工程設(shè)計文件

1、河南理工大學(xué)過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè)計小組名稱:設(shè)計小組成員2017年 6月-、系統(tǒng)分析（包括控制需求分析、對象特性分析、工藝流程分析、系統(tǒng)安全 要求等）一、控制需求分析1.1進料流量及比例控制反應(yīng)器共有兩股連續(xù)進料。要求控制系統(tǒng)克服每股進料的流量擾動。同時，需要保證兩股物料以一泄 比例進料。1.2反應(yīng)器液位控制要求選手設(shè)計液位控制系統(tǒng)，保證液位處于80%,以獲得較大的反應(yīng)停留時間，保證反應(yīng)充分進行。13反應(yīng)器壓力安全控制為保證反應(yīng)安全，需要對壓力進行安全控制系統(tǒng)的設(shè)計。反應(yīng)器，反應(yīng)器耐壓約2.5MPa0為了安全, 要求反應(yīng)器在系統(tǒng)開、停車全過程中壓力不超過1.5 MPa。反應(yīng)器壓力報警上限組態(tài)

2、值為1.2 MPa。1.4反應(yīng)器組份控制為得到一宦的轉(zhuǎn)化率的產(chǎn)品，要求選手對反應(yīng)器最終產(chǎn)物的組份進行控制。反應(yīng)器內(nèi)主產(chǎn)物C重量百 分比濃度在圖中指示為AI1201,反應(yīng)溫度為TI1201,液位為LI120E反應(yīng)器出口流雖:為F11202,由出口 閥FV1202控制其流量。反應(yīng)器出口為混合液，由產(chǎn)物C與未反應(yīng)的A、B組成。1. 5反應(yīng)器溫度控制為保證反應(yīng)的進行，需要對溫度進行控制。該連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)以反應(yīng)物A 反應(yīng)物B,在反應(yīng)溫度70.0°C 下進行反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物為C。1. 6產(chǎn)物流量控制為保證產(chǎn)量，需要對產(chǎn)物流量進行控制。反應(yīng)器出口流量為FI1202,由出口閥FV1202控制英流量。1

3、. 7節(jié)能環(huán)保指標(biāo)控制出于對效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)設(shè)計和實施中對冷卻水用量等能耗指標(biāo)予以充分考 慮。反應(yīng)器冷卻水入口流捲為H1105,由閥FV1105控制流呈:。對入口流量進行控制。1.8開車步驟順序控制從生產(chǎn)單元冷態(tài)起，自動開車，按照開車步驟依次將控制回路投用，保證開車穩(wěn)步進行，保證系統(tǒng)無 擾投運。開車步驟，初始條件，使得液位上升到80%： 初始化檢査，系統(tǒng)處于開車前狀態(tài)，確認(rèn)所有閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。 開FV1201約50%,開始進料。 開FV12O3約50%,開始進料。 液位LI1201上升，物料開始反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)器溫度達到45°C時，調(diào)節(jié)冷卻水進料確保反應(yīng)器溫度 緩

4、慢上升。 當(dāng)液位上升至80%左右，打開出口閥門FV1202o 反應(yīng)器正常運行時，確保反應(yīng)器溫度、壓力、液位、產(chǎn)品組份和岀口流量均維持在工藝要求范圍內(nèi)。同時，確保反應(yīng)器處在安全、穩(wěn)立的生產(chǎn)工況。二、對象特性分析物料A與物料B進行合成反應(yīng)，生成的反應(yīng)熱從夾套中通過冷卻水除去，反應(yīng)完成的時間比停留的 時間短，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、吸收率及副產(chǎn)品的分布決立于物料A與B的流量之比，通過控制反應(yīng)器的液面 髙度來改變進料量達到物料平衡。反應(yīng)器正常運行時，確保反應(yīng)器溫度、壓力、液位、產(chǎn)品組份和岀口 流量均維持在工藝要求范用內(nèi)。同時，確保反應(yīng)器處在安全、穩(wěn)泄的生產(chǎn)工況，盡可能減少硬性停車， 保證較大的生產(chǎn)能力。三、工藝

5、流程分析被控對象為過程工業(yè)常見的反應(yīng)器系統(tǒng)，屬于連續(xù)反應(yīng)過程。反應(yīng)過程為反應(yīng)物A與反應(yīng)物B發(fā)生 反應(yīng)，生成產(chǎn)物C。反應(yīng)開始后由冷卻水進行冷卻。FI12O3FV1203物料BPI1201FI1201FVI201物料A器1應(yīng)加1TI120IAI1201耳冷卻水FI 1202FV1202T 耳 產(chǎn)物C該連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)以反應(yīng)物A與反應(yīng)物B,在反應(yīng)溫度70. 04C下進行反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物為C。反應(yīng)設(shè)備包括：反應(yīng)器，反應(yīng)器耐壓約2. 5MPa.為了安全，要求反應(yīng)器在系統(tǒng)開、停車全過程中壓 力不超過1. 5 MPa。反應(yīng)器壓力報警上限組態(tài)值為1. 2MPa。反應(yīng)過程主要有兩股連續(xù)進料。第一股是反應(yīng)物A, FI

6、1201為進料流量，F(xiàn)V1201是進料閥：第二股 是反應(yīng)物B, FI1203為進料流量，F(xiàn)V1203是進料閥：反應(yīng)器內(nèi)主產(chǎn)物C重量百分比濃度在圖中指示為 AI1201,反應(yīng)溫度為TI1201,液位為LI120K反應(yīng)器出口流量為FI1202,由岀口閥FV1202控制其流量。 反應(yīng)器出口為混合液，由產(chǎn)物C與未反應(yīng)的A、B組成。反應(yīng)器冷卻水入口流量為FI1105,由閥FV1105 控制流量。四、系統(tǒng)安全要求本次反應(yīng)是主要危險地方在于反應(yīng)器，物料A和物料B在反應(yīng)器當(dāng)中反應(yīng)劇烈使反應(yīng)器內(nèi)部壓強增 髙，液位上升。通過溫度檢測裝垃，當(dāng)反應(yīng)溫度髙于所設(shè)左的警戒值時，對應(yīng)的指示器變亮：同理，通 過壓力和液位檢測

7、裝置，當(dāng)這兩者也高于所設(shè)左的警戒值時，各自對應(yīng)的指示器變亮。當(dāng)兩個或兩個以 上的指示器亮起時，系統(tǒng)會發(fā)岀警報聲響。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度過高時，會促使內(nèi)部壓力增高，可能會對反 應(yīng)器造成損害且有可能對危及人身安全，造成不可估量的損失。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部的壓力過高時，有可能反 應(yīng)器壁承受不住壓力而發(fā)生形變甚至爆炸。對反應(yīng)器周囤及反應(yīng)器本身造成傷害。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部的液位 太髙時，會使反應(yīng)壓力增大，造成反應(yīng)物A和B的堆積和資源浪費，不符合綠色生產(chǎn)和綠色設(shè)計的理念, 進而影響反應(yīng)結(jié)果。二、控制系統(tǒng)設(shè)計2.1基礎(chǔ)控制系統(tǒng)及開車順序控制系統(tǒng)的設(shè)計（包括控制回路、控制算法、被 控變量、操縱變量、控制規(guī)律、閥門特性、順序邏輯、

8、安全保障等功能設(shè)計， 并說明設(shè)計理由）仁進料流量及比例控制a）因為物料A與物料B的比值是確左的-QA/QB = KAli流體A可被稱為主動流體，Qa主流 疑；而流體B可稱為被動流體，Qb副流量，副流量為隨動控制。b）反應(yīng)罐：因為雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)提降負荷比較方便，只要緩慢地改變主流疑控制器的給左值，就可以提降主 流量，同時副流量也就自動跟蹤提降，并保持兩者比值不變。.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)2. 反應(yīng)器液位控制：a）為使對反應(yīng)器液位的控制不影響到反應(yīng)器中組份的大小和溫度壓強，所以對于反應(yīng)器液位的 控制采用控制反應(yīng)岀口流量閥FV1202的單回路控制方式。這樣可以對反應(yīng)器液位的控制得到很好地 解決，而不

9、影響其他參數(shù)。而且通過控制主流MQa,就可以控制液位的變化。b）負反饋液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)：3. 反應(yīng)器溫度控制：a）反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng):凝液溫度負反饋控制b）反應(yīng)器溫度控制方框圖:2.2安全系統(tǒng)的設(shè)計(包括聲光報警、安全聯(lián)鎖、緊急停車、安全儀表等功能 設(shè)計，井說明設(shè)計理由)1. 閥門選型：a) FV1202調(diào)節(jié)閥選型氣開型：濃液出口閥FV1202選用氣開型，一旦發(fā)生事故，閥處于全關(guān)狀態(tài)，不會導(dǎo)致憋氣，保證壓力不會 太髙，損環(huán)苴它閥門及其它設(shè)備。為了使反應(yīng)物之間成線性關(guān)系，閥門流量特性選擇百分比閥。b) 物料A進口閥FV1201選用氣開型：一旦發(fā)生事故，閥處于全關(guān)狀態(tài)。不會使反應(yīng)器的液位升高，過髙的液

10、位可能會進入抽氣機，損壞抽 氣機，閥門流量特性選擇線性閥。c) 物料B進口閥FV1203選用氣開型：一旦發(fā)生事故，閥處于全關(guān)狀態(tài)。不會使反應(yīng)器的液位升高，過高的液位可能會進入抽氣機，損壞抽 氣機，閥門流量特性選擇線性閥。d) FV1203調(diào)節(jié)閥選型氣開型：物料B進口閥FV1203選用氣開型，一旦發(fā)生事故，閥處于全關(guān)狀態(tài)。不會使反應(yīng)器的液位升髙， 過髙的液位可能會進入抽氣機，損壞抽氣機，閥門流量特性選擇線性閥。e) FV1104調(diào)節(jié)閥選型氣開型：一旦發(fā)生事故，閥處于全關(guān)狀態(tài)。不會使反應(yīng)器的液位升髙，過髙的液位可能會進入抽氣機，損壞抽 氣機，閥門流量特性選擇線性閥。D FV1202調(diào)節(jié)閥選型一一氣

11、關(guān)閥：一旦發(fā)生事故，閥處于全開狀態(tài)。不會使反應(yīng)器中因為有殘留反應(yīng)物而導(dǎo)致二次事故的爆發(fā)對相關(guān)的 生命財產(chǎn)造成損失。2. 聲光扌艮警：該連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)以反應(yīng)物A與反應(yīng)物B,在反應(yīng)溫度70.0°C下進行反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn) 物為C。反應(yīng)設(shè)備包括：反應(yīng)器，反應(yīng)器耐壓約2.5MPa9為了安全，要求反應(yīng)器在系統(tǒng)開、停車全過程中 壓力不超過1.5MPa。反應(yīng)器壓力報警上限組態(tài)值為1.2 MPao當(dāng)溫度超過發(fā)出聲光報警，讓操作員知道， 系統(tǒng)岀錯，然后由操作員決立是否停機檢查。當(dāng)反應(yīng)器壓力超過上限組態(tài)值為1.2 MPa時發(fā)出聲光報警信 號，讓操作員知道，系統(tǒng)出錯，然后由操作員決定是否停機檢查。若超過1.5M

12、Pa時，系統(tǒng)自動進行停機 操作！3. 緊急彳亭車：閥門失去控制是比較常見的硬件故障，當(dāng)然這不是所有的故障，也不可能將所有 的故障考慮在英中。所以前而的調(diào)范用都要小于危險范囤，可以說是預(yù)警范【札在這個范用里正常系統(tǒng)已 經(jīng)失去了控制能力。需要一些特別的處理手段。但仍存在很多因素使系統(tǒng)不安全。比如壓力，當(dāng)遇到這 種況情時必須要緊急停止，并要有聲光報警。當(dāng)液位高于90%或低于50%、溫度高于90°C或低于40°C 這些情都要立即停止。物料A和物料B進口閥和物料C岀口閥分別使用氣開和氣閉，在閥門失控情況下 不會導(dǎo)致溫度上升，只能減小。當(dāng)溫度升髙時很大可能不是閥門失控。具體情要等髙溫警

13、報后人工處理。2.3綠色生產(chǎn)、節(jié)能減排降耗方面的考慮由于我國已經(jīng)進入工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加速期，重化工業(yè)較快增長還會持續(xù)一段較長時間，這一過程中能 源資源消耗和污染排放與經(jīng)濟增長一般呈現(xiàn)正向關(guān)聯(lián)。因此，在資源稀缺與環(huán)境承載能力有限的情況下， 傳統(tǒng)的高投入、髙消耗、高排放、低效率的增長方式已經(jīng)走到了盡頭。不加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，資源難 以支撐，環(huán)境難以容納，社會難以承受，科學(xué)發(fā)展難以實現(xiàn)。因此，為了我們的國家，為了我們了社會， 為了更好的生存我們必須貫徹實施節(jié)能減排計劃。按照生產(chǎn)要求，溫度范圍為70C左右。顯然如果能穩(wěn)左在70C時能耗更加合理。所以在溫度的選擇 上既要考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性，波動時是否滿足生

14、產(chǎn)要求，還要考慮到，能耗問題。也要加入髙效的催化劑這 樣，A與B反應(yīng)的更充分一些，有利于節(jié)省原材料。2.4控制系統(tǒng)管道儀表流程圖（包括基礎(chǔ)控制系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)等）1.冷啟動階段：2.聲光報警系統(tǒng):；'丙光報警系統(tǒng)）< J正常運行三、系統(tǒng)設(shè)備選擇（包括控制器、測量變送裝置、執(zhí)行機構(gòu)，DCS規(guī)模、10模 塊配置、儀表盤、控制柜、配電裝置等）四、實施效果4. 1監(jiān)控畫面（包括流程畫面、趨勢畫面、報警畫面、操作畫面等）4. 2響應(yīng)曲線及性能分析（任選系統(tǒng)中的一個控制回路，模型參數(shù)自定，一般被控對象為一階慣性滯后環(huán)節(jié)，控制閥和變送器為純比例環(huán)節(jié)，用mat lab仿真評價該回路的性能）1.溫度調(diào)節(jié):若被控對象為-階慣性滯后環(huán)節(jié)，由拉氏變換延遲定理可得：G宀+則被控對象的傳遞函數(shù)為: