间歇式化学反应器分程控制系统设计

1、 学号： 常 州 大 学 毕业设计（论文） 题 目 间歇式化学反应器分程控制系统设计 学 生 学 院 信息科学与工程学院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月 间歇式化学反应器分程控制系统设计摘 要：在现代化工业生产过程中，安全性与化学反应器密切相关。为保证化学反应器能正常工作，对其进行有效的控制显得十分必要，分程控制在间歇式化学反应器中起到了广泛的作用。间歇式化学反应器具有极大的灵活性和多功能性的特点，它是一种间歇的按批量进行反应的化学反应器，液体物料在反应器内完全混合而无流量进出。本文主要介绍了间歇式化学反应器的分程控制系统的设计。首先，介绍了可编

2、程控制器PLC及MCGS组态软件；然后介绍了间歇式分程控制系统的设计方案，并对PLC程序设计及监控软件设计进行了详细介绍。监控系统设计包括上位机与下位机通讯，模拟动态运行，并对整个分程控制过程进行实时监控，显示动态实时曲线，保存历史数据。本控制系统的监控界面操作方便，简洁，有利于提高生产效率。关键词:间歇式化学反应器，分程控制，PLC，组态软件 Design of the Split Range Control System with Batch Chemical ReactorAbstract:In modern chemical industrial production process,

3、 the security is closely related to the chemical reactor. In order to ensure that the chemical reactor works normally, it is very necessary to control effectively, and split range control system has played an extensive role in the batch chemical reactor.Batch chemical reactors have great flexibility

4、 and versatility of features. It is an intermittent chemical reaction batch reactor, the liquid material in the reactor completely mixed and no flow in and out.This paper describes the design of the split range control of batch reactor system.First, it introduces the programmable logic controller an

5、d MCGS configuration software; then the design of split range control system with batch chemical reactor, and PLC programming and monitoring software design is described in detail. The monitoring system design includes the communication of PC with the sub machine, the simulate of the dynamic operati

6、on,the entire split range control process real-time monitoring of the dynamic real-time curve, the storage of historical data.The interface of the control system is shortcut and convenient, and can greatly improve the industrial producing efficiency. Key words:batch chemical reactor; split range con

7、trol; configuration software目 录摘要I目录III1 引言11.1 课题研究的意义、国内外研究现状和发展趋势11.2. 课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题32 可编程控制器（PLC）42.1 PLC介绍42.2 PLC系统的硬件组成及其工作原理42.3 S7200系列PLC52.4 PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.063 组态软件93.1 组态软件介绍93.2 MCGS的特点与功能114 间歇式分程控制系统总体设计134.1 间歇式分程控制系统原理134.2间歇式分程控制系统硬件结构155 PLC程序设计175.1 控制任务175.2 地址

8、分配175.3 PID控制器及控制指令185.3.1 PID控制器185.3.2 PID控制指令195.4 PLC程序设计225.4.1 系统流程图225.4.2 PLC程序246 监控软件设计276.1 MCGS与PLC通信276.2 创建实时数据库276.3 监控界面设计306.3.1 主控界面设计306.3.2 报表组态336.3.3 实时曲线与历史曲线组态347 系统调试378 结束语39参 考 文 献40致 谢411 引言在间歇式生产化学反应过程中，当反应物投入设备后，为了使其达到化学反应温度，往往在反应开始前需要给它提供一定的热量。一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行不断释放

9、出热量 ，这些热量如不及时移走反应就会越来越剧烈，以至会有爆炸的危险。因此对于这种间歇式化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又要考虑反应过程中及时移走反应热的问题。为此我们采用本文介绍的分程控制的办法来实现反应的恒温控制。利用一个控制器的输出，通过与阀门定位器的配合，分段地控制两个或两个以上的调节阀的控制系统，称为分程控制系统。由于分程控制系统能在被控变量的变化范围的不同取值范围时采取不同的控制手段，满足某些特殊工况的需要，因此在复杂过程的控制中得到了较多的应用，如应用在某些精馏塔的压力控制中。在分程控制中，由于用一个控制器的输出信号，同时控制两个或两个以上的调节阀，使它们在信号的全范围内分别

10、动作，因此对每一个调节阀来说就存在一个分程特性的问题，即存在当控制器的输出信号发生变化时，每一个调节阀是如何动作的问题。分程特性的确定在分析、设计和应用分程控制系统时是一个重要的问题。我们对分程控制系统中调节阀分程特性的确定方法进行了进一步的计算，提出了一种更为简便、快速、精确和方便的控制方法1。1.1 课题研究的意义、国内外研究现状和发展趋势 首先，我们要正确认识化学反应器在现代工业中的重要性。化学反应器是整个石化行业的龙头，提高生产率、减少后处理的负荷，从而降低生产成本，这一切化学反应器起着关键作用；其次化学反应器经常处在高温、高压、易燃、易爆条件下进行反应。 化学反应器按反应器的进出物料

11、状况可以分为连续式和间歇式。其中，间歇式化学反应器具有极大的灵活性和多功能性的特点，它是一种间歇的按批量进行反应的化学反应器，液体物料在反应器内完全混合而无流量进出。采用间歇操作的反应器叫做间歇反应器，其特点是进行反应所需的原料一次装入反应器，然后在其中进行反应，经一定的时间后，达到所要求的反应程度便卸除全部反应物料，其中主要是反应产物以及少量未被转化的原料。另外，整个石化生产的安全与化学反应器密切相关。为保证化学反应器能正常工作，对其进行有效的控制显得十分必要2。为了满足工艺操作的特殊要求，间歇式反应器的内温调节系统采用了分程控制系统方案。工业自动控制装置的种类有很多，本课题采用的PLC是以

12、微处理器为核心，综合了计算机技术和自动化技术而发展起来的一种工业自动控制装置，具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等特点，使得PLC迅速普及，广泛应用。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展

13、阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的

14、DCS系统。20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。可编程控制器控制技术已广泛应用于矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程3。使用情况大致可归纳为如下几类：开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网。未来，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品

15、规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制统是可编程控制器技术的发展方向4。PLC通过PPI电缆与计算机相连，在计算机上采用MCGS组态软件开发监控软件实现对控制系统的监控管理。组态软件MCGS为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实施现场监控5。MCGS组态软件是北京昆

16、仑通态自动化软件科技有限公司开发的一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、良好的并行处理性能、广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能和多样化的报警功能、支持多种硬件设备等特点，使得MCGS组态软件在自动化领域得到了广泛应用。 先进控制技术以其独特的优势和良好的性能在间歇化学反应过程中的应用越来越多，控制算法研究也在不断推陈出新，使得间歇化学反应先进控制技术研究成为一个活跃的领域。先进控制技术将为稳定生产过程、提高产品质量、降低生产能耗、增强企业能力发挥重要作用6。1.2. 课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题 本设

17、计的控制对象为间歇式化学反应器，根据其工艺流程和控制要求，选用分程控制系统。本课题要求该控制系统采用在工业领域有着广泛应用的西门子S7200作为控制器，完成对间歇式化学反应器的控制。PLC通过PPI电缆与计算机相连，在计算机上采用MCGS组态软件开发监控软件实现对控制系统的监控管理，同时要求该监控软件具有显示动态画面，趋势曲线、报警、数据显示、实时修改控制参数、数据报表、使用权限等功能。通过编写PID温度控制程序，再将程序中的地址和需要测控的参数关联起来，并以此设计MCGS组态，从而实现用MCGS组态监控的方法直观、方便地操控反应的进行。本课题的关键问题：a.实现PLC控制装置与PC机的通讯。

18、b.编写PLC程序完成对间歇式化学反应器的控制。c.用MCGS组态软件开发上位机监控系统。 2 可编程控制器（PLC）2.1 PLC介绍 可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控

19、对象连接方便。 70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制

20、系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 2.2 PLC系统的硬件组成及其工作原理 （1）PLC的硬件可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a.电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。 b.中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。

21、它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。c.存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器

22、。 d.输入输出接口电路现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e.功能模块如计数、定位等功能模块。f.通信模块 （2）PLC的工作原理 当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 a.输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑

23、控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 b.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，

24、刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 c.输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时才是可编程逻辑控制器的真正输出。 2.3 S7200系列PLC S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的

25、性价比。 （1）S7200特点l 极高的可靠性。l 极丰富的指令集。l 易于掌握。l 便捷的操作。l 丰富的内置集成功能。l 实时特性。l 强劲的通讯能力。l 丰富的扩展模块。 （2）S7200的扩展模块 S7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大类扩展模块。a.输入/输出扩展模块S7-200 CPU上已经集成了一定数量的数字量I/O点，但如用户需要多于CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221无I/O扩展能力，CPU 222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而CPU224和CPU226最多

26、可连接7个扩展模块。CPU226适用于复杂的中小型控制系统，可扩展到248点数字量和35路模拟量，有两个RS-485通信接口。 S7-200 PLC系列目前总共提供共5大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（8路扩展输入）；数字量输出扩展板EM222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模拟量输入扩展板EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间为25s，12位；模拟量输入和输出混合扩展模板EM235，每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间为25s，D/A转换时间100s，位数均

27、为12位。b.热电偶/热电阻扩展模块 热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU222，CPU224，CPU226设计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。 c.通讯扩展模块 除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP扩展从站模块（EM277）和AS-i接口扩展模块（CP243-2）。2.4 PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0 西门子于2007年2月正式推出S7-200新

28、版编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP5，它是目前的最新版本。S7-200 CN CPU必须配合STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP3或以上版使用。STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP3配合S7-200 CN使用时，必须设置语言环境为中文才能正常工作。STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。它简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。它的优点很明显：适用于所有SIMATIC S7-200 PLC机型软件编程；同时支持STL、LAD、FBD三种编程语言，用户可以根据自己的喜好随时在三者之间切换；软件

29、包提供无微不至的帮助功能，即使初学者也能容易地入门；包含多国语言包，可以方便地在各语言版本间切换；具有密码保护功能，能保护代码不受他人操作和破坏。 STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助调试和测试程序。这些特征包括：监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。指令向导功能：PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出(PTO)和脉宽调制(PWM)指令向导；数据记录向导；配方向导。支持TD 200、TD 200C和TD 400C文本显示界面。 a.运动控制 S7-200提供有开环运动控制的三种方式： l 脉宽调制（PWM）内置于S7-200，用

30、于速度、位置或占空比控制。 l 脉冲串输出（PTO）内置于S7-200，用于速度和位置控制。 l EM253位控模块用于速度和位置控制的附加模块。 为了简化应用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向导可以帮助用户在几分钟内全部完成PWM、PTO或位控模块的组态。该向导可以生成位控指令，用户可以用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。对于位控模块，STEP 7-Micro/WIN还提供了一个控制面板，可以控制、监视和测试用户的运动操作。 b.创建调制解调模块程序 使用EM241调制解调模块可以将S7-200直接连到一个模拟电话线上，并且支持S7-200与 2 S

31、TEP 7-Micro/WIN的通讯。该调制解调模块还支持Modbus从站RTU协议，该模块与S7-200之间的通讯通过扩展I/O总线实现。STEP 7-Micro/WIN提供一个调制解调扩展向导，它可以帮助用户设置一个远端的调制解调器，或者设置将S7-200连向远端设备的调制解调模块。 c.USS协议库 STEP 7-Micro/WIN指令库，该指令库包括预先组态好的子程序和中断程序，这些子程序和中断程序都是专门为通过USS协议与驱动通讯而设计的。通过USS指令，用户可以控制这个物理驱动，并读/写驱动参数。可以在STEP 7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。当用户选择一个U

32、SS指令时，系统会自动增加一个或多个相关的子程序（USS1到USS7）。 d.Modbus从站协议指令 STEP 7-Micro/WIN指令库包含有专门为Modbus通讯设计的预先定义的子程序和中断服务程序，使得与Modbus主站的通讯简单易行。使用Modbus从站协议指令，用户可以将S7-200组态作为Modbus RTU从站，与Modbus主站通讯。可以在STEP 7-Micro/WIN指令树的库文件夹中找到这些指令。通过这些新指令，可以将S7-200作为Modbus从站。当选择一个Modbus从站指令时，会有一个或多个相关的子程序自动添加到用户的项目中。 e.使用配方 STEP 7-Mi

33、cro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助用户组织配方和定义配方。配方存在存储卡中，而不是PLC中。STEP 7-Micro/WIN软件和S7-200 PLC已经支持配方功能。STEP 7-Micro/Win软件中提供了配方向导程序来帮助用户组织配方和定义配方。所有配方存在存储卡中。因此，为了使用配方功能，必须要在PLC中插入一块64K或者256K的存储卡。要查阅关于存储卡的更多信息。 f.使用数据记录 STEP 7-Micro/Win提供数据记录向导，将过程测量数据存入存储卡中。将过程数据移入存储卡可以节省V存储区的地址空间，否则这些数据将储存在V存储区中。 g.PID自整定和PID整定控

34、制面板S7-200PLC已经支持PID自整定功能，STEP 7-Micro/WIN中也添加了PID整定控制面板。这就大大增强了S7-200PLC的功能，并且使这一功能的使用变得更加容易。可以使用操作员面板中的用户程序或者PID整定控制面板来启动自整定功能。在同一时间，不仅仅只有一个PID回路可以进行自整定，如果需要的话，所有8个PID回路可以同时进行自整定。PID自整定算法向用户推荐增益值、积分时间值和微分时间值。用户也可以为自己的调节回路选择快速响应、中速响应、慢速响应或者极慢速响应等调节类型。用PID整定控制面板，用户可以启动自整定过程，取消自整定过程和在图表中监视结果。控制面板会显示所有

35、可能发生的错误和警告信息。它也允许用户将自整定后得到的增益值、积分时间值和微分时间值应用到实际控制中去。PLC程序设计运行是通过编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0来完成的。STEP 7-Micro/WIN V4.0可以使用包括中文在内的多种语言，有梯形图、语句表和功能块图编程语言，和SIMATIC、IEC 61131-3两种编程模式。S7-200的指令功能强，易于掌握。STEP 7-Micro/WIN的监控功能形象直观、使用方便。可以用3种编程语言监控程序的执行情况，用状态表监视、修改和强制变量，用趋势图监视变量。用系统块设置参数方便直观7。3 组态软件3.1 组态软件介绍组态

36、软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。（1）组态软件的功能 a.界面显示组态功能目前，工控组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发

37、状态，节省时间。丰富的图形控件和工况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。b.良好的开放性社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬仵不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。 组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。c.丰富的功能模块提供丰富的控潲功

38、能库，满足用户的测控要求和现场需求。利用各种功能模块，完成实时监控 产生功能报表 业示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既叫适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统 d.强大的数据库配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。 e.可编程的命令语言有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序，增强图形界面。f.周密的系统安全防范对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行。g.仿真功能提供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。（2）常用的组态

39、软件a.InTouchWonderware（万维公司）是 Invensys plc“生产管理”部的一个运营单位，是全球工业自动化软件的领先供应商。Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。但是，早期的InTouch软件采用DDE方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。b.IFixGE Fanuc智能设备公司由美国通用电气公司（GE）和日本Fanuc公司合资组建，提供自动

40、化硬件和软件解决方案，帮助用户降低成本，提高效率并增强其盈利能力。Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，Fix6.x软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序（需单独购买）。上世纪90年代末，Intellution公司重新开发内核，并将重新开发新的产品系列命名为iFiX。在iFiX中，Intellution提供了强大的组态功能，将FIX原有的Script语言改为VBA（Visual Basic For Application），并且在内部集成了微软的VBA开发环境。为了解决兼容问题，iFIX里面提供了程序叫FIX

41、Desktop，可以直接在FIX Desktop中运行FIX程序。Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。Intellution也是OPC（OLE for Process Control）组织的发起成员之一。iFiX的OPC组件和驱动程序同样需要单独购买。2002年，GE Fanuc公司又从爱默生集团手中，将intellution公司收购。2009年12月11日，通用电气公司（纽约证券交易所：GE）和FANUC公司宣布，两家公司完成了GE Fanuc自动化公司合资公司的解散协议。根据该协议，合资公司业务将按照其起初来源和比例各自归还给其母公司，该协议并

42、使股东双方得以将重点放在其各自现有业务，谋求在其各自专长的核心业内的发展。c.Citech悉雅特集团（Citect）是世界领先的提供工业自动化系统、设施自动化系统、实时智能信息和新一代 MES 的独立供应商。CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似C语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于C语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。d.WinCC西门子自动化与驱动集团(A&D)是西门子股份公司中最大的集团之一，是西

43、门子工业领域的重要组成部分。Siemens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，Simens提供类C语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Siemens的培训以掌握WinCC的应用。e.ASPEN-tech（艾斯苯公司）艾斯苯公司(AspenTechnology,Inc.)是一个为过程工业(包括化工、石化、炼油、造纸、电力、制药、半导体、日用化工、食品饮料等工业)提供企业优化软件及服务的领先供应商。f.MoviconMovicon是意大利自动化软件供应商PROGEA公司开发。该公司自1990年开始开发基于Win

44、dows平台的自动化监控软件，可在同一开发平台完成不同运行环境的需要。特色之处在于完全基于XML，又集成了VBA兼容的脚本语言及类似STEP-7指令表的软逻辑功能。g.世纪星世纪星由北京世纪长秋科技有限公司开发。产品自1999年开始销售。 h.三维力控三维力控由北京三维力控科技有限公司开发，核心软件产品初创于1992年。 i.组态王KingView组态王KingView由北京亚控科技发展有限公司开发，该公司成立于1997年。1991年开始创业，1995年推出组态王1.0版本，目前在市场上广泛推广KingView6.53、KingView6.55版本，每年销量在10,000套以上，在国产软件市场

45、中市场占有率第一。j.紫金桥Realinfo紫金桥Realinfo由紫金桥软件技术有限公司开发，该公司是由中石油大庆石化总厂出资成立。k. MCGSMCGS由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发，市场上主要是搭配硬件销售。l.态神态神是由南京新迪生软件技术有限公司开发，核心软件产品初创于2005，是首款3d组态软件。在对课题进行综合考虑之后，得出MCGS的成本低，功能相对较全，可以完全满足课题的需要的结论，因此本课题选用MCGS组态软件开发监控系统。3.2 MCGS的特点与功能相对于其他的组态软件来说，MCGS(Monitor and Control Generated System，通用监

46、控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用8。工控组态软件MCGS以其操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出优点，已成功应用于包括上海东方明珠电视塔消防控制系统、北京的西客站灯光电源控制系统、中央电视台消防供水系统等著名工程在内的多种工程应用领域9。 在MCGS嵌入版中，在设备窗口内配置不同类型的设备构件，根据外部设备的类型和特征，设置相关的

47、属性，将设备的操作方法如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之中，以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。系统运行过程中，设备构件由设备窗口同意调度管理。通过通道连接，它既可以向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，供系统其它部分进行控制运算和流程调度，又能从实时数据库查询控制参数，实现对设备工作状态的实时监测和过程的自动控制10。4 间歇式分程控制系统总体设计4.1 间歇式分程控制系统原理 在间歇式生产化学反应过程中，当反应物投入设备后，需加热升温，以达到化学反应温度，这个过程称为加热升温过程；而反应开始后则是一个放热过程，一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行不断释放出

48、热量，需及时移走反应热以保证合成产品质量，否则由于连锁反应以致引起爆炸事故。所以要进行冷却以保持恒定温度，这个过程称为恒温阶段。因此对于这种间歇式化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又要考虑反应过程中及时移走反应热的问题。为此设计了分程控制系统，系统如图4.1所示。该控制系统的方块图如图4.2所示。TC蒸汽B阀冷水A阀TT图4.1 间歇式化学反应器分程控制系统被控对象控制器被控对象变送器B阀A阀给定输出图4.2 分程控制系统方块图工艺上通入蒸汽进行加热，通入冷水进行降温。为达到控制要求需要确定调节阀的分程特性。从生产安全出发，当气源供气中断，或控制系统出现故障而无输出时，为防止反应器因过热而发

49、生爆炸，应使冷水阀A打开，而蒸汽阀B关闭，故冷水阀A选用气关阀，蒸汽阀B选用气开阀。同时，温度调节器选择反作用。这样既能满足生产上控制的要求，也能保证当气源供气中断时生产处于安全状态的要求。在进行化学反应前的升温阶段，由于温度测量值小于给定值，因此调节器输出增大，蒸汽阀B开大，冷水阀A关闭，使反应器温度升高，当达到反应温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，反应物的温度逐渐升高。当温升使测量值大于给定值时，调节器输出将减小，随着调节器输出的减小，蒸汽阀B将逐渐关小乃至完全关闭，而冷水阀A则逐渐打开，这时反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水，这样一来反应所产生的热量就会被冷水给带走，从而达到维

50、持反应温度的目的。根据工艺要求，当测量值与给定值相同时，反应器既不用加热也不用冷却，因此在分程点时要求A、B两阀均为关闭11。分程控制系统中控制器输出信号的分段，是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。阀门定位器相当于一只可变放大倍数、且零点可以调整的放大器。如果在分程控制系统中采用了A、B两只分程阀，并且要求A阀在0.020.06MPa信号范围内作全行程动作，要求B阀在0.060.10MPa信号范围内作全行程动作，那么，就可以对附设在控制阀A、B上的阀门定位器分别进行调整：使控制阀A的阀门定位器在0.020.06MPa的输入信号下，输出由0.02MPa变化到0.10MPa，这样控制阀A即在0

51、.020.06MPa信号范围内走完全行程；调整控制阀B的阀门定位器在0.060.10MPa的输入信号下，输出由0.02MPa变化到0.10MPa，这样控制阀B即在0.060.10MPa信号范围内走完全行程。这样一来，当控制器输出信号在小于0.06MPa范围内变化时，就只有控制阀A随着信号压力的变化改变自己的开度，而控制阀B则处于某个极限位置开度不变；当控制器输出信号在大于0.06MPa范围内变化时，控制阀A因已移动到极限位置而开度不再变化，而控制阀B却随着信号的变化改变阀门的开度。有一点必须引起重视，就是当压力在给定值附近波动时，A、B两阀将会频繁地动作，这将影响到控制阀的使用寿命。为了防止储

52、罐压力在给定值附近变化时，A、B阀频繁动作，可在两阀信号交接处设置一个不灵敏区，如图4.3所示。方法是通过阀门定位器的调整，使A阀在0.020.058MPa信号范围内从全开到全关，使B阀在0.0620.10MPa信号范围内从全关到全开。这样做了以后，当控制器输出信号在0.0580.062MPa范围内变化时，A、B阀都处于全关位置不动。这样做对于储罐这样一个空间较大，因而时间常数较大，且控制精度要求又不是很高的具体压力对象来说，是有益的。因为留有这样一个不灵敏区之后，将会使控制过程变化趋于缓慢，系统更为稳定12。100%AB0.0620.100.0580.02 图4.3 分程阀特性图（阀压/Mp

53、a）4.2间歇式分程控制系统硬件结构间歇式化学反应器分程控制系统硬件包括PC机（监控系统），PLC系统，检测与变送装置和执行装置这四个部分。硬件结构如图4.4所示。冷水控制阀蒸汽控制阀温度检测变送CPU模块MCGSPCPC/PPICPU模块模拟量输入输出模块温度控制量控制量 图4.4 间歇式化学反应器分程控制系统硬件框架图 间歇式化学反应器内部温度经检测变送为1-5V的标准信号，该信号经模拟量扩展模块（A/D）送给CPU模块，与设定值比较后经PID运算得到一控制信号，通过对控制信号的判断来决定蒸汽阀和冷水阀的开度，并经模拟量扩展模块（D/A）转换为模拟量送到蒸汽阀和冷水阀，通过两阀开度的变化实

54、现对反应器内部温度的控制。a.PLC系统本课题采用S7200系列PLC系统，PLC系统包括CPU模块，PC/PPI电缆和模拟量输入输出模块。CPU模块采用CPU226，其适用于复杂的中小型控制系统，可扩展到248点数字量和35路模拟量，有两个RS-485通信接口。PC/PPI电缆是一根RS485/RS432的匹配电缆，它的作用是将S7200CPU和PC机的COM口的电气规范进行匹配，使其相容。 模拟量输入输出模块采用EM235和EM232。EM235是常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能，输入信号有16档量程。模拟量输入模块的分辨率为12位，单极性全量程输入范围对应

55、的数字量输出为032000，双极性为-32000-+32000。EM232有两路模拟量输出，量程有-10v-+10v和020ma两种，对应的数字量分别为-32000-+32000和032000。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位。 b.检测与变送装置检测装置采用Pt100热电阻，它利用Pt电阻阻值与温度之间的良好线性关系的原理进行工作。Pt100，又叫铂电阻，热电阻，是一种温度传感器，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，非常经济实用。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200400）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。变送装置采用WE200系列温度变送器。它的作用是将传感器提供的电量转换为标准量程42