-3-基于PLC的反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19770基于PLC的反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)案例 1119021.1反應(yīng)釜溫度控制工藝 1249341.1.1反應(yīng)釜的工藝介紹 1279741.1.2反應(yīng)釜控溫的工藝流程 386531.2反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3271251.2.1反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)工作原理 3219391.2.2反應(yīng)釜溫度控制難點(diǎn) 496111.2.3反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 476081.2.4PID控制器的應(yīng)用與發(fā)展 5233631.2.5反應(yīng)釜溫度控制中的PID控制方案 5反應(yīng)釜溫度控制工藝反應(yīng)釜的工藝介紹連續(xù)自動(dòng)化的攪拌工作方式構(gòu)成反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)整體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-1反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖所示。筒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)罐內(nèi)裝有三層鋼板壓制罐的方向圓形容器，容器內(nèi)部用來添加各種加工原材料，添加了攪拌器以后各種原材料在反應(yīng)釜內(nèi)部就可以直接進(jìn)行熱加工。一般只有使得反應(yīng)釜內(nèi)部溫度比較穩(wěn)定的情況下，加工材料才能充分有效地被加工出來，有一點(diǎn)要特別提一下，那就是反應(yīng)釜得設(shè)計(jì)一個(gè)保溫層或者保溫器件。常用的這種小型換熱器的容器安裝元件是作為一種圓形換熱夾套，這種換熱器元件一般附著在整個(gè)容器的外面一層，如果運(yùn)用別的焊接手段的話容器還可以接納更多的圓形容器，這樣容器與容器之間就會(huì)連接的特別精密，這樣有助于熱交換充分地進(jìn)行。在此設(shè)定工作范圍空間內(nèi)的它可同時(shí)通入氣動(dòng)物料進(jìn)行加熱或低溫解凍以及冷卻各種固體介質(zhì)，通過氣動(dòng)物料夾套閥在容器內(nèi)壁自動(dòng)傳熱，可同時(shí)進(jìn)行加熱或低溫解凍以及冷卻各種介質(zhì)夾套容器內(nèi)的各種固體物料，介質(zhì)的每秒進(jìn)入輸出壓力流量控制可通過接受氣動(dòng)整流電磁閥的電流自動(dòng)控制。攪拌器通常認(rèn)為是能夠保證所有化學(xué)反應(yīng)的全過程處理能夠正常連續(xù)進(jìn)行的一個(gè)重要關(guān)鍵部件[12]它通常能夠同時(shí)提供化學(xué)反應(yīng)處理過程所有部分必需的均勻穩(wěn)定化學(xué)能量和同時(shí)保持一個(gè)適宜的化學(xué)物料均勻流動(dòng)量和穩(wěn)定狀態(tài)。攪拌器目前可以分為有很多種正在使用中的類型，本文主要介紹采用的這種類型主要是最簡單的槳式燃?xì)鉄崴鞯臄嚢杵?。由于安全密封化學(xué)反應(yīng)對所有化學(xué)反應(yīng)物的原子量和化學(xué)純度都必須具有一定的安全使用要求，并且安全化學(xué)反應(yīng)安全使用過程中很有可能還甚至?xí)苯赢a(chǎn)生大量含有劇毒、易燃、易爆的有害化學(xué)氣體和其他化學(xué)反應(yīng)物料，所以安全使用密封化學(xué)反應(yīng)安全裝置一定能夠是確?；瘜W(xué)反應(yīng)應(yīng)用過程安全釜必不可少的一部分。圖2-1反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)釜控溫的工藝流程圖2-2反應(yīng)釜控溫實(shí)物圖圖2-3溫度控制原理工藝流程圖反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)工作原理在我們準(zhǔn)備開始進(jìn)行各種導(dǎo)熱高速化學(xué)反應(yīng)之前，先將所有導(dǎo)熱反應(yīng)物按照一定的導(dǎo)熱混合量和比例均勻加熱進(jìn)行高速加熱攪拌混合[13][14]?；瘜W(xué)反應(yīng)放熱過程中一般都會(huì)伴有強(qiáng)烈的化學(xué)放熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，一般情況下化學(xué)熱反應(yīng)的反應(yīng)速率與化學(xué)反應(yīng)溫度之間存在著正反饋的關(guān)系，就是說溫度越高化學(xué)反應(yīng)速率越快。如圖2-3控制原理流程圖也就是說，若某種釜的擾動(dòng)直接使整個(gè)反應(yīng)釜的溫度變得有所大大增加，與之同時(shí)加快速度的是反應(yīng)物的振蕩頻率，頻率一高所產(chǎn)生的化學(xué)熱能當(dāng)然也會(huì)變高，多種放熱反應(yīng)的進(jìn)行所產(chǎn)生的溫度累加起來這會(huì)讓反應(yīng)釜的整體溫度有所上升，極端情況下還會(huì)引起爆炸反應(yīng)，使釜內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)品全部變成大量廢品，并且這還會(huì)嚴(yán)重影響安全釜的生產(chǎn)。為了保證使加熱釜溫穩(wěn)定，在加熱夾套中通以一定的溫度冷卻加熱介質(zhì)，來快速移走加熱反應(yīng)爐釋放出的多余氣體熱量。通過自動(dòng)調(diào)節(jié)物料流入受熱反應(yīng)爐和釜內(nèi)的夾層管套中受熱冷卻物料介質(zhì)的自動(dòng)流量，來自動(dòng)控制流入反應(yīng)釜內(nèi)受熱物料的冷卻溫度值并使之能夠符合一定工藝溫度要求。反應(yīng)釜溫度控制難點(diǎn)反應(yīng)釜對于溫度的控制，一般來說有以下的幾個(gè)難點(diǎn)：(1)復(fù)雜性、時(shí)滯性和非線性ls。(2)難控性。(3)建模難。a) 化學(xué)反應(yīng)放熱機(jī)理與模型化學(xué)反應(yīng)的放熱機(jī)理較為復(fù)雜[15]，尤其特別多的是聚合反應(yīng)的放熱過程中所需要涉及所用到的反應(yīng)物料、能量之間的平衡，反應(yīng)的熱動(dòng)力學(xué)等，加上諸多不受外界環(huán)境條件的直接影響，例如聚合原材料的使用純度、催化劑的使用類型等等諸多因素對于產(chǎn)品質(zhì)量的影響相當(dāng)嚴(yán)重，推導(dǎo)設(shè)計(jì)出這些數(shù)學(xué)機(jī)理與反應(yīng)模型相當(dāng)困難；隨著化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)發(fā)展而不斷進(jìn)行，各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的熱量變化也都具有一定的非線性特性，依照我們傳統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理計(jì)算方法和最小二次放熱函數(shù)相互作用乘法等同于傳統(tǒng)的熱建模計(jì)算技術(shù)，想要正確設(shè)計(jì)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)放熱過程機(jī)理中的準(zhǔn)確性和數(shù)學(xué)反應(yīng)模型，這些都很困難。反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)觀察整個(gè)反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)，PLC控制器是整個(gè)系統(tǒng)最最關(guān)鍵部分了。其輸入部分主要有穩(wěn)壓電源模塊、溫度采集模塊、水流量監(jiān)控模塊、編碼器組成。輸出部分有變頻器控制電機(jī)從而控制螺旋攪拌裝置的速度、變頻器控制風(fēng)機(jī)、可控硅控制加熱器、人機(jī)界面、報(bào)警燈等。該反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)在工作時(shí)，將采集到的信號轉(zhuǎn)換后先傳輸給PLC控制系統(tǒng)，之后由PLC控制系統(tǒng)傳輸信號到輸出部分，輸出部分會(huì)根據(jù)需求不斷調(diào)整達(dá)到精確控制，并且數(shù)據(jù)會(huì)顯示在觸摸屏上。圖2-4反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)PID控制器的應(yīng)用與發(fā)展在工業(yè)生產(chǎn)工藝過程中，對于工業(yè)生產(chǎn)工藝裝置的各種溫度、壓力、流量、液位等各種工藝優(yōu)化變量常常按照要求變量維持在一定的變化數(shù)值上，或按一定的變化規(guī)律進(jìn)行變化，以便于滿足工業(yè)生產(chǎn)工藝的基本要求。PID自動(dòng)控制器原理是根據(jù)控制PID自動(dòng)控制器的原理對整個(gè)自動(dòng)控制器的系統(tǒng)變量進(jìn)行預(yù)定偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到使每個(gè)被控系統(tǒng)變量的實(shí)際偏差值與符合工藝設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)預(yù)定偏差值一致。不同的生產(chǎn)控制處理規(guī)律可以適用于不同的產(chǎn)品生產(chǎn)處理過程，必須合理化地選擇適用相應(yīng)的生產(chǎn)控制處理規(guī)律，否則裝在PID中的控制器將可能達(dá)不到用戶預(yù)期的生產(chǎn)控制處理效果。PID微控制器系統(tǒng)是一個(gè)在許多工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用中常見的信號反饋器和回路控制部件。這個(gè)數(shù)據(jù)控制器把數(shù)據(jù)收集后得到的差別數(shù)據(jù)和一個(gè)新的參考值數(shù)據(jù)進(jìn)行差別比較，然后把這個(gè)新的差別數(shù)據(jù)用于用來計(jì)算新的數(shù)據(jù)輸入值，這個(gè)新的數(shù)據(jù)輸入值的設(shè)計(jì)目的也就是為了可以達(dá)到讓整個(gè)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)能夠達(dá)到或者一直保持在這個(gè)參考值。和其他簡單信號控制函數(shù)運(yùn)算不同，PID的微控制器系統(tǒng)能夠根據(jù)所需要的控制歷史數(shù)據(jù)和無關(guān)信號的出現(xiàn)及頻率等情況自動(dòng)調(diào)整所需要的控制輸入值，這樣也就能夠有效地使得控制輸出系統(tǒng)更加精確，更加穩(wěn)定。我們可以通過一些數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)分析方法來證明，在其它的反饋控制系統(tǒng)的方法中，很有可能會(huì)使得系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)高度穩(wěn)定性的錯(cuò)誤或者是在控制工作過程中經(jīng)常發(fā)生反復(fù)各種現(xiàn)象，一個(gè)帶有PID的反饋控制回路卻同樣能夠有效地保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。反應(yīng)釜溫度控制中的PID控制方案(1)采用了比例控制運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)器：由于這種采用了比例控制運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)器對于控制偏差的信號都是即時(shí)進(jìn)行響應(yīng)的，偏差一旦這個(gè)信號一經(jīng)出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器馬上就會(huì)自動(dòng)發(fā)揮產(chǎn)生一個(gè)控制運(yùn)動(dòng)的作用，這個(gè)作用會(huì)減少輸出量和減少控制的偏差運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的比例運(yùn)動(dòng)控制系數(shù)KP很大程度上決定了響應(yīng)的快慢。比例穩(wěn)態(tài)調(diào)整器雖然簡單快速，但對于某一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為有限函數(shù)值的每一個(gè)控制單元對象會(huì)同時(shí)存在某一個(gè)穩(wěn)態(tài)上的誤差。加大誤差比例質(zhì)量系數(shù)KP可以大大減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出誤差，但是，KP過大時(shí)，會(huì)直接使系統(tǒng)的一個(gè)動(dòng)態(tài)誤差質(zhì)量系數(shù)變壞，引起輸出量級的振蕩，甚至可能導(dǎo)致自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)重新使用比例殘余積分穩(wěn)態(tài)函數(shù)調(diào)節(jié)器：為了完全消除原有的比例積分調(diào)節(jié)函數(shù)中所有殘余積分穩(wěn)態(tài)函數(shù)的誤差，可在原有的比例積分調(diào)節(jié)函數(shù)基礎(chǔ)上重新加入比例積分穩(wěn)態(tài)函數(shù)調(diào)節(jié)。積分偏差的調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要具有一個(gè)相應(yīng)的累積偏差控制成分，只要這個(gè)偏差系數(shù)e不為零，它就會(huì)通過這個(gè)相應(yīng)的累積控制成分的作用不斷地影響到這個(gè)偏差的控制量u(k)，從而不斷地減小這個(gè)偏差，直到這個(gè)偏差系數(shù)為零。如果其中的積分時(shí)間常數(shù)比TI大，則其積分時(shí)間效應(yīng)弱，反之則為強(qiáng)。增大超調(diào)TI將是一個(gè)可以緩慢盡量減少消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)超調(diào)誤差工作過程，但是也可有效減小穩(wěn)態(tài)超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。引入了微積分頻率調(diào)節(jié)的主要代價(jià)也就是大大降低系統(tǒng)的運(yùn)行快速性。(3)如何使用比例偏差積分系統(tǒng)中的微分偏差調(diào)節(jié)器：如果想要讓系統(tǒng)的自動(dòng)控制過程提高速度的話，一定程度上可以通過干擾他的偏差變化，按照自動(dòng)使它的偏差發(fā)生變化時(shí)運(yùn)動(dòng)趨向的順序?qū)ζ溥M(jìn)行自動(dòng)控制，使它的偏差發(fā)生變化消滅在一個(gè)萌芽期的狀態(tài)，這樣也是使用比例偏差調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的基本原理。這些微分子同時(shí)作用于溫度超調(diào)系統(tǒng)中將會(huì)更好地幫助減小溫度超調(diào)?？朔穗姶耪袷帲沟秒娮酉到y(tǒng)更好地趨于穩(wěn)定。圖2-5不同KP下誤差的波動(dòng)當(dāng)KP=0.5時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為0.283當(dāng)KP=1時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為0.165當(dāng)KP=2時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為0.09。當(dāng)KP=4時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為0.047當(dāng)KP=8時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為0.024。由此可見，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的KP誤差變化加大時(shí)，可以