毕业设计109工厂蒸发车间监控系统设计软件开发与设计.docx

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毕业设计109工厂蒸发车间监控系统设计软件开发与设计

西安建筑科技大学

毕业设计（论文）任务书

课题名称：

工厂蒸发车间监控系统设计

（软件开发与设计）

学院：

信控学院

专业：

自动化

姓名：

苏楠

学号：

____201051224____

教师（签字）：

________________________

二○○五年3月28日

一、毕业设计（论文）的目的与要求

1、设计目的：

通过工厂蒸发车间监控系统的设计，使学生总结四年来所学知识，通过毕业设计得到综合训练，使得理论教学与生产实践相结合。

培养大学生的科研创新能力、实践能力和创业精神。

2、要求：

认真努力，勤于实践，独立完成毕业设计（论文）任务，充分发挥主观能动性和创造性，实事求是，不弄虚作假，不抄袭他人成果。

　　严格遵守纪律，按时按要求（包括形式要求与撰写要求）完成指导教师安排的工作。

凡不按要求完成且在规定时间内无改进的，不得进行下一步的设计工作。

　　毕业设计（论文）（设计）须符合形式要求及撰写要求（请参照学校有关规定）；所有要求提供的文档材料（除实习日记及已有要求的）一律按学校对毕业设计（论文）撰写格式的要求撰写。

二．毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数）

①统计蒸发车间生产工艺监控点数，详细列写模拟量及开关量点数，参数变化范围；

②选出下位机型号，画出硬件联结图；

③针对监控参数，画出程序流程图，编写监控程序；

④编写通信程序；

⑤正确调试通信及监控程序，完成系统通调；

⑥写毕业设计论文。

三、毕业设计（论文）题目应完成的工作

①统计蒸发车间生产工艺监控点数，详细列写模拟量及开关量点数，参数变化范围；

②选出下位机型号，画出硬件联结图；

③针对监控参数，画出程序流程图，编写监控程序；

④编写通信程序；

⑤正确调试通信及监控程序，完成系统通调；

⑥写出自己的心得体会。

四、毕业设计（论文）进程的安排

序号

设计（论文）各阶段任务

日期

备注

1

收集有关毕业设计的参考资料

第1～4周

2

画出工艺流程平面图；统计工艺要求的监控点数，以及参数范围；

第5周

3

针对监控参数，画出程序流程图，编写监控程序；

第6周

4

选出系统通信方案

第7周

5

针对监控参数，画出程序流程图，编写监控程序；

第8～10周

6

编写通信程序；

正确调试通信及监控程序，完成系统通调；

第11～13周

7

写毕业设计论文。

第14～15周

五．应收集的资料及主要参考文献：

①、氧化铝生产工艺参考书；

②、西门子S7系列PLC使用说明书；

③、测量仪表手册；

④、控制网通信原理；

⑤、DCS系统设计方案；

⑥、有关自动控制系统方面的参考资料。

六、任务执行日期：

自___05____年___3____月____9___日起，至___05_____年____6___月___20__日止。

七、审核批准意见

指导教师（签字）________

教研室主任（签字）________

主管院长（主任）（签字）__________

工厂蒸发车间监控系统设计

（软件开发与设计）

院（系）：

信控学院

专业班级：

自动化-02

学生姓名：

苏楠

学号：

201051224

指导教师：

席爱民

工厂蒸发车间监控系统设计

（软件开发与设计）

摘要

在拜尔法生产氧化铝工艺中，母液蒸发过程的自动控制可以稳定矿浆的制备和后续流程的生产过程。

他对增加产量，节能降耗，保持产品质量都具有重要意义。

该过程的主要设备蒸发器系统具有检测大滞后的特征，PID控制能够较好地实现该过程的控制。

本文首先结合山西铝厂氧化铝三分厂蒸发车间的生产工艺，设计了蒸发车间生产自动控制系统。

本系统采用集散控制技术来实现对其的合理控制，简化了系统结构，节约了硬件设备，提高了系统的可靠性和灵活性。

该系统硬件配置经济、合理，有较强的抗干扰能力，软件设计功能丰富，人机界面友好，操作简便。

其次，对目前生产中存在的蒸发器出料密度难以控制的问题，分析了带有预估模型环节的PID控制器的基本原理、实现方法，并将其应用于蒸发器出料密度控制中。

计算机仿真结果表明，该方法可以获得满意的动、静态性能和良好的鲁棒性，适用于大惯性、纯滞后且无法或很难得到精确模型的对象。

关键词：

拜尔法，PID控制,纯滞后，集散控制

TheDesignOfSuperisorSystemOfFactoryEvaporationWorkshop

TheDevelopAndDesignOfSoftware

Abstract

DuringtheproducingprocessofAlumina,originalliquidevaporationprocessthatiscontrolledefectively,canstabilizetheslurrypreparationofmineandthenextflowofwork.Ithasasignificantefecttoincreaseoutputandeconomizeenergyandassurethequalityofproduction.Theevaporatorssystem,themainequipmentofthisprocess,hasbigtime-delaycharacteristic,soPIDcontrol,cancontroltheevaporationprocesssuccessfully.

ThispaperhasfirstdesignedtheautomaticcontrolsystemusedDCSontroltechnologyforevaporationworkshopofthethirdaluminaplantinShanxi.Itcansimplifythestructureandimprovetherobustnessandsafetyofsystem.Designschemeofhardwareaboutevaporators'automationcontrolsystemisreasonable,economical,andefficienttodisturbances.Softwarehasplentyfunctionsandsatisfactorycontroleffects.Itsoperationissimplebecauseoffriendlyman-machineinterface.

Second,ThispaperanalyzesthebasicprincipleandactualizationmethodofPIDlogiccontrolwithpredictivemodelwhichisappliedinliquordensitycontrolfortheEvaporatorsinevaporationworkshop.Computersimulationresultsdemonstratethatthismethodcanachievesatisfactorydynamicalcharacteristic,staticcharacteristicandgoodrobusticity.Itisapplicabletoobjectswithlargeinertial,no-linearandtime-delaythathavenot（orisdificultto）achieveexactmodel.

Keyword:

PIDControl,Predict,DCS,Time-delay

1绪论

1.1课题的由来和应用价值

山西铝厂三分厂采用烧结—拜耳混联法进行氧化铝生产，蒸发车间是拜耳法氧化铝生产工艺中水量平衡的重要环节，用来浓缩溶液和分离在过程中积累的杂质（纯碱、硫酸盐大部分有机物等）。

为了改进山西铝厂三分厂氧化铝生产的质量，提高工业过程控制的通用性、可靠性和改善控制精度，于是对蒸发车间的自动化生产进行改造，采用带有PID和预估等控制策略的自动化蒸发车间监控系统。

在需要闭环控制方式来控制温度、压力、流量等大滞后、非线性连续变化的模拟量控制系统中这一控制方法已经得到了广泛的应用。

工艺流程中，蒸发器组是拜耳法生产的一个重要环节。

在拜耳法生产氧化铝工艺中，母液蒸发过程是保持生产系统液量平衡，浓缩溶液，排除生产过程中积累的碳酸钠、硫酸钠等杂质以及配置合格循环碱液的关键。

由于母液蒸发过程的自动控制可以稳定矿浆的制备以及后续流程的生产过程，对保证产品质量、稳定产量，控制降耗等具有重要意义。

1.2本课题在国内外的发展现状

实现母液蒸发生产过程的优化控制一直是冶金行业研究的重点问题。

只有对该过程的各种操作条件和控制对象进行仔细的分析，拿出行之有效的办法（控制策略），才能稳定生产过程，同时最大限度地提高热能利用率，以减少蒸发的能量消耗。

在工业生产的自动控制中，检测和控制的参数主要有压力、温度、密度（浓度）、液位、流量等，研究的目的是对这些模拟量进行快速有效的监控，减小滞后，以达到控制的目的。

早在20世纪70年代，世界上一些有色冶金发达的国家如美国、英国、澳大利亚、南非等在氧化铝生产的蒸发工艺中就已经较完整地采用或部分地采用集散控制系统，分层控制的体系进行自动控制，最低层采用PID控制器控制一些操作变量，其上层是多变量控制器或计算机监控，由它们设定PID控制器的给定值，以控制蒸发过程层，提供各参数的最佳给定值。

在我国，20世纪90年代，一些氧化铝生产企业在拜耳法种分母液蒸发过程中先后采用了工控机和小型集散控制系统，采用工业控制机（IPC）作为控制中心集中监控计算机，利用IPC丰富、灵活的软件开发资源，设计界面直观、操作简便的高性能集中监控管理软件实现现场各控制器（PLC）作为现场核心实时控制系统。

对生产实现了一定程度的自动控制。

如广西的平果铝业公司就己经对母液蒸发过程采用了DCS控制，虽在一定程度上提高了拜耳法生产效率，但其基本控制思想还是PID控制。

1999年，全国最大的氧化铝生产基地山西铝厂与沈阳铝镁设计院合作对铝厂的五蒸发站实现了计算机集散控制，各工艺参数的控制都是采用PID控制，取得了一定的经济效益。

近几年来，各大有色金属生产企业都对蒸发车间进行了现代化改造，现在都已普遍在工业生产中应用了以PID控制为主的自动化监控系统。

有的企业还改进了工艺，采用了新的控制技术。

例如山西铝厂与沈阳铝镁设计院经过刻苦攻关，开发了铝酸钠溶液蒸发用外流自由膜板式蒸发器I/A控制系统，解决了铝酸钠溶液蒸发自动检测，自动控制难的课题，找到了蒸发器控制的数学模型。

实现了蒸发器计算机控制，自动开停，达到了管控一体化。

自控投运率100％。

从一般的PID控制方式到采用精确的数学模型实现准确监控的改进，明显地降低了工人的劳动强度，进一步提高了生产效率，有效地保证了产品质量。

1.3课题的设计方向和解决的主要问题

如何最大限度的提高热能利用率，减少蒸发的能量消耗，提高了生产效率，保证了产品质量是我们研究的目标。

由于我的设计课题是《工厂蒸发车间监控系统设计（控制软件开发与设计）》。

所以我的设计方向是蒸发车间监控系统控制和通信软件的开发和设计。

监控系统程序的设计是工业控制系统设计的核心。

要设计出好的监控及通信程序，首先必须充分了解被控对象的情况，诸如生产工艺、技术特性、工作环境，及系统对控制的要求等。

据此设计出控制系统，包括设计出控制系统硬件连接图、选出合适的控制器型号、确定控制器的输入器件和输出器件、确定接线方式等。

然后才能画出程序流程图，设计出符合工艺及设计要求的监控和通信程序。

最后完成系统控制程序的调试。

2蒸发车间工艺流程概述

山西铝厂三分厂采用烧结—拜耳混联法进行氧化铝生产，蒸发车间是拜耳法氧化铝生产工艺中水量平衡的重要环节，用来浓缩溶液和分离在过程中积累的杂质（纯碱、硫酸盐大部分有机物等）。

图2.1为拜耳法工艺原理示意图。

种分车间送来的原液（主要成分为氢氧化钠、碳酸钠、硫酸钠和氧化铝等的混合溶液）在原液槽经原液泵打入蒸发器组，在新蒸汽加热下，进行逆流自然蒸发。

从蒸发器组出来的高浓度混合溶液，即蒸发母液由出料泵打至沉降槽中，碳酸钠、硫酸钠和氧化硅等杂质在沉降槽自动析出，并沉降浓缩，底流经底流泵送到过滤机以滤饼形式排除杂质；沉降槽溢流和过滤机出来的滤液一同流迸入溢流槽，经隘流泵送其它工序调整成为符合生产要求的循环母液供给矿浆制备车间配料。

工艺流程中，蒸发器组是拜耳法生产的一个重要环节，也是蒸发车的主要设备。

蒸发车间是1994年新建日前需要改造的工程。

共有16台蒸发器，分为5组，其中1、2、3、5组三效作业，第4组四效作业。

Ⅰ组蒸发然流程示意图如图2.2所示。

该组蒸发器由Ⅰ效、Ⅱ效、Ⅲ效和Ⅰ、Ⅱ级闪蒸发器组成。

原液经原液泵依次被打入Ⅲ效、Ⅱ效和Ⅰ效。

各效之间由导料泵过料，图中实线所示方向。

加热蒸汽按照效Ⅰ效、Ⅱ效、Ⅲ效的方向迸入各效加热，图中虚线方向所示。

并且，前一效的二次汽作为后一效的热源使用。

Ⅲ效出来的二次汽经水冷器冷却后，冷凝成水进入热水池作循环水使用。

由于料液流经的方向与蒸汽进入各效的方向相反，这种蒸发方式称为逆流自然燕发。

Ⅰ效出来的料液再经过Ⅰ、Ⅱ级闪蒸器降温减压后，送往沉降糟分离。

3本课题设计的基本前提和前期工作

3.1本课题设计的基本原则

PLC是一种计算机化的高科技产品，相对继电器而言价格较高。

因此，在应用PLC之前，首先应考虑是否有必要使用PLC。

如果被控系统很简单，I/O点数很少，或者I/O点数虽多，但是控制要求并不复杂，各部分的相互关联也很少，就可以考虑采用继电器控制的方法，而没必要使用PLC。

然而本系统的开关量I/O点数较多，控制要求复杂。

如果用继电器控制，需要大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件；系统对可靠性的要求高，继电器控制不能满足要求；由于生产工艺流程或产品的变化，需要经常改变系统的控制关系，或需要经常修改多项控制参数；需要用一台PLC控制多台设备的系统。

所以有必要使用PLC。

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，确定选用PLC控制系统后，在设计PLC控制系统时我遵循了以下原则：

（1）最大程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）保证控制系统的安全、可靠；

（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择控制器容量时，应适当留有裕量。

3.2分析系统对控制的要求

3.2.1工作的任务与意义

这一步是系统设计的基础。

首先应对被控对象（机械设备、生产线或生产过程）工艺流程的特点和要求做深入了解、详细分析、认真研究，明确控制的任务、范围和要求，根据工业指标，合理的制定和选取控制参数，使PLC控制系统最大程度的满足被控对象的工艺要求。

控制要求，主要只控制的基本方式、必须完成的动作条件、应具备的操作方式（手动、自动、间断和连续等）、必要的保护和联锁等，可用控制流程图或系统框图的形式来描述。

在明确了控制任务和要求后，须选择电气传动方式和电动机、电磁阀等执行机构的类型和数量，拟定电动机启动、运行、调速、转动、制动等控制要求；确定输入输出设备的种类和数量，分析控制过程设备之间的关系，了解对输入信号的响应速度等。

3.2.2确定所要控制的对象

母液蒸发过程在拜耳法氧化铝生产过程中是十分常重要的一环。

这一生产环节中得到的溶液质量直接决定着最终产品的优劣。

我们想把出料溶液浓度（密度）控制在0～3g/cm³这样的范围内。

然而它却受到的诸多因素的影响，如新蒸汽流量、新蒸汽温度、原液流量、原液温度、各汽室温度、各汽室压力等等。

我们如何才能排除干扰，达到控制的目的呢？

分析蒸发车间工艺流程，可以看出从一效蒸发器出来的料液的溶液浓度已经稳定不变了。

似乎我们可以通过改变一效内的蒸发条件来达到控制的目的。

然而通过分析却发现这一想法是不可行的。

首先，现有的条件是蒸汽供应的流量和温度是稳定不变的。

所以一效内的汽室压力和汽室温度不容易改变。

其次，来自一闪的蒸汽也通入一效，对一效的汽室压力和汽室温度也有影响。

再次，从二效经过料泵进入一效的料液温度高低也会影响一效的参数。

所以，想通过改变一效参数，达到直接控制出料密度的办法是非常困难和不现实的。

同理，二效、三效的参数同样也很难直接施加控制。

虽然蒸发作业存在着很大的检测滞后性（即蒸发过程发生后，较长一段时间内如三效作业为1小时，检测仪器无法检测到料液的密度值），再加上环境温度的干扰，给蒸发作业的自动控制带来了困难。

但是，我们能做的就是控制原液流量。

在新蒸汽、一次汽、二次汽量未发生变化以前，通过改变原液流量，以达到最终改变出料浓度，符合工艺要求的目的。

原液流量范围为0～500m³/h。

3.2.3系统对控制的要求

（1）可靠性:

可靠性是控制系统设计的重中之重，要求控制系统在长时间连续工作情况下不出现故障。

我们想把出料溶液浓度（密度）控制在0～3g/cm³这样的范围内。

但是，如果现场条件过于恶劣，电磁干扰特别强烈，系统设备的安装使用方法不当，都有可能给生产的进行带来隐患。

我们不仅需要选择符合要求、质量可靠的设备，还要选取最佳的控制设计方案，以保证系统长期正常运转。

（2）安全性:

要求系统中有专用的监控装置，用于监视系统的工艺设备、电源等工作情况。

当被控出料浓度超过限幅值时，黄灯亮，经调整5分钟后仍回不到正常范围，则红灯亮，并有声音报警。

以提醒操作人员排除故障。

实际上可靠性就包括了安全性。

然而它又是其中十分重要的一个方面。

系统中还要有安全联锁以防止误操作，控制系统能进行软手操和紧急手操，能实现双向无扰动切换，在任何情况下，都有操作手段，防止操作失灵。

（3）抗干扰能力也是特别需要注意的一点。

蒸发过程中现场条件差，因此要求控制设备必须要采用光电隔离、防爆防尘等技术措施。

（4）实时性:

即能够在对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理，一般控制系统采集和控制的参数是比较关键的，这些参数的变化可能会影响到正常生产或经济运行，这就要求控制系统能够及时地反映出这些参数的变化，并加以处理控制，保证生产正常高效运行。

因此各种输入设备（按钮、各种开关、变送器）的合理选取和使用就很关键。

（5）使用维护方便:

要求控制系统原理易于掌握，具有模块化的组件和功能，易于检验维修。

3.2确定用户I/O设备

3.2.1设计方法

PLC控制系统的硬件设计包括PLC机型的选择、输入/输出模块的选择、电源模块的选择等。

对于整体式PLC,应确定基本单元和扩展单元的型号；对于模块式PLC,应确定框架的型号，及所需模板的型号和数量。

选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题。

在满足控制要求的前提下，选型适应选择最佳的性价比，一般应考虑：

I/O点数的估算、用户存储器容量的估算、CPU的功能与结构等。

I/O点数是PLC的一项重要指标。

PLC的输入输出总点数和种类应更根据被控对象所需控制的模拟量、开关量等输入输出设备来确定，一般一个输入/输出元件占用一个输入/输出点。

一般应在估计的总点数上再加20%～30%的备用。

每个I/O点及有关功能元件的内存量依照：

开关量输入10-20B/点，开关量输出5-10B/点，定时器2B/个，模拟量100-150B/点，通信接口300B/个。

在此基础上考虑增加25%左右备用量就可估算出用户程序所需要的内存量。

对于CPU的功能与结构应考虑：

功能与任务是否相适应，PLC的处理速度应是否满足实时控制要求，是否PLC结构合理、机型统一，需要在线编程还是离线编程。

3.2.2PLC的选型

设备

名称、型号

台件数

生产厂家

CPU

CPU312

2

西门子公司

电源

PS307

3

西门子公司

I/O模板（模拟量输入）

SM331

7

西门子公司

I/O模板（数字量输出）

SM322

1

西门子公司

通讯处理器

CP340

2

西门子公司

通讯处理器

CP342-2

1

西门子公司

3.2.3分配I/O点

（1）系统输入输出分配表

序号

变量名

变量说明

类型

参数范围

单位

1

PT101

Ⅰ效汽室压力

模拟量输入

0-0.6

MPa

2

PT102

Ⅱ效汽室压力

模拟量输入

0-0.3

MPa

3

PT103

Ⅲ效汽室压力

模拟量输入

0-0.3

MPa

4

PT106

Ⅰ闪蒸气压力

模拟量输入

-0.1-0.3

MPa

5

PT107

Ⅱ闪蒸气压力

模拟量输入

-0.1-0.3

MPa

6

TE101

Ⅰ效汽室温度

模拟量输入

0-170

℃

7

TE102

Ⅱ效汽室温度

模拟量输入

0-170

℃

8

TE103

Ⅲ效汽室温度

模拟量输入

0-170

℃

9

TE104

Ⅰ闪溶液温度

模拟量输入

0-150

℃

10

TE105

Ⅱ闪溶液温度

模拟量输入

0-150

℃

11

TE106

1-1#冷凝水温度

模拟量输入

0-170

℃

12

TE107

1-2#冷凝水温度

模拟量输入

0-170

℃

13

TE108

2#冷凝水温度

模拟量输入

0-170

℃

14

TE109

3#冷凝水温度

模拟量输入

0-170

℃

15

TE110

原液温度

模拟量输入

0-100

℃

16

TE111

新蒸汽温度

模拟量输入

0-300

℃

17

LT101

1-1#冷凝水液位

模拟量输入

0-2

m

18

LT102

1-2#冷凝水液位

模拟量输入

0-2

m

19

LT103

2#冷凝水液位

模拟量输入

0-2

m

20

LT104

3#冷凝水液位

模拟量输入

0-2

m

（2）PLCI/O表（输入部分）

单元号

00

端子号

地址号

说明

I0.0

I0.0

效汽室压力

I0.1

I0.1

效汽室压力

I0.2

I0.2

效汽室压力

I0.3

I0.3

Ⅰ闪蒸气压力

I0.4

I0.4

Ⅱ闪蒸气压力

单元号

01

端子号

地址号

说明

I1.0

I1.0

效汽室温度

I1.1

I1.1

效汽室温度

I1.2

I1.2

效汽室温度

I1.3

I1.3

Ⅰ闪溶液温度

I1.4

I1.4

Ⅱ闪溶液温度

单元号

02

端子号

地址号

说明

I2.0

I2.0

1-1#冷凝水温度

I2.1

I2.1

1-2#冷凝水温度

I2.2

I2.2

2#冷凝水温度

I2.3

I2.3

3#冷凝水温度

I2.4

I2.4

原液温度

I2.5

I2.5

新蒸汽温度

单元号

03

端子号

地址号

说明