反應釜溫度過程控制課程設計

1、過程控制系統(tǒng)課程設計 課 題： 反應釜溫度控制系統(tǒng) 系 別： 電氣與控制工程學院 專 業(yè)： 自動化 姓 名： 彭俊峰 學 號： 指導教師： 李曉輝 河南城建學院2016年 6月 15日目錄引言 11系統(tǒng)工藝過程及被控對象特性選取21.1 被控對象的工藝過程21.2 被控對象特性描述42 儀表的選取52.1過程檢測與變送器的選取52.2執(zhí)行器的選取62.2.1執(zhí)行器的選型72.2.2調節(jié)閥尺寸的選取72.2.3調節(jié)閥流量特性選取72.3控制器儀表的選擇83.控制方案的整體設定103.1控制方式的選擇103.2閥門特性及控制器選擇103.3 控制系統(tǒng)仿真123.4 控制參數整定134 報警和緊急停

2、車設計145 結論 156 體會16參考文獻17引言 反應器是任何化學品生產過程中的關鍵設備，決定了化工產品的品質、品種和生產能力。釜式反應器是一種最為常見的反應器，廣泛的應用于化工生產的各個領域。釜式反應器有一些非常重要的過程參數，如：進料流量 （進料流量比）、液體反應物液位、反應壓力、反應溫度等等。對于這些參數的控制至關重要，其不但決定著產品的質量和生產的效率，也很大程度上決定了生產過程的安全性。由于非線性和溫度滯后因素很多，使得常規(guī)方法對釜式反應器的控制效果不是很理想。本文以帶攪拌釜式反應器的溫度作為工業(yè)生產被控對象，結合PID 控制方式，選用FX2N-PLC溫度調節(jié)模塊，同時為了提高系

3、統(tǒng)安全性，設計了報警和緊急停車系統(tǒng)，最終設計了一套反應釜氏的溫度過程控制系統(tǒng)。1系統(tǒng)工藝過程及被控對象特性選取1.1 被控對象的工藝過程 本設計以工業(yè)常見的帶攪拌釜式反應器 （CSTR）為過程系統(tǒng)被控對象。反應器為標準3盆頭釜，反應釜直徑1000mm，釜底到上端蓋法蘭高度1376mm，反應器總容積0.903m，耐壓2.5MPa。為安全起見，要求反應器在系統(tǒng)開、停車全過程中壓力不超過1.5MPa。反應器壓力報警上限組態(tài)值為1.2MPa。反應器的工藝流程如圖1-1所示。圖1-1 釜式反應器工藝流程圖該裝置主要參數如表1-1所示。各個閥門的設備參數如表1-2所示，其中，Dg為閥門公稱直徑、Kv為國際

4、標準流通能力。 表1-1 主要測控參數表F4 反應物A 進料流量729 kg/hF5 反應物B 進料流量1540 kg/hF6 催化劑C 進料流量88 kg/hF7 冷卻水流量 （蛇管冷卻）最大25 t/hF8 冷卻水流量 （夾套冷卻）最大42 t/hF9 反應物料混合液出口流量kg/hT1 反應溫度P7 反應壓力MPa （絕壓）L4 反應器料位% (0-1.3m，0-100%)表1-2 設備參數表V4 反應物A 進料閥Dg25 Kv=3.42 (Cv=4)V5 反應物B 進料閥Dg25 Kv=5.38 (Cv=6.3)V6 催化劑C 進料閥Dg20 Kv=0.214 (Cv=0.25)V7

5、冷卻水閥 （蛇管）Dg40 Kv=25.64 (Cv=30)V8 冷卻水閥 （夾套）Dg50 Kv=42.73 (Cv=50)V9 反應器出口閥Dg25 Kv=8.54 (Cv=10)S6 熱水閥開、關兩種狀態(tài)S8 反應器攪拌電機開關開、關兩種狀態(tài)由圖1-1可以看出，該被控對象的反應過程為反應物A與反應物B在催化劑C的作用下，在反應溫度701.0發(fā)生反應，生成產物D。反應初期用熱水誘發(fā)，當反應開始后由冷卻水通過蛇管與夾套進行冷卻。圖1中，各參數含意如下：F4、F5 和F6 分別反應物A、B和催化劑 C 的進料流量，V4、V5 和V6 分別是A、B和C的進料閥。A為反應器內主產物D重量百分比濃度

6、，反應溫度為T1，液位為L4。反應器出口漿液流量為F9,由出口閥V9控制其流量。出口泵及出口泵開關為S5。反應器出口為混合液，由產物D與未反應的 A、B以及催化劑C組成。F7為夾套冷卻水入口流量，由閥V7進行控制。F8為蛇管冷卻水入口流量，由閥V8 進行控制。此外，在反應初期，需要由反應器夾套加熱熱水來觸發(fā)反應。該熱水由開關閥S6引入。反應器攪拌電機開關為S8。 1.2 被控對象特性描述 本設計中的被控對象主要是反應釜的溫度部分。由于被控對象有其特殊特性，直接影響著操縱變量和控制方案的選取，因此對于被控變量的特性分析顯得尤為重要。下面就針對反應釜反應溫度分析和描述。 該反應屬于放熱反應，放熱反

7、應屬于非自衡的危險過程，反應溫度高將導致反應速度加快，釋放出熱量導致反應溫度進一步升高，溫度迅速升高的同時，反應壓力也會迅速加大，從而有可能導致火災或者爆炸事故。因此有必要對反應溫度加以控制，其主要手段是控制夾套以及蛇管冷卻水的流量。冷卻水流量的變化隨閥門的開關變化較快、時間常數較小。當冷卻水壓力下降時 （這種干擾在現場時有發(fā)生），即使閥位不變，冷卻水流量也會下降，冷卻水帶走的熱量減少，反應器中物料溫度會上升。反應溫度和反應轉化率的變化屬于時間常數較大的高階特性。由于溫度變化的滯后，用常規(guī)控制器進行調節(jié)效果不佳。 2 儀表的選取 溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度調節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對象四個

8、部分組成，其系統(tǒng)結構圖如圖2.1所示。圖2-1 溫度控制系統(tǒng)結構圖 2.1過程檢測與變送器的選取過程檢測是生產過程自動控制系統(tǒng)的重要組成部分。過程檢測裝置及時而準確的把被控參數檢測出來，并變成調節(jié)、控制裝置可識別的方式，作為過程控制裝置判斷生產過程的依據。根據工業(yè)的要求，為了具有較高的精度，采用熱電阻溫度計。熱電阻溫度計廣泛應用于-200600范圍內的溫度測量。 用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關系最好近于線性，另外，材料的物理化學性質要穩(wěn)定，復現性好，易提純，同時價格便宜。熱電阻的選取可以根據表2-1確定： 表2-1 工業(yè)常用熱電阻熱電阻名

9、稱分度號0度時阻值（度）測溫范圍（度）特點銅電阻Cu50-50150線性好，價格低，適用于無腐蝕性介質Cu50鉑電阻Pt50-200500精度高，價格貴，適用于中性和氧化性介質，但線性度差Pt100 由表2-1，根據釜內溫度的一般變化范圍選用鉑電阻，為提高檢測精度采用三線制的接法，如圖2-2所示。采用三線制是為了消除連接導線電阻引起的測量誤差。這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與

10、其相鄰的橋臂上，這樣消除了導線線路電阻帶來的測量誤差。所以工業(yè)上一般都采用三線制接法。溫度變送器我們選擇DDZ-型溫度變送器如圖2-3所示。圖2-2 熱電阻三線直接法 圖2-3 變送器的測量接線示意圖其特點：（1）采用線性集成放大電路，使儀表的精確性、可靠性、穩(wěn)定性以及其他指標均符合國家規(guī)定的標準。（2）采用了通用模塊和專用模塊相結合的設計方法，使用靈活、方便。（3）在與熱電阻的接入單元中，采用了線性化電路，從而保證了變送器的輸出信號與被測溫度呈線性關系，大大方便了變送與系統(tǒng)的配接。（4）采用了統(tǒng)一的24V DC集中供電，變送器內無電源，實現了“三線制”的接線方式。（5）采取了安全火花防爆措施

11、，適用于具有爆炸危險場合中的溫度或直流毫伏信號的檢測。2.2執(zhí)行器的選取 執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)的重要組成部分，其特性好壞直接影響系統(tǒng)的控制質量。它接受控制器輸出的控制信號，并將其轉換為直線位移和角位移，操縱控制機構，自動改變操作變量，從而實現對過程變量的自動控制。2.2.1執(zhí)行器的選型 本設計采用氣動薄膜調節(jié)閥，其工作原理：當氣室輸入了0.020.10MPa信號壓力之后，薄膜產生推力，使推力盤向下移動，壓縮彈簧，帶動推桿、閥桿、閥芯向下移動，閥芯離開了閥座，從而使壓縮空氣流通。當信號壓力維持一定時，閥門就維持在一定的開度上。氣動薄膜調節(jié)閥的結構可以分為兩部分，上面是執(zhí)行機構，下面是調節(jié)機構。它

12、主要由膜片、彈簧、推桿、閥芯、閥座等零部件組成。當來自控制器的信號壓力通入到薄膜氣室時，在膜片上產生一個推力，并推動推桿部件向下移動，使閥芯和閥座之間的空隙減小，流體受到的阻力增大，流量減小。推桿下移的同時，彈簧受壓產生反作用力，直到彈簧的反作用力與信號壓力在膜片上產生的推力相平衡為止，此時，閥芯與閥座之間的流通面積不再改變，流體的流量穩(wěn)定。出于安全的原因，在此次設計中使用VBD氣動端面密封蝶閥，VBD氣動端面密封蝶閥是一種重量輕，結構簡單的后座式端面密封蝶閥。閥體、閥板均用鋼板焊接或鑄造加工而成。適用于低壓狀態(tài)的空氣或其他氣體的流量、壓力控制。氣動執(zhí)行器分氣開和氣關兩種形式，有壓力信號時閥關

13、，無壓力信號時閥開為氣關式執(zhí)行器；反之，則為氣開式。它的選擇首先應根據調節(jié)器輸出信號為零時使生產處于安全狀態(tài)的原則確定；其次，還應考慮是否有利于節(jié)能、是否有利于開車、停車等進行選擇。最后，氣開、氣關的選擇主要是考慮在不同生產工藝條件下安全生產的要求?？紤]的原則是：信號壓力中斷時，應保證設備和工作人員的安全。根據工業(yè)的要求，本設計選擇了氣關方式。2.2.2調節(jié)閥尺寸的選取 調節(jié)閥的尺寸主要是指調節(jié)閥的開度和口徑，他們的選擇對系統(tǒng)的正常運行影響很大。若調節(jié)閥口徑選擇過小，當系統(tǒng)受到較大擾動時，調節(jié)閥既是運行在全開狀態(tài)，也會使系統(tǒng)出現暫時失控現象；若口徑選擇過大，則在運行中閥門會經常處于小開度狀態(tài)，

14、容易造成流體對閥芯和閥座的頻繁沖蝕，甚至使調節(jié)閥失靈。因此，結合本設計的工業(yè)要求，調節(jié)閥開度應處于1585之間。2.2.3調節(jié)閥流量特性選取調節(jié)閥是控制系統(tǒng)非常重要的一個環(huán)節(jié)，它接受控制器的輸出信號，改變操縱變量，執(zhí)行最終控制任務?？刂崎y的流量特性是指流體通過閥門的相對流量與相對開度之間的函數關系，如下式中所示。 （2-1）其中相對流量。即控制閥在某一開度下的流量與最大流量之比； 相對開度。即控制閥在某一開度下的行程與全行程之比。 常用的理想流量特性的控制閥有：線性型、對數（等百分比）型和快開型等。 其理想流量特性如圖2-5 所示。圖-5 控制閥理想流量特性 而在實際工作時，閥兩端的壓降會隨流

15、量而變化，這時的流量特性稱為工作特性。設管路系統(tǒng)的總壓差為PT，由液體提升高度引起的壓差為Ph，閥兩端的壓降為PV，管路其他部分的壓降為Pl。工程中通常采用經驗法來選擇調節(jié)閥的流量特性。表2-1給出了理想流量特性的經驗，本方案將依據這個表來選取理想流量特性。然而當控制系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)出現故障或意外時，應考慮人身、設備裝置的安全；考慮介質性質；還要考慮減少經濟損失等。 表2-1 控制閥理想流量特性經驗選擇表被控變量有關狀況選用理想流量特性流量設定值變化直線型負荷變化對數型溫度對數型壓力快過程對數型慢過程，PV恒定直線型慢過程，(PV) Qmax 0.2(PV) Qmin對數型液位PV恒定直線型(P

16、V) Qmax 2(PV) Qmin快開型2.3控制器儀表的選擇采用模擬控制器:DDZIII型調節(jié)器，DDZ基型控制器框圖如圖4.3 ?？刂破鞯妮斎胄盘枮?5V的測量信號。設定信號有內設定和外設定兩種。內設定信號為15V，外設定信號為420mA。測量信號和設定信號通過輸入電路進行減法運算，輸出偏差到比例積分微分電路進行比例積分微分運算后，由輸出電路轉換為420mA信號輸出。手動電路和保持電路附于比例積分微分電路之中，手動電路可實現軟手動和硬手動兩種操作，當處于手動狀態(tài)時，用手指按下軟手動操作鍵，使控制器輸出積分式上升或下降，當手指離開操作鍵時，控制器的輸出值保持在手指離開前瞬間的數值上，當控制

17、器處于硬手動狀態(tài)時，移動硬手動操作桿，能使控制器的輸出快速改變到需要的數值，只要操作桿不動，就保持這一數值不變。由于有保持電路，使自動與軟手動相互切換，硬手動只能切換到軟手動，都是無平衡無擾動切換，只有軟手動和自動切換到硬手動需要事先平衡才能實現無擾動切換。3.控制方案的整體設定 3.1控制方式的選擇 采用單回路控制方式，將反應溫度T1 取一階微分，得到溫度變化率，再與升溫速率設定值0.1/s 作比較，將偏差作為控制器的輸入。控制系統(tǒng)框圖如圖 3-1所示： 圖3-1 控制系統(tǒng)框圖傳遞函數框圖如圖3-2所示：圖3-2 傳遞函數框圖系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為： （3-1） 閉環(huán)傳遞函數為： （3-2）3

18、.2閥門特性及控制器選擇 閥門V8選線性閥。 對于釜式反應器，在升溫階段65以下由夾套冷卻水閥控制冷卻水流量來實現對反應溫度的控制。根據反饋控制的基本原理，要使系統(tǒng)能夠正常工作，構成系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數靜態(tài)增益的乘積必須為正。由圖3-2可知，由于閥門V8選擇的是氣關的形式，被控對象釜式反應器是正作用，溫度變送器選擇正值，所以控制器應選擇正作用方式。對于釜式反應器這類控制對象，是一個時滯過程，而且控制對象特性復雜，故采用數字PID控制器可以得到滿意的控制效果。 數字調節(jié)中的PID控制算式是將PID的模擬表達式進行離散化而得到的。PID的模擬表達式為： （3-3）式中 調節(jié)器的輸出信號； 調節(jié)器的偏差

19、輸入信號，是測量值與之差，；調節(jié)器的比例增益、積分時間常數、微分時間常熟。 因為采樣周期相對于信號變化周期是很小的，這樣可用矩形法計算積分，用后相差分代替微分，則上式可變成離散PID算式 （3-4）式中 第次采樣時調節(jié)器的輸出； 第次采樣的偏差值； 采樣序號。采用增量式的算法，上式可變換為 （3-5）利用增量式方法的優(yōu)點是：1）計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構位置的變化部分，誤動作時影響小必要時通過邏輯判斷進行保護，不會嚴重影響系統(tǒng)狀態(tài)。 2）易于實現手動和自動的無憂切換。為了改善控制質量和控制的要求，選用了微分先行PID控制模式，其結構如圖3-3所示。這是一個PD與PI的串聯結構，他只對測量

20、值M進行微分，而不是對偏差進行微分，這樣在給定值R變化時，不產生輸出的大幅度變化，即可避免給定值擾動。圖3-3 微分先行PID結構圖PID控制器是根據輸出量對于輸入量偏差的變化情況，根據一定的規(guī)則進行計算，實時的整定PID 控制器的參數。此次設計選用FX2N-2LC溫度調節(jié)模塊。該模塊配有2通道的溫度輸入和2通道晶體管輸出，即一塊能組成兩個溫度調節(jié)系統(tǒng)。模塊提供了自調節(jié)的PID控制和PI控制，控制的運行周期為500ms，占用8個I/O點數。3.3 控制系統(tǒng)仿真 對于本設計，為了檢驗PID的控制效果，針對此反應器的溫度控制，在MATLAB 中進行了仿真?？刂破鞯姆抡娼Y構如圖3-4所示，控制器跟蹤

21、升溫曲線的仿真結果如圖3-5 所示。圖3-4控制器仿真圖3-5控制器跟蹤升溫曲線仿真3.4 控制參數整定 控制器參數整定：需要對PID控制器進行初始化的參數整定，這里打算采用臨界比例度法對控制器進行參數整定。大致步驟為：首先設定比例增益KC =1.0，置積分時間最大Ti=99999，微分時間為Td=0。將增益KC從1.0開始以1.0為增量逐漸增大，每變化一次增益KC，觀察一次階躍響應曲線，直到出現等幅振蕩曲線為止。測量并記錄此時的臨界增益Kcmax和等幅振蕩周期Tmax，根據計算公式計算可得到KC，Ti和Td。將計算得到的數據設置為溫度控制器的PID參數，即完成了控制器的PID參數整定。 4

22、報警和緊急停車設計 該工藝過程中，如果反應釜中的溫度過高而導致壓力增大，就有發(fā)生爆炸的危險，因此有必要當反應釜內壓力過大時發(fā)出報警并緊急停車，以免發(fā)生事故。為此有必要設計報警系統(tǒng)和緊急停車系統(tǒng)，為了提高其安全性，可同時采用自動手動兩種方式。其框圖如圖3-6所示。 圖3-6 報警系統(tǒng)和緊急停車系統(tǒng) 其工作過程為：通過溫度的升高，壓力變送器檢測反應釜內氣體壓力P7，在報警給定器內設置壓力上限1.2MPa，一旦發(fā)現壓力越界，報警給定器發(fā)出警報，并改變其輸出開關量的值，以示 出現危險。經邏輯運算的判定，如果確實存在危險，改變其輸出開關量的值以開始停車過程。停車包含以下幾個措施：關閉進料閥V4、V5、V6，以切斷進料；將蛇管冷卻閥V7和夾套 冷卻閥V8開到最大，加大冷卻水流量，以便快速降溫；將出料閥V9開到最大，清空釜內的物料；關閉攪拌器開關。該系統(tǒng)與以上各個控制系統(tǒng)是相互獨立的，通過選擇型開關實施切換。這個過程也可以通過手動操作來完成。