反应釜的温度控制毕业论文设计.docx
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反应釜的温度控制毕业论文设计
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安徽工业大学
毕业设计任务书
学院、系：
电气信息学院自动化系
专业：
自动化
学生姓名：
赵增增
学号：
设计题目：
基于HDU4000过程控制系统的反应釜温度控制系统的设计
起迄日期:
2013年02月25日~2013年06月15日
设计地点:
安徽工业大学、电气信息学院
指导教师:
章家岩
系主任:
李明河
发任务书日期:
2013年02月25日
毕业设计任务书
1．毕业设计课题的任务和要求：
反应釜生产和消费应用的高速增长期，已广泛应用。
化工生产等必不可缺，所以反应釜的温度控制也尤为重要，尤其是恒温阶段，本设计要求
1.介绍控制系统的硬件组成，所采用的控制方案；
2.利用可编程逻辑控制器实现反应釜温度控制；
3.使用组态软件对系统进行组态；
4.监控温度PLC控制系统的运行情况。
2．毕业设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
本系统是以PLC、WinCC为基础，利用PLC实现温度控制系统的设计和应用。
设计人员应具备下列知识：
1.以过程控制实验装置中的反应釜温度作为被控对象设计一个控制对象，实现对反应釜温度的恒值控制；
2.组态测控界面上，实时设定并显示温度给定值、测量值及控制器输出值；
3.实时显示温度给定值实时曲线、温度测量值实时曲线；
4.选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数。
5.设计的反应釜温度控制系统要能够实现反应釜温度的自动控制，控制作用又快又好，。
毕业设计任务书
3．对毕业设计课题成果的要求〔包括毕业设计、图纸、实物样品等〕：
1、毕业设计说明书（包括纸质版和电子版）
2、毕业设计说明书应包括英文资料全文及翻译稿，
3、必要的程序和电路图。
4．毕业设计课题工作进度计划：
起迄日期
工作内容
2013年
2月25日~3月31日
4月1日~4月30日
5月1日~6月10日
6月11日~6月15日
6月16日~6月20日
6月20日~6月25日
检索并仔细阅读有关技术资料，严格按学校对毕业设计开题报告的要求认真完成毕业设计开题报告；
翻译英文资料，原稿和译文要附于论文之后；
按毕业论文课题的具体工作内容要求，撰写论文，一定要注意的是论文格式严格按系里的要求完成。
指导教师审阅论文的电子稿；
严格按要求修改论文，打印装订，评阅老师评阅；
论文答辩。
学生所在系审查意见：
系主任：
年月日
摘要
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。
在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。
温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
反应釜中的温度控制是整个化工生产过程中的核心控制部分之一，它具有温度惯性、大的延迟时间等特性，对过程控制造成非常大的困难。
为了达到比较理想的控制效果，经过比较和分析，这里采用西门子公司的S7-300系列PLC设备，配以上位机监控系统，并以PID控制为理论基础，实现对反应釜的温度控制。
该系统使用STEP7和Wincc软件进行编程，在仿真器上进行的模拟调试以及利用组态画面进行的试验都获得了成功，可以证明这种方案符合基本工艺需求，是实际可行的，可以为实际操作提供应用参考。
关键词：
STEP7；反应釜；PID控制；温度控制系统；Wincc监控软件
Abstract
Temperatureisoneofcommonworkingparametersinindustrialproduction,anyphysicalchangeprocessiscloselyrelatedtotemperature.Inmanyareasofscientificresearchandproductionpractice,thetemperaturecontroloccupiesveryimportantposition,especiallyinmetallurgy,chemicalindustry,buildingmaterials,food,machinery,petroleumandotherindustries,playsadecisiverole.Underdifferentproductionconditionsandtechnologicalrequirementsfortemperaturecontrol,allkindsofindustrialproductionofallkindsof,sothesystemrequiresmoreadvancedcontroltechnologyandcontroltheory.
Inthereactionkettletemperaturecontrolisoneofthecorecontrolportionofthewholechemicalproductionprocess,ittheprocesscontrolcausegreatdifficulties.Toachieveidealcontroleffect,throughcomparisonandanalysis,itadoptsSiemensS7-300seriesPLCequipment,withmorethanamachinemonitoringandcontrolsystem,andbasedonthetheoryofPIDcontrol,therealizationofthereactionkettletemperaturecontrol.
ThesystemiseditedbySTEP7andWinCCsoftware,thesuccessfulofthedebugonthesimulatorandthetestscarriedoutbytheconfigurationscreens,canprovethatthisschemecanmeetthedemandofbasictechnology,itispractical,canbereferenceforpracticalapplications.
Keywords:
PLC，Thereactionkettle，PIDcontrol，Temperaturecontrolsystem,WINCCmonitoringsoftware
第一章绪论8
1.1选题的背景8
1.2国内外研究现状8
1.3发展现状9
1.4展望10
第二章连续搅拌反应釜工艺简介12
2.1连续搅拌反应釜的基本结构12
2.2连续搅拌反应釜工作原理12
2.3连续搅拌反应釜温度控制难点13
2.4微机控制系统软件14
2.5使用设备14
第三章PID控制方案16
3.1PID控制器的应用与发展16
3.2PID控制原理16
3.2.1PID控制器基本概念16
3.2.2PID控制器的参数整定16
3.2.3数字PID算法17
3.2.4数字PID控制器的控制作用19
3.3PID控制器的主要优点21
3.4闭环控制系统的概念与特点21
3.5反应釜的PID控制方案21
3.5.1PLC在PID闭环控制系统中的应用21
第四章系统硬件选择25
4.1可编程控制器总体概述25
4.2PLC工作原理25
4.3PLC组成结构26
4.4S7-300简介28
第五章下位机过程系统设计30
5.1PLCSTEP7编程30
5.2SIMATICS7-300可编程控制器模块选型：
33
5.3下位机程序设计34
5.3.1下位机程序设计35
第六章控制系统上位系统设计37
6.1监控画面设计37
6.1.1WinCC组态软件介绍37
6.1.2WinCC与S7-300之间通讯的实现37
6.1.3监控画面的设计38
6.2组态WinCC编程38
6.2.1PLC通信39
6.2.2WinCC与Step7-300通讯40
6.2.3WinCC编程50
第七章下位机具体程序与结果分析54
7.1反应投料运行程序54
7.2反应釜的温度控制程序58
7.3结果分析62
第八章总结与展望66
8.1总结66
8.2展望66
参考文献67
致谢68
附录69
第一章绪论
1.1选题的背景
石油化工工业是国家经济发展的支柱性产业，反应釜作为化工生产中实现化学反应的主要设备，其自动控制方法的研究具有非常重要的意义。
在实际的生产过程中，反应釜的温度决定了产品的产量、质量，有时甚至影响到生产过程中的安全性。
因此如何对反应釜内化学反应温度进行精确、有效的控制，显得至关重要。
然而，由于温度对象具有非线性、时变不确定、大滞后、受环境温度影响大等特点，目前反应釜内的全过程温度自动控制是重点也是难点。
本文的指导思想是PID控制理论，该理论成熟、应用范围广，但相较国外先进的控制思想来说，又过于简单，控制精度有限。
不过对于本文中简化的系统，还是可以达到最低工艺要求的。
采用改进的PID算法或者将其他算法结合也可以进一步提高控制质量。
为了克服聚合釜温度的时间滞后问题，常采用串级PID控制，选取反应釜温度为主要调节对象，夹套内冷却液为副调节对象，构成一个闭环负反馈控制系统。
提高控制精度，改善工艺，是工程技术人员一直追求的目标，同时也是整个工业行业的发展趋势、工程学术领域的研究方向。
1.2国内外研究现状
自上世纪70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
它们主要具有如下的特点：
（1）适应十大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。
（2）能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。
（3）能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。
（4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。
（5）普遍温控器具有参数自整定功能。
借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。
有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。
（6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。
结合温度控制器的发展，多年来，许多学者在反应釜的度控制问题上做了大量的探索并提出一些有效的解决方案。
比如:
Shinskey与Weinstein提出的双模控制（dual-mode），采用bang-bang+PID控制，其大致步骤为：
过程开始时，全力加热，直至反应釜温度距其设定值为t1度，然后全力冷却，持续TD1分钟，此后，将夹套水温设定值定在某个合适的中间温度，持续TD2分钟，最后，用串级PID控制器控制夹套水温度。
如果参数选择得当，双模控制是有效的。
ArthurJutan与AshokUppal提出将反应热作为一种扰动，采用适当的方法估计出来，用前馈控制抵消；余下的部分近似为线性系统，可以用PID控制。
Barry与Sandro采用GMC方法控制反应釜温度，得到了很好的仿真结果，并且进一步考察了操作条件与过程参数变动时被控过程的鲁棒性，发现GMC的鲁棒性明显强于双模控制。
H.MK.DEBELAK与D.HUNKELER采用模糊控制与PID混合的策略控制间歇放热聚合反应釜的温度，在他们的方法中，模糊控制器的输出用来调整PID控制器的设定值，以补偿反应放热对过程温度造成的扰动；将此方案应用与乳液聚合的试验设备上，发现能明显提高控制性能。
此外还有一些研究者采用预测控制解决这一难题，如Nagy与Agachi采用非线性预测控制算法控制间歇PVC聚合釜的温度；Xia等采用基于小波神经网络的预测控制算法控制间歇聚丙烯反应器温度；栗志业等采用基于模型分解的预测控制算法也取得了较好的效果。
1.3发展现状
几十年来，化工行业工业自动化技术随着工艺和装备技术的不断发展而发展，从初期简单的手工操作到连续工艺及负荷不断加大，对生产稳定性要求越来越高，对控制及自动化水平的要求也越来越高，仪表使用越来越普遍，从简单回路的闭环控制到单元装置的全面自动化，使用的控制工具也从气动单元组合仪表、电动单元组合仪表到DCS的广泛应用；控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制回路，先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有成功应用的典范。
随着工业规模的进一步推广，快速反应、临界稳定工艺、能量综合平衡等工艺的开发成功，对自动化提出了更高的要求。
另外，激烈的市场竞争也对自动化提出了新的目标与要求。
同时，信息技术对化工行业自动化技术的发展也注入了新的活力。
为适应化工生产的新特点，一些过程控制领域中的新技术正在由理论研究转向生产实践，如信息综合处理技术、现场总线控制系统、各种智能控制技术、软计算技术和快速仿真技术、多媒体技术等。
过程控制采用的技术工具，由基地式仪表、气动单元式组合式仪表、电动单元组合式仪表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，发展到现在的可编程单回路、双回路、三回路调节器和分散综合控制系统（DCS）。
当前，传统的DCS正借助于微处理器硬软件和通信网络技术，朝着标准化、开放化和尽量采用市场通用的优良硬、软件的方向，逐渐地、相互融合地向开放的DCS发展。
如Honeywell的TPS，它采用通用的软件将企业的internet网与局部控制网、通用控制网和系统总线连接在一起，配备各种平台、操作站以满足不同层次使用人员的要求。
另外，最近发展起来的现场总线网络控制系统（FCS）也是一种新的开放式的分布式控制系统。
它把专用封闭协议变成标准开放协议，使系统共有完全数字计算和数字通信能力：
在结构上，采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统灵活性和可靠性：
它突破了集散型控制系统DCS中采用专用网络的缺陷。
因此对于现场总线的工业控制系统研究具有重大的意义。
据报道，美国犹他州盐湖城Flying炼油厂、孟山都化工厂、我国安庆安菱化工厂、吉林油田甲醇厂已采用FCS，取得了明显的经济效益。
专家估计，FCS将在石化行业得到广泛的应用。
过程检测控制仪表是在工业生产过程中，对工艺参数进行检测、显示、记录或控制的仪表随着化工工业的发展，对仪表控制系统提出了更高的要求。
在仪表调节，除一般的比例、积分、微分调节规律外，人们正在研究前馈、大滞后、非线性、相关和计算值调节等技术，以适应多回路自动化系统的需要。
传统的现场仪表和控制器也将由现场总线以及由此产生的现场总线智能仪表和控制系统所代替。
新一代的检测仪表主要特点是智能化和数字化。
这些检测仪表均是以微型计算机为核心，可以实现自动校零、线性化补偿环境因素变化等功能甚至包括模型运算和人工智能的应用。
一次检测技术采用超声波、微波、激光等新技术，使自动控制的精度得到进一步提高。
研制新型的传感器，广泛应用新技术，如核磁共振、激光和相关技术等，使传感器集成化。
专用集成电路（ASIC）的广泛应用将促进传感器和执行器沿着多功能化和智能化的方向发展，便于形成现场控制回路子系统，还将极大地方便仪表的安装调试和维护工作。
在硬件条件得到改善后，将目前分散研究的软测量技术、先进控制技术开发成通用的商品化软件包，也是发展方向之一。
现有的工业控制软件包大部分是以多变量预测控制技术为主，在此基础上进一步采用了神经网络、模糊技术及遗传算法等软计算技术，开发包括初级数据预处理、数据挖掘、软测量技术的先进控制软件，国内的高校和科研机构先后在一些石化企业的典型装置上通过各种方法实现了软测量和先进控制技术。
但是我们也应该看到，国产开发的软件在设备无关性、软件通用性、运行可靠性及界面友好性等几个方面与国外的一些成熟的商业软件包相比还有一定的差距。
如何将理论研究的最新成果发展成工程化、标准化和商品化的软件包，是我国过程工业自动化的研究重点之一。
在控制理论上，自从美国数学家维纳在20世纪40年代创立控制论以来，自动控制理论由经典控制理论发展到现代控制理论，再到20世纪70年代中期以后出现的大系统理论和智能控制理论，为石化工业的发展与控制要求的提高，提供了理论基础。
智能控制理论的研究应运而生，也成为当前控制理论的研究热点之一。
因此，石化工业的过程控制也由串级、比值、前馈、选择性、均匀控制等简单控制系统发展到解祸、时滞补偿、推断预估、预测、非线性、状态反馈、双重、自适应、人工神经元网络、模糊、智能等高级控制系统。
据Setpoint公司统计，在生产过程中采用先进过程控制己取得良好的效果。
例如:
1994年Gensym公司和Neuralware公司联合将神经网络和优化软件与专家系统结合，用于Star炼油厂的非线性工艺过程，一年内就收回投资；英国帝国化工研究院（ICI）实时操作优化专家系统在威尔顿石油联合企业应用，并取得实效；日本三菱化学合成公司开发成功了乙烯工程模糊控制系统；美国杜邦公司研制出用于化工聚合中间物生产强度的Pace专家系统。
1.4展望
反应釜是化工生产过程中的重要设备，反应过程中伴随有人量的吸、放热现象，具有大滞后、时变、非线性、反应机理复杂等特点。
传统的PID控制是一种基于过程参数的控制法，具有控制原理简单、稳定性好、可靠性高、参数易调整等优点，但其设计依赖于被控对象的精确数学模型，而反应釜因为机理复杂各个参数在系统反应过程中时变，不能建立精确的数学模型，参数调整往往比较困难，难以解决系统的相对稳定性和快速性的矛盾，因而采用一般的PID控制器无法实现对反应釜的精确控制。
模糊控制是一种基于规则的控制，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，控制效果好。
但模糊控制器是以误差和误差变化作为输入变量，这种控制器具有模糊比例一微分控制作用，精度不太高、稳态误差较大、自适应能力有限和易产生振荡现象。
针对预测控制是一种优化控制算法，它是通过对某一性能指标的最优来确定未来的控制作用的，具有对模型要求低、鲁棒性好、适用于数字计算机控制的优点，但稳定性仍待提高反应釜的温度变化特点，将模糊控制、PID控制与预测控制结合起来，设计出温度控制系统，并根据反应釜装置的特点，采用比例阀控制液体流量，增加系统功能并提高响应速度。
第二章连续搅拌反应釜工艺简介
2.1连续搅拌反应釜的基本结构
连续搅拌反应釜的基本结构如图2.1所示。
反应釜由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。
搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。
搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。
筒体为一个钢制罐形容器，可以在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。
为了维持反应釜内的反应温度，需要设置换热元件。
常用的换热元件为夹套，它包围在筒体的外部，用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。
在此空间通入加热或冷却介质，通过夹套内壁传热，可加热或冷却容器内的物料，介质的每秒流量受电磁阀的控制。
搅拌器是化学反应能够进行的关键部件，它提供过程所需的能量和适宜的流动状态。
搅拌器有很多种类型，本文采用的是最简单的桨式搅拌器。
由于化学反应对反应物的纯度有一定的要求，并且反应过程有可能产生剧毒、易燃、易爆的气体和物料，所以密封装置是反应釜必不可少的一部分。
传动装置包括电动机、减速机、连轴器及机架。
通过电机驱动搅拌轴，带动搅拌器旋转，为物料的循环提供动力。
罐顶和罐底分别装有加料口和出料口，分别用于往罐中加入物料和从罐中取走物料。
为了测量釜内的温度，在罐内装有钢制的温度计套管，可将温度计或温度传感器放入其中。
为了满足工艺的需要，还可以外接附件装置。
图2.1反应釜结构示意图
2.2连续搅拌反应釜工作原理
在进行化学反应之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜内，在反应釜的夹套中通以一定的高压蒸汽，高压蒸汽通过反应釜的夹套提高釜内物料的温度，通过搅拌器的搅拌使物料均匀并提高导热速度，使其温度均匀。
当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行，反应结束后进行冷却。
有时在恒温后还要进行二次升温和恒温。
恒温段是整个工艺的关键，如果温度偏高或偏低，会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质量。
化学反应过程中一般伴有强烈的放热效应，并且反应的放热速率与反应温度之间是一种正反馈的关系。
也就是说，若某种扰动使反应温度有所增加，反应的速率就会增加，放热速率也会增加，会使反应温度进一步上升，甚至会引起“聚爆”现象，使釜内的产品变成废品，并且会影响安全生产。
为了使釜温稳定，在夹套中通以一定的冷却介质，来移走反应放出的多余热量。
通过调节流入反应釜夹套中冷却介质的流量，来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求。
2.3连续搅拌反应釜温度控制难点
连续搅拌反应釜（CSTR）温度控制的难点主要反应在：
（1）复杂性、时滞性和非线性ls
a）化学反应的生产过程伴随着物理化学反应、生化反应、相变过程及物质和能量的转换和传递，因而是一个十分复杂的工业生产过程；
b）所用反应釜容量大、釜壁厚，因此是一个热容量大、纯滞后时间长的被控对象；
c）随着反应的进行，各传热媒体的传热系数成非线性变化，并且对各种外界环境的变化比较敏感；加上反应过程增益变化也会很大，甚至增益变化方向都是不一样的；而且，随着反应的进行，釜内固体颗粒增多，釜的传热系数也会随着发生不规则变化。
（2）难控性
a）反应过程中，由于化学反应放热过程的复杂性和非线性，各传热媒体的传热系数成非线性变化，并对各种外部干扰的影响较敏感，使得控制有一定的难度；
b）反应过程中如果热量移去不及时、不均匀，会使反应温度一直往上升，极易因局部过热而造成“飞温”现象，产生“爆聚”；反之，如果热量移去过多，会造成反应温度一直往下跌，造成反应熄灭。
而聚合反应好坏的主要因素就是反应釜温度控制的好坏，温度的变化将直接影响产品的质量和产量，所以此过程的温度控制是重点也是难点；
c）反应工艺以及反应设备的约束及外界环境对反应影响的不确定性因素也使得控制的难度增加。
（3）建模难
反应过程化学反应机理较为复杂，尤其是聚合反应过程涉及物料、能量的平衡，反应动力学等，加上外界条件如原料纯度
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