溶劑緩沖罐壓力控制系統(tǒng)設計

1、 過程限制 課程設計（論文）題目： 溶劑緩沖罐壓力限制系統(tǒng)設計 院（系）： 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 14 / 18摘 要 在生產(chǎn)中為了保障罐內(nèi)物質(zhì)的平安，通常須要向罐內(nèi)注入氮氣等氣體，但是當通入氣體過多時會使罐內(nèi)壓力變大，從而引發(fā)爆炸的危急；但罐內(nèi)氣體過少時又起不了愛護的作用。因此，限制反應罐內(nèi)壓力的大小至關(guān)重要。本課設的目的是用溶劑緩沖罐來緩解壓力，其設計采納分程限制方案。當壓力上升時，讓進氣閥減小開度并對排氣閥適當?shù)脑黾娱_度以達到減小壓力的目的。當壓力降低時采納增大進氣閥開度并減小排氣閥開度的方法來增大壓力。設計中采納壓力變送器，限制器和兩個調(diào)整閥來對緩沖罐壓力進行精確的限制，文

2、中并對其進行了仿真分析。采納溶劑緩沖罐壓力限制系統(tǒng)具有平安性高，操作簡便，敏捷性能強等優(yōu)點。關(guān)鍵詞： 分程限制系統(tǒng)；壓力調(diào)整器；罐內(nèi)壓力目 錄第1章 緒論11.1 過程限制技術(shù)的發(fā)展11.2緩沖罐內(nèi)壓力限制技術(shù)1第2章 方案論證32.1 任務分析32.2 分程限制系統(tǒng)方案設計32.3 系統(tǒng)的總體構(gòu)成4第3章 變送器選型73.1 變送器的選型73.2 限制器的選型73.3 執(zhí)行器的選型83.4 電器轉(zhuǎn)換器8第4章 限制規(guī)律選擇104.1 PID選擇104.2 限制器的氣開氣關(guān)及正反作用選擇11第5章 仿真分析探討135.1 PID對限制的影響135.2 仿真過程分析13第6章 課程設計總結(jié)15第

3、1章 緒論1.1 過程限制技術(shù)的發(fā)展過程限制通常是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動限制，是自動化技術(shù)最重要的組成部分之一。其應用范圍覆蓋石油、化工、制藥、生物、醫(yī)藥、水利、電力、冶金、輕工、紡織、建材、核環(huán)境等很多領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。過程限制的主要任務是對生產(chǎn)過程中的有關(guān)參數(shù)進行限制，使其保持恒定或按肯定規(guī)律變更，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)平安的前提下，使連續(xù)型生產(chǎn)過程自動地進行下去。連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：呈流淌狀的各種原料中連續(xù)流淌過程中，伴隨著物理變更、化學反應、生化反應、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。連續(xù)型生產(chǎn)過程經(jīng)常要求苛刻的工藝條件，如高溫、高壓等；現(xiàn)場存在易燃、易爆或有害泄漏等危急，生產(chǎn)條

4、件惡劣；須要有愛護人身和生產(chǎn)設備平安的特殊措施等。在大型的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中，影響生產(chǎn)過程的因素和條件一般不止一個，各自所起到作用也不同，這就確定了過程限制的困難性和多樣性。鑒于限制過程困難多樣、過程限制方案種類豐富，過程限制系統(tǒng)有多種分類方法。按所限制的參數(shù)來分，有溫度限制系統(tǒng)、壓力限制系統(tǒng)、流量限制系統(tǒng)等；按限制系統(tǒng)所處理的信號方式來分，有模擬限制系統(tǒng)和數(shù)字限制系統(tǒng)；按限制器類型來分，有常規(guī)儀表限制系統(tǒng)和計算機限制系統(tǒng)，而計算機限制系統(tǒng)還可分為DDC、DCS和現(xiàn)場總線限制系統(tǒng)（FCS）；按限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所完成的功能來分，有串級限制系統(tǒng)、勻稱限制系統(tǒng)、自適應限制系統(tǒng)等；按限制規(guī)律來分，有比例限

5、制、比例積分限制、比例微分限制、比例積分微分限制系統(tǒng)等；按限制系統(tǒng)組成回路的狀況來分，有單回路和多回路限制系統(tǒng)、開環(huán)和閉環(huán)限制系統(tǒng)；按被控參數(shù)的數(shù)量可分為單變量和多變量限制系統(tǒng)等。以究竟采納哪種分類方法并無原則性的規(guī)定。下面介紹兩種常見的分類方法：按設定值的形式不同分為定制限制系統(tǒng)、隨動限制系統(tǒng)、程序限制系統(tǒng)；按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分為反饋限制系統(tǒng)、前饋限制系統(tǒng)、前饋反饋復合限制系統(tǒng)。1.2緩沖罐內(nèi)壓力限制技術(shù) 緩沖罐限制壓力限制是通過進氣閥將氣體輸入緩沖罐內(nèi)，通過限制罐內(nèi)氣體的多少來變更緩沖罐內(nèi)的壓力。主要用于各種系統(tǒng)中緩沖系統(tǒng)的壓力波動，使系統(tǒng)工作更平穩(wěn)，其原理是通過壓縮罐內(nèi)壓縮空氣來實現(xiàn)，被廣

6、泛應用于供水設備和中心空調(diào)系統(tǒng)等。本課設的目的是用溶劑緩沖罐來緩解壓力，當壓力過高過時，壓力調(diào)整器輸出將上升，出氣的壓力調(diào)整閥漸漸關(guān)閉，進氣的壓力調(diào)整閥將漸漸打開，罐壓力將漸漸下降；當罐內(nèi)壓力下降時，壓力調(diào)整器輸出將下降，出氣的壓力調(diào)整閥漸漸打開， 進氣的壓力調(diào)整閥將漸漸關(guān)閉，罐壓力將漸漸上升，從而達到限制壓力的目的。第2章 方案論證2.1 任務分析本次試驗是用溶劑緩沖罐緩解壓力，當壓力過高過低都影響平安生產(chǎn)。壓力過高可以排放到燃燒爐，過低可以補充氮氣，總體上要保證壓力穩(wěn)定。當壓力過高過時，壓力調(diào)整器輸出將上升，出氣的壓力調(diào)整閥漸漸關(guān)閉，進氣的壓力調(diào)整閥將漸漸打開，罐壓力將漸漸下降；當罐內(nèi)壓力

7、下降時，壓力調(diào)整器輸出將下降，出氣的壓力調(diào)整閥漸漸打開， 進氣的壓力調(diào)整閥將漸漸關(guān)閉，罐壓力將漸漸上升，從而達到限制壓力的目的。通過分析，可以達到限制壓力的系統(tǒng)可以為串級限制系統(tǒng)和分程限制系統(tǒng)。但是因為分程限制系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)簡潔，易操作，干擾因素少等一系列的優(yōu)點，因此采納分程限制系統(tǒng)。2.2 分程限制系統(tǒng)方案設計一臺調(diào)整器去操縱兩只調(diào)整閥，實施（動作過程）是借助調(diào)整閥上的閥門定位器對信號的轉(zhuǎn)換功能。例如圖中的A、B兩閥，要求A閥在調(diào)整器輸出信號壓力為0.020.06MPa變更時，作閥的全行程動作，則要求附在A閥上的閥門定位器，對輸入信號0.020.06MPa時，相應輸出為0.020.1MPa，而

8、B閥上的閥門定位器，應調(diào)整成在輸入信號為0.060.1 MPa時，相應輸出為0.020.1MPa。根據(jù)這些條件，當調(diào)整器（包括電/氣轉(zhuǎn)換器）輸出信號小于0.06MPa時A閥動作，B閥不動；當輸出信號大于0.06MPa時，而B閥動作，A閥已動至極限；由此實現(xiàn)分程限制過程。圖2.1分程限制結(jié)構(gòu)圖采納分程限制可提高閥的可調(diào)比，設限制閥可控最小流量Qmin,可限制最大流量為Qmax,定義可調(diào)比R=Qmax/Qmin。其中，限制器采納PIC3624其作用是通過傳感器傳入的緩沖罐內(nèi)壓力的大小，分別限制進氣閥和出氣閥的開關(guān)。調(diào)整閥的作用是調(diào)整進氣閥和出氣閥的開關(guān)。其中調(diào)整閥A的作用是限制氣體進入緩沖罐內(nèi)的多

9、少；調(diào)整閥B的作用是限制從緩沖罐內(nèi)排出的氣體的多少。對象即被控對象，是由兩個調(diào)整閥共同作用來影響的。調(diào)整閥A對象限制器調(diào)整閥B測量變送圖2.2 分程限制系統(tǒng)框圖 2.3 系統(tǒng)的總體構(gòu)成PVA采納分程系統(tǒng)限制，詳細結(jié)構(gòu)圖如下： 閥A壓力變送器閥BPT排氣氮氣緩沖罐圖2.3 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖當反應物進入反應罐中，傳感器檢測罐內(nèi)的壓力，當傳感器檢測到罐內(nèi)增大的時候，為了保障罐內(nèi)的平安，此時就須要對反應罐進行降壓。應用分程限制，將反應物進入罐內(nèi)的調(diào)整閥適當?shù)年P(guān)閉，并將解除的調(diào)整閥適當?shù)拈_大，從而達到降低罐內(nèi)壓力減小的目的。當傳感器檢測到反應罐內(nèi)的壓力減小時，限制進氣調(diào)整閥適當?shù)拇蜷_，排出調(diào)整閥適當?shù)年P(guān)閉

10、。從而達到使罐內(nèi)壓力增大的目的。第3章 變送器選型本次探討所用到的主要的器件包括：壓力變送器；限制器；執(zhí)行器和電氣轉(zhuǎn)換器。3.1 變送器的選型本次設計緩沖罐內(nèi)的壓力的測量范圍是12KPa可設采納分散硅傳感器。它是運用硅片的壓阻效應，選用I C工藝技術(shù)分散四個等值應變電阻，組成惠斯通電橋。不受壓力效果時電橋處于平衡狀況；當遭到壓力(或壓差)效果時，電橋的一對橋臂電阻變大，另一對變小，電橋失去平衡。若對電橋加一穩(wěn)定的電壓(電流)，便可檢測到對應于所加壓力的電壓信號，然后到達丈量液體、氣體壓力巨細的意圖。特色：量程規(guī)模大，最小0 - 1 0 0 P a最大0 - 1 0 0 M P a；零點??；精度

11、高，可達0 . 1 %；分辯率高；帶防腐膜片的傳感器，可丈量腐蝕性介質(zhì)；體積小、高阻抗、低功耗、抗干擾實力強；任務頻率高、壽命長、運用規(guī)模廣泛等特色。變送器基本參數(shù)：量程范圍: 0-10KPa；精度等級： ±0.5級； 環(huán)境溫度：-2050； 給定方式：內(nèi)/外給定切換，外給定時，紅色燈亮；外給定信號：DC 420mA；適用介質(zhì)：氣體和液體；輸出信號：DC 420mA；輸出信號指示：誤差±2.5%；調(diào)整動作：比例+積分+微分；3.2 限制器的選型采納沈陽雙聯(lián)儀表有限公司生產(chǎn)的AI系列全通用人工智能調(diào)整儀表，其中SA-18智能調(diào)整儀限制掛件為AI-741。AI-741型儀表為P

12、ID限制型，輸出為420mADC信號。AI系列儀表通過RS485串口通信協(xié)議和上位計算機通訊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。基本參數(shù)為：輸出信號：DC 420mA；輸出信號指示：誤差±2.5%；調(diào)整動作：比例+積分+微分；輸入信號：010KPa；3.3 執(zhí)行器的選型在現(xiàn)代工業(yè)中，電動設備比氣動設備普遍，因為氣動設備須要花費較大的投資而且傳遞速度較慢，但氣動設備的優(yōu)越性不行忽視，首先是在平安防爆上，氣動設備不會產(chǎn)生電火花及發(fā)熱問題，而且氣動設備在發(fā)生管路堵塞，氣流短路，機件卡澀等故障時肯定不會發(fā)熱損壞。在耐潮濕和惡劣環(huán)境方面也比電動設備強。本設計為汽油管道，所以采納氣動執(zhí)行器。通過調(diào)整閥的選

13、擇原則及本系統(tǒng)的要求，選擇omal公司生產(chǎn)的DA-SR系列調(diào)整閥，該閥結(jié)構(gòu)簡潔,操作便利,選用調(diào)溫范圍廣、響應時間快、密封性能牢靠,并可在運行中隨意進行調(diào)整,因而廣泛應用于化工、石油、食品、輕紡等部門。1、調(diào)整閥技術(shù)參數(shù)（1） 公稱通徑(閥座直徑mm)：10、12、15、25、80、100、125、150；（2） 公稱壓力(Mpa)：1.0、1.4、4.0、6.4；（3） 固有流量特性：直線、等百分比；（4） 信號范圍：0-10V或4-20mA；（5） 作用方式：氣開、氣關(guān)；2、主要性能指標（1）基本誤差：±2.5%；（2）額定行程偏差：±1.5%；（3） 額定流量系數(shù)偏差

14、：±10%；為了防止物料的奢侈，調(diào)整閥采納氣開式，一旦調(diào)整閥失去能源（斷氣），閥將處于關(guān)閉狀態(tài)，不致奢侈物料。3.4 電器轉(zhuǎn)換器EPC-3000電-氣轉(zhuǎn)換器是一種新型結(jié)構(gòu)的電-氣轉(zhuǎn)換單元，它可將調(diào)整閥A和調(diào)整閥B輸入電流信號轉(zhuǎn)換成相對應輸出的氣動信號。該轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一個氣動功率放大器，可以得到較高輸出功率的氣動信號到各種氣動執(zhí)行機構(gòu)，以提高執(zhí)行機構(gòu)的動作度。其特點：限制精度高，體積小，靈敏度高，動用速度快，耗氣量小，調(diào)校便利?；緟?shù)為：基本誤差：±1；回 差：1；死 區(qū)：0.5；相對濕度：18-85RH；最大流量m3/h：7.6（0.175KPa時）；20（0.7KPa時

15、）；耗氣量m3/h：0.3；環(huán)境溫度：-35+60；氣源接口：6-M10×1；電源接口：G1/2；外殼材料：鑄鋁（噴涂工藝處理）；外形尺寸：87×160×107；97×186×202（mm）（隔爆型）；重 量：0.94（一般型及本安型）；2.35（隔爆型）。 第4章 限制規(guī)律選擇4.1 PID選擇限制器的作用是對來自變送器的測量信號和給定值比較所產(chǎn)生的偏差e(t)進行比例(P)、比例積分(PI)、比例微分(PD)或比例積分微分(PID)運算，并輸出信號到執(zhí)行器。選擇限制器的限制規(guī)律是為了使限制器的特性和限制過程的特性能很好協(xié)作，使所設計的系統(tǒng)能

16、滿意生產(chǎn)工藝對限制質(zhì)量指標的要求。比例限制規(guī)律(P)是一種最基本的限制規(guī)律，其適用范圍很廣。在一般狀況下限制質(zhì)量較高，但有余差。此外，當過程慣性時延較大時，由于純比例作用在起始段動作不夠靈敏，因而超調(diào)量較大，同時加長了過渡過程時間，于是純比例作用的應用受到了限制。對于過程限制通道容量較大，純時延較小，負荷變更不大，工藝要求又不太高的場合，可選用比例限制作用。比例限制規(guī)律(P)的微分方程數(shù)學模型為： (4-1)比例積分(PI)限制規(guī)律，由于引入積分作用能消退余差，所以當過程容量較小，負荷變更較大，工藝要求無余差時，采納比例積分限制規(guī)律可以獲得較好的限制質(zhì)量。但是當過程限制通道的純時延和容量時延都

17、較大時，由于積分作用簡潔引起較大的超調(diào)，可能出現(xiàn)持續(xù)振蕩，所以要盡可能避開用比例積分限制規(guī)律，不然會降低限制質(zhì)量。通常對管道內(nèi)的流量或壓力限制，采納比例積分作用其效果甚好，所以應用較多。比例積分(PI)限制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為： (4-2)比例微分(PD)限制規(guī)律，由于引入微分，具有超前作用，對于被控過程具有較大容量時延的場合，會大大改善系統(tǒng)的限制質(zhì)量。但是對于時延很小，擾動常見的系統(tǒng)，由于微分作用會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴峻時會使系統(tǒng)發(fā)生事故，所以應盡可能不用微分作用。比例微分(PD)限制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為： (4-3)比例積分微分(PID)作用是一種志向的限制作用，一般均能適應不同的過

18、程特性。當要求限制質(zhì)量較高時，可選用這種限制作用的限制器。比例積分微分(PID)限制規(guī)律的微分方程數(shù)學模型為： (4-4)其中：為限制器的輸出號，：放大倍數(shù)，：積分時間常數(shù)，：微分時間常數(shù)，：設定值和測量值偏差信號。4.2 限制器的氣開氣關(guān)及正反作用選擇 當緩沖罐內(nèi)壓力剛起先變大時，A閥漸漸關(guān)閉，此時B閥仍保持關(guān)閉狀態(tài)，當壓力持續(xù)變大時，A閥處于全閉狀態(tài)，此時應打開漸漸打開B閥，直到壓力保持設定值時停止。反之亦然。由圖可知，A閥為氣關(guān)，B閥為氣開閥。閥門開度%A閥B閥圖4.1閥門開度由于本可設采納的是分程限制系統(tǒng)，分程限制系統(tǒng)是單回路限制系統(tǒng)的一部分，因此應當采納比例積分調(diào)整。其優(yōu)點是比例積分

19、調(diào)整結(jié)合了比例的快速和積分的消退偏差而且比例積分調(diào)整既能剛好又能消退偏差。有圖知，A閥為反作用B閥為正作用。GvA(s)-G0(s)X(S)GvB(s)-+Gm(s)圖4.2系統(tǒng)框圖Gc(s)第5章 仿真分析探討5.1 PID對限制的影響由上圖探討可知，本次探討內(nèi)容采納PI即比例積分調(diào)整。（1）比例P調(diào)整在P調(diào)整中，調(diào)整器的輸出信號和偏差信號成比例，即 。 比例調(diào)整是有差調(diào)整，比例調(diào)整的殘差隨著比例帶的加大而加大， 稱為比例帶，其中KP為比例系數(shù)。人們希望盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求，比例帶的

20、設置必需保證系統(tǒng)具有肯定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的狀況，進一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。（2）積分I調(diào)整在I調(diào)整中，調(diào)整的輸出信號的變更速度 和偏差信號e成正比，即 稱為積分速度，其中TI為積分時間常數(shù)。增大積分速度將會降低限制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。I調(diào)整是無差調(diào)整，只有當被調(diào)量偏差為零時，I調(diào)整的輸出才保持不變。I調(diào)整的穩(wěn)定作用比P調(diào)整差,假如只采納I調(diào)整不行能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)，且振蕩頻率較低。5.2 仿真過程分析在起始階段，比例調(diào)整發(fā)揮作用，快速對輸入變更作出相應；隨著時間的推移，積分作用越來越強，限制系統(tǒng)在二者的作用下實現(xiàn)最終消退靜差的目的。PI調(diào)整器將比例調(diào)整的快速反應和積分調(diào)整消退靜差的特點結(jié)合起來，收到比較好的限制效