精品資料（2021-2022年收藏的）生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設計PLC控制

1、裝訂線畢業(yè)設計（論文）報告紙畢業(yè)設計（論文）任務書課題名稱 生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設計（PLC控制）學院(部) 電子與控制工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 28040501 學生姓名 周良軍 學 號 2804050124 月 日至 月 日共 周指導教師(簽字) 教學院長(簽字) 年 月 日畢業(yè)設計任務書一、 設計內容（論文闡述的問題） 本設計的背景是利用造紙工業(yè)產(chǎn)生的廢液生產(chǎn)顆粒狀復合肥料,要求為該生產(chǎn)過程設計相應的控制系統(tǒng)。 造紙企業(yè)污染排放是我國水污染的一個主要原因。將造紙廠的廢水直接排放會導致生態(tài)環(huán)境嚴重惡化，而廢水污染治理不僅技術復雜，而且投資很大，因此造紙廢液治理成為企業(yè)和社會

2、日益關注的問題。 另一方面，造紙黑液也含有大量的可利用成分，其中含氮、鉀（硫酸鉀）、磷、硅及有機物等因此?？梢詫⒃旒垙S排出的黑液濃縮后，與有機質預配料混合,再通過噴霧干燥成復合肥，達到治理造紙黑液的目的。利用造紙工業(yè)產(chǎn)生的廢液生產(chǎn)顆粒狀復合肥的簡化工藝過程如圖所示。由圖可見，經(jīng)濃縮后的造紙黑液經(jīng)泵P1送入1#儲料罐，有機配料濃液經(jīng)泵P2送入2#儲料罐中。經(jīng)泵P3、P4將兩種液體輸入反應器3#罐中，先加熱到一定溫度，然后進行攪拌。攪拌一段時間后由P5送入4#原料罐中，再由高壓泵P5打入壓力式干燥器中進行干燥處理，產(chǎn)品由干燥器下部收集。 對上述過程控制要求如下： 一、用PLC實現(xiàn)邏輯控制： (1)

3、按下總啟動按鈕,P1、P2啟動運行，將濃縮造紙黑液和配料濃液分別打入1#、2#罐；（2） 1#、2#罐控制： 1#、2#罐液位達到上限時 P1、P2，P3、P4 ；1#、2#罐液位達到上限時P3、P4，P1、P2。（3） 3#罐控制 3#罐液位達到上限時：1） P3、P4；2） 電加熱器，加熱到40OC時，電加熱器，攪拌電機；3） 攪拌時間到2min時攪拌電機，P5。 3#罐液位達到下限時，P5。（4）4#原料罐控制： P5 4#罐液位達到上限時送風機電磁閥VP6 P5 4#罐液位達到下限時 P6電磁閥V送風機二、過程參數(shù)檢測：1、 反應器溫度；2、干燥器溫度；3、蒸氣加熱器出口溫度；4、高壓

4、泵P6出口壓力5、14#罐液位指示三、用自動化儀表實現(xiàn)干燥器內溫度控制控制：1、 控制方案設計（控制量、干擾量等）2、 調節(jié)器選擇（型號、控制規(guī)律、正/反作用等）3、 調節(jié)閥（作用形式、流量特性等）4、 工程設計（儀表接線圖等）四、設計原始資料（實驗、研究方案）1、 1#、2#罐尺寸×H(mm)：3000×5000；反應器尺寸×H(mm)：2000×30004#罐尺寸×H(mm)：5000×80002、 高壓泵壓力(Mpa)：263、 干燥器進風溫度(°C)：300-3504、 反應器電加熱功率(KW)：305、 P1P4功

5、率（KW）：5.5； P5功率（KW）：7.5； P6功率（KW）：12；6、送風機功率（KW）：7.5三、設計完成后提交的文件和圖表（論文完成后提交的文件）1. 計算說明書部分：（1） 設計背景及工藝過程描述（2） FX2N系列PLC的主要特點（3） 過程控制系統(tǒng)的工程設計方法（4） PLC控制系統(tǒng)構成（5） 干燥器溫度控制方案的確定（6） 過程檢測控制儀表及主要控制電器選擇（7） PLC邏輯控制程序的設計及分析說明（8） 元件名稱及符號一覽表（9） 設計總結2、圖紙部分： 1、控制工藝流程圖 2、主電路原理圖 3、PLC接線原理圖 4、過程控制方框圖 5、控制柜元件布置圖 6、儀表接線圖

6、注：以上圖紙任選一張手工繪制。四、畢業(yè)設計（論文）進程安排序號 設計（論文）各階段名稱 日期（教學周）1 收集資料，學習相關知識 2 過程控制系統(tǒng)設計 3 PLC控制系統(tǒng)邏輯控制系統(tǒng)設計 4 PLC控制程序的設計 5 工程圖紙繪制、審定 6 設計完善，答辯準備 五、主要參考資料 長安大學畢業(yè)設計（論文）開題報告表課題名稱生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設計（PLC控制）課題來源自選項目課題類型工程設計指導教師王儉老師學生姓名周良軍學 號2804050124專 業(yè)電氣工程及其自動化一、課題意義：可編程控制器（PLC）產(chǎn)生于上世紀六十年代，作為一種新興的工業(yè)控制設備，它集合了計算機技術和自動化技術。其靈活可靠、功

7、能強大、使用方便的優(yōu)點，使得可編程控制器在控制系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。隨著科技的飛速發(fā)展，現(xiàn)在的可編程控制器已經(jīng)擁有了很多的功能，可以用于邏輯控制、模擬控制、設備控制、自動化生產(chǎn)控制等。還可以與其他的計算機等設備組成集散控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破髦阅艿玫斤w速發(fā)展，是因為它和傳統(tǒng)的電器控制相比有很多優(yōu)點，它繼承了傳統(tǒng)控制方式的控制效果和功能，它還有傳統(tǒng)控制方式無法實現(xiàn)的功能。具體的說，相對于傳統(tǒng)的控制方式，它有以下優(yōu)點：1.控制方法，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制邏輯采用硬件接線，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)等組合進行控制邏輯，其明顯的缺點是線多且復雜、體積大、功耗大。系統(tǒng)一旦架構完畢，將無法進行實時的系統(tǒng)

8、改進和升級?？删幊炭刂破饕驗椴捎昧擞嬎銠C技術，其邏輯是以方程式的方式存在存儲器里，因此，在結構上體積小、接線少、功耗小。觸點結構也可以靈活的擴展。2.控制速度，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)依靠機械觸點的動作以實現(xiàn)控制，工作頻率低，機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。而PLC通過程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制的，速度快， 程序指令執(zhí)行時間在微秒級，且不會出現(xiàn)觸點抖動問題。3.控制精度，傳統(tǒng)控制電路由于機械接觸問題，無法達到可編程控制器精度高。4.可靠性，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)用機械觸點接觸，其存在機械磨損、電弧燒傷等，壽命短，系統(tǒng)的連線多，所以可靠性和可維護性較差。而PLC大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，其壽命長、可

9、靠性高，PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調試和維護提供了方便。正因為上述優(yōu)點，可編程控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中的普遍應用是勢在必行。對于造紙廢液處理系統(tǒng)，使用可編程控制系統(tǒng)進行控制，也能極大的提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本。二、課題的目前發(fā)展狀況隨著技術的發(fā)展和市場需求的增加，PLC的結構和功能正在不斷的改進，各個廠家也在不斷推出自己的新產(chǎn)品，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度很快。在造紙廢液處理這個領域，傳統(tǒng)的技術大多使用的傳統(tǒng)的控制方式繼電器式。但是很多大型現(xiàn)代化的污水處理企業(yè)已經(jīng)開始使用PLC控制系統(tǒng)。相比之下，PLC控制系統(tǒng)在控制性能和了或新性上

10、都超過傳統(tǒng)控制方式，在行業(yè)內也得到了廣泛的認可。逐步在新一輪的技術改造中占據(jù)優(yōu)勢。PLC正朝著兩個方向發(fā)展，一是微小型，具有體積更小、速度更快、功能更強、多功能、兼容性更好等特點，為小型化、低成本的控制要求服務；二是大型，在具有以上特點的同時，還具有網(wǎng)絡化、通信等特點，以滿足組網(wǎng)功能，組建整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。在造紙行業(yè)的應用，也會是朝著這個方向發(fā)展。三、 設計方案的初步考慮(或“主要技術路線”)造紙廢液生產(chǎn)顆粒狀復合肥料（plc）控制系統(tǒng)主要分兩大（系統(tǒng)）部分組成，一是配料反應系統(tǒng)，二是干燥處理系統(tǒng)。配料反應系統(tǒng)：要實現(xiàn)配料，其方法大致有：1、通過調節(jié)泵P3、P4的流量來實現(xiàn)對原料成比例

11、注入反應罐的控制。2、通過調節(jié)1#、2#罐的液位上下限來實現(xiàn)對原料成比例注入反應罐的控制。3、在反應罐中設置上中下三個液位限，按先后順序注兩種原料，以此來實現(xiàn)對原料成比例注入反應罐的控制。本反應罐需要一定的時間進行加熱和攪拌，所以無需連續(xù)注入原料，因此，選擇第三種方式實現(xiàn)。反應罐中恒溫攪拌階段溫度波動小于±1，其控制過程示意圖如圖所示：調節(jié)器溫度檢測反應罐干燥處理系統(tǒng)：原材料經(jīng)過反應、加熱、攪拌等工序以后，形成了高濃度的糊狀物質，儲存在4#原料罐中，經(jīng)過高壓泵P6打入到干燥器中，干燥后最終得到我們的產(chǎn)品。要實現(xiàn)該干燥過程的自動控制，首先要選擇出合適的被控參數(shù)，要檢測產(chǎn)品是否干燥合格，

12、最直接的方法就是檢測產(chǎn)品中的水分，但是由于技術等原因，測量水分十分困難，所以，我們選擇干燥器溫度作為被控參數(shù)。溫度波動小于±2.在干燥過程中分別有原料流量、空氣量、蒸汽量影響干燥器溫度，分別會形成不同的控制方式，具體的控制示意圖分別如下：圖1圖2圖3按照圖1使用原料流量作為控制參數(shù)時，控制通道滯后最小，對干燥溫度的校正是最靈敏的，繞的通道的時間延遲大并且作用位置靠近調節(jié)閥，從控制方面來看是最好的選擇。但是，該生產(chǎn)過程的最終產(chǎn)品是顆粒狀的復合肥料，要檢測產(chǎn)品的生產(chǎn)能力會很難實現(xiàn)，因此，圖1所示控制工藝不可取。圖2、圖3所示控制工藝區(qū)別在于：由于換熱器是一雙容對象，時間常數(shù)大，因而采用風

13、量為控制參數(shù)時，圖2控制系統(tǒng)的控制通道的時間常數(shù)小，擾動通道的時間常數(shù)則大；采用蒸汽量為控制參數(shù)時（圖3），控制通道時間常數(shù)大，擾動通道時間常數(shù)反而小。此外，采用風量為控制參數(shù)時，擾動作用點位置靠近調節(jié)閥，根據(jù)相關選擇控制參數(shù)的原則，選擇空氣量為控制參數(shù)的方案為最佳，亦即圖2控制方案。四、 課題的進程安排1、2月20日4月5日 收集資料，學習相關知識2、4月5日4月20日 。控制方案設計3、4月20日5月5日 ?？傮w設計4、5月5日5月15日 。控制程序設計5、5月15日5月20日 工程圖紙繪制、審定6、5月20日6月1日 設計完善，答辯準備指導教師意見及建議：指導教師簽名： 年 月 日注：1

14、、課題來源分為：國家重點、省部級重點、學校科研、校外協(xié)作、實驗室建設和自選項目；課題類型分為：工程設計、專題研究、文獻綜述、綜合實驗。 2、此表由學生填寫，交指導教師簽署意見后方可開題。摘 要在我國，造紙業(yè)是傳統(tǒng)的用水大戶，造紙企業(yè)污水排放是我國水污染的一個主要原因。將造紙廠的廢水直接排放會導致生態(tài)環(huán)境嚴重惡化，而廢水污染治理技術復雜，投資大，造紙廢液治理成為企業(yè)和社會日益關注的問題。另一方面，造紙黑液也含有大量的可利用成分，其中含氮、鉀、磷、硅及有機物等。因此，可以將造紙廠排出的廢液濃縮后，與有機質預配料混合,再通過噴霧干燥成復合肥，達到治理造紙廢液的目的。本設計的背景是利用造紙工業(yè)產(chǎn)生的廢

15、液生產(chǎn)顆粒狀復合肥料，要求為該生產(chǎn)過程設計相應的自動控制系統(tǒng)。首先要通過工藝流程確定控制內容，根據(jù)控制內容確定系統(tǒng)控制方案。系統(tǒng)中包含邏輯控制和過程控制。邏輯控制是控制生產(chǎn)過程中各臺設備的起停，用FX2N系列PLC編程實現(xiàn)。過程控制是對干燥器內的溫度進行控制，令其保持在一定的數(shù)值，過程控制部分用常規(guī)儀表實現(xiàn)。整個設計通過邏輯控制與過程控制的配合，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程全自動，保證產(chǎn)品質量，進行故障報警及顯示關鍵字：生產(chǎn)過程，控制系統(tǒng)，PLC，儀表ABSTRACTIn our country, papermaking industry is one of the traditional using w

16、ater rich and influential family also is one of the important pollution sources of the water pollution. Sewage of paper mills is a major cause of water pollution in China. The direct discharge of wastewater will lead to serious deterioration of the ecological environment, and the technology of sewag

17、e treatment is complex, the investment in sewage treatment is large. Paper Mill sewage treatment become increasingly concerned. On the other hand, Sewage of paper mill also contains a lot of the available ingredients, including nitrogen, potassium, phosphorus, silicon and organism and so on. Therefo

18、re, we can concentrate the sewage of paper mills, and mix it with organic ingredients, then dry it to fertilizer by spray, so that the paper waste water can be treated.The background of the design is to use the waste water from paper industry product fertilizer, it makes demands on designing the aut

19、omatic control system for the product process. First of all, determine control content through the process, determine system control programme according to the control content. In this system, it included the logic control and process control. Logic control is to control that when an equipment shoul

20、d start or stop in the production process by programming with FX2N PLC. Process control is to control temperature in the dryer, using conventional instruments to maintain a certain value.By the logic control and the process control, this design can automate the production process, ensure the quality

21、 of product, make fault alarm and display.key word：production process, PLC, control systems, instrument目錄畢業(yè)設計任務書2長安大學畢業(yè)設計（論文）開題報告表5摘 要10ABSTRACT11目錄12第一章 緒論141.1 造紙廢液處理的意義141.2 過程控制技術的發(fā)展141.3 可編程邏輯控制器（PLC）的發(fā)展151.4 PLC生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)16第二章 控制方案比較、設計172.1 工藝過程分析172.2 配料（混料）反應系統(tǒng)182.3 干燥處理系統(tǒng)192.4控制原理圖202.4 調節(jié)閥流

22、通能力的計算222.3.1 調節(jié)閥（空氣類介質）Kv值計算222.3.2 調節(jié)閥選擇的一般步驟232.3.3 本設計中調節(jié)閥內容的選擇232.4 PID控制算法232.4.1 模擬PID控制系統(tǒng)232.5.2 數(shù)字PID控制器242.5.3 PID算法的程序實現(xiàn)252.5.4 標準PID的改進26第三章 控制系統(tǒng)的硬件設計313.1 可編程控制器313.1.1 可編程控制器（PLC）313.1.2 可編程控制器的基本原理313.1.3 PLC工作過程的特點333.1.4 系列可編程控制器343.2 模擬量輸入模塊343.3 模擬量輸出模塊353.4 液位計363.5 溫度變送器373.6 壓力

23、變送器383.7 電動執(zhí)行機構393.8 其他元器件423.8.1 斷路器423.8.2 接觸器423.8.3 熱過載繼電器43第四章 控制系統(tǒng)軟件設計454.1 控制系統(tǒng)整體分析454.1.1 系統(tǒng)設計基本原則454.1.2 邏輯控制要求454.1.3 系統(tǒng)主電路圖464.1.4 輸入/輸出點數(shù)統(tǒng)計464.1.5 PLC最終選型484.2 造紙廢液處理控制程序設計與分析48第五章 系統(tǒng)控制參數(shù)整定555.1 系統(tǒng)采樣周期的選擇555.2 系統(tǒng)PID參數(shù)選擇56總結58致謝59參考文獻60附錄61附錄1 梯形圖61附錄2 程序清單67附錄3 元器件明細表72附錄4 常見液體粘度表74第一章 緒

24、論1.1 造紙廢液處理的意義造紙術作為我國古代“四大發(fā)明”之一，對人類文明的進步做出了巨大的貢獻，但現(xiàn)代造紙工業(yè)卻處在落后水平。在我國，造紙業(yè)是傳統(tǒng)的用水大戶，也是造成水污染的重要污染源之一。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，企業(yè)日益面臨水資源短缺、原料匱乏的問題，而另一方面，水污染也越來越嚴重。目前我國造紙工業(yè)廢水排放量及COD排放量均居我國各類工業(yè)排放量的首位，造紙工業(yè)對水環(huán)境的污染最為嚴重，它不但是我國造紙工業(yè)污染防治的首要問題，也是全國工業(yè)廢水進行達標處理的首要問題。據(jù)統(tǒng)計，我國縣及縣以上造紙及紙制品工業(yè)廢水排放量占全國工業(yè)總排放量的18.6%，其中處理排放達標量占造紙工業(yè)廢水總排放量的49.3%，排放

25、廢水中COD約占全國工業(yè)COD總排放量的44.0%。近年經(jīng)多方不懈努力，造紙工業(yè)水污染防治已經(jīng)取得了一定的成績，雖然紙及紙板產(chǎn)量逐年增加，但排放廢水中的COD卻逐年降低。由此看出，造紙工業(yè)初步實現(xiàn)了“增產(chǎn)減污”的目標。但目前造紙行業(yè)約占排放總量50%的廢水尚未進行達標處理，廢水污染防治任務還相當繁重。造紙黑液作為造紙工業(yè)的主要污染物，含有大量可利用成分。典型造紙黑液所含的污染雜質中，約有1/3為無機物，無機物主要包括大量的游離堿和硫化物。2/3為有機物，有機物主要是木質素、半纖維素、糖類和有機酸等。這些物質作為資源進行回收，就能化害為利，創(chuàng)造出極為可觀的價值。因此對造紙黑液的治理，只有走資源化

26、的道路，搞綜合利用，才能從根本上解決污染環(huán)境的問題，并在取得環(huán)境效益的同時，還可取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。1.2 過程控制技術的發(fā)展回顧工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展歷程，在20世紀40年代前后，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程均處于手工操作狀態(tài)。當時人們主要是憑經(jīng)驗由人工去控制生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中的關鍵參數(shù)靠人工觀察，生產(chǎn)過程中的操作也靠人工去執(zhí)行，勞動生產(chǎn)力相對低下。隨著科學技術整體的的發(fā)展和提高，生產(chǎn)過程控制技術不斷的進步，到20世紀90年代，生產(chǎn)過程控制技術更是發(fā)展迅速。縱觀過程控制的發(fā)展歷史，大致經(jīng)歷了以下幾個階段。儀表與局部自動化（50-60年代）階段部分工廠實現(xiàn)了儀表化合局部自動化，這個階段的過程控

27、制技術主要特點是；采用的過程檢測控制儀表為基地式儀表和部分單元組合式儀表，而且多數(shù)是氣動儀表；過程控制系統(tǒng)的結構方案絕大多數(shù)是單輸入-單輸出的單回路定植控制系統(tǒng)，逐步開發(fā)應用串級控制系統(tǒng)；過程控制的主要工藝參數(shù)為溫度、壓力、流量、液位等熱工參數(shù)；過程控制的主要目的是保持工業(yè)生產(chǎn)過程的生產(chǎn)穩(wěn)定，減少或消除生產(chǎn)過程中的主要擾動；過程控制系統(tǒng)設計、分析的理論基礎是經(jīng)典控制理論中的根軌跡法和頻域法。綜合自動化（60-70年代中期）階段在這一階段中，工業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)了一個車間甚至于一個工廠的綜合自動化，其主要特點是采用的過程檢測控制儀表是單元組合式儀表（QDZ和DDZ儀表）和組裝式儀表，并逐步采用數(shù)字計

28、算機以及以微處理器為基礎的集散控制系統(tǒng)；在過程控制系統(tǒng)結構方案的開發(fā)和應用方面，相繼出現(xiàn)了各種復雜的常規(guī)控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，如均勻控制、比值控制、前饋控制、分程控制、選擇性控制、多變量控制和DDC控制等；過程控制的主要目的是提高控制質量，或實現(xiàn)特種要求；過程控制系統(tǒng)設計的理論基礎，由經(jīng)典控制理論發(fā)展到現(xiàn)代控制理論；在這一時期，數(shù)字計算機開始應用于過程控制領域，如閉環(huán)計算機監(jiān)控系統(tǒng)（SCC），DDC系統(tǒng)、SPC系統(tǒng)，從而引起了過程控制技術的重大變化，實現(xiàn)了局部最優(yōu)化，推動了過程控制的新發(fā)展。全盤自動化（70年代中期至今）階段在這一階段里，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的程度很高，實現(xiàn)了全車間、全廠

29、的工藝流程控制，其主要的特點是：對全工廠或整個工藝流程的集中控制、應用計算機控制系統(tǒng)進行多參數(shù)綜合控制，或者由多臺計算機對生產(chǎn)過程進行控制和經(jīng)營管理；以微處理器為核心的智能單元組合儀表的開發(fā)和廣泛應用；在線成分檢測與數(shù)據(jù)處理的測量變送器的應用；在DDZ-III型儀表方面，不僅產(chǎn)品品種增加，而且可靠性有了很大提高，適應了各種復雜控制系統(tǒng)的要求。1.3 可編程邏輯控制器（PLC）的發(fā)展可編程控制器（Programble Controller）由美國設備數(shù)字公司于60年代末首先開發(fā)出來，并在通用汽車公司的技術改造中得到了成功的應用。主要實現(xiàn)多種邏輯控制問題以取代傳統(tǒng)的繼電器硬接線方式控制系統(tǒng)，另外也

30、具備簡單的邏輯處理、計數(shù)、定時功能。到20世紀70年代后期，人們將微處理器應用于PLC中，使之成為一種專業(yè)的工業(yè)控制計算機，功能大大增強。逐漸成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的主要手段之一。PLC正朝著兩個方向發(fā)展，一是微小型，具有體積更小、速度更快、功能更強、多功能、兼容性更好等特點，為小型化、低成本的控制要求服務；二是大型，在具有以上特點的同時，還具有網(wǎng)絡化、通信等特點，以滿足組網(wǎng)功能，組建整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。隨著技術的發(fā)展和市場需求的增加，PLC的結構和功能正在不斷的改進，各個廠家也在不斷推出自己的新產(chǎn)品，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度很快。在造紙廢液處理這個領域，傳統(tǒng)的技術大多使用的傳統(tǒng)的控制方式繼電器式

31、。但是很多大型現(xiàn)代化的污水處理企業(yè)已經(jīng)開始使用PLC控制系統(tǒng)。相比之下，PLC控制系統(tǒng)在控制性能和了或新性上都超過傳統(tǒng)控制方式，在行業(yè)內也得到了廣泛的認可。逐步在新一輪的技術改造中占據(jù)優(yōu)勢。1.4 PLC生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)可編程控制器（PLC）作為一種新興的工業(yè)控制設備，它集合了計算機技術和自動化技術。其靈活可靠、功能強大、使用方便的優(yōu)點，使得可編程控制器在控制系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。隨著科技的飛速發(fā)展，現(xiàn)在的可編程控制器已經(jīng)擁有了很多的功能，可以用于邏輯控制、模擬控制、設備控制、自動化生產(chǎn)控制等。還可以與其他的計算機等設備組成集散控制系統(tǒng)。可編程控制器之所以能得到飛速發(fā)展，是因為它和傳統(tǒng)的電器

32、控制相比有很多優(yōu)點，它繼承了傳統(tǒng)控制方式的控制效果和功能，它還有傳統(tǒng)控制方式無法實現(xiàn)的功能。具體的說，相對于傳統(tǒng)的控制方式，它有以下優(yōu)點：1.控制方法，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制邏輯采用硬件接線，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)等組合進行控制邏輯，其明顯的缺點是線多且復雜、體積大、功耗大。系統(tǒng)一旦架構完畢，將無法進行實時的系統(tǒng)改進和升級。可編程控制器因為采用了計算機技術，其邏輯是以方程式的方式存在存儲器里，因此，在結構上體積小、接線少、功耗小。觸點結構也可以靈活的擴展。2.控制速度，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)依靠機械觸點的動作以實現(xiàn)控制，工作頻率低，機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題。而PLC通過程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制

33、的，速度快， 程序指令執(zhí)行時間在微秒級，且不會出現(xiàn)觸點抖動問題。3.控制精度，傳統(tǒng)控制電路由于機械接觸問題，無法達到可編程控制器精度高。4.可靠性，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)用機械觸點接觸，其存在機械磨損、電弧燒傷等，壽命短，系統(tǒng)的連線多，所以可靠性和可維護性較差。而PLC大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，其壽命長、可靠性高，PLC還具有自診斷功能，能查出自身的故障，隨時顯示給操作人員，并能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調試和維護提供了方便。第二章 控制方案比較、設計2.1 工藝過程分析利用造紙工業(yè)產(chǎn)生的廢液生產(chǎn)顆粒狀復合肥的簡化工藝過程如圖2-1所示：圖2-1 廢液生產(chǎn)顆粒狀復合肥簡化工藝

34、過程圖工藝過程可以如下描述，在顆粒復合肥的生產(chǎn)過程中，經(jīng)濃縮后的造紙黑液經(jīng)泵P1送入1#儲料罐，有機配料濃液經(jīng)泵P2送入2#儲料罐中。經(jīng)泵P3、P4將兩種液體輸入反應器3#罐中，先加熱到一定溫度，然后進行攪拌。攪拌一段時間后由P5送入4#原料罐中，再由高壓泵P5打入壓力式干燥器中進行干燥處理，產(chǎn)品由干燥器下部收集。通過對整個工藝過程的分析，可以將該生產(chǎn)過程分為兩大部分，如圖2-2所示，即混料反應過程和干燥工程。圖2-2 生產(chǎn)工藝示意方框圖據(jù)此，我們將造紙廢液生產(chǎn)顆粒狀復合肥料（plc）控制系統(tǒng)主要分兩大（系統(tǒng)）部分組成：一是配料（混料）反應系統(tǒng)，如圖2-3所示；二是干燥處理系統(tǒng)，如圖2-4所示

35、。圖2-3 配料（混料）反應系統(tǒng)圖2-4 干燥系統(tǒng)2.2 配料（混料）反應系統(tǒng)圖2-3配料（混料）反應系統(tǒng)的工藝過程控制儀描述為，將1#、2#罐中的反應液按一定得要求倒入3#反應罐中，進行加熱到T,然后進行攪拌工序，攪拌t時間后，將3#罐中的混合料打入4#罐中，準備進入干燥系統(tǒng)。如何將1#、2#罐中的原料注入3號罐中，以實現(xiàn)原料的按比例注入，其方法大致有以下幾種：第一種設計方法，通過調節(jié)泵P3、P4的流量來實現(xiàn)對原料成比例注入反應罐的控制。該設計方法能夠實時的實現(xiàn)原料的按比例注入，更利于原料的混合，但是要通過PLC實現(xiàn)，則需要采用比例，比例-積分-微分等復雜的控制。對現(xiàn)場的儀表、設備及整個系統(tǒng)

36、的要求比較高。第二種設計方法，通過調節(jié)1#、2#罐的液位上下限來實現(xiàn)對原料成比例注入反應罐的控制。該設計方法利用簡單的設備，即實現(xiàn)了原料的按比例注入，考慮到3#反應罐在混料后有攪拌過程，所以，這種方法也不會出現(xiàn)原料混合不均的情況。但是，這種方法卻無法最好的利用大容量的1#、2#儲料罐的儲料功能。第三種設計方法，在反應罐中設置上中下三個液位限，按先后順序注兩種原料，以此來實現(xiàn)對原料成比例注入反應罐的控制。這種方法基本上克服了第一、二種方法中的缺點，同時，也滿足了基本的要求。經(jīng)過對已知三種方法的對比分析，在本設計中選擇第三種設計方法進行3#罐的原料按比例注入控制。2.3 干燥處理系統(tǒng)圖2-4干燥系

37、統(tǒng)的工藝過程可以描述為，來自1#、2#原料罐的原料在3#罐經(jīng)過反應、加熱、攪拌等工序以后，形成了高濃度的糊狀物質，儲存在4#原料罐中，經(jīng)過高壓泵P6打入到干燥器中，干燥后最終得到我們的產(chǎn)品。要實現(xiàn)該干燥過程的自動控制，首先要選擇出合適的被控參數(shù)，要檢測產(chǎn)品是否干燥合格，最直接的方法就是檢測產(chǎn)品中的水分，但是由于技術水平等原因，測量水分十分困難，所以，我們選擇干燥器溫度作為被控參數(shù)。溫度波動小于±1.在干燥過程中分別有原料流量、空氣量、蒸汽量影響干燥器溫度，分別會形成不同的控制方式，具體的控制示意圖分別如下：圖2-5 以混合料流量為控制參數(shù)的控制方案示意圖圖2-6 以進風量為控制參數(shù)的

38、控制方案示意圖圖2-7 以蒸汽量為控制參數(shù)的控制方案示意圖說明：f1(t)混合料流量；f2(t)風量；f3(t)蒸汽量。按照圖2-5使用混合料流量作為控制參數(shù)時，控制通道滯后最小，對干燥溫度的校正是最靈敏的，繞的通道的時間延遲大并且作用位置靠近調節(jié)閥，從控制方面來看是最好的選擇。但是，該生產(chǎn)過程的最終產(chǎn)品是顆粒狀的復合肥料，要檢測產(chǎn)品的生產(chǎn)能力會很難實現(xiàn)，因此，圖2-5所示控制工藝不可取。圖2-6、圖2-7所示控制工藝區(qū)別在于：由于換熱器是一雙容對象，時間常數(shù)大，因而采用風量為控制參數(shù)時，圖2-6控制系統(tǒng)的控制通道的時間常數(shù)小，擾動通道的時間常數(shù)則大；采用蒸汽量為控制參數(shù)時（圖2-7），控制通

39、道時間常數(shù)大，擾動通道時間常數(shù)反而小。此外，采用風量為控制參數(shù)時，擾動作用點位置靠近調節(jié)閥，根據(jù)相關選擇控制參數(shù)的原則，選擇空氣量為控制參數(shù)的方案為最佳，亦即圖2-6控制方案。2.4控制原理圖圖2-8 控制原理圖2.4 調節(jié)閥流通能力的計算調節(jié)閥額定流量系數(shù)的定義是：在規(guī)定條件下，即閥的兩端壓差為105Pa，流體的密度為1g/cm3，額定行程時流經(jīng)調節(jié)閥以m3/h或t/h的流量數(shù)。調節(jié)閥的流通能力值，是調節(jié)閥的重要參數(shù)，它反映流體通過調節(jié)閥的能力，也就是調節(jié)閥的容量。根據(jù)調節(jié)閥流通能力值的計算，就可以確定選擇調節(jié)閥的口徑。為了正確選擇調節(jié)閥的尺寸，必須準確計算調節(jié)閥的額定流量系數(shù)值。2.3.1

40、 調節(jié)閥（空氣類介質）Kv值計算調節(jié)閥的流通能力Kv值，介質不同，算法也不同。本設計選用的調節(jié)閥是用來控制進風量的，屬于氣體類介質，所以計算Kv值夜選用氣體類算法。a.一般氣體當P2>0.5P1時當P20.5P1時式中：P1閥前壓力（絕對壓力）KPa；P2閥后壓力（絕對壓力）KPa；Qg標準狀態(tài)下氣體流量m3/h；Pm(P1、P2為絕對壓力)KPa；P=P1-P2；G氣體比重（空氣G=1）；t氣體溫度；b.高壓氣體（PN>10MPa）；當P2>0.5P1時， 當P20.5P1時，式中：Z氣體壓縮系數(shù)，可查GB2624-81流量測量節(jié)流裝置的設計安裝和使用。2.3.2 調節(jié)閥選

41、擇的一般步驟（1）首先根據(jù)生產(chǎn)能力和設備負荷計算最大流量Qmax和最小流量Qmin。（2）根據(jù)所選擇的流量特性及系統(tǒng)特點選定S值，然后再根據(jù)壓力分配和管路損失，確定最小壓差Pmin和最大壓差Pmax。（3）按流通能力計算公式，求行最大流量時的Kvs。（4）根據(jù)Kvs在所選產(chǎn)品型式的標準，選取大于Kvs并接近的Kv值。（5）根據(jù)選定的Kv值和流量特性，驗證調節(jié)閥的開度，要求開度在10%與90%之間。（6）計算R，驗算可調比。（7）名項驗證合格后，根據(jù)Kv值確定調節(jié)閥的口徑。2.3.3 本設計中調節(jié)閥內容的選擇1、在過程控制系統(tǒng)中，調節(jié)閥的、必須很好的選擇，在正常情況下要求調節(jié)閥的開度在15%-8

42、5%之間。這樣才能避免口徑選擇不合適。如果過小，當系統(tǒng)受到較大擾動時，調節(jié)閥可能運行在全開或者接近全開的非線性飽和工作狀態(tài)，使系統(tǒng)暫時失靈。當口徑過大時，系統(tǒng)運行過程中閥門就會長時間處在小開度狀態(tài)，不但調節(jié)不靈敏，而且易造成流體對調節(jié)閥本身的損壞。2、綜合考慮，選擇電開式、氣開始調節(jié)閥，這樣符合選擇調節(jié)閥的相關原則。2.4 PID控制算法PID控制分為模擬PID控制和數(shù)字PID控制兩種方法，兩種控制的基本原理雖然一樣，但是由于其實現(xiàn)的方法不一樣，所以兩者還是有一定的差別。2.4.1 模擬PID控制系統(tǒng)一、模擬PID控制系統(tǒng)組成 圖2-9 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖二、模擬PID調節(jié)器的微分方程

43、和傳輸函數(shù)PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。 1、PID調節(jié)器的微分方程 式中 2、PID調節(jié)器的傳輸函數(shù) 三、PID調節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從

44、而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。2.5.2 數(shù)字PID控制器一、模擬PID控制規(guī)律的離散化模擬形式離散化形式二、數(shù)字PID控制器的差分方程式中 稱為比例項 稱為積分項 稱為微分項三、常用的控制方式P控制 PI控制 PD控制 PID控制 四、PID算法的兩種類型 、位置型控制 、增量型控制 圖2-10 數(shù)字PID位置型控制示意圖圖2-11 數(shù)字PID增量型控制示意圖2.5.3 PID算法的程序實現(xiàn)一、增量型PID算法的程序流程1、增量型PID算法的算式 式中，2、增量型PID算法的程序流程 圖2-12 PID算法程序流程框圖 二、位置型PID算法的程序流程 1、位置型的遞推形式 2、位置型P

45、ID算法的程序流程圖519只需在增量型PID算法的程序流程基礎上增加一次加運算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。 三、對控制量的限制1、控制算法總是受到一定運算字長的限制2、執(zhí)行機構的實際位置不允許超過上(或下)極限 2.5.4 標準PID的改進一、微分項的改進1、不完全微分PID算法 、不完全微分型PID算法傳遞函數(shù) 圖2-13 不完全微分型PID算法傳遞函數(shù)框圖 、完全微分和不完全微分作用的區(qū)別 圖2-14 完全微分和不完全微分作用的區(qū)別 、不完全微分型PID算法的差分方程 4、不完全微分型PID算法的程序流程圖2-14 2、微分先行和輸入濾波 微分先行，微分先行是把

46、對偏差的微分改為對被控量的微分，這樣，在給定值變化時，不會產(chǎn)生輸出的大幅度變化。而且由于被控量一般不會突變，即使給定值已發(fā)生改變，被控量也是緩慢變化的，從而不致引起微分項的突變。微分項的輸出增量為 輸入濾波，輸入濾波就是在計算微分項時，不是直接應用當前時刻的誤差e(n)，而是采用濾波值e(n)，即用過去和當前四個采樣時刻的誤差的平均值，再通過加權求和形式近似構成微分項 二、積分項的改進1、抗積分飽和積分作用雖能消除控制系統(tǒng)的靜差，但它也有一個副作用，即會引起積分飽和。在偏差始終存在的情況下，造成積分過量。當偏差方向改變后，需經(jīng)過一段時間后，輸出u(n)才脫離飽和區(qū)。這樣就造成調節(jié)滯后，使系統(tǒng)出

47、現(xiàn)明顯的超調，惡化調節(jié)品質。這種由積分項引起的過積分作用稱為積分飽和現(xiàn)象?？朔e分飽和的方法有：、積分限幅法，積分限幅法的基本思想是當積分項輸出達到輸出限幅值時，即停止積分項的計算，這時積分項的輸出取上一時刻的積分值。其算法流程如圖3-7所示。2、積分分離法積分分離法的基本思想是在偏差大時不進行積分，僅當偏差的絕對值小于一預定的門限值時才進行積分累積。這樣既防止了偏差大時有過大的控制量，也避免了過積分現(xiàn)象。其算法流程如圖3-8。圖2-15 積分限幅法程序流程圖2-16 積分分離法程序流程3、變速積分法變速積分法的基本思想是在偏差較大時積分慢一些，而在偏差較小時積分快一些，以盡快消除靜差。即用代

48、替積分項中的 式中 為一預定的偏差限。二、消除積分不靈敏區(qū) 1、積分不靈敏區(qū)產(chǎn)生的原因 當計算機的運行字長較短，采樣周期T也短，而積分時間TI又較長時，)容易出現(xiàn)小于字長的精度而丟數(shù)，此積分作用消失，這就稱為積分不靈敏區(qū)。2、消除積分不靈敏區(qū)的措施：1）增加A/D轉換位數(shù)，加長運算字長，這樣可以提高運算精度。2）當積分項小于輸出精度的情況時，把它們一次次累加起來，即其程序流程如圖3-9所示。圖2-17 消除不靈敏區(qū)的程序流程框圖第三章 控制系統(tǒng)的硬件設計3.1 可編程控制器3.1.1 可編程控制器（PLC）PLC(programmer logic controller),即可編程控制器，是一種

49、數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程控制器的存儲器，用來在其內部進行邏輯運算。順序控制、定時、計算和運算操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制機械的生產(chǎn)過程，PLC及其有關外圍設備，都易于擴充功能原則設計?？删幊炭刂破骶哂幸韵绿攸c：1可靠性高，抗干擾能力強工業(yè)生產(chǎn)一般對控制設備有很高的可靠性要求，應具有很強的抗干擾能力，能在惡劣的環(huán)境中可靠的工作，平均無故障間隔（MTBF）高，故障修復時間短。2功能完善PLC具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出，邏輯算術運算定時，計數(shù)，順序控制，功率驅動，通信，人機對話，自檢記錄和顯示功能，使控制水平大提高。3編程簡單，使用方便目前

50、，大多數(shù)PLC均采用繼電器式控制形式的“梯形圖”編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又易于接受，因此普遍受到歡迎。4控制程序可變，具有很好的靈活性PLC只需改變程序就可以滿足不同的要求，是PLC較繼電器控制無可比擬的優(yōu)點。5擴充方便，組合靈活PLC產(chǎn)品大多為模塊化設計，都有擴充插口，可以適應各種不同的工業(yè)控制需要。3.1.2 可編程控制器的基本原理PLC基本組成部分有輸入部分，邏輯部分和輸出部分。輸入部分是指各種按鈕、行程開關，接近開關，轉換開關。邏輯部分是由各種繼電器及觸點組成的實現(xiàn)一定邏輯功能的控制線路。輸出部分是各種繼電器。接觸器和電磁閘以及信號燈等執(zhí)行電器。圖3-1 PLC基本組

51、成形式各部分的主要功能作用：輸入部分：它收集并保存被控對象實際運行的數(shù)據(jù)和信息。邏輯部分：處理輸入部分所取得的信息，并且按照被控對象的實際動作要求，做出邏輯反映。輸出部分：可提供正在被控制的許多裝置中的某些設備實時操作處理?？删幊炭刂破鞯闹饕壿嫴考篴. 繼電器邏輯：1 輸入繼電器 2輸出繼電器 3內部繼電器定時器邏輯：1定時條件,2定時語句,3定時器當前值,4定時繼電器;計數(shù)器邏輯：1計數(shù)器的復位信號,2計數(shù)器的計數(shù)信號,3計數(shù)器設定值的記憶單元,4計數(shù)器當前計數(shù)值單元,5計數(shù)器繼電器.b. 觸發(fā)器邏輯 c. 移位寄存器d. 數(shù)據(jù)寄存器可編程控制器內部存儲單元有“I”和“O”這兩種狀態(tài)，對應于繼電器的“ON”“OFF”狀態(tài)，軟件為“軟繼電器”，它與通常的物理繼電器相比有以下特點：e. 體積小，功耗低f. 無觸點，速度快，壽命長g. 有上千個常開、常閉觸點，供程序使用，在使用過程中不考慮觸點容量?？删幊炭刂破鞯膬炔坑布M成：a. CPU（centrol process unit）它是PLC核心組成部分，功能與微機的CPU功能一致。b. 系統(tǒng)程序存儲器它用以存放系統(tǒng)工作程序（監(jiān)控程序），模塊