河南理工大學(xué)《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計文件-反應(yīng)器控制仿真設(shè)備設(shè)計方案

1、河南理工大學(xué)過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計文件設(shè)計小組名稱：xxxxxxxx設(shè)計小組成員：姓名：陳鑫沈煒皓杜永恒劉合東班級：自動化1305班學(xué)號：311308070525 311308070509311308070508 3113080705102016年6月 24 日一、方案設(shè)計依據(jù)、范圍及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計依據(jù)(1) 2015年西門子杯全國大學(xué)生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽設(shè)計開發(fā)型賽項(xiàng)初賽樣題及初賽規(guī)則(2) 反應(yīng)器控制仿真設(shè)備用戶手冊(3) 過程控制設(shè)計手冊及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計范圍溫度控制、壓力控制、液位控制及溫度、壓力、液位和流量的檢測，相關(guān)安全保護(hù)措施、 預(yù)警及處理方案設(shè)計遵循的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范(1) hg/t20505

2、-2000過程測量和控制儀表的功能標(biāo)志及圖形符號(2) gb/t21109-2007過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全(3) hg/t20636-1998自控專業(yè)設(shè)計管理規(guī)定(4) hg/t20637-1998自控專業(yè)工程設(shè)計文件的編制規(guī)定(5) hg/t20638-1998自控專業(yè)工程設(shè)計文件深度的規(guī)定(6) hg/t20639-1998自控專業(yè)工程設(shè)計用典型圖表及標(biāo)準(zhǔn)目錄(7) hg20505-2000過程檢測和控制系統(tǒng)用文字代號和圖形符號(8) hg/t20519-1992化工工藝設(shè)計施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定(9) hg20559-1993管道儀表流程圖設(shè)計規(guī)定系統(tǒng)分析包括控制需求分析、

3、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. 控制物料需求：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(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物為 co a與b按合理比例流入反應(yīng)器中。2. 節(jié)能要求：a與b按合理比例流入反應(yīng)器中，避免流量過大在反應(yīng)器中堆積，反應(yīng)不充分，造成浪 費(fèi)?？刂坪美淠b置中水的流量，避免浪費(fèi)。3. 安全控制要求：該反應(yīng)過程中主要危險在反應(yīng)器裝置中，反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，這需要控制反應(yīng)物的流量, 以及冷凝裝置的使用。此外反應(yīng)過程屮可能使反應(yīng)器屮壓強(qiáng)增大，這要控制反應(yīng)物流量，及 緊急停止的程序設(shè)計。二、對象特性分析(-)：反應(yīng)器作為一個整體，其最終的合格

4、產(chǎn)物c輸出會受到諸多擾動因素的影響。(-):要達(dá)到要求的物料a和物料b的比例，通過變比值控制系統(tǒng)控制，b為主動量，a 為從動量，物料a的流量跟隨物料b的流量的變化而變化。溫度控制為通過控制冷卻水的進(jìn)水流量來控制，當(dāng)溫度過高時，增大閥門開度，增 加冷卻水的進(jìn)水流量進(jìn)而降低反應(yīng)釜的溫度。壓力控制是通過控制物料a和物料b的進(jìn)料流量來控制，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部壓力過高時， 減小物料b的進(jìn)料閥門開度，使物料b進(jìn)料流量減小。液位控制也是通過控制物料a和物料b的進(jìn)料流量來控制液面高度維持在80%, 以此使反應(yīng)產(chǎn)物c的產(chǎn)率維持在較高水平。當(dāng)液位過高吋，減小物料a和物料b進(jìn)料 閥門開度，此時物料a的進(jìn)料流量隨物料b變化

5、而變化，從而改變液位高度。三、系統(tǒng)安全性分析木次反應(yīng)是主要危險地方在于反應(yīng)辭，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(qiáng)增高，液位上升。通過溫度檢測裝置，當(dāng)反應(yīng)溫度高于所設(shè)定的警戒值時，對應(yīng)的 指示器變亮；同理，通過壓力和液位檢測裝置，當(dāng)這兩者也高于所設(shè)定的警戒值時，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)出警報聲響。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)器周圍及反應(yīng)器本身造成傷害。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部的液位太高時，

6、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(fèi)，不符合綠色生產(chǎn)和綠色設(shè)計的理 念，進(jìn)而影響反應(yīng)結(jié)果。三、控制系統(tǒng)設(shè)計3.1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、安全保障等功能設(shè)計, 并說明設(shè)計理由一、控制流程圖圖1控制流程圖二、控制算法：pid控制：pid控制本質(zhì)上是一種反饋控制，特別適合于過程的動態(tài)性能良好而且控制 性能要求不太高的情況。他包含三種控制策略：比例控制（控制器的輸岀信號u與輸入信號e 成比例關(guān)系）、積分控制、微分控制。三、控制變量：反應(yīng)器液位、反應(yīng)物a、b流量、反應(yīng)器壓力，反應(yīng)器溫度等。四、控制規(guī)律：

7、反應(yīng)物a、b的進(jìn)料流量，冷卻水的進(jìn)水流量。五、閥門特性：為保證反應(yīng)安全進(jìn)行需要對反應(yīng)物的控制閥門類型進(jìn)行選擇，冷凝水的控制閥門采用氣 關(guān)式；反應(yīng)物a、b的進(jìn)料口控制閥采用氣開式；反應(yīng)產(chǎn)物c的出料口控制閥采用氣關(guān)式。六、控制系統(tǒng)分析：6.1、流量控制系統(tǒng)圖2流量控制系統(tǒng)6.2、液位控制系統(tǒng)本系統(tǒng)中，影響液位的主要變量有物料a的進(jìn)料流量，物料b的進(jìn)料流量，物料c的出 料流量。由于進(jìn)料口的流量需要按比例進(jìn)入且主變量為物料b的進(jìn)料流量，所以控制入口 流量只需要控制物料b的進(jìn)料給定，而控制岀口流量只需要控制物料c的出料流量。當(dāng)液位保持在80%左右吋，表示液位相對平穩(wěn)。當(dāng)有擾動時，通過控制物料b的進(jìn)料流

8、量進(jìn)也控制物料a的進(jìn)料流量,從而保證液位穩(wěn)定在80%左右以使物料c有最大的產(chǎn)生速率。圖3液位控制系統(tǒng)6.3、溫度控制系統(tǒng)對于溫度的控制我們采用串級控制，當(dāng)溫度低于或超過最佳反應(yīng)溫度70度時，通過控制 冷卻水的進(jìn)水流量從而使使其維持在最佳反應(yīng)溫度，以此保證反應(yīng)產(chǎn)物c的產(chǎn)生速率。圖4溫度控制系統(tǒng)6.4、壓力控制系統(tǒng)為保證反應(yīng)安全，對壓力進(jìn)行安全控制設(shè)計。反應(yīng)壓力的高低主要取決于反應(yīng)器中反應(yīng) 物a和反應(yīng)物b混合氣體的比例以及反應(yīng)溫度，且在反應(yīng)物a、b的進(jìn)料流量比不變的前提 下，反應(yīng)壓力隨反應(yīng)溫度變化，即反應(yīng)溫度上升，反應(yīng)壓力也同步上升，反應(yīng)溫度下降，反 應(yīng)壓力也同步下降。壓力達(dá)到1.2mpa時，進(jìn)入

9、非正常工況，采取相應(yīng)動作，否則不動作，我 們采用串級控制方案。圖5壓力控制系統(tǒng)正常情況下，由溫度控制系統(tǒng)操縱夾管和夾套的冷卻閥門，以維持溫度在70。左右，反應(yīng) 正常進(jìn)行。當(dāng)出現(xiàn)非正常情況，引起壓力達(dá)到高限時，通過和應(yīng)控制器控制反應(yīng)物a、b的 進(jìn)入流量，以降低反應(yīng)器的溫度。等到壓力回到正常區(qū)域，再切換回正常值進(jìn)行控制，恢復(fù) 正常情況。3.2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，并說明設(shè)計理由本次反應(yīng)主要危險地方在反應(yīng)器，在反應(yīng)過程中，反應(yīng)強(qiáng)烈，需要在反應(yīng)器安裝溫度檢 測儀表和壓力檢測儀表，以及流量檢測儀表，當(dāng)反應(yīng)器發(fā)生超出預(yù)計量時，立即關(guān)上反應(yīng)物 流入的閥門，打開冷

10、凝水閥門，加大反應(yīng)器流出閥門避免危險。根據(jù)控制要求，整個系統(tǒng)需耍重點(diǎn)分析三個過程：冷態(tài)開車、穩(wěn)定運(yùn)行和故障報警恢復(fù)。 冷態(tài)開車主要要求在安全聯(lián)鎖系統(tǒng)和控制系統(tǒng)作用下，按照一定的先后順序逐步啟動過程系 統(tǒng)，使系統(tǒng)以最快的速度進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。穩(wěn)定運(yùn)行主要任務(wù)是克服擾動作用，通過調(diào)節(jié) 器的作用保證被控變量滿足控制要求。故障報警恢復(fù)是在系統(tǒng)特殊情況下，為保證系統(tǒng)安全 進(jìn)行連鎖保護(hù)，同時報警以便解決故障，重新恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。聲光報警：(1) 當(dāng)三者都止常時，報警系統(tǒng)止常；(2) 當(dāng)有一個不正常時，對應(yīng)紅燈亮；(3) 有兩個及以上均不在范圍內(nèi)吋，對應(yīng)紅燈亮口警報聲響。3.3綠色生產(chǎn)、節(jié)能減排降耗方面的考慮控制好反應(yīng)物a與b的流量，避免反應(yīng)不充分及在反應(yīng)器中堆積浪費(fèi)控制好冷凝裝置 中冷凝水的流量，避免水源的浪費(fèi)控制好反應(yīng)器中反應(yīng)物液位及產(chǎn)物c的濃度，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(jìn)行。使反應(yīng)物達(dá)到合理的反應(yīng)，使產(chǎn) 物達(dá)c到最大化為得到一定的轉(zhuǎn)化率的產(chǎn)品，要求對反應(yīng)器最終產(chǎn)物的組份進(jìn)行控制。我國經(jīng)濟(jì)快速增長，各項(xiàng)建設(shè)取得巨大成就，但也付出了巨大的資源和環(huán)境被破壞的代 價，這兩者之間的孑盾日趨尖銳，群眾對環(huán)境污染問題反應(yīng)強(qiáng)烈。這種狀況與經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合 理、增長方式粗放直接相關(guān)。不加快調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變增長方式，資源支撐不住，