《甘油過程控制系統(tǒng)》

課程設計

目錄

一、課題的背景及意義............................................................1

1.1課題的背景.................................................................1

1.2課題研究的意義.............................................................2

二、胡方案的論證..............................................................2

2.1工藝過程與控制要求........................................................2

2.2監(jiān)控系統(tǒng)的結構與功能.......................................................4

三、監(jiān)控過程原理及技術特征......................................................6

3.1監(jiān)控過程及原理..............................................................6

3.2控制算法...................................................................8

3.3總體性能指標................................................................9

四、系統(tǒng)方案的實施.............................................................10

4.1現(xiàn)場采集系統(tǒng)的研制.........................................................10

4.1.1系統(tǒng)變量的分析與選擇..............................................10

4.1.2傳感器的選擇與轉換電路設計..........................................11

4.2現(xiàn)場控制系統(tǒng)的研制........................................................16

4.2.1現(xiàn)場控制系統(tǒng)配置要求..............................................16

4.2.2現(xiàn)場控制系統(tǒng)硬件設計...............................................17

4.2.3PLC工作流程..........................................................20

4.3控制系統(tǒng)算法研制.......................................................21

4.3.1自適應含糊PID控制系統(tǒng)的結構........................................22

4.3.2自適應含糊PID控制器的設計..........................................23

4.3.3控制系統(tǒng)算法的實現(xiàn).................................................25

4.4上位機監(jiān)控系統(tǒng)的開辟...................................錯誤！未定義書簽。

4.4.1上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組成..............................錯誤！未定義書簽。

4.4.2上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設計流程..........................錯誤！未定義書簽。

4.4.3實時數(shù)據(jù)庫的構造與數(shù)據(jù)處理的設計...................錯誤！未定義書簽。

4.4.4主控窗口與用戶窗口組態(tài)的設計.......................錯誤！未定義書簽。

4.4.5設備窗口與運行策略的設計.............................錯誤！未定義書簽。

4.4.6報警處理與數(shù)據(jù)報表設計................................錯誤！未定義書簽。

4.4.7實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線設計.......................錯誤！未定義書簽。

2

一、課題的背景及意義

1.1課題的背景

隨著計算機技術與過程控制技術的發(fā)展，人們對過程控制的目標

已經提高到完善生產管理、提高產品質量、節(jié)約能源降及低生產成本

的水平上來；這樣就對當前過程控制的發(fā)展提出了不少新的要求，如

何利用計算機管理與控制技術對生產過程進行更好的管理與控制，已

越來越為企業(yè)所關注，實現(xiàn)整個生產流水線監(jiān)控，實現(xiàn)企業(yè)的管控一

體化已成為企業(yè)發(fā)展的必由之路C

甘油是一種重要的化工原料，在工業(yè)、醫(yī)藥及日常生活中用途十

分廣泛，目前大約有1700多種用途。我國每年約有1/4的需求依靠

進口來解決。甘油的來源普通有兩條途徑，一是制皂廢液，另一途徑

是油脂水解廢水。制皂廢液經凈化處理和濃縮得到的粗甘油，甘油濃

度普通為80%擺布，其中含有大量的雜質，主要有8%擺布的NaCI、

1%-2%的NaS04、1.5%-3%的有機雜質、7%擺布的水分以及少量

的易揮發(fā)性雜質；油脂水解廢水經凈化和濃縮制得的粗甘油質量較制

皂廢液制得的好，甘油含量普通在88%擺布，也含有少量水以及2%

-3%的有機雜質和無機雜質。而食用、藥用、化妝品用和其他工業(yè)用

甘油都對甘油的質量要求較高，因此，粗甘油必須進行精制。

甘油的精煉過程非常復雜，而且條件較為惡劣，它涉及到溫度、

壓力、流量、物位等大量物理參數(shù)，包括物理變化、化學反應等復雜

過程。針對甘油生產工藝這樣復雜的生產過程，自動控制的主要目標

1

是在保證人身和設備安全的情況下，穩(wěn)定生產工藝狀況，避免人為因

素造成產品質量和產量的劇烈波動，確保生產能夠獲得最大的效益。

這就對生產過程自動化控制提出了更高的要求。必須通過先進的控制

手段實現(xiàn)關鍵工藝參數(shù)的穩(wěn)定化監(jiān)控，保/生產產量和質量目標的實

現(xiàn)，以獲得最大的生產效益C

目前，大型的石化、化工等行業(yè)已采用DCS用于生產過程的監(jiān)控，

但由于成套的DCS一則價格昂貴，一套中型的DCS價格動則幾百萬，

甚至上千萬，成本太高，對中小型企業(yè)根本吃不消；二則普通的DCS

系統(tǒng)封閉，兼容性不好。鑒如此，開辟成本低，兼容性好的具有自主

產權的監(jiān)控系統(tǒng)非但適應市場的需求，具有較好的經濟價值，而且具

有較高的社會價值。

1.2課題研究的意義

通過本項目的研究開辟，非但能實現(xiàn)對現(xiàn)場工藝參數(shù)準確控制，

而且通過監(jiān)控網絡能動態(tài)監(jiān)測作業(yè)流程、主要設備的運行狀態(tài)，還能

讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行分析，對異常工況進行聲光報警和數(shù)據(jù)查

詢打印，提高了工業(yè)控制的自動化水平，實現(xiàn)了管控一體化，改善了

生產的勞動條件，提高了甘油生產的產量與質量，提高經濟效益。

二、技術方案的論證

2.1工藝過程與控制要求

1.工藝過程

2

甘油精煉的工藝流程是將粗甘油通入蒸儲釜，因粗甘油溶液屬多

相混合物系，蒸館時可視粗甘油中的有機鹽、無機鹽以及難揮發(fā)的其

他雜質為高沸點組分，視粗甘油中的甘油、水及其他易揮發(fā)性雜質(如

醛、酮等)為低沸點組分。在一定條件(溫度、壓力)下，高沸點組

分留在蒸儲釜中，低沸點組分從粗甘油中汽化分離出來，而低沸點組

分在汽化后成為以甘油和水蒸氣為主體的混合氣體，將其通入冷凝器

組，利用甘油與水沸點的差異，通過多次部份冷凝后即可得到純度較

高的精甘油。整個流程如圖2-1所示

甘油精煉監(jiān)控工藝流程圖

圖2-1甘油精煉監(jiān)控工藝流程圖

2.控制要求

(1)甘油產品質量控制

粗甘油經蒸儲釜加熱蒸儲，再經冷凝器組冷凝的到的精甘油必須

符合規(guī)定的純度，同時保證產品損失小于規(guī)定值。

(2)物料平衡和能量平衡控制

進出蒸儲釜和冷凝器組的物料和能量應保持平衡。

3

(3)約束條件控制

甘油在常壓下沸點是290℃,在205c或者稍高溫度時，甘油隨

著受熱時間的長短而有一定程度的聚合和分解，要求蒸偶采用真空

蒸鐲，以使甘油蒸溜在較低溫度下進行，同時為保證蒸儲釜的正常、

安全操作，蒸儲釜內的操作壓力必須維持穩(wěn)定.

(4)經濟效益控制

達到上述基本目標的同時;蒸僧過程需要獲得最大的產品回攻率

和最小的能量消耗，即優(yōu)化塔的操作。

2.2監(jiān)控系統(tǒng)的結構與功能

整個監(jiān)控控制系統(tǒng)分監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層兩層；甘油監(jiān)控系統(tǒng)組

成如圖2-2所示

圖2-2廿油監(jiān)控系統(tǒng)無成

1.現(xiàn)場控制層的組成與作用：

由進料控制系統(tǒng)、蒸儲釜溫度控制系統(tǒng)、冷凝器組溫度控制系統(tǒng)、

真空壓力控制系統(tǒng)、恒壓供水控制系統(tǒng)和流程巡檢系統(tǒng)六個子控制系

統(tǒng)構成，用于對現(xiàn)場流程進行測量與控制，其中進料控制系統(tǒng)、蒸僧

釜溫度控制系統(tǒng)、真空壓力控制系統(tǒng)公用一套PLC控制，冷凝器組溫

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度控制系統(tǒng)和恒壓供水控制系統(tǒng)公用一套PLC控制，流程巡檢系統(tǒng)的

數(shù)據(jù)采集以上兩套PLC的數(shù)據(jù)。

(1)進料控制系統(tǒng)

由PLC、液位傳感器、進料調節(jié)閥組成定值閉環(huán)控制系統(tǒng)。其原

理是由液位傳感器檢測出蒸儲釜液位，送入PI.C與設定值比較后，按

設計的控制規(guī)律控制進料調節(jié)閥，使蒸儲釜液位保持恒定，以保持蒸

編釜的物料平衡。

(2)蒸饋釜溫度控制系統(tǒng)

由PLC、溫度傳感器、加熱油流量調節(jié)閥組成定值閉環(huán)控制系統(tǒng)。

其原理是由溫度傳感器檢測出蒸儲釜出口溫度，與設定值比較后，按

設計的控制策略控制加熱油調節(jié)閥，使蒸儲釜出口溫度保持恒定，從

而保證產品的質量。

(3)真空壓力控制系統(tǒng)

由PLC、真空壓力傳感器、真空壓力調節(jié)閥組成定值閉環(huán)控制系

統(tǒng)。其原理是由真空壓力傳感器檢測出真空壓力，與PLC設定值比較

后，按控制規(guī)律控制真空壓力變頻機電，使蒸儲釜內真空壓力和冷凝

器內真空壓力保持恒定。

(4)恒壓供水控制系統(tǒng)

由PLC、壓力傳感器、冷凝水壓力調節(jié)閥組成定值閉環(huán)控制系統(tǒng)。

其原理是由壓力傳感器檢測出冷凝水壓力，與PLC設定值比較后，按

控制規(guī)律控制恒壓供水變頻機電，使冷凝水壓力保持恒定，以保持冷

凝組用水的穩(wěn)定。

5

(5)冷凝器組溫度控制系統(tǒng)

由一個PLC、四個溫度傳感器、四個冷凝器溫度調節(jié)閥組成四個

相互獨立的定值閉環(huán)控制系統(tǒng)。其原理是由四個溫度傳感器分別檢測

出四個冷凝器溫度，與PLC的設定值比較后，按控制規(guī)律分別控制四

個冷凝器溫度調節(jié)閥，使四個冷凝器溫度保持恒定(冷凝器共六個串

聯(lián)連接，其中前兩個采用自然冷卻方式不用控制)。

(6)流程巡檢系統(tǒng)

由PLC、液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器及

TP200文本顯示器蛆成。按一定周期巡回檢測蒸儲釜出口液位、溫度、

六個凝器溫度、真空壓力、冷凝水壓力及粗甘油進料量、三個等級的

精甘油流量并顯示，同時顯示甘油精煉的成品率。

2.監(jiān)控層的組成與作用：

監(jiān)控層硬件由裝有MCGS的工控機、各種參數(shù)顯示器和打印機構

成。軟件環(huán)境由“組態(tài)環(huán)境”和“運行環(huán)境”組成。

作用：一方面可以通過網絡接受來自現(xiàn)場控制層的各種信息進行

顯示、分析和處理，對現(xiàn)場層進行監(jiān)視；另一方面，可以按照工藝要

求，通過網絡對現(xiàn)場控制層下達指令，對現(xiàn)場控制層進行控制。

三、監(jiān)控過程原理及技術特征

3.1監(jiān)控過程及原理

監(jiān)控系統(tǒng)有單機控制和聯(lián)機控制兩種工作方式：

1.單機控制工作方式：包括單步操作、單控制系統(tǒng)操作和異常操作

6

三種形式，主要是為設備安裝、調試檢修需要設計。

原理：單步操作為開環(huán)控制，以檢查與控制單個電氣設備運行狀

況；單控制系統(tǒng)操作為閉環(huán)控制，以檢查現(xiàn)場控制層單閉環(huán)控制系統(tǒng)

的運行狀態(tài)；異常操作為生產運行發(fā)生異常工況時，系統(tǒng)及時切換到

規(guī)定的處理程序。

2.聯(lián)機控制工作方式：包括監(jiān)控層對現(xiàn)場控制層實時監(jiān)控，現(xiàn)場控

制層對現(xiàn)場流程實時測量與控制。

工作原理及過程：系統(tǒng)啟動后，首先啟動真空控制系統(tǒng)、恒壓供

水控制系統(tǒng)、流程巡檢系統(tǒng)，在真空作用下將粗甘油吸入蒸饋釜，通

入蒸儲釜粗甘油液位不能太高，也不能太低，太高易泛液，太低設備

有危（wei）險，由進料控制系統(tǒng)控制蒸儲釜的液位。

當蒸儲釜粗廿油液位到達工藝設定液位后，啟動蒸儲釜溫度控制

系統(tǒng)，在蒸儲釜溫度控制系統(tǒng)作用下，將由甘油、水及其他易揮發(fā)性

雜質等組成的低沸點組分汽化，和由有機鹽、無機鹽以及難揮發(fā)的其

他雜質等組成的高沸點組分分離，分離的工藝溫度由蒸儲釜溫度控制

系統(tǒng)實現(xiàn)。汽化分離后的低沸點組分進入冷凝器組；高沸點組分保留

在蒸播釜中，由監(jiān)控系統(tǒng)控制定時排放到廢液渣罐中。

汽化后的低沸點組分挨次進入冷凝器組冷凝，利用甘油與低沸點

組分中的其它組分沸點不同進行分離。冷凝器組由六個冷凝器用管道

串聯(lián)組成，1.與2.冷凝器用空氣冷凝，3,至&冷凝器用冷卻水冷凝，

&至小冷凝器的冷卻工藝溫度由冷凝器組溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)；冷卻用

水由恒壓供水控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

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因工藝條件要求，整個蒸憎過程必須在真空環(huán)境下進行，同時蒸

館釜進料、甘油由蒸偏釜進入冷凝器組也月到真空。真空度控制由真

空控制系統(tǒng)完成。控制系統(tǒng)流程如圖3-1所示

3.2控制算法

由于蒸儲釜溫度、液位與冷凝器溫度的被控參數(shù)具有時變、非線

性特點，常規(guī)的PID控制很難達到理想的控制精度要求，而且常規(guī)的

PTD控制有對不同的控制對象采用不同的PID參數(shù)要求，PTD參數(shù)調

8

整極不方便。為改變常規(guī)PID控制以上弱點，本項目采用自適應含糊

PID控制方法以提高系統(tǒng)的控制精度、安全性和可靠性。即摹擬人的

控制行為，利用人的經驗知識實現(xiàn)對蒸儲釜溫度、液位與冷凝器溫度

等被控參數(shù)的控制。

蒸播釜溫度控制系統(tǒng)設計成以溫度偏差和偏差變化率為輸入量、

加熱油調節(jié)閥流量為輸出量的雙輸入單輸出含糊控制器進行控制；進

料控制系統(tǒng)設計成以液位偏差和偏差變化率為輸入量、進料調節(jié)閥流

量為輸出量的雙輸入單輸出含糊控制器進行控制；冷凝器溫度控制系

統(tǒng)設計成份別以各個冷凝器的溫度偏差和偏差變化率為輸入量、各個

冷凝器的調節(jié)閥流量為輸出量的雙輸入單輸出含糊控制器進行控制。

真空壓力控制系統(tǒng)、恒壓供水控制系統(tǒng)采用增量式PID控制。

3.3總體性能指標

1.針對甘油精煉設備特點，采用先進的控制策略實現(xiàn)對溫度、壓力、

流量、液位等現(xiàn)場參數(shù)的準確控制。

溫度控制范圍與精度：。?300℃；誤差＜±0.5%

壓力控制范圍與精度：0?lOMpa；誤差W±0.5%

液位控制范圍與精度：0.05?10m；誤差W±0.5%

2.實現(xiàn)整個生產流水線監(jiān)控，實現(xiàn)企業(yè)的管控一體化。動態(tài)監(jiān)測作

'也流程；主要設備的運行狀態(tài)；顯示主要參數(shù)的實時曲線及歷史曲線；

顯示和記錄主要參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

3.數(shù)據(jù)的處理分析與報警。能對采集數(shù)據(jù)進行存儲；能對被控參數(shù)

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進行趨勢分析；對監(jiān)控參數(shù)能實施越限報警；自動生成異常狀態(tài)數(shù)據(jù)

庫。

4.查詢功能。能查詢各種監(jiān)控參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，各種參數(shù)的曲線及

趨勢，能自動生成各種監(jiān)控參數(shù)的報表并具有打印功能。

四、系統(tǒng)方案的實施

4.1現(xiàn)場采集系統(tǒng)的研制

4.1.1系統(tǒng)變量的分析與選擇

1.被控變量的選擇

被控變量的選擇依據(jù)：根據(jù)生產工藝的要求，找出影響生產的關

鍵變量作為被控變量；當不能用直接工藝參數(shù)作為被控變量時，應選

擇與直接工藝參數(shù)有單值函數(shù)關系的間接工藝參數(shù)作為被控變量；被

控變量必須有足夠大的靈敏度：選擇被控變量時，要考慮工藝合理性。

甘油生產工藝是在蒸儲釜中分離粗甘油中的高沸點組分和低沸

點組分，然后利用冷凝器組冷凝低沸點組分得到精甘油，選擇被控變

量時除考慮工藝條件外，同時要兼顧約束條件的限制；因此選擇甘油

的濃度、蒸儲釜內壓力、蒸儲釜液位、各級冷卻塔的溫度及冷卻水的

壓力應為被控變量。其中甘油的濃度是反映甘油質量的被控變量，蒸

儲釜內壓力、蒸儲釜液位、各級冷卻塔的溫度及冷卻水的壓力為約束

條件的被控變量。因甘油的濃度不便測量（工業(yè)濃度檢測儀表可靠性

差、測量滯后大、反應緩慢，并且價格高，而蒸儲釜出口溫度和甘油

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濃度有近似的對應關系），因此選用蒸憎釜出口溫度作為反映甘油質

量的間接被控變量。

2.控制變量的選擇

控制變量的選擇原則：工藝上允許控制的變量；控制通道應比其

它干擾對被控參數(shù)的影響靈敏，即靜態(tài)放大倍數(shù)要大、時間常數(shù)要小、

滯后越小越好；被控過程存在多個時間常數(shù)，在選擇設備及控制參數(shù)

時，盡量錯開；考慮工藝的合理性與生產的經濟性。

本項目主要有進料控制系統(tǒng)、蒸鐳釜溫度控制系統(tǒng)、冷凝器組溫

度控制系統(tǒng)、真空玉力控制系統(tǒng)、恒壓供水控制系統(tǒng)五個現(xiàn)場控制子

系統(tǒng)和一個流程巡檢系統(tǒng)構成。其中恒壓供水控制系統(tǒng)和真空壓力控

制系統(tǒng)的執(zhí)行器是變頻機電，控制變量選擇變頻機電的頻率，通過改

變變頻機電的頻率實現(xiàn)對供水壓力及真空壓力的控制；進料控制系

統(tǒng)、蒸儲釜溫度控制系統(tǒng)、冷凝器溫度控制系統(tǒng)等系統(tǒng)執(zhí)行器都是調

節(jié)閥，控制變量選擇調節(jié)閥的開度，通過改變調節(jié)閥的開度實現(xiàn)對系

統(tǒng)被控變量的控制；流程巡檢系統(tǒng)只采集數(shù)據(jù)，無控制變量。

4.1.2傳感器的選擇與轉換電路設計

1.溫度信號的采集與轉換電路設計

本系統(tǒng)溫度檢測點有：蒸僧釜出口溫度、六個冷凝器溫度、加熱

油溫度共八個檢測點，這八個檢測點溫度都在500℃以下，要求快速

檢測且轉變成標準信號（4?20mA）。工業(yè)常用的傳感器有熱電偶溫度

傳感器和伯電阻溫度傳感器兩種，對于500c以下的中、低溫度測量，

11

熱電偶輸出的熱電勢很小，且容易受到干擾而測量不許，而鉗電阻在

500℃以下的中、低溫測溫時，物理化學性能穩(wěn)定，檢測速度快，選

擇拓電阻(Pt100)做作八個溫度檢測點傳感器；并將溫度采集系統(tǒng)設

計成隔爆型一體化溫度變送器形式。

電阻溫度關系：

R=R[l+At+BtzKXtTOO)t](-200"0℃)(4-1)

l0

R=R0(1+At+Bt2)(o?850℃)(4-2)

隔爆型一體化溫度變送器組成與原理：由溫度傳感器和信號轉換

器組成，信號轉換器安裝在溫度傳感器的接線盒內，由粕電阻(PtlOO)

溫度傳感器將溫度轉變?yōu)殡娮栊盘?，電阻信號經不平衡電橋，經放?/p>

后直接轉換成4?20mA電流輸出。

特點：結構簡單，可直接與控制器、記錄儀表、計算機等配套使

用，組成各種測量控制系統(tǒng)；輸出為電流(4~20mA)信號，抗干擾

能力強、遠傳性能好，使用場所包括含有爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

主要技術指標

供電電壓：13~30V,DC

測量范圍：-200℃"500℃

輸出信號：4^20mA

使用環(huán)境溫度：-20~70℃

防護等級：IP54

2.流量信號的采集與轉換電路設計

流量監(jiān)控點主要有：蒸儲釜粗甘油進料流量、精甘油1流量、精

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甘油2流量和精甘油3流量。常見的流量計有：①差壓式流量計、②

轉子流量計、③靶式流量計、④橢圓齒輪流量計、⑤渦輪流量計、⑥

電磁流量計、⑦旋渦式流量計。

經分析比較認為靶式流量計可用于測量雷諾數(shù)較小的流量，適合

高粘度的流體，如甘油、重油、瀝青等的流量測量：粗甘油流量、精

甘油1流量、精甘油2流量和精甘油3流量四個流量計均采用HTCB

靶式流量計。

HTCB流量計原理：在管道中央安裝垂直于流體流向的同軸圓片

形靶，流體沿靶周圍的環(huán)形間隙流過時，靶就會受到流體推力的作用，

力的大小和流體的動能與靶面積的乘積正比，傳感器將靶力轉換成毫

伏電信號，經過A/D轉換器，微處理器，D/A轉換器，轉換成與流量

成正比的4、20mA電流輸出。

F=QApV2/2go(4-3)

F：靶板所受的作用力

Q：阻尼系數(shù)

A：靶板面積

p：流體密度

V2/2g：特征流速

HTCB靶式流量計主要特點：耐高溫高壓，性能可靠；智能化結

構設計，具有參數(shù)設定及故障提示功能；可顯示瞬時流量，積累流量；

具有上下限報警以及脈沖輸出功能。

主要技術參數(shù):

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流量范圍：0-400t/h

輸出信號：4?20mA二線制輸出與流量成線性關系

供電電壓：12?36VDC

環(huán)境溫度：-30℃~60℃

介質溫度：W400c（帶散熱片）

阻尼時間：1100秒任意可調

3.壓力傳感器的選擇與設計

壓力傳感器包括真空壓力傳感器和恒壓供水壓力傳感器，經分析

比叫真空壓力傳感器采用PTB709真空壓力變送器；供水壓力傳感器

采用MDTV恒壓供水壓力傳感器。

PTB709真空壓力變送器特點：不銹鋼一體化結構，可適應惡劣

環(huán)境；精度高，性價比高，穩(wěn)定性高，調試方便，防雷擊，零點，滿

度可調。

主要技術參數(shù)：

輸出信號：4~20mADC（兩線制）

供電電壓：10M0VDC（兩線制）

介質溫度：-30℃?225℃

環(huán)境溫度：-20℃、85℃

零點溫度漂移：W±0.02%FS℃

量程溫度漂移：W±0.02%FS℃

MD-W恒壓供水壓力傳感器特點：全不銹鋼焊接外殼，具有良好

的防潮能力及介質兼容性；輸出信號的穩(wěn)定；集成度高、體積小、精

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度高、一致性好、抗干擾能力強、響應速度快。

主要技術參數(shù)：

量程：0^ri50(MPa)

綜合精度:0.1%FS>0.2%FS>0.5%FS>1.0%FS

輸出信號:4~20mA(二線制)、0~5V、「5V、0~10V(三線制)

供電電壓:24DCV(9~36DCV)

介質溫度:-20?85?150℃

環(huán)境溫度：常溫(-20?85C)

負載電阻：電流輸出型：最大800Q；電壓輸出型：大于50KQ

絕緣電阻：大于2000MQ(100VDC

密封等級：IP65

4.液位信號的采集與轉換電路設計

因蒸播釜屬密閉容器，對其液位測量必須選用差壓液位變送器，

同時在測量中粗甘油因含有結晶顆粒及粘度較大，易造成引壓管線堵

塞。故采用加隔離膜盒的PTP1151DP差壓液位變送器。PTP1151DP差

壓液位變送器直接安裝在管道或者容器上，由于隔離膜片直接與液相

介質相接觸，無須將正壓側用導壓管引出。

PTP1151DP差壓液位變送器特點：測量高溫、高粘度、易結晶、

易沉淀和強腐蝕等介質的液位，然后將其轉換成4、20mA信號輸出。

主要技術參數(shù)：

量程：1.3~7.5；6.2、37.4；31.T186.8；117?689.5

輸出：4~20mA；0~5V；「5V；O"IOV

15

精度：0.5%FS

最大過載壓力或者靜壓（MPa）:2、5、10

環(huán)境溫度影響（%/28℃）：±0.25（量程3力口0.5倍）

介質溫度影響觥/28℃）：±0.15（量程3加0.5倍）

4.2現(xiàn)場控制系統(tǒng)的研制

4.2.1現(xiàn)場控制系統(tǒng)配置要求

現(xiàn)場控制層由6套控制系統(tǒng)組成，包括15個摹擬量輸入檢測點、

9個摹擬量輸出控制點、20個數(shù)字量輸入檢測點和38個數(shù)字量輸出

控制點。

摹擬量輸入檢測點：1個蒸儲釜出口溫度、6個冷凝器溫度和1

個加熱油溫度共8個溫度檢測點；粗甘油進料流量、精甘油1流量、

精甘油2流量和精甘油3流量共4個流量檢測點；1個真空壓力和1

個冷凝水壓力共2個壓力檢測點；蒸儲釜粗甘油液位1個液位檢測點。

摹擬量輸出控制點：1個進料調節(jié)閥控制點、1個加熱油調節(jié)閥

控制點、4個冷凝器溫度調節(jié)閥控制點、1個數(shù)據(jù)顯示器控制點、1

個真空壓力變頻機電控制點和1個恒壓供水變頻機電控制點。

數(shù)字量輸入檢測點：總電源啟停開關1個檢測點、手動自動切換

開關1個檢測點、子控制系統(tǒng)（進料控制系統(tǒng)、蒸儲釜溫度控制系統(tǒng)、

冷凝器溫度控制系統(tǒng)、真空壓力控制系統(tǒng)、恒壓供水控制系統(tǒng)和流程

巡檢系統(tǒng)）的啟停6個檢測點、調節(jié)閥運行狀況8個檢測點、變頻器

運行2個檢測點和機電熱繼電器2個檢測點。

16

數(shù)字量輸出控制點：單步操作及指示燈2個控制點、單控制系統(tǒng)

操作及指示燈2個控制點、異常操作及指示燈2個控制點、子控制系

統(tǒng)(進料控制系統(tǒng)、蒸儲釜溫度控制系統(tǒng)、冷凝器溫度控制系統(tǒng)、真

空壓力控制系統(tǒng)、恒壓供水控制系統(tǒng)和流程巡檢系統(tǒng))的手動啟停及

指示燈12個控制點、調節(jié)閥運行手動啟停及指示燈16個控制點和變

頻器運行手動啟停及指示燈4個控制點。

4.2.2現(xiàn)場控制系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)配置要求現(xiàn)場控制系統(tǒng)選西門子CPU226PLC做控制器，配以

摹擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸出模塊完成對現(xiàn)場的控制。具體配

置如下：

CPU控制器：CPU226(124/016)2塊；

數(shù)字量輸出模塊：EM222(08)1塊；

摹擬量輸出模塊：EM232CA02)3塊；

摹擬量輸入/輸出模塊：EM235(AI4/A01)4塊；

電源：SITOpowers(24v直流穩(wěn)壓電源，SA)2塊；

CPU226功能與特點：集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點；

可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點，或者35路

模擬量I/O點；13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間；6個獨立的30kHz

高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，可實現(xiàn)8個回路的

PID控制；2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊

協(xié)議和自由方式通訊能力；指令功能豐富、運算速度較快；基于

WINDOWS的編

17

程軟件STEP7-WICR0/WIN32容易使用，結構清晰，并有在線變量監(jiān)測

功能，利用總線連接電纜可以與擴展模塊和上位監(jiān)控機連接在一起。

現(xiàn)場控制系統(tǒng)連接如圖4-1所示：

圖4-1現(xiàn)場控制系統(tǒng)連接

1#控制系統(tǒng)由一塊CPU226主機模塊、一塊EM222數(shù)字量輸出擴

展模塊、一塊EM232摹擬量輸出擴展模塊、二塊EM235摹擬量輸入/

輸山擴展模塊及電源模塊組成，模塊間用西門子專用電纜連接。主要

用于對進料控制系統(tǒng)、蒸儲釜溫度控制系統(tǒng)、真空壓力控制系統(tǒng)和流

程巡檢系統(tǒng)的控制。

與1#控制系統(tǒng)連接的數(shù)字量輸入輸出點共33個，摹擬量輸入輸

出點共11個。地址分配表如表4-1所示

表4-11#控制系統(tǒng)地址分配表

模塊PLC設備連接模塊PLC設備連接

10.0總電源狀態(tài)Q2.0真空調節(jié)閥開開

10.1自動狀態(tài)Q2.1真空調節(jié)閥指示燈

10.2進料控制系統(tǒng)狀態(tài)Q2.2流程巡檢系統(tǒng)手動開

10.3釜溫控制系統(tǒng)狀態(tài)EM222Q2.3流程巡檢系統(tǒng)指示燈

10.4真空壓力控制系統(tǒng)狀態(tài)Q2.41#變頻器手動開

10.5進料調節(jié)閥狀態(tài)Q2二51#變頻器指示燈

18

10.6加熱油同節(jié)閥狀態(tài)Q2.6

TO.7真空調節(jié)閥狀態(tài)I#EMAQO進料調節(jié)閥開度

11.01#變頻器狀態(tài)232AQ2加熱油調節(jié)閥開度

II.11#機電熱繼電器狀態(tài)AIO蒸儲釜出口溫度

11.2流程巡檢系統(tǒng)狀態(tài)1#EMA12加熱油溫度

QO.0單步操作開235AI4蒸僧釜液位

QO.1單步操作開指示燈AT6真空壓力

QO.2單控制系統(tǒng)操開AQ4

1#CPUQO.3單控制系統(tǒng)操作指示燈AI8粗甘油進料流量

226

Q0.4異常操作開2#EMAI10精甘油1流量

QO.5異常操作指示燈235AI12精甘油2流量

QO.6進料控制系統(tǒng)手動開AIM和精甘油3流量

QO.7進料控制系統(tǒng)指示燈AQ61#變頻器頻率

Q1.0釜溫控系統(tǒng)手動開

QI.1釜溫控系統(tǒng)手動指示燈

QI.2真空控制系統(tǒng)手動開

QI.3真空控制系統(tǒng)指示燈

QI.4進料調節(jié)閥開

QI.5進料調節(jié)閥指示燈

QI.6加熱油調節(jié)閥開開

QI.7加熱油調節(jié)閥指走燈

2#控制系統(tǒng)由一塊CPU226主機模塊、二塊EM232摹擬量輸出擴

展模塊、二塊EM235摹擬量輸入/輸出擴展模塊及電源模塊組成，主

要用于對冷凝器組溫.度控制系統(tǒng)恒壓供水控制系統(tǒng)的控制。

與2#控制系統(tǒng)連接的數(shù)字量輸入輸出點共25個，摹擬量輸入輸

出點共13個。地址分配表如表4-2所示

表4-22#控制系統(tǒng)地址分配表

模塊>LC設備連接模塊>LC備連接

10.0冷凝溫控系統(tǒng)狀態(tài)2#EM\Q0凝器1調節(jié)閥開度

10.1恒壓供水控制系統(tǒng)狀態(tài)232\Q2涔凝器2調節(jié)閥開度

10.2冷凝器1調節(jié)閥狀態(tài)2#EM\Q4於凝器3調節(jié)閥開度

10.3冷凝器2調節(jié)閥狀態(tài)232\Q6宣凝器4調節(jié)閥開度

10.4冷凝器3調節(jié)閥狀態(tài)UO冷凝器1溫度

10.5冷凝器4調節(jié)閥狀態(tài)112治凝器2溫度

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10.6怛壓供水調節(jié)閥狀態(tài)3#EMAI4冷凝器3溫度

10.72#變頻器狀態(tài)235AT6冷凝器4溫度

10.02#機電熱繼電器狀態(tài)AQ8數(shù)據(jù)顯示器數(shù)據(jù)

Q0.0冷凝溫度控制系統(tǒng)手動開AI8冷凝器5溫度

Q0.1冷凝溫度控制系統(tǒng)指示燈34EMAI10冷凝器6溫度

2#CPUQ0.2恒壓供水控制系統(tǒng)手動開235AI12冷凝水壓力

226Q0.3恒壓供水控制系統(tǒng)指示燈AQ102#變頻瑞頻率

Q0.4冷凝器1調節(jié)閥開

Q0.5冷凝器1調節(jié)閥指示燈

Q0.6冷凝器2調節(jié)閥開

Q0.7冷凝器2調節(jié)閥指示燈

Q1.0冷凝器3調節(jié)閥開

Q1.1冷凝器3調節(jié)閥指示燈

QL2冷凝器4調節(jié)閥開

Q1.3冷凝器4調節(jié)閥指示燈

Q1.4恒壓供水調節(jié)閥開

Q1.5恒壓供水調節(jié)閥指示燈

Q1.62#變頻器手動兀

Q1.73#變頻器指示燈

4.2.3PLC工作流程

PLC采用循環(huán)掃描工作方式，包括內部處理、通信處理、輸入掃

描、用戶程序執(zhí)行、輸出處理五個階段。

內部處理：執(zhí)行CPU自測試診斷程序，保證硬件、程序內存和所

有擴充模塊均正常作業(yè)。

通信處理：處理所有通訊請求，執(zhí)行點至點或者網絡通訊要求的

所有任務。

輸入掃描：讀取輸入，將實際輸入狀態(tài)復制至映像輸入寄存器。

用戶程序執(zhí)行：在程序中執(zhí)行控制邏輯，執(zhí)行程序的指令，并將

數(shù)值存儲在不同的內存區(qū)。

輸出處理：向輸出寫入，存儲在映像輸出寄存器中的數(shù)值被寫入

20

實際輸出。

PLC工作過程如圖4-2所示

開始

T

內部處理

通信處理

輸入掃描

執(zhí)行用戶程序

輸出處理

圖4-2PLC工作過程

4.3控制系統(tǒng)算法研制

由于蒸僧釜的溫度、液位與冷凝器溫度等被控參數(shù)具有時變、非

線性特點，常規(guī)的P1D調節(jié)很難達到理想的控制精度要求，為克服常

規(guī)PID控制的弱點。本項目利用人工智能的方法將蒸儲釜溫度控制系

統(tǒng)、進料控制系統(tǒng)、冷凝器溫度組控制系統(tǒng)設計成自適應含糊PID控

制系統(tǒng)。

自適應含糊PID控制系統(tǒng)的設計思路是將操作人員的調整經驗

作為知識存入計算機中，運用含糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)則

的條件、操作用含糊集表示，并把這些含糊控制規(guī)則存入有關知識庫

21

中，然后控制器根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應情況，運用含糊推理，自動

調整P1D參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。

4.3.1自適應含糊PID控制系統(tǒng)的結構

蒸播釜溫度系統(tǒng)控制器以溫度偏差和偏差變化率為輸入量、加熱

油調節(jié)閥流量為輸出量；進料控制系統(tǒng)控制器以液位偏差和偏差變化

率為輸入量，進料調節(jié)閥流量為輸出量；冷凝器溫度組控制系統(tǒng)控制

器是分別以各個冷凝器的溫度偏差和偏差變化率為輸入量、各個冷凝

器的調節(jié)閥流量為輸出量。以下只以蒸儲釜進料系統(tǒng)自適應含糊PID

控制系統(tǒng)作以說明。

由液位傳感器測得的實際液位y與蒸偏釜液位給定值相比較得

out

到的偏差e和偏差變化率ec,送入含糊控制器后經含糊化得到含糊

量E及EC,E及EC經含糊推理及解含糊得到PID的比例系數(shù)K,積

P

分系數(shù)K,微分系數(shù)K,調整后的K、K、K送入PID控制器參預PID

idpid

運算，運算后輸出經D/A轉換，送給調節(jié)閥執(zhí)行，通過調節(jié)閥來控

制蒸儲釜中的加水量的大小，從而控制液位。

含糊控制器的輸入、輸出變量都是精確的數(shù)值，含糊控制器采用

含糊語言變量，用含糊邏輯進行推理，含糊控制器的基本結構框圖如

圖4-3所示。

22

圖4-3含糊控制器的基本結構框圖

4.3.2自適應含糊PID控制器的設計

1.參數(shù)的自整定原則

PID控制規(guī)律離散化的形式：

u(k)=ke(k)+k寸e(j)+k[e(k)_e(k_1)](4-4)

pid

j=0