理論板（yn，xn成平衡）。精餾塔中每層板上都進(jìn)行著與上述相似的過程，其結(jié)果是上升蒸汽中易揮發(fā)組分濃度逐漸增高，而下降的液體中難揮發(fā)組分越來越濃，只要塔內(nèi)有足夠多的塔板數(shù)，就可使混合物達(dá)到所要求的分離純度（共沸情況除外）。加料板把精餾塔分為二段，加料板以上的塔，即塔上半部完成了上升蒸汽的精制，即除去其中的難揮發(fā)組分，因而稱為精餾段。加料板以下（包括加料板）的塔，即塔的下半部完成了下降液體中難揮發(fā)組分的提濃，除去了易揮發(fā)組分，因而稱為提餾段。一個(gè)完整的精餾塔應(yīng)包括精餾段和提餾段。 精餾段操作方

42、程為： （式2-1）提餾段操作方程為： （式2-2） 其中，R為操作回流比，F(xiàn)為進(jìn)料摩爾流率，W為釜液摩爾流率，L為提餾段下降液體的摩爾流率，q為進(jìn)料的熱狀態(tài)參數(shù)，部分回流時(shí)，進(jìn)料熱狀況參數(shù)的計(jì)算式為： （式2-3）式中 tF進(jìn)料溫度，。tBP進(jìn)料的泡點(diǎn)溫度，。Cpm進(jìn)料液體在平均溫度（tF + tBP）/2下的比熱，J/（mol ）。rm進(jìn)料液體在其組成和泡點(diǎn)溫度下的汽化熱， J/mol。Cpm=Cp1M1x1+Cp2M2x2 （式2-4） rm=r1M1x1+r2M2x2 （式2-5）式中Cp1，Cp2分別為純組份1和組份2在平均溫度下的比熱容，kJ/（kg）。r1，r2分別為純組份1和組

43、份2在泡點(diǎn)溫度下的汽化熱，kJ/kg。M1，M2分別為純組份1和組份2的摩爾質(zhì)量，kg/kmol。x1，x2分別為純組份1和組份2在進(jìn)料中的摩爾分率。精餾操作涉及氣、液兩相間的傳熱和傳質(zhì)過程。塔板上兩相間的傳熱速率和傳質(zhì)速率不僅取決于物系的性質(zhì)和操作條件，而且還與塔板結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此它們很難用簡(jiǎn)單方程加以描述。引入理論板的概念，可使問題簡(jiǎn)化。 所謂理論板，是指在其上氣、液兩相都充分混合，且傳熱和傳質(zhì)過程阻力為零的理想化塔板。因此不論進(jìn)入理論板的氣、液兩相組成如何，離開該板時(shí)氣、液兩相達(dá)到平衡狀態(tài)，即兩溫度相等，組成互相平衡。 實(shí)際上，由于板上氣、液兩相接觸面積和接觸時(shí)間是有限的，因此在任何形式的

44、塔板上，氣、液兩相難以達(dá)到平衡狀態(tài)，即理論板是不存在的。理論板僅用作衡量實(shí)際板分離效率的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。通常，在精餾計(jì)算中，先求得理論板數(shù)，然后利用塔板效率予以修正，即求得實(shí)際板數(shù)。引入理論板的概念，對(duì)精餾過程的分析和計(jì)算是十分有用的5。對(duì)于二元物系，如已知其汽液平衡數(shù)據(jù)，則根據(jù)精餾塔的原料液組成，進(jìn)料熱狀況，操作回流比及塔頂餾出液組成，塔底釜液組成可由圖解法或逐板計(jì)算法求出該塔的理論板數(shù)NT。按照下式可以得到總板效率ET，其中NP為實(shí)際塔板數(shù)。 （式2-6）2.2溫控系統(tǒng)的工藝流程精餾過程的實(shí)質(zhì)是利用混合物中各組分具有不同的揮發(fā)度，即同一溫度下各組分的蒸汽分壓不同，使液相中輕組分轉(zhuǎn)移到氣相，氣相

45、中的重組分轉(zhuǎn)移到液相，實(shí)現(xiàn)組分的分離。塔底的控溫精度對(duì)分餾的效果有最直接的影響，塔底溫度高、塔頂溫度低時(shí)，過多的原料會(huì)以氣體的形式蒸發(fā)，當(dāng)塔底的溫度過低時(shí)，會(huì)形成過多的釜?dú)?，物料損耗大。其工藝流程圖如下所示。圖2-2 精餾系統(tǒng)的工藝流程圖精餾塔的控制系統(tǒng)要求具有實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，還要具有歷史數(shù)據(jù)的記錄。為了便于運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的對(duì)比和故障后問題的分析判斷，要將相關(guān)數(shù)據(jù)形成歷史趨勢(shì)?？刂葡到y(tǒng)也要有較高的傳輸速率和刷新頻率，來確保數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)性。于是選用WINCC來進(jìn)行上位監(jiān)控畫面的制作，通過MPI方式與PLC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)不間斷的數(shù)據(jù)傳輸如下圖所示。圖2-3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖第3章 精餾系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3

46、.1硬件配置 溫度控制系統(tǒng)的主要硬件組成：帶有WINCC和有STEP7Micro軟件的計(jì)算機(jī)、PLC、PROFIBUS數(shù)據(jù)線、塔內(nèi)加熱絲。如下面是本次系統(tǒng)的硬件構(gòu)造圖。圖3-1 系統(tǒng)硬件構(gòu)造圖3.1.1 PLC的選擇廣義上的可編程序控制器簡(jiǎn)稱PLC，狹義上的PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)計(jì)數(shù)等的指令，并通過輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC由硬件部分和軟件兩部分組成，硬件部分由輸入模塊，CPU模塊，輸出模塊、編程器這四部分組成。PLC的優(yōu)點(diǎn)：1可靠性高抗干擾能力強(qiáng)2配套齊全功能完善實(shí)用性強(qiáng)3易

47、學(xué)易用深受工程技術(shù)人員歡迎4系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維修方便，容易改造5體積小，重量輕，能耗低PLC的應(yīng)用領(lǐng)域：1開關(guān)量的邏輯控制2模擬量的控制3運(yùn)動(dòng)控制4過程控制5數(shù)據(jù)處理6通訊及聯(lián)網(wǎng)PLC的硬件結(jié)構(gòu)1CPU模塊由CPU和存儲(chǔ)器組成存儲(chǔ)器又包括：（1）隨機(jī)存儲(chǔ)器（讀/寫存儲(chǔ)器）RAM。其作用是存放用戶程序，其特點(diǎn)具有易失性。（2）只讀存儲(chǔ)器ROM。其作用是存放系統(tǒng)程序，其特點(diǎn)具有非易失性。（3）可以電擦出可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM。其作用是存放用戶程序，其特點(diǎn)是具有非易失性。2輸入模塊I 包括直流輸入型和交流輸入型3輸出模塊O包括繼電器輸出型模塊、雙向晶閘管輸出型模塊、晶體管輸出型模塊4

48、編程器指電腦CPU的軟件結(jié)構(gòu)是指PLC的編程語(yǔ)言其編程語(yǔ)言包括梯形圖、指令表（S7-200中的編程語(yǔ)言）、順序功能圖（S7-200和S7-300中的編程語(yǔ)言）等6。PLC的工作原理由于PLC以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方，若有鍵按下或有I/O變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無(wú)則繼續(xù)掃描等待。PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周

49、而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。掃描周期的長(zhǎng)短主要取決于以下幾個(gè)因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時(shí)間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個(gè)掃描周期主要可分為3個(gè)階段7。1. 輸入階段在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。2程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄

50、存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入（出）刷新階段。3輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成PLC一個(gè)工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個(gè)階段統(tǒng)稱為I/O刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測(cè)（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)”，一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行8。PLC的工作模

51、式包括:（1）RUN（運(yùn)行）模式，（2）STOP（停止）模式（1）PLC的RUN工作模式： 圖3-2 PLC的RUN工作模式 （2）PLC的STOP工作模式： 圖3-3 PLC的STOP工作模式S7-200系列PLC是SIEMENS公司新推出的一種小型PLC。它以緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴(kuò)展性、強(qiáng)大的指令功能、低廉的價(jià)格，已經(jīng)成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。S7-200PLC包含了一個(gè)單獨(dú)的S7-200CPU和各種可選擇的擴(kuò)展模塊，可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c(diǎn)上到幾百點(diǎn)。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)-PLC網(wǎng)絡(luò)，從而完成規(guī)模更大的工程。S

52、7-200的編程軟件STEP7-Micro/WIN32可以方便地在Windows環(huán)境下對(duì)PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控，使得PLC的編程更加方便、快捷。可以說，S7-200可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。S7-200有四種CPU，其性能差異很大。這些性能直接影響到PLC的控制規(guī)模和PLC系統(tǒng)的配置9。目前S7-200系列PLC主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四種。檔次最低的是CPU221，其數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)有6點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)有4點(diǎn)，是控制規(guī)模最小的PLC。檔次最高的應(yīng)屬CPU226，CPU226集成了24點(diǎn)輸入16點(diǎn)輸出，共有40個(gè)數(shù)字量I/O?？蛇B接七個(gè)擴(kuò)展模塊

53、，最大擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O。本次設(shè)計(jì)選用的是CPU22610。3.1.2 熱電偶熱電偶是一種感溫元件，直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱動(dòng)勢(shì)信號(hào)。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型

54、熱電偶。本論文才用的是K型熱電偶。3.1.3 EM 231模擬量輸入模塊傳感器檢測(cè)到溫度轉(zhuǎn)換成041mv的電壓信號(hào)，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送入PLC中進(jìn)行處理。在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個(gè)方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(hào)(80mV范圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是相同類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊需要用戶通過DIP開關(guān)進(jìn)行選擇的有：熱電偶的類型、斷線檢查、測(cè)量單位、冷端補(bǔ)償和開路故障方向，用戶可以很方便地通過位于模塊下

55、部的組態(tài)DIP開關(guān)進(jìn)行以上選擇，如圖3-2所示。本設(shè)計(jì)采用的是K型熱電偶，結(jié)合其他的需要，我們?cè)O(shè)置DIP開關(guān)為。對(duì)于EM231 4TC模塊，SW1SW3用于選擇熱電偶類型，見表3-1 。SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測(cè)方向，SW6用于選擇是否進(jìn)行斷線檢測(cè)，SW7用于選擇測(cè)量單位，SW8用于選擇是否進(jìn)行冷端補(bǔ)償，見表3-2。為了使DIP開關(guān)設(shè)置起作用，用戶需要給PLC的電源斷電再通電。表3-1 熱電偶類型選擇熱電偶類型SWISW2SW3J（默認(rèn)）000K001T010E011R100S101N110+/-80mv111表3-2 熱電偶其他設(shè)置DIP開關(guān)功能開/關(guān)狀態(tài)SW5熔斷方向正向標(biāo)定0

56、負(fù)定方向1SW6斷線啟動(dòng)斷線測(cè)量電流0禁止斷線測(cè)量電流1SW7測(cè)量單位攝氏0華氏1SW8冷端啟用冷端補(bǔ)償啟用0冷端補(bǔ)償禁止13.2 I/O分配表和硬件連接圖PLC采用的是的S7-200，CPU是226系列，采用了5個(gè)燈來顯示過程的狀態(tài)，分別是運(yùn)行燈，停止燈，溫度正常燈，溫度過高（過低）燈，和加熱燈，可以通過5個(gè)燈的開關(guān)狀況判斷精餾塔內(nèi)的大概情況。K型傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)塔內(nèi)的溫度，把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。根據(jù)PID輸出值來控制下一個(gè)周期內(nèi)（10s）內(nèi)的加熱時(shí)間和非加熱時(shí)間。在加熱時(shí)間內(nèi)使得繼電器接通，那精餾塔就可處于加熱狀態(tài)，反之則停止加熱。I/O分配表如下所示,硬件連接圖如下。表3-3 I/O分配表地址名稱功能I0.1啟動(dòng)按扭按下開關(guān)，設(shè)備開始運(yùn)行I0.2開關(guān)按鈕按下開關(guān)，設(shè)備停止運(yùn)行I0.3保護(hù)按鈕按下開關(guān)，終止加熱Q0.1運(yùn)行燈燈亮表示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)Q0.2停止燈燈亮表示設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)Q0.3溫度狀態(tài)指