反应釜温度过程控制课程设计
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过程控制系统课程设计
课题:反应釜温度控制系统
系别:电气与控制工程学院
专业:自动化
姓名:彭俊峰
学号: 092413238
指导教师:李晓辉
河南城建学院
2016年 6月 15日
引言 (1)
1系统工艺过程及被控对象特性选取 (2)
1.1 被控对象的工艺过程 (2)
1.2 被控对象特性描述 (4)
2 仪表的选取 (5)
2.1过程检测与变送器的选取 (5)
2.2执行器的选取 (6)
2.2.1执行器的选型 (7)
2.2.2调节阀尺寸的选取 (7)
2.2.3调节阀流量特性选取 (7)
2.3控制器仪表的选择 (8)
3.控制方案的整体设定 (10)
3.1控制方式的选择 (10)
3.2阀门特性及控制器选择 (10)
3.3 控制系统仿真 (12)
3.4 控制参数整定 (13)
4 报警和紧急停车设计 (14)
5 结论 (15)
6 体会 (16)
参考文献 (17)
反应器是任何化学品生产过程中的关键设备,决定了化工产品的品质、品种和生产能力。釜式反应器是一种最为常见的反应器,广泛的应用于化工生产的各个领域。釜式反应器有一些非常重要的过程参数,如:进料流量(进料流量比)、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。对于这些参数的控制至关重要,其不但决定着产品的质量和生产的效率,也很大程度上决定了生产过程的安全性。
由于非线性和温度滞后因素很多,使得常规方法对釜式反应器的控制效果不是很理想。本文以带搅拌釜式反应器的温度作为工业生产被控对象,结合PID 控制方式,选用FX2N-PLC温度调节模块,同时为了提高系统安全性,设计了报警和紧急停车系统,最终设计了一套反应釜氏的温度过程控制系统。
1系统工艺过程及被控对象特性选取
1.1 被控对象的工艺过程
本设计以工业常见的带搅拌釜式反应器(CSTR)为过程系统被控对象。反应器为标准3盆头釜,反应釜直径1000mm,釜底到上端盖法兰高度1376mm,反应器总容积0.903m,耐压2.5MPa。为安全起见,要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2MPa。反应器的工艺流程如图1-1所示。
图1-1 釜式反应器工艺流程图
该装置主要参数如表1-1所示。各个阀门的设备参数如表1-2所示,其中,D
g 为阀门公称直径、K
为国际标准流通能力。
v
表1-1 主要测控参数表
表1-2 设备参数表
由图1-1可以看出,该被控对象的反应过程为反应物A与反应物B在催化剂C的作用下,在反应温度70±1.0℃发生反应,生成产物D。反应初期用热水诱发,当反应开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。图1中,各参数含意如下:F4、F5 和F6 分别反应物A、B和催化剂 C 的进料流量,V4、V5 和V6 分别是A、B和C的进料阀。A为反应器内主产物D重量百分比浓度,反应温度为T1,液位为L4。反应器出口浆液流量为F9,由出口阀V9控制其流量。出口泵及出口泵开关为S5。反应器出口为混合液,由产物D与未反应的 A、B以及催化剂C 组成。F7为夹套冷却水入口流量,由阀V7进行控制。F8为蛇管冷却水入口流量,由阀V8 进行控制。此外,在反应初期,需要由反应器夹套加热热水来触发反应。该热水由开关阀S6引入。反应器搅拌电机开关为S8。
1.2 被控对象特性描述
本设计中的被控对象主要是反应釜的温度部分。由于被控对象有其特殊特性,直接影响着操纵变量和控制方案的选取,因此对于被控变量的特性分析显得尤为重要。下面就针对反应釜反应温度分析和描述。
该反应属于放热反应,放热反应属于非自衡的危险过程,反应温度高将导致反应速度加快,释放出热量导致反应温度进一步升高,温度迅速升高的同时,反应压力也会迅速加大,从而有可能导致火灾或者爆炸事故。因此有必要对反应温度加以控制,其主要手段是控制夹套以及蛇管冷却水的流量。冷却水流量的变化随阀门的开关变化较快、时间常数较小。当冷却水压力下降时(这种干扰在现场时有发生),即使阀位不变,冷却水流量也会下降,冷却水带走的热量减少,反应器中物料温度会上升。反应温度和反应转化率的变化属于时间常数较大的高阶特性。由于温度变化的滞后,用常规控制器进行调节效果不佳。
2 仪表的选取
温度控制系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成,其系统结构图如图2.1所示。
图2-1 温度控制系统结构图
2.1过程检测与变送器的选取
过程检测是生产过程自动控制系统的重要组成部分。过程检测装置及时而准确的把被控参数检测出来,并变成调节、控制装置可识别的方式,作为过程控制装置判断生产过程的依据。根据工业的要求,为了具有较高的精度,采用热电阻温度计。热电阻温度计广泛应用于-200~600℃范围内的温度测量。
用于制造热电阻的材料,要求电阻率、电阻温度系数要大,热容量、热惯性要小,电阻与温度的关系最好近于线性,另外,材料的物理化学性质要稳定,复现性好,易提纯,同时价格便宜。热电阻的选取可以根据表2-1确定:
表2-1 工业常用热电阻
由表2-1,根据釜内温度的一般变化范围选用铂电阻,为提高检测精度采用三线制的接法,如图2-2所示。
采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻,其连接导线(从热
电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分,这一部分电阻是未知的且随环境温度变化,造成测量误差。采用三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。所以工业上一般都采用三线制接法。温度变送器我们选择DDZ-Ⅲ型温度变送器如图2-3所示。
图2-2 热电阻三线直接法
图2-3 变送器的测量接线示意图
其特点:
(1)采用线性集成放大电路,使仪表的精确性、可靠性、稳定性以及其他指标均符合国家规定的标准。
(2)采用了通用模块和专用模块相结合的设计方法,使用灵活、方便。
(3)在与热电阻的接入单元中,采用了线性化电路,从而保证了变送器的输出信号与被测温度呈线性关系,大大方便了变送与系统的配接。
(4)采用了统一的24V DC集中供电,变送器内无电源,实现了“三线制”的接线方式。
(5)采取了安全火花防爆措施,适用于具有爆炸危险场合中的温度或直流毫伏信号的检测。
2.2执行器的选取
执行器是过程控制系统的重要组成部分,其特性好坏直接影响系统的控制质量。它接受控制器输出的控制信号,并将其转换为直线位移和角位移,操纵控