废水处理汽提塔自动控制系统研制与开发 74页

废水处理汽提塔自动控制系统研制与开发摘要随着我口工业高速发展，污染已造成对自然环境的严重损害。污水处理将1f『f|‰巨大的市场机遇和挑战、因此环保产品自动化技术的研究具有十分重要的现实意义。本文分析了：r业控制计算机、可编程序控制器圾组态=F临控软件的基本r土能和特点，结合塔废水处理的工艺要求，提出了以工控机、“组态王”为监控软件、OMRoNc200H系列可编程序控制器(PLc)等构成主从式控制系统方案。系统综合应月1了可编程控制器、变频器、工控机等主要控制技术，莱用r多种传感器和执行机构，对汽提塔的温度、压差、流量、液位等关键参数进行自动的监视和控制。解决了数据采集、P1，c与|1控机的通信等技术问题，实现了设备状态控制和相应的数据管理功能。存控制算法方而，系统采用单神经元和专家系统相结合的智能Pl调节方法实现流量控制，液位采用积分分离智能P【调节方法，并由可编程控制器实现，取得』，良好的效果。现场稠试和运行表明，该控制系统能够刑汽提塔废水处理过程进行自动控制，有效地降低了能耗，保汪了系统维持在最佳运行状况。系统安装维护方便，操作界面友好，运行稳定，U靠：己成为江阴市飞鸿化纤i殳各有限公司汽提塔配套产品。关键字：汽提塔、变频调速、智能PlD控制、PLc、监控系统n工程硕士学位论文ABS。IRC’I’AstherapidindustrialdeVelopmemourcountry，v撕ouskindsofpollutionhavealreadybecometheprimaryproblemtothenaturalerlvironInentandsewagedisposalindustryw订lfaceenormousmarketopportunityandchallenge．TheresearchonautomatictecllrlicaloftheenVironmentalpmtectionproducthasVeryimportaIltrealisticmeaning．．Inthisthesis，thebasiccapabiIityofindustrycontroIcomputerPLCandKingviewsonwareisanalyzed，consideringthetechn0109icalrequirementofwastewatertreaLmentofthetower，theschemeofthewastewaterV印orizationtowercontrolsystem(IPc&PLc)using”KingView”assupervisoIysoftwareandOMRONC200Hasfie】dcontr01】erisputfbrward．ThcsystemismadeupofPLC，traJlsducer，unitsofchemicaIengineeringpumpsa11delectromotors，sensorgmup(temperature，pressuredi丘’erence，now，liq由dlocalion，ctc)，industrialcontrolcomputerandconsole，The8ystemuses疗equencyconverter，pneumaticvalVetoactL1alizeautomatica】lycontroloft|1e】iquidnow，Vaporflow，】iquidlocation，temperatu陀ofproposingthetower．ArealtimesupervisorycontrolsoRwareofwatersupplysystemisdevelopedcommLulicatingwithPLCwhichhasme缸1ctionofdataconnection，communication，statecontr01offhcilitiesanddatamana毋：ment．Intheprogrammablecontroller，thenowcontrolisca玎iedoutbythemethodcombiningsin91eneura】cellandexpen5ystem，andljquidlocationiscontrolledbyintelligcntP1withintegrationseparationmethod．ThepracticeshowsitisefbctiVe．ARerdebuggingandoperatingprocedure，thecomrolsystemcanautomaticallycontrolwastewatertreatmentprocesswhichcaneffectivelyreducepowerconsumptionbymaintainssysteminthebestoperationconditions．ThedesignofsystemisadV肌ced，installationandmaincenanceoft}1esysfemisconVenientacldsystemisreliablet0n工nsteadilyBecausethesoftwareismultiplefunctionala11deasytouse，thema士1一machineimerfaceisfriendly，thesystemiswelcomeddeeplybyenterprises，andhasbecomecompanyVaporandcarrytowerauxiliaryproducts．KeyWords：watervaporizationtower；fkquencycontrol：intelligencePIDcontrol；monitorjngcon”oIsvstemIIn东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中4i包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相～致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：—乏毕导师签名麓免臣，豇日期：竺!：!．，。n第一章绪论1．1引言随着我国工业迅猛发展，工业污染已成为我国自然环境的主要污染源。必须采取有效的环境保护措施，保护我们所生存和发展的自然环境。日前国家治理污染的重点是“33211”工程，即“三河”(淮河、海河、辽河流域)、“三湖”(太湖、巢湖、滇池)、“两区”(酸雨控制区、二氧化硫控制区)、“一市”(北京)、“一海”(渤海海域)【1】。其中企业的工业污水排放已成为我国自然环境的主要污染源之一。无论从发展污水处理技术(包括污水处理工艺和自动化控制技术)还是污水处理殴备的需求来看，我国污水处理工业都将面临巨大的市场机遇和挑战。污水处理系统已经成为企业内部生产过程自动化系统的一部分，如何把握这一朝阳工业的脉搏，在污水处理市场的竞争中占有一席之地，对我国的污水处理工业来说，是一个不得不面对的现实。加强污水处理控制技术的研究，提高我国污水处理工业的综合竞争力，迫在眉睫。1．2专业研究领域现状与发展趋势1．2．1污水处理自动化技术研究现状与发展趋势在环保治理的过程中，我国的环保理论、工艺研究虽然起步较晚，但与国外的差距并不太大，差距比较大的是环保单元设备和自动控制系统，不能完全适应经济发展与环境保护的需要，技术开发能力弱，产品技术含量低。我国绝大多数环保企业的科研、设备力量薄弱，技术开发力量主要分布在大专院校、研究院所，而且技术开发的投入不足，尚未形成以企业为主体的技术丌发和创新体系。环保产品主要为常规产品，技术含量低。如：水处理主要为一般工业废水处理技术和产品，大气污染治理主要是除尘设备。在大型燃煤电厂烟气脱硫、城市垃圾资源化、城市生活污水处理和高浓度有机废水治理等重点领域的一些关键产品还没有自己的制造技术。我国环保产品的总体水平相当于国际20世纪80年代的水平，大多数产品落后发达国家20年左右㈦。我国现有的污水处理装置中大多只能实现现场监测和部分自动控制，还不能完全实现自动控制。污水处理工程自动化控制问题过去一直是由工艺人员提出要求，其它自控专家做设计，需大量计算机的编程：[作，费人又费时。污水处理的自动化从二十几年前变频器的发展开始，有老式继电器、电动仪表的使用，Dcs的推广，一直到现在的网络化，智能化的FCS的应用经历了一个漫长的过程。变频调速技术己较成熟，我国己推广多年了，但由于价格问题还有扩展空间，有待于进一步推广。老式继电接触式控制系统还有许多厂家在用，由于其故障率较高，占地n工程硕士学位论文面积大，『F在被PLc控制系统所代替。控制系统向集散化、网络化和智能化发展。污水处理处自动化技术是一个国际上的热点问题，国外对这一问题的研究工作开展较早，而且技术力量较雄厚，无沦从硬件还是软件开发都比中国国内实力强。一些发达国家如美、日和西欧等在研究新的理论和工艺之外，更重视污水处理自动控制这个问题。先后纷纷投资开发研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。美国艾姆科工艺公司于1996年成功开发了多元组合式智能型一体化污水处理装置，荷兰大学开发成功计算机控制内循环式水解生化塔，意大利丌发出一系列在线水质监测控制仪，美国米顿罗公司也相继开发出了一系列在线水质监测控制仪等。污水处理处自动化技术这一技术领域发展之快是惊人的，因此，我国既面临挑战又有机遇，虽然国外也是更新换代产品接连不断，但在这一领域还有一定的发展潜力。我们必须加强这方面的研究工作，以提高我国水处理企业的技术装备水平，提升综合竞争力。污水处理的自动化与模型化是一个必然趋势。然而，当前自动化技术在废水处理中的应用主要限于常规运行、检测和管理方面；而对于如何自动调节最佳反应条件(如有机负荷、水力负荷、溶解氧、水压、温度、酸碱度等)提高反应速率及保证出水质量(BOD、cOD、N、P等)等方面，自动化技术在污水处理中的渗透不够。国内外任活性污泥模型的计算机动态模拟，以及将cOD、pH、温度等作为反应时间控制参数，sBR反应时间程序的计算机控制方面作了一些有益的探讨。可以预见，自动化理论与技术在有机废水处理的试验研究与工程实践中将会发挥更大的作用。1．2．2有机废水处理的主要方法在水环境保护领域里，我国与世界大多数国家都将控制由城市生活污水和各种工业、农业、养殖业排放的有机废水所导致的有机质为主的水质污染放在优先考虑的地位。环境生物技术，尤其是生化处理方法因其高效、低耗、处理量大、适用而广及安全的特点，成为世界各国有机废水处理的主要方法13】。在这一领域中以生化反应为基础的处理方法(好氧和厌氧处理工艺)和以生物自然净化功能为主体。生化处理是基于微生物消化和分解有机污染物，从中获取碳与能源的原理建立起来的技术体系。由于生化反应的过程、条件和参与反应的微生物种类不同，生化处理可简单地分为好氧与厌氧降解两大类，两类生化反应的基本过程如下：好氧降解：有机物+氧气+好氧微生物／酶／水+二氧化碳+无机养分+能量。厌氧降解：有机物+厌氧与兼氧微生物／酶／降解的有机产物+无机养分+能量。厌氧过程有两个重要作用：一是可以降低废水中有机物质的浓度；二是可以转化一些好氧微生物难以直接分解利用的难降解有机物质。因此，厌氧技术在高浓度和难降解有机废水处理中具有十分重要的地位。对于可生化性低的有机废水，厌氧通常作为好氧降解的预处理。n第一童绪论厌氧生物处理技术厌氧消化工艺在其它领域(例如发酵工业、酿酒、制酱等)的应用具有悠久的历史。但直到1881年英LouisMouras开发了处理污水污泥的自动净化器，这项技术才在水环境保护中得到应用和发展。随后世界国设计研制了多种早期的厌氧装置，如化粪池、双层沉淀池、专用消化池等，今天仍用于下水道污液处理和污水厂污泥消化中。20世纪70年代起，厌氧消化工艺由于兼备产能和低能耗的双重优点引起人们的重视，继而制和开发出一大批类似好氧降解技术的厌氧反应器，如厌氧滤池fAF)、升流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧流床(AFB)、厌氧附着膨胀床(AAFEB)、厌氧生物转盘(ABRD)和厌氧折流板反应器(ABR)等。新型厌氧反应的共同特点是有机负荷大(20～60kgVSs／m3)与反应时间(HRT)相对短(由原来数天、数十天缩短至数十小时，甚至数小时1。近年来，厌氧技术的应用范围已扩展到高、中、低浓度的多类工、农、养殖、世有机废水和生活污水的处理。1．3相关理论与技术1．3．1过程控制技术【4】【51污水处理处自动化技术是工业生产过程技术的一个重要分支。工业生产过程自动化技术的发展直接影响污水处理处自动化技术的更新。过程控制技术经历了一个由简单到复杂，从低级到高级，并日臻完善的过程。过程控制所涉及到的领域比较广泛，刑新技术的发展极为敏感。对其影响最大的是自动化理论与技术、自动化仪表技术。1．第一代过程控制体系——基地式气动控制仪表系统基地式仪表控制系统始于40年代，可完成简单的就地操作模式实现现场的单回路控制，适用于单机自动控制。典型的基地仪表是04型调节器，当时过程控制的目的主要是几种参数(如温度、压力、流量及液位)的定值控制。2．第二代过程控制体系——电动单元组合式模拟控制仪表系统20世纪50年代末，随着电子技术的发展，出现了电动单元组合式模拟控制仪表。电动单元组合式模拟控制仪表的结构特点是：根据自动检测及调节系统中各组成环节的不同功能和实用要求，将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一的标准信号，由这些不多的单元经过不同的组合，构成多种多样的、复杂程度不同的自动控制系统。单元组合式仪表采用模拟技术和经典控制理论，实现了对生产过程的“集中式”管理。电动单元组合式模拟控制仪表系统一般只能实现简单参数的PID调节和简单的串级、前馈控制，无法实现如自适应控制、最优化控制等复杂的控制形式，难于实现高度集中管理和操作。n工程硕士学位论文3．第三代过程控制体系——计算机集中式数字控制系统计算机从自50年代中后期就被应用到控制系统中。60年代初，出现了由计算机完全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制(DirectDigitalControl，DDc)。这是一种崭新的控制技术，是人们将数字技术引入工业自动化过程控制的初步尝试。它经历了计算机直接控制系统DDc、计算机集中监督控制系统scc(supervisorycomputercontrolsystem)等阶段。DDc系统是用一台计算机配以模数、数模转换器等输入输出设各，从生产中获得信息，按照预先规定的控制算法算出控制量，并通过输出通道，直接作用在执行机构上，实现对生产过程的闭环控制。现场传输信号大部分沿用4～20mA电流模拟信号，但内部信号的传输采用：进制。它不但能实现简单的PlD控制，而且能实现如多变量解耦控制、最优控制、自适应控制等复杂的运算，控制规律中的参数变化范围宽，容易实现无扰切换。其特点是结构紧凑、轻便灵活、操作方便，但其抗干扰能力差、可靠性差。监督控制系统scc是将操作指导和DDc综合起来的一种较高形式的控制系统。它实现了分级控制：生产过程的闭环自动调节是依靠DDc计算机完成，sCC计算机对生产过程的工艺参数进行巡检以获取信息，按照由实现生产过程的最优指标或平稳操作所建立的控制模型，计算出相应的工艺操作参数，作为DDc用计算机的设定值，以实现生产过程的最优化或平稳工况。scc系统改进了DDc系统在实时控制时采用周期一i能太长的缺点，能完成较为复杂的计算，可实时实现优化控制。复杂的控制过程，是一个多输入、多输出、多回路、非线性、相互关联与耦台的对象，计算机控制系统比电动单元组合式仪表有较大的优势，在复杂的控制过程较为流行。但DDc和SCc系统都属于集中控制系统，这种集中型计算机控制系统在将控制集中的同时，也将危险集中，因此可靠性不高。随着生产的发展，生产规模越来越大，信息源越来越多，仅靠一台大型计算机来完成过程控制和生产管理的全部任务是不恰当也是不可能的。生产实际呼唤新的计算机控制系统。4．第四代过程控制体系——集散式控制系统Dcs(Distributedcontr01system)70年代中期开始，随着IPc的大量采用以及控制理论与技术、数字通信技术的发展，在多年计算机控制研究基础上，产生了一种新的设计思想，即通过功能分散，达到分散危险、提高可靠性的目的。这就是新型的集散式控制系DcS(Distributedcontr01SySLem)。它的主导思想是将复杂的对象划分为几个子对象，然后用局部控制器(现场控制站)作为第‘级，直接作用于被控对象，即所谓水平分散；第二级是操纵各现场控制站的协凋控制器(操作临视站)，它使各子系统协调配合，共同完成系统的总任务。Dcs实际上是⋯种分布式控制系统，它紧密依赖着计算机技术、网络通信技术和的控制技术的发展。在系统软件配置方面，集散系统可采用组态方式，大大提高了通用性。4n第～章绪论Dcs被称为自动控制领域的又一次革命，成为当时解决过程控制自动化最成功的系统，直到今天，Dcs仍有其一席之地。但集散系统大多采用封闭式的网络通信体系结构，采用本公司专用的标准和协议，加之受到现场仪表在数字化、智能化方面的限制，它没能将控制功能“彻底地”分散到现场。5．第五代过程控制体系——现场总线控制系统(FCs)计算机与电子技术的发展及当今对自动化控制系统数字化、智能化、网络化(或分散化)的要求，产生了以现场总线技术为核心的现场总线控制系统Fcs(Fjeldbuscontr01System)，通过现场总线，将工、【k现场具有通信特点的智能化仪器仪表、控制器、执彳j二机构等现场设备和通信设备连接成网络系统。连接在总线上的设备之间可直接进行数控传输和信息交换，同时，现场设务和远程监控计算机也可实现信息传输。此系统具有设备间数据通信能力和设备自控制、自调整、自诊断、自标定等功能。由于它位于网络结构的底层，即成为Infranet，也叫做现场总线控制网络。FcS较好第解决了过程控制的两大基本问题，即现场设备的实时控制和现场信号的网络通信。另一方面，现场总线的出现导致了目前生产的自动化仪表、集散控制系统(DCs)、可编程控制器(PLC)在产品体系结构、功能结构方面的较大变革，使相关的制造厂家面临产品更新换代的又一次挑战，它标志着工业控制技术领域又一个时代的开始。过程控制技术在发展之初采用基地式仪表控制系统来实现现场的单回路控制，如今的现场总线控制Fcs实现了将控制功能彻底分散到现场的目标。从当初的“基地式”控制到现在的“现场式”控制，我们发玑了这样一个有趣的“回归”，’种过程自动控制理论与技术向更高层次演化的“回归”。纵观工业过程控制技术的发展，经历了三次大革命：电动单元组合式模拟控制仪表系统(DDzIIl为代表)一集散控制系统(Dcs)一现场总线控制系统(Fcs)。过程控制技术与控制理论、自动化仪表技术、计算机技术、通信技术同步发展，其趋势是：过程控制技术由分离设备向共享设备发展，自动化技术由模拟仪表向智能仪表发展，计算机网络技术向现场延伸，工业控制系统向化散化、网络化和智能化发展，从而，过程控制走向过程信息资源共享。1．3．2变频调速技术汽提塔流量、液位控制采用了变频调速技术。在我国60％的发电量是通过电动机消耗掉的，合理地使用电动机，以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能一机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的，一直得到工业界重视。电机交流变频调速技术是当今节电，改善工艺流程以提高产品质量和改善不断恶化的环境，推动技术进步的一种主要手段。交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输。因此它的共性技术必定是分成n工程硕士学位论文功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和基于智能控制策略问题)硬、软件开发问题(在目前状况下主要是全数字控制技术)。化工与环保企业中的旋转设备多，其中机泵占相当数量，近年来各厂对已有的机泵做了大量的节能改造工作，如更换能耗大的老设备、改造能耗过大的设备、改用高效机泵和电机等，取得了显著的节能效果，靠阀门调节要进一步节能难度己很大。由于工艺过程需要变换速度(或提高产品质量调节转速，或因季节变化、气温变化需要改变流量，如根据供给水量高低峰调节水量等)，都需要调节设备的转速，调速节能已经提到推广应用的日程上来了。石化厂应用的各种调速中，变频调速f交一直一交)倍受青睐，它优于调压调速、变级调速、滑差调速、串机调速、整流子调速和离合器调速等。变频调速控制的主要特点是：(I)体积小、重量轻、可挂墙安装，不占用地面积，操作简便，根据需要，可实行手控、自控、遥控。(2)配备一台变频调速器，其输入端与电源相接，输出端与鼠笼异步电机进线相接，即可调速。或根据需要，以温度、压力、液面、介质成分等参数的信号输入变频调速外部接口，或用可编程控制器、计算机等连接，即可实行闭环控制。(3)电机呵低速直接在线启动，启动电流低，约为电机额定电流的1．7倍(电机启动电流通常为5—6倩额定电流)，对电网和设备减少冲击。(4)有多种保护功能(如过电压、欠电压、瞬时停电、过电流、短路等)，用数字显示故障。(5)降低设备转速后可减少噪音和振动，避免泵的抽空，延长设备使用寿命。1．3．3工业过程PID控制。1汽提塔流量、液位控制的稳定性精度与控制规律采用有关系密切。虽然自动化仪表中的调节仪表，经历了基地式仪表、单元组合仪表或组装仪表、DDC工业控制机、Dcs或PLc已发展至现场总线系统。装置在信号传送方式、’计算运算方式、元器件等方面都发生了巨大的变化，然而核心的控制模式或控制算式却始终以PlD为主。PID控制的研究历史最悠久，在过程控制中，应用最广泛，获得的成效也很大，这同PID本质的鲁棒性、本质的优化结构模式与本质的智能化特色密切相关。经历60多年的应用考验，已证明P1D控制是～种很好的控制器模式，近年来电气传动及机电控制等非自动化仪表传统的应用领域，也都采用PID，PID应用领域不断扩大。国际著名的自动化仪表厂商都十分注意PID功能的应用，从Dcs的PID组态，扩大各种PID控制功能(如抗积分饱和、叠加逻辑状态等)到推出自整定PID控制器(如日本东芝公司的FujiMicer自整定调节器、美国Foxboro公司的EXact自整定调节器、日本横河电n第一章绪论机株式会社的Ys-80专家自整定调节器)。Honeywelll公司TDG一3000的Dcs装置、PLc系统装置、OMROM等国外著名Dcs公司还都纷纷将仿人智能控制作为软件植入系统装置，从而使智能控制进入了商品化与实用化。PlD的研究包括如下几个方面：①PID最优参数整定：②PID算式的最优化结构：③以PID为基础的先进控制系统：④自适应PID：⑤专家系统与智能PID。其中，后两个方面在模糊集理论、神经网络、遗传算法、混沌集理论等研究的推动下，可以说已经到了白炽化■智能PlD优化同确定性PID优化的差别在于智能PID优化是不考虑被控制对象的特性，它仅根据被控制系统的控制偏差e、偏差变化速度de／dt及其历史状态，应用各种智能优化推理方法、模糊推理、神经网络等，确定最优的控制器输出量或决定P、I、D三个参数的最优加权系数，这就是无对象模型的PID优化控制。模糊智能PID控制器的研究，许多是重复前人的二维控制器的设计思路，以误差e(t)及误差变化de(t)／dt作为输入量，后经模糊量化处理成模糊量E与Ec，送入模糊算法模块运算，产生控制输出决策u，再经反模糊化处理，变成闭环系统的统一信号，二维模糊控制器可以理解为非线性PD控制器，非线性可增加系统的适应性，但PD控制有一个明显的缺点，就是无法消除白衡对象的控制偏差，确定性PID控制有一系列的成熟整定参数的经验，而模糊PDPI或PIPD的参数整定却不成熟，而且固定的模糊控制算法难以适应过程控制系统多变的环境，因而不少学者研究以模糊控制、PID控制备为一模的双模控制，或PPI的双模控制，目的都是为提高Fuzzy控制系统的环境适应性。神经网络控制器(NN—PID)是将控制算式对误差、误差积分、与误差微分、进行加权运算，以此作为神经网络的输入层，隐含层则多数采用sigmoid函数，并同输入层、输出层一起构成神经网络向前三层结构模型，其控制器的好坏在很大程度上是取决于输入层权系数的选择。近几年来，有一个值得注意的动向是利用遗传算法GA对神经劂络的PID控制器的权系数w．，i=l，2，3进行寻优。由于GA中寻优的“交叉”与“变异”可以使搜寻过程跳出局部优化区域，而“选择”又可使局部区域的优化解保留与复制下来，因而是一种较理想的参数寻优方法，比穷举法可大大节约参数寻优的时间，但对于某些对象参数寻优的时间仍需很长。无论那种大滞后补偿结构，对象误差模型的参数灵敏度都较大，系统的鲁棒性不高，这些都是应用中存在的问题。至于非线性问题，可在控制器与对象之问插入一种称之为逆非线性补偿器的函数模块，将非线性控制转换成准线性控制，再采用NN—PID控制，但目前仅见诸于学术研究，尚未见到工程成功实例，这些研究能否获得工程应用，关键是要看最终结果是否简单且有效，简单有效则意味着实用。1．3．4可编程逻辑控制器PLc是以微处理器技术为基础，综合计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新n工程硕士学位论文型工业控制装置。具有可靠性极高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便等特点。PLC与机器人技术、cAD／cAM并列称为工业生产自动化的三大支柱。它是国外称为“先进国家三大支柱”之首的工业自动化理想控制装置㈣。PLC近年来发展极为迅速，应用面极广，现己广泛应用于自动化的各个领域。可编程序控制器属于存储程序控制，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的。从软件来讲，它的程序可编、也不难编：从硬件上讲，它的配置可变、也易变。PLc特点：(1)控制程序可变、具有很好的柔性在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下．不必改变PLc的硬设备，只需改变程序就可满足要求。因此，除单机控制外，PLc在柔性制造单元(FMC)，柔性制造系统(FMs)、以至工厂自动化(FA)中也被大量采用。(2)具有高度可靠性、适用于工业环境PLc产品的平均故障间隔时间一般可达到5年以上，因此是一种高度可靠的工业产品，大大提高了生产设备的运行效率，PLc不要求专用设施的机房，这就为工业现场的大量直接使用提供了方便。(3)功能完善现代PLc具有数字和模拟量输入／输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、PID调节、各种智能模块、远程I／O模块、通信、人机对话、自诊断记录和图形显示、组态等功能。除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能应用于连续的流程控制系统，从而使设备的控制水平大人提高。(4)易于掌握、便于维修。PLC是一种工业控制计算机，它具有计算机共性的一面，但由于历史发展的原因和它的设备适用现场控制使它具有区别与普通计算机的特点。PLc的设计者着重于高可靠性和密封结构，适用于恶劣的工业环境，可靠性高。从应用范围来说，可编程控制器是专用机，而微机属通用机。从工业控制角度来说，可编程控制器是控制通用机，而徽机可做成某一控制设备的专用机。PLc工作目的是生产过程自动化，普通计算机主要用于科学计算、数据处理；PLc的工作环境是工业现场，普通计算机是机房；PLc的工作方式是扫描工作方式，普通计算机是中断工作方式；PLc编程采用了面向操作者的逻辑语言，普通计算机采用高级语言；可编程控制器的输入输出响应速度慢(ms级)，有较大滞后现象，而微机反应速度很快(微秒级)；输入输出设备不同，在自动化控制系统中，使用可编程控制器集中在控制功能上，而使微机集中在处理信息上，使之各用所长、相辅相成，共同发展。国内外PLc产业发展应用：顺序控制、运动控制、过程控制(PID)、数据处理、通信。(1)用于开关逻辑控制：这是PLc最基本的应用范围。可取代传统继电接触器控制(如n第一章绪论机床电气、电机控制中心等)、顺序控制(如电梯控制、运输、检测等)。总之，PLc可用于单机、多机群以及生产线的自动化控制．(2)用于机械加工的数字控制：PLC和计算机(cNc)装置组合成一体，可实现数值控制，组成数控机床。(3)用于机器人控制：可用‘台PLc实现36轴的机器人控制。(4)用于闭环过程控制：配有PID模块，可实现单回路、多回路的调节控制。(5)用于组成多级控制系统，实现工厂自动化网络。PLc可与计算机组成功能更强的分布式控制系统(DistributedControlSvstem)。国外PLc发展的明显特征是产品的集成度越来越高，工作速度越来越快，功能越来越强，使用越来越方便，工作越来越可靠。特别是远程通信功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统(FMs)．国内通过技术引进、消化吸收、仿制和国产化工作。1．3．5组态软件传统的Dcs系统，其软件功能主要靠程序员编程实现，工作量惊人，对于每个不同的应用对象，都要重新设计或修改程序，软件系统的开发周期很长，无法保证软件系统的成熟可靠性。为了解决上述问题，提高软件生产率，人们纷纷寻找Dcs软件开发的新途径，设计组态软件就是其中的一种简便实用的方法。所谓组态，就是工程技术人员按应用要求，选择所需的功能模块，确定其运行方式，结合相关信息组成合适的应用系统。组态软件，就是一种通过其运行从而帮助人们完成组态的工具软件。在国外，如美国，组态软件已较为成熟，推入市场的组态软件有很多种。如Imellution公司的iFIx，wonderware公司的Imouch，u．s．Date公司的factorvlink，IBM公司的Plantworks，美国GE公司的Cimplici咄头国AB公司(Rockweu自动化)的Rsview32，德国两门子公司的wincc等【”。组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式，对项目来说是费时费力、得不偿失的。同时，MIs(管理信息系统)和CIMS(计算机集成制造系统)的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。国内比较著名的组态软件有组态王，力控，世纪星等。组态软件大都由专业软件公司开发，提高了系统的可靠性，减轻了工程开发人员的工作量。组态软件通常有以下几方面的功能：强大的画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n工程硕士学位论文显示了、“jldlows的图形功能完备，界面美观的特点，提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲的绘制出各种工业画面，并可任意编辑，从而将丌发人员从繁重的画面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使画面生动、直观。良好的丌放性开放性是指组态软件能与多种通讯协议互联，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讯，向上能与管理层通讯，实现上位机和下位机的双向通一讯。丰富的功能模块提供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场要求。利用功能模块，完成实时监控、产生报表、显示历史曲线、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。系统既可适用于单机集中式控制，Dcs分布式，也可以是带远程通信能力的远程测控系统。强大的数据库配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟型；离散型，字符型等。实现与外部设备的数据交换。可编程的命令语言拥有可编程命令语言，使用户可根据自己的需要编写程序，增强图形界面。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。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。1．4本课题研究的主要内容及意义本课题来源于扬州大学与江阴市飞鸿化纤设备有限公司合作项目“废水处理汽提塔自动控制系统研制与开发”，其目的在于解决工业污水中污染负荷高、技术难度大的高浓度有机废水处理设备自动控制问题，实现水处理设备现场监测和自动控制。提高汽提工艺塔控制系统的自动化程度、稳定性、可靠性、安全性、节能性扩展性。降低设备成本，提升综合竞争力。化工企业中，聚酯类化纤企业生产过程中产生的酯化水COD含量较高(约为25000～3()000)mg／i，浓度已大大超过污水处理厌氧池的接收浓度，为使浓度达到厌氧池的接收标准，目前国内厂家大多采用稀释法(使用浓度较低的生产用水与酯化水混合)，将其稀释至厌氧池的接收浓度(约CoD2500～3000)mg／1。显然，稀释法会大大增加厌氧池的处理量，通常会增加至原酯化水处理量的12～15倍，极大增加了厌氧池处理成本和处理效果。造成许多聚酯类化纤企业外排污水的coD含量大大超标，环境污染严重。许多聚酯类化纤企业被勒令限期整改。基于上述原因，本厂与江阴市飞鸿化纤设备有限公司在反复考察国内厂家生产状况的基础上，经多次试验，研制成功该套废水预处理汽提工艺塔。大大降低进入厌氧池之水量，降低厌氧池的运行成本。该汽提塔的设计达到了先进水平。深受企业欢迎。但随着科技水平的进步和管理要求的不断提高，对汽提工艺塔控制系统的自动化程n第一章绪论度、稳定性、可靠性、安全性，节能有了新的要求。1．国外酯化废水汽提工艺处理中、产生的高浓酯化混合气体实行高空烛火排放，将大量酯类化工资源浪费并可能造成大气环境二次污染。本汽提废水处理工艺中加入冷凝回收工艺、回收后的液态甲醇，完全可以进入市场进行外销，回收了宝贵资源，既有环境效益，又有经济效益。2．国外汽提塔自动控制系统DCs控制，进水泵、排液泵采用自动阀控制。能耗火，成本高、设备昂贵，汽体塔的价格达300多万元，本系统采用工控机、PI，c、变频器、一体化智能化仪表传感器，实现实时监控，并可远程监控，进水泵、排液泵采用变频器控制，能耗小，成本低、控制安全可靠、且设备价格仅为国外l／3、适应了我国企业发展和环保的需要。3．国内还没有同类大型废水汽提工艺处理设备，汽提塔自动控制系统控制思路与现代控制系统分散控制、集中数据处理，智能化与信息化相结合的思路一致、且节能效果显著、具有先进水平。其控制思路与方式可应用于大量化工设备控制中。本人研制与开发汽提塔自动控制系统，可实现废水处理工艺集中数据显示、分析、处理，与分散控制。本课题通过新技术的综合应用，实现汽提工艺塔的自动控制。本课题的完成，不仅成功地解决塔类设备自动控制的一些技术难题，提高了汽提工艺塔自动化水平；而且提高了开发汽提塔自动控制系统的稳定性、可靠性、安全性，节能性。对污水处理运行的经济效益和社会效益具有深远的意义。n工程硕士学位论文第二章汽提塔自动控制系统的总体设计2．1废水处理汽提塔2．1．1废水处理汽提工艺塔工作过程及其流程汽提塔工作原理：通过与水蒸气的直接接触，使废水中的挥发性物质按一定比例扩散到气相中去，从而达到从废水中分离污染物的目的。1．汽提塔工作过程及其流程根据污染物的性质不同汽提塔工作过程，分为两类：a、污染物是与水互溶的挥发性物质，其工作过程为：废水从塔顶流下，进入填料层，通过填料层形成雾状的小水滴，与从塔底通入的蒸汽相遇，从而在填料层中进行传质，它利用了汽液平衡原理，通过蒸汽直接加热，使其在沸点下按一定比例富集于气相，从而达到分离废水中污染物的目的，如一些]工溶性醛类物质。b、污染物是与水不互溶的挥发性物质：废水从塔顶流下，进入填料层，通过填料层形成雾状的小水滴与从塔底通入的蒸汽相遇并在填料层中进行传质，它利用了混合液的沸点低于两组分沸点这一特性，可将高沸点挥发物在较低温度下加以分离出去，从而达到分离废水中污染物的目的，如一些不互溶性酚类物质。2．汽提塔工作流程汽提塔工作流程主要有三部分组成：蒸汽流程、废水流程、废水汽提塔处理后的水的流程。(1)蒸汽流程：蒸汽分为两部分流向汽提塔，一部分流向塔顶的加热盘管对废水进行预加热，另一部分流向塔底，与从塔顶流下的废水逆流相遇，在填料层中进行传质，从而去除废水中的挥发性物质。(2)废水流程：废水的流程中设了两台化工泵，一台为备用化工泵，在工作时，只有一台化工泵进行工作，废水从废水桶中被化工泵抽出，流向两条管路，一条流向汽提搭顶端进行汽提除污；另一条为防止汽提塔出现故障不能工作而设计的一条让废水直接流向污水处理厂的管路。(3)废水汽提塔处理后的水：处理后的水也配备了两台化工泵，其中一台化工泵为备用化工泵，在工作时只有一台工作。处理后的水的流向也分为二部分。第一部分处理后的水流向热交换器，进行冷却后排入污水处理厂；第二部分处理后的水流向汽提塔的顶部，当汽提塔第一次处理后的水不能达标时，则可通过这条线路对废水进行二次除质。2．1．2废水处理汽提工艺塔主要技术指标与控制要求处理后cOD含量：处理前COD<30000m叽；处理后c0D<2000m∥L；总装机容量：lO～15Kw；占地面积(m2)：12×10；n第二章汽提塔自动控制系统的总体设计平均每小时处理废水能力：正常6讹，最大9T／h：蒸汽耗用量：350kg／h；废水处理量控制：自动满足工业现场废水处理要求，两台变频器、两台化工泵一用一备(互为备用)，保证系统运行可靠。废水流量、累处理量实时显示。汽提塔液位控制：30±2cm，两台化工泵一用一备(互为备用)保证系统运行可靠。汽提塔液位实时显示。汽提塔温度监测：一体化温度变送器(5只)监测汽提塔温度、实时显示。值班人员可根据工艺要求调节蒸气流量的给定、自动阀自动调节进入汽提塔的蒸气流量，满足汽提塔的温度工艺要求。监测汽提塔压力：差压变送器(2只)监测汽提塔压力、实时显示、值班人员根据工艺要求进行实时处理。电气控制：根据汽提塔工作流程工艺要求控制变频器、化工泵、电磁阀、气动阀工作状态实时检测故障，自动切换备用设备与报警。工控机动态显示与控制：a、汽提塔工作流程动态显示：蒸汽流程、废水流程、废水汽提塔处理后的水的流程。b、电气控制工作状态(工作、停止、故障)显示与控制：变频器、化工泵、电磁阀、气动阀。c、汽提塔状态参量动态显示显示与设定：废水处理流量、蒸气流量、汽提塔温度、汽提塔压力、汽提塔液位。d、汽提塔状态参量历史曲线与故障报警：废水处理流量、蒸气流量、汽提塔液位与报警记录。汽提塔自动控制系统可靠、安全、防爆。2．2汽提塔自动控制系统2．2．1系统组成及原理废水处理汽提塔自动控制系统主要由工控机、PLC、变频器控制柜、PLC控制柜若干个检测仪器仪表等组成，用于完成对废水处理汽提塔数据采集及控制、系统的工艺参数检测显示、设备状态检测显示和信息储存查阅打印报表等。污水处理汽提塔自动控制原理图2．1所示。n工程硕j一学位论文PbCj￥|慧流量控制裂幕塾卜缫·匦圜激位控制l打印机l㈣l彩显卜．t髯鞲缫·隔疆两网温度控制汽提塔运行。壤鬻实时监控黼l·匝圈’珊坜簿“I戮矬．·——一、g害斗“$茫赫≈}等舞：话信．号。，L—、⋯一t}一一⋯?4ft：'汽提塔运行：烈落蓊卜鬃——一ioj露霹譬捂j}≈．”ig、}—一控制与显示——-叫；o氆鹾刚控翻信号oj；}一吐困十簿燃·Ii}B第癸黧f祆番}g采霄二卜一、”j——叫≯鹈算舞／掺鹏基轻售。蠹卜／，箍蚓2．1污水处理汽提塔自动控制原理图由污水处理汽提塔自动控制原理图可见，系统的基本工作原理如下：1．现场部分工艺参数如储罐液位、温度等经现场智能仪表传感变送后，直接进入PLC送至监视计算机供操作人员获取信息；2．其它现场工艺参数如压力、流量等经现场仪表传感变送后，由PI。c的A／D模块送至PLc的CPU；现场开关量如阀门开关状态、风机和泵运行状态等，由PLc开关量输入模块送至PLc的CPu；PLC的cPu将传来的模拟量信号和开关量信号按一定算法处理后送至变频器、气动调节阀、电磁阀实现污水处理汽提塔自动控制控制，同时送至操作站，上位操作站对获取的相关信息进行相应的算法处理、显示、储存和报表等工作；3．系统现场输出信息经PLc判断处理后，由开关量输出模块送出并改变现场设备的状态(阀门开关、变频器、电机、气动阀)和灯屏指示状态(灯的亮和灭)。废水处理汽提塔自动控制装置是集计算机技术、网络通讯技术、过程控制技术、画面制作显示技术和数据管理报表制作技术于～体的计算机测控管理系统：系统将高性能高可靠工业控制计算机(IPC)、可编程控制器(PLc)、变频器和各类现场仪表有机的结合起来，实现各部分信息的共享和协调工作，从而完成综合测控与管理功能。2．2．2汽提塔主要控制与显示1．废水处理量控制废水处理汽提塔自动控制系统用涡街流量计、PLc与变频器构成反馈的闭环流量控n第二章汽提塔自动控制系统的总体{殳计制系统。用调节5．5Kw化工泵转速，保证废水流量稳定、满足汽提塔的工艺要求、并可根据现场处理情况自动切换流量(两挡)，满足工业现场废水处理要求。两台变频器、两台化工泵一用一备(互为备用)保证系统运行可靠。废水流量、累处理量实时显示。在变频调速监控系统中，由于系统参数不确定，没有准确的数学模型，所以采用PID控制器时参数整定较困难，本设计采用一种由单神经元和专家系统相结合的数字式智能型PI控制器，根掘PLc控制的特点，同时针对被控对象的滞后特性及非线性，提高系统控制效果增强鲁棒性。流量控制由PLC智能型PI流量子程序完成，采样时间是用PLC内部定时中断来控制，定时时问到，转入中断服务程序，调用智能PI调节运算子程序，并将运算结果送给模拟量输出模块即变频器频率设定端的信号模拟量值。2．汽提塔液位控制废水处理汽提塔自动控制系统用磁性浮子液位计、PLc与变频器构成反馈的闭环液位控制系统，用变频器调节2．2Kw化工泵转速，保证汽提塔液位稳定、满足汽提塔的工艺要求两台变频器、两台化工泵一用一备(互为备用)保证系统运行可靠。汽提塔液位实时显示。对于本文所研究的废水处理控制系统来说，一方面对液位的控制精度要求较高，对控制器的鲁棒十牛要求较高，经过反复比较观察现场的各种实时数据，本设计采用PLc的PID积分分离智能型PI调节控制、编程简单、控制可靠。3．汽提塔温度与压力监测控制本系统装有一体化温度变送器(5只)监测汽提塔温度、实时显示。值班人员根据工艺要求调节蒸气流量的给定、自动阀自动调节进入汽提塔的蒸气流量，满足汽提塔的温度工艺要求。本系统装有差压变送器(2只)监测汽提塔压力、实时显示、根据现场处理实时显示值班人员按工艺要求进行实时处理。4．汽提塔工作流程自动控制与动态显示(1)根据汽提塔工作流程工艺要求控制变频器、化工泵、电磁阀、气动阀工作状态实时检测故障，自动切换备用设备与报警。(2)采用一体化的智能传感器检测、0MRON模拟量输入模块实时采集信号，工控机组态软件动态显示：汽提塔工作流程动态显示：电气控制工作状态(工作、停止、故障)动态显示；汽提塔状态参量动态显示；汽提塔状态参量历史曲线与故障报警。5．汽提塔自动控制系统可靠、安全、防爆．汽提塔pLC自动控制系统：PLC采用OMRONc200HE可编程控制器；一体化的智能、一传感器：现场信号使用(4～20mA)电流信号传送，抗于扰能力强。采用PLC控制系统运n工程硕士学位论文行可靠。关键电器：变频器采用信价比高的进口三菱FR—E540变频器，四台变频器两用两备，化工泵采用IH5系列四台化工泵两用两备，自动控制阀采用信价比高的进口美国纽曼(包括定位器、气动阀)TsB一50一P、YT—lOO自动阀，保证系统运行可靠。现场控制配电箱采用防爆按钮和防爆型电器，现场传感器、变送器、电磁阀、电机均采用防爆型。变频器、断路器等强电控制电器均安装在控制室动力配电柜内，可编程控制器工控机均安装在控制室控制柜内，远离易爆现场。2．3本控制方案主要技术要点与设计任务2．3．1控制系统主要技术要点1．废水处理量自动控制；2．汽提塔液位自动控制；3．汽提塔温度与压力监测控制；4．汽提塔工作流程动态显示；5．系统的安全与防爆；6．现场控制与控制室实时监控与远程监控。2．3．2控制系统设计任务1．控制系统硬件的设计(1)控制系统硬件的选择：工控机、PLc、化工泵、变频器、涡街流量计、液位计、温度与压力传感器、控制与保护电器等。(2)控制电路的设计：主电路、控制电路的设计。(3)动力配电柜、控制柜、现场配电箱的设计。2控制系统的软件设计(1)系统的分析与控制规律的选用；(2)PLC控制软件的设计：(3)工控监控软件的设计：3，系统现场安装测试与运行调试等(1)系统现场安装与硬件功能测试；(2)系统软件的调试；(3)系统参数的调试：(4)稳定性、可靠性测试。6n第三章理论与算法研究3．1变频调速化工泵节能分析1．化工泵合理选择随着异步电机变频调速技术的不断发展，变频流量控制系统被广泛地应用到工、峨农业、科研和民用等领域的各个方面，不仅取得了显著的节能效果，还极大地改善了环境污染。由于用变频器驱动的交流异步电动机能够快速平稳地进行调速，使得化工泵系统不仅能够精确地保持设定值，而且在启停化工泵时系统没有冲击。与其它方法相比，除了节能、卫H生、安全、静音、调整方便、维修量小等特点外，还适于多系统集中控制或是实现自动化调节。在废水流量控制系统中，水泵的基本参数和特性对于设计水泵出口压力与控制器非常重要。其输出特性既决定于水泵的种类，也随管道系统的阻力特性曲线不同而不同图3．1给出离心泵化工泵H．Q”曲线，化工泵离心泵的公式如下：D—kⅣQ』一日图3．1化j：=泵H．O曲线Q(3．1)其中，P为水泵的功耗(kw)；Q为使用工况点的水泵流量(m3／s)；H为使用工况点的扬程(m)；k为输出介质常数(kg／m3)；¨为使用工况点的泵效率(％)19】。在水泵的工作过程中，只有在等于原设计工况(点A)时，效率才会最高。偏离这个工况(点在B，c，两点间)效率就会降低，水泵在高效区运行，其耗能也会最省。根据以上的分析，按照供水系统的实际流量Ql和扬程Hl及与之相应的水泵使用效率”l，可以计算出泵所需的比较经济合理的功耗P1，即：P1=半(32)整个供水系统所具有的节能潜力为：△E=(P．P1)×t。其中P为整个水处理系统水泵消耗的功率(kw)；t为水泵的年运行时间(小时／年)。上述分析表明，合理选择化工泵、使化工泵运行在高效率区对系统节能很重要。2．化工泵变速运行的节能原理在废水流量控制系统供水管道的H—Q曲线如图3．2所示。管道装置特性(H—Q)可根据闸阀全开时测得的各种数据由式：H，=aQ+Hi求得。其中Hi为泵进、出口水位的高度差(m)，其大小与流量Q无关：；a为供水管路的阻力系数。图3．2中曲线1表示水泵在额定工况和给定速度下运行时的全部势扬程、流量点和泵效率点的轨迹。曲线2表示管道系统阀门全开刚‘的阻力特性曲线，即水泵要克服的水头摩擦。管道压力随流量的平方而n工程硕士学位论文变化。曲线3是静压高度，它相当于从叶轮中心高度减去系统的自然升高。管道特性曲线H与泵特性曲线之交点即为泵的正常使用工况点。从管道特性上求得管道实际所需要的性能和泵与管道性能的匹配情况，以此作为变频调速供水设计的依据。在图3．3中，化工泵运行工况点D是泵的特性曲线N1与管路阻力曲线Rl的交点。为了在扬程不变Ho=H。时保证汽提塔”流量恒定，如果国外采用用流量计控制气动阀控制流量控制时，由于要减小流量Q(Q26时，停止积分，并对积分值清零，只保留比例部分，调整Kp，使印=鲁则调节器输出达到限幅值，系统以允许最大的能力快速减小偏差。(2)小偏差范围润整规则当e≤6时，系统进入小偏差范围(3．10)及时调整Kp和Kin工程硕士学位论文的值，可避免产生过调现象，使系统平稳进入稳定运行状态。下面分三种情况讨论小偏差范围调整规则，为了不产生歧义，应使Kp≥O、Ki≥0。1)x，b<0。当x，>0、XJ0时，表明偏差正向零趋近，应逐步减少KP，减弱比例部分的控制作用。当偏差越接近于零，且接近零的速度越快时，Kp的衰减越快。当xz)O时，积分部分产生增加流量，而X2O、x：<0，积分部分同样有利于消除偏差，若x，<0、x。<0，，积分部分产生积分部分产生的加速同样使偏差减小。反之，若x。>O、x。O，积分部分产生的加速不利于消除偏差。因此，当x。x。O。当x、>O、x。>0或x、<0、x。>O时，偏差e≠0，表明偏继续增大，应快速速增大KP，使x。反号，快速有效减小偏差，偏差e离零越远、离开越快Kp的增加越快。Ki调整规则与x。x。(O相同。Kp(q+1)=Kp(q)+n。。x。x。(3．13)Ki(q+1)=Ki(q)+T1。。x：x。(3．14)3)当x，x。=0时，当x．=O、x：，=O时，系统在平衡点运行，故保持Kp、Ki不变。当x．≠O、xj=O时或当x，=O、x。≠O时，仍保持Kp、Ki不变。一旦系统离开平衡点，Kp、刖重新进入学习调整状态。综上所述此智能型PI调节器调整规则为11}当e>6时，脚=二书4Ki=O：lel当e≤6、x-x；O时，Kp(q+1)=Kp(q)+n。。xsxt；当e≤6、X，XJ≠O时，Ki(q+1)=Ki(q)—m。。x2x。；当e≤6、X。‰=O时，保持Kp、Ki不变。与传统PI调节器控制系统相比较，智能型PI调节器控制系统的响应速度快、超调小、动态性能指标优秀，且动态性能仅取决于系统的实际偏差及其变化率，与控制对象数无关，因而鲁棒性很强。3智能型PI调节器参数的初值智能型PI调节器具有参数自调整能力，可适应各种复杂的工况，但N参数的初值响n第三章埋论与算法研究到系统的初始性能和优化速度。关于比例系数Kp的初值，系统能够按照式(3，9)它进行自动优化，而积分系数Ki的初值则应按连续系统工程设计方法来定。汽提塔流量变频调速控制时Ki的初值为lOs。3．2．3．智能型PI调节器PLc软件的设计本系统采用c200HE型的PLc，该型机配置有编程器接口和串行接口，既可以通过编程器接口，又可以通过串行接口进行程序输入等工作。通过串行接口输入程序，需要在上位机上安装有专用丌发编程软件。PLC生产商开发CxP软件。该软件界面友好，操作简便，占用硬盘空问不大，只有36M。该软件是32位软件，支持OMRoN公司全系列PLC。c200HE型的PLc，配有CPU42、模拟量输入模块AD003、模拟量输出模块DA004。由AD003采集流量信号，c200HE型的PLc指令的执行速度较快，数据处理能力较强，运算速度较快且具有算术运算等功能。为提高其抗干扰性能，在A／D转换时填加数字滤波处理。PLc控制程序由一个主程序、若于子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编泽后通过PC／PPI电缆把程序下载到PLc，控制任务的完成，是通过在RuN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。将智能型PI流量调节程序设计成PLC的一个控制子程序。图：{．6是智能型PI调节控制子程序流程图，采样时间是用PLc内部定时中断来控制，定时时间到，进入智能Pr调节运算子程序，并将运算结果送给DA004模拟量输出模块即变频器频率设定端的信号模拟量值。主程序中用丰』J始化脉冲将调节器的比例系数kP、调节器的积分时间常数Ti、调节器的微分时间常数Td的值送入PLc的数据寄存器中，这些参数随不同的控制对象的要求而定。由于中小型PLc的高级指令系统中一般不提供浮点运算，如遇到小数可采取先扩大N倍，最后计算结果再缩小N倍的方法。预留一定数量的数据寄存器用于存放各种数据，或运算处理的中间结果等。c200HE每个数据寄存器均为16位。乘法的运算结果可占用相邻的两个数据寄存器。输入变量采用流量误差及其变化速度，输出变量为控制量u。x。是流量偏差信号x。为流量偏差的积分，澎是流量偏差信号，u输出的量控制变频器输出频率。即由PLC输出至变频器频率设定端的信号模拟量值。这些值经线性变换后，在PLc中都以无量纲的形式表示，其表示范围是O～FFH。这一范围对不同的模拟量代表了不同的量程，如流量的量程为0～12莳／h，。为了加快PLc的实时运算速度、减小内存占用，应尽量基本简便计算的输出量u，如采样频率确定后，五=Iedt为流量偏差的积分=∑e=e(k)+e(k一1)一e(k_1)、实际流量’Jdn变化率的负值x、=一兰≥=Q(k一1)～Q(k)。nT程硕士学位论文r—·———i——。——]卜?开始毫■l麟。．；：j黔鐾垡磐磅和钡。尊蓼g爱綦；?fXr————。——jr-——。—。—_r『。—。——。—j}—————]Kp(自牧凌爨唆(qj期辞旗t辫I匮，K6Iq￡尊豢姆(q)+iqp2xm——————————1————————一——————————。—————————一l⋯⋯⋯匦煎圈匿亟塑鍪煎霆匦圈』[—=二二二二二二芏二二二!1型：：!垫．1匪堡箜兰兰堂燮鐾整塑壅兰堕鎏Ir—i———-i—}———-i—。；二—一—一卜。。≯。输出疆《《芦警。，、lL———————=————i——===—————二————————一图3．6智能型PI调节的软件流程图为了适应实际需要，把智能型PI调节的参数的初值作为一个可调参数放到组态界面上，在系统运行调试的时候能根据各种工作状态下的流量效果再进一步综合调整，最终取得更为满意的控制效果。采样周期7f的选择：采样周期了在计算机控制系统中是一个重要的参量。通常，采样周期的选择应视具体剥象而定，反应快的控制回路要求选用较短的采样周期，而反应缓慢的回路可以选用较氏的采样周期。实际选用时，应注意以下几点：(a)采样周期应比对象的时间常数小的多，否则采样信息无法反应瞬变过程。采样频率应远大于信号变化频率。按香农(Shannon)采样定理，为了不失真地复现信号的变化，采样频率至少应为有用信号最高频率的两倍，实际常选用4～10倍。(b)采样周期的选择应注意系统主要干扰的频谱，特别是工业电网的。一般希望它们有整倍数的关系，这对抑制在测量中出现的干扰和进行计算机数字滤波大为有益。爹n第二章理论与算法研究(c)当系统纯滞后占主导地位时，采样周期应按纯滞后大小选取，并尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整数倍。在实际J电用中常常难于确定最高频率，故采用一些经验公式确定。下面给出用单位阶跃函数响应曲线求采样时间的一般公式：dt=O．1(1+T)，其中T为系统时间常数，t为系统死区时问。上面的公式或其他的经验公式确定的采样时间都是防止失真的上限值，理论上希望它越小越好，但在数学计算中，采样时间太小也有问题，如加大计算机的工作量等等，但无论如何不应超越邯艮值。现在在可变程序控制器系统中，采样工作是在执行用户程序中完成的，如果小是采用中断方式，由于系统工作是采用巡【旦I扫描方式执行用户程序的，程序中的采样时问就不能按照计算出的采样时间值dt来设置，主要原因可见下例。设一可遍程序控制器闭环控制系统，最大扫描运行周期为lOms，程序中规定的采样时间为10ms，假设采样指令在程序的最后，如果每个扫描运行周期是固定不变的，自然可以确保程序中规定的采样时间，从而按时进行PID运算，执行控制。但实际工作中系统扫描运行周期并不都是同定不变的，比如第二个扫描周期为9毫秒，当机器完成扫描时，按照原先规定应执行采样和PID指令，但采样时间未到，冈此不执行采样和PID运算，而进入第三个扫描周期。若第三个扫描周期的时间为8毫秒，存完成扫描周期进行到采样和PID指令时，自然回去采样和执行PlD指令，但此时与上一次采样的时间间隔已不是10毫秒，而是17毫秒了，实际采样时间要大于系统规定的采样时间，但最长不会大于原来规定的二倍，由此我们得出确定程序规定采样时间的算法为：△t=三dt(3．15)2其中△t为程序采样时间，dt为系统采样时间。为了确保系统采样时问dt，就得使可编程序控制器系统的扫描周期时间小于或等丁程序规定的采样时间△t。在一台可编程序控制器系统中往往需要对多个生产过程进行闭环控制，扫描周期利问会相应变民，它就和最小采样时间有一定矛盾，因此必须妥善组织。一般可以采取将各个生产过程错开控制，尽量使每个扫描周期相近，并小于最小采样时间。利用可编程序控制器实现生产过程的闭坏控制，和其它控制方式一样，应参加用户程序的巡回扫描，在取得采样参数后按照PID运算规律予以处理，并将有关结果输出以实现控制作用。一台可编程序控制器经常要对多个生产过程实行闭环控制，但每个牛产过程的具体条件吖i同，因此PID运算的一些参数如Ki、T。亦不同，为了适应多个闭环控制，建立一个过程数据表，用它来存放过程数据，当需要进行PID运算时，从过程数据表把过程数据送至PID工作区，待运算完毕将有关数据结果再送至过程数据表。n工程顾士学位论文3．3液位积分分离PI调节b01‘4113．3．1积分分离智能型PI调节在废水处理液位自动控制系统中，由异步电机驱动的离心水泵的动态特性具有非线性，多参数等特点，同时由于管道长度，机械阻力以及信号延迟等原因，使得液位被控对象有明锓的纯滞后。对于本文所研究的废水处理控制系统来说，一方而对液位的控制精度要求较高，对控制器的鲁棒性要求较高，经过反复比较观察现场的各种实时数据，采用PLc的PlD积分分离智能型PI调节控制、编程简单、控制可靠，适合于汽提塔液位自动控制系统。汽提塔液位控制稳定、控制精度高、液位稳定在20cm±2cm，完全满足汽提塔液位控制要求。P1D控制是对比例(P)，积分(I)和微分(D)控制的简称。其中，比例控制是建立与设定值(SV)相关的比例带的一种运算，并根据偏差比例在比例带求得运算值(控制输出量)，从而使控制平滑没有振荡。积分运算用于自动修正静差。其中，积分强度用设置分时间表示，积分时间相当于积分运算值达到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需要的时间。积分时间值越小，积分运算的效正作用越强。微分运算用于加速干扰响应。其中，微分强度用微分时问表示，它采用一个正比于偏差变化率(微分系数)的运算值进行校正控制。该微分运算提供了一个很大的运算值，从而使系统迅速恢复原始状态，微分时问值越大，微分运算的校正作用越强。由于本系统的控制对象有呆滞时间，我们采用了积分分离的PID控制。即控制输出值进入饱和时，去掉积分作用，这时将积分时间设置为最大值(9999)，可使系统迅速退出饱和状态。而积分分离限在上层的组态软件中进行设置。分离限设置如下：积分限高分离=塔一液位设定值女1．05积分限低分离=塔一液位设定值女0．90PLc根据现场的采集数据和设定值(sV)，以及PID参数对偏差进行比例、积分和微分计算，求出合适的输出值，变频调节，使得控制量控制到设定值的附近。根据现场实际，塔一液位的积分高、低、各个画面，。当点击参数调整按钮时弹出PID参数输入对话框。系统底层为PLc(数据采集与控制层)，即可编程序控制器，为oMRON公司E系列机。它功能强大、可靠性高，大大提高了系统的响应速度和稳定性。3．3．2液位PI控制及PLC程序清单1．控制系统的硬件组成液位PID控制控制系统的原理如图3．7所示。PLc可通过Rs一232通讯口与工控机进行串行通讯。上位机监控用组态王6．5来开发监控，实时反映监控对象的状态和运行参数。26n第三章理论与算法研究进进汽水流量Hc图3．7液位PTD控制控制系统的原理图控制器：OMRON的c200HE和AD003／DA004模块；测量变送器：uHz系列(O～500mm)磁性浮子液位计执行器：FR—E540—2．2Kw三菱变频器、IHF2．2Kw化工泵(1)c200HE：0MRON公司的C200HE可编程序控制器是采用紧凑型整体结构，最大I／O点数为480点，具有远程I／O系统，可将其I／O点数扩展到1792点，是一种性价高性能好的PLC。(2)AD003／DA004模块：对模拟量进行处理，模拟量输入单元AD003和模拟量输出单元DA004，以便将模拟量转换成PLc可读的数字量形式，再将PLc的数字量转换成模拟信号输出，以驱动现场模拟装置。C200I—l—AD003模拟量输入单元的性能特点：输入路数：最多8路／单元，可由用户选择使用。输入信号范围：电压输入可由用户选择为1～5V或4～20MA；O～10V或10～十10V。电流输入为4～20f【1A。分辨率：输入为电压或电流时均为满量程的1／4000(含线性误差)。精确度：25℃为土O．2％满量程，O～55℃时为0．4％满量程。转换时间：最大1．Oms(一路)。输入代码：12位二进制数码(000H～FAOH)。模拟量输入单元提供四种功能：比例、平均值、峰值、均方根，这些功能必须通过编程来没定。c200H—DA004模拟量输出单元的性能特点：输出模拟量路数：最多8路／单元，可任意选择其中一路。输出信号范围：电流输出为4～20111A。分辨率：输出为满量程的1／4096。精确度：25℃时为满量程的0．5％，0～55℃时为满量程的O．8．％。转换时间；最大1．O【【lS(一路)o．输入数字量：12位二进制数码(000fI～FFFH)。允许外部输出负载电阻(电流输出)：最大600Q。n工程硕士学位论文功耗：DC26V最大250mA。(3)uHz系列磁性浮子液位变送器：液位计由基本型，现场指示，液位报警器和液位远传装置三部分组成。，基本型是按磁性浮子在液体中产生浮力的阿基米德定理和磁钢同性相斥，异性相吸的性质研制而成．根据上述原理，将液位的变化线性量经磁传递给现场指示器，液位为红色，气相为白色。液位远传装置由磁性材料将液位的变化性的转换直流4～20r【lA的电流信号，传给二次仪表实现液位的远传、测量、控制和记录。量程(0～550唧)；输出信号范围：电流输出为4～20IIlA。指示精度：54℃，±5m5工作温度：一40～120℃。(4)执行器：FR—E540～2．2Kw三菱变频器、IHF2．2Kw化工泵特点已在上一章介绍。2．软件设计c200HE可编程序控制器PID控制指令如表3．1PID控带峙匕令表3．1所示。设定参数限制：C和C十32必须在同一数据区。说明：PID指令根据指定参数进行PI控制。指令从输入字S的内容获取指定的二进操作数据区域PDs：输入字SⅡ≈SRARD№}Ⅱ、LRc：参数字CRSRD№HR，LRD：输出字DRSRARDM，HRLR制数据的输入范围，按照设定参数，进行PID运算，运算结果存放到输出字D中。PID参数字范围是从C～c十32。PID参数结构如表3．2所示”⋯。表3．2PID参数结构字15～121卜一87～43～OC设定值(sv)C卜1比例值(P)C_卜2Tik=积分时间Ti／采样周期r(注11Cf一3Tdk=微分时间Td／采样周期r(注1)C十4采样周期rC十52一PID参数a(见注2)PID正向／反向设定C十6。输入范围时问单位输出范围C十7toC—I‘32注1．用C+2和c+3中所设定的值和c+6中没定的时间单元可以计算实际积分和微分时间。2．通常2一PID参数(a)设定值000，相应的a为O．65。P1D参数的整定：离散PI控制参数整定的任务主要是确定KP、KI、KD、和采样周期T。对于结构和控制算式的形式已定的控制系统，控制质量的好坏主要取决于选择的参数是否合理。由于n第三章理论与算法研究计算机控制系统的采样周期了很短、方法也可适当套用。离散PID算式与模拟PID算式十分相似。因此的整定进行PID控制运算时，指令执行条件为ON，执行条件的上升沿时、根据设定的PID参数，工作区域被初始化，PID控制运算开始，在刚开始运行时运算输出值刁i发生突变和大幅变化，避免控制系统受反向冲击(无冲击运行)。程序简介：本系统，由于控制回路较多，只选取其中的一个为例，这里我们就以塔液位为例。其程序框图如图3．8所示。与塔一液位PID控制部分相关的程序清单如下所示。，#，o4．”i譬j5碜!薅媳璺(蓦舞毋测量铀取)；图38积分分离的PID控制LD200系统正常、进入PID控制程序；SBB(51)102DM210DM310把现场采集到的数据从002通道中与DM2lo给定值相减，存MOV(21)DM400DM542LDNOT109．02ZCP(88)102DM311DM312LDPGTOl{PLTMOV(2i)#9999DM542入DM310中；把KI参据从DM400中送入入DM542中；002通道不断线条件下，将从002通道采集到的数据与积分分离上限D№11、下限DM312进行比较；若高于积分分离上限、或低十下限；去积分；LDNOT109．02002通道不断线条件下，PID(17)DM2lODM540122作PID运算，把运算结果作为输出移到olo通道中，实现P【D控制。本系统采用PID整定后，动态响应快，超调量小，液位稳定20±1cm符合稳态精度要求。n丁程硕上学位论文第四章流量液位温度控制实施技术4．1汽提塔流量控制4．1．1汽提塔流量控制技术要求汽提塔在填料层中使从塔顶流下的废水与塔底上流水蒸气的逆流相遇，使废水中的挥发性物质按一定比例扩散到气相中去，从而达到从废水中分离污染物的目的。1．为了保证废水汽提塔分离污染物(COD含量为30000mg几以内的废水经处理后能达到2000mg／L以下)效果与工艺要求：汽提塔流量相对稳定(在数小时不变)并满足T厂污水处理的要求。汽提塔流量3～12m3／h、废水扬程20m、出口压力1．2kg／c一。2．废水处理汽提塔节能要求，汽提塔常年运行、年能耗很大，运行费用较大。其中进水泵、出水泵的节能运行是降低运行费用主要途径。3．运行的可靠性，废水处理汽提塔是大中型化工企业的主要的废水处理设备，为了保证化工仓业正常生产、不发生重大环境污染。要求系统运行可靠。废水处理汽提塔自动控制系统用涡街流量计、PI．c与变频器构成反馈的闭环流量控制系统。用调节5．5Kw化工泵转速，保证废水流量稳定、满足汽提塔的工艺要求、并可根据现场处理情况自动切换流量(两挡)，满足工业现场废水处理要求。两台变频器、两台化工泵一用一备(互为备用)保证系统运行可靠。废水流量、累处理量实时显示。4．1．2汽提塔流量控制的设计1．汽提塔流量控制系统的组成汽提塔废水处理流量自动控制系统用涡街流量计、PLC与变频器构成反馈的闭环流量控制系统。用调节5．5Kw化工泵转速，保证废水流量稳定、满足汽提塔的工艺要求、并可根据现场处理情况自动切换流量(两挡)，满足工业现场废水处理要求。两台变频器、两台化工泵一用一备(互为备用)保证系统运行可靠。废水流量、累处理量实时显示。汽提塔流量控制系统的硬件组成如图4．1所示。(1)由流量传感器测量污水管的进水口流量，流量变化信号变换成标准4～20【【lA电流信号(便于远距离传送信号)、液位传感器将缓冲罐液位开关信号传送PLc实时控制。(2)把信号传到有相关软件的PLc、Pc工控机。根据汽提塔工艺要求、现场污水排放量进行智能型PI流量调节控制，Pc工控机动态显示。(3)计算出污水处理量。(4)控制信号控制变频器、水泵机组及控制管网中各个控制执行机构。使其满足现场、控制柜、手动／自动流量切换、故障自动检测、切换与显示控制要求。n第四章流量液位温度控制实施技术隔离开关．．．一，．．．．．．．．．．．Jsn断路器＼＼KMlKM2-佃一／，一了rL一鼢：霉麓摭≥sF2断跨堡jPLi。壤L—J近控机≯|图4．1汽提塔流量控制系统的组成汽提塔2．流量计的选型流量专家F．c．Kinghoro曾说过，流量计是少数几种使用比制造艰难的仪表之一。这是因为流量是一个动态量，处于运动状态的液体内部不仅存在省粘性摩擦作用，还会产生不稳定的旋涡和三次流等复杂流动现象。测量仪表本身受到众多因素，如：管道、口径大小、形状(圆形、矩形)、边界条件、介质的物性(温度、压力、密度、粘度、脏污性、腐蚀性等)、流体的流动状态(紊流状态、速度分布等)以及安装条件与水平的影响。而对国内外十几类、上百个品种的流量仪表(容积式、差压式、涡轮式、面积式、电磁式、超声波式和热式流量计等类型)，如何根据流量、流态、安装要求与环境条件、经济性等因素合理选型，是应用好流量仪表的前提和基础。除了仪表自身质量要得到保证，工艺数据的提供和仪表的安装、使用、维护是否合理也相当重要。下面介绍电磁式、涡街式、节流式流量计的原理与选型设计“⋯。(1)电磁流量计选型设计电磁流量计自20世纪50年代末国内首次工业应用以来，七八十年代在流量测量中运用和发展很快。电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，即被测介质垂直于磁力线方向流动，因而在与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一感应电动势E，与被测介质流量(流速)成正比，电磁流量计不受温度、压力、粘度、重度等外界因素的影响，测量管内部无收缩或凸出部分的压力损失，另外．流量元件检测出的最初信号，是一个与流体平均流速成精确线性变化的电压，它与流体的其他性质无关，具有很大的簿薷甄丁③p五嚣篱@一篙、紫n工程硕士学位论文优越性。根据污水具有流量变化大、含杂质、腐蚀性小、有一定的导电能力等特性，测量污水的流量，电磁流量计是一个很好的选择。它结构紧凑、体积小，安装、操作、维护方便，感应电动势E，与被测介质流量(流速)成正比，电磁流量计不受温度、压力、粘度、重度等外界因素的影响，测量管内部无收缩或凸出部分的压力损失。另外，流量元件检测出的最初信号，是一个与流体平均流速成精确线性变化的电压，它与流体的其他性质无关，具有很大的优越性。根据污水具有流量变化大、含杂质、腐蚀性小、有一定的导电能力等特性，测量污水的流量，电磁流量计是一个很好的选择。它结构紧凑、体积小，安装、操作、维护方便，如测量系统采用智能化设计，整体密封加强，能在较恶劣的环境下正常工作。(2)涡街流量计选型设计涡街流量计作为一种新型流量计，80年代中期以来发展较快，它在流量测量方面有着诸多的优点和长处，在现代流量测量中应用越来越广泛。在国内使用祸街流量计进行流量测量也愈来愈得到重视，目前我国已有性能优良并有自主知识产权的产品系列。涡街流量计是基于流体振动发展起来的，根据旋涡的不同，检测方式从热丝式、热敏式逐渐发展了应力式、磁敏式及差动开关电容式、超声波式等。涡街流量计几乎可用r一切可形成旋涡列的场合。与电磁流量计相比，涡街流量计没有可动的机械部件，维护工作量小，仪表常数稳定；与孔板式流量汁相比，涡街流量计测量范围大，压力损失小，准确度高，安装与维护简单。但涡街流量计的环境相关参数较多，容易在使用现场被忽略而影响流量计性能的iE确发挥。涡街流量计的原理是在流量计管道中，设置～滞流件，当流体流经滞流件时，由于滞流件表面的滞流作用等原因，在其下游会产生两列不对称的旋涡，这些旋涡在滞流件的侧后方分丌，形成所谓的卡门(Karman)旋涡列。两列旋涡的旋转方向是相反的，卡门(Karman)从理论上证明了当h／L=O．28l(h为两旋涡列之间的宽度，L为两个相邻旋涡问的距离)时，旋涡列是稳定的，在此情况下，产生旋涡的频率f与流量计管道中流体流速v的关系为：f=sv／dB口v=df／S式中d一圆柱形滞流件的直径：s一无量纲常数，称为Strouhal数，与流体流动状态的雷诺数Re有关。流量计圆截面管道的雷诺数Re为：Re=vdp／“式中v流体的流速，m／s：p～流体的密度，kg／m3：u一流体的动力粘度(kg．m1)／s；而流体的流量：O=A术V从上式可见，流量Q不仅与f有关，而且与雷诺数Re也有关。雷诺数Re是表征粘n第四章流量液位温度控制实施技术性流体流动特性的一个无量纲数，其物理意义是流体流动的惯性力与粘滞力的比值。因此，流体的流动状态对涡街流量计的使用也有一定的影响。如果环境参数对流体流动状态有影响也会影响到涡街流量计的使用性能。经过实践，如下几个方面对涡街流量计的使用都有影响，应对这些问题进行分析。1)涡街流量计的测量范围较大，一般10：1，但测量下限受许多因素限制：Re>10000是涡街流量计工作的最基本条件，除此以外，它还受旋涡能量的限制，介质流速较低，则旋涡的强度、旋转速度也低，难以引起传感元件产生响应信号，旋涡频率f也小，还会使信号处理发生困难。测量上限则受传感器的频率响应(如磁敏式一般不超过dooHz)和电路的频率限制，因此设计时一定要对流速范围进行计算、核算，根据流体的流速进行选择。使用现场环境条件复杂，选型时除注意环境温度、湿度、气氛等条件外，还要考虑电磁干扰。在强干扰如高压输电电站、大型整流所等场合，磁敏式、压电应力式等仪表不能正常工作或不能准确测量。2)振动也是该类仪表的一大劲敌。因此在使用时注意避免机械振动，尤其是管道的横向振动(垂直于管道轴线又垂直旋涡发生体轴线的振动)，这种影响在流量计结构设计上是无法抑制和消除的。由于涡街信号对流场影响同样敏感，故直管段长度不能保证稳定涡街所必要的流动条件时，是不宜选用的。即使是抗振性较强的电容式、超声波式，保证流体为充分发展的单向流，也是不可忽略的。3)介质温度对涡街流量计的使用性能也有很大的影响。如压力应力式涡街流量计不能长期使用在300℃状态下，因其绝缘阻抗会由常温下的10MQ～100MQ急降至1MQ～lOKQ，输出信号也变小，导致测量特性恶化，对此宜选用磁敏式或电容式结构。在测量系统中，传感器与转换器宜采用分离安装方式，以免长期高温影响仪表可靠性和使用寿命“”。涡街流量计是一种比较新型的流量计，处于发展阶段，还不很成熟，如果选择不当，性能也不能很好发挥。只有经过合理选型、正确安装后，还需要在使用过程中认真定期维护，不断积累经验，提高对系统故障的预见性以及判断、处理问题的能力，从而达到令人满意的效果。(3)节流式流量计选型设计节流式流量计是早期人量使用的一种测量流量的计量装置，其历史最长，用量最多。现在常见的为圆孔板型和锥形入口板型，其工作原理是在流体管道中加入一孔板节流件，通过导压管引入压差变送器测出节流件上、下游的压差，根据所测的压差经过计算即得出流量的瞬时值。由于导压管内水的不流动性，在较寒冷地区，冬天室外安装的孔板取压管容易冻裂(冻住)，使差压仪器无法正常工作。测量较脏的污水时，孔板需经常清洗。如清洗不及时，测量精度降低，取压管经常被污物堵死，仪表无法使用。用孔板的方式测流量时还有压力损失大、维护量大等缺点。因此改变取压方式，例如用径距n工程硕_上学位论文取压法，就可以减少孔板污物的影响。以上几种流量计中，电磁流量计性能较好，节流流量计应用范围广，而涡街流量计比较新型，并正在不断发展。本系统废水处理流量自动控制采用LDG8涡街流量计，测量范围0～12m3／h、输出(4～20mA)，精度等级1．0级。涡街流量计流量计与以上几种流量计相比，价格适中，但精度较高。随着流量测量中对精度要求的不断提高，根据不同安装场合的具体情况，可选择以上所述流量计之一。3．化工离心泉选型汽提塔废水处理流量自动控制的环境要求化工离心泵耐腐蚀、耐磨、耐高温、不老化、机械强度高、运转平稳，具有防爆性能。本系统选用THF型为单级单吸式氟塑料合金化工离心泵。该泵是按国际标准并结合非金属泵的加工工艺设计生产。泵体采用金属外壳内衬聚塑料整体烧洁压制成型。轴封采用外装或波纹管机械密封，静环选用99．9％氧化铝陶瓷或氮化硅，动环采用四氟充材料，进出口均用铸钢加固。实际使用显示该泵具有耐腐蚀、耐磨、耐高温、不老化、机械强度高、运转平稳、结构先进合理、密封性能可靠、拆卸检修方便、使用寿命长等优点，广泛适用于化工制药、石油、冶金、冶炼、电力、电镀、染料、农药、造纸、食品、纺织等行业。在一85℃～+200℃温度条件下长期输送任意浓度的硫酸、盐酸、醋酸、氢氟酸、硝酸、王水、强碱、强氧化剂、有机溶剂、还原剂等强腐蚀性介质，是目前世界上最新耐腐蚀性设计之一。IHF氟塑料化工离心泵泵体、叶轮、泵盖与介质接触表面均衬有氟塑料(F46、PVDF)、增强聚丙烯，在IH型不锈钢耐腐蚀泵基础上扩大了其使用范围。其性能参数、安装尺寸都符合困际的通片j性和互换性。该泵额定性能点和尺寸等都采用国际标准Is02858一1975(E)，是取代F型耐腐蚀离心泵的节能，更新换代产品。本系统采用IHF50一32一160A化工泵：IH一国际标准化工泵系列产品；F一泵过流部分材质；50一泵进口直径；32一泵出口直径：160一叶轮名义直径；A一叶轮外径第一次切割；流量12．5m3／h；n=2900r／min；扬程32m；轴功率4kw；电机功率5．5kw；汽浊余量2m；余量m效率46％。4．电机选型汽提塔废水处理自动控制系统在可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的场所中使用，应采用YB2系列隔爆型三相异步电动机、满足GB3836．1《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》、GB3836．2《爆炸性环境用防爆电气设备隔爆型电气设备》的要求和IEC60079—1的规定。爆炸性气体环境用防爆异步电机典型品种有隔爆型和增安型两种。隔爆型三相异步n第四章流量液位温度控制实施技术电动机是采用外壳机械结构隔离电机内部爆炸源，实现工频电源下安全运行的。如果使用变频器作为驱动电源来运行，对其机械结构并没有改变，对防爆安全性的影响不大，实现起来相对容易。选型和使用时，配套原则与通用变频器和普通电动机的配套原则基本相同除应把变频器与电动机负载性能相匹配放在首位外，还应经国家防爆安全机构作为专用电动机检验认川‘合格后的产品，方可投入使用。YB2系列隔爆型三相异步电动机的整体水平第一是具有高可靠性。防护等级由YB系列的IP44提高到IP55，使防爆性能更可靠。并达到了国外同类产品的先进水平。YB2系列电动机的效率和功率因数是主要的技术经济指标，YB2系列电动机的效率值比要依据之一。YB2系列电动机效率与德国Siemens公司1Mj系列电动机高O．52％，功率因数值相当，堵转转矩、最大转矩稍低，堵转电流略高。因此YB2系列电动机的效率和功率因数达到了国外先进水平。YB2系列电动机是按空载起动，连续运行方式设计的，故转矩完全能满足使用要求。在额定负载下yB2系列的效率比YB系列低O．84％。但经用户调查，防爆电动机的负载率一般为75％，YB2系列电动机的殴计在负载率为65％～80％时具有高效率。所以正常使用时，YB2系列电动机是节能的。YB2系列电动机的噪声值同国外同类产品相比，虽仍有一定差距，但比YB系列电动机中II级产品平均降低了约5dB。综合水平分析YB2系列电机的整体水平比YB系列电机有较大提高，达到了国际同类产品90年代水平。YB2系列电机防爆安全性、运行可靠性及维护使用性的提高，对用户来说也将带来明显的经济效益。本系统选用YB2系列防爆电动机：额定频率为50Hz、额定电压为380v额定功率5．5kw，2极电机：带底脚卧式和电动机安装尺寸与化工泵保持一致。5．变频器选型变频器变频器分为交一交和交一直。交两种形式。交．交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器，它是一次性换能方式，效率较高，但是其输出最高频率为电源频率的1／3～1／2，使用范围有一定限制，适用于低速大容量的调速系统。交一直一交变频器则是先把工频交流电通过整流器变为直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称为间接式变频器，它具有功率因数高，频率调节范围宽，适用于各种传动装置等优点，通常所说的通用型变频器即是这种变频器。根据用于缓冲无功功率的中间环节的储能元件是电感还是电容，通用型变频器又可分为电压型和电流型。电压型变频器属于恒压源，电压控制响应慢所以适用于作为多台电机同步并联运行时的供电电源，具有不选择负载的通用性，但不要求快速加减速的场合，通用型变频器多为电压源型。电流源型变频器则相反，由于滤波电感的作用，系统对负载变化的反映迟缓，不适用于多台电机的传动，而更适合于一台变频器给一台电机供电的单n工程顾士学位论文电机传动，可以满足快速起制动和可逆运行的要求，适用于频繁急加减的大容量电动机的传动，由于是电流源，实现过电流保护容易。目前防爆型变频器供应较少，较为可行的办法是由具有一定技术和生产能力的单位对现在市场供应的普通通用型变频器进行防爆性能改造。由于目前通用的变频器没有防爆结构和防爆性能，本系统用变频器驱动防爆电动机时，将变频器设置在危险场所之外的控制室内，变频器与防爆电动机相距30m、对线路损耗的电压进行补偿。变频器采用三菱公司R_E540一5．5K型变频器，具有较合理的价格。产品均采用以微处理器核心的数字控制技术，在使用过程中都能达到很好的响应能力，具有频率设定检测、负荷选择、电流输入等，共计100多个参数选择，及对变频器过载、cPu故障、电机再生电压过大等多种故障进行监控。当设备发生故障时，该变频器可及时停止运行，防止事态恶化，并通过参数单元显示故障代码，提高查找故障的效率。4．1．3变频器的连接与控制1．主回路连接变频器的R，S，T为输入端，通过∞7断路器、经过交流接触器KMl接50Hz三相380V交流电源。交流接触器KMI线圈串变频器故障检测保护B端口、PLc输出端起故障自动保护与控制作用，输出端u，V，w则直接接到交流电机上驱动电动机。变频器的输出也为三相交流电，三相交流电源在变频器内部经过了交一直变换，之后经过逆变器，根据PLc的对端口2给定参数进行了逆变，使得输出为某一相应设定频率的交流电、满足流量控制要求。图12变嚏骑搬蝴穗蜩变频器输出频率的变化，导致电动机的输出转速变化，二者之间的关系近似线性。这样，就起到了调速调节流量的作用。在电路系统中，为了保证正常运行安全，必须将设备可靠的接地，变频器的接地端应可靠接地。2．控制回路输入信号连接变频器的FwD—REV端分别用于启动电动机正向运转和反向运转，运转条件是相应的端子与sR公共端间处于oN状态，为0FF时，则停止运转。因为电动机不能同时处于正向和n第四章流量液位温度控制实施技术反向两种运行状态，因此，作为一种保护状态，当sTF—sD和sTF—sD都为ON时，电动机既不正转，也不反转，处于停止状态。在运行过程中，化工泵按一个方向运转，只需要使用PLc端口控制sTF端子电机运转。要控制变频器的频率输出达到电机调速的功能，控制输入回路中接入频率PLc端口设定电路，用外部输入电压或电流信号来控制变频器的输出频率，此时的变频器输出频率与频率设定电压或电流输入成正比。外部输入电压由PLc的PlD程序直接控制，由PLc输出信号来加以控制变频器的频率，频率设定的端子10，2。端子5，4是变频器反馈端口。3．控制回路输出信号连接为了监控变频器的运行状态并即使发现异常，从控制回路的输出端取出了变频器的芹常信号送到PLc的输入模块。当变频器正常工作时，A1端子之阳J为断开状态，而出现异常时，A1问为ON。因此，我们实际上用这个信号作了变频器的故障诊断信号。B1端口PLc输出端起故障自动保护作用，变频器的接线原理图如图d．2所示：d．电动机的保护虽然受变频器控制的水泵长期运转，但受流量变化的影响，水泵转速时高时低，电机转速升降时电流呵能超过额定电流引起电机温升过高，电机保护在变频器参数中没定。5．变频器频率的设定变频器的最高频率设定一般为50Hz(即电机工作时的额定频率)。变频器的最低频率设定一股为O．2Hz本系统还可以加上24小时轮换工作制，当某一台水泵连续工作超过24小时后，自动更换为另一台泵工作，避免某一台泵长时间工作，降低水泵的使用寿命。变频器部分参数有：环境设定模式参数、运行模式选择、加减速时间、力矩补偿、速度控制、工厂调整用参数、频率指令、频率上下限、电机参数、多功能输出、模拟量输入、电机保护功能、瞬时停电处理、失速防止功能、过力矩检出、硬件保护。．4．2汽提塔液位、温度监控系统4．2．1液位自动控制系统1．液位自动控制要求汽提塔自动控制系统汽提塔液位要求较高，它直接影响到废水汽提塔分离污染物效果。汽提塔通汽提塔液位过高过低废水汽提塔分离污染物效果较差，提塔分离污染物达不到指标要求，处理后废水中COD的含量过高。控制系统要求汽提塔液位30±2cm。2．汽提塔液位控制系统的组成汽提塔液位自动控制系统用浮子液位计、PLC与变频器构成反馈的闭环液位控制系统。用调节2．2Kw化工泵转速，保证废水液位稳定、满足汽提塔的工艺要求、并可根据现场处理情况自动切换流量，满足工业现场废水处理要求。两台变频器、两台化工泵一n工程硕士学位论文用一备(互为备用)保证系统运行可靠。汽提塔液位实时显示。图4．3汽提塔液位控制系统的组成结构在废水处理液位自动控制系统中，采用PLc的PID积分分离智能型PI调节控制、编程简单、控制可靠，适合于汽提塔液位自动控制系统。汽提塔液位控制稳定、控制精度高、液位稳定，完全满足汽提塔液位控制要求4．22汽提塔温度控制系统1．汽提塔温度控制系统工作原理汽提塔自动控制系统汽提塔温度监测至关重要，直接影响到废水汽提塔分离污染物效果。汽提塔通入蒸汽过多对废水汽提塔分离污染物效果提高不大，消耗蒸汽过多、并使冷凝后COD污染物残留物体中水的含量过高、大大增加COD浓缩二次利用成本。汽提塔通入蒸汽过少废水汽提塔分离污染物达不到指标要求，处理后废水中CoD的含量过高。在本系统中共设置了5个温度变送器，其中4个温度变送器放置废水汽提塔上中下各位置，一个温度变送器放置在出水管处，PLc实时采集5个温度变送器的数据、并送工控机监控废水汽提塔、出水管温度，操作人员根据现场情况，改变气动阀的给定值调节蒸汽流量，保证废水温度稳定在给定值上、满足汽提塔的工艺要求。并可根据现场处理情况切换流量，满足工业现场废水处理要求。2．温度变送器的选型设计温度测量在工业过程中是最基本最常见，但要实现可靠的高精度测量却不是一个简单的问题。一个基本的测温系统包括温度传感器(如热电偶T／C或热电阻RTD)和信号转换电路(如温度变送器或DCs、PLc的温度模块)。温度传感器是温度测量系统中的重要环节，直接影响温度测量系统的特性，是使用RTD，还是使用T／c?是使用温度变送器，还是直接接n第四章流量渡位温度控制实施技术(如温度变送器或Dcs、PLc的温度模块)。温度传感器是温度测量系统中的重要环节，直接影响温度测量系统的特性，是使用RTD，还是使用T／C?是使用温度变送器，还是直接接入DcS、PLc系统?如何才能实现高精度、可靠性高的温度测量?下面从几个方面来作简要分析。(1)传感器的选择热电偶与热电阻的比较：T／C是由两种不同的金属焊接在一起而成，在接点处会产生一个随温度变化而变化的电势，它适用于高温测量，但其温漂较大。RTD是由高纯度的铂金制成，精度高，稳定性好，温漂小，在正常使用范围内，RTD的精度是T／C的两倍，且寿命长于T／C。R功传感元件有两种方式，一种是晶膜式，它是将铂金沉淀在一个基质上，然后用激光进行精密的修整，使其电阻严格达到所要求的100Q～l000Q各档规格，另一种是线绕式。品膜式的价格低于线绕式，且响应速度较快，可有效抗振动，但不适于高温测量。RTD的传感元件与引线的焊接是最脆弱的环节，需要用高精度的焊接设备做成冗余式的焊接点。对于精度要求不高的高温测量一般选用热电偶T／C，在抗震动，可靠性方面，T／c有其优越性。RTD与T／C的性能比较见表4．1。表4．1RTD与T／C的性能比较表精度稳定性灵敏度线性范围RTD0．005～O．05℃