基于PLC的放热反应器控制系统的仿真设计

一、选题的根据
1.选题的来源及意义
随着社会的发展和科技的进步，在化工，炼油，冶金等领域更是离不开反应器的存在，如果只靠人力来调节反应器内部的液位，温度，压力等工艺参数是十分困难的，为了解决以上问题，对放热反应器控制系统进行设计和开发是很有必要的，放热反应器控制系统能有效的对反应器内部温度，压力，浓度等工艺参数进行监视和调控，并且能够保证反应器的稳定性和安全性，提高经济效益。反应釜装置采用PLC控制，更人性化的显示界面(人机界面)，操作简单，可以显示工作过程的设定温度（压力）、出口温度（压力）、釜体内的温度（压力）变化曲线，实现程序的多段编程。
化工生产在我国国民经济建设中占有很重要的地位，而反应釜是化工生产中实现化学反应的主要设备之一。由于反应过程受外界温度、反应物质不同、浓度等因素影响较大，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。生产过程经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下进行，生产的安全性至关重要，因此高性能、高精度反应釜控制器的研制受到高度重视[1]。
本课题将采用S7-400PLC实现反应釜的监测和控制。运用西门子STEP7软件进行下位机程序设计，利用WINCC组态软件制作人机接口可视化界面，实现历史查询，实时监控，安全报警，数据存取查询等功能。
STEP 7是一款编程软件，厂商是西门子，用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC的编程、监控和参数设置，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。从传感器，执行器到控制器，再到上位机，自下而上形成完整的全集成自动化架构，组态对象选用S7-400高端CUP，适用于各种行业的生产，包括连续生产和间歇生产，并且支持所有层级的冗余，可靠性高，具有网络结构可塑性强，操作性强，灵活性强等优点[2]。
本文通过在STEP7中建立 一个OS站仿真软件PLCSIM 能够把WinCC的监控功能连接起来在PLCSIM中变量的变化 可以在WinCC中显示这样检验了程序的正确性和增强了可视性。同时对于现场具有实际硬件时在WinCC界面中可以直接控制变量 并显示变量、设备等实际情况。本文主要介绍了STEP7编程、PLCSIM 程序调试、以 及实现与WinCC连接 实现了两种软件的有机结合[3]。
本文研究的是基于PLC的放热反应器控制系统的仿真设计，放热反应系统的设计与实现对化工,食品,医疗,冶金制药等行业具有一定的应用价值。反应器中涉及的温度,压力,液位,催化剂及抑制剂等变量直接关系着反应的转化程度及生产安全,因此对被控对象在进行工艺特性分析基础上设计了DCS控制系统,采用西门子STEP7软件实验仿真设备探究系统可行性,并利用WinCC完成监控画面组态.通过在半实物仿真实验装置上进行调试,系统满足了控制工艺要求并提高了控制精度。
该反应器控制系统设计方案利用STEP7 逻辑控制软件与WinCC监控软件，以放热反应器控制系统为例，构建了软件环境下以PLC为控制中心的仿真实验平台，操作界面简单，有效地解决了传统实物实验设备成本高、实物 教学方式不够灵活等问。以PLC为基础、 WINCC为画面辅助设计，借助PLC强大灵活的控制功能及WINCC简单易控的画面操作，提高系统的安全性，可靠性，降低成本。
2.国内外研究状况
2.1国内研究状况
在国内，早期反应釜发展比较落后，反应釜自动控制系统中，是将单元组合仪表组成位置式控制装置，其化学反应有很强的非线性和时滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制精度。随着计算机和PLC控制器的发展和各种先进控制技术的引进，反应釜自动控制系统的控制水平也得到了很大提高。
比如：在2023年宋文婧，任正云在石油化工自动化上发表了一篇名为基于继电反馈的预测PI算法在反应釜中的应用的文章，这篇文章中提到了基于继电反馈的预测PI算法。该方法有效地解决了系统难以建立精准模型的问题，此方法具有更优的鲁棒性和抗干扰性[4]。
陈雪辉，王光伟在2023年利用卡尔曼滤波融合模糊PID算法优化了反应釜温度控制系统[5]。
在2021年朴星宇，梁永恒在黑龙江科技信息上发表了一篇名为《基于PLC的间歇式聚合反应器自动控制系统设计》的文章，提出了一种基于PLC的间歇式聚合反应器的控制系统设计方案。他们通过对反应器控制系统的分析和建模，设计了相应的控制策略和算法，并通过仿真实验验证了系统的有效性和可行性。实现了对间歇式聚合反应生产装置的智能监控，大大减少了生产过程中的手工操作环节，提高了生产的经济性和可靠性。本系统能显示系统工作状态和参数，能对系统运行进行操作，具有 PID 手动 / 自动切换、趋势曲线显示、历史流量查询等功能[6] 。
桑胜利，宋楠等人针对乙醛反应工艺的基本流程和控制要求,研究了反应器温度和压力的控制方法,设计了基于西门子S7-300 PLC为核心的乙醛反应过程控制系统.利用WinCC组态软件设计了人机接口画面,实现了乙醛反应过程的集中监控和自动控制,有效提高了乙醛生产效率,降低了生产劳动力[7] 。
这些控制方法的算法比较复杂，在算法的工程实现，现场调试及通用型方面也存在着局限性。
2.2国外研究状况
德国西门子公司的Win CC组态软件：西门子Win CC组态软件是一款优秀的可视化的组态工具，在Win CC 的Runtime中，对整个系统的变量数据进行处理，组态软件系统内包含图像采集、实时报警记录、变量趋势采集等系统[8] 。同时，该组态软件拥有高效维护的创新过程可视化，具有开放、灵活、扩展的特点。反应器的控制已经基本实现计算机自动控制，国外如日本、美国等都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，且适用于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统。
在能源报告一文中蒂拉瓦特等人为我们介绍了控制和SCADA系统的配置和实施的实用技术，采用 WirelessH ART 设备、ABPLC 和 InTouch 软件，分别从现场级、控制级和监督级实现系统，重点是现场设备，PLC控制器和SCADA系统的集成。实验以AB PLC中的比例-积分-微分（PID）控制为例进行研究，提高了控制系统生产效率[9]。
可以看出基于PLC的放热反应器控制系统已经引起了国内外学者的广泛关注，研究者们通过对不同反应系统的分析和建模，设计出了相应的控制方案，并通过仿真实验和实际应用验证了其有效性和可行性，然而，目前仍存在一些问题和挑战，如如何提高控制系统的稳定性和精确性，如何优化控制算法等问题。
3.1研究目标
本选题主要是利用西门子STEP7编程，WinCC将界面可视化，进行放热反应器控制系统的仿真。理解反应装置对象的控制方案，需要对反应温度，釜压，等重要参数进行监控。针对釜式反应器的工艺特点和控制要求，给出一套基于PLC的控制方案。参考相关专业书籍、期刊、论文等资料，充分利用网络资源，认识STEP7编程软件和WinCC组态软件的功能、特点，掌握基于PLC的放热反应器仿真分析的关键技术路线；进一步总结分析关键技术问题的研究现状及发展前景，在老师的悉心指导下，主动积极的完成本选题。
3.2研究内容
（1）STEP7编程软件及WinCC组态软件的特点及其组成。
（2）确定釜式搅拌反应器实验过程溶液流量和流速，搅拌速度与控制方案。
（3）确定自动控制系统的配置及系统结构的总体设计。
（4）设计系统电气控制原理图。
（5）建立PLC自动控制系统，编写PLC控制程序。
（6）建立基于WinCC组态软件的组态系统和数据采集系统，实现人机界面进行过程控制和数据的采集，存储。

图1-1 放热反应器工艺流程图
本设计被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器系统，属于连续反应过程。反应过程为反应物A与反应物B在催化剂C的作用下，在反应温度120±1.0℃下进行反应，生成产物D。反应初期用热水诱发，当反应开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。
如图1-1所示，反应过程主要有三股连续进料：第一股是反应物A，F4是进料流量，V4为进料阀；第二股是反应物B，F5是进料流量，V5是进料阀；第三股是催化剂液，F6为进料流量，V6是进料阀。
连续搅拌反应釜是一个典型的非线性模型，化学反应过程表现出很强的非线性和时滞性，在实际的工业生产过程中，连续搅拌反应釜中必然会受到外部或内部因素的影响：使得系统中存在参数摄动，外部干扰等不确定因素。这些给精确控制系统提高了难度。总体上系统温度控制可以分为两个阶段：反应升温温度控制和反应保温控制。
(1)保证反应器升温速度恒定：保证温度以0.1-0.2℃/s的速率上升，提高反应温度有利于由主反应的进行，保证升温速度平稳避免超压问题。
(2)保证反应器保温温度恒定：缩合反应阶段后保温阶段要使反应釜温度始终保持在120℃左右5-10分钟（实际为2-3小时），以使反应尽可能充分地进行，达到尽可能高的主产物产率。
升温阶段，温度要求以某一速度上升，是一个变量。而保温阶段，要求温度保持在某一数值上，且波动不大，可作为定值控制。传统的PID控制算法理论成熟，应用广泛，但其控制精度依赖于精准的数学模型。而串级控制对扰动较多，变值控制，非线性系统有很大的控制效果。
在工艺生产过程中，我们必须保证的是反应罐不能因为温度过高，压强过大而有安全事故的发生。针对这个问题，我们要让保证反应器的温度可控，做好冷水降温降压。本设计中，反应釜反应压力的高低主要取决于反应器中反应物A与B的比例以及反应温度。反应压力随反应温度变化，反应温度下降，反应压力也下降：反应温度上升，反应压力也上升，反应剧烈进行时温度继续升高，压力还会急剧升高。如果反应釜中的压力过大，就有可能发生爆炸，所以系统必须设置报警装置。报警装置原理图如1-2所示：

图1-2 压力报警装置原理图

4.参考文献
[1] 秦夏伟, 门嘉铖, 张诗行. 过控工程在反应釜中的应用及其能源利用[J]. 时代农机, 2019, 46 (09): 19-20+22.
[2] 吴春雨.PCS7控制软件综述[J].电世界，2015，27（10）：1-5.
[3] 余丹, 于建顺. STEP7模拟调试及实现与WinCC连接的仿真[J]. 现代电子技术,2010,33(14): 81-83.
[4] 宋文婧，任正云.基于继电反馈的预测PI算法在反应釜中的应用[J].石油化工自动化，2023，59（3）：7-12.
[5] 陈雪辉，王光伟.卡尔曼滤波融合模糊PID算法优化反应釜温度控制[J].黑龙江科技大学学报，2023，33（1）：129-135.
[6] 朴星宇，梁永恒.基于PLC的间歇式聚合反应器自动控制系统设计[J].黑龙江科技信息，2021，26（22）：7-8.
[7] 桑胜利, 宋楠, 邢昌宁, 王雪晶, 曹玉波. 乙醛反应过程自动控制系统设计[J]. 吉林化工学院学报, 2021, 38 (07): 18-22+28.
[8] 胡荣明. 基于WINCC的设备监控系统在汽车制造车间的应用[J]. 黑龙江科学,2021,12(02):92-93.
[9] Teerawat Thepmaneea, Sawai Pongswatda , Farzin Asadib .Implementation of ontrol and SCADA system: Case study of AllenBradley PLC by usingWirelessHART to temperature control and device diagnostic[J].Energy Reports ,2022: 934–941
[10] 徐继儒. 基于Step 7软件对WinCC flexible的应用[J]. 山东工业技术, 2018, (01): 134.
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，完成软件设计，包括PLC运行程序和WinCC组态系统并且观察仿真结果。
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是一PLC为基础设计反应装置控制系统的应用实例，比如：STEP7模拟调试及实现与WinCC连接的仿真。
2.方案的可行性分析
西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建的可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功 能块图和语句表进行编程操作,由于PLC控制系统具有高噪声抗干扰能力、高灵活性等特点，能够适应不同机械制造行业的需求。此外，PLC控制系统的编程方法简单，使用方便，使得化工行业可以快速进行系统的设计与实现[10]。因此，从技术上看，PLC控制系统具有良好的可行性。STEP7软件系统设计流程图如图1-3所示：

图1-3系统设计流程图
分析控制要求：根据控制需求来控制原料配比，以达到充分反应当反应物达到一定的比例时。才能做到充分反应且不浪费燃料。而充分燃绕能够大幅度降低成本，带来巨大经济效益，所以需要控制原料A、B的比例，根据工艺流程中主副反应方程式要求3股料A：B：C的比例约为9：3：1，最后为得到一定的转化率的产品，要求对反应器最终产物的组份进行控制，要求产物组分稳态值达到78％以上。
(1)PLC硬件系统配置：根据化学装置对PLC控制系统的功能要求和所需要的I/O信号的点数等，选择合适的PLC类型。
(2)分配I/O点：根据控制要求所需要的用户I/O设备，确定PLC的I/O点数，并设计I/O端子的接线图。
(3)绘制流程图：根据工艺的生产要求画出状态流程图。
(4)设计梯形图：由流程图设计梯形图。设计梯形图是编制程序的关键一步，也是比较困难的一步。
(5)程序输入PLC并测试:用PLC编程器将程序键入PLC的用户程序存储器，并检查键入的程序是否正确。
WinCC组态系统设计过程如图1-3所示：

图1-3组态系统设计过程图
3.具备的实验条件
Win10系统电脑，STEP7编程软件和WinCC组态软件。
通过中国知网、优快云、百度文库等网络资源查阅相关期刊、文献，以及相关书籍，充分掌握仿真过程需要用到的相关理论基础，熟悉整个操作流程，为仿真实验研究做好铺垫。
三、论文的框架结构（宋体、小四号）
摘 要
Abstract
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
1.2国内外研究情况及发展
1.3主要研究内容
第二章 控制方案选择
2.1 工艺流程概述
2.2 工艺过程分析
2.3 控制方法比较
2.4 控制方案
第三章 硬件设备选型
3.1 PLC选型
3.1.1 I/O选择
3.1.2 PLC型号选择
3.2 调节阀的选型
3.2.1调节阀类型的确定
3.2.2调节阀流量特性选择
3.2.3作用方式选择
3.3检测变送器选型
3.3.1 温度变送器选型
3.3.2 压力变送器选型
3.3.3 报警装置选型
3.4系统硬件连接
第四章 系统软件设计
4.1 PLC程序设计
4.1.1 STEP7编程软件介绍
4.1.2程序结构设计
4.1.3 PLC程序
4.2 监控系统设计
4.2.1 WinCC软件介绍
4.2.2 WinCC控制模块
4.2.3 WinCC组态系统
第五章 基于PLC的放热反应器控制系统的仿真设计的结果分析
5.1 观察仿真结果
5.2 分析并得出结论
6.总结与展望
参考文献
致 谢