基于PCS7的连续反应装置控制系统的仿真设计 PLC程序仿真 项目实战案例

一、选题的根据
1.选题的来源及意义
过程控制技术应用的典型领域是化工生产，而反应釜是化工生产中实现化学反应的主要设备之一。带搅拌釜式反应釜系统（CSRT），是一个高分子聚合反应系统，在现代过程控制工业中非常常见。由于反应过程受反应物质的不同以及压力、温度、催化剂 等因素影响较大，并且系统本身具有较大的时变性和滞后性，从控制的角度来看，反应釜属于最难控制的过程之一。搅拌反应釜连续反应控制系统的主要目的是实现反应物在反应釜中安全、稳定地进行连续反应并使产物符合生产要求。要达到这一要求必须要实现反应釜的进料量控制、进料配比控制、反应温度控制、反应釜的液位控制以及开车步骤顺序控制，且在保证安全生产的前提下，使出口物料质量分数达标甚至达到更高，可以提高生产率和物料的利用率。
DCS 的控制软件 PCS7 主要包括 Step7、CFC、SFC、SIMATIC Net、WinCC 和 PDM 等软件，组态对象为 S7 － 400 高端 CPU，可以应用于所有工业领域，包括化工、医药、食品、交通等。
PCS7 的特点 ：(1) 适用于各种行业的生产，包括连续生产和 间歇 ( 批处理) 生产。(2) 在同一个 PLC 中可以混合运行标准和故障安全相结合的形式、高可用性和故障安全相结合 的形式。(3) 支持所有层级的冗余，可靠性高。( 4) 强大的 HMI ( 人机界面) 功能，以 SQL 数据库为基础的强大归档功能，且 Win CC 界面非 常友好。(5) 将 BATCH 软件集成于 PCS7，具有强大的配方管理功能。(6) 通过 SIMATIC IT 架构实现 MES /EＲP 层级 的接口。(7) 网络结构可塑性强，支持单站结构和客户 机/服务器结构。(8) 操作性强，支持在线修改和维护。(9) 灵活性强，从小实验室到几千点的大型控 制现场都可以灵活配置。
本文研究的是基于PCS7的搅拌式反应釜控制系统的仿真设计，基于PCS7 的连续反应装置控制可以精确的检测控制因素的变化并及时报警，使反应可以安全连续的进行。PCS7中的CFC 回路配置图，所有功能块可直接通过拖拽、连线完成组态，非常直观、 方便，大大减少了编程时间，组态效率高。
通过PCS7的仿真连续控制系统在工业生产的安全性、经济性、实用性具有很大意义，如（1）通过仿真系统，所设计的控制系统可行、有效，控制效果良好。（2）具有较好的安全性、稳定性及简易性。（3）节约了生产成本，提高了生产的质量，可以使不间断、自动的、稳定可靠地运行生产线。（4）可以及时的对自己的控制方案进行及时的调整和修正，进行优化对实际工业生产具有极大的参考意义。
2.国内外研究状况
2.1国内研究现状
雷佳等充分利用遗传算法的寻优特性，提出了一种与控制相结合的遗传寻优算法，明显地提高了控制效果以工业现场实际情况为背景，文献通过改进跟踪微分器，设计了一种二阶自抗扰控制方法，明显提高了工业现场连续撞拌反应釜的控制效果；朱学峰根据连续搅拌反应釜系统的非线性特性，提出了基于混合模型的非线性预测控制策略 ，此混合模型由非线性和线性两个部分组成，通过其仿真也可看出实际输出与模型输出误差较小吴伟林提出了一种基于神经元网络的自适应控制方法，该方法有效改善了反应釜温度的大时滞问题，能够对反应签温度进行有效地控制刘士荣应用了一种模糊逆模与神经网络相结合的复合控制策略，对反应爸温度控制 获得了良好的控制效果韩光信等提出了应用于连续搅拌反应签的 非线性鲁棒控制，对开车过程进行了优化针对连续搅拌反应釜系统，贾爱民提出了一种鲁棒控制算法，该算法具有较强的适应性能和较强的抗干扰能力，能够满足实时控制的要求 。
2.2国外研究状况
Minesh利用径向基函数神经网络来在线控制连续搅拌反应爸系统,此算法有极强的适应性； S.S.Ge提出了神经网络自适应控制,用多层神经网络构造隐式反馈线性控制(IFLC),其优点是跟踪误差小，对一般非线性系统有良好的控制性能；MJalili 设计了一种基于对象神经模糊模型的预测控制方法，解决了温度大时滞问题，文献 釆用了控制效果良好的非线性 PID控制器，该方法应用局部模型网络通过门处理来变换非线性模型；基于CMAC神经网络，文献 提出了具有在线自学习功能的监督控制算法；Fradkov提出半自适应控制，结合自适应控制与鲁棒控制，利用参数化不确定凸性来设计自适应控制器，在好的区域内采取常规的自适应控制方法 ，而当处于“ 坏 ”的区域时，首先冻结自适应律，接着再转换为一个鲁棒的常参数控制 ，这样可以减小参数不确定对系统性能的影响，实现基于全状态空间的良好控制性能 。
3.1研究目标
本选题主要是利用PCS7软件，进行搅拌反应釜的仿真，实现搅拌反应釜的温度控制、安全连续反应、提高生产率和物料的利用率。参观相关的专业书籍、期刊、论文资料。充分利用网络资源，认识PCS7的特点、功能、应用方法，掌握了基本PCS7的仿真搅拌反应釜的基本方法与技术，进一步分析关键的技术问题的发展现状与发展前景，在此基础上完成选题的仿真。
3.2研究内容
（1）PCS7软件的特点及其组成。
（2）搅拌反应釜的开车过程分析。
（3）搅拌反应釜系统模型的建立。
（4）掌握PCS7软件的CFC、SFC的绘制。
（5）基于PCS7的搅拌反应釜的控制方法的分析。
（6）基于PCS7的搅拌反应釜的系统仿真分析。

如图所示的反应过程有三股连续进料。第一股是反应物A，FV1101为进料流量，HS1101是进料泵；第二股是反应物B，FV1102为进料流量，HS1102是进料泵；第三股是催化剂，FV1103为催化剂进料流量，HS1103是催化剂进料阀。反应器内反应温度为TI1103，液位为LI1102.反应器出口流量为FV1105，出口泵开关为XV1101。在反应初期由反应器夹套加热热水来触发反应。该热水由FV1203引入。
其中主要的工艺条件为：
1)反应器共有三股连续进料，需要保证三股物料以一定比例进料（A:B:C=1:2.11:0.12）。
2)控制液位处于85％，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行。
3)通过调剂冷却水阀的开度使升温速率保持在0.1°C/sec左右。
4)系统稳定后的反应温度为70±1.0°C。 5) 反应器耐压约2.5Mpa，为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5 Mpa，反应器压力报警上限组态值为1.2 MPa。
4.参考文献
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二．采用的研究方法及手段（1.内容包括：选题的研究方法、手段及实验方案的可行性分析和已具备的实验条件等。2.撰写要求：宋体、小四号。）
1.选题的研究方法
理论分析法：通过相关专业书籍、教学视频、进行理论分析研究。
实验研究法：在进行充分理论分析的基础上，利用pcs7软件进行仿真实验，并且观察仿真结果。
文献研究法：查阅相关学术期刊，了解在实际工业生产中有哪些pcs7软件应用实例。
2.方案的可行性分析
西门子公司 DCS 的控制软件 PCS7 主要包括 Step7、CFC、SFC、SIMATIC Net、WinCC 和 PDM 等软件，组态对象为 S7 － 400 高端 CPU，可以应用于所有工业领域，包括化工、医药、食品、交通等。 通过学习《自动化仪表与过程控制》和《自动控制原理》的学习，是我对简单的控制系统有了一定的了解，又通过参加西门子流程控制大赛，使我对PCS7软件有了系统的了解，能够自己设计一些简单的系统。PCS7建立一个新项目过程如下：

（1）搭建项目架构
首先， 击打开 “SIMATIC Manager” 图 标 ( PCS7 的编程图标) ，如图 3 所示。 图 3 PCS7 的编程图标 在 “File”菜单中找到向导按钮 “New Project Wizard”，如图 4 所示。 PCS 的向导配置如图 5 所示。 根据项目的实际需求，在向导的每一个界面可 以选择 CPU 型号、通信卡型号、项目层级和保存 路径等。 图 6 为向导生成的效果。 该项 目 有 两 个 视 图: 组 建 视 图 ( Component View) 和工厂视图 ( Plant View) ，组建视图用于 编辑硬件配置，工厂视图用于编辑逻辑。
（2）创建硬件组态
在组件视图中，选中向导所生成的 CPU，双 击 “Hardware”，打开硬件组态界面 ( 见图 7) 。这 个界面可以组态所有的现场总线，包括通信卡件与 现场 PA 仪表等。组态结束保存编译即可
（3）CFC组态
在工厂视图中可以看到向导生成的层级目录， 也可以自由修改增加目录。在目录中右键插入 CFC，CFC 创建界面如图 8 所示。 双击打开 “CFC”，在 CFC 左侧库中可以查找 所有的功能模块。 CFC 编辑界面如图 9 所示。 只要将需要的模块从库中托至右侧空白处，通 过管脚之间的连线就可实现信号和逻辑的传递，不 需要额外再写代码，每个管脚的定义可以按 F1 进 行查询。编辑结束后，保存编译即可。
（4）OS组态
PCS7 中 OS 的组态是可视化的，在组件视图 中右键插入 “PC Station”( 见图 10) 。 双击进入编辑界面，根据需要插入 WinCC 的 服务器或者客户机。
（5）建立网络连接
在上述步骤完成后，点击网络配置按钮。
在上述步骤结束后，我们就可以使用自动编译 功能将C F C中的所有可上传回路自动上传0 S。点 击右键，选 择 “Compile” （编译，见 图 14 )。编译 时，系统会自动出现用户所创建的网络链接。通过 该途径，系统将变量上传至相关目录。编译的同时 也会自动将报警上传WinCC
3.具备的实验条件
Win10系统电脑、PCS7软件Win7虚拟机。通过中国知网、百度文库、Pabscholar等网络资料查看相关文献、期刊、以及相关书籍充分掌握其仿真的应用方法，为基于PCS7的搅拌反应釜仿真打下基础。

三、论文的框架结构（宋体、小四号）
摘要
Abstract
1绪论
1.1选题来源及意义
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究状况
1.2.2国外研究状况
1.3本文研究的主要内容
2PCS7组态软件概述
2.1PCS7组态软件简介及系统构成
2.2PCS7组态软件功能特点
2.3PCS7组态软件界面构成
3搅拌反应釜监控系统
3.1搅拌反应釜工艺简介
3.1.1搅拌反应釜工艺及应用
3.1.2搅拌反应釜工艺流程
3.2搅拌反应釜监控系统原理
3.2.1搅拌反应釜的监控警报
3.2.2搅拌反应釜现场监控系统控制流程
4PCS7搅拌反应釜仿真实验平台设计
4.1PCS7组态的一般流程
4.2PCS7搅拌反应釜工程的建立
4.2.1建立新工程
4.2.2AS站组态建立
4.2.3OS站组态建立
4.2.4网络链接AS-OS
4.2.5CFC程序设计
4.2.6SFC程序设计
4.2.7WinCC组态编译
4.2.8下载调试方法
5基于pcs7的搅拌反应釜仿真结果分析
5.1下载工程并进入运行环境
5.2仿真实验监控画面显示
5.3基于PCS7的搅拌反应釜监控系统仿真输出
5.3.1趋势画面设置
5.3.2水平、垂直位移曲线属性设置
5.4基于PCS7搅拌反应釜系统的仿真实验结果分析
6总结与展望
参考文献
致谢