反应釜温度过程控制优秀课程设计.docx

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1、过程控制系统课程设计 课 题： 反应釜温度控制系统 系 别： 电气和控制工程学院 专 业： 自动化 姓 名： 彭俊峰 学 号： 指导老师： 李晓辉 河南城建学院 6月 15日目录引言 11系统工艺过程及被控对象特征选择21.1 被控对象工艺过程21.2 被控对象特征描述42 仪表选择52.1过程检测和变送器选择52.2实施器选择62.2.1实施器选型72.2.2调整阀尺寸选择72.2.3调整阀流量特征选择72.3控制器仪表选择83.控制方案整体设定103.1控制方法选择103.2阀门特征及控制器选择103.3 控制系统仿真123.4 控制参数整定134 报警和紧急停车设计145 结论 156

2、体会16参考文件17引言 反应器是任何化学品生产过程中关键设备，决定了化工产品品质、品种和生产能力。釜式反应器是一个最为常见反应器，广泛应用于化工生产各个领域。釜式反应器有部分很关键过程参数，如：进料流量 （进料流量比）、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。对于这些参数控制至关关键，其不仅决定着产品质量和生产效率，也很大程度上决定了生产过程安全性。因为非线性和温度滞后原因很多，使得常规方法对釜式反应器控制效果不是很理想。本文以带搅拌釜式反应器温度作为工业生产被控对象，结合PID 控制方法，选择FX2N-PLC温度调整模块，同时为了提升系统安全性，设计了报警和紧急停车系统，最终设计了一套反应

3、釜氏温度过程控制系统。1系统工艺过程及被控对象特征选择1.1 被控对象工艺过程 本设计以工业常见带搅拌釜式反应器 （CSTR）为过程系统被控对象。反应器为标准3盆头釜，反应釜直径1000mm，釜底到上端盖法兰高度1376mm，反应器总容积0.903m，耐压2.5MPa。为安全起见，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超出1.5MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2MPa。反应器工艺步骤图1-1所表示。图1-1 釜式反应器工艺步骤图该装置关键参数如表1-1所表示。各个阀门设备参数如表1-2所表示，其中，Dg为阀门公称直径、Kv为国际标准流通能力。 表1-1 关键测控参数表F4 反应物A 进料

4、流量729 kg/hF5 反应物B 进料流量1540 kg/hF6 催化剂C 进料流量88 kg/hF7 冷却水流量 （蛇管冷却）最大25 t/hF8 冷却水流量 （夹套冷却）最大42 t/hF9 反应物料混合液出口流量kg/hT1 反应温度P7 反应压力MPa （绝压）L4 反应器料位% (0-1.3m，0-100%)表1-2 设备参数表V4 反应物A 进料阀Dg25 Kv=3.42 (Cv=4)V5 反应物B 进料阀Dg25 Kv=5.38 (Cv=6.3)V6 催化剂C 进料阀Dg20 Kv=0.214 (Cv=0.25)V7 冷却水阀 （蛇管）Dg40 Kv=25.64 (Cv=30)

5、V8 冷却水阀 （夹套）Dg50 Kv=42.73 (Cv=50)V9 反应器出口阀Dg25 Kv=8.54 (Cv=10)S6 热水阀开、关两种状态S8 反应器搅拌电机开关开、关两种状态由图1-1能够看出，该被控对象反应过程为反应物A和反应物B在催化剂C作用下，在反应温度701.0发生反应，生成产物D。反应早期用热水诱发，当反应开始后由冷却水经过蛇管和夹套进行冷却。图1中，各参数含意以下：F4、F5 和F6 分别反应物A、B和催化剂 C 进料流量，V4、V5 和V6 分别是A、B和C进料阀。A为反应器内主产物D重量百分比浓度，反应温度为T1，液位为L4。反应器出口浆液流量为F9,由出口阀V9

6、控制其流量。出口泵及出口泵开关为S5。反应器出口为混合液，由产物D和未反应 A、B和催化剂C组成。F7为夹套冷却水入口流量，由阀V7进行控制。F8为蛇管冷却水入口流量，由阀V8 进行控制。另外，在反应早期，需要由反应器夹套加热热水来触发反应。该热水由开关阀S6引入。反应器搅拌电机开关为S8。 1.2 被控对象特征描述 本设计中被控对象关键是反应釜温度部分。因为被控对象有其特殊特征，直接影响着操纵变量和控制方案选择，所以对于被控变量特征分析显得尤为关键。下面就针对反应釜反应温度分析和描述。 该反应属于放热反应，放热反应属于非自衡危险过程，反应温度高将造成反应速度加紧，释放出热量造成反应温度深入升

7、高，温度快速升高同时，反应压力也会快速加大，从而有可能造成火灾或爆炸事故。所以有必需对反应温度加以控制，其关键手段是控制夹套和蛇管冷却水流量。冷却水流量改变随阀门开关改变较快、时间常数较小。当冷却水压力下降时 （这种干扰在现场时有发生），即使阀位不变，冷却水流量也会下降，冷却水带走热量降低，反应器中物料温度会上升。反应温度和反应转化率改变属于时间常数较大高阶特征。因为温度改变滞后，用常规控制器进行调整效果不佳。 2 仪表选择 温度控制系统关键由温度传感器、温度调整仪、实施装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图图2.1所表示。图2-1 温度控制系统结构图 2.1过程检测和变送器选择过程检测是生

8、产过程自动控制系统关键组成部分。过程检测装置立即而正确把被控参数检测出来，并变成调整、控制装置可识别方法，作为过程控制装置判定生产过程依据。依据工业要求，为了含有较高精度，采取热电阻温度计。热电阻温度计广泛应用于-200600范围内温度测量。 用于制造热电阻材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻和温度关系最好近于线性，另外，材料物理化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格廉价。热电阻选择能够依据表2-1确定： 表2-1 工业常见热电阻热电阻名称分度号0度时阻值（度）测温范围（度）特点铜电阻Cu50-50150线性好，价格低，适适用于无腐蚀性介质Cu50铂电阻Pt50-2

9、00500精度高，价格贵，适适用于中性和氧化性介质，但线性度差Pt100 由表2-1，依据釜内温度通常改变范围选择铂电阻，为提升检测精度采取三线制接法，图2-2所表示。采取三线制是为了消除连接导线电阻引发测量误差。这是因为测量热电阻电路通常是不平衡电桥。热电阻作为电桥一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻一部分，这一部分电阻是未知且随环境温度改变，造成测量误差。采取三线制，将导线一根接到电桥电源端，其它两根分别接到热电阻所在桥臂及和其相邻桥臂上，这么消除了导线线路电阻带来测量误差。所以工业上通常全部采取三线制接法。温度变送器我们选择DDZ-型温度变送器图2-3所表示。图2-

10、2 热电阻三线直接法 图2-3 变送器测量接线示意图其特点：（1）采取线性集成放大电路，使仪表正确性、可靠性、稳定性和其它指标均符合国家要求标准。（2）采取了通用模块和专用模块相结合设计方法，使用灵活、方便。（3）在和热电阻接入单元中，采取了线性化电路，从而确保了变送器输出信号和被测温度呈线性关系，大大方便了变送和系统配接。（4）采取了统一24V DC集中供电，变送器内无电源，实现了“三线制”接线方法。（5）采取了安全火花防爆方法，适适用于含有爆炸危险场所中温度或直流毫伏信号检测。2.2实施器选择 实施器是过程控制系统关键组成部分，其特征好坏直接影响系统控制质量。它接收控制器输出控制信号，并将

11、其转换为直线位移和角位移，操纵控制机构，自动改变操作变量，从而实现对过程变量自动控制。2.2.1实施器选型 本设计采取气动薄膜调整阀，其工作原理：当气室输入了0.020.10MPa信号压力以后，薄膜产生推力，使推力盘向下移动，压缩弹簧，带动推杆、阀杆、阀芯向下移动，阀芯离开了阀座，从而使压缩空气流通。当信号压力维持一定时，阀门就维持在一定开度上。气动薄膜调整阀结构能够分为两部分，上面是实施机构，下面是调整机构。它关键由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。当来自控制器信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，并推进推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间空隙减小，流体受到阻力增大，流量减小

12、。推杆下移同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧反作用力和信号压力在膜片上产生推力相平衡为止，此时，阀芯和阀座之间流通面积不再改变，流体流量稳定。出于安全原因，在此次设计中使用VBD气动端面密封蝶阀，VBD气动端面密封蝶阀是一个重量轻，结构简单后座式端面密封蝶阀。阀体、阀板均用钢板焊接或铸造加工而成。适适用于低压状态空气或其它气体流量、压力控制。气动实施器分气开和气关两种形式，有压力信号时阀关，无压力信号时阀开为气关式实施器；反之，则为气开式。它选择首先应依据调整器输出信号为零时使生产处于安全状态标正确定；其次，还应考虑是否有利于节能、是否有利于开车、停车等进行选择。最终，气开、气关选择关键是考

13、虑在不一样生产工艺条件下安全生产要求。考虑标准是：信号压力中止时，应确保设备和工作人员安全。依据工业要求，本设计选择了气关方法。2.2.2调整阀尺寸选择 调整阀尺寸关键是指调整阀开度和口径，她们选择对系统正常运行影响很大。若调整阀口径选择过小，当系统受到较大扰动时，调整阀既是运行在全开状态，也会使系统出现临时失控现象；若口径选择过大，则在运行中阀门会常常处于小开度状态，轻易造成流体对阀芯和阀座频繁冲蚀，甚至使调整阀失灵。所以，结合本设计工业要求，调整阀开度应处于1585之间。2.2.3调整阀流量特征选择调整阀是控制系统很关键一个步骤，它接收控制器输出信号，改变操纵变量，实施最终控制任务。控制阀

14、流量特征是指流体经过阀门相对流量和相对开度之间函数关系，以下式中所表示。 （2-1）其中相对流量。即控制阀在某一开度下流量和最大流量之比； 相对开度。即控制阀在某一开度下行程和全行程之比。 常见理想流量特征控制阀有：线性型、对数（等百分比）型和快开型等。 其理想流量特征图2-5 所表示。图-5 控制阀理想流量特征 而在实际工作时，阀两端压降会随流量而改变，这时流量特征称为工作特征。设管路系统总压差为PT，由液体提升高度引发压差为Ph，阀两端压降为PV，管路其它部分压降为Pl。工程中通常采取经验法来选择调整阀流量特征。表2-1给出了理想流量特征经验，本方案将依据这个表来选择理想流量特征。然而当控

15、制系统中某一步骤出现故障或意外时，应考虑人身、设备装置安全；考虑介质性质；还要考虑降低经济损失等。 表2-1 控制阀理想流量特征经验选择表被控变量相关情况选择理想流量特征流量设定值改变直线型负荷改变对数型温度对数型压力快过程对数型慢过程，PV恒定直线型慢过程，(PV) Qmax 0.2(PV) Qmin对数型液位PV恒定直线型(PV) Qmax 2(PV) Qmin快开型2.3控制器仪表选择采取模拟控制器:DDZIII型调整器，DDZ基型控制器框图图4.3 。控制器输入信号为15V测量信号。设定信号有内设定和外设定两种。内设定信号为15V，外设定信号为420mA。测量信号和设定信号经过输入电路

16、进行减法运算，输出偏差到百分比积分微分电路进行百分比积分微分运算后，由输出电路转换为420mA信号输出。手动电路和保持电路附于百分比积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处于手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离开操作键时，控制器输出值保持在手指离开前瞬间数值上，当控制器处于硬手动状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器输出快速改变到需要数值，只要操作杆不动，就保持这一数值不变。因为有保持电路，使自动和软手动相互切换，硬手动只能切换到软手动，全部是无平衡无扰动切换，只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换。3.控制方案整体设

17、定 3.1控制方法选择 采取单回路控制方法，将反应温度T1 取一阶微分，得到温度改变率，再和升温速率设定值0.1/s 作比较，将偏差作为控制器输入。控制系统框图图 3-1所表示： 图3-1 控制系统框图传输函数框图图3-2所表示：图3-2 传输函数框图系统开环传输函数为： （3-1） 闭环传输函数为： （3-2）3.2阀门特征及控制器选择 阀门V8选线性阀。 对于釜式反应器，在升温阶段65以下由夹套冷却水阀控制冷却水流量来实现对反应温度控制。依据反馈控制基础原理，要使系统能够正常工作，组成系统开环传输函数静态增益乘积必需为正。由图3-2可知，因为阀门V8选择是气关形式，被控对象釜式反应器是正作

18、用，温度变送器选择正值，所以控制器应选择正作用方法。对于釜式反应器这类控制对象，是一个时滞过程，而且控制对象特征复杂，故采取数字PID控制器能够得到满意控制效果。 数字调整中PID控制算式是将PID模拟表示式进行离散化而得到。PID模拟表示式为： （3-3）式中 调整器输出信号； 调整器偏差输入信号，是测量值和之差，；调整器百分比增益、积分时间常数、微分时间常熟。 因为采样周期相对于信号改变周期是很小，这么可用矩形法计算积分，用后相差分替换微分，则上式可变成离散PID算式 （3-4）式中 第次采样时调整器输出； 第次采样偏差值； 采样序号。采取增量式算法，上式可变换为 （3-5）利用增量式方法

19、优点是：1）计算机只输出控制增量，即实施机构位置改变部分，误动作时影响小必需时经过逻辑判定进行保护，不会严重影响系统状态。 2）易于实现手动和自动无忧切换。为了改善控制质量和控制要求，选择了微分先行PID控制模式，其结构图3-3所表示。这是一个PD和PI串联结构，她只对测量值M进行微分，而不是对偏差进行微分，这么在给定值R改变时，不产生输出大幅度改变，即可避免给定值扰动。ZZ RMP图3-3 微分先行PID结构图PID控制器是依据输出量对于输入量偏差改变情况，依据一定规则进行计算，实时整定PID 控制器参数。此次设计选择FX2N-2LC温度调整模块。该模块配有2通道温度输入和2通道晶体管输出，

20、即一块能组成两个温度调整系统。模块提供了自调整PID控制和PI控制，控制运行周期为500ms，占用8个I/O点数。3.3 控制系统仿真 对于本设计，为了检验PID控制效果，针对此反应器温度控制，在MATLAB 中进行了仿真。控制器仿真结构图3-4所表示，控制器跟踪升温曲线仿真结果图3-5 所表示。图3-4控制器仿真图3-5控制器跟踪升温曲线仿真3.4 控制参数整定 控制器参数整定：需要对PID控制器进行初始化参数整定，这里计划采取临界百分比度法对控制器进行参数整定。大致步骤为：首先设定百分比增益KC =1.0，置积分时间最大Ti=99999，微分时间为Td=0。将增益KC从1.0开始以1.0为

21、增量逐步增大，每改变一次增益KC，观察一次阶跃响应曲线，直到出现等幅振荡曲线为止。测量并统计此时临界增益Kcmax和等幅振荡周期Tmax，依据计算公式计算可得到KC，Ti和Td。将计算得到数据设置为温度控制器PID参数，即完成了控制器PID参数整定。 4 报警和紧急停车设计 该工艺过程中，假如反应釜中温度过高而造成压力增大，就有发生爆炸危险，所以有必需当反应釜内压力过大时发出报警并紧急停车，以免发生事故。为此有必需设计报警系统和紧急停车系统，为了提升其安全性，可同时采取自动手动两种方法。其框图图3-6所表示。 图3-6 报警系统和紧急停车系统 其工作过程为：经过温度升高，压力变送器检测反应釜内

22、气体压力P7，在报警给定器内设置压力上限1.2MPa，一旦发觉压力越界，报警给定器发出警报，并改变其输出开关量值，以示 出现危险。经逻辑运算判定，假如确实存在危险，改变其输出开关量值以开始停车过程。停车包含以下多个方法：关闭进料阀V4、V5、V6，以切断进料；将蛇管冷却阀V7和夹套 冷却阀V8开到最大，加大冷却水流量，方便快速降温；将出料阀V9开到最大，清空釜内物料；关闭搅拌器开关。该系统和以上各个控制系统是相互独立，经过选择型开关实施切换。这个过程也能够经过手动操作来完成。 5 结论 本文依据釜式反应器工艺步骤和控制要求，设计了一套温度过程控制系统。在明确控制要求而且确定了被控量以后，为了取

23、得愈加好控制效果，在深入分析被控量影响原因、影响原因之间制约关系、被控量间制约关系和被控对象特征基础上，选择了PID数字式控制方法，FX2N-2LC温度调整模块，经过MATLAB仿真结果表明，有愈加好控制效果；为了提升系统安全性，设计了报警和紧急停车系统。对于工艺步骤、对象特征及其它部分细节问题，6 体会经过这次课程设计我知道了，过程控制和自动化仪表这门课所应用领域，让我对带搅拌时反应器过程控制有了深入认识。和所起作用使我更深入了解我们以后要学习很多东西，而且要不停地提升自己实力。不仅提升了分析处理问题能力，也提升了理论学习能力，同时也增强了自己动手能力。经过此次设计把我所学书本上知识和实际联

24、络起来，在实践中检验自己知识掌握程度和熟练程度,对画图软件有了深入掌握。这次设计让我知道了自己还有很多不足之处。即使知道了过程控制部分理论，但在实际应用中还是力不从心，不知道怎么用。还有就是过程控制技术广泛应用使得这门技术所包含越来越宽。参考文件 1 潘永湘.杨延西.赵跃 过程控制和自动化仪表（第二版） 机械工业出版社 2 夏晨,李朴 反应釜设计及其温度控制系统 化工自动化及仪表 , 3 陆会明 控制装置和仪表 机械工业出版社 4 何淤庆,俞金寿,蒋慰孙.工业生产过程控制.化学工业出版社， 5 范永胜.王岷 电气控制和PLC.应用（第二版） 6 侯志林 过程控制和自动化仪表 机械工业出版社 7 张晓华 控制系统数字仿真和CAD 机械工业出版社