間歇式化學反應器分程控制系統(tǒng)設計

1、 學號： 常 州 大 學 畢業(yè)設計（論文） 題 目 間歇式化學反應器分程控制系統(tǒng)設計 學 生 學 院 信息科學與工程學院 專業(yè)班級 校內(nèi)指導教師 專業(yè)技術(shù)職務 校外指導老師 專業(yè)技術(shù)職務 二一二年六月 間歇式化學反應器分程控制系統(tǒng)設計摘 要：在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中，安全性與化學反應器密切相關(guān)。為保證化學反應器能正常工作，對其進行有效的控制顯得十分必要，分程控制在的特點，它是一種間歇的按批量進行反應的化學反應器，液體物料在反應器內(nèi)完全混合而無流量進出。首先，介紹了可編程控制器PLC及MCGS組態(tài)軟件；然后介紹了間歇式分程控制系統(tǒng)的設計方案，并對PLC程序設計及監(jiān)控軟件設計進行了詳細介紹。監(jiān)控系統(tǒng)

2、設計包括上位機與下位機通訊，模擬動態(tài)運行，并對整個分程控制過程進行實時監(jiān)控，顯示動態(tài)實時曲線，保存歷史數(shù)據(jù)。本控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面操作方便，簡潔，有利于提高生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞:間歇式化學反應器，分程控制，PLC，組態(tài)軟件 目 錄1 引言在間歇式生產(chǎn)化學反應過程中，當反應物投入設備后，為了使其達到化學反應溫度，往往在反應開始前需要給它提供一定的熱量。一旦達到反應溫度后，就會隨著化學反應的進行不斷釋放出熱量 ，這些熱量如不及時移走反應就會越來越劇烈，以至會有爆炸的危險。因此對于這種間歇式化學反應器既要考慮反應前的預熱問題，又要考慮反應過程中及時移走反應熱的問題。為此我們采用本文介紹的分程控制的辦法來實

3、現(xiàn)反應的恒溫控制。利用一個控制器的輸出，通過與閥門定位器的配合，分段地控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)，稱為分程控制系統(tǒng)。由于分程控制系統(tǒng)能在被控變量的變化范圍的不同取值范圍時采取不同的控制手段，滿足某些特殊工況的需要，因此在復雜過程的控制中得到了較多的應用，如應用在某些精餾塔的壓力控制中。在分程控制中，由于用一個控制器的輸出信號，同時控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥，使它們在信號的全范圍內(nèi)分別動作，因此對每一個調(diào)節(jié)閥來說就存在一個分程特性的問題，即存在當控制器的輸出信號發(fā)生變化時，每一個調(diào)節(jié)閥是如何動作的問題。分程特性的確定在分析、設計和應用分程控制系統(tǒng)時是一個重要的問題。我們對分程控制系統(tǒng)中

4、調(diào)節(jié)閥分程特性的確定方法進行了進一步的計算，提出了一種更為簡便、快速、精確和方便的控制方法。1.1 課題研究的意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 首先，我們要正確認識化學反應器在現(xiàn)代工業(yè)中的重要性?；瘜W反應器是整個石化行業(yè)的龍頭，提高生產(chǎn)率、減少后處理的負荷，從而降低生產(chǎn)成本，這一切化學反應器起著關(guān)鍵作用；其次化學反應器經(jīng)常處在高溫、高壓、易燃、易爆條件下進行反應。 化學反應器按反應器的進出物料狀況可以分為連續(xù)式和間歇式。其中，間歇式化學反應器具有極大的靈活性和多功能性的特點，它是一種間歇的按批量進行反應的化學反應器，液體物料在反應器內(nèi)完全混合而無流量進出。采用間歇操作的反應器叫做間歇反應器，其特

5、點是進行反應所需的原料一次裝入反應器，然后在其中進行反應，經(jīng)一定的時間后，達到所要求的反應程度便卸除全部反應物料，其中主要是反應產(chǎn)物以及少量未被轉(zhuǎn)化的原料。另外，整個石化生產(chǎn)的安全與化學反應器密切相關(guān)。為保證化學反應器能正常工作，對其進行有效的控制顯得十分必要。為了滿足工藝操作的特殊要求，間歇式反應器的內(nèi)溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用了分程控制系統(tǒng)方案。工業(yè)自動控制裝置的種類有很多，本課題采用的PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術(shù)和自動化技術(shù)而發(fā)展起來的一種工業(yè)自動控制裝置，具有體積小、功能強、程序設計簡單、靈活通用、維護方便等特點，使得PLC迅速普及，廣泛應用。使用情況大致可歸納為如下幾類：開關(guān)量的邏

6、輯控制、模擬量控制、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信及聯(lián)網(wǎng)。未來，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡的發(fā)展情況來看,可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制統(tǒng)是可編程控制

7、器技術(shù)的發(fā)展方向。PLC通過PPI電纜與計算機相連，在計算機上采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控軟件實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理。組態(tài)軟件MCGS為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實施現(xiàn)場監(jiān)控5。MCGS組態(tài)軟件是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的一套用于快速構(gòu)造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它具有簡單靈活的可視化操作界面、實時性強、良好的并行處理性能、廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強大的數(shù)據(jù)處理功能、完善的安全機制、強大的網(wǎng)絡功能和多樣化的報警功能、支持多種硬件設備等特點，使得MCGS組態(tài)軟件在自動化領域得到了廣泛應用。 先進控制技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢和良好的性能在間歇化學反應過程中的應用越來越多，控制

8、算法研究也在不斷推陳出新，使得間歇化學反應先進控制技術(shù)研究成為一個活躍的領域。先進控制技術(shù)將為穩(wěn)定生產(chǎn)過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)能耗、增強企業(yè)能力發(fā)揮重要作用6。1.2. 課題的研究目標、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題 本設計的控制對象為間歇式化學反應器，根據(jù)其工藝流程和控制要求，選用分程控制系統(tǒng)。本課題要求該控制系統(tǒng)采用在工業(yè)領域有著廣泛應用的西門子S7200作為控制器，完成對間歇式化學反應器的控制。PLC通過PPI電纜與計算機相連，在計算機上采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控軟件實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理，同時要求該監(jiān)控軟件具有顯示動態(tài)畫面，趨勢曲線、報警、數(shù)據(jù)顯示、實時修改控制參數(shù)、數(shù)據(jù)報表、使用權(quán)限

9、等功能。通過編寫PID溫度控制程序，再將程序中的地址和需要測控的參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，并以此設計MCGS組態(tài)，從而實現(xiàn)用MCGS組態(tài)監(jiān)控的方法直觀、方便地操控反應的進行。本課題的關(guān)鍵問題：a.實現(xiàn)PLC控制裝置與PC機的通訊。b.編寫PLC程序完成對間歇式化學反應器的控制。c.用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)上位機監(jiān)控系統(tǒng)。 2 可編程控制器（PLC）2.1 PLC介紹 可編程控制器是60年代末在美國首先出現(xiàn)的，當時叫可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用來取代繼電器。以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。提出PLC概念的是美國通用汽車公司。PLC的基

10、本設計思想是把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據(jù)實際應用對象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi),使控制器和被控對象連接方便。 70年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的PLC已不再是僅有邏輯(Logic)判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。國際電工委員會(IEC)頒布的可編程控制器標準草案中對可編程控制器作了如下的定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應

11、用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設備，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的設計。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的普及推廣應用。 2.2 PLC系統(tǒng)的硬件組成及其工作原理 （1）PLC的硬件. （2）PLC的工作原理 . 2.3 S7200系列PLC （1）S7200特點l （2）S7200的擴展模塊 S7-200系列PLC

12、是模塊式結(jié)構(gòu)，可以通過配接各種擴展模塊來達到擴展功能、擴大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大類擴展模塊。a.輸入/輸出擴展模塊S7-200 CPU上已經(jīng)集成了一定數(shù)量的數(shù)字量I/O點，但如用戶需要多于CPU單元I/O點時，必須對系統(tǒng)做必要的擴展。CPU221無I/O擴展能力，CPU 222最多可連接2個擴展模塊（數(shù)字量或模擬量），而CPU224和CPU226最多可連接7個擴展模塊。CPU226適用于復雜的中小型控制系統(tǒng)，可擴展到248點數(shù)字量和35路模擬量，有兩個RS-485通信接口。 S7-200 PLC系列目前總共提供共5大類擴展模塊：數(shù)字量輸入擴展板EM221（8路擴展輸入）；數(shù)

13、字量輸出擴展板EM222（8路擴展輸出）；數(shù)字量輸入和輸出混合擴展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模擬量輸入擴展板EM231，每個EM231可擴展3路模擬量輸入通道，A/D轉(zhuǎn)換時間為25s，12位；模擬量輸入和輸出混合擴展模板EM235，每個EM235可同時擴展3路模擬輸入和1路模擬量輸出通道，其中A/D轉(zhuǎn)換時間為25s，D/A轉(zhuǎn)換時間100s，位數(shù)均為12位。b.熱電偶/熱電阻擴展模塊 熱電偶、熱電阻模塊（EM231）是為CPU222，CPU224，CPU226設計的，S7-200與多種熱電偶、熱電阻的連接備有隔離接口。用戶通過模塊上的DIP開關(guān)來選擇熱電偶或熱電阻的類型，

14、接線方式，測量單位和開路故障的方向。 c.通訊擴展模塊 除了CPU集成通訊口外，S7-200還可以通過通訊擴展模塊連接成更大的網(wǎng)絡。S7-200系列目前有兩種通訊擴展模塊：PROFIBUS-DP擴展從站模塊（EM277）和AS-i接口擴展模塊（CP243-2）。2.4 PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN V4.0 .3 組態(tài)軟件3.1 組態(tài)軟件介紹（1）.（2）.3.2 MCGS的特點與功能相對于其他的組態(tài)軟件來說，MCGS(Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng))是一套用于快速構(gòu)造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Micr

15、osoft的各種32位Windows平臺上運行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用。工控組態(tài)軟件MCGS以其操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出優(yōu)點，已成功應用于包括上海東方明珠電視塔消防控制系統(tǒng)、北京的西客站燈光電源控制系統(tǒng)、中央電視臺消防供水系統(tǒng)等著名工程在內(nèi)的多種工程應用領域。 在MCGS嵌入版中，在設備窗口內(nèi)配置不同類型的設備構(gòu)件，根據(jù)外部設備的類型和特征，設置相關(guān)的屬性，將設備的操作方法如硬件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、設備調(diào)試等都封裝在構(gòu)件之中，以對象

16、的形式與外部設備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。系統(tǒng)運行過程中，設備構(gòu)件由設備窗口同意調(diào)度管理。通過通道連接，它既可以向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫提供從外部設備采集到的數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)其它部分進行控制運算和流程調(diào)度，又能從實時數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù)，實現(xiàn)對設備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測和過程的自動控制。4 間歇式分程控制系統(tǒng)總體設計4.1 間歇式分程控制系統(tǒng)原理 在間歇式生產(chǎn)化學反應過程中，當反應物投入設備后，需加熱升溫，以達到化學反應溫度，這個過程稱為加熱升溫過程；而反應開始后則是一個放熱過程，一旦達到反應溫度后，就會隨著化學反應的進行不斷釋放出熱量，需及時移走反應熱以保證合成產(chǎn)品質(zhì)量，否則由于連鎖反應以致引起爆炸事故。所以要進行

17、冷卻以保持恒定溫度，這個過程稱為恒溫階段。因此對于這種間歇式化學反應器既要考慮反應前的預熱問題，又要考慮反應過程中及時移走反應熱的問題。為此設計了分程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖4.1所示。該控制系統(tǒng)的方塊圖如圖4.2所示。TC蒸汽B閥冷水A閥TT圖4.1 間歇式化學反應器分程控制系統(tǒng)被控對象控制器被控對象變送器B閥A閥給定輸出圖4.2 分程控制系統(tǒng)方塊圖工藝上通入蒸汽進行加熱，通入冷水進行降溫。為達到控制要求需要確定調(diào)節(jié)閥的分程特性。從生產(chǎn)安全出發(fā)，當氣源供氣中斷，或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而無輸出時，為防止反應器因過熱而發(fā)生爆炸，應使冷水閥A打開，而蒸汽閥B關(guān)閉，故冷水閥A選用氣關(guān)閥，蒸汽閥B選用氣開閥。同

18、時，溫度調(diào)節(jié)器選擇反作用。這樣既能滿足生產(chǎn)上控制的要求，也能保證當氣源供氣中斷時生產(chǎn)處于安全狀態(tài)的要求。在進行化學反應前的升溫階段，由于溫度測量值小于給定值，因此調(diào)節(jié)器輸出增大，蒸汽閥B開大，冷水閥A關(guān)閉，使反應器溫度升高，當達到反應溫度時，化學反應發(fā)生，于是就有熱量放出，反應物的溫度逐漸升高。當溫升使測量值大于給定值時，調(diào)節(jié)器輸出將減小，隨著調(diào)節(jié)器輸出的減小，蒸汽閥B將逐漸關(guān)小乃至完全關(guān)閉，而冷水閥A則逐漸打開，這時反應器夾套中流過的將不再是熱水而是冷水，這樣一來反應所產(chǎn)生的熱量就會被冷水給帶走，從而達到維持反應溫度的目的。根據(jù)工藝要求，當測量值與給定值相同時，反應器既不用加熱也不用冷卻，因

19、此在分程點時要求A、B兩閥均為關(guān)閉11。分程控制系統(tǒng)中控制器輸出信號的分段，是由附設在控制閥上的閥門定位器來實現(xiàn)的。閥門定位器相當于一只可變放大倍數(shù)、且零點可以調(diào)整的放大器。如果在分程控制系統(tǒng)中采用了A、B兩只分程閥，并且要求A閥在0.020.06MPa信號范圍內(nèi)作全行程動作，要求B閥在0.060.10MPa信號范圍內(nèi)作全行程動作，那么，就可以對附設在控制閥A、B上的閥門定位器分別進行調(diào)整：使控制閥A的閥門定位器在0.020.06MPa的輸入信號下，輸出由0.02MPa變化到0.10MPa，這樣控制閥A即在0.020.06MPa信號范圍內(nèi)走完全行程；調(diào)整控制閥B的閥門定位器在0.060.10M

20、Pa的輸入信號下，輸出由0.02MPa變化到0.10MPa，這樣控制閥B即在0.060.10MPa信號范圍內(nèi)走完全行程。這樣一來，當控制器輸出信號在小于0.06MPa范圍內(nèi)變化時，就只有控制閥A隨著信號壓力的變化改變自己的開度，而控制閥B則處于某個極限位置開度不變；當控制器輸出信號在大于0.06MPa范圍內(nèi)變化時，控制閥A因已移動到極限位置而開度不再變化，而控制閥B卻隨著信號的變化改變閥門的開度。有一點必須引起重視，就是當壓力在給定值附近波動時，A、B兩閥將會頻繁地動作，這將影響到控制閥的使用壽命。為了防止儲罐壓力在給定值附近變化時，A、B閥頻繁動作，可在兩閥信號交接處設置一個不靈敏區(qū)，如圖4

21、.3所示。方法是通過閥門定位器的調(diào)整，使A閥在0.020.058MPa信號范圍內(nèi)從全開到全關(guān)，使B閥在0.0620.10MPa信號范圍內(nèi)從全關(guān)到全開。這樣做了以后，當控制器輸出信號在0.0580.062MPa范圍內(nèi)變化時，A、B閥都處于全關(guān)位置不動。這樣做對于儲罐這樣一個空間較大，因而時間常數(shù)較大，且控制精度要求又不是很高的具體壓力對象來說，是有益的。因為留有這樣一個不靈敏區(qū)之后，將會使控制過程變化趨于緩慢，系統(tǒng)更為穩(wěn)定。100%0.0620.100.0580.02 圖4.3 分程閥特性圖（閥壓/Mpa）4.2間歇式分程控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)間歇式化學反應器分程控制系統(tǒng)硬件包括PC機（監(jiān)控系統(tǒng)），P

22、LC系統(tǒng)，檢測與變送裝置和執(zhí)行裝置這四個部分。硬件結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。冷水控制閥蒸汽控制閥溫度檢測變送CPU模塊MCGSPCPC/PPICPU模塊模擬量輸入輸出模塊溫度控制量控制量 圖4.4 間歇式化學反應器分程控制系統(tǒng)硬件框架圖 間歇式化學反應器內(nèi)部溫度經(jīng)檢測變送為1-5V的標準信號，該信號經(jīng)模擬量擴展模塊（A/D）送給CPU模塊，與設定值比較后經(jīng)PID運算得到一控制信號，通過對控制信號的判斷來決定蒸汽閥和冷水閥的開度，并經(jīng)模擬量擴展模塊（D/A）轉(zhuǎn)換為模擬量送到蒸汽閥和冷水閥，通過兩閥開度的變化實現(xiàn)對反應器內(nèi)部溫度的控制。a.PLC系統(tǒng)本課題采用S7200系列PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)包括CP

23、U模塊，PC/PPI電纜和模擬量輸入輸出模塊。CPU模塊采用CPU226，其適用于復雜的中小型控制系統(tǒng)，可擴展到248點數(shù)字量和35路模擬量，有兩個RS-485通信接口。PC/PPI電纜是一根RS485/RS432的匹配電纜，它的作用是將S7200CPU和PC機的COM口的電氣規(guī)范進行匹配，使其相容。 模擬量輸入輸出模塊采用EM235和EM232。EM235是常用的模擬量擴展模塊，它實現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能，輸入信號有16檔量程。模擬量輸入模塊的分辨率為12位，單極性全量程輸入范圍對應的數(shù)字量輸出為032000，雙極性為-32000-+32000。EM232有兩路模擬量輸出，量

24、程有-10v-+10v和020ma兩種，對應的數(shù)字量分別為-32000-+32000和032000。滿量程時電壓輸出和電流輸出的分辨率分別為12位和11位。 b.檢測與變送裝置檢測裝置采用Pt100熱電阻，它利用Pt電阻阻值與溫度之間的良好線性關(guān)系的原理進行工作。Pt100，又叫鉑電阻，熱電阻，是一種溫度傳感器，適用于精密儀器、恒溫設備、流體管道等溫度的測量，非常經(jīng)濟實用。鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200400）最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標準溫度計。變送裝置采用WE200系列溫度變送器。它的作用是將傳感器提供的電量轉(zhuǎn)換為

25、標準量程420mA的直流電流信號。變送器分為電流輸出型和電壓輸出型，電壓輸出型變送器具有恒壓源的性質(zhì),電流輸出型變送器具有恒流源的性質(zhì)，恒流源的內(nèi)阻很大。PLC的模擬量輸入模塊輸入電流時，輸入阻抗較小。 c.執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置包括蒸汽控制閥和冷水控制閥。5 PLC程序設計5.1 控制任務工藝上通入蒸汽進行加熱，通入冷水進行降溫。為達到控制要求需要確定調(diào)節(jié)閥的分程特性。從生產(chǎn)安全出發(fā)，當氣源供氣中斷，或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障而無輸出時，為防止反應器因過熱而發(fā)生爆炸，應使冷水閥A打開，而蒸汽閥B關(guān)閉，故冷水閥A選用氣關(guān)閥，蒸汽閥B選用氣開閥。同時，溫度調(diào)節(jié)器選擇反作用。這樣既能滿足生產(chǎn)上控制的要求，也能保

26、證當氣源供氣中斷時生產(chǎn)處于安全狀態(tài)的要求。在進行化學反應前的升溫階段，由于溫度測量值小于給定值，因此調(diào)節(jié)器輸出增大，蒸汽閥B開大，冷水閥A關(guān)閉，使反應器溫度升高，當達到反應溫度時，化學反應發(fā)生，于是就有熱量放出，反應物的溫度逐漸升高。當溫升使測量值大于給定值時，調(diào)節(jié)器輸出將減小，隨著調(diào)節(jié)器輸出的減小，蒸汽閥B將逐漸關(guān)小乃至完全關(guān)閉，而冷水閥A則逐漸打開，這時反應器夾套中流過的將不再是熱水而是冷水，這樣一來反應所產(chǎn)生的熱量就會被冷水給帶走，從而達到維持反應溫度的目的。根據(jù)工藝要求，當閥壓在0.06MPa附近波動時，A、B兩閥將會頻繁地動作，這將影響到控制閥的使用壽命。為了防止儲罐壓力在給定值附近

27、變化時，A、B閥頻繁動作，可在兩閥信號交接處設置一個不靈敏區(qū)。方法是通過閥門定位器的調(diào)整，使B閥在0.020.058MPa信號范圍內(nèi)從全開到全關(guān)，使A閥在0.0620.10MPa信號范圍內(nèi)從全關(guān)到全開。這樣做了以后，當控制器輸出信號在0.0580.062MPa范圍內(nèi)變化時，A、B閥都處于全關(guān)位置不動。5.2 地址分配PLC程序的地址分配如表5.1所示。 表5.1 地址分配對應數(shù)據(jù)對象通道名稱PID調(diào)節(jié)開關(guān)比例增益采樣時間積分時間微分時間溫度設定控制器PID輸出值蒸汽閥冷水閥反應槽溫度測量值M10.0VD412VD416VD420VD424VD504VD508VD1988VD1998VD500

28、表5.1 地址分配(續(xù))對應數(shù)據(jù)對象通道名稱裝入PID的比例增益裝入PID的采樣時間裝入PID的積分時間裝入PID的微分時間裝入的設定值溫度模擬量輸入地址蒸汽閥模擬量輸出地址冷水閥模擬量輸出地址VD2112VD2116VD2120VD2124VD2104AIW0AQW0AQW25.3 PID控制器及控制指令. a.控制方式與出錯處理S7-200的PID指令沒有設置控制方式，執(zhí)行PID指令時為自動方式；不執(zhí)行PID指令時為手動方式PID指令中的TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的編號(07)。PID指令如圖5.1所示。 PIDENTBLLOOPENO圖5.1 PID指令不同的PID指令不能

29、使用相同的回路編號。為了讓PID指令以穩(wěn)定的采樣頻率工作，PID指令應在定時中斷程序中使用。PID指令類似于計數(shù)器指令，PID指令有一個能流記憶位，用該位檢測到EN輸入端的能流從0到1的正跳變時，指令將執(zhí)行一系列的操作，使PID從手動方式切換到自動方式。為了實現(xiàn)手動方式到自動方式的無擾動切換，轉(zhuǎn)換前必須把當前的手動控制輸出值寫入回路表的參數(shù)Mn。PID指令對回路表內(nèi)的值進行下列操作，保證檢測到能流從0到1的正跳變時，從手動方式無擾動地切換到自動方式：l 令給定值(SPn)=過程變量的當前值(PVn)。l 令上一次的過程變量(PVn-1)=過程變量的當前值(PVn)。l 令積分和(MX)=輸出值

30、(Mn)。PID的能流記憶位的默認值為1，在啟動CPU或從STOP方式轉(zhuǎn)換到RUN方式時它被置位。進入RUN方式后PID指令首次有效時，沒有檢測到使能位的正跳變，就不會執(zhí)行無擾動的切換操作。編譯時如果指令指定的回路表起始地址或回路號超出范圍，CPU將生成編譯錯誤(范圍錯誤)，引起編譯失敗。PID指令回路表中的某些輸入值不進行范圍檢查，應保證過程變量、給定值、積分和過程變量不超限。PID指令回路表如表5.2所示。表5.2 PID指令的回路表偏移地址變量名格式類型描述04812162024過程變量PVn給定值SPn輸出值Mn增益Kc采樣時間Ts積分時間T1微分時間Td實數(shù)實數(shù)實數(shù)實數(shù)實數(shù)實數(shù)實數(shù)輸

31、入輸入輸入/輸出輸入輸入輸入輸入應在0.01.0之間應在0.01.0之間應在0.01.0之間比例常數(shù)，可正可負單位為s，必須為正數(shù)單位為min，必須為正數(shù)單位為min，必須為正數(shù) .5.4 PLC程序設計 主程序主要完成中斷定時的設定、PID參數(shù)的設定、恒溫值的設定還有參數(shù)的裝入。主程序流程圖如圖5.2所示。開始設定中斷定時 設定PID參數(shù)設定恒溫值裝入所有參數(shù)結(jié)束圖5.2 主程序流程圖中斷程序流程圖主要完成反應槽溫度的檢測、回路輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換、PID參數(shù)的調(diào)用、判斷和控制閥門開度。中斷程序流程圖如圖5.2所示。開始 檢測反應槽溫度 回路輸入變量標準化轉(zhuǎn)換回路輸入變量物理量轉(zhuǎn)換調(diào)用PID參

32、數(shù)回路輸出整數(shù)轉(zhuǎn)換x>21760x>16640NNYY開度轉(zhuǎn)換，并送冷水閥（AQW2），6400送給蒸汽閥（AQW0）蒸汽閥（AQW0）賦值6400，冷水閥（AQW2）賦值32000開度轉(zhuǎn)換，并送蒸汽閥（AQW0），32000送給冷水閥（AQW2）兩閥全關(guān)打開蒸汽閥，關(guān)閉冷水閥打開冷水閥，關(guān)閉蒸汽閥結(jié)束圖5.3 中斷程序流程圖.主程序.6 監(jiān)控軟件設計6.1 MCGS與PLC通信 調(diào)出MCGS中的設備窗口，選中S7200，彈出設備屬性設置，在基本屬性標簽頁中，進入“設置設備內(nèi)部屬性”。設置必須的通道地址，操作方式選擇“讀寫”，通道連接標簽頁中，將MCGS監(jiān)控界面上的需要測控的設備和

33、剛才設定的通道地址相對應。通用串口設備的設置如表6.1所示。表6.1 通用串口設備設置設備屬性名設備屬性值設備名稱設備注釋初始工作狀態(tài)最小采集周期（ms）串口端口號（1255）通訊波特率數(shù)據(jù)位位數(shù)停止位位數(shù)數(shù)據(jù)校驗方式數(shù)據(jù)采集方式通用串口父設備0通用串口父設備1-啟動2000-COM16-96001-8位0-1位2-偶校驗0-同步采集設備基本屬性如表6.2所示。表6.2 設備基本屬性設置設備屬性名設備屬性值設備名稱設備注釋初始工作狀態(tài)最小采集周期（ms）PLC地址超時等待時間S7200西門子s7-2001-啟動2002206.2 創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫（1）PID調(diào)節(jié)開關(guān)為開關(guān)量，其作用為：MCGS主

34、控界面上的按鈕和 “PID調(diào)節(jié)開關(guān)”數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，可以實現(xiàn)控制PID運行的開閉；數(shù)據(jù)對象屬性設置如圖6.1所示。圖6.1 數(shù)據(jù)對象屬性設置數(shù)據(jù)對象與組態(tài)關(guān)聯(lián)界面如圖6.2所示。圖6.2 數(shù)據(jù)對象與組態(tài)關(guān)聯(lián)界面（2）比例增益類型為數(shù)值型，其作用為：MCGS主控界面上的按鈕與PID程序塊上的通道相連接，可以在上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面上修改比例增益。（3）采樣開關(guān)類型為數(shù)值型，其作用為：MCGS主控界面上的按鈕與PID程序塊上的通道相連接，可以在上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面上修改采樣時間。（4）積分時間類型為數(shù)值型，其作用為：MCGS主控界面上的按鈕與PID程序塊上的通道相連接，可以在上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面上修改積分時間

35、。（5）微分時間類型為數(shù)值型，其作用為：MCGS主控界面上的按鈕與PID程序塊上的通道相連接，可以在上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面上修改微分時間。（6）溫度設定控制器類型為數(shù)值型，其作用為：MCGS主控界面上的按鈕和組態(tài)上的設定值（SV）相關(guān)聯(lián)，可以在上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面上修改溫度設定值。（7）PID輸出值類型為數(shù)值型，其作用為：MCGS主控界面上的顯示框和組態(tài)上的輸出值（OP）相關(guān)聯(lián)，可以用來在上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面上反映PID模塊反饋出來的需要調(diào)節(jié)的大小，也表示當前閥的開度。（8）蒸汽閥類型為數(shù)值型，其作用為：MCGS主控界面上的蒸汽閥和數(shù)據(jù)庫里的蒸汽閥相關(guān)聯(lián)，反映了上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面上蒸汽閥的變化。（9）

36、冷水閥類型為數(shù)值型，其作用為：MCGS主控界面上的冷水閥和數(shù)據(jù)庫里的冷水閥相關(guān)聯(lián)，反映了上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面上冷水閥的變化。（10）反應槽溫度測量值類型為數(shù)值型，其作用為：MCGS主控界面上的顯示框和組態(tài)上的測量值（PV）相關(guān)聯(lián)，反映了上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面上當前反應槽的溫度測量值。溫度組類型為租對象，作用為：將需要實時監(jiān)控的3個數(shù)據(jù)，溫度設定控制器、反應槽溫度測量值和PID輸出值放在一起比較，用來繪制實時曲線圖、歷史曲線圖和數(shù)據(jù)顯示圖。以上的數(shù)據(jù)對象的圖例均可參照圖6.1、圖6.2。實時數(shù)據(jù)庫與PLC通道連接列表如表6.3所示。 表6.3 實時數(shù)據(jù)庫與PLC通道連接表對應數(shù)據(jù)對象通道名稱PID調(diào)節(jié)

37、開關(guān)比例增益采樣開關(guān)積分時間微分時間溫度設定控制器PID輸出值蒸汽閥冷水閥反應槽溫度測量值M10.0VD412VD416VD420VD424VD504VD508VD1988VD1998VD5006.3 監(jiān)控界面設計 根據(jù)課題的要求，按照監(jiān)控界面框架來設計實時監(jiān)控界面窗口，系統(tǒng)框架如圖6.3所示。TC冷水A.C蒸汽A.O圖6.3 監(jiān)控界面框架在用戶窗口界面中新建一個窗口，取名為“間歇式分程控制”，右鍵該窗口，選定“設置為啟動窗口”，在右鍵菜單的屬性中，選中基本屬性標簽頁，選中“最大化顯示”，在擴充屬性標簽頁中，顯示標題欄和顯示控制欄上也要打上勾。在界面的左邊放置設備。反應器和抽水泵，蒸汽閥和冷水

38、閥附近的連線都要用可以顯示流動效果的水管；溫度傳感器會實時監(jiān)控反應槽內(nèi)部溫度，并把測定值在溫度控制器里和設定值進行一定的判斷，靠控制器把值再傳給蒸汽閥或者冷水閥；在控制器和反應槽附近設置實時監(jiān)測的方框，用來實時反映它們溫度的變化。設計完成的監(jiān)控界面如圖6.4所示。圖6.4 主控界面圖界面的右邊放置重要參數(shù)設定和監(jiān)控的方框圖。（1）參數(shù)的設定a.設定值（SV）黑框中要加入“設置”按鈕，和設備窗口中的“溫度設定控制器”相連接，圖6.5 按鈕的動畫組態(tài)屬性設置在“按鈕輸入”標簽頁的提示信息中輸入：手動輸入設定值（0100）。如圖6.5所示。 b.測量值（PV） 雙擊“測量值”方框，在動畫組態(tài)屬性設置

39、中選中“顯示輸出”標簽頁，表達式選擇“反應槽溫度測量值”，輸出值類型選擇“數(shù)值量輸出”。c.輸出值（OP）%雙擊“輸出值”方框，在動畫組態(tài)屬性設置中選中“顯示輸出”標簽頁，表達式選擇“PID輸出值”，輸出值類型選擇“數(shù)值量輸出”。d.比例度（1/P）黑框中要加入“設置”按鈕，和設備窗口中的“比例增益”相連接，在“按鈕輸入”標簽頁的提示信息中輸入：手動輸入設定值（09999）。e.積分時間（Ti）黑框中要加入“設置”按鈕，和設備窗口中的“積分時間”相連接，在“按鈕輸入”標簽頁的提示信息中輸入：手動輸入設定值（09999）。f.微分時間（Td）黑框中要加入“設置”按鈕，和設備窗口中的“微分時間”相

40、連接，在“按鈕輸入”標簽頁的提示信息中輸入：手動輸入設定值（09999）。g.采樣時間（Ts）黑框中要加入“設置”按鈕，和設備窗口中的“采樣時間”相連接，在“按鈕輸入”標簽頁的提示信息中輸入：手動輸入設定值（09999）。（2）“實時曲線”、“歷史曲線”、“數(shù)據(jù)瀏覽”和“退出實驗”四個按鈕的設置l 雙擊“實時曲線”按鈕，彈出標準按鈕構(gòu)件的菜單，在操作屬性標簽頁中，“打開用戶窗口”下拉菜單中選擇“實時曲線”；l 雙擊“歷史曲線”按鈕，彈出標準按鈕構(gòu)件的菜單，在操作屬性標簽頁中，“打開用戶窗口”下拉菜單中選擇“歷史曲線”；l 雙擊“數(shù)據(jù)瀏覽”按鈕，彈出標準按鈕構(gòu)件的菜單，在操作屬性標簽頁中，“打開

41、用戶窗口”下拉菜單中選擇“數(shù)據(jù)顯示”；l 雙擊“退出實驗”按鈕，彈出標準按鈕構(gòu)件的菜單，在操作屬性標簽頁中，“打開用戶窗口”下拉菜單中選擇“退出實驗”。（3）“PID開閉”按鈕的設置雙擊“PID開閉”按鈕，彈出標準按鈕構(gòu)件的菜單，在操作屬性標簽頁中，“數(shù)據(jù)對象值操作”下拉菜單中選擇“取反”，和“PID調(diào)節(jié)開關(guān)”設備相連接。（4）“退出提示”和“主菜單”窗口的添加a. 在用戶窗口中新建 “退出提示”和“主菜單”窗口，“退出提示”窗口中，新建“是（Y）”按鈕，雙擊該按鈕，在操作屬性欄中，選中打開用戶窗口，下拉菜單選中“主菜單”；選中關(guān)閉用戶窗口，下拉菜單選中“退出提示”?！巴顺鎏崾尽贝翱谥?，新建“

42、否（N）”按鈕，雙擊該按鈕，在操作屬性欄中，選中打開用戶窗口，下拉菜單選中“間歇式分程控制”；選中關(guān)閉用戶窗口，下拉菜單中選中“退出提示”。b.“主菜單”窗口中，新建一個“實驗一、間歇式分程控制系統(tǒng)工程演示”按鈕，選中打開用戶窗口，下拉菜單選中“間歇式分程控制”；“主菜單”窗口中，新建一個“退出實驗目錄”按鈕，雙擊打開動畫連接，在按鈕動作中選中關(guān)閉用戶窗口，在下拉菜單中選擇“主菜單”。 （1）數(shù)據(jù)顯示圖的設定a.在“用戶窗口”中，新建一個窗口，窗口名稱、標題均設置為“數(shù)據(jù)顯示”b.雙擊“數(shù)據(jù)顯示”窗口，進入動畫組態(tài)。c.一個標題：間歇式分程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示； 四個注釋：實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。d.

43、選取“工具箱”中的“自由表格”圖標，在桌面適當位置，繪制一個表格。e.雙擊表格進入編輯狀態(tài)。改變單元格大小。f.在A列的五個單元格中分別輸入：設定溫度、實時溫度、輸出值、蒸汽閥、冷水閥；B列的五個單元格中均輸入：1|0,表示輸出的數(shù)據(jù)有1位小數(shù)，無空格。g.在B列中，選中設定溫度對應的單元格，單擊右鍵。從彈出的下拉菜單中選取“連接”項。h.再次單擊右鍵，彈出數(shù)據(jù)對象列表，雙擊數(shù)據(jù)對象“溫度設定控制器”，B列一行單元格所顯示的數(shù)值即為“溫度設定控制器”的數(shù)據(jù)。i.按照上述操作，將B列的2、3、4、5行分別與數(shù)據(jù)對象：實時溫度、輸出值、蒸汽閥、冷水閥建立連接。j.進入“主控窗口”中，單擊“菜單組態(tài)

44、”，增加一名為“數(shù)據(jù)顯示”的菜單，菜單操作為：打開用戶窗口：數(shù)據(jù)顯示。表格如圖6.6所示。圖6.6 數(shù)據(jù)顯示圖 （2）利用歷史表格動畫構(gòu)件實現(xiàn)歷史報表a. 在“數(shù)據(jù)顯示”組態(tài)窗口中，選取“工具箱”中的“歷史表格”構(gòu)件，在適當位置繪制一歷史表格。b. 雙擊歷史表格進入編輯狀態(tài)。使用編輯條制作一個5行4列的表格。列表頭，分別為：采集時間、設定溫度、實時溫度、輸出值。數(shù)值輸出格式，均為：1|0。c. 選中R2、R3、R4、R5，單擊右鍵，選擇“連接”選項。d. 點擊菜單欄中的“表格”菜單，選擇“合并表元”項，所選區(qū)域會出現(xiàn)反斜杠。e. 雙擊該區(qū)域，彈出數(shù)據(jù)庫連接設置對話框，具體設置如下：l 基本屬性

45、頁中，連接方式選?。涸谥付ǖ谋砀駟卧獌?nèi)，顯示滿足條件的數(shù)據(jù)記錄；按照從上到下的方式填充數(shù)據(jù)行；顯示多頁記錄。l 數(shù)據(jù)來源頁中，選取租對象對應的存盤數(shù)據(jù)；組對象名為：溫度組。l 顯示屬性頁中，點擊“復位”按鈕。l 時間條件頁中：排序列名：MCGS_TIME；升序；時間列名：MCGS_TIME;所有存盤數(shù)據(jù)。在實際生產(chǎn)過程控制中，對實時數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)的查看和分析是不可缺少的工作。但對大量數(shù)據(jù)僅做定量的分析還遠遠不夠，必須根據(jù)大量的數(shù)據(jù)信息，畫出曲線，分析曲線的變化趨勢并從中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，曲線處理在工控系統(tǒng)中也是一個非常重要的部分。（1） 實時曲線實時曲線構(gòu)件是用曲線顯示一個或多個數(shù)據(jù)對象數(shù)值的

46、動畫圖形，象筆繪記錄儀一樣實時記錄數(shù)據(jù)對象值的變化情況。具體制作步驟如下：l 雙擊進入“數(shù)據(jù)顯示”組態(tài)窗口。在實時報表的下方，使用標簽構(gòu)件制作一個標簽，輸入文字：實時曲線。l 單擊“工具箱”中的“實時曲線”圖標，在標簽下方繪制一個實時曲線并調(diào)整大小。l 雙擊曲線，彈出“實時曲線構(gòu)件屬性設置”窗口，設置：l 在基本屬性頁中，Y軸主劃線設為：5；其他不變。l 在標注屬性頁中，時間單位設為：秒鐘；小數(shù)位數(shù)設為：1；最大值設為：100；其他不變。l 在畫筆屬性頁中，將：曲線1對應的表達式設為：PID輸出值；顏色為：黃色。 曲線2對應的表達式設為：反應槽溫度測量值；顏色為：藍色。曲線3對應的表達式設為：

47、溫度設定控制器；顏色為：紅色。l 點擊“確認”即可。這時，在運行環(huán)境中單擊“數(shù)據(jù)顯示”菜單，就可看到實時曲線。雙擊曲線可以將其放大。實時曲線如圖6.7所示。圖6.7 實時曲線（2） 歷史曲線歷史曲線構(gòu)件實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的曲線瀏覽功能。運行時，歷史曲線構(gòu)件能夠根據(jù)需要畫出相應歷史數(shù)據(jù)的趨勢效果圖。歷史曲線主要用于事后查看數(shù)據(jù)和狀態(tài)變化趨勢和總結(jié)規(guī)律。制作步驟如下：l 在“數(shù)據(jù)顯示”窗口中，使用標簽構(gòu)件在歷史報表下方制作一個標簽，輸入文字：歷史曲線。l 在標簽下方，使用“工具箱”中的“歷史曲線”構(gòu)件，繪制一個一定大小的歷史曲線圖形。l 雙擊該曲線，彈出“歷史曲線構(gòu)件屬性設置”窗口，進行如下設置:l

48、在基本屬性頁中，將：曲線名稱設為：液位歷史曲線；Y軸主劃線設為：5；背景顏色設為：白色。l 在存盤數(shù)據(jù)屬性頁中，存盤數(shù)據(jù)來源選擇租對象對應的存盤數(shù)據(jù)，并在下拉菜單中選擇：溫度組；l 在曲線標識頁中，選中曲線1，曲線內(nèi)容設為：PID輸出值；顏色為：黃色；工程單位為；小數(shù)位數(shù)設為：1；最大值設為：100；實時刷新設為：PID輸出值；其他不變。選中曲線2，反應槽溫度測量值；顏色為：藍色；工程單位為；小數(shù)位數(shù)設為：1；最大值設為：100；實時刷新設為：反應槽溫度測量值；其他不變。選中曲線3，曲線內(nèi)容設為：溫度設定控制器；顏色為：紅色；工程單位為；小數(shù)位數(shù)設為：1；最大值設為：100；實時刷新設為：溫度

49、設定控制器；其他不變。l 在高級屬性頁中，選中： 運行時顯示曲線翻頁操作按鈕； 運行時顯示曲線放大操作按鈕； 運行時顯示曲線信息顯示窗口； 運行時自動刷新；l 將刷新周期設為：1秒；并選擇在60秒后自動恢復刷新狀態(tài)。l 進入運行環(huán)境，單擊“數(shù)據(jù)顯示”菜單，打開“數(shù)據(jù)顯示窗口”，就可以看到實時報表，歷史報表，實時曲線，歷史曲線5。 歷史曲線如圖6.8所示。圖6.8 歷史曲線7 系統(tǒng)調(diào)試打開STEP 7-Micro/WIN V4.0程序，將編譯正確的PLC程序下載。因為MCGS組態(tài)在運行仿真的時候和STEP 7-Micro/WIN V4.0程序在S7200的使用上有沖突，所以，當下載完了以后要關(guān)閉STEP 7-Micro/WIN V4.0程序，點擊“保存項目的改動”，然后打開MCGS，按“F5”運行組態(tài)。（1） 初始參數(shù)在M