1、玫瑰净油生产过程控制系统玫瑰净油过程控制系统课程设计目录一、 课题的背景及意义 11.1 课题的背景 11.2 课题研究的意义 2二、 技术方案的论证 22.1 工艺过程与控制要求 22.2监控系统的结构与功能 4三、 监控过程原理及技术特征 63.1 监控过程及原理 63.2 控制算法 83.3总体性能指标 9四、 系统方案的实施 104.1现场采集系统的研制 104.1.1 系统变量的分析与选择 104.1.2 传感器的选择与转换电路设计 114.2 现场控制系统的研制 164.2.1 现场控制系统配置要求 164.2.2 现场控制系统硬件设计 174.2.3 PLC工作流程 204.3
2、控制系统算法研制 214.3.1 自适应模糊PID控制系统的结构 224.3.2 自适应模糊PID控制器的设计 234.3.3 控制系统算法的实现 254.4 上位机监控系统的开发 264.4.1上位机监控系统的组成 264.4.2 上位机监控系统的设计流程 274.4.3 实时数据库的构造与数据处理的设计 294.4.4 主控窗口与用户窗口组态的设计 294.4.5 设备窗口与运行策略的设计 344.4.6 报警处理与数据报表设计 354.4.7 实时趋势曲线和历史趋势曲线设计 37一、 课题的背景及意义1.1 课题的背景随着计算机技术与过程控制技术的发展，人们对过程控制的目标已经提高到完善
3、生产管理、提高产品质量、节约能源降及低生产成本的水平上来；这样就对当前过程控制的发展提出了很多新的要求，如何利用计算机管理与控制技术对生产过程进行更好的管理与控制，已越来越为企业所关注，实现整个生产流水线监控，实现企业的管控一体化已成为企业发展的必由之路。甘油是一种重要的化工原料，在工业、医药及日常生活中用途十分广泛，目前大约有1700多种用途。我国每年约有1/4的需求依靠进口来解决。甘油的来源一般有两条途径，一是制皂废液，另一途径是油脂水解废水。制皂废液经净化处理和浓缩得到的粗甘油，甘油浓度一般为80左右，其中含有大量的杂质，主要有8左右的NaCI、1-2的NaS04、1.5-3的有机杂质、
4、7左右的水分以及少量的易挥发性杂质；油脂水解废水经净化和浓缩制得的粗甘油质量较制皂废液制得的好，甘油含量一般在88左右，也含有少量水以及2-3的有机杂质和无机杂质。而食用、药用、化妆品用和其他工业用甘油都对甘油的质量要求较高，因此，粗甘油必须进行精制。甘油的精炼过程非常复杂，而且条件较为恶劣，它涉及到温度、压力、流量、物位等大量物理参数，包括物理变化、化学反应等复杂过程。针对甘油生产工艺这样复杂的生产过程，自动控制的主要目标是在保证人身和设备安全的情况下，稳定生产工艺状况，避免人为因素造成产品质量和产量的剧烈波动，确保生产能够获得最大的效益。这就对生产过程自动化控制提出了更高的要求。必须通过先
5、进的控制手段实现关键工艺参数的稳定化监控，保证生产产量和质量目标的实现，以获得最大的生产效益。目前，大型的石化、化工等行业已采用DCS用于生产过程的监控，但由于成套的DCS一则价格昂贵，一套中型的DCS价格动则几百万，甚至上千万，成本太高，对中小型企业根本吃不消；二则一般的DCS系统封闭，兼容性不好。鉴如此，开发成本低，兼容性好的具有自主产权的监控系统不但适应市场的需求，具有较好的经济价值，而且具有较高的社会价值。 1.2 课题研究的意义通过本项目的研究开发，不但能实现对现场工艺参数准确控制，而且通过监控网络能动态监测作业流程、主要设备的运行状态，还能读取现场数据、对数据进行分析，对异常工况进
6、行声光报警和数据查询打印，提高了工业控制的自动化水平，实现了管控一体化，改善了生产的劳动条件，提高了甘油生产的产量与质量，提高经济效益。二、 技术方案的论证2.1 工艺过程与控制要求1工艺过程甘油精炼的工艺流程是将粗甘油通入蒸馏釜，因粗甘油溶液属多相混合物系，蒸馏时可视粗甘油中的有机盐、无机盐以及难挥发的其他杂质为高沸点组分，视粗甘油中的甘油、水及其他易挥发性杂质(如醛、酮等)为低沸点组分。在一定条件 (温度、压力) 下，高沸点组分留在蒸馏釜中，低沸点组分从粗甘油中汽化分离出来，而低沸点组分在汽化后成为以甘油和水蒸气为主体的混合气体，将其通入冷凝器组，利用甘油与水沸点的差异，通过多次部分冷凝后
7、即可得到纯度较高的精甘油。整个流程如图2-1所示图2-1 甘油精炼监控工艺流程图2控制要求（1）甘油产品质量控制粗甘油经蒸馏釜加热蒸馏，再经冷凝器组冷凝的到的精甘油必须符合规定的纯度，同时保证产品损失小于规定值。（2）物料平衡和能量平衡控制进出蒸馏釜和冷凝器组的物料和能量应保持平衡。（3）约束条件控制甘油在常压下沸点是290，在205或稍高温度时，甘油随着受热时间的长短而有一定程度的聚合和分解，要求蒸馏采用真空蒸馏，以使甘油蒸溜在较低温度下进行，同时为保证蒸馏釜的正常、安全操作，蒸馏釜内的操作压力必须维持稳定。（4）经济效益控制达到上述基本目标的同时，蒸馏过程需要获得最大的产品回收率和最小的能
8、量消耗，即优化塔的操作。2.2监控系统的结构与功能整个监控控制系统分监控层和现场控制层两层；甘油监控系统组成如图2-2所示图2-2 甘油监控系统组成1现场控制层的组成与作用：由进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、冷凝器组温度控制系统、真空压力控制系统、恒压供水控制系统和流程巡检系统六个子控制系统构成，用于对现场流程进行测量与控制，其中进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、真空压力控制系统公用一套PLC控制，冷凝器组温度控制系统和恒压供水控制系统公用一套PLC控制，流程巡检系统的数据采集以上两套PLC的数据。（1）进料控制系统由PLC、液位传感器、进料调节阀组成定值闭环控制系统。其原理是由液位传感器检
9、测出蒸馏釜液位，送入PLC与设定值比较后，按设计的控制规律控制进料调节阀，使蒸馏釜液位保持恒定，以保持蒸馏釜的物料平衡。（2）蒸馏釜温度控制系统由PLC、温度传感器、加热油流量调节阀组成定值闭环控制系统。其原理是由温度传感器检测出蒸馏釜出口温度，与设定值比较后，按设计的控制策略控制加热油调节阀，使蒸馏釜出口温度保持恒定，从而保证产品的质量。（3）真空压力控制系统由PLC、真空压力传感器、真空压力调节阀组成定值闭环控制系统。其原理是由真空压力传感器检测出真空压力，与PLC设定值比较后，按控制规律控制真空压力变频电机，使蒸馏釜内真空压力和冷凝器内真空压力保持恒定。（4）恒压供水控制系统由PLC、压
10、力传感器、冷凝水压力调节阀组成定值闭环控制系统。其原理是由压力传感器检测出冷凝水压力，与PLC设定值比较后，按控制规律控制恒压供水变频电机，使冷凝水压力保持恒定，以保持冷凝组用水的稳定。（5）冷凝器组温度控制系统由一个PLC、四个温度传感器、四个冷凝器温度调节阀组成四个相互独立的定值闭环控制系统。其原理是由四个温度传感器分别检测出四个冷凝器温度，与PLC的设定值比较后，按控制规律分别控制四个冷凝器温度调节阀，使四个冷凝器温度保持恒定（冷凝器共六个串联连接，其中前两个采用自然冷却方式不用控制）。（6）流程巡检系统由PLC、液位传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器及TP200文本显示器组成。
11、按一定周期巡回检测蒸馏釜出口液位、温度、六个凝器温度、真空压力、冷凝水压力及粗甘油进料量、三个等级的精甘油流量并显示，同时显示甘油精炼的成品率。2监控层的组成与作用：监控层硬件由装有MCGS的工控机、各种参数显示器和打印机构成。软件环境由“组态环境”和“运行环境”组成。作用：一方面可以通过网络接受来自现场控制层的各种信息进行显示、分析和处理，对现场层进行监视；另一方面，可以按照工艺要求，通过网络对现场控制层下达指令，对现场控制层进行控制。三、 监控过程原理及技术特征3.1 监控过程及原理监控系统有单机控制和联机控制两种工作方式：1单机控制工作方式：包括单步操作、单控制系统操作和异常操作三种形式
12、，主要是为设备安装、调试检修需要设计。原理：单步操作为开环控制，以检查与控制单个电气设备运行状况；单控制系统操作为闭环控制，以检查现场控制层单闭环控制系统的运行状态；异常操作为生产运行发生异常工况时，系统及时切换到规定的处理程序。2联机控制工作方式：包括监控层对现场控制层实时监控，现场控制层对现场流程实时测量与控制。工作原理及过程：系统启动后，首先启动真空控制系统、恒压供水控制系统、流程巡检系统，在真空作用下将粗甘油吸入蒸馏釜，通入蒸馏釜粗甘油液位不能太高，也不能太低，太高易泛液，太低设备有危险，由进料控制系统控制蒸馏釜的液位。当蒸馏釜粗甘油液位到达工艺设定液位后，启动蒸馏釜温度控制系统，在蒸
13、馏釜温度控制系统作用下，将由甘油、水及其他易挥发性杂质等组成的低沸点组分汽化，和由有机盐、无机盐以及难挥发的其他杂质等组成的高沸点组分分离，分离的工艺温度由蒸馏釜温度控制系统实现。汽化分离后的低沸点组分进入冷凝器组；高沸点组分保留在蒸馏釜中，由监控系统控制定时排放到废液渣罐中。汽化后的低沸点组分依次进入冷凝器组冷凝，利用甘油与低沸点组分中的其它组分沸点不同进行分离。冷凝器组由六个冷凝器用管道串连组成，1#与2#冷凝器用空气冷凝，3#至6#冷凝器用冷却水冷凝，3#至6#冷凝器的冷却工艺温度由冷凝器组温度控制系统实现；冷却用水由恒压供水控制系统实现。因工艺条件要求，整个蒸馏过程必须在真空环境下进行
14、，同时蒸馏釜进料、甘油由蒸馏釜进入冷凝器组也用到真空。真空度控制由真空控制系统完成。控制系统流程如图3-1所示图3-1 控制系统流程3.2 控制算法由于蒸馏釜温度、液位与冷凝器温度的被控参数具有时变、非线性特点，常规的PID控制很难达到理想的控制精度要求，而且常规的PID控制有对不同的控制对象采用不同的PID参数要求，PID参数调整极不方便。为改变常规PID控制以上弱点，本项目采用自适应模糊PID控制方法以提高系统的控制精度、安全性和可靠性。即模拟人的控制行为，利用人的经验知识实现对蒸馏釜温度、液位与冷凝器温度等被控参数的控制。蒸馏釜温度控制系统设计成以温度偏差和偏差变化率为输入量、加热油调节
15、阀流量为输出量的双输入单输出模糊控制器进行控制；进料控制系统设计成以液位偏差和偏差变化率为输入量、进料调节阀流量为输出量的双输入单输出模糊控制器进行控制；冷凝器温度控制系统设计成分别以各个冷凝器的温度偏差和偏差变化率为输入量、各个冷凝器的调节阀流量为输出量的双输入单输出模糊控制器进行控制。真空压力控制系统、恒压供水控制系统采用增量式PID控制。3.3总体性能指标1针对甘油精炼设备特点，采用先进的控制策略实现对温度、压力、流量、液位等现场参数的准确控制。温度控制范围与精度：0300；误差0.5%压力控制范围与精度：010Mpa；误差0.5%液位控制范围与精度：0.0510m；误差0.5%2实现整
16、个生产流水线监控，实现企业的管控一体化。动态监测作业流程；主要设备的运行状态；显示主要参数的实时曲线及历史曲线；显示和记录主要参数的实时数据和历史数据。3数据的处理分析与报警。能对采集数据进行存储；能对被控参数进行趋势分析；对监控参数能实施越限报警；自动生成异常状态数据库。4查询功能。能查询各种监控参数的历史数据，各种参数的曲线及趋势，能自动生成各种监控参数的报表并具有打印功能。四、 系统方案的实施4.1现场采集系统的研制4.1.1 系统变量的分析与选择1被控变量的选择被控变量的选择依据：根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量；当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工
17、艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量；被控变量必须有足够大的灵敏度；选择被控变量时，要考虑工艺合理性。甘油生产工艺是在蒸馏釜中分离粗甘油中的高沸点组分和低沸点组分，然后利用冷凝器组冷凝低沸点组分得到精甘油，选择被控变量时除考虑工艺条件外，同时要兼顾约束条件的限制；因此选择甘油的浓度、蒸馏釜内压力、蒸馏釜液位、各级冷却塔的温度及冷却水的压力应为被控变量。其中甘油的浓度是反映甘油质量的被控变量，蒸馏釜内压力、蒸馏釜液位、各级冷却塔的温度及冷却水的压力为约束条件的被控变量。因甘油的浓度不便测量（工业浓度检测仪表可靠性差、测量滞后大、反应缓慢，并且价格高，而蒸馏釜出口温度和甘油浓度有近似的对
18、应关系），因此选用蒸馏釜出口温度作为反映甘油质量的间接被控变量。2操纵变量的选择控制变量的选择原则：工艺上允许控制的变量；控制通道应比其它干扰对被控参数的影响灵敏，即静态放大倍数要大、时间常数要小、滞后越小越好；被控过程存在多个时间常数，在选择设备及控制参数时，尽量错开；考虑工艺的合理性与生产的经济性。本项目主要有进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、冷凝器组温度控制系统、真空压力控制系统、恒压供水控制系统五个现场控制子系统和一个流程巡检系统构成。其中恒压供水控制系统和真空压力控制系统的执行器是变频电机，操纵变量选择变频电机的频率，通过改变变频电机的频率实现对供水压力及真空压力的控制；进料控制系统
19、、蒸馏釜温度控制系统、冷凝器温度控制系统等系统执行器都是调节阀，操纵变量选择调节阀的开度，通过改变调节阀的开度实现对系统被控变量的控制；流程巡检系统只采集数据，无操纵变量。4.1.2 传感器的选择与转换电路设计1温度信号的采集与转换电路设计本系统温度检测点有：蒸馏釜出口温度、六个冷凝器温度、加热油温度共八个检测点，这八个检测点温度都在500以下，要求快速检测且转变成标准信号（420mA）。工业常用的传感器有热电偶温度传感器和铂电阻温度传感器两种，对于500以下的中、低温度测量，热电偶输出的热电势很小，且容易受到干扰而测量不准，而铂电阻在500以下的中、低温测温时，物理化学性能稳定，检测速度快，
20、选择铂电阻(Pt100)做作八个温度检测点传感器；并将温度采集系统设计成隔爆型一体化温度变送器形式。电阻温度关系： Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 (-2000) （4-1） Rt =R0(1+At+Bt2) ( 0850) （4-2）隔爆型一体化温度变送器组成与原理：由温度传感器和信号转换器组成，信号转换器安装在温度传感器的接线盒内，由铂电阻(Pt100)温度传感器将温度转变为电阻信号，电阻信号经不平衡电桥，经放大后直接转换成420mA电流输出。特点：结构简单，可直接与控制器、记录仪表、计算机等配套使用，组成各种测量控制系统；输出为电流（420mA）信号，抗干扰能力强、远传
21、性能好，使用场所包括含有爆炸性气体混合物的环境。 主要技术指标 供电电压：1330V，DC 测量范围：-200500输出信号：420mA 使用环境温度：-2070 防护等级：IP54 2流量信号的采集与转换电路设计流量监控点主要有：蒸馏釜粗甘油进料流量、精甘油1流量、精甘油2流量和精甘油3流量。常见的流量计有：差压式流量计、转子流量计、靶式流量计、椭圆齿轮流量计、涡轮流量计、电磁流量计、旋涡式流量计。经分析比较认为靶式流量计可用于测量雷诺数较小的流量，适合高粘度的流体，如甘油、重油、沥青等的流量测量；粗甘油流量、精甘油1流量、精甘油2流量和精甘油3流量四个流量计均采用HTCB靶式流量计。HTC
22、B流量计原理：在管道中央安装垂直于流体流向的同轴圆片形靶，流体沿靶周围的环形间隙流过时，靶就会受到流体推力的作用，力的大小和流体的动能与靶面积的乘积正比，传感器将靶力转换成毫伏电信号，经过A/D转换器，微处理器，D/A转换器，转换成与流量成正比的420mA电流输出。F=QAV/2g。 （4-3）F：靶板所受的作用力Q：阻尼系数A：靶板面积：流体密度V/2g：特征流速HTCB靶式流量计主要特点：耐高温高压，性能可靠；智能化结构设计，具有参数设定及故障提示功能；可显示瞬时流量，累积流量；具有上下限报警以及脉冲输出功能。主要技术参数： 流量范围：0-400t/h 输出信号：420mA 二线制输出与流
23、量成线性关系供电电压：1236VDC环境温度：-3060介质温度：400（带散热片）阻尼时间：1100秒任意可调3压力传感器的选择与设计压力传感器包括真空压力传感器和恒压供水压力传感器，经分析比较真空压力传感器采用PTB709真空压力变送器；供水压力传感器采用MD-W 恒压供水压力传感器。PTB709真空压力变送器特点： 不锈钢一体化结构，可适应恶劣环境；精度高，性价比高，稳定性高，调试方便，防雷击，零点，满度可调。主要技术参数：输出信号： 420mADC（两线制）供电电压： 1040VDC（两线制）介质温度： -30225环境温度： -2085零点温度漂移： 0.02%FS量程温度漂移： 0
24、.02%FSMD-W 恒压供水压力传感器特点：全不锈钢焊接外壳，具有良好的防潮能力及介质兼容性；输出信号的稳定；集成度高、体积小、精度高、一致性好、抗干扰能力强、响应速度快。主要技术参数：量 程: 01150(MPa)综合精度: 0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制)供电电压: 24DCV(936DCV)介质温度: -2085150环境温度: 常温(-2085)负载电阻: 电流输出型：最大800；电压输出型：大于50K绝缘电阻: 大于2000M (100VDC密封等级: IP654液位信号的采集与转换电路设计因
25、蒸馏釜属密闭容器，对其液位测量必须选用差压液位变送器，同时在测量中粗甘油因含有结晶颗粒及粘度较大，易造成引压管线堵塞。故采用加隔离膜盒的PTP1151DP差压液位变送器。PTP1151DP差压液位变送器直接安装在管道或容器上，由于隔离膜片直接与液相介质相接触，无须将正压侧用导压管引出。PTP1151DP差压液位变送器特点：测量高温、高粘度、易结晶、易沉淀和强腐蚀等介质的液位，然后将其转换成420mA信号输出。主要技术参数：量程：1.37.5；6.237.4；31.1186.8；117689.5输出：420mA；05V；15V；010V精度：0.5%FS最大过载压力或静压(MPa):2、5、10
26、环境温度影响(%/28)：0.25(量程3加0.5倍)介质温度影响(%/28)：0.15(量程3加0.5倍)4.2 现场控制系统的研制4.2.1 现场控制系统配置要求现场控制层由6套控制系统组成，包括15个模拟量输入检测点、9个模拟量输出控制点、20个数字量输入检测点和38个数字量输出控制点。模拟量输入检测点：1个蒸馏釜出口温度、6个冷凝器温度和1个加热油温度共8个温度检测点；粗甘油进料流量、精甘油1流量、精甘油2流量和精甘油3流量共4个流量检测点；1个真空压力和1个冷凝水压力共2个压力检测点；蒸馏釜粗甘油液位1个液位检测点。模拟量输出控制点：1个进料调节阀控制点、1个加热油调节阀控制点、4个
27、冷凝器温度调节阀控制点、1个数据显示器控制点、1个真空压力变频电机控制点和1个恒压供水变频电机控制点。数字量输入检测点：总电源启停开关1个检测点、手动自动切换开关1个检测点、子控制系统（进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、冷凝器温度控制系统、真空压力控制系统、恒压供水控制系统和流程巡检系统）的启停6个检测点、调节阀运行状况8个检测点、变频器运行2个检测点和电机热继电器2个检测点。数字量输出控制点：单步操作及指示灯2个控制点、单控制系统操作及指示灯2个控制点、异常操作及指示灯2个控制点、子控制系统（进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、冷凝器温度控制系统、真空压力控制系统、恒压供水控制系统和流程巡检系
28、统）的手动启停及指示灯12个控制点、调节阀运行手动启停及指示灯16个控制点和变频器运行手动启停及指示灯4个控制点。4.2.2 现场控制系统硬件设计根据配置要求现场控制系统选西门子CPU226PLC做控制器，配以模拟量输入/输出模块、数字量输出模块完成对现场的控制。具体配置如下：CPU控制器：CPU226 (I24/O16) 2块；数字量输出模块：EM222(O8) 1块；模拟量输出模块：EM232(AO2) 3块；模拟量输入/输出模块：EM235(AI4/AO1) 4块；电源：SITO powers(24v直流稳压电源，SA) 2块；CPU226功能与特点：集成24输入/16输出共40个数字量
29、I/O 点；可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点，或35路模拟量I/O 点；13K字节程序和数据存储空间；6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，可实现8个回路的PID控制；2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力；指令功能丰富、运算速度较快；基于WINDOWS的编程软件STEP7-WICRO/WIN32容易使用，结构清晰，并有在线变量监测功能，利用总线连接电缆可以与扩展模块和上位监控机连接在一起。现场控制系统连接如图4-1所示：图4-1 现场控制系统连接1#控制系统由一块CPU226主机模块、一块EM222数
30、字量输出扩展模块、一块EM232模拟量输出扩展模块、二块EM235模拟量输入/输出扩展模块及电源模块组成，模块间用西门子专用电缆连接。主要用于对进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、真空压力控制系统和流程巡检系统的控制。与1#控制系统连接的数字量输入输出点共33个，模拟量输入输出点共11个。地址分配表如表4-1所示表4-1 1#控制系统地址分配表模块PLC设备连接模块PLC设备连接1#CPU226I0.0总电源状态EM222Q2.0真空调节阀开开I0.1自动状态Q2.1真空调节阀指示灯I0.2进料控制系统状态Q2.2流程巡检系统手动开I0.3釜温控制系统状态Q2.3流程巡检系统指示灯I0.4真空压力控制系统状态Q2.41#变频器手动开I0.5进料调节阀状态Q2.51#变频器指示灯I0.6加热油调节阀状态Q2.6I0.7真空调节阀状态1#EM232AQ0进料调节阀开度I1.01#变频器状态AQ2加热油调节阀开度I1.11#电机热继电器状态1#EM 235AI0蒸馏釜出口温度I1.2流程巡检系统状态AI2加热油温度Q0.0单步操作开AI4蒸馏釜液位Q0.1单步操作开指示灯AI6真空压力Q0.2单控制系统操开AQ4Q0.3单控制系统操作指示灯2#EM 235AI8粗甘油进料流量Q0.4异常操作开AI10精甘油1流量Q0.5异常操作指示灯AI12精甘油2流量Q0.6进料控制系统手动开
