高壓水洗提純自動控制系統(tǒng)畢業(yè)設計_說明

1、. . . . 畢業(yè)設計報告(論文) 高壓水洗提純自動控制系統(tǒng)所屬系 化工與制藥工程系 專 業(yè) 化學工程與工藝 學 號 06111205 姓名 冬 燕 指導教師 世 品 起訖日期 2015.1 - 2015.6 設計地點 東南大學成賢學院 22 / 27東南大學成賢學院畢業(yè)設計報告（論文）誠 信 承 諾本人承諾所呈交的畢業(yè)設計報告（論文）與取得的成果是在導師指導下完成，引用他人成果的部分均已列出參考文獻。如論文涉與任何知識產(chǎn)權(quán)糾紛，本人將承擔一切責任。學生簽名： 日期：高壓水洗提純自動控制系統(tǒng)摘要沼氣提純有吸收法、變壓吸附法、低溫冷凝法和膜分離方法四種方法可以實現(xiàn)。我國對于沼氣的利用率還不是特

2、別高，而高壓水洗沼氣提純工藝尚處于起步階段。文章選用高壓水洗吸收法提純沼氣。利用Aspen plus設計高壓水洗的整套流程圖并對塔進行模擬計算，通過計算算出進水量、進氣量、塔壓、水位等參數(shù)，再通過計算出的控制參數(shù)利用西門子PLC軟件進行程序設計，采用PID控制算法進行編程，以充分提高沼氣中甲烷的含量。關(guān)鍵詞：沼氣提純；高壓水洗；aspen plus；西門子PLC；PID控制The Automatic Control System of Purifying by High Pressure Water WashingAbstractThe four ways for biogas purific

3、ation is absorption、PSA、cryocondensation law and membrane separation processes. For the utilization of biogas is not particularly high in the China and high pressure washing biogas purification technology is still in its infancy. This article choose high-pressure water absorption purified biogas. As

4、pen plus is used to desgin the entire flow chart of the high pressure washing biogas and tower simulation. When calculate the amount of water、intake air 、pressure of the tower、the water level and other parameters, I will use Siemens PLC design automatic control system.I use PID control algorithm con

5、trol the sysiem in order to fully enhance the methane content of the biogas,then improve the utilization of methane.Key words: Biogas purification;High pressure washing;Aspen plus;Siemens PLC;PID controling目錄摘要I關(guān)鍵詞I第一章 引言1第二章 沼氣提純裝置2第三章 提純設計33.1吸收塔裝置33.2 閃蒸罐裝置43.3 解吸塔裝置4第四章 仿真分析64.1 工藝參數(shù)64.2 結(jié)果討論6第五

6、章 自動控制簡介85.1 自動控制設計思路85.2PLC簡介85.2.1 可編程控制器概念85.2.2 可編程控制器的工作原理95.2.3 PID控制算法105.3 MCGS簡介125.3.1 MCGS組態(tài)軟件的概述125.3.2 MCGS組態(tài)軟件分析12第六章 自動控制方案設計146.1 流量PID控制邏輯圖156.1.2 PID梯形圖176.2 MCGS設計19結(jié)論23鳴24參考文獻25第一章 引言沼氣屬于一種生物質(zhì)能源，它通過人畜糞便、污水處理、有機廢物厭氧發(fā)酵處理、高濃度有機廢水厭氧降解處理、垃圾填埋等過程。沼氣相對于石油、煤炭等常規(guī)性能源具有節(jié)能減排、成本低、緩解溫室效應、可再生性等

7、優(yōu)點。在此背景下，通過提升沼氣中的甲烷含量使之達到天然氣標準要求的沼氣提純1技術(shù)成為一種有前景的發(fā)展方向。由于現(xiàn)如今的石油、煤炭等能源緊缺，市場價格不穩(wěn)，對環(huán)境的污染大，而沼氣具有節(jié)能減排、可再生、成本低等優(yōu)點，所以國進一步加快推進了對于沼氣工程的進程?，F(xiàn)如今，我國已經(jīng)擁有大大小小的沼氣工程將近七萬多處，而現(xiàn)有的生活污水處理沼氣有將近十九萬處，其中受益人群達1.5億之多。在幾年前的國的沼氣主要來源有污糞處理、工業(yè)廢水、生活污水，而現(xiàn)如今國沼氣開始來源于秸稈沼氣化、城市生活垃圾等其他領(lǐng)域。沼氣的利用也開始從單一的生活用氣發(fā)展到汽車燃料等方面。雖然國沼氣的發(fā)展迅速，但是國外對于沼氣的利用更加明顯，

8、美國在九十年代的時候已經(jīng)開始實施沼氣埋地計劃，二十一世紀初，國外某些汽車公司開始施行埋地氣體利用計劃，他們將埋于地下的甲烷與廢油混合生產(chǎn)汽車燃料。而美國電力公司也在二十一世紀初將沼氣發(fā)電投入運營。尼泊爾農(nóng)村從二十世紀五十年代開始使用沼氣作為燃料，迄今為止成千上萬的家庭都在使用沼氣。在這么多國家中，德國的沼氣建設在世界上應該算是發(fā)展最快的國家之一，在德國，他們非常重視綠色能源的建設，單單是沼氣建設，據(jù)不完全統(tǒng)計，在2010年的時候德國就已經(jīng)有多大400萬戶的居民在使用沼氣生產(chǎn)出來的電能，德國在多個方面實現(xiàn)對沼氣的利用。如天然氣方面，德國已經(jīng)率先實現(xiàn)了將提純的沼氣注入天然氣管網(wǎng)中的技術(shù)。德國在沼氣

9、建設方面已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)一體化，從沼氣生產(chǎn)、提純以與實使用，每一步都達到了規(guī)模化的發(fā)展。在2010年，僅薩克森州的清潔能源使用已經(jīng)占總能源利用的15%。德國沼氣建設方面已經(jīng)形成了市場，并且他們的沼氣生產(chǎn)技術(shù)還在不斷地發(fā)展。對于現(xiàn)如今的沼氣發(fā)展趨勢，沼氣成為人類主要的能源之一已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，因此沼氣提純技術(shù)具有很大的發(fā)展前景。沼氣提純有多種方法，如吸收法，膜分離方法等等。其中變壓吸附法在沼氣提純中應該屬于應用較為廣泛的一種方法，首先變壓吸附法是一種比較方便簡單的方法，其次它的科技水平低，其所需的成本低，能耗小，并且提純效率高。但是在我國，這種技術(shù)還不是相當?shù)某墒?，國對于變壓吸附法的發(fā)展不

10、如國外迅速。其實變壓吸附法并不僅僅應用于沼氣提純，它廣泛應用于各種氣體提純，比如制氧、制氮，而他尤其廣泛應用于制氧方面，我國對于變壓吸附法制氧取得了初步的發(fā)展，我國的變壓吸附制氧設備已經(jīng)初步達到了系列化。在國外，變壓吸附法在國外已經(jīng)得到迅速的發(fā)展，尤其在日本，日本使用變壓吸附法制氧已經(jīng)取得了突破性的成就，日本三菱公司已經(jīng)建成了世界上最大的變壓吸附制氧設備。德國對于這種方法也得到了進展性的突破。第二章 沼氣提純裝置由于上述的變壓吸附法的各種優(yōu)點，因此在本文中我重點介紹變壓吸附法。而在變壓吸附法中，我采用高壓水洗法來對沼氣進行提純。高壓水洗法采用水來吸收沼氣中的二氧化碳，通過控制出氣流量控制壓力，

11、由于此種方法流程簡單、成本低、能耗低，因此是一種實際可行的方法。高壓水洗沼氣是通過在高壓條件下利用CO2和H2S在水中的溶解度高，而CH4在水中的溶解度低的特點，來提高沼氣中甲烷的濃度3。我利用aspen plus設計整個高壓水洗的工藝流程，并計算出流程中進水流量、進氣流量、吸收塔壓、水位等，分析工藝條件對甲烷純度的影響。如下圖所示，我使用aspen plus設計整套工藝流程，原料氣與原料水分別從塔底和塔頂進入吸收塔，水由塔頂進入吸收罐后與從塔底進入的原料氣進行逆流接觸進行吸收。對由塔頂出來的產(chǎn)品氣進行收集，而塔底出來的廢水中含有部分甲烷，所以通入閃蒸罐進行閃蒸，閃蒸罐塔頂?shù)漠a(chǎn)品氣與原料氣混合

12、繼續(xù)進行吸收以減少損失，而塔底的廢水繼續(xù)通入解吸塔塔頂，并在解吸塔塔底通空氣，兩者逆流接觸從而將廢水中的氣體排出，由塔頂出來的尾氣排空，而塔底出來的水部分回流進原料水中繼續(xù)參與循環(huán)4。產(chǎn)品氣解吸塔閃蒸罐吸收塔沼氣水圖2.1高壓水洗工藝示意圖第三章 提純設計3.1吸收塔裝置圖3.1 吸收塔裝置如圖3.1所示為吸收塔裝置，原料水與原料氣分別從塔頂與塔底進入吸收塔，通過控制進水與進氣的流量來保證水對二氧化碳的吸收最充分；其次，若塔壓力過大，會使水對甲烷的吸收量增加影響吸收效率，而壓力過小會造成水對甲烷的吸收不充分，所以要通過控制出口氣流量來控制塔的壓降，以提高吸收效率。在這個裝置中我采用瓷鮑爾環(huán)作為

13、填充物來填滿整個塔。填料塔的應用是為了增加水和沼氣的接觸面積，延長水與沼氣的接觸時間，而是用瓷鮑爾環(huán)是因為它的阻力小、分離的效率高，并且成本相對較低。瓷鮑爾環(huán)現(xiàn)已廣泛應用于化工、環(huán)保等各個行業(yè)，而且瓷鮑爾環(huán)的使用時間相對較長，它是在彌補以前的填料缺點的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出來的，能廣泛應用于吸收塔、洗滌塔等多種設備中，并且對環(huán)境的污染小，是一種實際可行的材料。而在塔沼氣的吸收流程是當塔底的廢水通過排出口排出時，塔的產(chǎn)品氣會由于水的向下流動被部分帶出出氣口，所以在塔底處要設置一個液封裝置以保證產(chǎn)品氣不會被泄露影響產(chǎn)率，但是同時也要控制液封水位的高度，來防止因水位過高堵塞進氣口而造成原料氣回流損壞壓縮機。此

14、塔中塔頂出來的產(chǎn)品氣進行收集，而塔底出來的廢水則通入閃蒸罐中進行下一步處理。3.2 閃蒸罐裝置圖3.2 閃蒸罐裝置閃蒸罐是利用壓力與沸點變化實現(xiàn)對物質(zhì)的分離。當原料進入閃蒸罐之前先通過減壓閥，使其壓力降低，但是物質(zhì)的沸點會隨著壓力的降低而降低，因此當減完壓的原料在進入閃蒸罐的瞬間會因為閃蒸罐的溫度高于其沸點而發(fā)生瞬間氣化從而達到分離。閃蒸罐是一種在化工行業(yè)中很常見的設備，它對于海水提純，干燥方面應用廣泛。如圖3.2所示為閃蒸罐裝置，在吸收塔裝置中所流出來的廢水中由于含有少量的甲烷，為了防止造成不必要的浪費，提高產(chǎn)率，降低成本，要對廢水中甲烷進行回收，所以對吸收塔中出來的廢水繼續(xù)通入閃蒸罐中進行

15、閃蒸。通過降低閃蒸罐中的壓降以達到廢水中甲烷與水的分離。在此閃蒸罐中同樣需要對罐壓與水位進行控制來保證甲烷的產(chǎn)率。此塔中塔頂出來的產(chǎn)品氣與原料氣混合繼續(xù)參與循環(huán)，而塔底出來的廢液則通入解吸塔中繼續(xù)下一步處理。3.3 解吸塔裝置解吸塔是將物質(zhì)中的氣相與液相分離的設備，它通過降低壓力來降低氣相在液相中的溶解度以達到分離的效果。它是應用很廣泛普遍的一種設備，是一種常見的分離設備，它成本低、能耗低，在化工分離行業(yè)得到廣泛的應用。如圖3.3所示為解吸塔裝置，根據(jù)流程的用水情況，單程水洗需要大量的水，因此是為了節(jié)約水成本，實現(xiàn)水的循環(huán)利用，需要對廢水實現(xiàn)再生，所以廢水需要通入解吸塔進行解吸。為了加快解吸的

16、速率，所以要在解吸塔塔底通入空氣進行解吸。解吸塔的塔壓水位與吸收塔一樣一樣的方式進行控制，而由塔頂出來的尾氣進行排空，而塔底出來的水一部分與原料水進行混合繼續(xù)參與循環(huán)，另一部分排出。圖3.3 解吸塔裝置第四章 仿真分析4.1 工藝參數(shù)在本設計中我采用aspen plus 進行整個設計的計算。Aspen plus是應用于化工等各個行業(yè)的大型流程模擬系軟件它是在二十世紀七十年代由美國所研發(fā)的，它在化工行業(yè)被廣泛應用，應為它具有世上最全的物性系統(tǒng)。在設計工藝流程時，使用aspen plus能準確模擬流程中的各個參數(shù)，其效率高，應用廣泛，是舉世公認的標準大型模擬軟件5。由于CO2-CH4-H2S-H2

17、O體系6的實驗難度大，國外對于這個的實驗報道很少。在aspen plus中有許多模型，而在整個流程中，我采用NRTL模型進行熱力學性質(zhì)計算。NRTL（non-random two liquid）方程為溶液理論中非隨機（局部）雙液體模型方程。對于吸收塔，我選用radfrac的吸收塔，對于原料水流量我設置為250mol/h,壓力為0.5Mp；原料氣流量設置為50mol/h，壓力設置為0.5Mpa,進料沼氣組成為CO2：0.50，CH4：0.499，H2S：0.001；吸收壓力為0.8Mpa；閃蒸壓力為0.5Mpa；解吸壓力為0.3Mpa，解吸塔中的空氣通入量為134.4mol/h。以吸收塔為例，首

18、先塔頂進水，塔底進氣，塔板數(shù)我設為10，水從第一塊塔板進料，氣體從第十塊塔板進料，塔選擇瓷鮑爾環(huán)作為填料，理論塔板高度設為3.08米，塔壓設為0.8Mpa。4.2 結(jié)果討論實驗流程結(jié)果1234567H2O2500253.7980.0680.157253.7090.068CO2025036.9146.92929.98711.914CH4024.95028.60824.0274.5813.658H2S00.0500.0600.060.01AIR000.18700.187008910111213H2O253.6410.443253.19803.798249.4CO218.07218.0410.032

19、000.031CH40.9230.9230000H2S0.050.0420.008000.008AIR0121.9112.49134.40.18712.302表4.1 實驗流程計算結(jié)果如表4.1所示是利用aspen plus模擬計算出來的的實驗數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)圖中可以看出，1號2號分別是進水線與進氣線，5號線為產(chǎn)品氣線，利用這套模擬裝置所計算出來的產(chǎn)率為96%。氣體中甲烷的含量由原來的0.499提高到了0.77。第五章 自動控制簡介5.1 自動控制設計思路通過使用aspen plus進行模擬計算得到各個參數(shù)包括進料流量、塔壓、水位等各個參數(shù)的數(shù)值后，利用這些數(shù)值將設計出整套流程的自動控制系統(tǒng)來大大

20、提高高壓水洗的效率。對于整體流程，我采用西門子PLC可編程控制器來設計整體自動控制系統(tǒng)，在選用具體的PLC編程軟件中，我選用西門子S7-200作為編程軟件，對于流量、壓力、液位等各個參數(shù)中，我具體使用PID算法來控制，利用PID控制能更快速、穩(wěn)定、準確的達到參數(shù)值，PID控制又稱比例積分微分控制7。再次過程中，我使用MCGS對整個過程進行監(jiān)控，觀察系統(tǒng)運行的狀況，然后通過PID控制，是系統(tǒng)能達到最穩(wěn)定的狀態(tài)。5.2PLC簡介5.2.1 可編程控制器概念可編程控制器簡稱PLC，它是一種使用數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是在工業(yè)環(huán)境下專門設計出來的一種軟件?？删幊炭刂破鞯膽孟喈攺V泛，影響大，是現(xiàn)代工業(yè)

21、自動化的主要設備之一?？删幊炭刂破鳜F(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應用在自控行業(yè)的各個領(lǐng)域?？删幊炭刂破魇怯脕磉M行編程的一個軟件，它是用來執(zhí)行程序口令的運算以與控制，執(zhí)行口令進行計算定是等，并通過數(shù)字模擬的輸入或者輸出端口，控制各種類型的機械設備或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破髟谧詣踊袠I(yè)運用非常廣泛，他的運算速度相當快，運算結(jié)果準確，并且它的體積小，重量輕，能耗也特別的低，其在未來的工業(yè)發(fā)展中的應用將會越來越廣泛8，隨著自動化行業(yè)的興起，可編程控制器將會是一個極具發(fā)展前景的控制器。如圖5.1所示為可編程控制器的部結(jié)構(gòu)示意圖：1. 中央處理單元(CPU)中央處理器屬于可編程控制器的控制中樞，在可編程控制器中扮演著重要

22、的角色，它接受并存儲用戶輸入的編程與數(shù)據(jù)，并且診斷系統(tǒng)中的語言錯誤以與電源故障等問題，接受設備掃描輸入的數(shù)據(jù)，進行用戶所規(guī)定的邏輯運算等功能。圖5.1 PLC部結(jié)構(gòu)2. 存儲器存儲器是用來存放各種系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)的地方；用戶程序存儲器是存放PLC用戶程序應用;存儲器用來存儲系統(tǒng)讀入、運行狀態(tài)等各種數(shù)據(jù)。3. 輸入輸出接口（I/O模塊）PLC的輸入輸出接口是讀入數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)的接口，輸入接口通過各種行程開關(guān)、磁性開關(guān)、模擬量等輸入數(shù)據(jù)，通過電機、氣缸等執(zhí)行元件進行數(shù)據(jù)輸出。4. 通信接口通信接口是PLC與外部設備進行通信的接口。通信接口的形式多樣，最基本的有UBS,RS-232,RS-422/RS-

23、485等的標準串行接口。5. 電源電源是給PLC提供電源的裝置，它在可編程控制器中起著重要的作用。它用來將外部供電電源轉(zhuǎn)變成供PLC部的CPU、存儲器和I/O接口等電路工作所需要的直流電9。5.2.2 可編程控制器的工作原理圖5.2 PLC程序執(zhí)行過程如上圖5.2所示，可編程控制器是通過數(shù)據(jù)掃描的方式進行數(shù)據(jù)輸入的，接著數(shù)據(jù)輸入后存進緩存寄存器，然后進行程序執(zhí)行，通過讀寫的方式將數(shù)據(jù)存入部緩存寄存器，然后輸出所存電器，再輸出端子刷新，接著輸出數(shù)據(jù)。其程序執(zhí)行過程可以分為輸入處理、程序處理、輸出處理三個階段：1） 輸入處理在輸入處理階斷，可編程控制器將掃描的所有的輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)一次存入映像區(qū)的相

24、應的單元。它是采用掃描的方式進行數(shù)據(jù)的輸入的。而他所輸入的數(shù)據(jù)屬于脈沖信號，因此其寬度必須大于一個掃描周期，在此情況下，所有的輸入就都能被讀入。2）程序處理在程序處理階段，PLC總是總是采用自上而下的方式用用戶程序進行掃描的。當掃描每一個梯形圖的時候，又總是從梯形圖的左側(cè)的控制線路開始掃描，并且它總是按先左后右、先上后下的順序?qū)刂凭€路進行邏輯運算然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，對處于系統(tǒng)存儲區(qū)的邏輯線圈的狀態(tài)進行刷新處理；或者對I/O印象去的對應的位置的輸出線圈進行刷新處理；以與決定程序特殊功能指令是否需要執(zhí)行。在執(zhí)行用戶功能程序的時候，只有在映像區(qū)的輸入點的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化。而其他在映像區(qū)以

25、與存儲區(qū)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)可能會發(fā)生變化。而且排在梯形圖上面的執(zhí)行結(jié)果會對下面的可能會用到這些線圈或數(shù)據(jù)的起作用；相反，排在梯形圖下面的已經(jīng)被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能在下一個掃描周期的時候上面的程序起到作用。3） 輸出處理當結(jié)束程序處理階段后，PLC開始實現(xiàn)輸出處理。在輸出處理期間，中央處理器按照映像區(qū)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)對所有的電路進行刷新處理，然后通過相應的輸出處理控制相應的外部設備?？删幊炭刂破鲬撍闶钦麄€自動控制系統(tǒng)的核心，它需要完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出以與控制外部設備等工作。因此我們在選擇可編程控制器時，需要考慮可編程控制器是否具有豐富的語言指令、是否能與時實施數(shù)據(jù)處理、是否準確處理

26、數(shù)據(jù)快速有效地對外部設備輸出控制信息等。因此依據(jù)以上選擇條件，我選用西門子PLC S7-200作為我的可編程控制器。S7-200型PLC具有價格低廉，操作簡單，性價比高等優(yōu)點，是現(xiàn)如今小型控制系統(tǒng)比較適用的一款軟件。西門子公司的PLC具有較高的可靠性，對外通訊簡單可擴展性好，它所涵蓋的語言指令豐富?？梢院唵蔚倪B上計算機，多自控系統(tǒng)實現(xiàn)檢測控制。5.2.3 PID控制算法在實際的自控操作中，PID算法是一種運用最為廣泛的算法，它對于控制流量、壓力、溫度等都具有非常好的效果。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量來進行控制的10。圖5.3 PID控制系統(tǒng)原理圖如上圖5.3所

27、示的是PID控制的原理圖，上述系統(tǒng)主要由被控對象和PID控制組成。作為一種線性控制，它控制偏差e(t)通過設定值r(t)以與實際的輸出值y(t)進行構(gòu)成，通過線性組合將偏差按照比例、積分和微分的方式來構(gòu)成控制量u(t)，對被控對象進行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系可描述為：式中：e(t)=r(t)-u(t)，Kp為比例放大系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)、Td為微分時間常數(shù)。1） 比例（P）控制比例控制是為了讓控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)能與時成比例地反應，一旦系統(tǒng)產(chǎn)生偏差，調(diào)節(jié)器將立即與系統(tǒng)產(chǎn)生比例的控制作用，以減小偏差。雖然比例控制反應很快，但是對某些系統(tǒng)來說，可能會存在某些穩(wěn)態(tài)誤差，加大比例系數(shù)Kp

28、 ，雖然系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，但是穩(wěn)定性可能變差。2） 積分（I）控制為了能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，所以引入了積分作用，為了降低系統(tǒng)誤差，來保證對于設定值的無誤差設定，假設系統(tǒng)已經(jīng)處于閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，此時的系統(tǒng)輸出值和誤差量的值保持固定不變。由比例積分微分控制公式可知，只有在動態(tài)誤差e(t)=0的情況下，控制器才能輸出常數(shù)。所以，從原理上看，只要當動態(tài)誤差存在于控制系統(tǒng)，積分調(diào)節(jié)就產(chǎn)生作用，直到?jīng)]有誤差時積分作用才會停止，此時積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。3） 微分（D）控制為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應的速度引用了微分控制。對于反應系統(tǒng)偏差變化素的大小，以與偏差變化的方向，微分控制能起到作用，因此能產(chǎn)生超前的

29、控制作用。直觀來說，微分作用就是在系統(tǒng)的誤差還沒有形成之前，他就已經(jīng)把誤差給去除了。所以，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。5.3 MCGS簡介5.3.1 MCGS組態(tài)軟件的概述MCGS組態(tài)軟件具有動畫顯示、流程模擬、實時監(jiān)控等功能，它可以與可編程控制器進行通信，對組態(tài)流程進行實時監(jiān)控。MCGS擁有龐大的元件庫，它已逐漸成為工業(yè)自動化靈魂11。5.3.2 MCGS組態(tài)軟件分析MCGS中文組態(tài)軟件是用來對工業(yè)流程實現(xiàn)控制和實時監(jiān)測的軟件。它有如下功能：1） 動畫圖像顯示:MCGS可以在Windows環(huán)境下使用，利用MCGS所提供的元件庫進行流程組態(tài)，并利用其編程語言功能以與運用簡單的狀態(tài)特征參數(shù)設

30、置動畫連接，可以做出較逼真并且直觀的動態(tài)顯示效果。2） 實時數(shù)據(jù)庫：實時數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)運行的核心，它可以對流程中的數(shù)據(jù)進行處理、交換，它可以連接設備中的如開關(guān)量、模擬量或者新建部變量。MCGS將實時數(shù)據(jù)庫作為一個對象，而外部設備通過這個對象對MCGS實施控制。3） 嵌腳本語言：MCGS擁有自身的腳本語言，通過使用其嵌的腳本語言，可以使模擬的流程達到我們所想要的效果，當某些流程所顯示的方式難以用常規(guī)的組態(tài)方法實現(xiàn)時，可以使用嵌的腳本語言來實現(xiàn)。嵌的腳本語言從形式上看有點像Basic語言。它的語句編程比較簡單，容易實現(xiàn)。4） 開放式的設備管理功能12：MCGS對設備采用了開放式的處理結(jié)構(gòu)，在實際

31、進行組態(tài)時，可以隨時添加設備零件，可以在不更改前面天驕的零件的基礎(chǔ)上隨意添加，不用更改整個系統(tǒng)，這樣就能充分減少不必要的時間與精力的浪費。這種只需要設置單個設備性能，無需更改整個系統(tǒng)流程的有點，對于開發(fā)者快速開發(fā)設備流程，實現(xiàn)設備連接提供了巨大的便利。5） 完善的安全機制：MCGS為軟件使用者提供了密碼保護，這極大程度上保證了軟件的安全，一定程度上保護了開發(fā)者的重要信息。它為不同的用戶設定了不同的操作權(quán)限。6） 多樣化的報警功能：MCGS能提供各種各樣的警報方式，并且他擁有各種各樣的報報警方式以與報警方案。而且它的報警設置相當簡單，在進行報警處理后，用戶可以根據(jù)需要對報警過程實施保存并打印。報

32、警功能的設置為為現(xiàn)場提供了必要的安全保障。7） 多媒體畫面13：MCGS具有設置圖像畫面、生成報表和設置曲線等多種功能，為流程監(jiān)控，實時掌握流程的變化提供了各種便利；通過設置圖片格式、大小、形式，顏色的變化，圖像的明暗閃爍等來改變圖像的動態(tài)效果；通過點故意圖像屬性，使用編程語言來實現(xiàn)流程的動畫效果。8） 設立對象元件庫14，MCGS擁有龐大的元件對象庫，MCGS元件庫擁有開關(guān)、反應器、電動機等涉與化工、電氣、冶金等多個行業(yè)的各種元件設備，涵蓋量廣，每個元件屬性簡單，對于操作要求限制少，使用起來方便易懂。MCGS組態(tài)軟件具有強大的功能，并且它操作簡單，方便易學，通過MCGS組態(tài)軟件可以避開復雜的

33、硬件問題，創(chuàng)建出安全穩(wěn)定的組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，并且使用它實行起來成本低，安全機制高，具有很高度的專業(yè)性。MCGS系統(tǒng)擁有運行環(huán)境和組態(tài)環(huán)境兩個部分15。組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，它幫助用戶設計和過構(gòu)造自己的應用系統(tǒng)。運行環(huán)境是一個獨立的系統(tǒng)，運行環(huán)境實在組態(tài)環(huán)境已經(jīng)生成的情況下進行流程運行的系統(tǒng)。運行環(huán)境本身并沒有任何意義，但是在連接數(shù)據(jù)庫后，它就能實時模擬流程的運行，對于流程中的每個細微環(huán)節(jié)都能實時模擬并能給出相應的執(zhí)行解釋，完美運算結(jié)果。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫屬于組態(tài)環(huán)境與運行環(huán)境的中間環(huán)節(jié)16，它們之間的關(guān)系如圖5.4所示：圖5.4 MCGS的構(gòu)成第六章 自動控制方案設計本次設計中，我以原料水

34、流量自動控制設計為例，使用西門子s7-200進行編程。PLC通過模擬量I/O模塊，實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的實數(shù)與整數(shù)轉(zhuǎn)換，并對模擬量進行閉環(huán)PID控制。系統(tǒng)主要的任務是實現(xiàn)管道流量的恒定，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸和監(jiān)控。由電動執(zhí)行器、PLC、流量變送器和開關(guān)一起組成PLC的流量控制系統(tǒng)形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為：1） 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)為一個電動閥門，它通過電動執(zhí)行器改變閥門的開賭，以達到控制管道水流量的目的。2） 信號檢測機構(gòu)：在統(tǒng)統(tǒng)控制的過程中，需要對水流量的信號進行檢測，此時就用到流量變送器，流量變送器屬于系統(tǒng)的信號檢測機構(gòu)，它將管

35、道中的水流量檢測后送入PLC，而這個信號屬于模擬信號，在送入之后需要進行模擬與數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換17。3） 控制機構(gòu)：當信號檢測完畢后，就需要進行控制，而系統(tǒng)中的控制器與電動執(zhí)行器便是系統(tǒng)的控制機構(gòu)?？刂破魇钦麄€流量控制系統(tǒng)的核心?？刂破髦苯訉艿乐械牧髁窟M行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、研究控制方案，然后將方案輸給電動執(zhí)行器，進而電動閥給出相應的處理方案的動作，進而控制流量18。圖6.1 控制系統(tǒng)流程圖如上圖所示為水流量的控制流程圖，水經(jīng)過管道流向吸收塔期間，管道的流量變送器測出水的流量，將水流量轉(zhuǎn)換成4-20ma的電流信號輸入PLC，PLC將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過PID運算后，將信號傳送到電動執(zhí)行器

36、中，通過執(zhí)行器控制閥門開度，以達到控制流量的效果。水流量的控制流程如下：1） 首先在系統(tǒng)通電之后，在收到中控室發(fā)出的啟動信號，系統(tǒng)首先打開電動閥門，通過事先設置好的誰的流量來決定閥門的開度。2） 但管道水的流量變大時，流量變送器檢測到水流量變小信號，它將此信號送回中控室，中控室在收到信號時，向電動執(zhí)行閥發(fā)出閥門開大的信號，此時電動閥門關(guān)小流量變小回歸設定值；當水流量變小時，電動閥門開大，流量回歸設定值。6.1 流量PID控制邏輯圖流量PID控制程序分為三個部分，每部分如下圖所示：1. 主程序調(diào)用模塊如下圖所示：圖6.2 主程序調(diào)用模塊2.主程序調(diào)用子程序0，如下圖所示：圖6.3 主程序調(diào)用子程

37、序03. 中斷子程序模塊圖6.4 中斷子程序模塊6.1.2 PID梯形圖1） 主程序部分圖6.5 主程序2） 子程序SBR_0圖6.6 SBR_03） 中斷程序INT_0部分圖6.7 中斷程序INT_0部分6.2 MCGS設計由于沒有實物，無法與我所做的PLC進行通信，所以我利用MCGS的動畫功能簡單地做了一個高壓水洗的動畫仿真。動畫由主界面、液位棒圖、實時曲線與報警畫面組成。1）主界面圖6.8 MCGS動畫主界面如上圖6.8所示是我利用MCGS做的動畫的主界面，按照aspen plus的流程，設計出了整個動畫流程。三個塔的液位波動采用以時間為變量的正弦波動，液位控制在20%60%之間。2）

38、液位棒圖圖6.9 液位棒圖如上圖6.9所示是關(guān)于各個塔的液位變動情況，液位1是吸收塔的液位變動情況，液位2是解吸塔的液位變動情況，液位3是閃蒸罐的液位變動情況。三條棒圖均隨著相應的塔的液位的變化而變化，通過觀察液位棒圖的變動情況，我們可以實時的了解各個塔的液位變動情況。3） 實時曲線圖6.10實時曲線如上圖6.10所示為整個工藝流程中關(guān)于塔液位的實時曲線，利用實時曲線可以清楚地觀察到塔液位的波動情況。通過觀察實時曲線的波動狀況，我可以實時掌握液位的狀況，以隨時應對緊急狀況的發(fā)生。4） 報警畫面圖6.11 報警畫面如圖6.11所示為吸收塔的液位報警系統(tǒng)，當液位過低時，系統(tǒng)會顯示報警，同樣當液位過

39、高時，系統(tǒng)也會提醒報警。當設置了報警系統(tǒng)后，流量變送器是用于過程操作的，流量開關(guān)是用于安全聯(lián)鎖的，在到達警報液位時，系統(tǒng)進行報警處理同時流量開關(guān)進行相應操作，如果因某些原因（如相關(guān)設備有故障等）液位還是繼續(xù)變動，可以進行手動操作從而減小財產(chǎn)損失。一樣地，在有實物操作的情況下也可以對塔的壓力、液體的流量進行警報操作。通過報警系統(tǒng)能大大減小設備損壞的風險。結(jié)論本設計針對高壓水洗沼氣系統(tǒng)，設計開發(fā)了一套基于aspen plus與PLC的自動控制系統(tǒng)。通過高壓水洗以與自動控制以最大程度的提高沼氣中甲烷的純度。實驗結(jié)果中甲烷的進料與出料比為97%。產(chǎn)品氣中甲烷的含量是77%，原料氣中甲烷含量為49.9%

40、,提高了沼氣的純度。利用aspen plus通過不斷更改水流量、沼氣流量等參數(shù)計算出在提純效率最高的水流量、沼氣流量等參數(shù)。實驗結(jié)果得出最高的提純率為97%。以調(diào)節(jié)水流量為例，通過利用PLC軟件中的PID模塊設計自動控制的編程，利用電動執(zhí)行器作為調(diào)節(jié)器來控制閥門的開度，以達到調(diào)節(jié)水流量的效果。通過這種方法所得到的調(diào)節(jié)效果更加準確，接著利用PLC于MCGS的通信將流程通過MCGS直觀的表現(xiàn)出來。本文的主要工作如下：（1）利用aspen plus設計流程，計算最佳吸收的參數(shù)。（2）通過利用Aspen plus模擬的參數(shù)使用PLC進行編程，實現(xiàn)對各個參數(shù)的自動控制。（3）使用MCGS設計動畫畫面，與PLC通信對系統(tǒng)進行監(jiān)控。本次畢設由于沒有實物，所以我所設計出來的自控流程還有很大的欠缺，對于aspen plus的計算結(jié)果也還有很大的欠缺，所以各方面都需要不斷的改進和加強。由于在本設計中因為條件限制，沒有具體的實物，MCGS軟件的設計僅限于動畫部分，基于我的實驗結(jié)果，可以對此裝置進行仿真實驗，測試此流程設計的準確性。經(jīng)過本次畢業(yè)設計，我從各方面都學到了很多東西，在我鞏有的化工知識上，還學到了許多關(guān)于自動化方面的只是，初步了解自動化的含義與意義，并且學會了使用西門子PLC軟件和MCGS軟件，這些都為我的畢業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。鳴本次的畢業(yè)論文是在我的導師世品老師的親切關(guān)懷和悉心指