反应釜监控系统设计控制部分
反应釜监控系统设计控制部分
反应釜是一种用于物理或化学反应的不锈钢容器，其内部材料反应时，釜内的温度、压力等的控制质量直接会影响到生产的效率和质量指标。未经水解处理的污水污泥对环境会有很大的危害，故本课题以污水污泥在反应釜内的热水解为例，利用西门子S7-300系列的PLC对反应釜内的特征参量进行控制。
本课题通过分析污泥污水热水解反应的生产工艺要求，实现对进料流量、液位、温度等控制与调节。采用液位、温度、压力传感器等对要求进行热水解的污水液位、温度、压力等进行控制。在进行温度控制时，采用热电阻传感器以及PID控制方式对蒸汽阀的开合度进行控制，确保液体的温度达到工艺要求。按具体工艺要求经STEP7语言编程后进行分步调试，最后与WINCC进行通讯联接，利用WINCC来实现监控功能。
关键词 反应釜，PLC，热水解反应，PID控制
1 引言 1
1.1 反应釜的分类及其特点 1
1.2 污泥热水解的必要性 2
1.3 课题研究的内容与意义 3
2 基于反应釜控制的污泥热水解系统分析 3
2.1 反应釜结构 3
2.2 反应釜工作原理 4
2.3 反应釜温度控制 5
2.4 反应釜污泥热水解控制要求 6
3 开发工具简介 7
3.1 S7-300系列PLC简介 7
3.2 STEP7编程软件简介 8
4 硬件选择 8
4.1 PLC系统硬件构成 9
4.2 反应釜控制系统的地址分配 12
4.3 PLC外部接线图 14
4.4 反应釜外部器件构成 14
5 基于PLC热水解控制系统的设计 18
5.1 反应釜污泥热水解的工作流程 18
5.2 反应釜污泥热水解的PLC程序编写 19
6 反应釜控制系统程序的调试 31
6.1 程序的模拟调试 31
6.2 PLC调试过程分析 32
6.3 PLC与WINCC的连接 34
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录：程序梯形图 39
伴随现代工业技术的快速发展，反应釜被利用在石化业、橡胶农药业、染料业、医药食品业等各个方面，利用的范围相当的大。其控制质量直接会影响到生产的效率和质量指标，所以，必须要把系统的安全性和可靠性放在反应釜控制系统设计的首位保证反应釜安全、稳定的运行，避免不必要的损失。本课题以热水解反应为例，对反应釜的控制系统进行设计与研究。
污水在处理过程中，会产生很多的有毒物质，这些物质对人的身体会产生不利的影响，同时对自然环境也会有所损害。针对这些问题，我们会将污泥进行热水解，杀死污泥中的微生物，并将污泥内的重金属去除，转化为无害的物质。热水解反应过程大致有原材料进料、材料升温、保温、排压以及卸料等五个阶段。本课题在分析污泥污水热水解反应的生产工艺的基础之上，结合PLC对热水解反应的控制，是热水解反应更加有效地进行，完成对物料液位、流量、温度及反应釜的压力等可控量进行控制与调节，以得到最好的处理成果。
1.1 反应釜的分类及其特点
反应釜适用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等领域，它是用来完成水解过程、液体的结晶、液体的蒸馏、货物的储存、恒温反应等各种工艺流程的容器。在反应釜控制系统的设计过程中，我们可以从反应容器的结构设计以及参数相关配置出发，实现系统所要求对物料的加热、冷却和蒸发等功能。
1.1.1 反应釜类型
反应釜的类型很多，依照各种分类的方法，反应釜种类分为：
1) 可按通电、蒸汽、远红外等不同的加热物料方式分类等；此外，还可按反应釜夹套的冷却、釜内盘管冷却等冷却方式分类。
2) 按反应釜体的原料构成又可分为钢衬反应釜、不锈钢反应釜、碳钢反应釜等。
3) 按反应釜工作时其内部压力的高低，可将反应釜分为常压、正压和副压反应釜。
4) 按搅拌器搅拌形状，可分为桨叶式、锚桨式、框式、螺带式等。
5) 根据反应釜的导热模型的构造，可分类为夹套式、外半管式、内盘管式及组合式反应釜等。
1.1.2 反应釜的特点
反应釜反应过程中会受外界的干扰，其干扰源有温度、反应物质种类、浓度等，这些因素会对反应釜产生较大的影响。此外，反应釜内的材料在其反应的过程中，通常会伴有高温、高压、易燃、易爆,其生产的安全性就很重要,所以质量较高的反应釜控制器的研发就尤为重要。在日常的生产中，反应釜的温度对产品的产量、质量有很大的影响，生产的安全性也与之息息相关。因此如何对反应釜内各种反应的温度、压力等各种变量进行合理有效的控制，就十分的重要。
结 论
本次毕业设计课题是基于PLC反应釜监控系统控制部分的设计，主要是在了解反应釜的内部结构和工艺流程的基础上，按照污泥热水解控制的要求，首先确定输入输出点的个数，本次设计使用了西门子S7-300的SM321、SM322数字量模块以及SM331、SM332模拟量模块，并对传感器、变送器、驱动泵、调节阀等外部器件进行选型。然后在对对进料、升温、恒温、排料各阶段的控制进行PLC编程。本次设计中液位传感器对污水的进料量进行控制；流量计对污水中所加酸碱试剂的时间进行估测；热电阻传感器采集反应釜内液体的温度信号，经A/D转换后得到的数字量与上位机传到PLC内部的设定值进行比较，利用PID控制方法对蒸汽阀的开合度进行控制，确保液体的温度达到工艺要求；采用压力传感器对反应釜的压力进行检测，实测值PLC内部的设定值进行比较，确保压力在安全范围内。在相关程序编写完后，将其进行保存、下载，之后利用S7-PLCSIM进行仿真调试，由于本次设计的编程较为繁杂，所以选则分步调试的方式对其进行运行调试。在调试成功后，将PLC与WINCC进行通讯联接，其监控功能由WINCC来实现。
在设计过程中，我遇到的主要难题主要有是PID调节。由于之前没有接触过用PLC编程实现PID调节的方法，对PID框图的运用不了解，查阅了很多资料，请教了几位老师才得以解决，并且较好的掌握了STEP7编程语言中的PID调节方式。
这次的毕业设计让我对大学四年所获得的知识有了一个非常高的总结与归纳，我清楚地了解到知识和实践的力量对我们专业发展的重要性。此外，我的独立进行思考和解决问题的能力也得到了很大的提升。我相信，这些在毕业设计过程中所得的经验会让我终生受益。
反应釜是一种用于物理或化学反应的不锈钢容器，其内部材料反应时，釜内的温度、压力等的控制质量直接会影响到生产的效率和质量指标。未经水解处理的污水污泥对环境会有很大的危害，故本课题以污水污泥在反应釜内的热水解为例，利用西门子S7-300系列的PLC对反应釜内的特征参量进行控制。
本课题通过分析污泥污水热水解反应的生产工艺要求，实现对进料流量、液位、温度等控制与调节。采用液位、温度、压力传感器等对要求进行热水解的污水液位、温度、压力等进行控制。在进行温度控制时，采用热电阻传感器以及PID控制方式对蒸汽阀的开合度进行控制，确保液体的温度达到工艺要求。按具体工艺要求经STEP7语言编程后进行分步调试，最后与WINCC进行通讯联接，利用WINCC来实现监控功能。
关键词 反应釜，PLC，热水解反应，PID控制
1 引言 1
1.1 反应釜的分类及其特点 1
1.2 污泥热水解的必要性 2
1.3 课题研究的内容与意义 3
2 基于反应釜控制的污泥热水解系统分析 3
2.1 反应釜结构 3
2.2 反应釜工作原理 4
2.3 反应釜温度控制 5
2.4 反应釜污泥热水解控制要求 6
3 开发工具简介 7
3.1 S7-300系列PLC简介 7
3.2 STEP7编程软件简介 8
4 硬件选择 8
4.1 PLC系统硬件构成 9
4.2 反应釜控制系统的地址分配 12
4.3 PLC外部接线图 14
4.4 反应釜外部器件构成 14
5 基于PLC热水解控制系统的设计 18
5.1 反应釜污泥热水解的工作流程 18
5.2 反应釜污泥热水解的PLC程序编写 19
6 反应釜控制系统程序的调试 31
6.1 程序的模拟调试 31
6.2 PLC调试过程分析 32
6.3 PLC与WINCC的连接 34
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录：程序梯形图 39
伴随现代工业技术的快速发展，反应釜被利用在石化业、橡胶农药业、染料业、医药食品业等各个方面，利用的范围相当的大。其控制质量直接会影响到生产的效率和质量指标，所以，必须要把系统的安全性和可靠性放在反应釜控制系统设计的首位保证反应釜安全、稳定的运行，避免不必要的损失。本课题以热水解反应为例，对反应釜的控制系统进行设计与研究。
污水在处理过程中，会产生很多的有毒物质，这些物质对人的身体会产生不利的影响，同时对自然环境也会有所损害。针对这些问题，我们会将污泥进行热水解，杀死污泥中的微生物，并将污泥内的重金属去除，转化为无害的物质。热水解反应过程大致有原材料进料、材料升温、保温、排压以及卸料等五个阶段。本课题在分析污泥污水热水解反应的生产工艺的基础之上，结合PLC对热水解反应的控制，是热水解反应更加有效地进行，完成对物料液位、流量、温度及反应釜的压力等可控量进行控制与调节，以得到最好的处理成果。
1.1 反应釜的分类及其特点
反应釜适用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等领域，它是用来完成水解过程、液体的结晶、液体的蒸馏、货物的储存、恒温反应等各种工艺流程的容器。在反应釜控制系统的设计过程中，我们可以从反应容器的结构设计以及参数相关配置出发，实现系统所要求对物料的加热、冷却和蒸发等功能。
1.1.1 反应釜类型
反应釜的类型很多，依照各种分类的方法，反应釜种类分为：
1) 可按通电、蒸汽、远红外等不同的加热物料方式分类等；此外，还可按反应釜夹套的冷却、釜内盘管冷却等冷却方式分类。
2) 按反应釜体的原料构成又可分为钢衬反应釜、不锈钢反应釜、碳钢反应釜等。
3) 按反应釜工作时其内部压力的高低，可将反应釜分为常压、正压和副压反应釜。
4) 按搅拌器搅拌形状，可分为桨叶式、锚桨式、框式、螺带式等。
5) 根据反应釜的导热模型的构造，可分类为夹套式、外半管式、内盘管式及组合式反应釜等。
1.1.2 反应釜的特点
反应釜反应过程中会受外界的干扰，其干扰源有温度、反应物质种类、浓度等，这些因素会对反应釜产生较大的影响。此外，反应釜内的材料在其反应的过程中，通常会伴有高温、高压、易燃、易爆,其生产的安全性就很重要,所以质量较高的反应釜控制器的研发就尤为重要。在日常的生产中，反应釜的温度对产品的产量、质量有很大的影响，生产的安全性也与之息息相关。因此如何对反应釜内各种反应的温度、压力等各种变量进行合理有效的控制，就十分的重要。
结 论
本次毕业设计课题是基于PLC反应釜监控系统控制部分的设计，主要是在了解反应釜的内部结构和工艺流程的基础上，按照污泥热水解控制的要求，首先确定输入输出点的个数，本次设计使用了西门子S7-300的SM321、SM322数字量模块以及SM331、SM332模拟量模块，并对传感器、变送器、驱动泵、调节阀等外部器件进行选型。然后在对对进料、升温、恒温、排料各阶段的控制进行PLC编程。本次设计中液位传感器对污水的进料量进行控制；流量计对污水中所加酸碱试剂的时间进行估测；热电阻传感器采集反应釜内液体的温度信号，经A/D转换后得到的数字量与上位机传到PLC内部的设定值进行比较，利用PID控制方法对蒸汽阀的开合度进行控制，确保液体的温度达到工艺要求；采用压力传感器对反应釜的压力进行检测，实测值PLC内部的设定值进行比较，确保压力在安全范围内。在相关程序编写完后，将其进行保存、下载，之后利用S7-PLCSIM进行仿真调试，由于本次设计的编程较为繁杂，所以选则分步调试的方式对其进行运行调试。在调试成功后，将PLC与WINCC进行通讯联接，其监控功能由WINCC来实现。
在设计过程中，我遇到的主要难题主要有是PID调节。由于之前没有接触过用PLC编程实现PID调节的方法，对PID框图的运用不了解，查阅了很多资料，请教了几位老师才得以解决，并且较好的掌握了STEP7编程语言中的PID调节方式。
这次的毕业设计让我对大学四年所获得的知识有了一个非常高的总结与归纳，我清楚地了解到知识和实践的力量对我们专业发展的重要性。此外，我的独立进行思考和解决问题的能力也得到了很大的提升。我相信，这些在毕业设计过程中所得的经验会让我终生受益。
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