PLC自動加藥開題報告

1、 畢業(yè)設計(論文)開題報告學生姓名： 學 號： 所在學院： 電氣工程及其自動化學院 專 業(yè)： 自動化 設計(論文)題目： 生物發(fā)酵過程自動加藥控制系統(tǒng)設計 指導教師： 2015年 1月 17日 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述一、生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的背景在電力、石油、化工、冶金工業(yè)、環(huán)境工程、水處理、化工、印染等領域中常需要將某種液體連續(xù)自動地注入到另一種液體中成為一種混合液，或者使加入的藥劑與液體中存在的某種組分發(fā)生化學反應，以達到預期的工藝要求。生產(chǎn)過程中是連續(xù)的，這種投加工作

2、必須同樣是連續(xù)的，需要一種既能配置溶液，又能定量定時投加藥劑的全自動加藥裝置設備4。微生物發(fā)酵工程是生化工程和現(xiàn)代生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的基礎。發(fā)酵過程測控系統(tǒng)是發(fā)酵系統(tǒng)中重要的組成部分,直接影響著發(fā)酵過程生產(chǎn)。通過測控系統(tǒng)對發(fā)酵過程實施有效的監(jiān)測與控制,確保發(fā)酵過程生產(chǎn)正常運行,提高發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量。目前所使用的發(fā)酵過程測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尚不完善,其穩(wěn)定性和控制水平普遍不高,不能很好地滿足發(fā)酵生產(chǎn)需求。因此,研究發(fā)酵過程測控系統(tǒng)的集成方法,集成智能化的發(fā)酵測控系統(tǒng)具有重要的實際應用價值5。2、 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運行特性 自動加藥設備是以計量泵為主要投加設備、將溶藥箱、攪拌器、液位計

3、、安全閥、止回閥、壓力表、過濾器、緩沖器、管路、閥門、底座、扶梯、自動監(jiān)視系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)等按工藝流程需要組裝在一個公共平臺上，形成一個模塊，即所謂的撬裝式組合式單元（簡稱“撬體”）7。按需要將定量的藥劑放入攪拌溶液箱內(nèi)進行攪拌溶解，溶解完畢后再通過計量泵送至投加點的工作過程，加藥量的大小可自由任意調(diào)節(jié)，以滿足不同加藥量的場所。加藥裝置，采用的是機電一體化結(jié)構(gòu)形式，從安裝上可分為固定式和移動式（推車式），每種形式的加藥裝置均配有攪拌系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。幾個固定式撬裝可組合成一個整體，加上變頻控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)就地控制、遠程自動控制、手動和自動相互轉(zhuǎn)換加藥。具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、噪音低

4、、工作平穩(wěn)、安裝簡單、操作使用方便等優(yōu)點。加藥裝置通過不同的工藝設計，精確配置各類固體和液體的化學藥品的溶液，再用計量泵準確投加，以達到各種設計要求。如除垢、除氧、混凝、加酸、加堿等。加藥過程可手動操作，也可通過PC機、磁翻板液位計、PH計、行程控制器、變頻器等各種電器、儀表、使加藥裝置成為機電一體化產(chǎn)品、實現(xiàn)自動控制。加藥裝置的加藥量及加藥壓力，可根據(jù)工業(yè)流程的需要，選取合適的計量泵。流量從1L/h到8000L/h,壓力從0.1MPa到25MPa范圍內(nèi)均可選擇到合適的產(chǎn)品6，計量泵的計量精度可高達1%，并且可以實現(xiàn)多種介質(zhì)同時輸送，單獨調(diào)整。除此之外，這次設計還運用到了模糊 PID控制的原理

5、：模糊PID控制器,即利用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID控制的比例、積分、微分系數(shù)進行實時優(yōu)化,以達到較為理想的控制效果。模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個重要組成部分。計算機根據(jù)所設定的輸入和反饋信號，計算實際位置和理論位置的偏差e以及當前的偏差變化ec，并根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理，最后對模糊參數(shù)進行解模糊，輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。這次設計主要是測試pH值進而進行自動加藥，所以就pH自動加藥系統(tǒng)說一說：首先由pH傳感器檢測到中和池或化工反應釜中液體的pH值，并傳輸給工業(yè)pH計，再根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，在工業(yè)pH計上設定高、低控

6、制點，工業(yè)pH計將輸入的pH信號和高、低設定值進行比較后輸出開關(guān)信號或比例控制信號給控制箱，由控制箱去調(diào)節(jié)控制計量泵加酸液或者堿液。本系統(tǒng)不需要人員操作，自動控制，從而大大提高了加藥的精度和工作效率，保障了生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定和人員的安全PH自動調(diào)節(jié)加藥系統(tǒng)首先在工業(yè)pH計上把被處理水所需要的PH值設定好，計量泵開始工作添加藥液，由工業(yè)pH計檢測水中的PH值,并在工業(yè)pH計控制表中顯示出來。工業(yè)pH計控制表自動將測量值與設定值進行比較.若測量值與設定值不同時,控制計量泵的啟停，這樣就可自動把水中的PH值控制在設定值上。在電廠的給水加藥中，原理與其類似：鍋爐水中適當添加磷酸鹽及氫氧化鈉,可提高爐水的緩

7、沖性能并對維持爐水pH值的穩(wěn)定有很大的作用,故能防止鍋爐水冷壁的結(jié)垢和腐蝕.平衡磷酸鹽處理時,磷酸鹽的加入量必須適當,這就要求計量泵必須能夠自動調(diào)節(jié)加藥量,調(diào)節(jié)信號是根據(jù)汽水取樣系統(tǒng)磷酸根表和pH表送來的420mA信號,控制計量泵的轉(zhuǎn)速.(由于磷酸根的信號比較弱,變化范圍小,不易控制,所以本控制系統(tǒng)采用pH表的420mA信號作為調(diào)節(jié)信號)。通過檢測pH值來控制爐水中磷酸鹽的加入量,pH值要求控制在9.49.78之間,當其中一臺機組的pH值低于9.4時便啟動相應機組的加藥泵2,此時磷酸鹽加藥箱內(nèi)的磷酸鹽溶液經(jīng)過管道(管道上的閥門都為手動閥,正常時都是打開狀態(tài))被泵入相應機組的除氧器出水管加藥點.

8、爐水中加入適當?shù)牧姿猁}及氫氧化鈉,可提高爐水的緩沖性能并對維持爐水pH值的穩(wěn)定有很大的作用,故能防止鍋爐水冷壁的結(jié)垢和腐蝕。3、 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的組成上位監(jiān)控部分：整個系統(tǒng)的上位監(jiān)控部分可由一臺工業(yè)計算機來完成.監(jiān)控工作人員可通過CRT實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況,設定或修改系統(tǒng)的運行參數(shù),同時可通過CRT遠程軟件操作控制系統(tǒng)運行.上位工控機進行數(shù)據(jù)處理和管理,并可與MIS系統(tǒng)等實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)3。在上位機上,可對控制器進行組態(tài),組態(tài)范圍包括:控制器的網(wǎng)絡地址、控制器的時間、選擇控制算法、設定算法參數(shù)、設定控制量的設定點、選擇算法的輸入量及輸出量的通道等。下位控制部分: 自動加藥控制系統(tǒng)的核心是一

9、套控制器,可編程控制器(PLC)是近年來發(fā)展起來的并得到廣泛應用的新一代工業(yè)自動化控制裝置,它已成為解決自動控制問題的最有效工具之一,越來越受到人們的重視.控制器安裝在現(xiàn)場,采集相應的水質(zhì)數(shù)據(jù).由于化學加藥系統(tǒng)具有純滯后性質(zhì),會導致控制作用不及時,引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或振蕩,而利用計算機可以方便地實現(xiàn)滯后補償.經(jīng)過控制器的控制算法,采用經(jīng)改進的數(shù)字PID控制算法,輸出控制信號(420mA)到現(xiàn)場調(diào)節(jié)設備,以調(diào)節(jié)加藥泵的出力.調(diào)節(jié)設備可以是直流電機,直接通過調(diào)節(jié)電機電壓來改變轉(zhuǎn)速;可以是步進電機,通過改變加藥泵的行程來調(diào)節(jié)加藥泵出力;還可以是變頻器,調(diào)節(jié)加藥泵交流電機的轉(zhuǎn)速.隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,

10、交流變頻調(diào)速控制方法得到了廣泛的應用,我們采用變頻調(diào)速進行化學加藥自動控制,由于不需要對管路進行改造,系統(tǒng)可靠,得到了人們的認同,并取得了良好的效果。PLC設備選型及說明1：CPU模塊:以西門子的CPU224作為控制器的核心,具有豐富的指令系統(tǒng),能夠進行各種復雜的邏輯運算和算術(shù)運算,同時可以進行各種函數(shù)運算,如信號標度變換、信號濾波、PID運算等.在CPU模塊內(nèi)部,由微處理器通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線以及輔助電路連接存儲器、接口及I/O單元.借助編程器接收鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù);讀取并解釋執(zhí)行用戶程序;按規(guī)定的時序接收輸入狀態(tài),刷新輸出狀態(tài),與外部設備交換信息;診斷PC的硬件狀態(tài)等1.(C

11、PU自帶D/A模塊:輸出是420mA電流信號.一般來說,變頻器既有420mA信號輸入端子,也有電壓輸入端子,在這里采用420mA標準信號輸出以控制變頻器的頻率,以此改變加藥量。A/D模塊:EM235模擬量混合模塊(4輸入、1輸出)是高速12位模擬量模塊,能在149ms內(nèi)將模擬量轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量.輸入可以是電壓信號,也可以是電流信號.一般來說,pH值表都有420mA信號輸出,因此采用420mA標準信號輸入。4、 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的意義為了在發(fā)酵液變化過程的情況下達到最佳效果，需要對所加化學藥劑量自動跟蹤調(diào)節(jié)控制加藥速度，因此采用先進的自動控制方式來控制全自動加藥裝置的加藥量10。全自動

12、加藥裝置能自動按水處理技術(shù)要求自動準確、定量投加藥劑，這樣可以大大減少現(xiàn)場施工工作量，避免了中間環(huán)節(jié)的差錯，有效地保證工期和工程質(zhì)量，減少用戶的麻煩和損失。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展,微生物發(fā)酵技術(shù)對人們生活的影響越來越大,其涉及了醫(yī)藥、食品、能源等領域。為了使發(fā)酵生產(chǎn)能按預期目標進行,提高發(fā)酵產(chǎn)量和質(zhì)量,需要對發(fā)酵過程進行監(jiān)督控制。目前,國內(nèi)大部分實驗室或工廠的發(fā)酵過程控制還處于手工控制階段,控制效果的好壞取決于操作員的經(jīng)驗,導致發(fā)酵產(chǎn)物質(zhì)量的不穩(wěn)定,也不利于擴大生產(chǎn)規(guī)模。計算機技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展為解決這一矛盾提供了基礎,建立基于計算機技術(shù)的發(fā)酵過程測控系統(tǒng),不僅能夠?qū)崿F(xiàn)酵母發(fā)酵生產(chǎn)過程的自動

13、控制,降低工人勞動強度,提高控制精度,而且能夠?qū)崟r提供生產(chǎn)過程信息,為發(fā)酵生產(chǎn)調(diào)度和管理提供依據(jù)。此外,從發(fā)酵生產(chǎn)過程的特點,可以看出發(fā)酵過程是一個動態(tài)的、具有高度非線性和時變性的過程7。在發(fā)酵生產(chǎn)中,為了提高投入產(chǎn)出比,往往需要對發(fā)酵過程進行優(yōu)化控制,但由于發(fā)酵過程的復雜性,難于建立精確的數(shù)學模型,并且很多發(fā)酵參數(shù)不可在線檢測,致使常規(guī)控制方法很難獲得良好控制效果。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展,諸如專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能控制算法己經(jīng)開始應用于發(fā)酵過程控制,并取得了良好的控制效果。因此,研究基于計算機的測控技術(shù),構(gòu)建可靠、穩(wěn)定的發(fā)酵過程測控系統(tǒng),并應用人工智能技術(shù)實現(xiàn)發(fā)酵過程的優(yōu)化控制具

14、有重要的理論和實際應用價值。五、軟件介紹上位機軟件WinCC系統(tǒng)概述：WinCC是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模塊.高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的適用性1。PLC200Smart控制器：提供不同類型、I/O點數(shù)豐富的CPU模塊，單體I/O點數(shù)最高可達60點，可滿足大部分小型自動化設備的控制需求。另外，CPU模塊配備標準型和經(jīng)濟型供用戶選擇，對于不同的應用需求，產(chǎn)品配置更加靈活，最大限度的控制成本。配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時間可達0.15s，在同級別小型PLC中

15、遙遙領先。一顆強有力的“芯”，能讓您在應對繁瑣的程序邏輯，復雜的工藝要求時表現(xiàn)的從容不迫。CPU模塊本體標配以太網(wǎng)接口，集成了強大的以太網(wǎng)通信功能。一根普通的網(wǎng)線即可將程序下載到PLC中，方便快捷，省去了專用編程電纜。通過以太網(wǎng)接口還可與其它CPU模塊、觸摸屏、計算機進行通信，輕松組網(wǎng)。西門子Smart觸摸屏：西門子順應市場需求推出的SIMATIC 精彩系列面板（SMART LINE），準確地提供了人機界面的標準功能，經(jīng)濟適用，具備高性價比。如今，全新一代精彩系列面板的功能得到了進一步的提升，與 S7-200 SMART PLC 組成完美的自動化控制與人機交互平臺，為您的便捷操控提供了理想的解

16、決方案。西門子視窗控制中心SIMATICWinCC: 作為SIMATIC全集成自動化系統(tǒng)的重要組成都分，WinCC確保與SIMATICS5，S7和505系列的PLC連接的方便和通訊的高效；WinCC與STEP7編程軟件的緊密結(jié)合縮短了項目開發(fā)的周期。此外，WinCC還有對SIMATICPLC進行系統(tǒng)診斷的選項，給硬件維護提供了方便。參考文獻1 張秀香. 基于PLC的鍋爐加藥自動控制系統(tǒng)J. 蘭州工業(yè)學院學報, 2010, (2). 2 楊智, 楊照華, 魏列江. 電廠鍋爐給水自動加藥PLC控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)J. 自動化儀表, 2001, (8):47-49.3 張玉花, 王康平. 智能變頻技術(shù)

17、在電站鍋爐給水加藥系統(tǒng)中的應用J. 科技廣場, 2005, (2):48-50.4 楊洪波. 基于PLC的發(fā)酵過程測控系統(tǒng)集成方法及其實現(xiàn)研究D. 北京化工大學, 2005.5 張影微. 基于PLC和組態(tài)軟件的厭氧發(fā)酵控制系統(tǒng)研究D. 東北農(nóng)業(yè)大學, 2013.6 黃儒強, 尤蓉, 李娘輝. 發(fā)酵設備課理論性與實操性相結(jié)合的教學方法初探J. 現(xiàn)代食品科技, 2007, (8):98-99.7 王海芳, 呂超. PLC自動加藥機在選礦廠的應用J. 大眾科技, 2011, (9):110-112.8 朱璐. MCGS組態(tài)軟件在自動加藥機系統(tǒng)中的設計與實現(xiàn)D. 湖南大學, 2012.9 沈孝忠, 劉

18、強, 趙霞. 基于S7-300PLC的浮選自動加藥控制系統(tǒng)J. 自動化應用, 2012, (5).10 李仲清, 林金鉗. 基于PLC的工業(yè)發(fā)酵自動控制解決方案J. 化學工程與裝備, 2005, (2).11席裕庚, 耿曉軍, 陳虹. 預測控制性能研究的新進展. 控制理論與應用,2000, 17(4):469-47512 王樹青. 先進控制技術(shù)及應用. 化學工業(yè)出版社, 2001:92-95 13 鄒濤，丁寶蒼，張瑞.模型預測控制工程應用導論M.北京：化學工業(yè)出版社，2010.14 丁寶蒼 預測控制的理論與方法 M北京.機械工業(yè)出版社, 2008:415夏紅,王慧,李平.自動化與儀表,1996

19、,11(4):41一4316Martins,Femando G,Coelho,Manuel AN.Com Put Chem Enng,2000,24(2):853一858 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：要研究或解決的問題1. 了解自動加藥系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，首先PLC200Smart控制器、西門子Smart觸摸屏以及加藥設備相互連接，由PLC200Smart控制器控制，西門子Smart觸摸屏進行參數(shù)更改，進而控制加藥設備的自動加藥； 2了解自動加藥系統(tǒng)的研究背景: 微生物發(fā)酵工程是生化工程和現(xiàn)代生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的基礎。發(fā)酵過程測控系統(tǒng)是發(fā)酵系統(tǒng)中重要的組成部分,直接影響著發(fā)酵過程生產(chǎn)。通過測控系統(tǒng)對發(fā)酵過程實施有效的監(jiān)測與控制,確保發(fā)酵過程生產(chǎn)正常運行,提高發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量；3. 了解自動加藥系統(tǒng)的意義：全自動加藥裝置能自動按水處理技術(shù)要求自動準確、定量投加藥劑，這樣可以大大減少現(xiàn)場施工工作量，避免了中間環(huán)節(jié)的差錯，有效地保證工期和工程質(zhì)量，減少用戶的麻煩和損失；4. 了解自動加藥系統(tǒng)的工作原理：自動加藥設備是以計量泵為主要投加設備、將溶藥箱、攪拌器、液位計、安全閥、止回閥、壓力表、過濾器、緩沖器、管路、閥門、底座