(何嘉濤)反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目：反應(yīng)器串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分學(xué)生：何嘉濤班級：2013電氣7班學(xué)號：3120130806716指導(dǎo)老師：侯思穎2016年12月12日目 錄前言4第1章 連續(xù)槽反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的意義 41.1 連續(xù)槽反應(yīng)器簡介41.2 目的及意義5第2章 連續(xù)槽反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求5第3章 總體設(shè)計(jì)方案63.1 方案比較63.1.1 簡單控制系統(tǒng)63.1.2 串級控制系統(tǒng)73.2 方案選擇8第4章 串級控制系統(tǒng)分析84.1 主回路設(shè)計(jì)84.2 副回路設(shè)計(jì)84.3 主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇84.4 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定9第5章

2、 儀器儀表的選取及元器件清單95.1 溫度的測量與變送器的選擇95.2 調(diào)節(jié)器的選擇10第6章 控制系統(tǒng)的組成126.1控制系統(tǒng)儀表元件清單件清及配接136.2利用Matlab進(jìn)行仿真13 串級反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：在工業(yè)過程中，溫度是最常見的控制參數(shù)之一，反應(yīng)器溫度控制是典型的溫度控制系統(tǒng)。對溫度的控制效果將影響生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，如果控制不當(dāng)將損害工藝設(shè)備甚至對人身安全造成威脅。因此反應(yīng)器溫度的控制至關(guān)重要。 連續(xù)槽反應(yīng)器是化學(xué)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備是一個(gè)具有大時(shí)滯、非線性和時(shí)變特性、擾動變化激烈且幅值大的復(fù)雜控制對象。結(jié)合控制要求，通過分析工藝流程，本論文設(shè)計(jì)了串級PID分程控制方案

3、。方案選定后，進(jìn)行了硬件和軟件的選擇。硬件上選用西門子公司的S7-200 PLC，并用相應(yīng)的STEP7軟件編程。然后采用北京三維力控科技有限公司開發(fā)的三維力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控畫面并利用Matlab 7.0對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵詞：溫度，反應(yīng)器，串級PID In the industrial process,temperature is one of the most common control parameters,reactor temperature control system is a typical temperature control system.The temperatur

4、e 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

5、 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 h

6、ardware, 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 is chosen to make the supervision picture.Matlab7.0 work for the simulation.Keywords: temperature,reactor, cascade PID前言串

7、級控制系統(tǒng)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代過程工業(yè)規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高，產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，以及相應(yīng)的系統(tǒng)安全問題，管理與控制一體化問題等，越來越突出，因此要滿足這些要求，解決這些問題，僅靠簡單控制系統(tǒng)是不行的，需要引入更為復(fù)雜、更為先進(jìn)的控制系統(tǒng)，由此串級控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。串級控制系統(tǒng)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的簡單閉合控制系統(tǒng)串聯(lián)組成的一種比較高級的系統(tǒng)，是改善控制過程極為有效的方法，并且的道理廣泛的應(yīng)用。作為一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)有改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量，能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在一些容量滯后較大的過

8、程，純延時(shí)較大的過程，擾動變化激烈而且幅度大的過程，參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程，非線性過程，應(yīng)用串級控制可以達(dá)到明顯的效果。第1章 連續(xù)槽反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的意義1.1 連續(xù)槽反應(yīng)器簡介圖1-1-1 連續(xù)槽反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖如圖1-1-1所示的一個(gè)連續(xù)槽反應(yīng)器，物料自頂部連續(xù)進(jìn)入槽中，經(jīng)反應(yīng)后從底部排出。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由冷卻夾套中的冷卻水帶走。槽中裝有物料攪拌裝置，能夠通過攪拌物料促使物料的反應(yīng)和連續(xù)槽反應(yīng)器中物料之間的熱擴(kuò)散而保持各處物料溫度一致。冷卻水流量可以通過調(diào)節(jié)閥控制，從而控制反應(yīng)器內(nèi)物料溫度的恒定。1.2 目的及意義為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度T1，為此采用調(diào)節(jié)閥來改變冷卻水流

9、量。由于冷卻水是通過吸收反應(yīng)器內(nèi)壁熱量來降低物料溫度的，這樣系統(tǒng)就擁有了三個(gè)熱容，即夾套中的冷卻水、槽壁和槽中的物料。因?yàn)橄到y(tǒng)有三個(gè)熱容，并且三個(gè)熱容之間都有影響，所以系統(tǒng)擾動的來源也相應(yīng)增加了，這樣就增加的系統(tǒng)的控制難度。物料的反應(yīng)是一個(gè)放熱過程，如果溫度過高，則會使物料變質(zhì)從而造成資源的浪費(fèi)，生產(chǎn)成本的提升，所以要嚴(yán)格控制反應(yīng)槽的溫度不能超過上限值。第2章 連續(xù)槽反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求反應(yīng)器的主要任務(wù)是維持物料在反應(yīng)過程中溫度的恒定，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。反應(yīng)器的工藝流程圖如圖2-1所示。進(jìn)料從反應(yīng)器頂進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，在攪拌裝置的攪拌下充分反應(yīng)并維持物料溫度基本處處一致，被冷

10、卻水冷卻到設(shè)定溫度T1，在冷卻水進(jìn)水水管上裝設(shè)一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用它來控制冷卻水的流量以恒定溫度T1的目的。圖2-1 連續(xù)槽反應(yīng)器工藝流程圖引起溫度T1改變的擾動因素很多，主要有：（1） 冷卻水方面（水溫和閥前的水壓）的擾動D2;（2） 物料方面（進(jìn)料的溫度和速度）的擾動D1；（3） 反應(yīng)器壁對外界的散熱擾動；其中冷卻水方面的擾動和物料方面的擾動為主要擾動，反應(yīng)器壁的擾動可以不單獨(dú)考慮，而歸結(jié)到冷卻水方面的擾動去。由于水的比熱容比較大，溫度擴(kuò)散起來比較緩慢，所以系統(tǒng)是個(gè)滯后較大的系統(tǒng)，可以把冷卻水反面（包括反應(yīng)器壁對外界的散熱擾動）用一個(gè)專門的調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)使其相對穩(wěn)定。第3章 總體設(shè)計(jì)方案3.1 方

11、案比較3.1.1 簡單控制系統(tǒng)如圖3-1-1-1所示，溫度調(diào)節(jié)器TC是根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度T與設(shè)定值的偏差進(jìn)行控制，當(dāng)冷卻水部分出現(xiàn)干擾后系統(tǒng)并不能及時(shí)產(chǎn)生控制作用，克服干擾對被控參數(shù)T的影響控制質(zhì)量差。但在冷卻水?dāng)_動可以忽略或很小的情況下，并生產(chǎn)工藝對物料溫度要求不是很嚴(yán)格時(shí)，簡單控制系統(tǒng)還是可以滿足要求的，如果冷卻水的擾動大，而且對系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響，則簡單控制系統(tǒng)很難滿足工藝要求。簡單控制系統(tǒng)框圖如圖3-1-1-2所示。圖3-1-1-1 反應(yīng)器溫度簡單控制系統(tǒng)圖3-1-1-2 反應(yīng)器物料溫度簡單控制系統(tǒng)框圖被控變量：反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度；操控變量：冷卻水流量。3.1.2 串級控制系統(tǒng)串級控

12、制系統(tǒng)采用兩套檢測変送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。中間被控變量：夾套和槽壁溫度；被控變量：反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度；操縱變量：冷卻水流量。夾套和槽壁溫度變化時(shí)，TC可以及時(shí)動作，克服擾動。圖3-1-2-1和圖3-1-2-2分別為串級系統(tǒng)工藝流程圖和串級系統(tǒng)框圖。圖3-1-2-1 串級系統(tǒng)工藝流程圖圖3-1-2-2 串級系統(tǒng)框圖3.2 方案選擇方案一的簡單控制系統(tǒng)有干擾時(shí)，TC輸出信號改變閥門開度，進(jìn)而改變冷卻水的流量。在開始時(shí)，物料的溫度離設(shè)定值偏差大，用冷卻水降溫傳溫慢，就造成開始是反應(yīng)時(shí)間過長，動作不及時(shí)，偏差在短時(shí)間內(nèi)不能消除。方案二

13、的串級控制系統(tǒng)中，由于引進(jìn)了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。在系統(tǒng)開始時(shí)，在副回路的作用下先對槽壁進(jìn)行冷卻，這樣就等于較少了一個(gè)熱容，繼而加速了系統(tǒng)的平衡。對于串級系統(tǒng)而言，副回路有先調(diào)、初調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)。兩者相互配合，使控制質(zhì)量明顯提高，與簡單系統(tǒng)相比，對離被控對象較遠(yuǎn)的擾動（二次擾動）有明顯的抑制作用，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。綜上所述，根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇串級控制。第4章 串級控制系統(tǒng)分析4.1 主回路設(shè)計(jì)反應(yīng)器溫度串級控制系統(tǒng)是以反應(yīng)器內(nèi)物料溫度為主要被控參數(shù)的控制系統(tǒng)。其它被控參數(shù)有夾套溫度，

14、槽壁溫度，冷卻水流量。主回路就是通過對反應(yīng)器內(nèi)物料溫度T1的測量作為反饋來控制冷卻水管閥門開度來控制物料的溫度，從而達(dá)到控制的目的。4.2 副回路的選擇副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。主要的擾動有物料的擾動和冷卻水的擾動，由于冷卻水的擾動離被控對象遠(yuǎn)，則副回路的被控對象就選擇夾套內(nèi)水的溫度T2。4.3 主、副調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。在反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)中，我們選擇物料溫度為主要被控參數(shù)，由于溫度的遲滯性很強(qiáng)，而系統(tǒng)工藝要求不是很高，所以主調(diào)節(jié)器可以采用PID或PD控制規(guī)律，而副

15、回路決定系統(tǒng)的響應(yīng)速度，所以應(yīng)選PD控制規(guī)律。4.4 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定為了避免溫度過高，物料變質(zhì)而造成成本的增加，在控制器不能正常工作是應(yīng)該也要能把反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度降下來，所以閥門應(yīng)選氣關(guān)閥。對于副回路而言，當(dāng)夾套內(nèi)溫度降低，則要減少冷卻水了流量，則就要加大副控制器的輸出，所以副調(diào)節(jié)器為反作用。對于主回路而言，當(dāng)物料的溫度降低，則要較少冷卻水的流量，所以主回路也是反作用。第5章 各儀表的選取及元器件清單5.1 溫度測量與変送溫度測量儀表的選擇：由于系統(tǒng)對溫度的要求不是很高，而系統(tǒng)的溫度范圍也在0100之內(nèi)，則只需要一般的測溫元件，故選擇K型熱電偶。溫度變送器儀表的選擇：DDZ-類

16、儀表相對于DDZ-類儀表的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為電流范圍不是從零開始，這樣就避免了把儀表不能正常工作誤認(rèn)為是輸出為零，所以應(yīng)選擇DDZ-型K型熱電偶溫度變送器DZ-5130K型熱電偶溫度變送器。表1 DZ-5130的主要技術(shù)指標(biāo)供電電源：24VDC10%電源保護(hù)：具有反向保護(hù)輸出保護(hù)：輸出短路無限制轉(zhuǎn)換精度：0.10.5%F.S溫度漂移：0.15% F.S/10隔離性能：輸入/輸出/電源全隔離響應(yīng)時(shí)間：0.1秒(090%F.S)絕緣電阻：輸入/輸出/電源間100 M環(huán)境溫度：-1055絕緣強(qiáng)度：輸入/輸出/電源間1500VAC(1分鐘)環(huán)境濕度：090%RH不結(jié)露外 殼：耐高溫阻燃工程塑料安裝形式： DI

17、N 導(dǎo)軌安裝，導(dǎo)軌尺寸 35mm表2 產(chǎn)品型號表名稱基本型號輸入種類輸出種類供電電源輸出制式輸入代碼輸入信號輸出代碼輸出信號熱電偶溫度變送器DZ-51K型熱電偶3420mADC0二線制非隔離型C15VDC1四線制全隔離型圖5-1-1 DZ-5130接線圖端子1、2為輸入，3、4為補(bǔ)償電阻，5、6為輸出，7、8為電源。5-2 調(diào)節(jié)器的選擇由于已經(jīng)選用DDZ-型變送器，所以調(diào)節(jié)器也選用DDZ-的，主、副調(diào)節(jié)器選型一致，都選用DTZ-2100D。它是全刻度指示調(diào)節(jié)器，是DDZ-III系列儀表中調(diào)節(jié)單元的基型品種，它接受變送器經(jīng)信號分配器送來的信號征收給定信號進(jìn)行比較，對其差值進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算

18、，以電流輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主要技術(shù)指標(biāo)為：輸入信號： 1-5VDC給定方式： 內(nèi)給定1-5DVC外給定4-20mDVC(2500.1%)輸出信號： 4-20mADC閉環(huán)跟蹤誤差： 0.5%負(fù)載電阻： 205-750功 能： 自動/手動，非平衡無擾動切換調(diào)節(jié)動作： PD；PI；PID比 例 帶：(P)2%-500%積分時(shí)間：(Ti)0.01分-2.5分和0.1分-25分兩檔(開關(guān)切換)微分時(shí)間：(TD)關(guān)、0.04分-10分(開關(guān)切換)微分增益： KD=10工作環(huán)境： 環(huán)境溫度： 0-50；相對濕度： 85%(RH)電源電壓： 24VAC10%功 耗： 3W重 量： 3kg引線端子圖見圖5-2-1。圖5-2-1 DTZ-2100D引線端子圖5.3 執(zhí)行器的選擇閥門選擇氣動薄膜式單座直通閥，安裝方式為氣關(guān)。為了能夠和DTZ-2100D調(diào)節(jié)器匹配需另加一個(gè)電氣閥門定位器，電氣閥門定位器的型號為HEP-17，主要技術(shù)指標(biāo)為：(1) 、精度：小于全行程1%。(2)、回差：小于全行程1%。(3)、死區(qū)：小于全行程0.4%。(4)、特性：線性(可改變成快開、等百分比特性)。(5)、氣源壓力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。(6)、最大流量：140NL/min(當(dāng)氣源壓力在0.14MPa時(shí))。(7)、耗氣量：5NL/min(當(dāng)氣源壓力在0.14MPa