反应器串级控制系统设计系统设计部分-过程控制系统课程设计说明书.docx

西华大学课程设计说明书过程掌握系统课程设计题目：反响器串级掌握系统设计系统设计局部 学生：何嘉涛班级：2023 电气 7 班学号：3120230806716指导教师：侯思颖2023 年 12 月 12 日西华大学课程设计说明书目录前言4第一章 连续槽反响器温度掌握系统设计的目的意义41.1 连续槽反响器简介41.2 目的及意义5其次章 连续槽反响器温度掌握系统工艺流程及掌握要求5第三章 总体设计方案63.1 方案比较63.1.1 简洁掌握系统63.1.2 串级掌握系统73.2 方案选择8第四章 串级掌握系统分析84.1 主回路设计84.2 副回路设计84.3 主、副调整器规律选择84.4 主、副调整器正反作用方式确定9第五章 仪器仪表的选取及元器件清单95.1 温度的测量与变送器的选择95.2 调整器的选择10第六章 掌握系统的组成126.1 掌握系统仪表元件清单件清及配接136.2 利用 Matlab 进展仿真132西华大学课程设计说明书串级反响器温度掌握系统设计摘要：在工业过程中，温度是最常见的掌握参数之一，反响器温度掌握是典型的温度掌握系统。对温度的掌握效果将影响生产的效率和产品的质量，假设掌握不当将损害工艺设备甚至对人身安全造成威逼。因此反响器温度的掌握至关重要。连续槽反响器是化学生产的关键设备是一个具有大时滞、非线性和时变特性、扰动变化剧烈且幅值大的简单掌握对象。结合掌握要求，通过分析工艺流程，本论文设计了串级 PID 分程掌握方案。方案选定后，进展了硬件和软件的选择。硬件上选用西门子公司的 S7-200 PLC，并用相应的 STEP7 软件编程。然后承受北京三维力控科技开发的三维力控组态软件设计监控画面并利用 Matlab7.0 对系统进展了仿真。关键词：温度，反响器，串级PIDIn the industrial process,temperature is one of the most common control parameters,reactor temperature control system is a typical temperature control system.The temperature control effect will influence the production efficiency and product quality,if it is not controlled properly,process equipment will be damaged,even personal safety will be threatened.Thus the reactor temperature control is essential.Continuous stirred tank reactor is the key equipment in chemical production,it is a complicated control object with a large time delay, nonlinearity,time-varying characteristics and drastic changes and large amplitude disturbance. Combined with the control requirements.The hardware and software selection are done following the selection of control scheme.As to hardware, the S7-200 PLC of Siemens is chosen, and the corresponding software STEP7 is chosen for programming.Then Force Control of Beijing Three-dimensional Force Control Company ischosen to make the supervision picture.Matlab7.0 work for the simulation.Keywords: temperature,reactor, cascade PID3西华大学课程设计说明书前言串级掌握系统随着科学技术的进展，现代过程工业规模越来越大，简单程度越来越高，产品的质量要求越来越严格，以及相应的系统安全问题，治理与掌握一体化问题等， 越来越突出，因此要满足这些要求，解决这些问题，仅靠简洁掌握系统是不行的， 需要引入更为简单、更为先进的掌握系统，由此串级掌握系统应运而生。串级掌握系统是由两个或两个以上的简洁闭合掌握系统串联组成的一种比较高级的系 统，是改善掌握过程极为有效的方法，并且的道理广泛的应用。作为一种比较简单的系统，串级掌握系统有改善了过程的动态特性，提高了系统掌握质量，能快速抑制进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强等优点。在一些容量滞后较大的过程，纯延时较大的过程，扰动变化剧烈而且幅度大的过程，参数相互关联的过程，非线性过程，应用串级掌握可以到达明显的效果。第一章 连续槽反响器温度掌握系统设计的目的意义1.1 连续槽反响器简介图1-1-1 连续槽反响器构造图如图1-1-1所示的一个连续槽反响器，物料自顶部连续进入槽中，经反响后从底部排出。反响产生的热量由冷却夹套中的冷却水带走。槽中装有物料搅拌装4西华大学课程设计说明书置，能够通过搅拌物料促使物料的反响和连续槽反响器中物料之间的热集中而保持各处物料温度全都。冷却水流量可以通过调整阀掌握，从而掌握反响器内物料温度的恒定。1.2 目的及意义为了保证产品质量，必需严格掌握反响温度 T1，为此承受调整阀来转变冷却水流量。由于冷却水是通过吸取反响器内壁热量来降低物料温度的，这样系统就拥有了三个热容，即夹套中的冷却水、槽壁和槽中的物料。由于系统有三个热容，并且三个热容之间都有影响，所以系统扰动的来源也相应增加了，这样就增加的系统的掌握难度。物料的反响是一个放热过程，假设温度过高，则会使物料变质从而造成资源的铺张，生产本钱的提升，所以要严格掌握反响槽的温度不能超过上限值。其次章 连续槽反响器温度掌握系统工艺流程及掌握要求反响器的主要任务是维持物料在反响过程中温度的恒定，从而保证产品的质量。反响器的工艺流程图如图2-1所示。进料从反响器顶进入反响器内反响，在搅拌装置的搅拌下充分反响并维持物料温度根本处处全都，被冷却水冷却到设定温度 T1，在冷却水进水水管上装设一个调整阀，用它来掌握冷却水的流量以恒定温度 T1的目的。5西华大学课程设计说明书图2-1 连续槽反响器工艺流程图引起温度 T1转变的扰动因素很多，主要有：（1） 冷却水方面水温顺阀前的水压的扰动 D2;（2） 物料方面进料的温度和速度的扰动 D1；（3） 反响器壁对外界的散热扰动；其中冷却水方面的扰动和物料方面的扰动为主要扰动，反响器壁的扰动可以不单独考虑，而归结到冷却水方面的扰动去。由于水的比热容比较大，温度集中起来比较缓慢，所以系统是个滞后较大的系统，可以把冷却水反面包括反响器壁对外界的散热扰动用一个特地的调整器来调整使其相对稳定。第三章 总体设计方案3.1 方案比较3.1.1 简洁掌握系统如图 3-1-1-1 所示，温度调整器 TC 是依据反响器内物料的温度 T 与设定值的偏差进展掌握，当冷却水局部消灭干扰后系统并不能准时产生掌握作用，抑制干扰对被控参数 T 的影响掌握质量差。但在冷却水扰动可以无视或很小的状况下，并生产工艺对物料温度要求不是很严格时，简洁掌握系统还是可以满足要求的，假设冷却水的扰动大，而且对系统产生很大影响，则简洁掌握系统很难满足工艺要求。简洁掌握系统框图如图 3-1-1-2 所示。6西华大学课程设计说明书图 3-1-1-1 反响器温度简洁掌握系统图 3-1-1-2 反响器物料温度简洁掌握系统框图被控变量：反响器内物料的温度；操控变量：冷却水流量。3.1.2 串级掌握系统串级掌握系统承受两套检测変送器和两个调整器，前一个调整器的输出作为后一个调整器的输入，后一个调整器的输出送往调整阀。中间被控变量：夹套和槽壁温度； 被控变量：反响器内物料的温度； 操纵变量：冷却水流量。夹套和槽壁温度变化时，TC 可以准时动作，抑制扰动。图 3-1-2-1 和图 3-1-2-2 分别为串级系统工艺流程图和串级系统框图。图 3-1-2-1 串级系统工艺流程图7西华大学课程设计说明书图 3-1-2-2 串级系统框图3.2 方案选择方案一的简洁掌握系统有干扰时，TC 输出信号转变阀门开度，进而转变冷却水的流量。在开头时，物料的温度离设定值偏差大，用冷却水降温传温慢，就造成开头是反响时间过长，动作不准时，偏差在短时间内不能消退。方案二的串级掌握系统中，由于引进了副回路，不仅能快速抑制作用于副回路内的干扰，也能加速抑制主回路的干扰。在系统开头时，在副回路的作用下先对槽壁进展冷却，这样就等于较少了一个热容，继而加速了系统的平衡。对于串级系统而言，副回路有先调、初调、快调的特点；主回路有后调、细调、慢调的特点。两者相互协作，使掌握质量明显提高，与简洁系统相比，对离被控对象较远的扰动二次扰动有明显的抑制作用，增加了系统的稳定性，提高了系统的响应速度。综上所述，依据本设计系统的特点，选择串级掌握。第四章 串级掌握系统分析4.1 主回路设计反响器温度串级掌握系统是以反响器内物料温度为主要被控参数的掌握系 统。其它被控参数有夹套温度，槽壁温度，冷却水流量。主回路就是通过对反响器内物料温度 T1 的测量作为反响来掌握冷却水管阀门开度来掌握物料的温度， 从而到达掌握的目的。4.2 副回路的选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。主要的扰动有物料的扰动和冷却水的扰动，由于冷却水的扰动离被控对象远，则副回路的被控对象就选择夹套内水的温度 T2。8西华大学课程设计说明书4.3 主、副调整规律的选择在串级掌握系统中，主、副调整器所起的作用不同。主调整器起定值作用， 副调整器起随动掌握作用，这是选择调整规律的根本动身点。在反响器温度掌握系统中，我们选择物料温度为主要被控参数，由于温度的迟滞性很强，而系统工艺要求不是很高，所以主调整器可以承受 PID 或 PD 掌握规律，而副回路打算系统的响应速度，所以应选 PD 掌握规律。4.4 主、副调整器正反作用方式确定为了避开温度过高，物料变质而造本钱钱的增加，在掌握器不能正常工作是应当也要能把反响器内物料的温度降下来，所以阀门应选气关阀。对于副回路而言，当夹套内温度降低，则要削减冷却水了流量，则就要加大副掌握器的输出， 所以副调整器为反作用。对于主回路而言，当物料的温度降低，则要较少冷却水的流量，所以主回路也是反作用。第五章 各仪表的选取及元器件清单5.1 温度测量与変送温度测量仪表的选择：由于系统对温度的要求不是很高，而系统的温度范围也在 0100之内，则只需要一般的测温元件，应选择 K 型热电偶。温度变送器仪表的选择：DDZ-类仪表相对于 DDZ-类仪表的一个优点为电流范围不是从零开头，这样就避开了把仪表不能正常工作误认为是输出为零， 所以应选择DDZ-型K 型热电偶温度变送器DZ-5130K 型热电偶温度变送器。供电电源：24VDC±10%电源保护：具有反向保护输出保护：输出短路无限制转换精度：±0.1±0.5%F.S温度漂移：±0.15% F.S/10隔离性能：输入/输出/电源全隔离0.1秒(0响应时间：绝缘电阻：输入/输出/电源间>100 M90%F.S)环境温度：-1055绝缘强度：输入/输出/电源间>1500VAC(1分钟)环境湿度：090%RH 不结露外 壳：耐高温阻燃工程塑料安装形式： DIN 导轨安装，导轨尺寸 35mm表 1DZ-5130 的主要技术指标9西华大学课程设计说明书输入种类名称根本型号输入代码输入信号输出种类输出代输出信号码供电电源输出制式热电偶温度 变送器3420mADC0二线制DZ-51K 型热电偶非隔离型C15VDC1四线制全隔离型表 2产品型号表图 5-1-1 DZ-5130 接线图端子 1、2 为输入，3、4 为补偿电阻，5、6 为输出，7、8 为电源。5-2 调整器的选择由于已经选用 DDZ-型变送器，所以调整器也选用 DDZ-的，主、副调整器选型全都，都选用DTZ-2100D。它是全刻度指示调整器，是DDZ-III 系列仪表中调整单元的基型品种，它承受变送器经信号安排器送来的信号征收给定信号进展比较，对其差值进展比例、积分、微分运算，以电流输出掌握执行机构。主要技术指标为：输入信号： 1-5VDC给定方式： 内给定1-5DVC外给定4-20mDVC(250±0.1%)10西华大学课程设计说明书输出信号： 4-20mADC闭环跟踪误差： <±0.5%负载电阻： 205 -750功 能： 自动/手动，非平衡无扰动切换调整动作： PD；PI；PID比 例 带：(P)2%-500%积分时间：(Ti)0.01分-2.5分和0.1分-25分两档(开关切换) 微分时间：(TD)关、0.04分-10分(开关切换)微分增益： KD=10工作环境： 环境温度： 0-50；相对湿度： 85%(RH) 电源电压： 24VAC±10%功 耗： 3W重 量： 3kg引线端子图见图5-2-1。图5-2-1 DTZ-2100D 引线端子图5.3 执行器的选择阀门选择气动薄膜式单座直通阀，安装方式为气关。为了能够和DTZ-2100D 调整器匹配需另加一个电气阀门定位器，电气阀门定位器的型号为 HEP-17，主11西华大学课程设计说明书要技术指标为：(1)、精度：小于全行程±1%。(2)、回差：小于全行程1%。(3)、死区：小于全行程0.4%。(4)、特性：线性(可转变成快开、等百分比特性)。(5)、气源压力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。(6) 、最大流量：140NL/min(当气源压力在0.14MPa 时)。(7) 、耗气量：5NL/min(当气源压力在0.14MPa 时)。(8)、环境温度：-25+55。(9)、环境湿度：10-90%RH。(10)、最大行程速度：4mm/秒(配 ZH -22执行机构时)。(11)、输入阻抗：250 (4-20mADC) 100 (10-50mADC)。(12) 、电气连接：G1/2螺纹。(13) 、气管连接：卡套式气管接头( 6或 8)。(14) 、防爆(防护)型式(等级)：隔爆型 d(Diibt6)，本质安全型 i(iaIICT6) (15)外壳材料：铝合金 喷朔工艺处理(16)外形尺寸：392.5*141.5*231(mm)(长*宽*高) (17)重 量： 3.5kg引线端子如图5-3-1。如图5-3-1 电气阀门定位器的引线端子图第六章 掌握系统的组成6.1 掌握系统仪表元件清单表 3 掌握系统仪表元件清单12西华大学课程设计说明书名称数量名称数量K 型热电偶温度传感器2DTZ-2100D 调整器2DZ-5130K 型热电偶温度变送器2气动薄膜式直通单座阀门1HEP-17 电气阀门定位器1掌握系统的配接图 6-2-1 掌握系统的配接图6.2 利用 MATLAB 对串级掌握系统进展仿真13西华大学课程设计说明书14西华大学课程设计说明书第七章 参考文献1.张毅，张宝芬，曹丽，彭黎辉.自动检测技术及仪表掌握系统M.北京： 化学工业出版社，20232.周泽魁.掌握仪表与计算机掌握装置M.北京：化学工业出版社，2023 3.黄德先，王京春，金以慧.过程掌握系统.北京：清华大学出版社，2023 4.胡寿松，自动掌握原理.科学出版社，2023.15.潘立登.过程掌握.机械工业出版社，2023.4目 录第一章 总 论错误！未定义书签。第一节 工程名称及承办单位错误！未定义书签。其次节 争论工作的依据与范围错误！未定义书签。第三节 简要争论结论错误！未定义书签。第四节 主要经济技术指标错误！未定义书签。其次章 工程提出的背景及必要性错误！未定义书签。第一节 工程提出的背景错误！未定义书签。其次节 工程建设的必要性错误！未定义书签。第三章 市场推测与需求分析错误！未定义书签。第一节 车用生物燃气市场进展分析错误！未定义书签。其次节 有机肥市场分析错误！未定义书签。第四章 建设规模与产品方案错误！未定义书签。第一节 建设规模错.误！未定义书签。15西华大学课程设计说明书其次节 产品方案错.误！未定义书签。第五章 厂址选择与建设条件错误！未定义书签。第一节 厂址方案错.其次节 建设条件错.误！未定义书签。误！未定义书签。第六章 工艺技术方案错误！未定义书签。第一节 工程组成错.误！未定义书签。其次节 生产技术方案错误！未定义书签。第三节 生产设备错.误！未定义书签。第七章 原辅材料供给错误！未定义书签。第一节 原辅材料供给错误！未定义书签。其次节 公用设施错.误！未定义书签。第八章 工程建设方案错误！未定义书签。第一节 总图运输错.误！未定义书签。其次节 建筑构造工程错误！未定义书签。第三节 公用工程错.误！未定义书签。第九章 环境保护、劳动安全卫生错误！未定义书签。第一节 环境保护错.误！未定义书签。其次节 劳动安全卫生错误！未定义书签。第十章 节能与消防错误！未定义书签。第一节 节 能错误！未定义书签。其次节 消 防错误！未定义书签。第十一章 企业组织与劳动定员错误！未定义书签。第一节 企业组织错.其次节 劳动定员错.第三节 人员培训错.误！未定义书签。误！未定义书签。误！未定义书签。第十二章 工程实施进度打算错误！未定义书签。第十三章 建设工程招标方案错误！未定义书签。第十四章 投资估算与资金筹措错误！未定义书签。第一节 投资估算错.其次节 资金筹措错.误！未定义书签。误！未定义书签。第十五章 财 务 评 价错误！未定义书签。第十六章 社会影响分析错误！未定义书签。第一节 社会效益分析错误！未定义书签。其次节 社会风险分析错误！未定义书签。16