第頁(yè)分子蒸餾集散控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25757分子蒸餾集散控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)案例 1287201.1分子蒸餾DCS系統(tǒng)選型 1111211.2分子蒸餾DCS各組成部分 5116951.2控制器部分 7本文主要設(shè)計(jì)的集散控制系統(tǒng)中存在著很多子系統(tǒng)，例如，各級(jí)蒸發(fā)器真空控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；各級(jí)蒸發(fā)溫度控制子系統(tǒng)；各級(jí)冷凝溫度控制子系統(tǒng)，這里包含PLC及各單元模塊和溫度傳感器及變送器選型設(shè)計(jì)；原料流量控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；刮膜轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；而本文主要進(jìn)行設(shè)計(jì)的是刮膜轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)。1.1分子蒸餾DCS系統(tǒng)選型集散型控制系統(tǒng)（DCS）是集4C(Communication、Computer、Control、CRT)技術(shù)于一身的第四代過(guò)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有不少的優(yōu)點(diǎn)，例如，控制系統(tǒng)算法先進(jìn)，計(jì)算精度高，響應(yīng)迅速，同時(shí)還采用了自動(dòng)化儀表控制系統(tǒng)安全可靠，日常維護(hù)簡(jiǎn)單。在整個(gè)集散控制系統(tǒng)中處于重要地位的是通信，也就是Communication，集散系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)巨大、可以無(wú)限延伸的樹(shù)狀拓?fù)鋱D，采用并行連續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，用大量的電纜從中繼站并行到現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備中。圖2-4DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖遵循控制分散、危險(xiǎn)分散，而管理集中的原則而設(shè)計(jì)出來(lái)的集散控制系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)而言，DCS比傳統(tǒng)集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要更加好，操作時(shí)的各種風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)被分散，各種控制也會(huì)被分散，而只有信息會(huì)被集中在一起，減少系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，可靠性高。DCS系統(tǒng)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始發(fā)展，直至今日以及到了第四代產(chǎn)品了，在這之前各個(gè)國(guó)家都在進(jìn)行集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)，市面上的DCS產(chǎn)品多種多樣，而一切都萬(wàn)變不離其宗，它們這類(lèi)的產(chǎn)品都是在相同的設(shè)計(jì)原理和核心結(jié)構(gòu)下設(shè)計(jì)出來(lái)的，只是各種產(chǎn)品會(huì)有自己不同的側(cè)重點(diǎn)而已?？偟膩?lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)大概可分為管理級(jí)、控制級(jí)以及監(jiān)測(cè)級(jí)，又可以分為現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作員站和工程師站。這基本的三個(gè)部分組成DCS的基本功能，三個(gè)站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行連接共同完成任務(wù)。上圖2-4表明了系統(tǒng)的各組成部分。圖2-5DCS系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)場(chǎng)控制站現(xiàn)場(chǎng)控制站（FieldControlStation），縮寫(xiě)為FCS，它一般是由機(jī)柜、現(xiàn)場(chǎng)控制單元、遠(yuǎn)程輸入輸出總線和節(jié)點(diǎn)組成，還帶有著強(qiáng)大的冗余技術(shù)，可以分為以下三種：處理器冗余，通訊冗余和I/O冗余。冗余技術(shù)就是可以采用增加數(shù)倍的元器件的方法來(lái)控制，希望如果發(fā)生控制設(shè)備的意外的情況下能夠?qū)p失損耗降到最低。本文所采用的現(xiàn)場(chǎng)控制站是由PLC組成的。操作員站操作員站是基于Windows系統(tǒng)的圖形化用戶接口，功能包括工藝流程圖形顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)硬件診測(cè)狀態(tài)顯示、趨勢(shì)文件歸檔、過(guò)程及系統(tǒng)報(bào)警以及記錄、數(shù)據(jù)報(bào)表、操作指導(dǎo)、下達(dá)控制指令等。通過(guò)清晰的信息層次結(jié)構(gòu)，操作員可以輕松地實(shí)現(xiàn)透明并且快速的操作。本文采用的操作員站是個(gè)人計(jì)算機(jī)。工程師站工程師站集組態(tài)（包括硬件配置、控制策略、HMI即人機(jī)界面等組態(tài)）、工程調(diào)試和系統(tǒng)診斷功能為一體。工程師站一般是由系統(tǒng)維護(hù)人員使用的，用來(lái)定義操作指令、定義連鎖條件和定義顯示方式。這是DCS系統(tǒng)中重要關(guān)鍵的一步。PLC系統(tǒng)是一種利用PLC功能作為主體的系統(tǒng)，它在早期出現(xiàn)的時(shí)候取代了傳統(tǒng)繼電器控制裝置，可編程邏輯控制器擁有很多優(yōu)點(diǎn)，使得它在全世界得到了快速的發(fā)展和衍生。PLC的功能在不斷地發(fā)展中得到了很大的改善，在控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等技術(shù)快速發(fā)展的背景下，現(xiàn)在的PLC系統(tǒng)不會(huì)只是作用在簡(jiǎn)單的邏輯控制，而是更多地在運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制系統(tǒng)方面發(fā)揮作用。PLC在工作時(shí)一般是有三個(gè)階段的，三個(gè)階段完成稱(chēng)為一個(gè)掃描周期，分別為采樣輸入階段、用戶程序執(zhí)行階段和數(shù)據(jù)輸出刷新階段。圖2-6PLC系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)我們可以使用PLC控制系統(tǒng)或者是DCS系統(tǒng)，這兩者之間相比較的話有相同之處，在性能方面也存在很多的不同之處。DCS控制系統(tǒng)一般是采用工控機(jī)與PLC進(jìn)行組成；而PLC控制系統(tǒng)是由兩個(gè)PLC組成。下面分析這兩種不同組成的控制系統(tǒng)的不同：對(duì)于兩者之間的功能來(lái)說(shuō)，DCS系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)，而PLC只是部分的裝置，相較于DCS系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)的功能會(huì)比較受限，DCS系統(tǒng)可以隨意進(jìn)行功能調(diào)整。對(duì)于兩者之間的網(wǎng)絡(luò)角度來(lái)說(shuō)，DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一般采用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議TCP/IP，其優(yōu)點(diǎn)是它使整個(gè)系統(tǒng)的延展性和開(kāi)放性變得更好，采用了高速通信網(wǎng)絡(luò)使得整個(gè)系統(tǒng)安全可靠。而PLC通常是單個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行工作，在PLC控制系統(tǒng)中，一般是兩個(gè)PLC進(jìn)行通訊，采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有的時(shí)候并不能與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，不方便操作。對(duì)于兩者之間的兼容性來(lái)說(shuō)，DCS系統(tǒng)的工控機(jī)和PLC之間的連接具有完善的整體方案，有操作員站、工程師站和現(xiàn)場(chǎng)控制站，每個(gè)站之間的聯(lián)系是十分密切的，協(xié)調(diào)控制；而PLC控制系統(tǒng)的PLC與PLC之間的連接是十分松散的，并不能夠很好地協(xié)調(diào)控制。對(duì)于兩者之間的延展性來(lái)說(shuō)，DCS系統(tǒng)保存了大量的可擴(kuò)展性接口，對(duì)于擴(kuò)展系統(tǒng)十分方便；但是如果是用PLC控制系統(tǒng)的話，在設(shè)計(jì)完成后是很難進(jìn)行改動(dòng)。對(duì)兩者之間的安全性來(lái)說(shuō)，DCS系統(tǒng)是采用了雙冗余的控制單元，如果有控制單元在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障，其冗余單元進(jìn)行無(wú)擾切換，安全快速；而PLC控制系統(tǒng)需要采用雙PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余。上面是對(duì)于DCS控制系統(tǒng)和雙PLC控制系統(tǒng)的利與弊之間的分析，還要很多方面未能仔細(xì)分析，比如在后期時(shí)控制方案要進(jìn)行更新，在DCS系統(tǒng)中只要在工程師站進(jìn)行操作就能自動(dòng)完成；而PLC構(gòu)成的系統(tǒng)而言，工程量很大，要去確定更新的方案在哪個(gè)PLC中，接著要用編譯器對(duì)程序編譯再進(jìn)行傳送，過(guò)程麻煩復(fù)雜，不利于日后維護(hù)。綜上所述，本設(shè)計(jì)將會(huì)采用工控機(jī)和PLC組成的DCS系統(tǒng)，雙PLC組成的系統(tǒng)不能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。分子蒸餾DCS系統(tǒng)總構(gòu)成圖如圖2-5所示。PLC系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖2-6所示。1.2分子蒸餾DCS各組成部分本節(jié)主要是介紹如何構(gòu)成分子蒸餾過(guò)程集散控制系統(tǒng)，準(zhǔn)備使用的PLC類(lèi)型是西門(mén)子S7-300系列作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，控制對(duì)象是刮膜式分子蒸餾器的各個(gè)組成部分，操作員站使用的是個(gè)人計(jì)算機(jī)，本文將采用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)出組態(tài)作為工程師站。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，完成好組態(tài)方面的設(shè)計(jì)才是最重要的，這是至關(guān)重要的一步。分子蒸餾過(guò)程所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-7所示，按照?qǐng)D上所顯示的來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)分為三個(gè)部分：薄膜蒸發(fā)、二級(jí)分子蒸餾子系統(tǒng)、三級(jí)分子蒸餾子系統(tǒng)。從圖中我們可以看出管理控制站是由三個(gè)部分組成，分別為上位機(jī)、觸摸屏HMI以及可編程控制器PLC，管理控制站下面所連接的是從站，分別為：薄膜蒸發(fā)、二級(jí)分子蒸餾子系統(tǒng)、三級(jí)分子蒸餾子系統(tǒng)。圖2-7分子蒸餾過(guò)程DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖因?yàn)閺恼局械娜齻€(gè)部分的硬件設(shè)計(jì)都是差不多的，所以下文只會(huì)出現(xiàn)一級(jí)分子蒸餾子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基本由三大部分組成：原物料罐以及管道短程蒸發(fā)器以及管道冷凝器以及管道圖2-8DCS系統(tǒng)總構(gòu)成圖分子蒸餾過(guò)程DCS控制系統(tǒng)是基于通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像顯示技術(shù)以及自動(dòng)化儀表技術(shù)等的自動(dòng)控制技術(shù)，該集散控制系統(tǒng)會(huì)被劃分成三個(gè)層級(jí)，分為監(jiān)控級(jí)、控制級(jí)以及現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。從上圖可以看出整個(gè)DCS系統(tǒng)的構(gòu)成。本文主要設(shè)計(jì)的集散控制系統(tǒng)中存在著很多子系統(tǒng)，例如，各級(jí)蒸發(fā)器真空控制子系統(tǒng)；各級(jí)蒸發(fā)溫度控制子系統(tǒng)；各級(jí)冷凝溫度控制子系統(tǒng)，這里包含PLC及各單元模塊和溫度傳感器及變送器選型；原料流量控制子系統(tǒng)；刮膜轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)；而本文主要進(jìn)行設(shè)計(jì)的是刮膜轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)，將會(huì)在下一章進(jìn)行詳細(xì)介紹。各級(jí)蒸發(fā)器真空控制子系統(tǒng)系統(tǒng)中的真空度對(duì)整個(gè)分離提純過(guò)程是非常關(guān)鍵的，真空度高才能使蒸餾的溫度降低，從而使得節(jié)省能源、降低損耗。為了達(dá)到要求，我們需要采用兩種類(lèi)型的真空泵組來(lái)控制真空度。后續(xù)再通過(guò)所需求在進(jìn)行調(diào)整。原料流量控制子系統(tǒng)原料進(jìn)入入料口的相關(guān)控制也是很重要的，如果進(jìn)料速度過(guò)快，那么它會(huì)形成較厚的液膜，不利于蒸發(fā)，所以我們需要控制刮膜板的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而可以控制每級(jí)的原料入料口的進(jìn)料速度。各級(jí)蒸發(fā)溫度控制子系統(tǒng)蒸發(fā)溫度控制子系統(tǒng)是用來(lái)控制分子蒸餾器中的各級(jí)溫度，控制溫度以保證物料能正常進(jìn)行分離，此系統(tǒng)的設(shè)備為加熱爐，能夠均勻加熱保持受熱均衡。刮膜轉(zhuǎn)速控制子系統(tǒng)刮膜轉(zhuǎn)速的控制在本設(shè)計(jì)中是要求詳細(xì)描寫(xiě)的，刮膜轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著蒸發(fā)液體物料的分離和提純的效率，如果蒸發(fā)器中的刮膜轉(zhuǎn)速過(guò)快，那么將不能形成良好的液膜，分離效率大大降低，反之轉(zhuǎn)速太慢也會(huì)導(dǎo)致物料無(wú)法蒸發(fā)，效率減低，分離失敗。為了控制轉(zhuǎn)速，我們?yōu)槊考?jí)系統(tǒng)設(shè)置了0.75Kw的三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，這電動(dòng)機(jī)被變頻器所控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍誤差大概為0~150（±5%）rpm。各級(jí)冷凝溫度控制子系統(tǒng)各級(jí)冷凝機(jī)是用來(lái)控制冷卻水溫度，我們采用的是具有1萬(wàn)大卡制冷能力的制冷機(jī)，溫度可以根據(jù)所需進(jìn)行更改。而現(xiàn)場(chǎng)控制站在此次的設(shè)計(jì)中是由PLC、變頻器MM440、各類(lèi)傳感器以及自動(dòng)化儀表組成。1.2控制器部分控制器的選擇，我們會(huì)選擇PLC作為控制器，因?yàn)閱纹瑱C(jī)和可編程控制器相比較而言，可編程控制器PLC更適合于工業(yè)流程，數(shù)字量和模擬量的輸入輸出點(diǎn)會(huì)比較多，適合于本設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)是分子蒸餾過(guò)程DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這一類(lèi)型的工業(yè)設(shè)計(jì)其功能要求多，抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，要求功能可延展性要好，能夠隨時(shí)增加功能模塊，而單片機(jī)的話并不能滿足此類(lèi)以上要求。綜上，本設(shè)計(jì)的核心控制選用PLC。本系統(tǒng)所采用的PLC設(shè)備類(lèi)型要與我們所需要的I/O點(diǎn)數(shù)以及所采用的輸入、輸出設(shè)備是有很大關(guān)系的，我們采用了西門(mén)子S7-1200系列PLC，各級(jí)子系統(tǒng)的PLC需要同時(shí)與上位機(jī)PLC連接通訊，也需要與下層裝置變頻器進(jìn)行通訊，采用的西門(mén)子PLC類(lèi)型的主機(jī)模塊選擇型號(hào)為CPU1215C。這種型號(hào)的S7-1200系列的PLC比S7-200系列產(chǎn)品更加適用于中低端小型PLC產(chǎn)品，其硬件結(jié)構(gòu)是用緊湊模塊化結(jié)構(gòu)組成的，系統(tǒng)的IO點(diǎn)數(shù)、內(nèi)存容量以及模塊數(shù)量均比S7-200多出30%，滿足了當(dāng)代設(shè)計(jì)需求大容量。PLC需要與管理級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的設(shè)備裝置進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送和控制，這樣才能達(dá)到集散控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，控制分散，信息管理集中。要從控制系統(tǒng)特點(diǎn)來(lái)看，我們需要設(shè)計(jì)以下幾個(gè)部分：對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)擬定系統(tǒng)的技術(shù)條件。通過(guò)設(shè)計(jì)任務(wù)的形式可以確定技術(shù)條件，設(shè)計(jì)任務(wù)的形式是整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和原則。選定電氣傳動(dòng)過(guò)程中的電磁閥、電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行器。選定PLC的型號(hào)。本次實(shí)驗(yàn)選擇的是西門(mén)子S7-1200型號(hào)。繪制端子接線圖，或編寫(xiě)輸入/輸出分配表。軟件規(guī)格說(shuō)明書(shū)由控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修改和完成，應(yīng)用梯形圖或編程語(yǔ)句設(shè)計(jì)程序使控制系統(tǒng)運(yùn)行。本文主要是通過(guò)分子蒸餾過(guò)程利用集散控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，控制對(duì)象為各級(jí)蒸發(fā)器，要對(duì)蒸發(fā)器的溫度、冷凝器的溫度、真空度以及刮膜電機(jī)的轉(zhuǎn)速的各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，設(shè)計(jì)了一套蒸餾生產(chǎn)過(guò)程DCS軟硬件系統(tǒng)。圖2-9PLC系統(tǒng)原