精馏塔的温度控制新版系统毕业设计方案

摘要精馏过程是石油炼制、石油化工和其她化工过程中应用最为广泛传质操作过程。精馏过程由于内在机理复杂，对控制作用响应缓慢，参数间关联密切，因而控制规定高，难度大。本文重要研究精馏塔温度控制，依照其工艺规定来研究精馏塔精馏段温度控制及其温度对产品质量影响。精馏过程中产品质量重要取决于对温度控制，然而，在进行较高纯度分离精馏塔内，接近塔顶或塔底一种不太短塔段内，物料浓度变化所引起温度变化比较小这种状况下，当人工发现温度有较明显变化时，产品质量早己不合规定。因此，在精馏塔内引入自动温度控制系统就是十分必要和急迫，合理控制精馏塔温度是产品与否合格重要指标。本文重要通过详细分析精馏段温度控制系统特点，得到以回流流量作为副控制对象，精馏段温度为主控制对象串级控制系统，再进一步对精馏塔温度控制系统难点进行分析。本系统采用单片机控制精馏塔温度，用热电偶作为检测元件，采用PID控制算法计算控制量输出，同步用电动调节阀作为执行机构。本系统还具备报警、按键输入及显示等功能从而实现对精馏塔温度控制。核心词：单片机；精馏塔；温度控制DesignoftemperaturecontrolsystemfordistillationcolumnAbstractDistillationprocessinpetroleumrefining，petrochemicalandotherchemicalprocessusedmostwidelymasstransferprocess.Distillationprocessduetothecomplexityoftheinternalmechanism，theeffectontheresponseofcontrolslow，parametersarecloselyrelated.Therefore，thecontrolrequirementishigh，thedifficultyisbig.Thispapermainlystudiesthetemperaturecontrolofdistillationcolumn，influenceoftemperaturecontrolandtemperatureaccordingtothetechnicalrequirementsofdistillationcolumnforthequalityofproducts.Themainproductsonthedistillationprocesstocontrolthequalityoftemperature，however，inhighpuritydistillationcolumnseparation，closetothetoporbottomofashortthetowersection，thetemperaturechangecausedbythechangeoftheconcentrationofmaterialisrelativelysmallinthiscase，whentheartificialtemperatureisfoundtohaveobviouschanges，thequalityoftheproductshaslongbeenoutoforder.Therefore，theintroductionofautomatictemperaturecontrolsystemisverynecessaryandurgentinthedistillationcolumn，thereasonabletemperaturecontrolofdistillationtowerisanimportantindexwhethertheproductisqualified.Thispapermainlythroughthecharacteristicsofrectifyingsectiontemperaturecontrolsystemofconcreteanalysis，obtainedintherefluxflowasassistantcontrolobject，therectifyingsectionmainlythetemperaturecontrolobjectstringLevelcontrolsystem，andthenfurthertothedistillationtowertemperaturecontrolsystemofthedifficultyofanalysis.Thissystemusesthemonolithicintegratedcircuitcontroltemperatureofdistillationcolumn，withathermocoupleisusedasadetectingelement，thePIDcontrolalgorithmtocontroltheoutput，atthesametime，theelectriccontrolvalveastheactuator.Thesystemalsohasalarm，keyinputanddisplayfunctionsoastorealizethecontrolofdistillationtemperature.Keywords：singlechipmicrocomputer；distillationcolumn；temperaturecontrol目录TOC\o"1-3"\h\u22278第一章绪论 1212661.1论文选题背景及研究意义 161661.2国内外研究现状 4238091.2.1国内研究现状 4215221.2.2国外研究现状 5226161.3本文重要内容 67750第二章系统方案论证 8262792.1精馏塔温度控制系统构成 8183572.2精馏塔温度控制系统方案设计 1171452.3系统总体方案设计 1318912.3.1系统控制器选取 13251232.3.2系统检测元件选取 15148612.3.3系统输入通道方案选取 18314222.3.4系统输出通道方案选取 1973122.3.5系统外围接口设备选取 195076第三章系统硬件电路设计 23160123.1系统控制单元电路设计 23227333.1.1引脚特性 2358863.1.2系统时钟电路设计 25248313.1.3系统复位电路设计 26130413.2系统信号检测电路设计 26133573.3系统前向通道电路设计 27303253.4系统后向通道电路设计 2871903.6系统外围设备接口电路设计 32272543.6.1.系统显示屏接口电路设计 32295623.6.2.系统键盘接口电路设计 3397763.7报警电路设计 34261703.8系统串口通讯电路 3564753.9系统电源电路设计 3629563第四章系统软件设计 38255824.1系统总体设计思想 38189424.1.1系统工作过程 3851884.1.2系统程序设计办法选取 3861464.1.3系统程序设计语言选取 3974944.2系统主程序设计 40295504.3系统数据采集及解决子程序设计 41145434.4系统控制算法子程序设计 42141394.5系统按键显示子程序 46105764.6系统串口通讯子程序 484392总结 5023882致谢 5129712参照文献 52第一章绪论1.1论文选题背景及研究意义随着经济不断发展，人们生活水平得到迅速提高，对温度测量提出了更高规定，以满足人们生活需求，推动经济可持续发展。当代发展中，温度测量和控制越来越受到社会各界人士关注，因而，在进行温度实际测量和控制中，需要保证温度采样迅速和有效，以保证有关数据对的性，使数据可以迅速完毕传播，从而使所测温度场得到较精准控制。本文就单片机控制精馏塔温度进行概述，对温度控制实现办法、单片机类型和框架构造、单片机控制精馏塔温度原理进行分析和探讨，提出基于单片机控制精馏塔温度系统开发和应用，对于推动国内市场经济可持续发展具备重要现实意义。此外，精馏塔温度控制重要体当前石油化工方面，在此过程中也面临一系列问题，自20世纪70年代经历两次“石油危机”，能源成为全球关注问题。随着国内经济社会持续迅速发展，能源需求大幅增长。国内一次能源生产总量达到20.6亿吨标煤，是世界第二大能源生产国。但煤炭供应仍感紧张，电力短缺，原油进口增长，环保压力加重，能源已成为制约社会经济发展重要因素。特别是在国内“富煤、贫油、少气”特点下，石油供应更显紧张。，加工原油28622万吨，增长6.5%，国产原油18084万吨，增长3.9%，进口原油12988万吨，增长10.3%，此外还进口成品油4000万吨，对外依存度已达40%。预测至，国内石油需求量将达5亿吨，而国产原油最多只能达到2亿吨左右，需进口3亿吨，进口依存度将达到60%。国内石油消费重要用于石油加工业，生产交通运送用油料，供应化纤制造及化工原材料生产，没有石油支持，对整个经济社会是不可想象，石油过高对外依存度也许引起风险，更令人担忧[1.施国泉，一种现实石油代替能源—1.施国泉，一种现实石油代替能源—油页岩阴，吉林大学学报,7(6):888-889.国家正积极设法从国内外寻找更多石油资源，采用各种节能办法，大力组织开发各种新能源、可再生能源，以解决石油短缺“瓶颈”，并已获得了可喜成绩。但是也必要看到，由于技术、经济等种种因素，在相称长一段时间内，世界经济还重要靠常规能源来运转，因而实行石油代替和燃料多样化战略是必要。石油供应局限性将是影响国内长期能源安全重要问题，发展代替能源不是权宜之计，而是支撑国内将来能源可持续发展战略选取[2.徐锭明.积极推动国内代替能源发展[J]，能源政策研究，13(1):5-72.徐锭明.积极推动国内代替能源发展[J]，能源政策研究，13(1):5-7众所周知，精馏过程是化工生产过程中应用最广泛分离过程，其过程变量和被控变量较多，同其他化工过程同样，要使精馏过程达到分离混合物预期规定，就必要实行有效操作和控制。本文化工厂精馏工艺为背景，以精馏塔为研究对象，在进行充分现场调研和理论学习基本上，消化精馏塔生产工艺、基本控制规定和基本温度控制方式，并针对精馏塔工作过程特点，提出一种先进控制办法来提高精馏塔精馏段温度控制性能。对于精馏塔而言，是石油化工、医药等领域常用生产过程装备，是较为典型单元生产过程，精馏塔过程变量多，各变盆之间关系复杂，本文通过对精馏塔工艺、生产过程中重要扰动变量进行分析，引出提馏段温度控制方案、精馏段温度控制方案，为工程技术人员设计精馏塔过程控制系统提供参照。工业生产中经常规定将混合物中各组分进行分离，其办法是运用混合物中各组分挥发度不同，将它们进行分离，并达到规定纯度规定。精馏过程实质就是运用混合物各组分具备不同挥发度，使液相中轻组分转移到气相中，而气相中重组分转移到液相中，从而实现分离目。完毕这一过程工艺设备是精馏塔。由于计算机控制技术特别是集散控制系统(DCS)迅速发展，且在工业生产过程中应用日趋广泛，计算机控制技术在精馏塔控制也不断成熟和发展，。不少大、中型公司，特别是石油化工、医药化工、炼油等工业生产中精馏塔相继采用计算机控制，使得在精馏过程中，新控制方案层出不穷，如精馏过程内回流、热熔控制、解祸控制、推断控制、节能控制、最优控制等。控制系统品质越来越高，使精馏塔操作收到了明显经济效益。在精馏塔过程控制中，控制方案非常多，整个精馏塔被控变量较多，可选用操纵变量较多，各变量之间互有关系也诸多。对象控制通道复杂，反映缓慢，内在机理复杂，扰动因素诸多。尽管有许多不利于控制因素存在，对精馏塔控制与操作规定却较高，这就给精馏塔控制与操作带来一定难度。因而，生产过程中只有进一步分析工艺特性、对象特性，结合详细状况，才干制定出切实可行控制方案。精馏是将混合溶液输送到精馏装置中进行某些冷凝和汽化后得到精馏产品，该操作在进行中会使混合物气体和液体在塔体中进行逆向流动，在流动过程中逐渐分离出来产生液化和汽化两种反映。精馏操作过程中普通需要精馏塔、冷凝器、回流罐等设备，是化工行业中非常重要生产环节，采用持续运营方式进行产品分离并影响着化工产品质量及能源消耗。精馏塔由多级塔板构成，由于设备工作原理较为复杂，自动控制难度相对也比较大。不同精馏塔在制作工艺和塔体构造方面存在很大差别，在精馏操作时要依照精馏塔构造特点进行操作方案设计。进行持续精馏操作时要先将液体原料送入进料板，进料板将精馏塔分隔为了精馏段和提馏段两大某些，塔体上进料口以上某些为精馏段，它可以将蒸汽中易挥发成分提浓;进料口下面某些为提馏段，它从下面液体中提取挥发性物质。精馏段和提馏段通过将混合液体中不同成分产品分离后为化工生产提供高浓度产品。在精馏塔内，除了精馏段和提馏段以外，最重要某些就是塔板，塔板为气体和液体提供传热和传质场合，使得气体和液体可以进行双向传质，直到塔内混合液体分离成两个纯净组分。混合溶液内部不同成分具备不同沸点，因而进入精馏塔加热时，随着温度变化易挥发性成分会液化后升腾，而沸点相对较高成分则会随着液体向下流动，该液体在精馏塔内和液化后蒸汽不断接触，进入精馏塔釜部液体在塔板间重复接触后，残留某些易挥发性物质发生汽化后又回到精馏塔内，汽化后成分在塔板间互相接触浓度逐渐升高。气体和液体回流形成逆流接触，在精馏塔上下两某些得到高浓度、纯净产品。蒸汽在冷凝器中变化成液体，提炼出来液体通过回流泵和回流罐后作为塔顶产品被引出精馏塔。混合物分离纯度是精馏塔控制重要指标。在精馏塔正常操作中，普通应保证在塔底或塔顶产品中至少有一种组分纯度达到规定规定，其她组分也应保持在规定范畴内，为此，应当取塔底或塔顶产品纯度作为被控变量。但由于在线实时检测产品纯度有一定困难，因而，大多数状况下是用精馏塔内“温度和压力”来间接反映产品纯度。为了保证精馏塔平稳操作，一方面必要把进塔之前重要可控扰动尽量克服掉，同步尽量缓和某些不可控重要扰动，例如，对进塔物料温度进行控制、进料量均匀控制、加热剂和冷却剂压力控制等。再就是塔进出物料必要维持平衡，即塔顶馏出物与塔底采出物之和应等于进料量，并且两个采出量变化要缓慢，以保证塔平稳操作。此外，控制塔内压力稳定，也是塔平衡操作必要条件之一。对于精馏塔平稳操作而言，一方面必要把进塔之前重要可控扰动尽量克服掉，同步尽量缓和某些不可控重要扰动，例如，对进塔物料温度进行控制、进料量均匀控制、加热剂和冷却剂压力控制等。再就是塔进出物料必要维持平衡，即塔顶馏出物与塔底采出物之和应等于进料量，并且两个采出量变化要缓慢，以保证塔平稳操作。此外，控制塔内压力稳定，也是塔平衡操作必要条件之一。为了保证塔正常、平稳操作，必要规定某些变量约束条件。例如，对塔内气体流速限制，塔内气体流速过高易产生液泛流速过低会减少塔板效率;再沸器加热温差不能超过临界值限制等。由于精馏塔变量较为复杂，对精馏段温度变化影响较大，因而简介了温度串联控制系统。该系统可以解决精馏塔变量对温度影响问题，通过调节变量维持温度稳定，对当代精馏操作技术发展具备一定白勺增进作用。采用精馏操作技术提炼产品浓度较高，能源消耗率也比较低，但是在精馏操作过程中温度对操作环节和产品质量有很大影响，在对精馏塔进行控制时要注意控制精馏段温度并进行检测，以保证精馏产品质量。由于精馏段温度受压力波动、热质变化和回来扰动等诸多因素影响，具备很大不稳定性。温度单回路控制系统对抗干扰能力较弱，虽然可以解决化工产业中参数定值控制问题，但对于滞后性较强、干扰较大系统却很难控制，一旦变量发生变化就很难有效对温度进行控制，从而会影响精馏产品质量。因而在精馏段温度控制中浮现了串联控制系统。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状虽然关于先进控制系统研究己经有诸近年，但既有精馏塔控制依然以常规控制系统为主。在国内，先进控制系统应用刚刚处在起步阶段，并依赖于进口产品。从资金和技术条件两个方面讲，大量应用条件均未成熟。不但如此，虽然常规控制系统设计中也还存在诸多问题，体当前两个方面。第一，既有常规控制系统分析和设计理论还不完善。虽然是得到普遍承认稳态相对增益矩阵办法(RGA)，也存在反例。最常用单端和双端组份控制变量配备问题也始终没有得到系统结论。第二，设计单位缺少有效动态仿真工具，对于实际生产中问题只能通过经验或者在实验塔上做实验解决。1993年，黄仲文提出将自适应控制算法应用到精馏塔控制中。面对客观上存在各种不拟定因素，自适应控制系统能在控制系统运动过程中，通过不断地测量被控系统参数或运营指标，依照参数或运营指标变化，遵循一定评价指标或规则更新控制器构造、参数或变化控制作用，使系统运营在某种意义下最优或次最优状态[3.GoodwinG.C，孙贵生.自适应滤波、预测与控制[M]3.GoodwinG.C，孙贵生.自适应滤波、预测与控制[M]，北京:科学出版社，1992，454.（1)增益调度自适应控制它重要思想是通过检测过程运营状况来变更控制器参数，而变化控制器参数原则是参照按预编程方式拟定函数关系进行调节。它长处是，能对操作条件变化及时做出响应，调节控制器增益。它缺陷重要有两个:其一，它属于一种开环补偿，因而对不对的调节没有反馈补偿功能;其二，它设计是非常花时间，需要对机理有深刻理解或对系统做足够多测试。增益调度自适应控制普通在包括反映精馏过程中应用较广，它动态效果直接受到反映影响从而体现出很强非线性和定向增益性。(2)模型参照自适应控制(MRAS)对MRAS盼望性能用一种参照模型来表达，这个模型给出了对指令信号或设定信号抱负相应口参照模型也是控制系统一某些。控制过程可以被以为由两个回路构成，内回路是由控制器和过程对象构成普通控制回路，控制器参数由外回路调节，来使实际输出与控制器输出偏差值最小。(3)自校正控制器(STR)STR设计思想是将未知参数预计和控制器设计分开进行。控制系统可以分为两个回路。内回路涉及常规控制器和过程对象，控制器参数由外回路调节。外回路由一种回归参数预测器和一种设计运算器构成。1.2.2国外研究现状在国外对于精馏塔控制研究中，各类先进控制方略在精馏塔控制中几乎均有应用，如推断控制、预测控制、智能控制、非线性模型控制等。相对发展较为成熟要属预测控制和智能控制在精馏塔控制系统中应用。1、预测控制模型预测控制作为一种新型计算机控制算法，有着其鲜明特性，它是一种基于模型预测，滚动优化并结合反馈校正优化控制算法。从工业应用角度看，模型预测控制算法在解决复杂多变量控制问题时具备较大优势，它可以成功地应用于具有时滞、约束多变量过程。其特有隐式解祸能力可有效地克服老式分散控制、解祸控制所带来繁琐和存在缺陷[4.Macias，J.J.AMethodforPredictingQualityoftheCrudeOilDistillation[J]，IEEEEvolvingFuzzySystems，，9(5)：214-220.]4.Macias，J.J.AMethodforPredictingQualityoftheCrudeOilDistillation[J]，IEEEEvolvingFuzzySystems，，9(5)：214-220.1998年，Karacan等人对精馏塔GPC控制方案做了理论和实验研究，最后实验得到成果和理论分析非常吻合，都能较好地达到控制效果，并于对此做了更进一步研究和对比，更加验证了精馏塔GPC控制方案是的确可行。Maurath等人在1985年运用基于MPC原理多变量模型预测控制，对低纯度双组分精馏塔控制做出了分析，得到了较好控制效果同步，发现控制效果直接受到模型误差影响。差不多同步，McDonald和McAvoy将MPC应用到中档和高等纯度精馏塔，她们发现此时很难找到一种相应模型来表征实际对象，也就很难得到较好控制效果。大多过程控制应用不但规定保持被控变量在它设定点上，并且还必要保证过程在操作限制以内。自从MPC提出后，在接下来几年现场应用中，人们发现需要在MPC控制系统基本上加以更加严格约束控制。于是1985年，Carlos等几位Shell公司工程师提出了QMPC算法，用线性不等式组方式求解QP问题，从而使控制方案更加严谨。2、智能控制智能控制是控制理论发展高档阶段，它是人工智能、运筹学和自动控制三者交叉。有代表性智能控制涉及神经网络控制和模糊逻辑控制等[5.孙增沂.智能控制理论与技术[明，北京:清华大学出版社，1997103-109.]5.孙增沂.智能控制理论与技术[明，北京:清华大学出版社，1997103-109.(1)模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑，模仿人类控制经验和知识一种智能控制。模糊控制器重要由模糊化、知识库、模糊推理和解模糊化四某些构成。模糊化某些作用是将输入精准量转换成模糊量。知识库涉及了详细应用领域中知识和规定控制目的。它普通由数据库和模糊控制规则库两某些构成。数据库重要涉及各语言变量从属度函数、尺度变换因子以及模糊空间分级数等。规则库是由用模糊语言变量表达一系列控制规则构成。它反映了控制专家经验和知识。模糊推理是模糊控制器核心，它模仿人基于模糊概念推理行为。解模糊化作用是将模糊推理得到模糊控制量变换为实际用于控制精准量[6.JanosAbonyi，FerencSzeifert.Fuzzymodelingwithmultivariatemembershipfunctions:gray-boxidentificationandcontroldesign闭，IEEETransactionsonSystems，Man，andCybernetics，PartB，，31(5)：755-767.]6.JanosAbonyi，FerencSzeifert.Fuzzymodelingwithmultivariatemembershipfunctions:gray-boxidentificationandcontroldesign闭，IEEETransactionsonSystems，Man，andCybernetics，PartB，，31(5)：755-767.（2)神经网络神经网络是由大量人工神经元广泛互联而成网络，人工神经元则是非线性映射函数。常用神经网络有感知网络、BP网络、Hopfield网络、Boltzmann机、CMAC神经网络、B样条神经网络、径向基函数神经网络和模糊神经网络等。神经网络控制是一种数据驱动控制办法，合用于那些具备不拟定性、非线性且无模型可资运用控制对象，它具备较强自适应和学习能力[7.JoseRN，HWang.ADirectNeuralNetworkControlforUnknownNonlinearSystemsandItsApplication[J]，IEEETransonNeuralNetworks，1998，9(1)：27-33.]7.JoseRN，HWang.ADirectNeuralNetworkControlforUnknownNonlinearSystemsandItsApplication[J]，IEEETransonNeuralNetworks，1998，9(1)：27-33.综上所述，随着控制理论不断完善，科技日新月异，先进控制技术必将会得到更深层次发展，为公司带来更明显经济效益。整个先进控制在飞速地发展，也带动了精馏过程控制进步。无论是控制精度、系统稳定性、系统鲁棒性、系统精度规定等均有很大提高。虽然诸多较新方案并未能在实际工程中大量应用，但是它们拥有着非常辽阔应用前景[8.BaroloM，PaoloDalCengio.Closed-loopoptimaloperationofbatchdistillationcolumns[J]，Computers&ChemicalEngineering，，25(9)：561-569.]8.BaroloM，PaoloDalCengio.Closed-loopoptimaloperationofbatchdistillationcolumns[J]，Computers&ChemicalEngineering，，25(9)：561-569.1.3本文重要内容本次设计就单片机控制精馏塔温度进行概述，并且探讨单片机温度控制原理及实现办法，进而分析单片机环境应用及规定和它发展方向，这些研究对于提高单片机功能扩展均有利好作用。随着单片机所应用领域越来越广泛，它对温度检测与控制越来越引起人们广泛关注，因而，本研究重要探讨单片机温度控制实现办法。与此同步探讨精馏塔温度控制系统设计办法。其中，重要探讨单片机与高精度温度传感器结合方式合理性与有效性。[9.吴兴纯，赵金燕，杨秀莲，等.智能PID算法在炉温度控制系统中运用[J].机电工程,,28(8);948-950.]9.吴兴纯，赵金燕，杨秀莲，等.智能PID算法在炉温度控制系统中运用[J].机电工程,,28(8);948-950.重要技术参数：设计一种单片机控制精馏塔温度控制系统。依照精馏塔工艺规定，进行精馏塔精馏段温度自动控制系统设计。重要技术参数如下：（1）塔顶温度范畴：100℃—150℃；精度：±1℃。（2）超调不超过1.5℃。（3）浮现异常现象，系统具备自动报警功能。（4）具备设定参数、修改参数功能。本文内容：（1）第一章绪论某些重要简介精馏塔发展历史和课题研究意义。（2）第二章系统方案论证重要简介本文控制方案论证以及硬件选取方案论证，系统整体工作流程等。（3）第三章系统硬件设计重要阐述系统所选取硬件工作原理和各个某些工作电路图等。（4）第四章系统软件设计重要阐述了系统整体工作方式和各某些工作流程图等。（5）最后是全文总结某些工作程序等。第二章系统方案论证2.1精馏塔温度控制系统构成精馏过程是将一定浓度混合物送入精馏塔中，使其在塔内重复地进行某些汽化和某些冷凝，从而得到预期塔顶与塔底产品操作过程。完毕这一操作过程设备除了精馏塔以外，尚有需要有再沸器、冷凝器、回流罐等辅助设备，当代化工领域精馏段温度控制多采用了串级控制系统，该系统针对复杂控制系统具备诸多优势。精馏段串联温度控制体系在被控变量选取方面具备明显优势.它可以依照精馏塔设计特点当前适当被控变量。例如:当精馏塔温度恒定期，串联系统会选取温度作为被控变量;针对多元精馏塔，在一定塔压下可以将温度作为产品质量指标之一。综上所述，本系统工艺流程图如图2-1所示。图2-1精馏塔工艺流程图如上图2-1所示原料经干馏后生成蒸气从精馏塔中下段某块塔板上进入，这块塔板称为进料板。进料板将全塔分为两段，进料板以上某些称为精馏段，进料板如下某些称为提馏段。进入塔内蒸气，由于各组分沸点不同，沸点低组分(轻组分)较易汽化而往上升腾;沸点高组分(重组分)则更多随液体往下流，与塔内上升蒸气在各层塔板上充分地接触，在逆流作用下进行传质和传热。下流液体到达塔釜后，一某些被持续地引出称为塔底产品，即为重油，另一某些则被加热汽化后又返回塔中。塔内上升蒸气依次通过所有塔板，使蒸气中易挥发组份逐渐增浓，上升到塔顶蒸气在冷凝器中被冷凝成液体，经回流罐和回流泵后，一某些成为塔顶产品持续引出，即为轻油，另一某些则引回到顶部塔板上，作为塔内冷却液，称为回流[10.汪涛，郑琪美，徐灿.蒸馏过程先进控制与在线优化明，石油炼制与化工，199627（8):40-46.]10.汪涛，郑琪美，徐灿.蒸馏过程先进控制与在线优化明，石油炼制与化工，199627（8):40-46.精馏塔进料入口如下至塔底某些称为提馏段，进料口以上至塔顶称为精馏段。塔内有若干层塔板，每块塔板上有恰当高度液层，回流液经溢流管由上一级塔板流到下一级塔板，蒸汽则由底部上升，通过塔板上小孔由下一塔板进入上一塔板，与塔板上液体接触。在每一块塔板上同步发生上升蒸汽某些冷凝和回流液体某些汽化转热过程，更重要是还同步发生易挥发组分不断汽化，从液相转入汽相，难挥发组分不断冷凝，由汽相转入液相传质过程。整个塔内，易挥发组分浓度由下而上逐渐增长，而难挥发组分浓度则由上而下逐渐增长。恰当控制好塔内温度和压力，则可在塔顶或塔底获取人们所盼望物质成分。精馏塔重要由塔底和塔顶两某些构成，其中塔底为加热区，采用导热油加热方式;塔顶为冷却区，采用循环水冷却方式。精馏操作时精馏塔控制对产品质量以及能源消耗等问题具备直接影响，如何应对精馏段自动化控制问题始终以来都备受化工产业人员注重。在选取和设计精馏段控制方案时应当依照精馏塔设备详细构造和原理进行研究。控制精馏塔不但可以保证产品质量，还能控制能源消耗，提高化工产业回收率。温度控制是精馏塔控制重要方面，也是提高精馏操作能力重要环节。精馏段温度控制目是控制产品质量，在精馏塔压力恒定状况下，串联温度控制系统可以依照温度检测点不同选取操作变量，可选取塔顶产品采出量或者回流量作为操纵变量，一旦精馏塔温度发生变化，可以调节精馏塔回流量减轻干扰。始终以来，精馏塔温度控制问题都是颇受关注化工生产问题，随着精馏段温度串联控制系统浮现，其在当代化工领域应用也逐渐广泛，它能对某些影响精馏段温度变量进行控制，通过改进控制系统调节能力从而减轻干扰，以以便进行温度控制。串联系统具备更高能效性，可以满足当代化工产业中精馏塔使用需求，以提高精馏塔产品质量并减少能源消耗。要对精馏塔实行有效自动调节，必要一方面理解精馏塔控制目的，即控制规定。普通，精馏塔控制目的，应当从质量指标、产品产量和能量消耗这三个方面来进行考虑。(1)质量指标既然精馏操作是为了将混合物分离为产品，产品质量指标就必要符合预定规定。这就是说，塔顶或塔底产品之一应当保证合乎一定规格，而另一产品也应当维持在规定范畴之内。或者，塔顶和塔底产品均应保证一定纯度规定。[11.黄永杰.精馏塔自动控制系统设计与应用闭，化工技术与开发，，41(1)：52-54.11.黄永杰.精馏塔自动控制系统设计与应用闭，化工技术与开发，，41(1)：52-54.对于本文所研究精馏塔属于二元精馏塔，质量指标规定就是要使顶部产品中轻组分含量和底部产品中重组分含量符合一定规格。在精馏塔操作中，使产品质量合格显然是重要。如果产品质量不合格，它价值就远远低于合格产品价值。但决不是说质量越高越好。由于经常是这样状况，质量超过规格，产品价格并不因而而增长，产量却反而下降了，总价值也因而而下降了，同步操作成本也耗费得多。由此可见，除了要考虑使产品符合规格外，还应考虑使产品不要太超过规格。也就是应同步考虑产品产量和能量消耗。(2)能量消耗规定精馏过程中消耗能量，重要是再沸器加热量和冷凝器冷却量消耗，此外塔和附属设备及管线也要散失一某些能量。在一定纯度规定下，提高产品回收率，必然要增长塔内上升蒸气量V而塔内上升蒸气量增长越多，意味着再沸器能量消耗要增长，然而，任何事物总是有一定限度，单位进料量能耗(可用塔内上升蒸气量V与进料量F之比V/F来表达)增长到一定数值后来，再继续增长V/F，产品回收率就增长不多了。然而，单位产品能耗量最低并不等于单位产品成本最低。这是由于决定成本不但是能耗，尚有原料成本。在最低能量消耗时，由于回收率下降，使得单位产品所消耗原料增长了，有相称数量产品组分转移到另一种产品中去了。显然，单位产品成本最低时能量消耗，应当比单位产品能耗最低时能量消耗高某些。这时，尽管能量消耗不是最低，但由于回收率增长了，单位产品原料成本下降了，从而有也许使总单位产品成本最低。由此可见，在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制目的。其中质量指标是必要条件，在质量指标一定前提下，应在控制过程中使产品产量尽量高某些，同步能量消耗尽量低某些。（3）产品质量指标控制产品质量指标达到一定分离规定，虽然是精馏操作重要目的，但并不是唯一目的。另一种重要目的是产品产量，也就是产品回收率。在达到一定质量指标规定前提下，得到尽量高产量，使产品回收率提高，显然是有利。产品回收率定义为: （2.1）式中:P是产品量，F是进料量，是进料中组分浓度。式(2.1)并不包括产品质量规格，因而仅从式中并不能看出产品回收率与产品纯度之间直接关系。产品纯度与产品回收率之间关系还必要考虑能量因素才干最后拟定。由精馏原理可知，用精馏塔进行混合物分离是要消耗一定能量。要使分离所得产品纯度越高和产量越多，所需能量就越大。在能耗一定状况下，产品纯度增长，必然会使产品回收率下降，从而使该产品经济收益下降，虽然另一产品产量可以增长，但在另一产品价格低于该产品状况下，总经济收益也会下降。这也就阐明，在精馏操作中，重要产品质量指标最佳恰是达到质量规格规定。低于规定纯度将使产品不合格，而超过纯度规定也会减少产量。固然，刚好达到纯度规定是不现实，但也不能使纯度超过太多。2.2精馏塔温度控制系统方案设计在拟定精馏塔控制方案之前，一方面要讨论一下精馏塔被控变量选取，以及检测点位置等问题。普通，精馏塔质量指标选用有两类:直接产品成分信号和间接温度信号[12.Fileti,AnaMFrattini，SandraLCruz，JoaoAFRPereira.Controlstrategiesanalysisforabatchdistillationcolumnwithexperimentaltesting[J]，ChemicalEngineeringandProcessing，，39(2)：121一128.]12.Fileti,AnaMFrattini，SandraLCruz，JoaoAFRPereira.Controlstrategiesanalysisforabatchdistillationcolumnwithexperimentaltesting[J]，ChemicalEngineeringandProcessing，，39(2)：121一128.在有产品质量指标反馈调节方案中，发展最早和最常用是用产品或塔板温度作为间接质量指标。温度之因此可选作间接质量指标，是由于就一种二元混合物来说，在一定压力下，沸点和成分之间有着单值函数关系。因而，如果恒定了压力，塔板温度就间接反映了成分[13.孔祥波.精馏塔自动控制及应用阴，吉林广播电视大学学报，,8(7):73]13.孔祥波.精馏塔自动控制及应用阴，吉林广播电视大学学报，,8(7):73采用温度作为间接质量指标前提是塔压恒定。因而，下述控制方案都以为塔压己经采用了定值控制系统。1、系统精馏段温度控制以进料口为基准，进料口以上称精馏段，进料口如下称提馏段。精馏段温度控制以精馏段产品质量为控制目的，依照温度检测点位置不同，有塔顶温度控制、敏捷板温度控制和中温控制等类型。操纵变量可选取回流量L或塔顶采出量D。也可将塔釜采出量B作为操纵变量。采用塔顶温度作为被控变量，可以直接反映产品质量，但因邻近塔顶处塔板之间温度差很小，该控制方案对温度检测装置提出较高规定，例如高精准度、高敏捷度等。此外，产品中杂质影响产品沸点，导致对温度扰动，因而，采用塔顶温度控制塔顶产品质量控制方案很少被采用，重要是用于石油产品按沸点粗级切割馏分解决场合。采用精馏段温度控制场合是:(1)对塔顶产品成分规定比对塔底产品成分规定严格。(2)所有为气相进料。(3)塔底或提馏段温度不能较好反映组分变化，即组分变化时，提馏段塔板温度变化不明显，或进料具有比塔底产品更重影响温度和成分关系重杂质。2、系统提馏段温度控制提馏段温度控制以提馏段产品质量为控制目的，依照温度检测点位置可分为塔底温度、敏捷板温度和中温控制等。操纵变量可选取再沸器加热蒸气量V或塔底采出量B。也可将塔顶采出量D作为操纵变量。控制方略与精馏段温度控制类似。采用提馏段温度控制场合是:（1)对塔底产品成分规定比对塔顶产品成分规定严格。（2)所有为液相进料。（3)塔顶或精馏段温度不能较好反映组分变化，即组分变化时，精馏段塔板温度变化不明显，或进料具有比塔顶产品更轻影响温度和成分关系轻杂质。（4)采用回流控制时，回流量较大，它微小变化对产品成分影响不明显，而较大变化又会影响精馏塔平稳操作场合。综上所述，依照约束条件和生产实际需求，本文采用精馏段温度控制方案，运用精馏段敏捷板温度作为被控变量，通过调节回流流量来达到控制精馏段温度目，下面咱们详细讨论精馏段温度控制实现方式。通过系统工艺流程图可以设立出精馏段温度串级控制系统构造图如下图2-2所示，它由两个闭合回路构成，副环是一种流量回路，也可称为流量环，主环是精馏段温度回路。流量环中对象事实上是一种关于阀门和液体管路传递函数模型，可以当作是典型惯性环节，外环中温度对象则是一种一阶惯性纯滞后传递函数对象。此外，图中执行机构使用是电动调节阀调节装置。图2-2系统构造框图虽然串级系统只比单回路系统多了一种回路，但是实践证明对于相似干扰，串级系统控制质量要远远优于简朴控制系统，下面咱们将简介精馏段温度串级系统某些重要特点[14.方康玲.过程控制系统[Ml，武汉:武汉理工大学出版社，37-41.]14.方康玲.过程控制系统[Ml，武汉:武汉理工大学出版社，37-41.(1)串级系统由于副回路存在，其工作频率会高于单回路系统，这样过渡过程振荡周期减小，在衰减系数相似条件下，调节时间就缩短了，系统迅速性得到提高，系统控制品质就得到了改进。当副控制器放大系数整定得越大，改进效果就越明显。（2）在温度串级控制系统中，如果浮现了二次干扰状况，其抗干扰能力要强于同等条件下单回路控制系统。对于一次干扰，串级系统抗干扰能力相比单回路系统也有一定提高，其因素在于副回路减小了对象时间常数，从而使主回路控制通道缩短，因此串级系统克服一次干扰就会比单回路系统更及时，其抗干扰能力自然就会有所提高。（3）串级控制系统对负荷变化有一定自适应能力。简朴控制系统控制参数都是在一定负荷下，按照一定控制规定整定，如果负荷变化超过一定范畴，其控制器参数就不再合用了，但是在实际生产过程中，负荷变化会较为明显，显然单回路系统就不太合用了。有效办法就是采用串级系统，将具备较大非线性那某些对象涉及在副回路中，这样主控制器就可以按照负荷变化，调节副控制器设定值，就可以保证在负荷发生变化时，控制系统控制质量依然较好。2.3系统总体方案设计2.3.1系统控制器选取依照控制系统需要可以做系统控制器有：单片机、PLC、工控机。可以依照本系统设计需求对以上控制器进行方案论证，选取适合本系统控制器。方案一：运用PLC作为控制器PLC是一种十分常用电子数据控制程序，是工业自动化系统中必备基本基于PLC技术电气控制系统，重要存在两个方面问题，分别为:控制出设备，它在工业控制系统和人们寻常生活中发挥着重要作用。PLC凭借着自身优势，在各种领域得到了广泛应用，特别是在电气控制技术中应用品有重要意义。PLC技术在电气控制技术中应用，有效地提高了电气控制技术质量。PLC技术是一种复合型技术，它攘括了计算机技术、网络通信技术和自动控制技术。PLC技术工作过程是在计算机硬件上进行，其工作过程重要涉及如下几种环节:第一、即时收集信息并进行输人。通过控制系统控制，预编好指令由软件程序输人到既定区域内，并进行扫描，同步对输人区域运营状态进行判断。第二、依照特定功能执行程序。将顾客控制系统中设定指令作为出发点，进行全面扫面，并对指令和现场运营状态进行即时运算和分析。第三、信号记录和输出。将指令和现场运营状态运算分析成果输人到中心控制器，当主机输出点发出有效响应时，设备功能开始发挥作用。在实际操作中，工作流程普通需要持续不间断地重复运营以上流程，以达到周期工作和循环工作目。方案二：运用工控机作为控制器随着信息技术产业不断发展，工业控制领域使用大批量工控机已是很普遍。这些工控机借助网络互相通讯。随着计算机数量不断增长，系统维护任务也随之加重。一方面，多台机器软件安装会耗费很长时间，另一方面，由于计算机病毒不断蔓延和也许浮现人为恶意破坏，系统崩溃频率越来越高。系统崩溃最佳解决办法就是重新安装系统，而安装系统则是冗长枯燥工作，且不说一种Windows需要很长时间才干装完，并且安装好系统之后还要添加顾客软件及各种硬件驱动程序。工控机特点：（1）系统综合运用了计算机网络技术、智能控制技术、自动化技术，实现了生产工序智能自动管理。详细体当前:一方面，生产过程全自动化，操作人员在主控机上设立生产参数、下达生产指令后，主控机自动分析生产参数，生成相应分级控制指令，下达给各子系统。在主控机管理与调度下，整个生产线无人干预地全自动运营。另一方面，故障解决自动化。自动检测设备故障;多数故障可在线自动启用备用设备，以避免停工;少数需人工干预故障，自动报警(语音、屏幕提示)、手机短信告知。（2）整套系统分为主机控模块、切割模块、编运模块、码坯模块等。各模块间保持高度独立性，通过原则接口互相通信，便于对各模块进行单独管理、升级与维护，也简化了设备安装调试工序。（3）系统构造中，现场级与工厂管理级构成局域网，实现系统集中控制、监视及调度。并且制造商通过VPN与客户设备联网，技术人员可远程调取客户设备上设备运营日记、配备参数等技术文献，对客户设备进行远程维护。方案三：运用单片机作为控制器依照当前国内单片机使用状况来看，单片机普通是单片微型计算机简称，它将RAM，CPU，ROM，I/0接口和中断系统等各种部件集中到一起，构成一种一体器件，体积非常小，便于携带，并且，功能非常强大，通过外加电源和品，振共同作用，可以非常轻松、快捷对数字信息进行有效解决和控制，及时完毕有关操作。因而，当代化建设中，单片机在当代工业温度测量和控制中得到广泛应用，大大提高公司经济效益。在高科技信息技术领域中，单片微型计算机是由超大规模集成电路技术发展而来，具备体积娇小、功能强大和性价比较高等长处，在实际生产过程中应用，重要是用于改进劳动和生产条件，提高能源有效运用率，防止生产过程中设备仪器发生意外事故，达到节能目以获得更好经济效益。随着近些年来国内经济水平飞速发展和人民生活水平不断提高，再加上各项新技术、新工艺水平持续进步，单片机技术在电气传动系统应用已经得到了越来越多推广，甚至从某种意义上来说，其已成为电气传动系统核心所在和主流发展趋势。而所谓单片机技术在电气传动系统应用，普通指就是通过单片机技术嵌入特点，从而使得电气传动系统诸多性能都从一定限度上得到质提高，并以此来进一步推动电气传动系统高可靠性、高应用性和高集成性等方面发展。特别是这些年来，由于电气传动系统顾客规定和需求水平越来越高，单片机技术在电气传动系统应用在国内展开了跨越式健康有序发展。同步，这种综合了可靠与集成乃至系统构造优化配备于一体电气传动系统模式，不但给顾客带来了舒服安全与节能高效实用效果，并且还可以从最大限度上满足广大顾客各种不同规定及其个性化需求。由此可见，单片机技术在电气传动系统中应用与推广，同步也对电气传动系统诊断与监控提出了更高规定，从而使得微型计算机作用更加凸显，已经成为了电气传动系统当中对数据信息进行有效监控与科学解决一项无可取代办法。综上所述，依照本系统设计规定选取方案三来实现精馏塔温度控制。2.3.2系统检测元件选取依照系统设计规定及控制构造图，需要检测精馏塔温度，可以进行温度检测原件有：热电阻、热电偶、AD590等。对以上检测原件进行方案论证如下：方案一：运用热电阻作为检测元件热电阻传感器简称热电阻。惯用热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具备高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好线性输出特性等川，惯用热电阻如CU50,Pt100等。当Pt100在0℃时阻值为100，随着温度上升，Pt100阻值是成线性增长。在发动机控制中，换算转速精确依赖于T1进气温度精确测量，燃气温度精确测量对控制发动机状态有直接影响，甚至导致误保护，导致发动机停车等严重错误。热电阻传感器具备测温范畴大、精确度高、性能稳定、重复性好等特点，是一种比较抱负温度检测元件，在航空发动机上被广泛应用，重要用在对大气温度、燃滑油温度采集中。热电阻接线与热电偶不同，热电阻接线不分正负极，它接线方式重要有3种:两线制、三线制、四线制。在热电阻两端各连接一根导线来引出电阻信号方式叫二线制，这种引线办法很简朴，但由于连接导线必然存在引线电阻r,r大小与导线材质和长度因素关于，因而这种引线方式只合用于测量精度较低状况。三线制是在热电阻一端引一根导线，此外一端引出两根导线。四线制就是电阻两端都各引出两根导线。三线制和四线制都能较好消除引线电阻影响，当前应用最多是三线制。热电阻也要与配套显示仪表一起使用，显示仪表型号要与热电阻型号相应否则也会浮现实际温度和显示温度误差大现象。方案二：运用AD590作为检测元件AD590集成电路温度传感器是由美国Analog-Devices公司运用PN结正向电流与温度关系研制开发电流输出型两端温度传感器，图2.3.1AD590传感器内部电路图。它兼有集成恒流源和集成温度传感器特点，具备线性优良、性能稳定、敏捷度高、无需补偿、动态阻抗高、抗干扰能力强和可远距离测温等长处[15.王永刚，曹学成，高峰，等.大学物理实验[M].北京:中华人民共和国农业出版社；199-205附录一某些程序清单15.王永刚，曹学成，高峰，等.大学物理实验[M].北京:中华人民共和国农业出版社；199-205附录一某些程序清单1、中值滤波子程序为：//函数名：MiddleFilter//入口参数：N-采样值个数，*X-采样值数组首地址//描述：按冒泡法排序采样值；最小值放在最前面，最大值放到最背面//采样值放在以X为首地址数据中doubleMiddleFilter(double*X,intN){inti,j;doublet; //定义暂时中间变量for(i=0;i<=N-1;i++) //N-1此循环for(j=0;j<N-1-I;j++)if(*(X+j)>*(X+j+1)) //如果前一种数不不大于后一种数，则互相互换数值{t=*(X+j);*(X+j)=*(X+j+1);*(X+j+1)=t;}return*(X+(N-1)/2); //返回中间值}LED数码管显示子程序//将数据（BCD码）转换成LED显示码，送给显示，串行输出，经74HC595送给数码管显示。#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintSbitled595_data1=p3^6;Sbitled595_clka1=p3^4;Sbitled595_clkb1=p3^5;Sbitled595_oe1=p0^0;SbitACC7=ACC^7;Voidled_zhcx()；//BCD码转换成LED显示码//LED显示码0123456789UcharcodeTable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf};Voidmain(){Uchara；//显示数据Uchari；A=1；//显示数据ACC=table1[a];Led595_clka1=0;For(i=8;i>0;i--){Led595_data1=ACC7；Led595_clka1=1；//产生上升沿串行输入数据（移动脉冲）（第一级）Led595_clka1=0;ACC=ACC<<1；//左移一位}Led595_clkb1=0;Led595_clkb1=1；//产生上升沿串行输出数据（移动脉冲）（第二级触发输出数据）Led595_oel=0；//输出数据（第三级）While（1）；}附录二系统原理图AD590集成电路温度传感器重要参数如下:工作温度:-55℃~150℃;工作电压:4V~30V;输出电阻:710M;输出电流与温度关系:，其中(1uA/℃)，T和t分别表达开尔文温度和摄氏温度，(零摄氏度电流值);电流与温度成线性关系，每增长1K(1℃)电流增长1uA。AD590有许多重要特性，如流过器件电流(mA)等于器件所处环境热力学温度(K)度数，因而转换以便;测温范畴为-55℃~+150℃，因而非常适应普通测温规定;输出电阻达到700M,可以不用考虑接口电路阻抗影响;电源电压范畴为4V~30V，因而对电源规定比较低，器件反接也不会损坏;测量精度高，非线性误差为0.3℃AD590工作原理核心是输出电流跟随温度同步同量变化，以绝对零度（-273℃）为基准，每增长1℃，输出电流就会增长1uA。因而在室温25℃(273+25=298K)时，其输出电流=298uA为了测量以便，普通测量AD590负载电阻输出电压，若负载电阻l0k，测量V0时，没有分出任何电流，则V0为2.98V。注意负载电阻R不能获得太大，以保证AD590两端电压不低于4V,AD590输出电流信号传播距离可达到1km以上。AD590有各种型号，普通后来缀I，J，K，L,M等来区别，其中AD590L和AD590M普通用于精密温度测量电路。方案三：运用热电偶作为检测元件热电偶是温度侧量仪表中惯用测温元件.是由两种不同成分导体两端接合而成(普通是焊接成)回路，当两接合点温度不同步，就会产生热电动势，从而在回路内产生电流。当热电偶与参比端显示仪表连接成回路时，显示仪表将会批示出热电偶产生热电势所相应温度值。热电偶热电动势将随着测量端温度升高而增长，它大小只与热电偶材料和两端温度关于，与热电偶长度、直径无关。各种热电偶外形常因需要而不相似，但是它们基本构造却大体相似，普通由热电极、绝缘套保护管和接线盒等重要某些构成.某些型号还带有补偿导线。惯用热电偶分为S型,K型.E型,J型。热电偶普通和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。热电偶在工业生产中普通应用干中高温领域，E型热电偶可以使用到800℃,K型热电偶可以使用到1300℃。S型热电偶可以使用到1600℃。热电阻普通使用在中低温，很少有超过400℃。惯用热电偶种类有装配热电偶、恺装热电偶、端面热电偶、压簧固定热电偶。惯用热电阻有精通型热电阻、恺装热电阻、端面热电阻、隔爆热电阻。这两种工具都可以广泛应用于公司生产中温度测量，依照实际使用规定来选取不同型号电阻。热电偶普通由接头处引出两根导线连接显示仪表，因其构造简朴往往被以为是“热电偶两根线接上即可”。其实并非如此，热电偶虽然简朴，但安装起来却不简朴。热电偶感受温度某些是偶身末端，其末端一定要放置在所测量温场中心位置，因此选购热电偶时一定要依照所测量温场大小选取适当长度热电偶，以免导致温度测量误差。热电偶安装连接时候一定要注意，其导线是分正负极，如果接反会导致显示成果错误溢出，但往往接反了线在设备不运营升温状况下不容易看出，由于接反和接正线路在室温状况下都会显示是正常温度，要想检查与否连接对的，最佳是在安装连接好热电偶后来，稍微给设备加温运营一下，依照仪表显示与否正常做出判断(若接反数字会慢慢减少浮现负值溢出)。除了注意导线外，若测量时，冷端(环境)温度变化，将严重影响测量精确性。由于冷端温度变化导致影响，在冷端采用一定办法补偿，这称为热电偶冷端补偿。热电偶冷端补偿计算办法:从毫伏到温度。测量冷端温度，换算为相应毫伏值，与热电偶毫伏值相加，换算出温度。从温度到毫伏。测量出实际温度与冷端温度，分别换算为毫伏值，相减后得出毫伏值，即得温度选用补偿导线应符合相应热电偶型号。热电偶所接显示仪表与热电偶型号是一一相应，如果接错了会导致显示温度与实际温度相差很远.给生产导致不必要损失。热电偶和热电阻都是直接接触被测量介质测温元件，当代工业里诸多介质都是高温、高酸、高碱性，热电偶和热电阻难免会受到介质腐蚀，这就规定使用者必要经常观测热电偶或热电阻使用状况，发现其外形发生大变化或测量数值浮现大波动时，要及时拆除更换。为了增长热电偶和热电阻使用寿命，减少公司成本，必要针对使用环境规定选取适当型号。使其使用温度与被测量温度范畴尽量吻合。例如，s型热电偶和K型热电偶都可以使用在左右，但由于S型可以耐受更高温度，则在使用S型热电偶可以获得更长使用寿命。依照本系统设计规定，本设计选取方案三来实现精馏塔温度检测。2.3.3系统输入通道方案选取1、A/D转换器简介依照本系统设计规定运用热电偶检测精馏塔温度，得到是模仿信号而单片机只能接受数字信号因此需要设立A/D转换器。所谓A/D转换器是把通过与原则量（或参照量）比较解决后模仿量转换成以二进制数值表达离散信号转换器，随着超大规模集成电路技术飞速发展，A/D转换器新设计思想和制造技术层出不穷。模数转换器最重要参数是转换精度，通惯用输出数字信号位数多少表达。转换器可以精确输出数字信号位数越多，表达转换器可以辨别输入信号能力越强，转换器性能也就越好。A/D转换普通要通过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同步实现。2、A/D转换器位数拟定拟定A/D转换器位数（字长），运用输入信号动态范畴拟定字长。（2.2）（2.2） 式中为A/D转换器字长，λ为转换当量，则动态范畴为（2.3）因而，A/D转换器字长应为（2.4）依照本系统设计参数规定本系统采用8位A/D转换器。3、系统输入通道数拟定模仿量输入通道任务就是把传感器检测并转化模仿电信号转换成数字信号再通过接口送入计算机系统中。考虑到信号在传送及类型转换过程中，也许会受到干扰影响，因而，在模仿量输入通道中，需要时也许会加入某些用于抗干扰隔离电路。由于A/D转换器是模仿量输入通道中核心器件，也是必不可少部件，因此模仿量输入通道，有时又被称为A/D通道。综上，本系统模仿量输入通道数依照采集信号路数来来拟定，本系统需要采集信号为温度和流量两路信号，因此有两路输入通道。2.3.4系统输出通道方案选取1、系统执行元件选取依照工艺和控制规定本系统选取电动调节阀作为执行机构。电动调节阀是工业自动化过程控制中重要执行单元仪表。随着工业领域自动化限度越来越高，正被越来越多应用在各种工业生产领域中。与老式气动调节阀相比具备明显长处:电动调节阀节能(只在工作时才消耗电能)，环保(无碳排放)，安装快捷以便(无需复杂气动管路和气泵工作站)。阀门按其所配执行机构使用动力，按其功能和特性分为线性特性，等比例特性及抛物线特性三种。电动调节阀由电动执行机构和调节阀连接组合后通过机械连接装配、调试安装构成电动调节阀。详细性能指标在硬件设计中将会体现出来。在精馏塔温度控制系统中电动调节阀重要是通过控制流量来调节温度范畴从而实现对精馏塔温度控制。2、系统D/A转换器选取依照本系统设计规定，在输出通道中单片机输出是数字信号而电动调节阀作为执行机构接受是模仿信号，因此在输出通道中需要加入D/A转换器。所谓D/A转换是一种将二进制数字量形式离散信号转换成以原则量（或参照量）为基准模仿量转换器，又称D/A转换器，简称DAC。D/A转换器输出普通都通过功率放大器推动执行机构。设执行机构最大输入值为，最小输入值为，敏捷度为λ，可得D/A转换器字长（2.5）即D/A转换器输出应满足执行机构动态范畴规定。8位D/A转换器可以满足普通工程规定精度，因而用最多。在精馏塔温度控制系统输出通道中就是把单片机机输出运算成果（数字量）转换成模仿电压或电流，并输出给相应执行机构电动调节阀，实现所规定控制目。因此只需设立一道输出通道即可。2.3.5系统外围接口设备选取1、系统显示屏选取可以做系统显示屏有：LED、LCD、CRT等，就以上显示屏进行方案论证：方案一：运用LCD液晶显示屏作为系统显示屏LCD液晶显示屏是一种采用液晶为材料显示屏。液晶是介于固态和液态间有机化合物。将其加热会变成透明液态，冷却后会变成结晶混浊固态。在电场作用下，液晶分子会发生排列上变化，从而影响通过其光线变化，这种光线变化通过偏光片作用可以体现为明暗变化。就这样，人们通过对电场控制最后控制了光线明暗变化，从而达到显示图像目。依照液晶分子排布方式，常用液晶显示屏分为：窄视角TN-LCD，STN-LCD，DSTN-LCD；宽视角IPS，VA，FFS等。LCD显示屏尺寸是指液晶面板对角线尺寸，以英寸单位(1英寸=2.54cm)，当前主流有15英寸、17英寸、19英寸、21.5英寸、22.1英寸、23英寸、24英寸等。LCD是一种介于固态与液态之间物质，自身是不能发光，需借助要额外光源才行。因而，灯管数目关系着液晶显示屏亮度。方案二：运用CRT显示屏作为系统显示屏CRT显示屏学名为"阴极射线显像管"，是一种使用阴极射线管显示屏。重要有五某些构成:电子枪，偏转线圈，荫罩，高压石墨电极和荧光粉涂层及玻璃外壳。它是应用最广泛显示屏之一，CRT纯平显示屏具备可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节多辨别率模式、响应时间极短等LCD显示屏难以超过长处，并且价格更便宜。CRT显示屏屏幕场频要达到75Hz以上人眼才不易浮现闪烁感，但长时间注视必然会让眼睛感到很累。方案三：运用LED数码管显示屏作为系统显示屏LED数码管显示屏，是一种通过控制半导体发光二极管显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息显示屏幕。LED数码管显示屏集微电子技术、计算机技术、信息解决于一体，以其色彩鲜艳、动态范畴广、亮度高、清晰度高、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击、色彩艳丽和工作稳定可靠等长处，成为最具优势新一代显示媒体，当前，LED显示屏已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境需要。综上所述，LED数码管显示屏与LCD液晶显示屏CRT显示屏相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD功耗比大概为1:10，并且更高刷新速率使得LED在视频方面有更好性能体现，能提供宽达160°视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，也可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号，多幅显示屏还可以进行联网播出。有机LED显示屏单个元素反映速度是LCD液晶屏1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度低温。因此，依照本系统设计规定选取方案三。2、系统键盘选取可以做系统键盘有独立式按键、矩阵式按键等，就这两种方案进行论证。方案一：运用矩阵式按键作为系统键盘在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口占用，普通将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一种按键加以连接。这样，一种端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多余了一倍，并且线数越多，区别越明显，例如再多加一条线就可以构成20键键盘，而直接用端口线则只能多余一键(9键)。由此可见，在需要键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理。方案二：运用独立式按键作为系统按键在单片机应用系统中，通过按键实现控制功能和数据输入时非常普遍。普通在所需按键不多时，系统常采用独立式按键。所谓独立式按键是指直接用I/O口线构成单个按键电路。每个按键单独占有一根I/O口线，且其工作状态不会影响其她I/O口线工作状态。这种按键电路配备灵活，软件构造简朴。综上，依照本系统设计需求，在精馏塔温度控制系统中只需设立开始按键、拟定按键、增长按键、减小按键所设立按键数目较少。因此选取方案二。通过以上方案论证，可以得到系统整体硬件构造图如下图2-3所示图2-3系统硬件构成框图由上图2-3可以看出精馏塔温度控制系统重要由主机、温度检测装置、流量控制装置、A/D转换器、D/A转换器、执行机构及辅助电路构成。系统主机选用单片机作为控制器，再依照控制规定，选取PID控制算法对精馏塔温度进行控制。本系统系统采用热电偶作为测温元件，经信号调理电路及A/D转换电路对测得信号进行解决，得到单片机可以接受数字信号，再把解决过信号送入单片机与给定值比较，经PID控制算法计算后输出控制量，同步经D/A转换电路对输出控制量进行解决，得到模仿量信号送入电动调节阀进行对精馏塔温度控制，使精馏塔温度达到预期值。本系统还具备报警、按键输入及显示等功能。第三章系统硬件电路设计3.1系统控制单元电路设计依照系统总体方案设计，本系统采用单片机作为控制器。AT89C51具备4k字节Flash闪速存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）低电压、高性能CMOS8位微解决器，俗称单片机，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定期/计数器，一种5向量两级中断构造，一种全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同步，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方式停止CPU工作，但容许RAM，定期/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一种硬件复位。AT89C51单片机为诸多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高并且价廉方案。3.1.1引脚特性如下图3-1所示为AT89C51引脚图图3-1AT89C51引脚图管脚阐明：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一种8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸取8TTL门电流。当P1口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址第八位。在FIASH编程时，P0

口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必要被拉高。

P1口：P1口是一种内部提供上拉电阻8位