硕士论文-VC三效降膜蒸发控制系统设计及控制参数的优化研究.pdf

东北大学 硕士学位论文 vc三效降膜蒸发控制系统设计及控制参数的优化研究 姓名：石清泉 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：余强 20070301 东北大学硕士学位论丈 d e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo f v c t r i p l ee f f e c t f a l l i n gf i l me v a p o r a t i o n a n dr e s e a r c ho nt h e o p t i m i z i n g t h ec o n t r o l l i n gp a r a m e t e r s a b s t r a c t v ct r i p l ee f f e c tf a l l i n gf i l me v a p o r a t i o ni sas o r to fr o u t i n em e t h o di ne v a p o r a t i o n o c c u p a t i o ni nn o w a d a y s ，i ti se x t e n s i v e l yu s e di nd i f f e r e n tk i n d so fc h e m i c a li n d u s t r y ，f o r i n s t a n c e ，p h a r m a c y ，s y s t e ma l k a l i ，r e f i n es u g a r , f o o d s t u f f a n ds oo n s i n g l e - e f f e c te v a p o r a t i o n i se x t e n s i v e l yu s e d i nc o n v e n t i o n a le v a p o r a t i o no c c u p a t i o n , s u c he v a p o r a t i o na p p r o a c hh a v e g o tl o we f f i c i e n c yi nt h ea s p e c to fe n e r g yu t i l i z a t i o n , p r o d u c tq u a l i t y 。e q u i p m e mr e l i a b i l i t y p o o rs h o r t c o m i n g ，s o t h a ti th a v eg r a d u a l n e s sb e e nr e p l a c e db yt h em u l t i p l e - e f f e c t e v a p o r a t i o nm e a n ss t a t i o n v ct r i p l ee f f e c t 僦l i n gf i l me v a p o r a t i o ni sas o r to fe v a p o r a t i o n m o d ea m o n gm u l t i - c f f e c te v a p o r a t i o n , a tt h i sm o d e ，t h e r ea r et h r e ee v a p o r a t o r sa n de a c h e v a p o r a t o ri so fi n t e r d e p e n d e n c e d u r i n ge v a p o r a t i o np r o c e s s ，f e e dp u l pf l o w sd o w nf r o m e a c he v a p o r a t o rw i t hf i l ma c c o u n t , t a k i n gt u r n st r a n s i te a c he v a p o r a t o ra n dh u g e l yi m p r o v i n g e f f i c i e n c yo f e n e r g yu t i l i z a t i o n m e a s u r e db yd e n s i t y ，e n g i n e e r i n gp r a c t i c ep r o v e n , t h ef a c t o ri m p a c tp r o d u c td e n s i t y i n c l u d ei n p u tf l o w r a t e ，m p u td e n s i t y , i n p u ts t e a mf l o w r a t e ，c o n d u i tv a c u u m ，e v a p o r a t o r m a t e r i a ll i q u i dl e v e l ，e v a p o r a t o rc o n d e n s a t i o nw a t e rl i q u i dl e v e l ，b o t ht e m p e r a t u r eo fc o o l i n g w a t e ra n dp r e s s u r ea n ds oo n v ct r i p l ee f f e c t 脚l i n gf i l me v a p o r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma d o p t c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e md u et ot h ec o m p u t e rh a st h ef e a t u r e so fh i g hc o m p u t i n gs p e e d , h i g l l c o n t r o la c c u r a c yt ot a k ea i da th i g he n e r g ye f f i c i e n c ya n ds t a b l ep r o d u c td e n s i t y i nt h i s s y s t e me v a p o r a t i o nw a su s e da se v a p o r a t i o ne n e r g ys o u r c e ，a n da c c o r d i n gt h ei n p u ts t e a m f l o w r a t e ，o u t p u ts t e a mf l o w r a t ea n dt h es t e a mt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r et oc o n t r o lt h es t e a m f l o w r a t eb yt h ee l e c t r o m o t i o nm o d u l a t i o nc l i q u e ，i nt h ec a s ew ea d o p tt h ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o lm e t h o da n dc a s c a d ec a r l oc o n t r 0 1 c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lm e a nc a l lg e tg o o d c o n t r o l l i n gr e s u l t sb e e nu s e di ns t e a d yc o n d i t i o nf o ri t s s c a l e dp a r a m e t e r sb u tc a nn o tg e t g o o dr e s u l t si nc h a n g e f u l l yc o n d i t i o n s e l f - a d a p t i n gf u z z yc o n t r o la d o p t sf u z z yt h e o r ya n d m e t h o d ，w h i c ht h ep r i n c i p l e s ，c o n d i t i o ma n do p e r a t i o n sw a sd e s c r i b e di nf u z z yt h e o r ya n d t h e nt h e yw e r ep l a c e di nd a t a b a s e ，t o 如z z yr a t i o c i n a t et oc o n t r o lt h ep a r a m e t e r sa c c o r d i n gt h e m 一 型盗兰堡主兰垡丝墨 垒! 竺! - _ _ _ _ _ _ _ _ - i - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - 一 r e a lc o n d i t i o n s s i e m e n s $ 7 - 3 0 0p l ct a k e st h ek e r n e lc o n t r o lt a s ko f t h ea g s l h l l ee y a p o r a t i o n p r o c e s s ，p r o c e d u r ep a r a m e t e rc a r r i e di n t oe x e c u t i o np i dc o n t r o la n d l o g i cc o n t r o l ，s i e m e n s w i n c ct a k et h et a s ko fs u p e r v i s o r yc o n t r o l ，f o r m i n gs t r u c t u r eo ft w od i s t i n c t i o nc o n 昀l s y s t e m t h ew h o l es 7 - 3 0 0p l ci sd o w nc o m p u t e r , w n c ci s u p p e rc o m p u t e r p r o d u c t i o n p r o c e s si m p l e m e n t sf u l l ya u t o m a t i cc o n t r o lt oi m p r o v ee f f i c i e n c yo fe n e r g yu t i l i z a t i o na n d p r o d u c td e n s i t y k e y w o r d s ：t r i p l ee f f e c te v a p o r a t i o n ；p l c ；w i n c c ；f u z z yp i d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 签字e t 期：j 叼、弓1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不 学位论文作者签名：户抽导师签名： 签字e t 期：汩_ 7 弓f 签字e t 期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 控制系统设计背景 随着我国经济建设的飞速发展，各行各业对能源的消耗日益加大，如何提高能源利 用效率从而节约生产成本是企业生存发展的关键，推广使用节能产品对产品的更新换代 具有重要的意义。在制药工业中经常要把制药料浆蒸发浓缩至所要求浓度，此过程称之 为制药蒸发，在该工艺流程中要消耗大量热能，并且对产品浓度精确度要求极高。东北 制药总厂在以往制药蒸发环节上，采用单效蒸发器，利用高温蒸汽对料浆进行直接加热， 但是在料浆蒸发时，常伴随有大量的高温高压蒸汽产生，而这些蒸汽往往被直接排掉而 没有加以利用，造成了极大的浪费。同时由于设备自动化水平及仪表检测水平停留在半 手动状态，现场需要大量的工人随时监视料液状态并随时根据工艺要求开关各泵及进 料、出料阀门，给企业造成了极大的人力资源浪费，同时由于完全人工控制，造成产品 达标率低，料液浪费现象严重。因此如何提高设备自动化水平、提高设备利用率，减轻 工人负担，并且对排放的热蒸汽回收再利用、提高能源利用效率，提高产品的合格率是 企业急待解决的难题。 目前国内一些制药企业在蒸发环节上已经采用了多效蒸发工艺，但是由于多效蒸发 系统是由若干蒸发器相互关联组成的一个大系统，它存在大滞后，过程参数多，并且强 耦合的特点，对该系统实施控制难度很大。就使用蒸发器厂家的情况来看，多数采用常 规的单回路控制方法，大多还停留在常规仪表控制的水平上，控制水平低下；并且大部 分蒸发器系统设置都不合理，有的蒸发器系统非常简单，各种温度、压力等过程参数无 法实现监控。这样就造成很多缺点，一是造成操作人员多，劳动强度大；二是系统运行 不稳定，造成产品质量差异较大；三是热损失较大，造成能源浪费。基于此，本文提出 了v c 三效降膜蒸发控制系统，这种控制系统极大限度地提高了能源利用效率，并且能 够使产品合格率得到较大提高，实现了生产过程的全自动化控制。 1 2v c 三效降膜蒸发概述 v c 三效降膜蒸发是在已有的单效蒸发系统基础上再增加两个蒸发器( 在这里，分 别称之为一效，二效和三效) 构成三效蒸发器，三效蒸发器的基本原理是：为了充分利 用蒸汽中的潜在热能量，使各效蒸发器相互关联，料浆在蒸发器中循环时，首先从一效 1 东北大学硕士学位论文第一章j 兰垒 蒸发器开始，然后经循环泵打入二效蒸发器，最后从三效蒸发器排出，料浆在一效蒸发 时产生的蒸汽给二效蒸发器加热，二效蒸发器产生的蒸汽给三效蒸发器加热，为了使料 浆充分受热，蒸发时料浆从各效蒸发器顶端成膜状流下所以称之为v c 三效降膜蒸发。 v c 三效降膜蒸发采用计算机控制系统，充分利用计算机计算速度快、控制精度高的特 点，以追求高效的能源利用率为目标，对蒸发过程的温度，压力、流量和真空度等参数 进行实时监测和控制，并实现对蒸发器温度，出料的浓度最佳跟踪调节，从而使成品的 浓度满足生产工艺要求，提高产品质量，节能降耗，实现生产过程的自动化管理。节约 人力、物力、财力。 1 3 本课题研究的主要内容 1 3 1 课题的来源 随着国际v c 市场生产及需求的竞争，作为亚洲v c 第一大生产商的东北制药集团 加大了生产和科研力度，投资上千万元对v c 扩大再生产。东北制药集团原v c 生产线 基本为进口欧美设备，如按以往模式扩产，不仅工程周期长，而且投资数额巨大。因此， 对于本次扩产项目的主要设备三效降膜蒸发器，东北制药集团意欲国产化该套设 备，但由于企业在自动控制领域的技术和条件所限，企业无法独立完成，而东北大学作 为东北乃至全国自动控制行业的领先人物，有着丰富的文化底蕴和技术资源，因此，强 强联合促成东北制药集团与东北大学共同牵手本次三效设备的国产化项目。 在这样的背景下，我们设计开发了东北制药集团v c 生产线三效降膜蒸发器自动控 制系统，并已经投入生产。该套设备主要用于蒸发前部发酵岗位输送过来的v c 稀料液， 将之蒸发浓缩。其主要设备包括三台不锈钢蒸发器、三台不锈钢汽液分离器、一台入料 罐、一台出料罐、一台列管式换热器、二台真空泵、十一台循环泵等设备。 1 3 2 本课题相关的研究内容 本文以东北制药集团v c 生产线三效蒸发器为背景，研究的主要工作为： ( 1 ) 在查阅大量国内外文献的基础上，了解了三效降膜蒸发器的设备组成、工作原 理及工艺过程。根据工艺要求，采用西门子p l c 及研发工业控制计算机构成整套设备 的自动控制系统，使用西门子s t e p 7 软件编程实现整个生产过程的自动控制，并利用 w m c c6 0 实现各生产变量的监控。 ( 2 ) 根据甲方要求，在余老师的指导下，进行了控制系统设计与原理图绘制、主要 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 电气设备选购、现场布线设计与制图。 ( 3 ) 基于西门子s 7 3 0 0 系列p l c 及其工业组态软件s t e p 7v 5 3 和w m c c6 0 编制 了上下位机控制系统程序。 ( 4 ) 针对三效降膜蒸发器的流量控制、密度控制，提出了相应的控制策略，并在东 北制药总厂v c 公司现场进行电气系统硬件和软件的安装调试。 ( 5 ) 通过对控制算法进行试验，针对蒸汽流量及出料密度滞后大、不稳定现象，利 用m a t l a b 仿真软件对传统p i d 和模糊p i d 控制算法进行了研究和仿真分析。 - 3 - 东北大学硕士学位论文第二章控制系统功能总体设计 第二章控制系统功能总体设计 2 1v c 三效降膜蒸发工艺简介 蒸发是将溶液加热至沸腾，使其中的部分溶剂汽化并被移除以提高溶液中溶质浓 度的操作。目的是为了获得浓度高的溶液或制取溶剂，是化工生产上最常用的物理单元 操作过程。 为了对蒸发工艺有一个全面的了解，在这里先简单介绍一下蒸发工业上常用的蒸发 器。工业生产中使用最广泛的是具有管式加热表面的蒸发器，按照蒸发中溶液的循环情 况将它们大致分为：( 1 ) 自然循环蒸发器，主要用于加热时设备内部各部分溶液的密度 不同而产生溶液的循环，例如中央循环管式加热器、悬筐式蒸发器、外加热式蒸发器、 管外沸腾式蒸发器。( 2 ) 强制循环式蒸发器，溶液的循环式通过泵的打压作用，迫使溶 液沿着一定的方向循环，其循环速度较自然循环的快，且传热系数亦较大。( 3 ) 膜式蒸 发器，其特点是溶液仅通过加热器一次，不作循环，溶液在加热器管壁上呈现薄膜状， 蒸发速度快，特别适用于热敏性物料，常用的有升膜式、降膜式、升降膜式【“。 蒸发器是一种复杂的传热设备，v c 三效降膜蒸发是强制循环蒸发器和膜式蒸发器 的结合体，它既克服了强制循环式蒸发器蒸发速度慢的缺点，也克服了膜式蒸发器蒸发 过程中能源利用低的缺点，因此成为蒸发工业中较为先进的料液浓缩处理设备。工艺流 程如图2 1 所示。料浆由入料阀加入入料桶，然后进入一效蒸发器，由于一效蒸发器温 度较高且从充分利用热能角度上考虑，料浆从一效蒸发器底端流出经一效出料泵循环泵 再次打入一效蒸发器，料浆蒸到一定浓度后利用一效出料泵将料浆送入二效蒸发器。在 二效蒸发器中浓度达到要求后进入三效蒸发器，三效蒸发器中流出的料浆如果满足浓度 要求则进入出料桶制成成品，如不满足要求则返回入料桶再次蒸发，在整个蒸发过程中， 料浆始终以膜状通过蒸发器的管壁，大大地加快了蒸发速度，有效地提高了能源利用率。 来自热电厂的蒸汽进入一效蒸发器加热室为一效加热，一效蒸发器产生的热蒸汽中 混杂着料浆，所以必须经一效分离器将料浆和蒸汽进行分离，分离出的料浆进入一效出 料管道，纯蒸汽进入二效蒸发器加热室，二效蒸发器产生的热蒸汽经二效分离器分离后 进入三效蒸发器加热室，三效蒸发器产生的热蒸汽经由气液分离器进行分离，纯蒸汽由 冷却水冷却后进入冷凝水管道，被加热的冷却水作为二级热源来预热进入入料桶的料 - 5 东北大学硕士学位论文第二章控制系统功能总体设计 浆，这样整个系统就充分利用了热能。另外，加热蒸汽在一效加热时，会有一部分冷凝 成温度较高的液体水，这部分高温水进入二效底端也作为二效加热器的热源，同理，二 效中加热蒸汽冷凝后形成的水进入三效底端进行加热，三效中形成的冷凝水进入冷凝水 管道由冷凝泵排出。冷凝水在循环过程中温度依次降低。 由于进入各效蒸发器中的蒸汽温度和压力逐渐降低，所以在各效中会形成压力差， 料浆会由于压差的存在自动循环，从而使料浆在蒸发过程中的可操纵性变差，所以在各 效的出口加过料泵或循环泵来协调料浆在各效中流动。蒸发过程需要在真空条件下进 行，所以本系统中提供两台真空泵( 一用一备) ，如图2 1 所示。 图2 1v c 三效降膜蒸发系统工艺流程 f i g2 1f l o wo f v ct r i p l ee f f e c tf a u i n gf i l me v a p o r a t i o ns y s t e m 2 2 系统各环节控制功能 入料桶控制：入料桶是储存料浆或水的容器，料浆或水是通过入料桶进入一效蒸发 器的，入料桶中液面高度应该保持在一定的范围，液面过低会造成一效供料不足，液面 过高会使进料压力过大，蒸发效果不稳定。入料桶主要实现三个控制功能：( 1 ) 根据液位 要求，设定液位上下限，当液位达到下限时，要求进料，当液位达到上限时则停止进料。 ( 2 ) 在生产过程中可能出现供料不足的情况，如果没有原料可供蒸发，从系统设备安全方 面考虑则需要进水，以免设备空运行。这样就要求入料阀门和入水阀门的自动切换。( 3 ) 控制采用2 个电动关断阀，自动选料。 一6 - 东北大学硕士学位论文第二章控制系统功能总体设计 进料量控制：进料量可根据实际检测的入料量与设定的入料量比较，通过电动调节 阀进行控制，同时根据蒸汽量、出料量、入料桶液位智能调整。 过程参数监测：在蒸发过程中，过程参数对蒸发效果有很大影响，必须实时监控过 程参数变化，以发出控制决策，在这里过程参数包括( 1 ) 三个分离器的温度，压力监测。 ( 2 ) 三个蒸发器的真空度监测。( 3 ) 冷却水温度，压力监测。 出料控制：蒸发系统的最终控制指标是出料的密度，应包括以下两点：( 1 ) 第三效 蒸发器出料控制，根据密度测量决定出料方案，如果密度达到要求则出料，制成成品， 密度偏差超过一定范围则返回入料桶继续进行蒸发。( 2 ) 出料流量检测作为蒸汽和进料 控制的参考量。 蒸汽流量控制：蒸汽作为蒸发器的热源，根据进料和出料的流量以及蒸汽的温度、 压力，通过电动调节阀控制蒸汽的流量。由于蒸汽流量的控制尤为重要，常规p i d 的控 制方法已不能满足要求，在此引入智能模糊控制的方法，详细阐述见后续章节。 过程参数报警：当生产过程出现异常时，产品最终指标将不在满足要求，所以操作 员要能够及时得知故障来源，本系统中有下列七种报警情况：一效蒸发器物料液位报警、 一效蒸发器冷凝水液位报警、二效蒸发器物料液位报警、二效蒸发器冷凝水液位报警、 二效蒸发器冷凝水液位报警、三效蒸发器物料液位报警、三效蒸发器冷凝水液位报警、 冷凝器冷凝水液位报警。 真空度控制：通过真空调节阀调节真空度，并实现备用真空泵的自动投入运行。 手动，自动转化控制：所有的泵均采用按钮两地直接控制启停，但p l c 也可以通过 开出点控制泵的启停，控制泵启停接触器常开点进入p l c ，以便计算机监控泵的工作情 况。 蒸发过程可以由p l c 实现全自动控制，也可以手动实现控制过程。手动自动控制 的切换可以从操作台上的按钮实现。 手动控制时，泵、阀的启动停止由操作台按钮或远方按钮直接控制实现。 2 3 控制系统总体组成 2 3 1 控制系统简要介绍 该系统主要承担蒸发器全部设备运行的控制任务。考虑到现场控制要求，由工业控 制计算机及液晶显示屏作为上位机监控站，p l c 作为下位机，构成一个二级监控系统， 以p l c 作为核心的基础检测及控制级，承担i ，0 点的过程逻辑控制、模拟量采集以及故 7 东北大学硕士学位论文第二章控制系统功能总体! 墨盐 障诊断。上位管理监控级采用w i n c c 组态软件，通过p l c 多点通信设定控制策略，获 得实时数据，监视整个设备的运行状态，以及蒸发过程中各个变量的变化趋势、故i 章报 警、生产和消耗报表等，帮助操作人员及时、全面地完成各种操作，该系统设计中尽量 加强软件功能，简化设备操作，提高设备运行的可靠性。 考虑到工程现场的要求，该系统增加了手动自动控制功能，生产过程既可以自动 完成，也可以手动完成，手动自动控制的切换可以由操作台上的转换开关实现，手动 时，泵、阀的启动停止控制由操作台按钮或远方按钮直接控制实现，从而构成一个开 环控制系统，供设备检修和其他特殊场合时使用。 图2 2 计算机控制系统组成原理 f i g2 2p r i n c i p l ef i g u r eo f c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 2 3 2 系统输入输出量 本系统采用德国s i e m e n s 公司的s 7 3 0 0 p l c 作为下位机承担蒸发器全部设备运行 核心控制任务，因此正确分析确定系统输入，输出量是该系统设计的关键，包括模拟量输 入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出。根据系统控制功能的分析，总结归纳出控 制系统的i o 量，如表2 1 所示。 2 3 3 上位机监控组态 上位机组态采用s i e m e n s 公司开发的w i n c c 软件，利用其强大的数据库和管理 功能对整个系统在生产过程中实施监控。并且提供友好的人机界面，控制按键及过程参 数一目了然，具体组态见后面章节。 8 - 东北大学硕士学位论文第二章控制系统功能总体设计 手动自动切换 进料关断阔开进料流量检测进料流量调节阀 进料关断阀开 进水关断阀开进料压力检测进蒸汽流量调节 进料关断阀关成品出料关断阀开进料温度检测阀 进水关断阀开 效出料返入科罐进蒸汽流量检测效出料小循环 进水关断阀关关断阀开进蒸汽压力检测调节阀 成品出料关断阀开操作台报警铃进蒸汽温度检测真空泵调节阀 成品出料关断阀关 操作台报警指示灯出料密度检测 m 效出料返入料罐关断阀开进料泵开关出料流量检测 效出料返入料罐关断阀关i 效出料泵开关i 效出料泵压力检测 迸料泵1 状态i 效循环泵开关i 效循环泵出料压力检 进料泵2 状态 i i 效出料泵开关测 i 效出料泵状态 m 效中间过料泵开效出料泵出料压力检 效循环泵状态关测 h 效出料泵状态效出料泵开关效过料泵出料压力检 i 效中间过料泵状态冷凝水泵开关测 出料泵状态 真空泵1 开关效出料泵出料压力检 冷凝水泵状态真空泵2 开关测 真空泵1 状态冷凝水泵出口压力检测 真空泵2 状态真空泵出口压力检测 进物料罐泵l 状态真空干线真空度检测 进物料罐泵2 状态i 效蒸发罐真空度检测 出料接力泵i 状态 i i 效蒸发罐真空度检测 出料接力泵2 状态m 效蒸发罐真空度检测 进料关断阀开到位i 效蒸发罐出料温度检测 进料关断阀关到位效蒸发罐出料温度检 进水关断阀开到位测 进水关断阀关到位 效蒸发罐出料温度检 成品出料关断阀开到位测 成品出料关断阀关到位分离器1 温度检测 i i i 效出料返入料罐关断阀开 分离器2 温度检测 到位分离器3 温度检测 i i i 效出料返入料罐关断阀关供给冷却水温度检测 到位 供给冷却水压力检测 操作台报警消音按钮回冷却水温度检测 操作台故障复位按钮 压缩空气压力检测 入料罐液位下限 入料罐液位上限 i 效蒸发器物料液位报警 i 效蒸发器冷凝水液位报警 i i 效蒸发器物料液位报警 i i 效蒸发器冷凝水液位报警 效蒸发器物料液位报警 效蒸发器冷凝水液位报警 表冷器冷凝水液位报警 - 9 - 东北大学硕士学位论文第二章控制系统功能总堡 乏丛 2 4 控制方案综述 西门子s 7 3 0 0 具有抗干扰性强、控制系统结构简单、编程方便、功能完善等特点， 它由多种模块部件组成，各种模块以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加 灵活，满足不同的应用需要。各模块安装在d i n 标准导轨上，这种结构形式既可靠，又 能满足电磁兼容要求。s 7 3 0 0 有各种不同档次的c p u 模块可供选用。标准c p u 提供广 泛的基本功能，如指令执行、i o 读写、通过m p i 和c p 模块的通信，紧凑型c p u 本机 集成i o 并带有高速计数、频率测量、定位和p i d 调节等技术功能。部分c p u 还集成 了点到点或p r o f i b u s 通信接口，能够直观反映现场信号的变化，还能通过各种方式快 速对现场参数实现控制，加之当今检测技术发达，各种传感器具有精度准，反应快的特 点，所以在实时监测过程变量的同时能够通过p l c 作出快速的控制决策，来满足生产 工艺要求【2 j 。 w i n c c 运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富 的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户可以在其友好界面 下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作界面、监视画面、控制画面、报警画 面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直 观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率；它可以方便地与各种 软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要l j j 。 - 1 0 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计及p l c 配置 第三章系统硬件设计及p l c 配置 3 1 系统硬件选型 硬件是构成该系统的基础，选择合理的硬件设备是提高控制系统精度，保证系统稳 定运行的关键，设备选型包括选择设备的型号、特点和适用工程范围，控制仪表的选择 要考虑到仪表的精度、量程等参数，表3 1 是该系统的主要设备清单。本章将详细介绍 设备选型。 表3 1 系统硬件主要设备清单 t a b l e3 1l i s t i n go f s y s t e mh a r d w a r ee q u i p m e n t 硬件 硬件选择 p l c 电源模块：6 e s 73 0 7 - i e a 0 0 - 0 a a 0 一块c p u 模块：6 e s 73 1 4 1 a f l 0 0 a b 一块 模块 内存卡：6 e s 79 5 3 8 l j l l - 0 a a 0 一块模入模块：6 e s 73 3 1 - 7 k f 0 2 - 0 a b 四块 模出模块：6 e s 73 3 2 - s h d 0 1 - 0 a b 0 一块开出模块：6 e s 3 2 2 1 b h 0 1 - 0 a a 0 一块 温度检一体化温度变送器八台铂热电阻p t l 0 0 一支 测仪表d i ) z 一型热电阻温度变送器一台 压力检 压阻式压力变送器九支 测仪表 流量计 节流式流量计三支 密度检隔膜式静压力密度计一支 测仪表 真空检热电偶式真空计一支 测仪表 液位检浮球式限位开关二支沉桶式液位器一支 测仪表法兰式差压变送器一支 电动调节阀三个 执行器 电动关断阀二个 3 1 1 温度检测仪表选择 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。任 何两个温度不同的物体，只要有温度差存在，热量就会从高温物体传到低温物体，一直 一“- 东北大学硕士学位论文第三章系统硬件设计及p l 生! 堕 到两物体温度相等为止，即达到热平衡。温度的微观概念表明：物体温度的高低标志着 组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度。显 然，物体的物理化学特性与温度密切相关，温度是各种工艺生产过程和科学实验中非常 普遍、非常重要的热工参数之一。许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与 温度参数由关，因此实现准确的温度测量具有十分重要的意义。目前，测量温度的仪表 很多，温度测量仪表既可按工作原理来划分，又可根据测温范围( 高温，中温，底温等) 或仪表的准确度( 基准、标准等) 来划分，也可以根据测量方法( 感温元件与被控对象 的接触与否) 来划分。在选用测温仪表的时候应注意每种仪表的使用场合和特点，这是 保证测温精度的一个重要环节。目前工业上最常用的测温仪表是热电阻和热电偶，前者 适合测量5 0 0 。c 以下的中、低温度，后者更适合测量5 0 0 1 8 0 0 。c 范围的中、高温度。 辐射式温度计一般适用于2 0 0 0 以上的高温测量。 对于蒸发控制系统来说系统来说，需要测量温度量一共有9 个，最高温度( 生蒸汽 温度) 在1 6 0 “ c 左右，其余温度检测都集中在1 0 7 0 “ c 之间，所以选择热电阻测温可以 满足生产要求。 ( 1 ) 测量1 0 7 04 c 之间的温度：该区间温度采用一体化温度变送器最为合适，所谓 一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒内的一种温度变送器。其 变送器模块具有体积小、质量轻、输出信号抗干扰能力强、便于远距离传输、现场安装 方便等优点。因而在工业现场种得到广泛应用。 一体化温度变送器，由测温元件和变送器模块组成，变送器模块把测温元件的输出 毫伏级电压信号转换为标准信号，主要是直流4 2 0 m a 信号。由于一体化温度交送器 直接安装在现场，在一般情况下变送器模块内部集成电路的正常温度为- 2 0 + 8 0 ， 供电电压为2 4 v d c ，能够满足蒸发工艺的要求。 ( 2 ) 生蒸汽温度检测：生蒸汽温度在1 6 0 “ c ，首先应考虑选用热电阻的量程为o 2 0 0 ，考虑到现场测量精度要求、稳定性、环境温度、介质特性( 氧化性质、还原性、 腐蚀性) 等要求选择测量精确度等级为i 级、测量范围为是0 5 0 0 “ c 、结构型式为普通 型的p t l 0 0 热电阻，接线方式选择三线制以消除引线电阻的影响。 热电阻是用于温度检测的一次元件，在工业现场中需要用温度变送器将传感器输出 的电阻或毫伏级信号转化为标准信号输出，再把标准信号接入其他单元，集成温度变送 器由输入、反馈和输出放大等几部分电路组成。采用三线制接线方式，它和热电阻配套 使用，将温度信号转换为直流4 2 0 m a 信号，供电电压为2 4 v d c 。 1 2 东北大学硕士学位论文第三章系统硬件设计及p l c 配置 3 1 2 压力检测仪表选择 首先，在工业生产中，许多生产工艺过程经常要求在一定的压力或一定的压力变化 范围内进行，这就需要测量或控制压力，以保证工艺过程的正常进行。其次，压力测量 或控制可以防止生产设备因过压引起破坏或爆炸，这是安全生产所必须的。再有，通过 测量压力和压差可间接测量其他物理量，如温度、液位、流量、密度与成分量。 压力检测的方法很多，按敏感元件和转换原理的特性不同，一般可以分为：液柱式 压力检测、弹性式压力检测、负荷式压力检测和电气式压力检测。对于压力仪表的选用 是一项十分重要的工作，如果选用不当，不仅不能正确、及时地反映被测对象的压力变 化，还可能引起事故。选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现 场使用的环境等条件，本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型等。 ( 1 ) 仪表类型的选择：压力仪表的类型选择包括：仪表的材料、仪表的输出信号和 仪表的使用环境，根据工程具体要求在这里选择电气式压力检测方法中的压阻式压力传 感器，它是根据压阻效应原理制成的，其压力敏感元件就是在半导体材料的基片上利 用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受到外力作用时，扩散电阻的阻值由于电阻率的 变化而改变，用做压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片。当外界压力作用于传感 器膜片上产生压差时，膜片发生形变，使扩散电阻的阻值发生变化，传感器中的电桥就 会产生一个与膜片承受的差压成正比的不平衡输出信号。 压阻式压力变送器分为测量和放大转换两大部分，测量部分就是传感器，放大部分 接收来自于压阻传感器输出的毫伏电压信号，经放大处理转化为整机的标准输出电流信 号4 2 0 m a ，供电电压为2 4 v d c 。压阻式压力传感器的优点是体积小，结构简单，具 有良好的动态响应，既可测量高压也可测量低压。在蒸发工业上采用它来检测中低温条 件下的压力。 ( 2 ) 仪表量程的选择：量程是指可按规定地精确度对被测量进行测量的范围，它根 据操作中需要测量的参数的大小来确定。在被测量较为稳定地情况下，最大被测压力不 应超过仪表量程的3 4 ；在被测压力波动较大的情况下，最大工作压力不能超过仪表量 程的2 3 ，在测量高温高压时，最大工作压力不应超过仪表量程的3 5 ；为了保证测量的 准确度，最下工作压力不应该低于满量程的1 3 。当被测压力变化范围大，最大和最小 工作压力可能不能同时满足上述要求时，选择量程应首先要满足最大工作压力条件。 ( 3 ) 仪表精度的选择：压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定， 即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。另外，在选择时应坚 1 3 东北大学硕士学位论文第三章系统硬件设计及p 堙堕 持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。 根据上述压力仪表选择原则，最后确定：进蒸汽压力检测仪表量程为o 6 m p a ( 精 度；1 5 级) 、各效泵出料压力检测仪表量程为o 2 5 m p a ( 精度；1 5 级) 、供应冷却水 压力检测仪表量程为0 4 m p a ( 精度：1 5 级) 、冷凝水泵出口压力检测仪表量程为0 4 m p a ( 精度：1 5 级) 。 3 1 3 流量计选择 在工业生产过程中，物料的输送通常是在管道中进行的，随着生产的发展，对流量 检测的要求也越来越高，在蒸发系统中也需要用到流量检测，分别是进料流量检测、出 料流量检测和入蒸汽流量检测，在这里选择当今工业上最常用的流量检测仪表节流式流 量计，它的特点是结构简单、使用方便、寿命长。标准节流装置按国家标准设计制造， 无需标定即可应用，这是其他流量计难以具备的。它适用范围很广，生产中的物料和水 蒸汽等都可以由它来检测。 节流式流量计是一种基于节流装置的流量检测仪表，它由节流装置、引压导管、差 压变送器组成，基本原理是：当流体流过节流装置时，流束收缩引起压头转换而在节流 件前后产生静止压力差，该压差与通过的流量之间存在一定的关系，该压差通过差压变 送器进行信号转化放大从而输出统一的标准信号。在本系统中选择节流装置为标准节流 孔板，变送器选择电容式差压变送器，输出直流4 2 0 m a 信号。量程：3 5 0 m 3 h ， 变送器工作温度：0 2 5 0 “ c ，介质压力：o s m p a ，精度：士i f s 。 3 1 4 密度检测仪表选择 在工业生产中，经常要对物料的密度进行分析测量，用作这种用途的仪表就叫做密 度分析仪表，是密度检测过程分析的一种仪表，它对提高和保证产品的质量，降低原材 料及能源的消耗，保证安全生产，防治环境污染等方面都起着十分重要的作用，在工业 生产中有广泛的用途，它是自动化仪表的重要组成部分。在蒸发操作中，最终产品的密 度是十分重要的控制指标，密度检测准确对提高产品的质量至关重要，通常液体密度检 测仪表有多种，比如：浮子式液体密度计、静压力密度计，连续称重式密度计射线式密 度计、声学式密度计等。但考虑到工程实际，这里采用隔膜静压力式密度计来测量出料 的密度。该测量方法原理是利用插入液体不同位置的感压膜所承受不同液体静压力而产 生的压差与高度、密度或浓度的关系来求密度。该种仪器是将压力信号转换成电信号， 所以适合远距离测量与控制液体密度，而且可以用于腐蚀性的液体，一般的密度检测仪 1 4 东北大学硕士学位论文第三章系统硬件设计及p l c 配置 表对所检测液体的温度有很严格的要求，当所测液体的温度变化时测量的准确度要下 降，而隔膜式静压力密度计恰好能克服这一缺点。该仪表将压力信号转变为电压信号， 电压信号经变送器转化为统一的直流4 2 0 m a 信号，直接接入控制系统。 在这里检测仪表选择量程为0 1 2 k g m 3 精度等级为0 5 级，供电电压为2 4 v d c 。 3 1 5 真空度检测仪表选择 真空计是用来检测真空度的仪表，由于被测对象的真空物理特性及所测量真空度的 范围不同，真空计的种类很多。角度不同，分类方法不同。例如，按真空计的刻度方法 分类，可以分为绝对真空计和相对真空计，按真空计测量原理分类，可分为直接测量真 空计和间接测量真空计，一般真空度较低时采用直接测量真空计，真空度较高时采用间 接测量真空计。 在这里选择热电偶式真空计来测量蒸汽管道中的真空度，它利用发热丝周围气体的 导热率与气体的稀薄程度( 真空度) 之间存在一定关系而做成的。这种真空计的特点是 可以测量气体和蒸汽的压强，实现了真空度到电信号的转换，便于真空度的自动检测和 控制。 3 1 6 执行器选择 执行器在自动控制系统中的作用是直接接收来自控制器的控制信号，通过其阀门开 度的变化，从而达到调节流量的目的。因此，执行器是自动控制系统中的一个重要的、 必不可少的组成部分。执行器直接与介质接触，常常在高压、高温、深冷、高黏度、易 结晶、闪蒸、气蚀、高压差等状况下工作，使用条件恶劣，因此，它是控制系统的薄弱 环节。如果执行器选择或运用不当，往往会给生产过程自动化带来困难。 执行器由执行机构和调节机构两部分组成，执行机构是执行器的推动装置，它根据 输入控制信号的大小，产生相应的输出力和直线位移推动调节机构的动作。调节机构是 执行器的调节部分，在执行机构的作用下，调节机构动作从而控制流量的大小，应该从 以下几个方面选择执行器。 ( 1 ) 执行机构的选择：执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使 用甚少，应用最广泛的是电动执行机构和气动执行机构，电动执行机构驱动能源简单、 方便，输出力较大，工作环境温度变化范围也能够满足一般生产要求，在本控制系统中 采用电开式电动执行机构的执行器，执行机构的动力部件使用伺服电机。 1 5 东北大学硕士学位论文第三章系统硬件设计及p 匹里里 ( 2 ) 调节机构的选择：在选择调节机构这一环节上应首先考虑流体的性质，如流体 的种类、黏度、毒性、是否含有悬浮颗粒等；其次，应当考虑工艺条件，如温度、压力、 流量、压差等，在这里选择直通单座调节阀来调节出料流量，其特点是结构简单，泄漏 量小和允许误差小，所以它适用于工作压差较小的干净介质的场合。在入料及入蒸汽控 制上由于作为比值控制系统所以采用两个三通控制阀。 ( 3 ) 调节阀流量特