苯基苯酚甲醛树脂成套装置设计生产过程控制.docx

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苯基苯酚甲醛树脂成套装置设计生产过程控制

毕业设计

苯基苯酚甲醛树脂成套装置设计

—生产过程控制

Phenylphenolformaldehyderesincompletesetsof

equipmentdesign—productionprocesscontrol

班级：

过程装备与自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：

副教授/高级工程师

导师单位：

徐州工业职业技术学院

论文提交日期：

2013年11月30日

徐州工业职业技术学院

毕业设计任务书

课题名称：

苯基苯酚甲醛树脂成套装置设计

——生产过程控制

课题性质：

工程设计类　

院系名称：

机电工程系

专　　业：

　过程装备与自动化

班　　级：

过程装备与自动化

指导教师：

学生姓名：

一．选题意义及背景

苯基苯酚甲醛树脂是一种重要的工业产品，经济的发展对制苯基苯酚树脂工艺和装置的效率、经济性、灵活性、安全都提出了更高的要求，同时也促进了新型工艺、高效率装置的开发和投产。

二．毕业设计（论文）主要内容

能熟悉运用三菱PLC来编写控制苯基苯酚甲醛树脂的工艺流程的梯形图，并能将其三维动态以及在各个工艺过程中的状态显示（温度，压力，以及液位等）在组态王上显现出来，能够正确的选用各种硬件，以及正确的完成软件的编写。

三．计划进度

1．第七周：

查阅资料，完成论文的绪论，掌握初步设计方法

2．第八周：

熟悉PLC和组态王软件

3．第九周：

初步可以用PLC编写简单的梯形图并有简单的设计思想

4．第十周：

用组态王将其工艺流程图画出，并将主要的梯形图编出

5．第十一周：

画出电路接线图并完成毕业论文电子稿

6．第十二周：

准备毕业答辩

四．毕业设计（论文）结束应提交的材料

1.毕业设计（论文）报告

2.毕业设计论文评阅表和交叉评阅表

3.答辩评分表

4.论文真实性承诺及指导教师声明

5.设计计算书

6.其它相关资料

指导教师教研室主任

年月日年月日

论文真实性承诺及指导教师声明

学生论文真实性承诺

本人郑重声明：

所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。

毕业生签名：

日期：

指导教师关于学生论文真实性审核的声明

本人郑重声明：

已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。

指导教师签名：

日期：

摘要

可编程控制器是一种应用很广泛的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合温度控制的要求。

在工业领域，随着自动化程度的迅速提高，用户对控制系统的过程监控要求越来越高，人机界面的出现正好满足了用户这一需求。

人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化，在自动控制领域的作用日益显著。

本文主要介绍了三菱MELSOFT系列GXDeveloper列的可编程控制器和亚控公司的组态软件组态王的过程控制系统的设计方案。

编程时调用了编程软件ELSOFT系列GXDeveloper中的控制模块，使得程序更为简洁，运行速度更为理想。

利用组态软件组态王设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据的实时采样与处理。

实验证明，此系统具有快、准、稳等优点，在工业温度控制领域能够广泛应用。

关键词：

苯基苯酚树脂可编程控制器人机界面组态王

Abstract

Theprogrammablecontrollerisanautomaticcontroldeviceforawiderangeofapplications,itwillbethetraditionalrelaycontroltechnology,computertechnologyandcommunicationtechnologycom.,hasastrongabilitytocontrol,flexibleoperation,highreliability,suitableforlong-termcharacteristicsofcontinuouswork,verysuitablefortemperaturecontrolrequirements.

Intheindustrialfield,withtherapidincreaseinthedegreeofautomation,useroftheprocessmonitoringcontrolsystemoftheincreasinglyhighdemand,emergenceofhuman-machineinterfacemeetstheneedsofusers.Theman-machineinterfacecancomprehensivelymonitorthecontrolsystem,includingprocessmonitoring,alarm,datarecordingandotherfunctions,sothatthecontrolsystemhasbecometheoperationofhumannature,processvisualization,isbecomingmoreandmoresignificantinthefieldofautomaticcontrolfunction.

ThispaperdescribesthecolumnsGXDeveloperMitsubishiMELSOFTseriesprogrammablecontrollerandsubcontroller'sconfigurationsoftwareking'sprocesscontrolsystemdesign.ProgrammingseriescalledGXDeveloperprogrammingsoftwareELSOFTthecontrolmodule,makingtheprogrammoreconcise,runsevenbetter.Kingdesignusingtheconfigurationsoftwareinterface,thecontrolsystemtoachievereal-timemonitoring,real-timedatasamplingandprocessing.Experimentsshowthatthissystemhasafast,accurate,stable,etc.,inthefieldofindustrialtemperaturecontrolcanbewidelyused

Keywords:

PhenylphenolresinTemperatureControlPLCHMIKingview

第一章绪论

1.1研究背景及意义

我国邻苯基苯酚生产苯酚的副产物邻苯基苯酚和甲醛为原料，在氢氧化钠催化剂作用下，经催化缩合，中和、水洗、真空蒸馏制得热固性苯基苯酚甲醛树脂，外观为粘稠状红棕色液体，成功地为我国铸造业提供了自己配的砂芯粘合剂，用本剂所粘合的砂芯其抗弯性、抗拉、流动性、透气性和固化时间等指标都比较理想。

1.2国内外探究现状

我国在苯基苯酚甲醛树脂方面没有成熟的生产技术，仅检索到以邻苯基苯酚和甲醛为原料的氢氧化钠催化缩合工艺、以苯酚和甲醛为原料的氢氧化钠及盐酸催化缩合工艺。

国外多采用合成法生产邻苯基苯酚，主要企业在日本、美国和德国。

美国陶氏是最早厂家，主要采用氯苯为原料生产。

德国拜耳公司主要采用环己酮为原料，经过二聚脱氧生产邻苯基苯酚。

国外现已开发出从环己酮一步催化法合成邻苯基苯酚，时联产对苯基苯酚的方法，该技术关键在于催化剂制备与选择。

1.3毕业设计研究内容

本文主要是基于苯基苯酚甲醛树脂工艺生产的过程控制，用三菱MELSOFT系列GXDeveloper软件进行梯形图的程序编写，并运用组态完成模拟，从而控制苯基苯酚树脂的合成，继而实现其中间自动控制过程，达到现代化自动控制工艺的过程。

第二章工艺流程及控制要求

苯基苯酚甲醛树脂生产工艺分为两个部分，第一部分为邻苯基苯酚和甲醛进行催化缩合合成树脂，第二部分为蒸馏脱水及溶剂制得产品。

首先将苯酚（固体，白色晶体，加入50L蒸汽加热反应釜中）和甲醛（计量罐A中）固液配比1：

1.3（或1.4），反应温度为30℃，以乙醇（计量罐B中）为溶剂，催化剂量加入50L蒸汽加热反应釜中，开始搅拌加热（温度不宜升的过快），转速控制在50-100r/min内，反应时间为4-6h左右，经过滤罐过滤掉催化剂后得乳白色溶液。

用10L抽滤罐将过滤罐中溶液抽到50L蒸馏釜中。

开始搅拌加热，转速转速控制在50-100r/min内，进行升温蒸馏脱水及溶剂，当温度升至85℃时有馏出液，经4m2卧式冷凝蒸馏器,从而冷却得到乙醇溶液，收集在接收罐A中；后期温度为110℃左右，约60-90min后馏出液较少，温度开始升高，应控制在110-120℃直至无馏出液为止，馏出液经4m²卧式冷凝蒸馏器冷凝后得到甲醛溶液。

然后停止加热、冷却，在50L蒸馏釜得到产品为淡黄色透明液体，即为苯基苯酚甲醛树脂。

第三章硬件组成

3.1可编程控制器的基础

3.1.1PLC的基本概念

可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（ProgrammableLogicController），它是将传统的继电器控制技术、现代的微电子技术、计算机技术和通信技术融为一体的自动化控制设备。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

3.1.2PLC的基本结构

PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相同。

无论是整体式还是模块式，从硬件结构看，PLC都是由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出接口（I/O接口）、编程器及电源部分组成，其PLC硬件结构框图如下：

图2-1PLC硬件结构框图

1）微处理器（CPU）

CPU是PLC的运算控制中心，PLC在CPU的控制下，协调系统内部各部分的工作，执行监控程序和用户程序，进行信息和数据的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，实现对现场各个设备的控制。

2）存储器（RAM、ROM）

PLC的存储器分为系统存储器（ROM）和用户存储器（RAM）。

系统存储器用来存放系统管理程序，并固化在ROM内，用户不能访问和更改；用户存储器用来存放用户编制的应用程序和工作数据，其内容可以由用户随意修改，目前较先进的PLC采用可随时读写的快闪存储器作为用户存储器，它不需要后备电池，掉电时数据也不会丢失。

3）输入输出接口（I/O接口）

PLC是通过各种I/O接口模块和工业现场输入与输出设备连接的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块于外界联系来实现的。

输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间的传递信息的作用。

I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。

4）编程器

常见的编程器有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。

编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。

编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。

PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。

但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。

PLC采用循环扫描的工作方式。

工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动坐。

5）电源

PLC中的电源，是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

电源可分直流和交流两种类型，交流输入220VAC或110VAC，，直流输入通常是24V。

3.1.3PLC的工作特点

（1）可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

（2）配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

PLC的工作过程有两个显著特点：

一是周期性顺序扫描，二是集中批处理。

3.1.4PLC的工作原理

（1）PLC控制逻辑的实现

继电器控制系统是一种硬件逻辑系统，其三条支路是并联工作的，所以继电器控制系统采用的是并行工作方式。

（2）PLC的工作方式

PLC采用反复循环的顺序扫描工作方式。

PLC从第一条指令执行开始，按顺序逐条执行用户程序直到拥护程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描，每重复一次的时间就是一个工作周期（称扫描周期）。

（3）输入/输出的滞后现象

PLC显著的不足之处是输入/输出有滞后现象，对于一般设备来说，其开关量输入信号的变化周期大于程序工作周期，因此PLC输入/输出滞后现象对一般工业设备来说是完全允许的，但对某些设备，如需要输出对输入做出快速反应，可采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减少滞后时间。

3.1.5PLC的生产和应用

1969年美国数字设备公司（DEC）首先研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司（GM）的自动生产线上试用成功，取得很好的效果。

从而开创了工业控制的新局面。

20世纪80年代，随着大规模集成电路和微型计算机技术的发展，以16位和32位微处理器为核心的PLC得到了迅速的发展，使PLC在设计、性能、价格等方面都有了新的突破。

目前，PLC的生产厂家众多，产品的型号、规格不可胜数，但主要分为欧洲、日本、美国三大块，本次采用的是日本的三菱。

随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。

目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信及联网。

3.1.6Fx2N-4AD

三菱Fx2N-4AD是三菱电机公司推出的一款Fx2N系列PLC模拟量输入模块，有CH1~CH4四个通道，每个通道都可进行AD转换，分辩率为12位，采集信号电压为-10V~+10V，分辩率5mV。

电流输入时，为4~20mA或-20~20mA，分辩率20uA。

Fx2N-4AD内部有32个16位的缓冲寄存器（BMF），用于与主机交换数据。

FX2n-4AD占用FX2n扩展总线的8个点，耗电为5V，30mA。

Fx2N常用的模拟量输入模块有Fx2N-2AD、Fx2N-4AD、Fx2N-8AD模拟量输入模块和温度传感器输入模块。

Fx2N-4AD通过扩展电缆与PLC主机相连，四个通道的外部连接则根据外部输入电压或电流量的不同而不同。

1）其外部接口如图3-1：

图3-1外部接口

2）配线如下图3-2

图3-2配线

3）三种模拟输入信号及其分辨率如下图3-3：

图3-3：

三种模拟输入信号及其分辨率

3.1.7Fx2N-4AD-PT

FX2N-4AD-PT是三菱FX2N系列PLC中的一款模拟量的特殊功能模块，广泛用于基本三菱工控搭建的自动化平台中。

FX2N-4AD-PT型模拟输入模块用于模拟输入（电压输入和电流输入）转换成数字值，并将这个值输入到可编程控制器中。

FX2N-4AD-PT可连接到FX0N、FX2N和FX2NC系列的可编程控制器。

3.1.8Fx2N-4DA

三菱FX2N-4DA是一款模拟量模块，三菱FX2N-4DA有4个输出通道。

提供了12位高精度分辨率的数字输入。

转换速度为2.1ms/4通道，使用的通道数变化不会改变转换速度。

输出的形式可为电压，也可为电流。

其选择取决于接线不同。

电压输出时，两个模拟输出通道输出信号为0～10VDC，0～5VDC；电流输出时为4～20mADC。

分辨率为2.5mV（0～10VDC）和4uA（4～20mA）。

数字到模拟的转换特性可进行调整。

本模块需占用8个I/O点。

适用于FX1N、FX2N、FX2N子系列。

其他的性能与FX2N-2DA相似。

1）其外部接口如图3-4：

图3-4外部接口

2）配线如下图3-5

图3-5配线

3.2电动执行机构

3.2.1模拟量

模拟量是指变量在一定范围连续变化的量；也就是在一定范围（定义域）内可以取任意值（在值域内）。

数字量是分立量不是连续变化量只能取几个分立值二进制数字变量只能取两个值。

在时间上或数值上都是连续的物理量称为模拟量。

把表示模拟量的信号叫模拟信号。

把工作在模拟信号下的电子电路叫模拟电路。

热电偶在工作时输出的电压信号就属于模拟信号，因为在任何情况下被测温度都不可能发生突跳，所以测得的电压信号无论在时间上还是在数量上都是连续的。

而且，这个电压信号在连续变化过程中的任何一个取值都是具体的物理意义，即表示一个相应的温度。

3.2.2开关量

“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。

开关量，指控制继电器的接通或者断开所对应的值，即“1”和“0”。

即开关量是非连续性信号的采集和输出，包括遥信采集和遥控输出。

它有1和0两种状态，这是数字电路中的开关性质，而电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开。

3.2.3变频器1.5KW

变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流单元、高容量电容、逆变器和控制器组成。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

变频器原理介绍：

（1）变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

（2）我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：

n＝60f（1－s）/p

（1）

式中n———异步电动机的转速；

f———异步电动机的频率；

s———电动机转差率；

p———电动机极对数。

由式

（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器其工作原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器主要是由主电路、控制电路组成：

（1）主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

（2）控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

3.3压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。

一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。

本次树脂合成综合各个方面考虑采用AST4600AST4600防爆压力传感器，它已通过CSA30（UL1203）1类1级防爆A、B、C、D组认证，结构坚固、原厂全密封，是AST专门针对各种要求严格的防爆环境使用而设计的高性价比传感器。

AST4600AST4600防爆压力传感器优点：

全不锈钢整体结构，无油、无焊接、无O形圈，使用温度范围广，压力范围由0-50至0-10000PSI（出厂前经渗漏检验），可使用在对不锈钢兼容的液体和气体等优点。

其具体参数如下表：

电路参数

输出讯号

4-20mA

1-5V,1-6V

供电电源

10-28VDC

10-28VDC

输出阻抗

>10kOhms

<100Ohms,Nominal

耗电量

25mA,Max

<10mA

频带宽

（-3dB）:

DCto250Hz

（-3dB）:

DCto1kHz

输出讯噪

-

<2mVRMS

零点偏差

<±1%ofFS

<±1%ofFS

满量程偏差

<±2%ofFS

<±1.5%ofFS

输出负载

0-800Ohms@10-28VDC

5kOhms,Min..

3.4PT100传感器

PT100温度传感器是一种将温度变量转换为可