反應(yīng)釜溫度過程控制課程設(shè)計（精編版）

1、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計課題：反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)系別：電氣與控制工程學(xué)院專業(yè)：自動化姓名：彭俊峰學(xué)號：李曉輝指導(dǎo)教師：河南城建學(xué)院2016 年 6 月 15 日目錄引言.錯誤!未定義書簽。1 系統(tǒng)工藝過程及被控對象特性選取21.1 被控對象的工藝過程21.2 被控對象特性描述32 儀表的選取42.1 過程檢測與變送器的選取42.2 執(zhí)行器的選取5.錯誤!未定義書簽。.錯誤!未定義書簽。.錯誤!未定義書簽。2.3 控制器儀表的選擇錯誤!未定義書簽。3. 控制方案的整體設(shè)定錯誤!未定義書簽。3.1 控制方式的選擇73.2 閥門特性及控制器選擇83.3 控制系統(tǒng)仿真93.4 控制參數(shù)整定94 報警和緊急

2、停車設(shè)計105 結(jié)論106 體會10參考文獻(xiàn)11引言反應(yīng)器是任何化學(xué)品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，決定了化工產(chǎn)品的品質(zhì)、品種和生產(chǎn)能力。釜式反應(yīng)器是一種最為常見的反應(yīng)器，廣泛的應(yīng)用于化工生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。釜式反應(yīng)器有一些非常重要的過程參數(shù)，如：進(jìn)料流量（進(jìn)料流量比）、液體反應(yīng)物液位、反應(yīng)壓力、反應(yīng)溫度等等。對于這些參數(shù)的控制至關(guān) 重要，其不但決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率，也很大程度上決定了生產(chǎn)過程的安全性。由于非線性和溫度滯后因素很多，使得常規(guī)方法對釜式反應(yīng)器的控制效果 不是很理想。本文以帶攪拌釜式反應(yīng)器的溫度作為工業(yè)生產(chǎn)被控對象，結(jié)合 pid 控制方式，選用 fx2n-plc溫度調(diào)節(jié)模塊，同時為了提

3、高系統(tǒng)安全性，設(shè)計了報警和緊急停車系統(tǒng)，最終設(shè)計了一套反應(yīng)釜氏的溫度過程控制系統(tǒng)。1 系統(tǒng)工藝過程及被控對象特性選取1.1 被控對象的工藝過程圖 1-1釜式反應(yīng)器工藝流程圖該裝置主要參數(shù)如表1-1所示。各個閥門的設(shè)備參數(shù)如表為閥門公稱直徑、 kv 為國際標(biāo)準(zhǔn)流通能力。1-2所示，其中， dg本設(shè)計以工業(yè)常見的帶攪拌釜式反應(yīng)器（cstr）為過程系統(tǒng)被控對象。反應(yīng)器為標(biāo)準(zhǔn) 3 盆頭釜，反應(yīng)釜直徑1000mm，釜底到上端蓋法蘭高度1376mm，反應(yīng)器總?cè)莘e 0.903m，耐壓 2.5mpa。為安全起見，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1.2mpa。反

4、應(yīng)器的工藝流程如圖 1-1 所示。表 1-1主要測控參數(shù)表f4反應(yīng)物 a 進(jìn)料流量729 kg/hf5反應(yīng)物 b 進(jìn)料流量1540 kg/hf6催化劑 c 進(jìn)料流量88 kg/hf7冷卻水流量（蛇管冷卻）最大 25 t/hf8冷卻水流量（夾套冷卻）最大 42 t/hf9反應(yīng)物料混合液出口流量kg/ht1反應(yīng)溫度p7反應(yīng)壓力mpa （絕壓）l4反應(yīng)器料位% (0-1.3m， 0-100%)表 1-2設(shè)備參數(shù)表v4反應(yīng)物 a 進(jìn)料閥dg25 kv=3.42 (cv=4)v5反應(yīng)物 b 進(jìn)料閥dg25 kv=5.38 (cv=6.3)v6催化劑 c 進(jìn)料閥dg20 kv=0.214 (cv=0.25

5、)v7冷卻水閥（蛇管）dg40 kv=25.64 (cv=30)v8冷卻水閥（夾套）dg50 kv=42.73 (cv=50)v9反應(yīng)器出口閥dg25 kv=8.54 (cv=10)s6熱水閥開、關(guān)兩種狀態(tài)s8反應(yīng)器攪拌電機(jī)開關(guān)開、關(guān)兩種狀態(tài)由圖 1-1 可以看出，該被控對象的反應(yīng)過程為反應(yīng)物a與反應(yīng)物 b在催化劑c 的作用下，在反應(yīng)溫度70± 1.0 發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物d。反應(yīng)初期用熱水誘發(fā)，當(dāng)反應(yīng)開始后由冷卻水通過蛇管與夾套進(jìn)行冷卻。圖1 中，各參數(shù)含意如下： f4、f5 和 f6 分別反應(yīng)物 a、b 和催化劑 c的進(jìn)料流量， v4、v5 和 v6 分別是 a、b 和 c的進(jìn)料閥

6、。 a 為反應(yīng)器內(nèi)主產(chǎn)物d 重量百分比濃度，反應(yīng)溫度為t1，液位為 l4。反應(yīng)器出口漿液流量為f9, 由出口閥 v9 控制其流量。出口泵及出口泵開關(guān)為 s5。反應(yīng)器出口為混合液，由產(chǎn)物d與未反應(yīng)的 a、b以及催化劑c組成。 f7 為夾套冷卻水入口流量，由閥v7 進(jìn)行控制。 f8 為蛇管冷卻水入口流量，由閥v8 進(jìn)行控制。此外，在反應(yīng)初期，需要由反應(yīng)器夾套加熱熱水來觸發(fā)反應(yīng)。該熱水由開關(guān)閥s6 引入。反應(yīng)器攪拌電機(jī)開關(guān)為s8。1.2 被控對象特性描述本設(shè)計中的被控對象主要是反應(yīng)釜的溫度部分。由于被控對象有其特殊特性，直接影響著操縱變量和控制方案的選取，因此對于被控變量的特性分析顯得尤為重要。下面

7、就針對反應(yīng)釜反應(yīng)溫度分析和描述。該反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，放熱反應(yīng)屬于非自衡的危險過程，反應(yīng)溫度高將導(dǎo)致反應(yīng)速度加快，釋放出熱量導(dǎo)致反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高，溫度迅速升高的同時， 反應(yīng)壓力也會迅速加大，從而有可能導(dǎo)致火災(zāi)或者爆炸事故。因此有必要對反 應(yīng)溫度加以控制，其主要手段是控制夾套以及蛇管冷卻水的流量。冷卻水流量的變化隨閥門的開關(guān)變化較快、時間常數(shù)較小。當(dāng)冷卻水壓力下降時（這種干擾在現(xiàn)場時有發(fā)生） ，即使閥位不變，冷卻水流量也會下降，冷卻水帶走的熱量減少，反應(yīng)器中物料溫度會上升。反應(yīng)溫度和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的變化屬于時間常數(shù)較大的高階特性。由于溫度變化的滯后，用常規(guī)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)效果不佳。2儀表的選取溫度控制

8、系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對象四個部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示。圖 2-1溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1 過程檢測與變送器的選取過程檢測是生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)的重要組成部分。過程檢測裝置及時而準(zhǔn)確的把被控參數(shù)檢測出來，并變成調(diào)節(jié)、控制裝置可識別的方式，作為過程控制裝置判斷生產(chǎn)過程的依據(jù)。根據(jù)工業(yè)的要求，為了具有較高的精度，采用熱電阻溫度計。熱電阻溫度計廣泛應(yīng)用于 -200600范圍內(nèi)的溫度測量。用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性，另外，材料的物理化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定， 復(fù)現(xiàn)性好，易提純，同時價格便宜。熱電阻

9、的選取可以根據(jù)表 2-1 確定：表 2-1 工業(yè)常用熱電阻熱電阻名稱分度號0 度時阻值（度）測溫范圍（度）特點cu50銅電阻-50 150線性好，價格低，適cu50用于無腐蝕性介質(zhì)pt50精度高，價格貴，適鉑電阻-200 500用于中性和氧化性介pt100質(zhì)，但線性度差由表 2-1 ，根據(jù)釜內(nèi)溫度的一般變化范圍選用鉑電阻，為提高檢測精度采用三線制的接法，如圖2-2 所示。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室） 也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差

10、。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根 分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差。所以工業(yè)上一般都采用三線制接法。溫度變送器我們選擇ddz-型溫度變送器如圖2-3 所示。圖 2-2熱電阻三線直接法其特點：圖 2-3變送器的測量接線示意圖（1） ）采用線性集成放大電路，使儀表的精確性、可靠性、穩(wěn)定性以及其他指標(biāo)均符合國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。（2） ）采用了通用模塊和專用模塊相結(jié)合的設(shè)計方法，使用靈活、方便。（3） ）在與熱電阻的接入單元中，采用了線性化電路，從而保證了變送器的輸出信號與被測溫度呈線性關(guān)系，大大方便了變送與系統(tǒng)的配接。（4） ）采用了統(tǒng)一

11、的24vdc集中供電，變送器內(nèi)無電源，實現(xiàn)了“三線制”的接線方式。（5） ）采取了安全火花防爆措施，適用于具有爆炸危險場合中的溫度或直流毫伏信號的檢測。2.2 執(zhí)行器的選取執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)的重要組成部分，其特性好壞直接影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。它接受控制器輸出的控制信號，并將其轉(zhuǎn)換為直線位移和角位移，操縱控制機(jī)構(gòu)，自動改變操作變量，從而實現(xiàn)對過程變量的自動控制。本設(shè)計采用氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，其工作原理：當(dāng)氣室輸入了0.02 0.10mpa信號壓力之后，薄膜產(chǎn)生推力，使推力盤向下移動，壓縮彈簧，帶動推桿、閥桿、閥芯向下移動，閥芯離開了閥座，從而使壓縮空氣流通。當(dāng)信號壓力維持一定時，閥門就維持在一定的開

12、度上。氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分，上面是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，下面是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。它主要由膜片、彈簧、推桿、閥芯、閥座等零部件組成。當(dāng)來自控制器的信號壓力通入到薄膜氣室時，在膜片上產(chǎn)生一個推力，并推動推桿部件向下移動，使閥芯和閥座之間的空隙減小，流體受到的阻力增大，流量減小。推桿下移的同時，彈簧受壓產(chǎn)生反作用力，直到彈簧的反作用力與信號壓力在膜片上產(chǎn)生的推力相平衡為止，此時，閥芯與閥座之間的流通面積不再改變，流體的流量穩(wěn)定。出于安全的原因，在此次設(shè)計中使用 vbd 氣動端面密封蝶閥， vbd氣動端面密封蝶閥是一種重量輕，結(jié)構(gòu)簡單的后座式端面密封蝶閥。閥體、閥板均用鋼板焊接或鑄造加工而成。適用于低壓狀態(tài)

13、的空氣或其他氣體的流量、壓力控制。氣動執(zhí)行器分氣開和氣關(guān)兩種形式，有壓力信號時閥關(guān)，無壓力信號時閥開為氣關(guān)式執(zhí)行器；反之，則為氣開式。它的選擇首先應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出信號為零時使生產(chǎn)處于安全狀態(tài)的原則確定；其次，還應(yīng)考慮是否有利于節(jié)能、是否有利于開車、停車等進(jìn)行選擇。最后，氣開、氣關(guān)的選擇主要是考慮在不同生產(chǎn)工藝條件下安全生產(chǎn)的要求。考慮的原則是：信號壓力中斷時，應(yīng)保證設(shè)備和工作人員的安全。根據(jù)工業(yè)的要求，本設(shè)計選擇了氣關(guān)方式。調(diào)節(jié)閥的尺寸主要是指調(diào)節(jié)閥的開度和口徑，他們的選擇對系統(tǒng)的正常運行影響很大。若調(diào)節(jié)閥口徑選擇過小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大擾動時，調(diào)節(jié)閥既是運行在全開狀態(tài)，也會使系統(tǒng)出現(xiàn)暫時失控現(xiàn)象

14、；若口徑選擇過大，則在運行中閥門會經(jīng)常處于小開度狀態(tài)，容易造成流體對閥芯和閥座的頻繁沖蝕，甚至使調(diào)節(jié)閥失靈。因此，結(jié)合本設(shè)計的工業(yè)要求，調(diào)節(jié)閥開度應(yīng)處于 15 85之間。調(diào)節(jié)閥是控制系統(tǒng)非常重要的一個環(huán)節(jié)，它接受控制器的輸出信號，改變操縱變量，執(zhí)行最終控制任務(wù)?？刂崎y的流量特性是指流體通過閥門的相對流量與相對開度之間的函數(shù)關(guān)系，如下式中所示。q（ 2-1 ）q maxfll其中 qqmax相對流量。即控制閥在某一開度下的流量與最大流量之比；ll 相對開度。即控制閥在某一開度下的行程與全行程之比。常用的理想流量特性的控制閥有：線性型、對數(shù)（等百分比）型和快開型等。其理想流量特性如圖2-5所示。圖

15、 -5控制閥理想流量特性而在實際工作時，閥兩端的壓降會隨流量而變化，這時的流量特性稱為工作特性。設(shè)管路系統(tǒng)的總壓差為pt，由液體提升高度引起的壓差為ph，閥兩端的壓降為 pv，管路其他部分的壓降為pl 。工程中通常采用經(jīng)驗法來選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性。表2-1給出了理想流量特性的經(jīng)驗，本方案將依據(jù)這個表來 選取理想流量特性。然而當(dāng)控制系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障或意外時，應(yīng)考慮人身、設(shè)備裝置的安全；考慮介質(zhì)性質(zhì)；還要考慮減少經(jīng)濟(jì)損失等。表 2-1控制閥理想流量特性經(jīng)驗選擇表被控變量有關(guān)狀況選用理想流量特性流量設(shè)定值變化直線型負(fù)荷變化對數(shù)型溫度壓力快過程對數(shù)型對數(shù)型慢過程， pv恒定直線型液位慢過程， (

16、 pv) q max <0.2(pv 恒定( pv) q max <0.2(pv) q minpv) qmin對數(shù)型直線型對數(shù)型(pv) q max >2( pv) q min快開型2.3 控制器儀表的選擇采用模擬控制器:ddz iii型調(diào)節(jié)器，ddz基型控制器框圖如圖4.3?？刂破鞯妮斎胄盘枮? 5v 的測量信號。設(shè)定信號有內(nèi)設(shè)定和外設(shè)定兩種。內(nèi)設(shè)定信號為 15v，外設(shè)定信號為420ma。測量信號和設(shè)定信號通過輸入電路進(jìn)行減法運算，輸出偏差到比例積分微分電路進(jìn)行比例積分微分運算后，由輸 出電路轉(zhuǎn)換為420ma信號輸出。手動電路和保持電路附于比例積分微分電路之中，手動電路可實

17、現(xiàn)軟手動和硬手動兩種操作，當(dāng)處于手動狀態(tài)時，用手指 按下軟手動操作鍵，使控制器輸出積分式上升或下降，當(dāng)手指離開操作鍵時， 控制器的輸出值保持在手指離開前瞬間的數(shù)值上，當(dāng)控制器處于硬手動狀態(tài)時， 移動硬手動操作桿，能使控制器的輸出快速改變到需要的數(shù)值，只要操作桿不 動，就保持這一數(shù)值不變。由于有保持電路，使自動與軟手動相互切換，硬手 動只能切換到軟手動，都是無平衡無擾動切換，只有軟手動和自動切換到硬手 動需要事先平衡才能實現(xiàn)無擾動切換。3. 控制方案的整體設(shè)定3.1 控制方式的選擇采用單回路控制方式，將反應(yīng)溫度t1 取一階微分，得到溫度變化率，再與升溫速率設(shè)定值0.1 /s作比較，將偏差作為控制

18、器的輸入?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖 3-1所示：圖 3-1控制系統(tǒng)框圖傳遞函數(shù)框圖如圖3-2 所示：系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：圖 3-2傳遞函數(shù)框圖g(s)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：w( s)gc ( s)go (s)gv ( s)gm (s)gc (s)go (s)gv (s)（ 3-1）（ 3-2）1gc (s)go (s)gv (s)gm ( s)3.2 閥門特性及控制器選擇閥門 v8 選線性閥。對于釜式反應(yīng)器，在升溫階段65以下由夾套冷卻水閥控制冷卻水流量來實現(xiàn)對反應(yīng)溫度的控制。根據(jù)反饋控制的基本原理，要使系統(tǒng)能夠正常工作，構(gòu)成系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)靜態(tài)增益的乘積必須為正。由圖3-2 可知，由于閥門v8選擇的是氣

19、關(guān)的形式，被控對象釜式反應(yīng)器是正作用，溫度變送器選擇正值， 所以控制器應(yīng)選擇正作用方式。對于釜式反應(yīng)器這類控制對象，是一個時滯過 程，而且控制對象特性復(fù)雜，故采用數(shù)字pid 控制器可以得到滿意的控制效果。d數(shù)字調(diào)節(jié)中的pid 控制算式是將pid 的模擬表達(dá)式進(jìn)行離散化而得到的。pid的模擬表達(dá)式為：pk p (e1edt titde) dt（ 3-3）式中p 調(diào)節(jié)器的輸出信號；e 調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號，是測量值m 與 r之差， erm ； k p、ti、 td 調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時間常數(shù)、微分時間常熟。因為采樣周期 ts 相對于信號變化周期是很小的，這樣可用矩形法計算積分，用后相差分代替微

20、分，則上式可變成離散pid算式pnk pentdtsnei(enen 1 )（ 3-4）tii 0ts式中pn 第 n 次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出；en 第 n 次采樣的偏差值；n 采樣序號。采用增量式的算法，上式可變換為pnk p(entsen 1 )en titd( ents2en 1en 2 )（ 3-5）k p (en2en 1en 2 )利用增量式方法的優(yōu)點是：1） 計算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，誤動作時影響小必要時通過邏輯判斷進(jìn)行保護(hù)，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)狀態(tài)。2） 易于實現(xiàn)手動和自動的無憂切換。為了改善控制質(zhì)量和控制的要求，選用了微分先行pid 控制模式，其結(jié)構(gòu)如圖 3-

21、3 所示。這是一個 pd與 pi 的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，他只對測量值m 進(jìn)行微分，而不是對偏差進(jìn)行微分，這樣在給定值r 變化時，不產(chǎn)生輸出的大幅度變化，即可避免給定值擾動。rpzzm圖 3-3微分先行pid結(jié)構(gòu)圖pid 控制器是根據(jù)輸出量對于輸入量偏差的變化情況，根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行計算，實時的整定pid 控制器的參數(shù)。此次設(shè)計選用fx2n-2lc溫度調(diào)節(jié)模塊。該模塊配有 2 通道的溫度輸入和2通道晶體管輸出，即一塊能組成兩個溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。模塊提供了自調(diào)節(jié)的pid 控制和 pi 控制，控制的運行周期為500ms，占用 8 個 i/o 點數(shù)。3.3 控制系統(tǒng)仿真對于本設(shè)計，為了檢驗pid 的控制效果，針對此

22、反應(yīng)器的溫度控制，在matlab 中進(jìn)行了仿真?？刂破鞯姆抡娼Y(jié)構(gòu)如圖3-4 所示，控制器跟蹤升溫曲線的仿真結(jié)果如圖3-5 所示。3.4 控制參數(shù)整定圖 3-4 控制器仿真圖 3-5 控制器跟蹤升溫曲線仿真控制器參數(shù)整定：需要對pid 控制器進(jìn)行初始化的參數(shù)整定，這里打算采用臨界比例度法對控制器進(jìn)行參數(shù)整定。大致步驟為：首先設(shè)定比例增益kc=1.0，置積分時間最大ti=99999，微分時間為td=0。將增益 kc 從 1.0 開始以 1.0 為增量逐漸增大，每變化一次增益kc，觀察一次階躍響應(yīng)曲線，直到出現(xiàn)等幅 振蕩曲線為止。測量并記錄此時的臨界增益kcmax 和等幅振蕩周期tmax，根據(jù)計算公

23、式計算可得到kc， ti 和td。將計算得到的數(shù)據(jù)設(shè)置為溫度控制器的pid參數(shù)， 即完成了控制器的pid參數(shù)整定。4報警和緊急停車設(shè)計該工藝過程中，如果反應(yīng)釜中的溫度過高而導(dǎo)致壓力增大，就有發(fā)生爆炸的危險，因此有必要當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力過大時發(fā)出報警并緊急停車，以免發(fā)生事故。為此有必要設(shè)計報警系統(tǒng)和緊急停車系統(tǒng)，為了提高其安全性，可同時采用自動手動兩種方式。其框圖如圖 3-6 所示。圖 3-6報警系統(tǒng)和緊急停車系統(tǒng)其工作過程為：通過溫度的升高，壓力變送器檢測反應(yīng)釜內(nèi)氣體壓力p7， 在報警給定器內(nèi)設(shè)置壓力上限1.2mpa，一旦發(fā)現(xiàn)壓力越界，報警給定器發(fā)出警 報，并改變其輸出開關(guān)量的值，以示出現(xiàn)危險。經(jīng)邏輯運算的判定，如果確實 存在危險，改變其輸出開關(guān)量的值以開始停車過程。停車包含以下幾個措施：關(guān)閉進(jìn)料閥 v4、v5、v6，以切斷進(jìn)料；將蛇管冷卻閥v7 和夾套 冷卻閥 v8 開到最大，加大冷卻水流量，以便快速降溫；將出料閥v9 開到最大，清空釜內(nèi)的物料；關(guān)閉攪拌器開關(guān)。該