(整理)在硝化反應(yīng)中器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、第1章緒論過程控制是自動化技術(shù)的重要分支，在石化、電力、冶金、輕工等連續(xù)型生產(chǎn)過程中有著廣泛的應(yīng)用。近年來過程控制技術(shù)本身及其應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。無論是在現(xiàn)代復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)生產(chǎn)的技術(shù)改造中，過程控制技術(shù)對于提高勞動生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件以及保護生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)等方面都起著非常重要的作用。過程控制的主要由規(guī)范的過程檢測儀表組成，調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器，被控過程，檢測變送器。本文是針對硝化反應(yīng)中利用傳感器對溫度的控制，使硝化反應(yīng)能夠順利的進行，并能使反應(yīng)徹底。硝化反應(yīng)器的主要組成由流量調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器，反應(yīng)器溫度，及溫度檢測變送器組成，主要的目的是通過對反應(yīng)器里的

2、溫度檢測，來控制夾套中水的溫度，來實現(xiàn)硝化反應(yīng)的工業(yè)流程。一個控制系統(tǒng)在受到外界干擾時，被控變量將偏離原先的給定值，而發(fā)生變化，為了克服干擾的影響，將被控變量拉回到給定值，需要對控制變量進行調(diào)整。對一個系統(tǒng)來說，可供選擇作為控制變量的可能是多個，選擇控制變量既要考慮它的經(jīng)濟性和合理性，又要考慮它的快速性和有效性。但是，在有些情況下，所選擇的控制變量很難做到兩者兼顧。閥門控制系統(tǒng)就是在綜合考慮控制變量的快速性、有效性、經(jīng)濟性和合理性基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種控制系統(tǒng)。對于溫度控制系統(tǒng)來說要確保溫度恒定在某一固定溫度是很必要的，因為在工業(yè)控制中有一個恒定的溫度是確保生產(chǎn)進行的保證，這次設(shè)計就是針對溫度的

3、控制系統(tǒng)，通過對溫度的檢測，來控制溫度恒定在一個值中，確保硝化反應(yīng)能夠順利的進行，通過智能儀表的參數(shù)整定來實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)。第2章課程設(shè)計的方案論證2.1 概述本次設(shè)計主要是對硝化反應(yīng)進行的溫度控制的設(shè)計，目的是在生產(chǎn)過程中，混酸（HNO3H2SO4水）與酸性氯化苯連續(xù)進入硝化反應(yīng)器進行循環(huán)硝化反應(yīng)，并放出大量熱量。工藝要求硝化反應(yīng)溫度須保持在42±2C,則必須在夾套中加入冷凝水進行冷卻，另外，在正常開車和停車時，為防止硝化反應(yīng)是放出的熱量不夠而導(dǎo)致生成物凝結(jié)，故又需用熱水進行加熱。來設(shè)計硝化反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)。通過分析可以看出題目的要求是作一個對溫度的控制系統(tǒng)，需要確保溫度的恒定

4、，通過控制進水閥門的開度來實現(xiàn)溫度的恒定，對溫度的檢測可以在反應(yīng)器中加入一個溫度傳感器來實現(xiàn)。在通過變送器將信號送到控制器，通過計算分析輸出信號到閥門。具體得到兩種可行方案，下面對其論述和選擇。2.2 方案1采用審級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對溫度反的控制，通過兩閉環(huán)反饋分別對A、B兩個閥門進行控制，通過其結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。TC1TT冷卻水A反應(yīng)器B加熱水TC2TT2圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖工作原理是通過兩個溫度傳感器對同一反應(yīng)器進行溫度檢測，互相不產(chǎn)生干擾，當(dāng)反應(yīng)器中溫度降低時控制熱水的調(diào)節(jié)器作用，使熱水進入夾套，冷水閥是關(guān)閉狀態(tài)不作用。當(dāng)溫度高時控制冷水閥的調(diào)節(jié)器作用是冷水進入夾套，熱水閥關(guān)閉?？刂葡到y(tǒng)

5、對冷水和熱水的閥門采用分隔的形式進行控制，這樣使它們沒有了聯(lián)系，在連接時不是能夠很好的連接，有些時候熱水閥喝冷水閥同時打開這樣就產(chǎn)生了沖突。對系統(tǒng)造成一定影響。同時系統(tǒng)要求的設(shè)備很多，在價格方面有一定的影響。2.3方案2采用分程控制系統(tǒng)，特點是控制信號分段調(diào)節(jié)，流量特性平滑的連接，可以擴大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍，改善可調(diào)的工作特性，可以用于同一被控參數(shù)兩個不同控制介質(zhì)的生產(chǎn)過程其系統(tǒng)框圖如圖2.3.1所示。圖2.3.1總體結(jié)構(gòu)圖工作原理：當(dāng)調(diào)節(jié)器TC俞出氣壓大于0.06MPqA冷水閥關(guān)閉，E熱水閥開啟，反應(yīng)器夾套中流進熱水使反應(yīng)物料溫度上升。待化學(xué)反應(yīng)開始后，反應(yīng)溫度逐漸升高。由于調(diào)節(jié)器TC勺反作用

6、，隨著溫度的升高，調(diào)節(jié)輸出下降，B熱水閥逐漸關(guān)小，當(dāng)反應(yīng)溫度達到并高于設(shè)定值時，調(diào)節(jié)器輸出氣壓將小于0.06MPa,B閥完全關(guān)閉，A閥逐漸打開，反應(yīng)器夾套中流過的冷水將反應(yīng)熱帶走，使反應(yīng)物料溫度保持在設(shè)定值。該系統(tǒng)用一只調(diào)節(jié)器去控制兩個閥并且是按輸出信號的不同區(qū)間去操作不同的閥門，這樣節(jié)省了設(shè)備，還讓熱水閥和冷水閥有了聯(lián)系，通過一定的控制把系統(tǒng)連接的更緊密，同時還能夠很好控制溫度。減少沖突。其調(diào)節(jié)器輸出信號如圖2.3.2所示。1000圖2.3.2調(diào)節(jié)器輸出信號2.4確定方案兩種方式都可以對溫度的自動調(diào)節(jié)。通過分析兩種方案的性能特點，比較兩種方案的優(yōu)缺點，可以發(fā)現(xiàn)方案2分程控制系統(tǒng)更適合對硝化反

7、應(yīng)的控制，對相同作用時，分程控制使系統(tǒng)調(diào)節(jié)的更合理，溫度能夠控制在更好的精度，更靈活,控制更為方便，還能節(jié)省器件，節(jié)約資源。所以用方案2來進行設(shè)計，和硬件的選型。其控制框圖如圖2.4所示。圖2.4系統(tǒng)框圖第3章硬件設(shè)計在方案確定后就是對于硬件的選擇。要想獲得準(zhǔn)確的溫度控制，硬件方面就必須考慮到精度、安全、可靠、兼容等方面的問題。通過分析選擇了下面一些型號的設(shè)備作為硬件的組成部分。3.1 傳感器的選擇PT100溫度傳感器的環(huán)境溫度是-20100C,輸出為420mA適用于液體和氣體的溫度測量。所以選用這款傳感器就可以滿足要求。3.2 調(diào)節(jié)閥的選擇氣動調(diào)節(jié)閥在過程控制工作中的使用最為廣泛，氣動執(zhí)行器

8、具有結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，性能穩(wěn)定，維修方便，價格便宜實用廣泛，可以與QDZZ表配用，也能通過電氣轉(zhuǎn)換器或閥門定位器與DDZ儀表配用。根據(jù)流量特性，在具體選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性，所以采用氣動調(diào)節(jié)碟閥。在為了確保安全的前提下，選用氣開形式。調(diào)節(jié)器通過電氣轉(zhuǎn)換將輸出的420mAD時號轉(zhuǎn)換為0.020.1MPa氣壓信號。蝶閥是線性白1直徑為Dg40,安裝方式為法蘭,輸入輸出為AQ3.3 變送器的選擇采用西門子SITRANST溫度變送器，其性能是對溫度精度要求較高，選擇形式PT25PT500溫度范圍-200到850C,最小量程10,數(shù)字精度0.1度。3.4 控制器選擇選用通用型PID控制器XM508采用先

9、進的專家PID調(diào)節(jié)算法，控制精確穩(wěn)定，無超調(diào)，具備高精度的PID參數(shù)自整定功能。該表采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議（RTU奠式），無須制作驅(qū)動程序，通用性極好。該表具有多類型輸入功能，一臺儀表可以配接不同的輸入信號（熱電偶/熱電阻/線性電壓/線性電流/線性電阻），大大減少了備表的數(shù)量?？膳c各類傳感器、變送器配合使用，實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、流量等物理量的測量和顯示，并配合各種執(zhí)行機構(gòu)，對電加熱設(shè)備和電磁、電動閥門進行PID調(diào)節(jié)和控制。熱電阻：Pt100、Cu50Cu53BA1BA2等電阻：080Q、0400Q等電壓：020mV01V,05A輸入阻抗500kQ電流：420mA020mA?一輸入電阻02

10、50Q010mA輸入電阻0500Q測量范圍：-1999+30000測量精度：0.2級（±0.2%FS）控制輸出規(guī)格：繼電器開關(guān)輸出，觸點容量220VAC/2A或24VDC/2A（適合阻性負(fù)載，感性負(fù)載相應(yīng)減?。㏒CK觸點開關(guān)輸出（常開觸點），觸點容量220VAC/200mA|£24VDC/200mA8問工作電流2A電壓：05V,15V電流：010mA420mA020mA?（輸出電壓010V）變送范圍：022mA010VDC設(shè)備圖如圖3.4所小圖3.4設(shè)備圖第4章軟件設(shè)計4.1PID控制算法控制器：選用增量式PID控制器PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)模擬系統(tǒng)理論中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一

11、種控制方法:11_de(t)y(t)=Kpe(t)-出丁口康(1)其中，y(t)-控制器的輸出量；e(t)-控制器的輸入量，是給定量和被控對象輸出地偏差，在系統(tǒng)中稱為誤差信號；Kp-控制器的比例常數(shù)；T|-控制器的積分系數(shù)；TD-控制器的微分系數(shù)。由于積分量的帶入，使得被控量具有歷史保持功能，也就是說，它能夠“記住”以前的狀態(tài)，在靜差為0的時候，輸出仍舊保持不變，這樣就消除了靜差。微分量的引入，改善了單純積分所帶來的響應(yīng)速度過慢的毛病，使系統(tǒng)能夠迅速得到穩(wěn)定。通過智能儀表的參數(shù)設(shè)定就可以實現(xiàn)對溫度的控制通過調(diào)試和計算比例系數(shù)可以確定在20,積分時間在40。微分在10左右就可以讓系統(tǒng)達到溫度。維

12、持恒定的溫度控制了。第5章系統(tǒng)測試與分析5.1 硝化反應(yīng)分程控制系統(tǒng)仿真，經(jīng)過上機調(diào)試當(dāng)溫度過低時熱水閥開啟，透過震蕩調(diào)節(jié)，溫度又回到原來的設(shè)定值上。之后有過一段時刻后溫度高時冷水閥開始作用，是溫度下降從新達到平衡。仿真波形如圖5.1.1所示。圖5.1.1溫度調(diào)節(jié)波形5.2 過程分析該調(diào)節(jié)為分程控制調(diào)節(jié)過程，通過一臺調(diào)節(jié)器去操縱兩只調(diào)節(jié)閥，實施（動作過程）是借助調(diào)節(jié)閥上的閥門定位器對信號的轉(zhuǎn)換功能。傳感器檢測的信號經(jīng)過變送器送人智能儀表PID處理輸出信號控制閥門的開度。整個過程有條理的自動完成。使硝化反應(yīng)能夠良好的反應(yīng)下去。其PID參數(shù)為比但J系數(shù)為20,積分時間為40,微分時間為10.第6章

13、課程設(shè)計總結(jié)這次課程設(shè)計主要應(yīng)用到過程控制原理中的知識，通過對題目要求的分析，題目要主要涉及到是基于工業(yè)自動化生產(chǎn)中的控制應(yīng)用基礎(chǔ)上來設(shè)計的，通過對溫度控制來實現(xiàn)硝化反應(yīng)的。應(yīng)用到大部分過程控制理論中的知識，通過分析確定了設(shè)計的選型，對系統(tǒng)的硬件進行選型，得到總體的系統(tǒng)框圖，再通過參考資料得到總體設(shè)計思路，通過題目的要求完成控制。在完成選型上花了很大的功夫，由于知識了解一些理論知識，多設(shè)備的具體型號很少了解，通過網(wǎng)絡(luò)和書籍才確定了設(shè)備的型號，從中也學(xué)到了很多實際的東西，了解各種設(shè)備的型號應(yīng)用類型在以后的工作中是很重要的。通過本次課程設(shè)計充分的復(fù)習(xí)了過程控制理論中的很多知識，也看到了很多的不足，許多的知識學(xué)過但是并沒有掌握和理解，要想更好的學(xué)好知識，就必須的增加實際的操作，還復(fù)習(xí)學(xué)過的知識是很重要的，理論的東西要更好的與實際的應(yīng)用結(jié)合起來。還要了解更多的實際東西，要學(xué)習(xí)一些常用設(shè)備的用法，這樣才能更好的用