反應(yīng)釜溫度過程控制課程設(shè)計報告

1、-. z.過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計課題：反響釜溫度控制系統(tǒng)系別：電氣與控制工程學院專業(yè)：自動化*：彭俊峰*： 092413238 指導教師：李曉輝*城建學院2016年 6月 15日-. z.目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc25091 引言 PAGEREF _Toc25091 1 HYPERLINK l _Toc23599 1系統(tǒng)工藝過程及被控對象特性選取 PAGEREF _Toc23599 1 HYPERLINK l _Toc16796 1.1 被控對象的工藝過程 PAGEREF _Toc16796 1 HYPERLINK l _Toc18551 1.2 被控對象特

2、性描述 PAGEREF _Toc18551 1 HYPERLINK l _Toc13749 2 儀表的選取 PAGEREF _Toc13749 1 HYPERLINK l _Toc13050 2.1過程檢測與變送器的選取 PAGEREF _Toc13050 1 HYPERLINK l _Toc19675 2.2執(zhí)行器的選取 PAGEREF _Toc19675 1 HYPERLINK l _Toc26653 執(zhí)行器的選型 PAGEREF _Toc26653 1 HYPERLINK l _Toc16858 調(diào)節(jié)閥尺寸的選取 PAGEREF _Toc16858 1 HYPERLINK l _Toc1

3、6261 調(diào)節(jié)閥流量特性選取 PAGEREF _Toc16261 1 HYPERLINK l _Toc15758 2.3控制器儀表的選擇 PAGEREF _Toc15758 1 HYPERLINK l _Toc22343 3.控制方案的整體設(shè)定 PAGEREF _Toc22343 1 HYPERLINK l _Toc9170 3.1控制方式的選擇 PAGEREF _Toc9170 1 HYPERLINK l _Toc11571 3.2閥門特性及控制器選擇 PAGEREF _Toc11571 1 HYPERLINK l _Toc23332 3.3 控制系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc23332

4、 1 HYPERLINK l _Toc806 3.4 控制參數(shù)整定 PAGEREF _Toc806 1 HYPERLINK l _Toc690 4 報警和緊急停車設(shè)計 PAGEREF _Toc690 1 HYPERLINK l _Toc7238 5 結(jié)論 PAGEREF _Toc7238 1 HYPERLINK l _Toc18965 6 體會 PAGEREF _Toc18965 1 HYPERLINK l _Toc18296 參考文獻 PAGEREF _Toc18296 1-. z.引言反響器是任何化學品生產(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。釜式反響器是一種最為常見的反

5、響器，廣泛的應(yīng)用于化工生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。釜式反響器有一些非常重要的過程參數(shù)，如：進料流量進料流量比、液體反響物液位、反響壓力、反響溫度等等。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)過程的平安性。由于非線性和溫度滯后因素很多，使得常規(guī)方法對釜式反響器的控制效果不是很理想。本文以帶攪拌釜式反響器的溫度作為工業(yè)生產(chǎn)被控對象，結(jié)合PID 控制方式，選用F*2N-PLC溫度調(diào)節(jié)模塊，同時為了提高系統(tǒng)平安性，設(shè)計了報警和緊急停車系統(tǒng)，最終設(shè)計了一套反響釜氏的溫度過程控制系統(tǒng)。-. z.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本設(shè)計以工業(yè)常見的帶

6、攪拌釜式反響器CSTR為過程系統(tǒng)被控對象。反響器為標準3盆頭釜，反響釜直徑1000mm，釜底到上端蓋法蘭高度1376mm，反響器總?cè)莘e0.903m，耐壓2.5MPa。為平安起見，要求反響器在系統(tǒng)開、停車全過程中壓力不超過1.5MPa。反響器壓力報警上限組態(tài)值為1.2MPa。反響器的工藝流程如圖1-1所示。圖1-1 釜式反響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1-2所示，其中，Dg為閥門公稱直徑、Kv為國際標準流通能力。表1-1 主要測控參數(shù)表F4 反響物A 進料流量729 kg/hF5 反響物B 進料流量1540 kg/hF6 催化劑C 進料流量88 kg/hF7

7、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 反響物料混合液出口流量kg/hT1 反響溫度P7 反響壓力MPa 絕壓L4 反響器料位% (0-1.3m，0-100%)表1-2 設(shè)備參數(shù)表V4 反響物A 進料閥Dg25 Kv=3.42 (Cv=4)V5 反響物B 進料閥Dg25 Kv=5.38 (Cv=6.3)V6 催化劑C 進料閥Dg20 Kv=0.214 (Cv=0.25)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 反響器出口閥Dg25 Kv=8.54 (Cv=10)S6 熱水

8、閥開、關(guān)兩種狀態(tài)S8 反響器攪拌電機開關(guān)開、關(guān)兩種狀態(tài)由圖1-1可以看出，該被控對象的反響過程為反響物A與反響物B在催化劑C的作用下，在反響溫度701.0發(fā)生反響，生成產(chǎn)物D。反響初期用熱水誘發(fā)，當反響開場后由冷卻水通過蛇管與夾套進展冷卻。圖1中，各參數(shù)含意如下：F4、F5 和F6 分別反響物A、B和催化劑 C 的進料流量，V4、V5 和V6 分別是A、B和C的進料閥。A為反響器內(nèi)主產(chǎn)物D重量百分比濃度，反響溫度為T1，液位為L4。反響器出口漿液流量為F9,由出口閥V9控制其流量。出口泵及出口泵開關(guān)為S5。反響器出口為混合液，由產(chǎn)物D與未反響的 A、B以及催化劑C組成。F7為夾套冷卻水入口流量

9、，由閥V7進展控制。F8為蛇管冷卻水入口流量，由閥V8 進展控制。此外，在反響初期，需要由反響器夾套加熱熱水來觸發(fā)反響。該熱水由開關(guān)閥S6引入。反響器攪拌電機開關(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響釜的溫度局部。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。下面就針對反響釜反響溫度分析和描述。該反響屬于放熱反響，放熱反響屬于非自衡的危險過程，反響溫度高將導致反響速度加快，釋放出熱量導致反響溫度進一步升高，溫度迅速升高的同時，反響壓力也會迅速加大，從而有可能導致火災(zāi)或者爆炸事故。因此有必要對反響溫度加以控制，其主要手

10、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，反響器中物料溫度會上升。反響溫度和反響轉(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)控制器進展調(diào)節(jié)效果不佳。2 儀表的選取溫度控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對象四個局部組成，其系統(tǒng)構(gòu)造圖如圖2.1所示。圖2-1 溫度控制系統(tǒng)構(gòu)造圖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)的重要組成局部。過程檢測裝置及時而準確的把被控參數(shù)檢測出來，并變成調(diào)節(jié)、控制裝置可識別

11、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*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，材料的物理化學性質(zhì)要穩(wěn)定，復現(xiàn)性好，易提純，同時價格廉價。熱電阻的選取可以根據(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*圍度特點銅電阻Cu50-50150線性好，價格低，適用于無腐蝕性介質(zhì)Cu50鉑電阻Pt50-200500精度高，價格貴，適用于中性和氧化性介質(zhì)，但線性度差Pt100由表2-1，根據(jù)釜內(nèi)溫度的

12、一般變化*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，其連接導線從熱電阻到中控室也成為橋臂電阻的一局部，這一局部電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導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 熱電阻三線直接法圖2-3 變送器的測量接線示意圖其特點：1采用線性集成放大電路，

13、使儀表的準確性、可靠性、穩(wěn)定性以及其他指標均符合國家規(guī)定的標準。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)一的24V DC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采取了平安火花防爆措施，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)的重要組成局部，其特性好壞直接影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。它承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，操縱控制機構(gòu)，自動改變操作變量，從而實現(xiàn)對過程變量的自

14、動控制。執(zhí)行器的選型本設(shè)計采用氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，其工作原理：當氣室輸入了0.020.10MPa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。當信號壓力維持一定時，閥門就維持在一定的開度上。氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的構(gòu)造可以分為兩局部，上面是執(zhí)行機構(gòu)，下面是調(diào)節(jié)機構(gòu)。它主要由膜片、彈簧、推桿、閥芯、閥座等零部件組成。當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)

15、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。出于平安的原因，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，構(gòu)造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)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)處于平安狀態(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、停車等進展選擇。最后，氣開、氣關(guān)的選擇主要是考慮在不同生產(chǎn)工藝條件下平安生產(chǎn)的要求?？紤]的原則是：信號

16、壓力中斷時，應(yīng)保證設(shè)備和工作人員的平安。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)閥尺寸的選取調(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。假設(shè)調(diào)節(jié)閥口徑選擇過小，當系統(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；假設(shè)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1585之間。調(diào)節(jié)閥流量特性選取調(diào)節(jié)閥是控制系統(tǒng)非常重要的一個環(huán)節(jié)，它承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

17、間的函數(shù)關(guān)系，如下式中所示。2-1其中相對流量。即控制閥在*一開度下的流量與最大流量之比；相對開度。即控制閥在*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-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，管路其他局部的壓降為Pl。工程中通常采用經(jīng)歷法來選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性。表2-1給出了理想流量特性的經(jīng)歷，本方案將依據(jù)這個表來選取理想流量特性。然而當控制系統(tǒng)中*一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障或意外時，應(yīng)考

18、慮人身、設(shè)備裝置的平安；考慮介質(zhì)性質(zhì)；還要考慮減少經(jīng)濟損失等。表2-1 控制閥理想流量特性經(jīng)歷選擇表被控變量有關(guān)狀況選用理想流量特性流量設(shè)定值變化直線型負荷變化對數(shù)型溫度對數(shù)型壓力快過程對數(shù)型慢過程，PV恒定直線型慢過程，(PV) Qma* 0.2(PV) Qmin對數(shù)型液位PV恒定直線型(PV) Qma* 2(PV) Qmin快開型2.3控制器儀表的選擇采用模擬控制器:DDZIII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展減法運算，輸出偏差到比例積

19、分微分電路進展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，手動電路可實現(xiàn)軟手動和硬手動兩種操作，當處于手動狀態(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

20、回路控制方式，將反響溫度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 作比擬，將偏差作為控制器的輸入。控制系統(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：圖3-2 傳遞函數(shù)框圖系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：3-1閉環(huán)傳遞函數(shù)為：3-23.2閥門特性及控制器選擇閥門V8選線性閥。對于釜式反響器，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)對反響溫度的控制。根據(jù)反響控制的根本原理，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選擇的是氣關(guān)的形式，被控對象釜式反響器是正作用，溫度變送器選擇正值，所以控制器應(yīng)

21、選擇正作用方式。對于釜式反響器這類控制對象，是一個時滯過程，而且控制對象特性復雜，故采用數(shù)字PID控制器可以得到滿意的控制效果。數(shù)字調(diào)節(jié)中的PID控制算式是將PID的模擬表達式進展離散化而得到的。PID的模擬表達式為：3-3式中調(diào)節(jié)器的輸出信號；調(diào)節(jié)器的偏差輸入信號，是測量值與之差，；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，用后相差分代替微分，則上式可變成離散PID算式3-4式中第次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出；第次采樣的偏差值；采樣序號。采用增量式的算法，上式可變換為3-5利用增量式方法的優(yōu)點是：1計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構(gòu)位

22、置的變化局部，誤動作時影響小必要時通過邏輯判斷進展保護，不會嚴重影響系統(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，其構(gòu)造如圖3-3所示。這是一個PD與PI的串聯(lián)構(gòu)造，他只對測量值M進展微分，而不是對偏差進展微分，這樣在給定值R變化時，不產(chǎn)生輸出的大幅度變化，即可防止給定值擾動。ZZ RMP圖3-3 微分先行PID構(gòu)造圖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)則進展計算，實時的整定PID 控制器的參數(shù)。此次設(shè)計選用F*2N-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)

23、。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，針對此反響器的溫度控制，在MATLAB 中進展了仿真?？刂破鞯姆抡鏄?gòu)造如圖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。圖3-4控制器仿真圖3-5控制器跟蹤升溫曲線仿真3.4 控制參數(shù)整定控制器參數(shù)整定：需要對PID控制器進展初始化的參數(shù)整定，這里打算采用臨界比例度法對控制器進展參數(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開場以1.0為增量逐漸增大，每變化一

24、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Kcma*和等幅振蕩周期Tma*，根據(jù)計算公式計算可得到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，如果反響釜中的溫度過高而導致壓力增大，就有發(fā)生爆炸的危險，因此有必要當反響釜內(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)，為了提高其平安性，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，壓力變送器檢測反響釜內(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)量的值以開場停車過程。停車包含以下幾個措施：關(guān)閉進料閥V4、V5、V6，以切斷進料；將蛇管冷卻閥V7和夾套