硕士研究生小论文（优秀）

2020-03-01 21:57:42 来源：范文大全收藏下载本文

复合肥生产过程计算机控制系统

摘要：本课题是国家科技部第一批产业技术创新战略联盟项目的子课题，也是天津市科技计划项目的子课题。文章中介绍了复合肥生产过程计算机控制系统，重点介绍智能流量比值控制系统方案设计和实施。本课题的创新点在于采用智能流量比值系数控制技术，智能多模态控制技术，智能PID控制技术,综合滞后补偿控制等技术，提高了控制精度及配料的准确性，在降低工人的劳动强度、提高产品质量的同时增加了生产的安全性，延长了设备的使用寿命，使复合肥生产过程中实现了无“三废”排放，创造了良好的经济和社会效益。

关键词：硫基复合肥；智能流量比值系数控制；智能PID控制中图分类号：TM921.5

Application of computer control system in production of compound

fertilizer

GAO Jie-fei SHI Wu-xi

（Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China）

Abstract：A computer control system for the production of compound fertilizer proce is described in the text, mainly focusing on program design and implementation of intelligent flow-ratio control system.The innovation of this project is to use intelligent flow ratio coefficient control techniques, intelligent multi-mode control technology, intelligent PID control, integrated control and lag compensation techniques to improve the control precision and accuracy of ingredients, reducing the labor intensity, improve product quality while increasing the production of security, to extend the life of the equipment, the fertilizer production proce to achieve a no \"three wastes\" emiions, and create a good economic and social benefits.Key words：compound fertilizer；intelligent flow-ratio coefficient control；intelligent PID control

1 绪论

复合肥生产过程属于连续型流程工业，该过程涉及到粉体流量检测与控制、气体质量流量检测与控制、液体浓度检测、液体流量检测与控制、液位检测与控制、物位检测与控制、温度检测与控制、压力检测与控制以及余热回收等等，复合肥生产系统是多变量、多回路系统，系统中耦合参数多、纯滞后参数多，因此，该课题的研究既具有理论意义又具有应用推广价值[1]。

本课题是天津市科技计划项目的子课题，项目编号是09ZCKFSH02000。本课题应用于河北冀衡集团蓝天化工有限公司的复合肥项目，属于复合肥二期工程。

考虑到企业一期工程为硫基复合肥，而二期工程是在一期工程基础上的扩建工程，同时又考虑到当地农民的需求，因此仍采用料浆法，该工艺实现了无“三废”排放。另外本课题研究的主要内容是研制计算机智能分布控制系统。 2 生产过程工艺流程与设备

复合肥生产过程工艺流程框图如图1所示。图1包括转化工段工艺流程和复合工段工艺流程。

液位检测液位检测洗液循环槽磷酸流量控制混酸储槽液位检测蒸汽洗液储槽文丘里器蒸汽流量控制氯化钾反应槽混酸槽自来水蒸汽热风热风炉温度控制硫酸流量控制混酸储槽温度检测混酸槽液位检测管式中反和应槽混器酸流量控氨气制流量控制料浆槽喷浆流量压控力制温度检测造粒机斗提机滚筒筛冷却滚筒包裹机成品包装细粒破碎机粗粒

图1复合肥生产过程工艺流程框图

转化工段工艺流程为，根据工艺要求，粉状的氯化钾经给料斗、给料螺旋和斗提机送往计量螺旋，计量螺旋及控制器根据称重检测装置和螺旋编码器的信号计算出氯化钾粉体瞬时流量和累积量，控制系统根据氯化钾流量来控制硫酸的流量，即硫酸与氯化钾成比值关系，在一定的温度下，硫酸与氯化钾在反应槽中进行化学反应，反应生产物再与磷酸构成混酸，磷酸亦与氯化钾成比值关系，从而构成了氯化钾、硫酸、磷酸三流量比值控制系统[2]。

复合工段工艺流程为，混酸和氨气按照一定的比值关系进入管式反应器，在一定的温度下进行反应，反应物与定量的自来水中和后成为料浆，料浆进入料浆槽。

喷浆造粒干燥机是一种以对流传热为主的回转干燥机，它是将料浆喷入干燥机内，干燥机内原辅的基料在抄板的作用下，扬起料幕，在热风的对流加热下，物料形成颗粒被干燥。干燥机出口端设有分级锥体和圆筒筛板，可以将干燥过程中产生的大小颗粒和粉末分筛开来，大块未干燥的物料被破碎后作为返料返回干燥机，成品颗粒筛出，细粉末由干燥机自身返料装置返回干燥机的前部作为料幕，产生的湿气体由风机引出后排空。符合规格要求的复合肥颗粒进入冷却滚筒，成品进行包装后存放于仓库[3]。 3 分布式计算机控制系统方案

硫基复合肥生产过程分布式计算机控制系统方案如图2所示。

IPC-1IPC-2PWS6A00触摸屏ControllerLink板卡交换机0#1#2#3#4#5#6#7#8#9#CJ1W-PA205RCJ1M-CPU23CJ1W-CLK21CJ1W-DA08VCJ1W-DA08VCJ1W-AD081-V1CJ1W-AD081-V1CJ1W-AD081-V1CJ1W-PTS52CJ1W-OC211CJ1W-ID211CJ1W-ID211氯化钾变频器硫酸变频器磷酸变频器混酸变频器喷浆变频器伺服放大器1伺服放大器2伺服放大器3智能调节器1智能调节器2氯化钾流量计硫酸流量计磷酸流量计混酸流量计喷浆流量计混酸流量计氨气流量计硫酸储槽液位混酸储槽液位洗液循环槽液位洗液储槽液位氯化钾给料螺旋硫酸泵磷酸泵混酸泵喷浆泵氨气调节阀蒸汽调节阀自来水调节阀加热装置1加热装置2水压力传感器进气压力传感器氨站温度传感器造粒温度传感器热风炉出口温度热风炉炉膛温度反应槽一区温度反应槽二区温度进口水温尾气温度接PTS52

图2 分布式计算机控制系统方案

1）操作站与监控系统

复合肥生产过程分为两个工段，即转化工段和复合工段，因此控制系统需要两个操作站，两操作站之间的距离约30m。操作人员能够通过人机界面（即上位工业控制机IPC

1、IPC2）来完成系统的监督和管理。两个操作站运行情况及数据需要进行相互观测。本系统上位机采用北京亚控公司开发的组态王工程软件[4]。

IPC1与IPC2通过以太网进行数据通信。将两个操作站分为主站和从站，主站IPC1用于转化工段：IPC1通过Controller Link与PLC进行数据通信。IPC2为从站，通过以太网与主站连接，监控系统人机界面运行于两台IPC上。

为了加强系统的可靠性，设置PWS6A00型触摸屏，当IPC出现故障时，使用触摸屏进行操作。下位机是可编程控制器(PLC)和智能调节仪表（IR）。

2）智能流量比值控制系统方案设计与实施

在生产过程中，凡是将两种或两种以上的物料量自动地保持一定比例关系的控制系统，就称为比值控制系统。在本系统中，工艺上要求粉状的氯化钾分别与硫酸和磷酸自动地保持一定的比例关系，即分别构成氯化钾－硫酸比值控制系统和氯化钾－磷酸比值控制系统[5]。在本系统中，氯化钾处于主导地位，称此物料为主物料或主动量。硫酸与主物料进行配比，在控制过程中跟随主物料而变化，故称为从物料1（或称从动量1），两者进行反应，磷酸与反应物进行配比，在控制过程中跟随主物料而变化，称为从物料2（或称从动量2）。由于生产中对反应物未进行流量检测，因此磷酸与氯化钾成另一比值关系，三者的关系如图3所示。第一个闭环控制系统是主流量氯化钾本身构成的流量闭环控制系统，当设置确定后，通过闭环调节作用，消除扰动的影响，使氯化钾的流量稳定在设定值上，主流量闭环控制系统属于恒值控制系统。氯化钾流量Qz乘以比值器1的比值系数K1作为副流量硫酸闭环控制系统的设定值。氯化钾流量Qz乘以比值器2的比值系数K2作为副流量磷酸闭环控制系统的设定值。当主流量设定值变化时，副流量自动地跟随变化并保持两者的比值不变。

参数在线智能调节设定值主检测/变送器参数在线智能调节硫酸流量Q副控制器1 副检测1/变送器1参数在线智能调节比值器2 副控制器2 副检测2/变送器2参数在线智能调节副变频器2磷酸泵磷酸流量Q3副变频器1硫酸泵2主控制器主变频器螺旋输送机氯化钾流量Qz比值器1 参数在线智能调节

图3 氯化钾-硫酸-磷酸智能流量比值控制系统框图

（1）控制器及附属模块

氯化钾与硫酸流量比值控制、氯化钾与磷酸流量比值控制由欧姆龙公司的CJ1系列PLC来实现。PLC控制系统由CJ1W-PA205R型电源单元、CJ1W-CPU23型CPU单元、CJ1W-CLK21型Controller Link单元、CJ1W-DA08V型模拟量输出单元、CJ1W-AD081-V1型模拟量输入单元、CJ1W-PTS52型过程I/O单元等组成。

CJ1W-AD081-V1是8路模拟量输入单元，输入信号是来自检测装置变送器的输出。该单元的分辨率为1/8000，转换时间为250s/点。

CJ1W-DA08V是8路模拟量输出单元，该模块分别为硫酸泵、磷酸泵和混酸泵等装置的变频器提供4-20mA的控制信号。（2）检测单元

氯化钾是粉粒状物料（简称粉体）。计量螺旋是对粉体进行输送、动态计量和流量控制的设备。硫酸、混酸、磷酸和料浆均为液体，本系统采用电磁流量计检测它们的顺时流量和累计流量。

本系统选用TF系列热式气体质量流量计检测氨气流量。另外在本系统中，混酸槽、混酸储槽、洗液循环槽和洗液储槽的液位均采用雷达液位计来检测。（3）现场电气驱动系统

本系统中共有10面电气驱动柜,主要完成控制对象的信号采集和转换工作。包括开关量的检测和控制，电气控制和电机驱动,为了实现控制和节省能源，主要泵、电机采用了变频调速，并通过闭环控制结构，保证参数调节的实时与稳定。

该系统中共有5台西门子公司MM440型矢量控制变频器，变频器通过网络通信接口及网络总线与PLC和上位机联网，进行变频器信号和控制信息交换[6]。 4 控制策略研究 1）智能流量比值控制

智能流量比值控制和智能PID控制是本系统最主要的控制策略。对于计量特性本身的非线性以及两个计量特性之间的非线性关系，必须采用非线性控制。当氯化钾设定流量从最小值变化到最大值时，专家式控制器根据相关信息和知识库的数据，经过推理确定一系列的比值系数，分别保证氯化钾与硫酸、氯化钾与磷酸的流量比值关系的恒定。

智能的含义就是通过多次实际测试，归纳出一组比值系数k

11、k

12、k

13、„„、k1n ，构成知识库，对应于主流量在全量程范围内，为保证实际的比例效果，所需要的相应比值系数。

2）智能多模态控制

多模态是指在不同的工况下采用不同的控制器结构和算法。例如，在动态过程的起始段，为防止积分饱和，应切除积分作用。当误差小到一定值再投入积分控制。

3）智能PID控制

由于使用集中参数模型代替分布参数模型的近似性及各种非线性特性，常规PID控制算法的效果较差，智能PID控制能够根据环境和工况的变化自动地改变采样周期（Ts）、比例带（）、积分时间常数（Ti）和微分时间常数（Td），从而实现既响应快又无超调、无振荡的目标。

为了实现上述目标，本系统对原CJ1系列的PID控制指令进行了智能化改进，设计了根据误差数据自动改变PID参数的程序梯形图。

4）协调控制

复合肥生产过程属于连续化流程工业范畴，必须考虑整个系统的协调控制。 5）分程控制

由于流量和液位控制存在滞后和多个环节的耦合现象，常规的线性系统设计和方法无法满足实时性和动态特性的要求（即响应快震荡小）。因此，应用智能控制建立采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数等相关参数的专家知识库和推理机构，在流量和液位达到设定值的动态过程中，智能控制系统根据误差符号、大小自动寻找出最优参数值，然后参与PID调节。从而满足实时性和动态特性的要求[7]。

6）综合滞后补偿控制技术

在复合肥生产过程中，氯化钾、硫酸和磷酸等物料的传输都存在纯滞后现象，纯滞后影响闭环系统的稳定性。因此，采用包括史密斯补偿在内的综合纯滞后补偿控制策略，以增大系统的稳定裕量和改善系统的动态性能。 5 结论

采用分布式计算机控制系统后,不仅使生产过程处于控制系统的监控之下，而且还能实现对生产辅助设备的监控及联锁，使生产处于安全、经济的运行状态。本系统已投入生产运行，各项技术指标达到了设计要求，已运行了13个月，由于利用了先进的控制系统实现了生产操作的自动化，提高了劳动生产率，降低了工人的劳动强度，极大地改善了劳动环境，实现了安全文明生产，创造了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1] 亢红波，马渊伯.污水处理控制系统开发及冗余技术研究[D].西安，西安电子科技大学，2006.[2] 西门子公司.ET200M的有源总线底板配置与说明手册[M].北京：西门子股份有限公司，2002.[3] 李翠芳，马渊伯.软冗余技术在天然气输配工程中的应用[J].微计算机信息，2008，24（8）:16-17.[4] 黄俊涛.基于WINCC污水处理集散控制系统的设计[J].自动化与仪器仪表,2010，12（6）:30-36.[5] SIEMENS.SIEMENS PLC系统软件冗余的说明与实现手册[M].北京：西门子股份有限公司，2003.

[6] 陈子平.浅谈控制系统冗余控制的实现[J].自动化仪表，2005，26（9）：4-6.[7] 张红军, 韦晓明, 苏锐生.基于VB通信控件MSComm实现计算机与欧姆龙PLC串行通信编程的研究与应用[J].自动化与仪器仪表,2010(4):74-77..