基于PLC的化工精馏塔控制系.docx
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基于PLC的化工精馏塔控制系
基于PLC的化工精馏塔控制系统
摘要
PLC作为在现在工业中应用最多的控制软件，在化工精馏的控制中也起重要作用。
PLC具有非常高的可靠性，并且操作简单，编程简单入手，而且随着工业的发展越来越多并且功能强大的PLC已经被开发出来而且应用逐渐走向成熟。
对于化工生产中的精馏过程，具有控制因素复杂，要求的控制指标又必须非常精确，各因素及控制过程的联系非常复杂，功能强大编程简单的PLC非常适合精馏过程的控制。
在诸多的控制要素中，温度的控制占据着核心地位，因此我的设计主要是选用合适的PLC，并且选择最能满足工艺要求的过程控制方案来实现化工精馏塔中塔底的温度。
我的设计主要任务是是根据一个具体化工精馏塔设计的要求，运用PLC来完成控制。
在此设计中要做的具体工作是详细了解精馏塔的工艺过程和它对控制系统的要求，根据精馏塔的要求来进行PLC的选型，过程控制的选择与设计，输入输出量的确定，并且能够画出具体的设计图，还有软件程序的编写。
最终要达到的效果是能够编出PLC程序，并且能够在计算机上模拟运行。
关键词：
化工精馏塔，PLC控制，串级控制，PID算法
ChemicalDistillationColumnControlSystemBasedonPLC
Abstract
PLCinindustrialcontrolsoftwarehasbecomemostpopularsoftware,alsoplayanimportantroleinchemicaldistillationcontrol.PLCnotonlyhasaveryhighreliabilityandsimpleoperationbutalsohassimpleprogrammingways.AndwiththedevelopmentoftheindustrymoreandmorePLCwhichhashugefactionhasbeendevelopedandgraduallygonetomature.Fordistillationprocessofchemicalproduction,ithascomplexcontrolfactors,requirementsofthecontroltargetsmustbeveryprecise,thefactorsandthecontrolprocessofcontactisverycomplex.Accordingtothesetraits,powerfulPLCissuitablefordistillationprocesscontrol.Inallcontrolfactors,thetemperaturecontroloccupiesthecoreposition,soinmydesign,mymaintaskistoselectthesuitablePLC,andchoosethemostreasonableschemetorealizethechemicalrequirementinthecolumnbottomtemperature.
Inmydesign,themaintaskis,accordingtotherequirementsofaspecificchemicalrectificationtowerdesign,tousePLCtoaccomplishcontrol.Inthisdesign,thespecificworkImusttodoistogethangofdetailsaboutdistillationprocessanditsrequirementforcontrolsystem.Accordingtotherequirementoftherectifyingcolumn,tochoosethetypeofPLCaswellasthechoiceofprocesscontrolandthendesignthesystem,todeterminepointsofinputandoutput,andcandrawthedetaileddesigndrawing,andtowritesoftwareprograms.FinallytheeffectwillbetoachievedistobeabletowritePLCprogram,andisabletorunonthecomputersimulation.
Keywords:
Chemicalrectificationcolumn,PLCcontrol,cascadecontrol,PIDalgorithm
第一章绪论
精馏塔的基本原理就是化工原料混合物在高温加热的情况下根据各种纯净物沸点和挥发度的不同来提纯。
可见温度在整个精馏过程中必须的维持相对稳定，且应该具有较高的精确度。
在整个的精馏过程中最主要的设备就是精馏塔，再沸器，冷凝器，回流泵等也起着辅助作用以将温度，在各种设备的配合中达到精馏产物纯度高，产量稳且多的要求。
精馏对于工业生产来说起着举足轻重的作用，但是精馏塔的温度，流量，压力等各因素在这个复杂的系统中却往往得不到很好的控制，所以一直以来精馏塔控制系统的研究一直是化工行业中研究的热点。
现在国内外已经针对工业生产中中运用最普遍的PLC控制的精馏塔系统做了很多研究，从PLC的开发到PLC与精馏塔各个设备的结合问题，目前已经相对完善。
基本的温度，流量等因素的控制已经能稳定控制。
但是所不足之处就是PLC的研究与现实生产中的PLC还存在着脱轨现象，而解决这种现象就要要求一是将研究投入到生产，而是需要改善生产系统的设计，使之能够适应PLC的性能。
本设计做的就是第二方面，根据精馏塔的要求，来选择最优的设计方案。
相对于国内来说，国外精馏系统发展的相对比较先进。
国外现在无论是在塔的处理能力还是塔的处理效率方面都已有了先进的技术，例如他们发明的能增加板的处理面积的将MD塔板的悬挂降液管技术移植到常规板式塔上的技术，另外在PLC的开发方面，现在工业生产中大部分都用一直在不间断更新的西门子系列的PLC。
国内也紧跟时代的步伐，不断的将世界上的新技术运用到我国的生产中，并且根据自己的情况在不断地完善，根据实际情况，用科技引领工业使我们国家现在发展工业的宗旨。
但是目前的控制系统虽然具有控制精度高和硬件简单的特点，但是很多PLC的强度功能仍然存在着很大的局限性，因此如何进一步将PLC的功能在精馏塔的控制当中还需要做更多的研究。
1.1化工精馏塔研究的目的及意义
精馏塔在石化生产作为一个重要的设备被广泛使用。
他的角色是加热混合液体使其控制在一定的温度，然后提纯其中的纯净物。
精馏过程是基于每种成分的相对挥发度的不同,分离混合物的各种成分。
对于一个正常的精馏塔塔顶和塔底产品必须一个应满足一定纯度,另一个在一定纯度范围内。
在上述情况下,保持能源消耗最低。
从这个过程监管要求四个方面:
（1）质量要求:
使塔底和塔顶的纯度一个保证在一个确定的纯度，另一个维持在一定的纯度范围内;
（2）处理要求:
为了保证稳定高产必须要保证进给速率应该平衡,平稳；
（3）物料平衡要求:
为了保持物料平衡生产稳定，必须要保证塔釜及溜出液回流罐的液位比较稳定;
（4）约束条件:
正常运转的塔,必须满足一些条件,使汽液两相流束应该在一个特定的限制,所以经常设置在顶部的柱底之间的一些压差测量和报警。
不仅仅精馏塔需要满足上面的四个需求,而且其他与之相连的的配套设备也要满足这些要求。
而且在整个工艺过程中都应该准确的控制响应的因素以满足控制指标的要求。
精馏过程是化工生产中的核心过程，而精馏塔的稳定控制更是保证精馏正常进行的重要环节。
通过对精馏过程的了解，其需要控制的变量非常多，需要操作的变量也多，而且各个变量之间的耦合方式很复杂，组合方式多。
因此要合理的选择所以过程控制系统并且将PLC与精馏塔的控制完美结合，这样才能保证精馏过程的顺利高效运行。
1.2化工精馏塔的研究现状
国内外研究趋势基本上是采用西门子系列PLC，目前大部分的PLC已经都具有了精馏塔控制所需要的功能，但是目前国内外的研究似乎都已经到达一个饱和期，很难再有新的突破，再就是，开发PLC的种类比较多，很多新型比较成熟的PLC却存在与现在的工业情况接不上轨的情况，因此虽然开发PLC很重要，但是真正将PLC运用到实际的工业生产中还需要将实际的设备与软件结合到一块考虑，鼓励基层工作人员积极的搞研发是很多国家和企业都在着力办的事情。
因此精馏塔与现有PLC的适合度已经成为现在研究的热点。
1.3设计主要研究内容
随着科学的发展和工业需求的工业自动化解放生产力越来越高。
国内的蒸馏控制配套也日趋完善,对于需要的监测点信号的采集，而且也能够在上位机的辅助下检测，从而进行控制整个系统。
研究的主要内容是基于自调整PID控制的PLC控制系统设计的蒸馏塔。
包括控制系统总体结构、现场总线控制节点的硬件和软件设计和整体控制系统的优化设计。
该设计的研究结果是,可以有效的提高科学研究的效率,使精馏过程的智能化,研究内容完整化，与实际使用蒸馏过程系统相比,具有一定的创新控制。
第二章系统总体概述
2.1精馏工艺简介
图2-1精馏塔工艺流程图
（1）如上图2-1所示精馏过程的主要组件有：
精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐和输送设备等。
精馏塔以进料板为线，上面为精馏段，下面为提留段。
（2）精馏过程：
一定温度和压力的物料进入精馏塔后，轻组分在精馏段逐渐压缩，离开塔顶后全部冷却物料进入回流罐，一部分作为塔顶产物（也叫馏出液），另一部分被输入塔内作为回流液。
回流液的作用是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体成分一部分被送入塔内作为回流液。
回流液的作用是补充塔板上的轻组分，使塔板上的液体成分持稳定，保证精馏过程连续稳定地进行。
而重组分在提留段中压缩后，一部分作为塔釜产物（也叫残液），一部分则经再沸器升温后送回塔中，为精馏操作提供一定量持续上升的蒸气气流。
精馏的本质是将混合物根据各种组分不同的沸点和挥发度，在加热的情况下会在不同的温度下挥发，即保证塔内温度控制在一定的温度范围内，将精馏塔中的混合物气液分离的过程。
如果温度控制的不精确，塔底或者塔顶的温度都有较大偏差时，温度过高容易造成过多的物料以气体的形式挥发，温度过低会使塔底的残留物过多，这两种情况都会使物料浪费严重。
在了解了精馏塔各部分的作用后一定得，将每一部分的温度都控制精确。
精馏塔是化工产物从高压釜中送来的原料在塔中进行轻组分和重组分的分离，收集产品是轻组分。
在PLC控制系统的设计中熟悉工艺流程与设备结构是为了确定温度监测点，以及输入输出模块，由下图可示这个系统的温度监测点较多，输入输出量也较复杂，本设计中会主要对塔底温度来进行设计。
2.2系统总体结构与设计流程
该精馏塔的控制变量比较多，各部分连接也比较复杂，整个精馏塔的控制系统要选用适合的PLC以满足CPU的响应速度均符合精馏控制系统要求，可以在外在条件差的情况下运行。
还要选用适合的温度传感器，以使测温范围合适，线性度良好。
这些在后面的硬件设计中会具体介绍。
下图2-2为PLC控制系统的总体结构图。
图2-2系统结构图
图2-3PLC控制系统的设计步骤
2.3串级控制系统的选择
由于精馏塔温度的滞后性较明显，具有较大惯性时间常数，如果只是单纯的选择单回路控制回路则无法消除系统的不稳定性，所以现实中采用的是串级控制另外在串级控制主控制器中采用积分分离PID控制的方案。
在滞后特性比较明显，并且增加扰动后系统容易出现震荡的系统串级控制，我们通常采用串级控制系统。
串级控制系统是一种对于增加系统的稳定性，完善过程动态特性，等都有着重要作用。
对与进入二次回路的扰动变量，串级控制系统能够迅速作出判断，通过反馈控制从而快速消除扰动，使系统恢复稳定。
总之，在一个复杂的控制过程中，串级控制系统能有效地提高响应频率，增加系统的稳定性，克服系统的扰动。
在整个精馏控制过程中对产物的纯度有直接影响的便是塔炉底部的温度，因此就将主要控制参数确定为塔炉底温度，而塔炉底部的温度又直接受进料的温度，流量影响，因此副回路的参数便可确定为蒸汽调控阀门，物料配送管道，原料温度、流量。
图2-4为串级控制方框图。
图中：
F2：
为压力，流量等量的变化；F1：
为高压釜物料预热，原料流量，原料的温度等扰动。
图2-5为精馏塔串级控制系统结构图。
图2-4串级控制系统方框图
图2-5串级控制系统结构图
1-精馏塔2-蒸汽加热器
串级控制系统有主副两个闭合回路，主副调节器串联工作，相互作用，使系统控制更加稳定。
主调节器的输出作为副调节器的给定值，而系统通过通过副调节器的输出控制执行器动作，实现对主被控变量的定值控制。
通过主副回路的协调工作，使主被控变量较为准确地限定在工艺要求的范围之内。
显然，副回路的补充作用，使串级控制系统的控制品质相对于单回路控制系统显著提高。
2.4PID算法的选择
在串级控制系统中主调节器起定值调控作用，且塔底温度要求的浮动范围较小所以必须要采用无误差调节，所以采用PID调节器，对于算法方面，积分分离的PID算法具有计算精确的作用，正好适用于精馏塔温度的调节；对于副回路调节器的选择，应该考虑的到，副回路主要起的作用随动地保证主控参数的控制要求，没有必要做到零误差，因此应该选择P调节器作为副调节器。
模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，PID在工业领域的应用已经有60多年，现在依然广泛地被应用。
人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。
比例控制（P）是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。
在积分控制（I）中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。
在微分控制（D）中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
微分控制具有超前作用，它能预测误差变化的趋势。
避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。
PID控制，P、I、D各有自己的优点和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。
虽然PID调节器能够解决控制精度的问题，但是对于精馏塔温度控制的明显的滞后性和较大的惯性常数仍然得不到很好的改善，所以一般的PID控制不能满足要求，所以考虑能够解决这个问题的积分分离PID控制算法。
但是在实际的生产中并不是时刻都采用这种方式，因为如果偏差较小还要继续使用积分分离作用的话会造成误差变大，只有在偏差较大时，为了解决扰动过大带来的滞后性过大，并且减小惯性常数才使用积分分离作用。
只有这样才能既避免振荡的产生又能保证一定的控制精度。
图2-6积分分离PID示意图
第三章硬件的设计
3.1PLC机型及安装方式的选择
为了顺应工业生产自动化的灵活性与可靠性，根据所要求的功能，容量的大小等方面，各种型号PLC的PLC应运而生。
因此,要想将PLC合理的运用到工业生产中，实现经济生产指标的最优化必须要合理的选择PLC的机型。
PLC选型的主要原则是功能模块必须符合要求，PLC的容量，电源也要与实际生产相适应，另外也要考虑PLC的通信功能等方面。
另外要想将PLC与实际生产结合的更加合理，必须在遵循PLC选型原则的情况下，也要根据生产的可操作性，合理的选择PLC的结构形式，安装方式等方面，尽量做到机型统一。
（1）从结构来看，PLC主要分为整体式和模块式两种。
整体式的主要特点是体积相对较少，价格比较便宜，主要适用于工艺流程比较简单的系统；模块式相对于整体式来说，输入输出点数的选择范围比较广，灵活性比较好，一般各部分联系复杂的控制系统适合用模块式。
由于精馏塔，再沸器，冷凝器等需要联合工作，此系统控制系统比较复杂，控制变量比较多，所以选用模块式。
（2）安装方式的选择
PLC系统的安装方式，根据传输范围与传输距离的不同分为集中式、远程输入输出式以及多台PLC联网的分布式。
集中式的主要特点是：
不需要设置驱动远程输入输出硬件,系统的响应速度比较快，价格相对便宜；远程输入输出式的主要特点是：
分布范围广，连线短，但是没有驱动器和远程输入输出电源，一般在比较复杂的大型系统中比较常用；多台PLC联网的分布式的主要特点：
协调性比较好，比较适合多台独立控制的设备联合工作的系统。
由于精馏塔，再沸器，冷凝器等需要联合工作所以我们选用PLC联网的分布式,但是此设计中因为主要以一个变量为例来设计所以暂且不需要选择安装方式。
（3）相应的功能要求：
对于这个系统来说最主要的功能模块便是PID算法模块，这个就已经确定我们必须选用具有这种功能的中档或高档PLC，对于只具有简单运算功能的小型PLC我们不作考虑，至于具体的型号还要考虑工厂的实际情况。
（4）不同档次的PLC响应速度也有很大的区别，因为PLC控制系统在工业生产中占据着核心地位，所以要想控制系统的控制精度达到生产需要的要求，必须要根据响应速度来选择PLC。
在实际的生产中往往会遇到突发事件与需要有附加功能的情况，要及时的处理好这些情况不至于造成大的损失，这还要要求我们对PLC的响应速度要慎重选择，一定要联系工厂实际的可操作性来选择具有合适响应速度的PLC，可选用选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC,或具有高速输入输出处理功能的PLC等。
（5）增加备用系统或者冗余系统是提高可靠性与安全性最好的方式，但是对于一般的系统，现在大部分的PLC都能满足要求。
只有个别的队可靠性性和安全性要求特别高的大型系统，才会考虑用这种方式，毕竟这种方式花费比较大。
（6）机型尽量统一
只有机型统一，才能既充分发挥PLC的功能，又保证设备的正常运行。
在选用PLC时考虑下面几个原则：
备品备件是否方便采购与管理；PLC的功能使用与设备是否类似，便于工作人员操作；PLC与外设的通信是否通用，便于编程控制。
根据设计方案的分析，系统设计需要使用16个输入端口和3个输出端口，另外还需要一个A/D转换器来完成温度采样。
在课程学习中，我们学习了三菱的FX系列PLC，因此，选择三菱FX2N-48MR-001（基本I/O点数为24）和FX2N-4AD特殊功能模块。
3.1.1FX2N-48MR-001PLC
FX2N系列PLC是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。
它由基本单元、扩展单元、扩展模块等构成。
用户存储器容量可扩展到16K步。
I/O点最大可扩展到256点。
它有27条基本指令，其基本指令的执行速度超过了很多大型PLC。
三菱FX2N—48MRPLC，为继电器输出类型，其输入、输出点数皆为是24点，可扩展模块可用的点数为48~64,内附8000步RAM。
其内部资源如下：
（1）输入继电器X（X0~X27，24点，八进制）
（2）输出继电器Y（Y0~Y27，24点，八进制）
（3）辅助继电器M（M0~M8255）[通用辅助继电器（M0~M499）]
（4）状态继电器（S0~S999）
（5）定时器T（T0~T255）（T0~T245为常规定时器）
（6）计数器C（C0~C255）
（7）指针（P/I）（见附表三和附表四）。
（8）数据寄存器D（D0~D8255）（D0~D199为通用型）。
3.1.2FX2N-4AD特殊功能模块
FX2N-4AD为模拟量输入模块,有四个模拟量输入通道（分别为CH1、CH2、CH3和CH4），每个通道都可进行A/D转换，将模拟量信号转换成数字量信号，其分辨率为12位。
其模拟量输出性能（见附表五）。
另外所有数据转换和参数设置的调整可通过FROM/TO指令完成。
同时在编程过程中重点用到了BFM数据缓冲存储器，具体分布情况见附表六所示。
在程序设计中通道选择原则如下：
在BFM#0中写入十六进制4位数字HXXXX进行A/D模块的初始化，最低位数字控制CH1，最高位数字控制CH4，各位数字的含义如下：
X=0时设定输入范围为-10V～+10V；X=1时，设定输入范围为+4mA～+20mA；X=2时，设定输入范围为-20mA～+20mA；X=3时，关断通道。
3.2输入输出量的确定
对于化工精馏塔的温度控制也要考虑到各个方面的因素，无论精馏塔本身还是外在环境或多或少的都会影响塔内的温度不稳定性进而影响产物的输出，所以必须监测多个控制量以便于调节塔内温度。
如下表3-1为所有的控制对象控制量的统计表。
由此表可以看出整个控制系统的控制变量多且复杂，在整个的控制系统中各变量之间关系非常复杂，并且互相联系互相作用，在此设计中只以塔底温度控制为例来介绍控制过程。
表3-6输入、输出信号I/O地址表
项目
地址
功能说明
输入地址
X0
电源周波信号输入端
X1
温度给定允许
X2
启动/关闭
X3
实际温度测定
X4
实际流量测定
X10~X21
SB2~SB11
输出地址
Y0
VT1触发脉冲（电源正半波）
Y1
VT2触发脉冲（电源负半波）
Y6
蒸汽流量阀
3.3PLC外部结构图
因为温度对于精馏塔的影响是最大的，此设计是以精馏塔的塔底温度为例来设计一个基于PLC的温度控制系统。
3.3.1温度值给定电路
按设计要求，共设计了十个开关按键，作为温度给定值的输入端口，接收十进制数。
假设给定值范围为280~700℃。
设计电路如图2-1所示：
SB1为温度值输入允许，SB2~SB11分别表示十进制数0~9。
先按下温度值给定允许开关SB1，然后再输入给定温度值，先按下的数字为高位上的数值，后按下的数字为低位上的数值。
比如，先后按下开关SB5、SB2和SB2，则表示给定温度值为300℃，并送PLC数据寄存器保存。
图3-1温度值给定电路
3.3.2温度流量检测电路
温度检测是温度控制系统的一个很重要的环节，直接关系到系统性能。
在PLC温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换还要将电压转换为数字量送PLC。
其一般结构如图2-2所示。
图3-2温度检测基本结构
温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为mA级，需要放大为满足A/D转换要求的电压值。
然后送PLC的A/D转换模块进行A/D转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。
流量检测电路原理同温度检测电路一样。
图3-3流量检测基本结构
3.3.3输出控制电路
图3-4输出控制电路
3.3.4复位电路
复位电路由一个开关SB12完成开/关功能，当按下开关SB12时系统启动，正常运行，执行任务；当断开SB12时，系统停止运行，不执行任何任务。
设计电路如图2-8所示。
图3-5复位电路
第四章PLC软件设计
4.1编程与通信软件的使用
三菱FX系列PLC通信软件名称为FXGWIN，它供对FX0/FX0S、FX1、FX2/FX2C、FX1S、FX1N和FX2N/FX2NC系列三菱PLC以及监控PLC中各软元件的实时状态。
它的运行环境为M
升级会员 