基于化學反應釜過程控制系統(tǒng)-水溫控制

1、指導教師評定成績： 審定成績： 大 學自 動 化 學 院過程控制系統(tǒng)課程設計報告 設計題目：基于工業(yè)化學反應釜的溫度控制系統(tǒng)設計指 導 教 師： 老師 單位（二級學院）： 自 動 化 學 院 專 業(yè)： 自動化 學 生 姓 名： 設計時間： 2014 年 6 月自動化學院制基于過程控制反應釜溫度控制系統(tǒng)設計摘要：溫度是化學反應釜生產(chǎn)過程中對反應過程影響最重要的的因素之一，溫度的控制精度、系統(tǒng)響應速度及穩(wěn)定度是衡量溫度系統(tǒng)性能指標的關鍵因素，準確地控制反應釜內原料在不同溫度下進行化學反應具有重要意義。首先，本系統(tǒng)對反應釜的溫度進行分析，得出了冷劑流量對反應釜內溫度的傳遞函數(shù)。其次，通過單片機，利用

2、繼電器、DS18B20溫度傳感器、LCD液晶顯示屏等設計了對反應釜進行加熱與降溫來實現(xiàn)反應釜溫度控制的具體電路和實時系統(tǒng)，對實際化學反應過程中的溫度變化進行模擬，并利用經(jīng)典控制理論中的PID算法得到反應時的最優(yōu)控制，并給出了詳細的分析步驟和控制算法。最后，通過組態(tài)軟件對整個化學反應過程進行實時監(jiān)控的模擬。關鍵詞：溫度控制 PID 單片機 組態(tài)王一、背景及國內外研究現(xiàn)狀1.1 問題研究背景在化工生產(chǎn)過程中, 連續(xù)反應釜是一種常用的、重要的反應容器。其化學反應機理較為復雜, 受到外界條件、原料純度、催化劑的類型等諸多因素的影響，所以難以建立精確的數(shù)學模型, 致使整套設備的自動化水平較低。而且在反應

3、釜中進行的反應一般屬于放熱反應, 反應放熱量大, 傳熱效果卻不理想, 因此反應釜內溫度一般具有大滯后、非線性等特征。針對反應釜內溫度變化的特點, 設計良好的溫度控制系統(tǒng)是保證產(chǎn)品質量的關鍵。在我國，盡管大中城市的科學技術和工業(yè)自動化的發(fā)展比較快，但是在眾多的小城市與農村地區(qū)由于經(jīng)濟不夠發(fā)達，政府扶持力度不夠，存在許多不太安全的小規(guī)?；どa(chǎn)項目，給人們的人生安全與財產(chǎn)安全帶來了一定的威脅。所以，如何更安全的進行化工生產(chǎn)已經(jīng)成為了政府和各種研究機構亟待解決和完善的事。1.2 國內外研究現(xiàn)狀目前關于反應釜溫度控制系統(tǒng)設計問題國內外都有一些研究，并且已經(jīng)基本滿足了工業(yè)需求。如Shinskey 與We

4、instein 提出的雙?？刂?dual-mode)，采用bang-bang+PID 控制，其大致步驟為：過程開始時，全力加熱，直至反應釜溫度距其設定值為t1 度，然后全力冷卻，持續(xù)TD1分鐘，此后，將夾套水溫設定值定在某個合適的中間溫度，持續(xù)TD2 分鐘，最后，用串級PID 控制器控制夾套水溫度。如果參數(shù)選擇得當，雙?？刂剖怯行У?。Arthur Jutan 與 Ashok Uppal 提出將反應熱作為一種擾動，采用適當?shù)姆椒ü烙嫵鰜?，用前饋控制抵消；余下的部分近似為線性系統(tǒng)，可以用PID 控制。Barry 與Sandro 采用GMC 方法控制反應釜溫度，得到了很好的仿真結果，并且進一步考察了

5、操作條件與過程參數(shù)變動時被控過程的魯棒性，發(fā)現(xiàn)GMC的魯棒性明顯強于雙?？刂?。為適應化工生產(chǎn)的新特點，一些過程控制領域中的新技術正在由理論研究轉向生產(chǎn)踐，如信息綜合處理技術、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、各種智能控制技術、軟計算技術和快速仿真技術、多媒體技術等。過程控制采用的技術工具，由基地式儀表、氣動單元式組合式儀表、電動單元組合式儀表型、型、型，發(fā)展到現(xiàn)在的可編程單回路、雙回路、三回路調節(jié)器和分散綜合控制系統(tǒng)(DCS)。當前，傳統(tǒng)的DCS 正借助于微處理器硬軟件和通信網(wǎng)絡技術，朝著標準化、開放化和盡量采用市場通用的優(yōu)良硬、軟件的方向，逐漸地、相互融合地向開放的DCS發(fā)展。如Honeywell 的 TP

6、S，它采用通用的軟件將企業(yè)的internet 網(wǎng)與局部控制網(wǎng)、通用控制網(wǎng)和系統(tǒng)總線連接在一起，配備各種平臺、操作站以滿足不同層次使用人員的要求。另外，最近發(fā)展起來的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(FCS)也是一種新的開放式的分布式控制系統(tǒng)。它把專用封閉協(xié)議變成標準開放協(xié)議，使系統(tǒng)共有完全數(shù)字計算和數(shù)字通信能力：在結構上，采用了全分布式方案，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，提高了系統(tǒng)靈活性和可靠性：它突破了集散型控制系統(tǒng)DCS 中采用專用網(wǎng)絡的缺陷。因此對于現(xiàn)場總線的工業(yè)控制系統(tǒng)研究具有重大的意義。據(jù)報道，美國猶他州鹽湖城Flying 煉油廠、孟山都化工廠、我國安慶安菱化工廠、吉林油田甲醇廠已采用FCS，取得了

7、明顯的經(jīng)濟效益。專家估計，F(xiàn)CS 將在石化行業(yè)得到廣泛的應用。二、化學反應釜的過程分析所謂過程系統(tǒng)是指研究一類以物質和能量轉換為基礎的生產(chǎn)過程。為了進一步改善工藝操作，提高自動化水平，優(yōu)化生產(chǎn)過程，加強生產(chǎn)上的管理，需要研究這類過程的描述、設計、模擬、仿真、控制和管理，最終能夠顯著地增加經(jīng)濟效益。在了解和掌握了工藝流程和生產(chǎn)過程動態(tài)的基礎上，需要根據(jù)生產(chǎn)對控制提出要求。而過程控制就是應用控制理論，對生產(chǎn)過程進行綜合分析并設計出包括被控對象、調節(jié)器、檢測裝置和執(zhí)行器在內的過程控制系統(tǒng)，最后采用合適的技術手段加以實現(xiàn)2.1反應釜的基本結構化學反應釜有間歇式和連續(xù)式兩種。間歇式反應釜通常用于液相反應

8、，而連續(xù)式反應釜通常用于均相和非均相的液相反應。圖 1 反應釜結構示意圖反應釜的基本結構如圖1所示。反應釜由攪拌容器和攪拌機兩部分組成，攪拌容器包括筒體、換熱元件級內構件；攪拌機由攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等組成。筒體為一個鋼罐形容器，可以在罐內裝入物料，使物料在其內部進行化學反應。為了維持反應釜內的反應溫度，需要設置換熱元件。常用的換熱元件為夾套，它包圍在筒體的外部，其與容器外壁形成密閉的空間。在此空間通入冷卻或加熱介質，通過夾套內壁傳熱，可冷卻或加熱容器內的物料。為了測量釜內的溫度，在罐內裝有鋼制的溫度計套管，可將溫度計或溫度傳感器放入其中。為了滿足工藝的需求還可以外接附件裝置。

9、2.2反應釜的工作原理在進行化學之前，先將反應物按照一定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應釜內，在反應釜的夾套中通以一定的高壓蒸汽，進而提高反應釜內的溫度，通過攪拌使物料溫度均勻，當釜內溫度達到預定的溫度時，保持一定時間的恒溫以使化學反應正常進行，反應結束后進行冷卻。然而，大多數(shù)的化學反應都是放熱反應，在反應的過程中釜內的溫度會進一步上升，所以需要采取一定的技術手段把釜內的溫度控制在某一個適宜的溫度范圍內，使整個化學反應速率一直保持到最大。如果溫度偏低或偏高，會影響反應進行的深度和反應的轉化率，從而影響了產(chǎn)品的質量并浪費了資源。為了是釜內溫度穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用噴霧的形式對放熱反應的釜內進行

10、降溫，從而把釜內的溫度控制在一個適宜的溫度范圍內使之符合工藝要求。2.3反應釜的控制方案在設計反應釜控制器時有必要弄清反應釜的控制目標和可能的控制手段。本系統(tǒng)將從將從以下幾個方面考慮控制指標。（1）能量平衡要保持反應釜的熱量平衡，應使進入反應器的熱量與流出的熱量及反應生成的熱量之間相互平衡。能量平衡控制對反應釜來說至關重要，它決定了反應過程中的生產(chǎn)安全，也間接的保證反應釜的產(chǎn)品質量達到工藝要求。（2）約束條件與其他化工操作設備相比，反應釜操作的安全性具有更重要的意義沒這樣就構成了反應釜控制中的一系列約束條件。例如，不少具有催化劑的反應中，一旦溫度過高或過低，反應物中含有雜質，將會導致催化劑的破

11、損和中毒。在有些氧化反應中，反應物的配比不當會引起爆炸等等。因此，在設計中經(jīng)常配置報警或自動選擇性控制系統(tǒng)。反應釜控制指標的選擇是反應釜控制方案設計中的一個關鍵問題。其主要是反應的轉化率、產(chǎn)量、收率、主要產(chǎn)品的含量和產(chǎn)物分布等。如果直接把這些問題作為被控對象，反應要求就得到了保證。但是，由于考慮的指標越多，對整個反應過程的控制就越難準確的控制。并且，由于測量手段的限制某些指標并不便測量，從而難以作為真正的控制指標。然而，反應過程中，溫度和上述指標密切相關，又便于測量，所以本作品主要將溫度作為被控量。 三、總體方案及控制算法3.1 總體方案分析反應釜內的溫度控制是化工生產(chǎn)過程的中心環(huán)節(jié)，目的是保

12、證反應過程的產(chǎn)物達到一定質量和控制要求，并確保反應的安全進行。由于溫度能較好地測量與分析，并且能夠一定程度上反映出釜內化學反應的過程，所以選用溫度為間接參數(shù)是最有效的方法。因此本作品的主要任務就是要實現(xiàn)溫度的智能控制。要實現(xiàn)溫度的精確控制，就要有精確的溫度傳感器，本作品采用DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)多點溫度采集，模擬整個反應釜內物料的溫度采集，其精度較高。然而，反應釜內的溫度有一定的限制，在開始階段，由于溫度低于設定的反應溫度，需要通過加熱裝置對反應釜進行加熱進而提高物料的溫度。當溫度接近催化劑的最適溫度時，釜內的原料進行快速反應，并釋放出反應熱，使釜內的溫度上升較快，當溫度超過給定值時，催

13、化劑的活性被抑制，從而使化學反應的速率迅速下降，所以為了將釜內溫度控制在某一適宜的溫度范圍內，本作品采用對釜內進行冷劑噴霧來平衡釜內的溫度，從而使釜內的化學反應始終保持在最適宜的狀態(tài)下。為了便于讀取和控制釜內溫度，本作品采用LCD液晶顯示屏來實現(xiàn)顯示功能，同時通過鍵盤來實現(xiàn)工況、反應釜內要達到的溫度設定。3.2反應釜的控制算法及其動態(tài)特性為了對釜內溫度進行較為精確的控制，有必要將反應過程分成釜內物料升溫過程和化學反應開始兩個階段，其每個過程中釜內溫度的變化情況有較大的差異。下面將對這兩個過程加以分析。（1）升溫過程一般的化學反應在常溫條件下基本上可以忽略其反應速率，所以需要采用加熱裝置對釜內物

14、料進行加熱。其結構框圖如下所示：圖 2 釜內升溫過程結構示意圖圖2 反應釜系統(tǒng)調節(jié)框圖此升溫過程類似于工業(yè)中較為成熟的電加熱爐問題，類比兩者可得出反應釜內溫度變化量對控制熱蒸汽變化量之間的傳遞函數(shù)形式為：為一階慣性環(huán)節(jié)。（2）反應過程一旦化學反應開始，由于反應過程中會自動放熱，所以釜內溫度會升高的越來越快。當內部溫度達到催化劑最適宜的溫度時，化學反應達到最快。當溫度超過給定值時，催化劑的活性被抑制，從而使化學反應的速率迅速下降，所以為了將釜內溫度控制在某一適宜的溫度范圍內，所以采用對釜內進行冷劑噴霧來平衡釜內的溫度，從而使釜內的化學反應始終保持在最適宜的狀態(tài)下。其過程的結構框圖如下所示： 圖

15、3 反應過程中結構框圖四、系統(tǒng)硬件電路設計4.1 系統(tǒng)硬件構成本作品設計的控制系統(tǒng)硬件電路主要由主控制器、DS18B20數(shù)字溫度計、輸出控制電路、鍵盤、LCD顯示電路及電源等組成，系統(tǒng)的硬件組成下圖所示：圖4 系統(tǒng)硬件設計框圖主控制器采用AT89C52單片機，溫度采集采用DS18B20溫度傳感器，不需要A/D轉換電路。其測溫速度快，精度高，互換性好?？傮w硬件電路圖如下圖所示：圖5 硬件電路總體電路圖4.2電源模塊電源模塊功能為把220V交流電轉為5V直流電，以此給電機供電。電源模塊我們選擇AMS1117電源芯片，其具有完善的保護電路，包括過流、過壓、電壓反接保護。使用這個芯片只需要極少的外圍元

16、件就能構成高效穩(wěn)壓電路。與LM2940穩(wěn)壓器件相比，AMS11117具有更低的工作壓降和更小的靜態(tài)工作電流，可以使電池獲得相對更長的使用時間。由于熱損失小，因此無需專門考慮散熱問題。而且其紋波很小，又為線性穩(wěn)壓芯片，可以為單片機及片外AD模塊提供很穩(wěn)定的工作電壓！電源模塊電路圖如下：圖6 電源模塊原理圖4.3LCD顯示模塊方案一：數(shù)碼管顯示，由于本題要求實時的顯示輸出給定轉速、實際速度以及PWM的占空比，數(shù)碼管只能顯示數(shù)字不能顯示英文字符。方案二：LED點陣顯示，LED點陣顯示雖然能夠顯示數(shù)字和字符，但是顯示的效果不好，而且不易編程。方案三：LCD液晶顯示，LCD液晶顯示不但能顯示字符和數(shù)字，

17、而且效果較好，且容易實現(xiàn)。綜上，我們選用LCD1602液晶顯示，進行數(shù)據(jù)的實時顯示。圖7 LCD顯示電路5、 系統(tǒng)仿真5.1 MATLAB仿真如下：圖8 Simulink仿真模塊圖9 PID電路模塊圖10 比例控制仿真效果只有比例環(huán)節(jié)，且比例系數(shù)為1，增大KP時，可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，加快系統(tǒng)響應速度，系統(tǒng)的超調量也隨之增大，以后的峰值呈現(xiàn)較大振蕩。圖 11 比例積分仿真效果加上積分環(huán)節(jié)之后K=1;Ti=100，在原有的P調節(jié)上加入一個積分環(huán)節(jié)，可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，消除或減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，產(chǎn)生較好的效果，最終趨于設定值。圖12 比例積分微分仿真效果再加上微分環(huán)節(jié)，Td=50，PID調節(jié)器是

18、常規(guī)調解中性能最好的一種調節(jié)器，加入的微分環(huán)節(jié)有降低超調量減少調節(jié)時間和上升時間的作用，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，在PID調節(jié)的作用下，兼顧快速性與無靜差的特點，曲線跟快速的趨于穩(wěn)定，且達到較高的調節(jié)質量。圖13 PID封裝后參數(shù)界面對整個系統(tǒng)進行PID調節(jié)后，系統(tǒng)綜合性能提高。5.2 組態(tài)王系統(tǒng)仿真如下：圖14 原系統(tǒng)仿真結果不加算法控制的反應近似視為上圖反應過程線是一個升溫過程，后溫度達到反應開始的階段，化學反應劇烈放熱，爐內溫度迅速升高，過高導致反應驟停，冷調節(jié)閥的作用使得溫度下降，反應再次開始，放熱再升溫再制冷，不斷循環(huán)，形成不停地震蕩。利用PID 調節(jié)之后的響應曲線，系統(tǒng)性能改善，與仿真一

19、致，見圖15圖15 PID調節(jié)結果5.3 組態(tài)王運行界面如下圖16 調節(jié)前系統(tǒng)運行結果 爐溫升溫過程中熱調節(jié)閥作用，爐內溫度實時顯示圖17 PID調節(jié)結果接近穩(wěn)定后，冷調節(jié)閥工作，由于化學反應是放熱反應，冷調節(jié)閥使得爐內溫度達到平衡，熱調節(jié)閥可以不工作。實際溫度控制系統(tǒng)中輸出驅動電路控制器將其PID運算的結果轉化為不同占空比的脈沖信號輸出，該信號作用于執(zhí)行機構還需要經(jīng)過驅動電路。利用PWM（脈沖寬度調制）原理利用單片機定時器1中斷生成PWM波，占空比通過按鍵可調圖18 PWM波形參考文獻1三諸靜模糊控制理論與系統(tǒng)原理仁M北京：機械工業(yè)出版社，20052劉學君反應釜溫度控制系統(tǒng)的研究D河北：燕山

20、大學，20043張輝，閏廣平即聚合釜的自動控制J古林化工學院學報，2004，21:50-524鞠麗葉自適應預測控制在爐溫控制的應用J青島科技大學學報，2008，25(1):83-875丑王偉廣義預測控制理論及其應用M北京:科學出版社，19986張濤反應釜溫度控制系統(tǒng)的研究D山東：青島大學，2009附錄 附錄一：C語言程序#include < reg51.h >#include < intrins.h >sbit DQ=P12;#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit lcdrs = P10 ;sb

21、it lcden = P11 ;sbit beer=P31;sbit ledr=P32;sbit ledg=P14;sbit jiare=P13;sbit jiashui=P30; uchar num,temp;uint tvalue,key,dengyu,newtep,new=40; uint temper,temper1,zhiwen,en,a;uchar code table = "please input-" ;uchar code table1 = '0','1','2','3','4'

22、;,'5','6','7','8','9','-' ;uchar code table2 = "your aim tp " ;void delay(uint z) uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-); void delay_18B20(unsigned int i)/延時1微秒 while(i-); void ds1820rst() unsigned char x=0;DQ = 1; /DQ復位delay_18B20(4

23、); /延時DQ = 0; /DQ拉低delay_18B20(100); /精確延時大于480usDQ = 1; /拉高delay_18B20(40); uchar ds1820rd()/讀數(shù)據(jù) unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-) DQ = 0; /給脈沖信號 dat>>=1; DQ = 1; /給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(10); return(dat);void ds1820wr(uchar wdata)/寫數(shù)據(jù)unsigned char i=0; f

24、or (i=8; i>0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata>>=1; int read_temp()/讀取溫度值并轉換uchar a,b;uint tvalue;/溫度值ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);/跳過讀序列號ds1820wr(0x44);/啟動溫度轉換ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);/跳過讀序列號 ds1820wr(0xbe);/讀取溫度a=ds1820rd();b=ds1820rd();tvalue=b;tvalue<

25、<=8;tvalue=tvalue|a;tvalue=tvalue*(0.625);/溫度值擴大10倍，精確到1位小數(shù)return(tvalue);void cewen() delay(1); temper=read_temp();delay(1); temper1=temper/10; /*以下部分為鍵盤掃描及計算器實現(xiàn)功能區(qū)域*/void swith() temp=P2; /將P3口當前的狀態(tài)復制給臨時變量temp temp=temp&0xf0;/temp與0xf0進行與運算，通過與運算的結果判斷出相應的行數(shù)有沒有被按下 if(temp!=0xf0) delay(10); /

26、延時去抖操作 temp=P2; temp=temp&0xf0;/重新讀取P3口在進行一次操作，判斷按鍵是否真的被按下 if(temp!=0xf0) temp=P2; switch(temp) /以下部分表示16個按鍵各自被按下時執(zhí)行相應的賦值操作 case 0xee: key=1;en=1;break; case 0xde: key=2;en=1;break; case 0xbe: key=3;en=1;break; case 0x7e: zhiwen=1;break; /表示第一種運算，“加”運算 case 0xed: key=4;en=1;break; case 0xdd: key

27、=5;en=1;break; case 0xbd: key=6;en=1;break; case 0x7d: dengyu=1;break;/表示第二種運算，“減”運算 case 0xeb: key=7;en=1;break; case 0xdb: key=8;en=1;break; case 0xbb: key=9;en=1;break; case 0x7b: ;break; /表示第三種運算，“乘”運算 case 0xe7: break; case 0xd7: key=0;en=1;break; case 0xb7: break;/等于號被按下，用dengyu這一變量記錄下來 case 0

28、x77:;break;/表示第四種運算，“除”運算 while(temp!=0xf0) /等待按鍵釋放 temp=P2;temp=temp&0xf0; void keyscan() P2=0xfe;swith(); /將第一行低至為低電平，后調用swith函數(shù) P2=0xfd;swith(); /將第二行低至為低電平 P2=0xfb;swith(); /將第三行低至為低電平 P2=0xf7;swith(); /將第四行低至為低電平 void writecom(uchar com) lcdrs = 0 ; P0=com ; delay(5);lcden = 1 ;delay(5);lcden = 0 ;void lcd_data(uchar date) lcdrs = 1 ;P0=date ;delay(5);lcden = 1 ;delay(5);lcden = 0 ; void init() writecom(0x38) ;writecom(0x0c) ; writecom(0x06) ; writecom(0x01) ; void main() init();