过程控制装置反应釜液位控制毕业设计

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊安徽工业大学毕业设计（论文）说明书页第49页1.绪论1.1HDU4000-2型过程控制综合实训系统1.1.1系统组成典型化工流程过程控制综合实训系统由：典型化工流程过程控制综合实训对象系统；典型化工流程过程控制综合实训系统检测传感执行装置；智能仪表及电器控制屏台；典型化工流程过程控制综合实训DCS控制系统组成。1.1.2典型化工流程过程控制综合实训对象系统典型化工流程过程控制综合实训对象系统采用化工釜式反应系统的工艺控制流程且结构为开放式，学生可进入系统操作。对象系统由：实训控制对象仿工业设备结构，具有较强现场设备感；具有较丰富的设备种类，包括：框架系统：3000X2000X2800mm；（100×50×4mm方钢管，50×5角铁，60×6槽钢，扶手护栏：1寸及4分钢管），防锈红丹底漆，喷烤漆处理；反应器：采用蒸馏反应釜，不锈钢，高径比分别为1:2（内胆配置冷却盘管、耐压0.6MPa、夹套加热方式为热水加热），带搅拌电机及及浆叶式搅拌浆）；液位容器：采用￠377X800，及￠300X800不锈钢密闭容器作为两个高位槽储罐.加热容器：￠377X800加热炉(外带不锈钢包裹的硅酸铝保温棉)；压力容器：采用工业￠300X1000的工业压力储罐做为压力容器，安全且储气容量大，易做压力控制实验；换热器：采用￠1597X1000工业标准列管换热器，换热效果明显；滞后盘管：温度滞后控制实验用（滞后时间15秒）；管道及阀门：DN25和DN20工业不锈钢管道；永德信铜球阀及闸阀阀门。系统结构图见化工过程控制实训装置系统结构图。如图1.1所示:图1.1HDU4000-2型过程控制综合实训系统1.2反应釜描述反应釜主要应用于石油、聚合、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、缩合等工艺过程的压力容器。根据不同的因素反应釜可分为很多种类，实验室用的是不锈钢反应釜。不锈钢反应釜的适用范围：适用于石油、化工、医药、冶金、科研、大专院校等部门进行高温、高压的化学反应试验，对粘稠和颗粒的物质均能达到高搅拌的效果。不锈钢反应釜的优点具有如下这些优点：

1、不锈钢材质具有优良的机械性能，可承受较高的工作压力，也可承受块状固体物料加料时的冲击。

2、不锈钢反应釜耐热性能好，工作温度范围很广(-196~600℃)。在较高温度下不会氧化起皮，故可用于直接火加热。

3、不锈钢反应釜具有很好的耐腐蚀性能，无生锈现象。

4、传热效果比搪瓷反应釜好，升温和降温速度较快。反应釜如图1.2所示：图1.2不锈钢反应釜1.3反应釜内部结构及原理1.3.1反应釜结构反应釜结构：由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成，电加热的配有电加热棒，有的釜内含冷却（加热）盘管。不锈钢材质一般有0Cr18Ni9（304），1Cr18Ni9Ti（321），00Cr17Ni14Mo2（316L）。由于用户因生产工艺、操作条件不尽相同，搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等。不锈钢反应釜加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外（内）盘管加热等。密封形式有填料密封、机械密封。支承座有支承式或耳式支座等。使用电加热反应釜夹套内放置导热油，由电热棒加热，同时要保持放空口畅通。转速超过160转以上宜使用齿轮减速机。开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。1.3.2反应釜工作原理加热不锈钢反应釜夹套内放置导热油，由电热棒加热，夹套上开有进、排油、溢测量、放空及电热棒、测温等接管孔。采用蒸汽加热的不锈钢反应釜则直接在夹套内充蒸汽加热，蒸汽加热反应釜需要有稳定蒸汽热源供应，通常加配锅炉。1.4液位控制系统控制要求1、以过程控制实验装置中的反应釜液位作为被控对象、主回路流量作为调节对象，PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个反应釜双闭环控制系统，实现对反应釜液位的恒值控制。2、PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量10%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤120s；3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线；4、选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；5、通过S7-300PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；7、设计完成后，提交打印设计报告。2.系统控制方案设计2.1控制思想2.1.1总体控制思想根据反应釜当前生产现场情况，反应釜的送料完全是人工控制，通过磁力泵从原料罐送到反应釜的，由于产品的不同，混合原料的粘度和比重均不相同，因此单位时间内磁力泵输送的原料重量是不同的变化的，反应釜的化学反应速度，在很大程度上取决于原料，以及氧化剂和还原剂的加入速度。现在只能由人工依据反应釜的温度和出口温度，初略判断反应釜内的化学反应情况，控制阀门开度，这样就很难真正控制好化学反应速度，使产品质量的稳定性和进一步提高反应釜的生产能力都受到了制约。经过仔细的系统分析，参照近代控制论原理，借鉴最新型的控制技术，本方案拟在原料罐磁力泵的出口增加一套电动调节阀，并在氧化剂、还原剂的气动输送泵管路上，再分别各安装电动调节阀。由PLC系统根据反应釜内的温度及出口温度，自动调节加料阀门的开度，同时自动调节反应釜夹套冷却水回流阀门的开度，组成一个智能化的多参数的自适应控制系统，以达到进一步综合控制好化学反应速度，最终优化整个反应过程的升温曲线的目的。2.1.2控制过程说明本控制系统仍以日本三菱公司Q系列PLC可编程控制器为核心，上位机采用高性能的组态软件，开发操作可靠、简单易学、实用稳定的监控程序，具有全中文界面，实时数据显示、流量和温控曲线、报警和操作记录，以及完整的生产报表等管理功能，并嵌入反应釜智能化自动控制模块。2.2控制方案2.2.1液位—流量串级控制系统（1）被调参数：反应釜液位；（2）调节参数：主回路流量；（3）主、副参数的选择①主参数的选择：串级控制系统的主回路是一个定值控制系统,副回路要包括主要干扰，我们选择液位作为主被控量。②副回路的设计依据以下原则：副回路应包括尽可能多的扰动.副回路包含的二次扰动以及非线性参数、负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主要扰动。在此系统中，主控参数液位的高低与进出水的流量有关，即流量是影响液位的最大扰动信号。在出水流量一定的情况下，我们选取进水流量作为被控副参数。2.2.2主、副调节器控制规律的选择在串级调节系统中，主、副调节器的工作情况不一样，主调节器起定值调节作用，而副调节器主要起随动调节作用。主参数要求无余差，副参数却允许在一定范围内变动，这样能保证主参数的调节。主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般要求无余差，因此，主调节器选择PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化,允许有余差，因此副调节器选择用P控制规律，一般不引人积分控制规律和微分控制规律。液位——流量串级控制系统如图：图2.1液位-流量串级控制系统结构图液位变送器的主参数测量信号输入主控制器，主控制器的输出作为副控制器的外给定信号，副控制器根据流量变送器的副参数测量信号与来自主控制器的给定信号之间的偏差的大小和方向，经PID运算输出控制信号送去调节阀，控制其开度，调节进水流量达到控制液位的目的。2.3控制算法2.3.1PID控制算法PID是一个闭环控制算法。因此要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制路线上，下面也将以转速控制为例。PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法。但并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PD,PI,甚至只有P算法控制。我以前对于闭环控制的一个最朴素的想法就只有P控制，将当前结果反馈回来，再与目标相减，为正的话，就减速，为负的话就加速。现在知道这只是最简单的闭环控制算法。2.3.2PID算法的作用比例(P)、积分(I)、微分(D控制算法各有作用：比例，反应系统的基本（当前）偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；微分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。

3.系统硬件结构设计3.1检测装置3.1.1扩散硅压力液位变送器液位传感器是用来对反应釜的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ—IIIX型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。在零压力下调整零电位器。使输出电流为4mA，在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为二线制，故在工作时需串联24V直流电源。液位传感器用来对反应釜的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，精度为0.5级，二线制4—20mA标准信号输出。液位传感器（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA/1～5VDC）。一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号(如4~20mADC等)，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。压力变送器把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力。其原理大致是：将水压这种压力的力学信号转变成电流（4-20mA）这样的电子信号，压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系。所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大。由此得出一个压力和电压或电流的关系式。压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。如图3.1所示为液位传感器：图3.1液位传感器如图3.2所示为压力传感器：图3.2压力传感器3.1.2磁翻转液位计磁翻转液位计可用于各种塔、罐、槽、球型容器和锅炉等设备的介质液位检测。该系列的液位计可以做到高密封，防泄漏和适用于高温、高压、耐腐蚀的场合。它弥补了玻璃板（管）液位计指示清晰度差、易破裂等缺陷，且全过程测量无盲区，显示清晰、测量范围大。磁翻板液位计的零部件材料采用1Cr18Ni9Ti、316L、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti衬PTFE（聚四氟乙烯）、PVC、PP等材料及进口元件，具有优秀的可靠性和抗腐蚀性能。技术参数：测量范围：300~12500mm精确度：指示±10mm测量原理：浮力原理、磁耦合传感技术测量介质：各种液体及腐蚀、易燃易爆液体介质输出形式：现场显示、报警、变送器输出工作压力：≤6.3Mpa介质温度：≤450℃介质密度：≥0.45g/cm3介质粘度：≤0.15pa·s防爆等级：ExdⅡBT6.ExiacT6防护等级：IP66材质：各种牌号不锈钢、PVC等连接方式：法兰DN20、DN25（松套）使用:磁翻板液位计位计可直接用来观察各种容器内介质的液位高度。它适用于石油、化工等工业领域的液位指示，该液位计结构简单，观察直观、清晰，不堵塞、不渗漏，安装方便，维修简单。玻璃板液位计上、下端安装法兰与容器相连接构成连通器，透过玻璃板可直接观察到容器内液位的实际高度。上下阀门装有安全钢珠，当玻璃因意外损坏时，钢珠在容器内压的作用下自动密封，防止容器内液体外溢，并保证操作人员安全。产品特点：·高灵敏度(避免面板花脸现象)、宽视窗(便于观看)；·各种液体以及高温、高压、腐蚀性和易燃易爆介质液位的连续测量；·现场指示、信号远传(4~20mA或HART)、一机多能；·显示器以红色指示液位，直观、醒目；·测量范围大、全过程测量无盲区；·显示器与被测介质完全隔离，安全、可靠。可选配报警器、变送器：·液位报警器(干簧管)；·液位报警器(微动开关式)；·液位报警器(隔爆式)；·液位变送器(本安型)；·液位变送器(静压式)；·UHZ系列顶装浮球(磁浮子、磁翻板液位计）。安装与维护：液位计安装必须垂直，以保证浮球组件在主体管内上下运动自如。液位计主体周围不容许有导磁体靠近否则直接影响液位计工F确工作。液位计安装完毕后，需要用磁钢进行校正对翻柱导引一次使零位以下显示红色，零位以上显示白色。液位计投入运行时应先打开下引液管阀门让液体介质平稳进入主体管，避免液体介质带着浮球组件急速上升，而造成翻柱转失灵和乱翻。若发生此现象待液面平稳后可用磁钢重新校正。因运输过程中为了不使浮球组件损坏，故出厂前将浮球组件取出液位计主体管外，待液位计安装完毕后，打开底部排污法兰，再将浮球组件重新装入主体管内，注意浮球组件重的一头朝上，不能倒装。如果在出厂时已经将浮球组件安装在主体管内，为保证运输过程中不伎浮球组件损坏，我们用软卡将浮球组件固定在主体管内，安装时只要将软卡抽出即可。根据介质情况，可定期找开排污法兰清洗主体管沉淀物质。如图3.3所示为磁翻转液位计：图3.3磁翻转液位计3.1.3电磁流量计电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，采用单片机嵌入式技术，实现数字励磁，同时在电磁流量计上采用CAN现场总线。属国内首创，技术达到国内领先水平。如图3.4所示为电磁流量计：图3.4电磁流量计工作原理：电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。测量原理：根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度u成正比，如果B，L，u三者互相垂直，则：e=Blu(3-35)与此相仿。在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就切割磁力线.如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势：e=BD(3-36)式中，为管道截面上的平均流速.由此可得管道的体积流量为：qv=(3-37)由上式可见，体积流量qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关.这就是电磁流量计的测量原理.。需要说明的是，要使式(3—37)严格成立，必须使电磁流量计测量条件满足下列假定：①磁场是均匀分布的恒定磁场；②被测流体的流速轴对称分布；③被测液体是非磁性的；④被测液体的电导率均匀且各向同性。3.2执行器3.2.1电动调节阀电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高，正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：节电动调节阀能（只在工作时才消耗电能）、环保（无碳排放）、安装快捷方便（无需复杂的气动管路和气泵工作站）。工作原理：工作电源为DC24V、AC220V、AC380V等电压等级。通过接收工业自动化控制系统的信号（如：4~20mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。电气原理：电机电源220VAC或者380VAC，控制信号4~20mA，阀里面有控制器，控制器把电流信号转换为步进电机的角行程信号，电机转动，由齿轮，杠杆，或者齿轮加杠杆，带动阀杆运作，实现直行程或角行程。反馈:电机运行，通过齿轮运转，由三接头的滑动变阻器输出阀门的定位信号，此外还有三根线的限位信号（全开、全闭、公共线）。流量特性介绍：电动调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经电动调节阀的相对流量与它的开度之间关系。电动调节阀的流量特性有：线性特性、等百分比特性及抛物线特性三种。安装注意事项：新设计、安装的控制系统，为了确保调节阀在开车时能正常工作，并使系统安全运行，新阀在安装之前，应首先检查阀上的铭牌标记是否与设计要求相符。同时还应对以下项目进行调试：基本误差限、全行程偏差、回差、死区、泄漏量（在要求严格的场合时进行）。如果是对原系统中调节阀进行了大修，除了对上述各项进行校验外，还应对旧阀的填料函和连接处等部位进行密封性检查。调节阀在现场使用中，很多往往不是因为调节阀本身质量所引起，而是对调节阀的安装使用不当所造成，如安装环境、安装位置及方向不当或者是管路不清洁等原因所致。因此电动调节阀在安装使用时要注意以下几方面：调节阀属于现场仪表，要求环境温度应在－25～60℃范围，相对湿度≤95%。如果是安装在露天或高温场合，应采取防水、降温措施。在有震源的地方要远离振源或增加防振措施。调节阀一般应垂直安装，特殊情况下可以倾斜，如倾斜角度很大或者阀本身自重太大时对阀门应增加支承件保护。（3）安装调节阀的管道一般不要离地面或地板太高，在管道高度大于2m时应尽量设置平台，以利于操作手轮和便于进行维修。（4）调节阀安装前应对管路进行清洗，排除污物和焊渣。安装后，为保证不使杂质残留在阀体内，还应再次对阀门进行清洗，即通入介质时应使所有阀门开启，以免杂质卡住。在使用手轮机构后，应恢复到原来的空档位置。（5）为了使调节阀在发生故障或维修的情况下使生产过程能继续进行，调节阀应加旁通管路。同时还应特别注意，调节阀的安装位置是否符合工艺过程的要求。电动调节阀的电气部分安装应根据有关电气设备施工要求进行。（6）如是隔爆型产品应按《爆炸危险场所电气设备安装规范》要求进行安装。如现场导线采用SBH型或其它六芯或八芯、外径为Φ11.3mm左右的胶皮安装电缆线。在使用维修中，在易爆场所严禁通电开盖维修和对隔爆面进行撬打。同时在拆装中不要磕伤或划伤隔爆面，检修后要还原成原来的隔爆要求状态。（7）执行机构的减速器拆修后应注意加油润滑，低速电机一般不要拆洗加油。装配后还应检查阀位与阀位开度指示是否相符。如图3.5所示为电动调节阀：图3.5电动调节阀3.2.2变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器，它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关，变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。变频器广泛用于交流电机的调速中，变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑、范围大、效率高、启动电流小、运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。变频器常见的频率给定方式主要有：操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。这些频率给定方式各有优缺点，须按照实际所需进行选择设置，同时也可以根据功能需要选择不同频率给定方式之间的叠加和切换。三菱FR-S520变频器，4-20控制输入信号，可对流量或者压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或者三相供电，频率可高达200HZ。如图3.6所示为变频器：图3.6变频器3.2.3水泵水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力，即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。这里采用丹麦格兰富循环水泵。不会影响教师授课减少麻烦。功耗低，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。离心泵工作原理：水泵开动前，先将泵和进水管灌满水，水泵运转后，在叶轮高速旋转而产生的离心力的作用下，叶轮流道里的水被甩相四周，压入蜗壳，叶轮入口形成真空，水池的水在外界大气压力下沿吸水管被吸入补充了这个空间。继而吸入的水又被叶轮甩出经蜗壳而进入出水管。由此可见，若离心泵叶轮不断旋转，则可连续吸水、压水，水便可源源不断地从低处扬到高处或远方。综上所述，离心泵是由于在叶轮的高速旋转所产生的离心力的作用下，将水提相高处的，故称离心泵。离心泵的一般特点：（1）水沿离心泵的流经方向是沿叶轮的轴向吸入，垂直于轴向流出，即进出水流方向互成90°。（2）由于离心泵靠叶轮进口形成真空吸水，因此在起动前必须相泵内和吸水管内灌注引水，或用真空泵抽气，以排出空气形成真空，而且泵壳和吸水管路必须严格密封，不得漏气，否则形不成真空，也就吸不上水来。（3）由于叶轮进口不可能形成绝对真空，因此离心泵吸水高度不能超过10米，加上水流经吸水管路带来的沿程损失，实际允许安装高度（水泵轴线距吸入水面的高度）远小于10米。如安装过高，则不吸水，此外，由于山区比平原大气压力低，因此同一台水泵在山区，特别是在高山区安装时，其安装高度应降低，否则也不能吸上水来。如图3.7所示为水泵：图3.7水泵3.3通信模块3.3.1模拟量采集模块模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。RemoDAQ-8017特性如下：模拟量输入通道：8路差分或6路差分,2路单端(跳线选择)；输入类型:mV,V,mA(外接125Ω电阻)；量程范围：±10V，±5V，±1V，±500mV，±150mV，±20mA；采样速率：10次/秒；带宽：15.7Hz；精确度：±0.1%；零点漂移：20uV/℃；满量程漂移：25ppm/℃；CMR：86dB；输入阻抗：20MOhms；过电压保护：±35V；隔离：3000VDC；输入电压：+10V~+30VDC功耗：1.3W；温度：-20℃~70℃；湿度：5%~90%，无凝露。3.3.2模拟量输出模块D/A牛顿7024模块4路模拟输出，电流(4—20mA)电压（1—5V）信号均可。3.3.3通信转换模块485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300—115KHz），232口可长距离传输。3.4开关电源DC24的开关电源，最大电流为2A，可以满足实验要求。3.5硬件连接本系统中，D/A模块中的IO0接口为控制器调节阀开度的控制通道，IO1为可控硅的电压控制通道，IO2为变频器的控制通道。A/D模块中，IN0为反应釜液位的检测，IN1为主流量的检测，IN3为副流量的检测，IN4为温度信号的检测，IN5为阀位反馈信号的检测，IN6为水泵出口压力信号的检测。在D/A模块中，由于模块本身不能提供电源，所以在控制时应串入24V直流电源，输出电流信号控制执行器，AGND为D/A模块公共地。由于变送器输出的都是电流信号，而A/D模块输出的都是电压信号，所以在A/D通道的正负端并联一个250欧姆的电阻，将电流信号转换成电压信号。系统采用的液位变送器，压力变送器都是二线制的，在检测液位工作时要串入DC24V电源。接线要求：（I/O对应关系表）（1）反应釜液位的检测输出A/D模块中，IN0通道输入；（2）主通道流量的检测输出A/D模块中，IN1通道输入；（3）副流量的检测输出A/D模块中，IN2通道输入；（4）温度信号的检测输出A/D模块中，IN3通道输入；（5）阀位反馈信号的检测输出A/D模块中，IN4通道输入；（6）水泵出口压力信号检测输出A/D模块中，IN5通道输入；（7）主调节阀开度的控制输入D/A模块中的IO0通道输出；（8）可控硅的电压控制输入D/A模块中的IO1通道输出；（9）变频器的输入D/A模块中的IO2通道输出；（10）副调节阀开度的输入D/A模块中的IO3通道输出；（11）模块之间用RS485总线连接；（12）模块与计算机通讯：RS232通讯总线。

4.用西门子S7-300PLC实现控制系统设计4.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤4.1.1一种电气控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需要，从而提高产品质量和生产效率。因此，在设计PLC应用系统时，应遵循以下基本原则：（1）充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。（3）保证控制系统安全可靠。（4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。

4.1.2设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：（1）熟悉被控对象，制定控制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。（2）确定I/O设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等）由此确定PLC的I/O点数。

（3）选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I/O模块、电源的选择。（4）分配PLC的I/O地址

根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出I/O设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编制程序。（5）设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。（6）联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。开始时，先不带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等负载）进行调试。利用编程器的监控功能，采分段调试的方法进行。各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可，全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改则应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。（7）整理技术文件包括设计说明书、电气安装图、电气元件明细表及使用说明书等。PLC控制系统的设计步骤可参考下图4.1：图4.1PLC控制系统的设计步骤4.2PLC的选型和硬件配置4.2.1PLC型号的选择本温度控制系统采用德国西门子S7-300PLC。S7-300是是模块化小型PLC系统，大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之间也可进行广泛组合以用于扩展。由于S7-300简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。4.2.2S7-300CPU的选择S7-300系列的PLC有20多种不同型号的CPU，分别适用于不同规模及不同控制要求的项目。本次设计选用的是S7-300CPU315-2DP。S7-300CPU315-2DP是全数字化高性能带有大中型程序存储器和PROFIBUSDP主/从接口的CPU。除了集中式I/O结构外，它还可用于分布式自动化结构。它在SIMATICS7-300中经常被用作标准PROFIBUSDP主站。该CPU也被用作分布式智能设备（DP从站）。它已经依照量化框架作了优化，以便使用SIMATIC工程工具，如：用SCL编程；用S7-GRAPH进行顺序控制编程；另外，CPU为采用软件来实现一些简单的工艺任务提供了一个理想的平台，例如：简单的运动控制；使用STEP7块或运行软件“标准/模块化PID控制”来实现闭环控制任务的解决方案。通过使用SIMATICS7-PDIAG可以实现扩展过程诊断。

CPU315-2DP安装有：微处理器，处理器对每条二进制指令的处理时间大约为50ns，每个浮点预算的时间为0.45µs；256KB工作存储器（相当于大约85K条指令），与执行程序段相关的大容量工作存储器可以为用户程序提供足够的空间。作为程序装载存储器的微型存储卡（最大为8MB）也允许将可以项目（包括符号和注释）保存在CPU中。装载存储器还可用于数据归档和配方管理；灵活的扩展能力，多达32个模块（4排结构）；MPI多点接口，集成的MPI接口最多可以同时建立与S7-300/400或编程设备、PC、OP的16条连接。在这些连接中，始终为编程器和OP分别预留一个连接。通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络；PROFIBUSDP接口，带有PROFIBUSDP主/从接口的CPU315-2DP可以用来建立高速、易用的分布式自动化系统。对用户来说,分布式I/O单元可作为一个集中式单元来处理(相同的组态、编址和编程).全面支持PROFIBUSDPV1标准。它提高了DPV1标准从站的诊断和参数化能力。4.2.3模拟量输入/输出模块SM331是S7-300的模拟量输入模块，其输入通道能接受不同量程的电流或电压输入。S7-300的模拟量输出模块是SM332。模拟信号使用屏蔽电缆或双绞线电缆输出。在液位控制系统中，传感器将检测到的液位转换成4-20mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。经过处理的数字信号经过D/A转换成模拟量信号，送到执行器中从而控制反应釜的液位。4.2.4计算机与PLC的通信1.使用计算机的RS232C端口与PLC的编程口直接相连

①设置PLC的通信条件，关于PLC通信条件设置的内容，请参照各PLC的相关硬件手册。请预先将PLC与计算机的通信条件相符合。②利用计算机的RS232C端口、与PLC的编程口1:1连接。2.连接方法根据各PLC而不同·计算机与FP10、FP10S、FP5、FP3相连接时连接方法：计算机=>RS232C电缆=>RS422/232C适配器=>RS422电缆=>PLC；RS422电缆型号：50cmAFP5520,3mAFP5523；RS422/232C适配器型号：AFP8550。·计算机与FP1相连接时连接方法：计算机=>RS232C电缆=>RS422/232C适配器=>RS422电缆=>PLC；RS422电缆型号：50cmAFP15205,3mAFP1523；RS422/232C适配器型号：AFP8550。·计算机与FPΣ、FP0、FP-M、FP-C、FP2、FP2SH相连接时

连接方法：计算机=>RS232C电缆=>PLC；RS232C电缆型号：3mAFP8513。·计算机与FP10SH相连接时

连接方法：计算机=>RS232C电缆=>PLC；RS232C电缆型号：3m9P-9PAFC85853，25P-9PAFP85813。请利用[工具]菜单中的[通信设置]将通信条件与PLC相一致。注：RS232C电缆请使用市场销售的直接型电缆。4.3PID控制器的选取及整定4.3.1PID控制器的组成PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其数学表达式为：(1)比例系数Ｋc对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Ｋc偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Ｋc太大时，系统会趋于不稳定。Ｋc太小，又会使系统的动作缓慢。Ｋc可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Ｋc的符号选择不当对象状态(Pv值)就会离控制目标的状态(Sv值)越来越远，如果出现这样的情况Ｋc的符号就一定要取反。(2)积分控制Ｔi对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，Ｔi小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。(3)微分控制Ｔd对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，Ｔd偏大时，超调量较大，调节时间较短。Ｔd偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Ｔd合适，才能使超调量较小，减短调节时间。4.3.2主、副回路控制规律的选择采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择规律的基本出发点。主参数是工艺操作的重要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调节器一般选PI或PID控制，副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以。在本控制系统中，我们将反应釜液位作为主参数，主回路流量为副参数。主控制采用PID控制，副控制器采用P控制。4.3.3调节器正、反作用方式的确定副调节器作用方式的确定：首先确定调节阀，出于实验装置的易操作方面考虑采用电动调节阀，这样保证调节的精度，调节阀的Kv>0。然后确定副被控过程的K02，当调节阀开度增大，主回路流量增大，反应釜的液位上升，所以K02>0。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为负，所以副调节器K2<0，副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的确定：主被控过程K01>0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为负，所以主调节器的放大系数K1<0，主调节器作用方式为反作用方式。4.3.4采样周期的分析采样周期Ts越小，采样值就越能反应液位的变化情况。但是，Ts太小就会增加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。因为本系统是液位控制系统，液位的惯性比较小，所以采样时间不能太长，本系统采样1s.4.3.5参数整定经过上述的分析，该液位控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算（微分方程、根轨迹、频率法等），求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、自整定法等。在这里，我们采用经验整定法整定控制器的参数值。整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”。（1）整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。（2）整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。（3）整定微分环节若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。4.4PLC程序设计4.4.1PLC程序设计方法PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。1.经验设计法经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法。经验设计法用于较简单的梯形图设计。应用经验设计法必须熟记一些典型的控制电路，如起保停电路、脉冲发生电路等，这些电路在前面的章节中已经介绍过。2.继电器控制电路转换为梯形图法继电器接触器控制系统经过长期的使用，已有一套能完成系统要求的控制功能并经过验证的控制电路图，而PLC控制的梯形图和继电器接触器控制电路图很相似，因此可以直接将经过验证的继电器接触器控制电路图转换成梯形图。主要步骤如下：（1）熟悉现有的继电器控制线路。（2）对照PLC的I/O端子接线图，将继电器电路图上的被控器件（如接触器线圈、指示灯、电磁阀等）换成接线图上对应的输出点的编号，将电路图上的输入装置（如传感器、按钮开关、行程开关等）触点都换成对应的输入点的编号。（3）将继电器电路图中的中间继电器、定时器，用PLC的辅助继电器、定时器来代替。（4）画出全部梯形图，并予以简化和修改。3.逻辑设计法逻辑设计法是以布尔代数为理论基础，根据生产过程中各工步之间的各个检测元件（如行程开关、传感器等）状态的变化，列出检测元件的状态表，确定所需的中间记忆元件，再列出各执行元件的工序表，然后写出检测元件、中间记忆元件和执行元件的逻辑表达式，再转换成梯形图。该方法在单一的条件控制系统中，非常好用，相当于组合逻辑电路，但和时间有关的控制系统中，就很复杂。4.顺序控制设计法根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。首先将被控制对象的工作过程按输出状态的变化分为若干步，并指出工步之间的转换条件和每个工步的控制对象。这种工艺流程图集中了工作的全部信息。在进行程序设计时，可以用中间继电器M来记忆工步，一步一步地顺序进行，也可以用顺序控制指令来实现。下面将详细介绍功能流程图的种类及编程方法。4.4.2编程软件STEP7 STEP7编程软件是一个用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7标准软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。STEP7编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对PLC在线上载或下载。利用STEP7可以方便地创建一个自动化解决方案。项目可用来存储为自动化任务解决方案而生成的数据和程序。这些数据包括：硬件结构的组态数据及模板参数；网络通讯的组态数据以及为可编程模板编制的程序。它们都被收集在一个项目下。在生成一个项目后，先插入站，然后可以组态硬件。在组态硬件时，可以借助于模板样本对可编程控制器中的CPU及各模板进行定义，通过双击站来启动硬件组态的应用程序。一旦存储并退出硬件组态，对于在组态中生成的每一个可编程模板，都会自动生成S7/M7程序及空的连接表。连接表可用来定义网络中可编程模板之间的通讯连接。硬件组态完成后就可为编程模板生成软件。为可编程模板编制的软件存储在对象文件夹中。对该对象文件夹称作“S7-Program”。在子菜单中，可以选择想要生成的块的类型(如：数据块，用户定义的数据类型，功能，功能块，组织块或变量表)。打开一个空的块，然后用语句表，梯形图或功能图输入程序。在完成组态，参数赋值，程序创建和建立在线连接后，可以下载整个用户程序或个别块到一个可编程序控制器。在下载完整的或部分用户程序到CPU之前，把工作方式从RUN模式置到STOP模式。可以通过在线连接下载各个块或整个用户程序到RAM。当电源关断后和CPU复位时，保存在他们上面的数据将被保留。另外，可以从可编程控制器中上载一个工作站，或从一个S7CPU中上载块到PG/PC。这样，当出现故障而不能访问到程序文档的符号或注释时，就可以在PG/PC中编辑它。用于S7-300的编程语言[19]有：梯形图(LAD)，语句表(STL)和功能块(FBD)。LAD是STEP7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点复合元件以及输出线圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。STL是STEP7编程语言的文本表达方式，与机器码相似，CPU执行程序时按每一条指令一步一步地执行。FBD是STEP7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。STEP7编程软件允许结构化用户程序，可以将程序分解为单个的自成体系的程序部分。从而使大规模的程序更容易理解，可以对单个的程序部分进行标化。程序组织简化，修改更容易。系统的调试也容易了许多。在S7用户程序中可以使用如下几种不同类型的块：组织块(OB)是操作系统和用户程序的接口。它们由操作系统调用，并控制循环和中断驱动程序的执行，以及可编程控制器如何启动。它们还处理对错误的响应。组织块决定各个程序部分执行的顺序。用于循环程序处理的组织块OB1的优先级最高。操作系统循环调用OB1并用这个调用启动用户程序的循环执行。临时局域数据（Local）生成逻辑块（OB，FC，FB）时可以声明临时局域数据。这些数据是临时的，退出逻辑块是不保存局域数据，局域数据只能在声称他们的逻辑块使用。功能(FC)属于用户自己编程的块。功能是“无存储区”的逻辑块。FC的临时变量存储在局域数据堆栈中，当FC执行结束后，这些数据就丢失了。功能块(FB)属于用户自己编程的块。功能块是具有“存储功能”的块。用数据块作为功能块的存储器(背景数据块)。传递给FB的参数和静态变量存在背景数据块中。背景数据块(背景DB)在每次功能块调用时都要分配一块给这次调用，用于传递参数。数据块（DB和DI）是用于存放执行用户程序所需数据变量的数据区。数据块分为共享数据块（DB）和背景数据块（DI）。应首先生成功能块，然后生成它的背景数据块。生成背景数据块是指明它的类型为背景数据块和它的功能块的编号。系统功能块(SFB)和系统功能(SFC)是STEP7为用户提供的己编程好的程序的块，经过测试集成在CPU中的功能程序库。SFB作为操作系统的一部分并不占用程序空间，是具有存储能力的块，它需要一个背景数据块，并须将此块作为程序的一部分安装到CPU中。4.5液位控制程序设计4.5.1程序设计思路PLC运行时，通过特殊继电器产生初始化脉冲进行初始化，将液位设定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统开始液位采样，采样周期是1秒，TT1(主通道上的电磁流量计)将采集到的主通道流量信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW0进入PLC，作为主回路的反馈值，经过主控制器（PID0）的PI运算产生输出信号，作为副回路的定值。TT2(反应釜内部液位传感器)将采集到的反应釜液位信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW2进入PLC，作为副回路的反馈值，经过副控制器（PID1）的P运算产生输出的信号,由AQW0输出，输出的4-20mA电流信号控制可控硅的导通角，从而电动调节阀的电压，完成对液位的控制。4.5.2程序设计程序设计采用模块化编程，程序被分成不同的逻辑块，这些块包含完成控制任务的逻辑指令。（1）创建项目首先双击桌面上的STEP7的图标，打开SIMATIC管理器，在“File”菜单下单击“NewProjectWizard”出现如图4.2所示界面：图4.2新建项目窗口选择CPU型号，选择CPU315-2DP，选择OB1，选择语言为FBD。如图4.3，图4.4所示：图4.3CPU选型窗口图4.4块选择窗口创建项目完成。项目名为"qian"。如图4.5：图4.5项目窗口（2）硬件组态在PLC控制系统设计的初期，首先应根据系统的输入信号的性质和点数，以及对控制系统的功能要求，确定系统的硬件配置。在图项目窗口中，选中左边窗口中的“SIMATIC300Station”，右边窗口出现Hardware和CPU的图标，双击“Hardware”进入硬件组态界面，如图4.6所示：图4.6硬件组态界面插入电源PS3072A，输入模块AI8x12Bit,输出模块DO8x12Bit,如图4.7组态完成：图4.7系统硬件图（3）编辑符号表在程序中可以用绝对地址访问变量，但是使用符号地址可以使程序更容易阅读理解。共享符号在符号表中定义，可供程序中所有的块使用。在qian项目窗口中，点击“S7Program”进入符号表窗口。如图4.8所示：图4.8系统符号表如下图为项目qian的所有块。图4.9项目块图（4）编程编写控制程序，调用功能块FB41，PID控制模块，打开Libraries\standardlibraryPIDControlblock\FB41,将其调入OB1中，首先分配背景数据块DB41，再给各个管脚输入地址。调用FC105，打开Libraries\standardlibrary\Ti-S7ConvertingBlocks\fc105,将其调入OB1中，给各个管脚输入地址。如图4.10，图4.11，图4.12所示：图4.10编程窗口1图4.11编程窗口2图4.12编程窗口3

4.6控制程序及分析程序如图4.13所示：图4.13程序图程序分析：FC105功能是将一个IN输入的整形数PIW258转换成上限HI-LIM、下限LO-LIM之间的实际的工程值，结果写到OUT送到MD20.OUT=[((FLOAT(IN)–K1)/(K2–K1))*(HI_LIM–LO_LIM)]+LO_LIM常数K1和K2的值取决于输入值（IN）是双极性BIPOLAR还是单极性UNIPOLAR。双极性BIPOLAR：即输入的整形数为–27648到27648，此时K1=–27648.0，K2=+27648.0单极性UNIPOLAR：即输入的整形数为0到27648，此时K1=0.0，K2=+27648.0如果输入的整形数大于K2，输出(OUT)限位到HI_LIM,并返回错误代码。如果输入的整形数小于K1，输出限位到LO_LIM，并返回错误代码。反向定标的实现是通过定义LO_LIM>HI_LIM来实现的。反向定标后的输出值随着输入值的增大而减小。输入为PIW258；上限设置为1.000000e+003,下线设置为1.000000e+000；BIPOLAR由I1.0控制；输出值PQW272；输出值显示到MWO，输出到MD20。FB41PID控制模块的使用；PID模块是进行模拟量控制的模块，可以完成恒液位的控制功能在中，打开Libraries\standardlibraryPIDControlblock\FB41,将其调入OB1中，首先分配背景数据块DB41，再给各个管脚输入地址。EN为控制使能端，由常开触头I0.0控制；D-SEL可以在PID算法中单独激活或者取消激活PID操作，如果设置“启动微分作用”，将启动D操作，由常闭触头M2.0控制；CYCLE“采样时间”输入指定块调用之间的时间，设置为1S；SP-INT为液位设定值，设置为2.000000e+002；PV-IN为实际的液位值，由MD20控制.。整个程序的功能是先把采集到的整形数PIW258转换成设置范围内的工程值，通过PID控制器的调节使它接近设置值，从而完成对反应釜的恒液位控制。

5.利用组态王进行系统组态设计5.1组态软件描述随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有（1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：(1)图形界面的设计(2)构造数据库(3)建立动画连接(4)运行和调试使用组态王软件开发具有以下几个特点:实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:（1）图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。（2）数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。（3）连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。5.2系统流程图主要反映了反应釜液位控制系统的整个系统的控制流程，如图5.1所示：图5.1系统流程图5.3组态设计5.3.1工程创建组态王工程管理器是用来建立新工程，对添加到工程管理器的工程做统一的管理。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索组态王工程，修改工程属性，工程备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。假设您已经正确安装了“组态王6.52”的话，可以通过以下方式启动工程管理器：点击“开始”〉“程序”〉“组态王6.52”〉“组态王6.52”（或直接双击桌面上组态王的快捷方式）。组态王工程浏览器如图5.2所示：图5.2工程浏览器新建：单击此快捷键，弹出新建工程对话框建立组态王工程。单击工程管理器上的“新建”，弹出“新建工程向导之一”如图5.3：图5.3工程创建向导点击“浏览”，选择新建工程所要存放的路径。点击“下一步”进入“新建工程向导之三”，在“工程名称”处写上要给工程起的名字。“工程描述”是对工程进详细说明（注释作用），我们的工程名称是“监控中心，工程描述是“对反应釜的液位进行现场监控”。点击完成，并将我的工程设置为组态王当前工程。我的工程新建完成，点击开发即可进入组态王工程浏览器。如图5.4所示：图5.4工程创建完成5.3.2定义外部设备和数据变量1.定义外部设备组态王把那些需要与之交换数据的硬件设备或软件程序都作为外部设备使用。外部硬件设备通常包括PLC、仪表、模块、变频器、板卡等；外部软件程序通常指包括DDE、OPC等服务程序。按照计算机和外部设备的通讯连接方式，则分为：串行通信（232/422/485）、以太网、专用通信卡（如CP5611）等。在计算机和外部设备硬件连接好后，为了实现组态王和外部设备的实时数据通讯，必须在组态王的开发环境中对外部设备和相关变量加以定义。为方便您定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导”引导您一步步完成设备的连接。在组态王工程浏览器树型目录中，选择设备，在右边的工作区中出现了“新建”图标,双击此“新建”图标，弹出“设备配置向导”对话框如图所示。选择西门子S7-300，后进行进一步的设置。如图5.5设置向导：图5.5设置向导2.定义数据变量数据库是“组态王软件”最核心的部分。在TouchVew运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为核心，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。如图5.6为数据词典：图5.6数据词典5.3.3组态画面创建利用组态王可以将工业现场做成一个画面，这个监控画面包含生产过程中的反应装置，执行机构和控制器。监控画面主要有水泵，电动调节阀，反应釜，液位显示仪表，实时趋势图构成。泵开关控制水泵的停止与启动，电动调节阀控制入口流量，出口阀门控制液体的流出。液位显示仪表显示当前反应釜的液位。实时趋势图反映了当前某段时间内反应釜液位的趋势。在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项，在右侧视图中双击“新建”图标。弹出新建画面对话框，对新建画面的属性进行设置。使用工具箱，调色板，图库管理器生成画面。如下图5.7所示：图5.7组态画面对画面进行动画连接，“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系，监控画面完成后，可以利用PLC对反应釜的液位进行实时控制，通过监控画面可以观察到现场的实时数据。5.4工程实现5.4.1组态王与PLC的通讯组态王与PLC的通讯连接采用MPI电缆通讯方式：硬件连接：此种方法使用S7-300PLC上的MPI编程口，使用西门子标准编程电缆连接到计算机的串口上。组态王对应驱动：在组天王中对应的设备定义向导为PLC→西门子→S7-300系列→MPI电缆。在组态王中设置PLC的地址，PLC地址在组态王中的设置方法是在设备地址中输入PLC站号，PLC站号的范围是1到64。5.4.2系统的运行测试反应釜液位SP设定值为40。打开PID开关，打开反应釜的阀门开关，进行运行调试。经过多次调试后在KP=80，TI=180，TD=1时，控制特性较好。如图5.8是实时监控画面：图5.8监控画面1如图5.9是反应釜液位的实时曲线：图5.9实时曲线1由图中曲线可以看出，反应釜液位的设定值为50。打开控制阀门后，液位由初始值0开始增加，增加趋势逐渐放缓并且有一点的超调，由于文中的截图缩小很多，显示不明显。经过PID控制器的调节，反应釜的液位趋于稳定，在设定值附近。由此得出此PID控制器控制效果良好。5.4.3系统抗干扰性能测试在系统稳定后，打开反应釜的侧进料开关，加干扰后对反应釜的液位产生影响。如下图5.10所示：反应釜监控画面：图5.10监控画面2反应釜液位的实时曲线：图5.11实时曲线2在反应釜液位趋于稳定后，打开反应釜侧进料开关，相当于给系统加了一个干扰，如图5.11，加干扰后反应釜的液位迅速上升，经过PID控制器的调节，液位快速上升后，开始下降，一段时间后开始趋于稳定，维持在设定值附近。由此可得出结论，此控制系统的抗干扰性能良好。

结论反应釜单元操作实训装置把化工技术、自动化技术、网络通讯技术、数据处理等最新的成果揉合在了一起，实现了工厂模拟现场化、故障模拟、故障报警、网络采集、网络控制等培训任务。反应釜液位控制的任务就是控制进料量和反应过程中物料的消耗量保持动态平衡，从而维持反应釜的液位在设定的范围内。本文首先介绍了过程控制实验装置以及单元反应釜实验系统，包括一些系统的组成和控制系统硬件的配置。其次，是进行控制方案的设计，采用PID串级控制，其中以反应釜为被控对象；以反应釜液位为主被控参数；以主回路流量为副被控参数；以电动调节阀电压为控制参数；以PLC为控制器。然后，运用西门子S7-300PLC编程软件STEP7进行控制程序的编写，实现控制器的设计。由于组态软件具有强大的图形编辑功能，丰富的动画连接方式和实时数据库操作能力，并且方便的语言编程，因此上位机选用KingView6.5来开发监控软件系统。所以以组态王为基础设计了整个上位机监控系统。最后，借助S7-300PLC和组态王6.5的串接通信，实现了用组态王对反应釜液位远程的监控。利用设计的控制算法，通过上位机监控系统的监控，观察了PID控制的效果。通过观察对比发现PID控制效果一段时间后能得到体现，液位在设定值附近波动很小。实验证明,PLC可编程控制器和组态王软件结合有利于PLC控制系统的设计、检测,具有良好的应用价值。当然，本控制系统还有很多不足的地方。例如，系统的控制精度不高，主要原因是液位检测采用的是磁翻转液位计，精度不高；编程软件里涉及到数据的转换、缩放，因此，PID的值设置较为困难。

致谢通过这一阶段的努力，我的毕业论文《过程控制装置反应釜的液位控制》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中，我的导师章家岩老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还