WINCC的溶剂回收控制系统设计PLC控制
目 录
1 绪论 1
1.1 丙酮概述 1
1.2 乙醇概述 1
1.3 精馏塔概述 1
1.4 自动化技术在精馏塔中的应用 3
2 系统简介 3
2.1 系统介绍 3
2.2 系统工艺流程 4
3 系统开发环境 5
3.1 S7-300系列PLC 5
3.2 WINCC组态软件 7
3.3 STEP7编程软件 8
4 控制系统设计 8
4.1 PLC组件选取 8
4.2 I/O分配表 9
4.3 PLC程序设计 11
4.4程序调试 25
结论 31
致谢 33
参考文献 34
附录 1
1 绪论
1.1 丙酮概述
丙酮,被称为二甲基酮，是最单一的饱和酮。它是一种透明液体，拥有刺鼻的气味。沸点是56.53℃，易溶于水和乙醇、甲醇、乙醚、吡啶、氯仿等有机溶剂。容易挥发、易燃，易与其他物质发生化学反应。在工业上生产丙酮以异丙苯法为主。丙酮主要被用作溶剂用于炸药、塑料、橡胶、纤维、皮革、石油、涂料等行业里，也能够作为烯酮、环氧树脂、碘仿、聚异戊二烯橡胶、氯仿、乙醋酐等物质的重要原料。
丙酮是重要的有机合成原料之一，它可被用于生产有机玻璃、碳酸酯、医药、农药等。也用作为稀释剂，清洁剂，萃取剂。在油脂等工业中用作提取剂。用于制备有机玻璃单体、佛尔酮、异佛尔、二丙酮醇、己二醇、甲基异丁基酮、甲基异丁基甲醇、酮双酚A、氯仿、碘仿等重要化工原料。
1.2 乙醇概述
乙醇也称为酒精。是一种有机物，在正常温度与压力下为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
无色透明液体，易挥发，其水溶液具有酒的气味与刺激的辛辣味，微甜。沸点是78.3℃，易燃，它的水蒸气与空气形成的混合物具有爆炸性。可以与水任意互溶，也能溶于大部分有机溶剂，如丙酮、乙醚等。乙醇在各个行业都具有广泛的用途。如用乙醇制造染料、醋酸、饮料、香精、燃料等。在医疗上也常用体积分数为70%-75%的乙醇作消毒剂使用，乙醇还可用以制造提取乙醛、乙醚、乙胺等化工原料，同时也是制取染料、涂料、清洁剂和其他产品的原料。
1.3 精馏塔概述
1.3.1 精馏塔简介
精馏塔在化工、石油、炼油、轻工、食品等行业都有着广泛的用途，也是这些行业最重要的设备之一。连续精馏装置是比较典型的精馏设备。一般由精馏塔、冷凝器、再沸器、回流管等组成，如图1.3.1所示。它可以使气体与液体或者是液体与液体之间进行紧密的接触，并能够实现传送物质或传递热量的目的。精馏塔能够使液体混合物得到高纯度的分离，它是利用回流的方法。即在蒸馏时，蒸气由塔底进入。由于不同物质的沸点不同，所以在不同的温度下，有的易挥发（低沸点）物质已经变为气体，上升至塔顶，有的难挥发（高沸点）的则还留在塔底。从而达到组分分离的目的。上升到塔顶的气体进入冷凝器，冷凝后液体中的一部分被作为回流液返回到精馏塔中，剩余的另一部分则作为精馏液取出。而从塔底流出的液体，一部分被送入再沸器，继续加热蒸发成气体返回精馏塔中，另一部分液体则作为残留液取出。[13]
图1.3.1精馏结构图
1.3.2 精馏分类
分类精馏的方法有很多，如果根据混合物的组分数划分，可以分为二元精馏、多元精馏；若按照混合物中是否有影响汽液之间平衡的添加物，可以分为普通精馏、特殊精馏；若是在精馏过程发生了化学反应，则称为反应精馏；本系统的丙酮、乙醇采用连续精馏，是按照操作方法分类的，与之对应的还有间歇精馏。
1.3.3 精馏的干扰因素
对于精馏塔而言，其最主要的干扰因素是冷凝以及加热过程当中的温度与压力的调节。进料流量、塔内压力、精馏组分和环境等因素，也都会打破对精馏塔的平衡控制。能否选用一种好的控制方法直接影响到生产设备的安全，并可能影响整个生产工艺及最终的产品质量。所以，在确保得到最终高质量产品的前提下，安全生产，降低能耗，是控制精馏塔系统的最大目的。
1.4 自动化技术在精馏塔中的应用
1.4.1 自动化技术简介
自动化技术的重要方向是工业自动化。工业生产在自动化技术进步的推进下得到迅猛的发展，特别是在化工、冶金、石油等行业中尤为突出。自动化仪器的使用和集中控制的手段大大提高了连续生产过程的自动化发展，也极大地促进了劳动生产率的上升。替代了以往人类所从事的一些体力工作，减轻了人们的负担，同时也保障了人类的安全，使他们远离了危险的工作环境。同时也增强了人类器官的功能，智能化的控制已是工业、农业现代化的一个重要条件标志。
1.4.2 自动化技术对精馏塔的作用
精馏塔是一种具有多个输入和多个输出变量的过程，其内部的传热和内部机制非常复杂。而且很难进行变量匹配，约束条件又繁多，工艺和质量要求又十分严格，这些都是理论研究和实践的要点。所以，利用自动化技术控制精馏塔的工作是合适的。
2 系统简介
2.1 系统介绍
溶剂回收节约了原材料与成本，有很好的市场。本系统是将丙酮、乙醇（丙酮含量为90~95%的废液,其中乙醇含量为3%，还有少量异丙醇、煤油、脂肪酸）从混合液中提取出来。分离提纯为99%以上的丙酮，并进一步提取残液中的乙醇。化工装置的核心组成部分为精馏塔，它是在工业生产上应用最为广泛的液体混合物分离操作。然而，在精馏过程中，有许多特点，如动态响应慢，滞后大、控制变量多，非线性严重等，因此控制比较困难。本系统采用分布式的方法控制系统结构。该系统由上位机和现场设备组成，上位机采用西门子公司的WINCC6.0 组态软件，它能够完成系统的实时监测、数据的动态显示、异常报警等管理任务，使得监测和控制变得更方便；而下位机采用分布于现场的西门子PLC，它可以进行实时数据采集及自动控制的功能。系统框图如图3.1所示。系统主要监测精馏塔的各个阀门的开度情况，塔底、塔中、塔顶的温度，塔底、塔中、塔顶的压力，塔底、回流罐、再沸器的液位，冷凝器、导热油、再沸器的温度，精馏塔的进料、出料泵的状态等变量。
图2.1系统框图
2.2 系统工艺流程
本系统的精馏工艺流程如图2.2所示
图2.2工艺图
根据工艺图需完成氮气吹扫、丙酮连续精馏、乙醇连续精馏、系统排空等全自动控制。氮气吹扫时，首先打开尾气排空阀，再打开调节阀，使氮气进入管道，在此之前需检查塔釜液位与回流罐液位，塔釜与回流罐必须为空才可进行氮气吹扫；丙酮连续精馏时需先检测塔釜液位，当低于L液位时，向塔内进料直到液位高于L时停止进料阀的全开，改为加料量的递增直至闭环控制。当液位高于L时由压力自动打开尾气连通阀，开启再沸器的导热油调节阀，使塔釜升温。刚启动时开尾气连通阀，设置冷凝器出口温度、塔顶温度、回流罐成品出料温度、塔釜出料温度，并进入闭环控制；乙醇连续精馏是将丙酮连续精馏后排出的混合液进行再加工，先检查塔釜液位，当高于L时打开再沸器加热，并设置相应的塔釜温度进入闭环控制进行加工，若低于L时则打开相应阀门向塔内进料之H。回流罐液位高于HH时，打开出料阀向乙醇储罐排料；排空时，首先需进行排料，将精馏好的丙酮、乙醇排至相应的储罐中，然后进行管道的排空。
1 绪论 1
1.1 丙酮概述 1
1.2 乙醇概述 1
1.3 精馏塔概述 1
1.4 自动化技术在精馏塔中的应用 3
2 系统简介 3
2.1 系统介绍 3
2.2 系统工艺流程 4
3 系统开发环境 5
3.1 S7-300系列PLC 5
3.2 WINCC组态软件 7
3.3 STEP7编程软件 8
4 控制系统设计 8
4.1 PLC组件选取 8
4.2 I/O分配表 9
4.3 PLC程序设计 11
4.4程序调试 25
结论 31
致谢 33
参考文献 34
附录 1
1 绪论
1.1 丙酮概述
丙酮,被称为二甲基酮，是最单一的饱和酮。它是一种透明液体，拥有刺鼻的气味。沸点是56.53℃，易溶于水和乙醇、甲醇、乙醚、吡啶、氯仿等有机溶剂。容易挥发、易燃，易与其他物质发生化学反应。在工业上生产丙酮以异丙苯法为主。丙酮主要被用作溶剂用于炸药、塑料、橡胶、纤维、皮革、石油、涂料等行业里，也能够作为烯酮、环氧树脂、碘仿、聚异戊二烯橡胶、氯仿、乙醋酐等物质的重要原料。
丙酮是重要的有机合成原料之一，它可被用于生产有机玻璃、碳酸酯、医药、农药等。也用作为稀释剂，清洁剂，萃取剂。在油脂等工业中用作提取剂。用于制备有机玻璃单体、佛尔酮、异佛尔、二丙酮醇、己二醇、甲基异丁基酮、甲基异丁基甲醇、酮双酚A、氯仿、碘仿等重要化工原料。
1.2 乙醇概述
乙醇也称为酒精。是一种有机物，在正常温度与压力下为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
无色透明液体，易挥发，其水溶液具有酒的气味与刺激的辛辣味，微甜。沸点是78.3℃，易燃，它的水蒸气与空气形成的混合物具有爆炸性。可以与水任意互溶，也能溶于大部分有机溶剂，如丙酮、乙醚等。乙醇在各个行业都具有广泛的用途。如用乙醇制造染料、醋酸、饮料、香精、燃料等。在医疗上也常用体积分数为70%-75%的乙醇作消毒剂使用，乙醇还可用以制造提取乙醛、乙醚、乙胺等化工原料，同时也是制取染料、涂料、清洁剂和其他产品的原料。
1.3 精馏塔概述
1.3.1 精馏塔简介
精馏塔在化工、石油、炼油、轻工、食品等行业都有着广泛的用途，也是这些行业最重要的设备之一。连续精馏装置是比较典型的精馏设备。一般由精馏塔、冷凝器、再沸器、回流管等组成，如图1.3.1所示。它可以使气体与液体或者是液体与液体之间进行紧密的接触，并能够实现传送物质或传递热量的目的。精馏塔能够使液体混合物得到高纯度的分离，它是利用回流的方法。即在蒸馏时，蒸气由塔底进入。由于不同物质的沸点不同，所以在不同的温度下，有的易挥发（低沸点）物质已经变为气体，上升至塔顶，有的难挥发（高沸点）的则还留在塔底。从而达到组分分离的目的。上升到塔顶的气体进入冷凝器，冷凝后液体中的一部分被作为回流液返回到精馏塔中，剩余的另一部分则作为精馏液取出。而从塔底流出的液体，一部分被送入再沸器，继续加热蒸发成气体返回精馏塔中，另一部分液体则作为残留液取出。[13]
图1.3.1精馏结构图
1.3.2 精馏分类
分类精馏的方法有很多，如果根据混合物的组分数划分，可以分为二元精馏、多元精馏；若按照混合物中是否有影响汽液之间平衡的添加物，可以分为普通精馏、特殊精馏；若是在精馏过程发生了化学反应，则称为反应精馏；本系统的丙酮、乙醇采用连续精馏，是按照操作方法分类的，与之对应的还有间歇精馏。
1.3.3 精馏的干扰因素
对于精馏塔而言，其最主要的干扰因素是冷凝以及加热过程当中的温度与压力的调节。进料流量、塔内压力、精馏组分和环境等因素，也都会打破对精馏塔的平衡控制。能否选用一种好的控制方法直接影响到生产设备的安全，并可能影响整个生产工艺及最终的产品质量。所以，在确保得到最终高质量产品的前提下，安全生产，降低能耗，是控制精馏塔系统的最大目的。
1.4 自动化技术在精馏塔中的应用
1.4.1 自动化技术简介
自动化技术的重要方向是工业自动化。工业生产在自动化技术进步的推进下得到迅猛的发展，特别是在化工、冶金、石油等行业中尤为突出。自动化仪器的使用和集中控制的手段大大提高了连续生产过程的自动化发展，也极大地促进了劳动生产率的上升。替代了以往人类所从事的一些体力工作，减轻了人们的负担，同时也保障了人类的安全，使他们远离了危险的工作环境。同时也增强了人类器官的功能，智能化的控制已是工业、农业现代化的一个重要条件标志。
1.4.2 自动化技术对精馏塔的作用
精馏塔是一种具有多个输入和多个输出变量的过程，其内部的传热和内部机制非常复杂。而且很难进行变量匹配，约束条件又繁多，工艺和质量要求又十分严格，这些都是理论研究和实践的要点。所以，利用自动化技术控制精馏塔的工作是合适的。
2 系统简介
2.1 系统介绍
溶剂回收节约了原材料与成本，有很好的市场。本系统是将丙酮、乙醇（丙酮含量为90~95%的废液,其中乙醇含量为3%，还有少量异丙醇、煤油、脂肪酸）从混合液中提取出来。分离提纯为99%以上的丙酮，并进一步提取残液中的乙醇。化工装置的核心组成部分为精馏塔，它是在工业生产上应用最为广泛的液体混合物分离操作。然而，在精馏过程中，有许多特点，如动态响应慢，滞后大、控制变量多，非线性严重等，因此控制比较困难。本系统采用分布式的方法控制系统结构。该系统由上位机和现场设备组成，上位机采用西门子公司的WINCC6.0 组态软件，它能够完成系统的实时监测、数据的动态显示、异常报警等管理任务，使得监测和控制变得更方便；而下位机采用分布于现场的西门子PLC，它可以进行实时数据采集及自动控制的功能。系统框图如图3.1所示。系统主要监测精馏塔的各个阀门的开度情况，塔底、塔中、塔顶的温度，塔底、塔中、塔顶的压力，塔底、回流罐、再沸器的液位，冷凝器、导热油、再沸器的温度，精馏塔的进料、出料泵的状态等变量。
图2.1系统框图
2.2 系统工艺流程
本系统的精馏工艺流程如图2.2所示
图2.2工艺图
根据工艺图需完成氮气吹扫、丙酮连续精馏、乙醇连续精馏、系统排空等全自动控制。氮气吹扫时，首先打开尾气排空阀，再打开调节阀，使氮气进入管道，在此之前需检查塔釜液位与回流罐液位，塔釜与回流罐必须为空才可进行氮气吹扫；丙酮连续精馏时需先检测塔釜液位，当低于L液位时，向塔内进料直到液位高于L时停止进料阀的全开，改为加料量的递增直至闭环控制。当液位高于L时由压力自动打开尾气连通阀，开启再沸器的导热油调节阀，使塔釜升温。刚启动时开尾气连通阀，设置冷凝器出口温度、塔顶温度、回流罐成品出料温度、塔釜出料温度，并进入闭环控制；乙醇连续精馏是将丙酮连续精馏后排出的混合液进行再加工，先检查塔釜液位，当高于L时打开再沸器加热，并设置相应的塔釜温度进入闭环控制进行加工，若低于L时则打开相应阀门向塔内进料之H。回流罐液位高于HH时，打开出料阀向乙醇储罐排料；排空时，首先需进行排料，将精馏好的丙酮、乙醇排至相应的储罐中，然后进行管道的排空。
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