聚合釜温度-温度串级控制系统

学号：

课程设计

题目聚合釜温度-温度串级控制系统

学院自动化

专业自动化卓越工程师

班级自动化zy1201班

姓名

指导教师傅剑

2015 年12 月8 日

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：自动化zy1201 指导教师：傅剑工作单位：武汉理工大学

题目: 聚合釜温度-温度串级控制系统

初始条件：

聚氯乙烯是最通用的塑料品种，广泛应用于国民经济各个领域。在氯乙稀在

聚合釜中进行聚合反应的同时释放出热量，使得温度升高。为了保证产品质量，

应及时将反应热移走，保持釜内温度恒定。现采用夹套中冷却水流量为控制量来

控制反应温度。以聚合釜温度为主参数，以夹套中水的温度为副参数，构成串级

控制系统，将反应温度控制在51℃，稳态误差±1℃

要求完成的主要任务:

1、了解聚合釜工艺设备

2、绘制聚合釜温度-温度控制系统方案图

3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数

4、撰写系统调节原理及调节过程说明书

时间安排

11月3日选题、理解课题任务、要求

11月4日方案设计

11月5日~11月8日参数计算撰写说明书

11月9日答辩

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

1.课程设计目的与要求 (1)

1.1聚合釜概述 (1)

1.2设计目的 (1)

2.系统总体方案论证 (2)

2.1设计聚合釜温度控制系统总体方案论证 (2)

2.2聚合釜温度串级控制系统分析 (4)

2.3控制规律的选择 (4)

3.仪表及器件的选择 (4)

3.1温度传感器的选择 (4)

3.2温度变送器的选择 (5)

3.3执行器的选择 (5)

3.4调节器的选择 (5)

4 小结 (6)

5. 参考文献 (7)

1课程设计目的与要求

1.1聚合釜概述

制备高分子化合物的主要设备。一般是立式圆柱形高压釜，带有夹套，以便通入蒸汽或冷水来加热或冷却。用于乳液聚合的，内有不锈钢的水平桨式搅拌器，由电动机通过传动装置和减速器传动。釜的外壁常用碳钢制成，内衬不锈钢，也有衬搪瓷的。聚合时可以单釜间歇生产，也可以是多釜串联连续生产。聚合反应物由一个釜的下部进入下一釜的上部。釜上装有温度、压力等仪表，以及进出料口等。用于本体聚合的，则釜内不装搅拌器，且不串联。

聚合釜一般由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。由于用户因生产工艺、操作条件不尽相同，聚合釜内的搅拌型式一般有锚式、浆式、涡轮式、推进式或框式。搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外(内)盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却等。

1.2设计目的

聚氯乙烯是最通用的塑料品种，广泛应用于国民经济各个领域。在氯乙稀在聚合釜中进行聚合反应的同时释放出热量，使得温度升高。为了保证产品质量，应及时将反应热移走，保持釜内温度恒定。工艺要求反应温度为51℃±1℃。这是一个多种参数相互制约的复杂过程，工艺控制指标的好坏关系到生产能否稳定运行，生产效益以及安全问题。因此如何实现氧化炉的最优控制，多年来一直是我国化肥技术十分关注，并为之不懈努力的课题。通过技术改进，聚合釜的控制水平达到了国内先进的水平，产品质量的到提高，设备安全性得到了保证，延长了设备的运行周期，大大提高了聚合釜的经济效益。

2系统总体方案论证

2.1设计聚合釜温度控制系统总体方案的论证

方案一：采用单回路控制系统。单回路控制系统是指有一个测量元件及变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控过程组成，并只对一个被控参数进行控制的单闭环反馈控制系统。温度传感器经变送到控制器直接控制执行器。当聚乙烯在夹套式聚合釜中进行聚合反应，生成聚氯乙烯并放出能量，经变送器传到调节器与设定值进行比较调整作用于控制器，控制器根据调节器传送的值调节阀门的开度俩控制冷却水的流量，以此控制聚合釜的温度。单闭环系统工艺图如图2.1所示。

图2.1单闭环聚合釜温度控制系统的工艺流程图

方案二：采用串级控制。采用串级控制系统是在简单的控制系统的基础上发展起来的，它增加了一个副控制回路，是系统控制品质相对于单回路控制系统有明显的提高。在系统结构上，再用串级控制系统有两个闭合回路，主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器控制调节器动作，实现对主参数的定值控制。串级系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过他们的协调工作，使主参数能够准确的控制在工艺规定的范围之内。

图2.2聚合釜温度控制串级控制系统

图2.3串级系统方框图

方案一的单回路控制系统是最基本的控制系统。其结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，又能满足多数工业生产的控制要求，应用广泛。但是聚乙烯在聚合釜中进行聚合反应时，生产聚氯乙烯并放出热量。为了保证产品质量，要求反应温度控制在51℃±1℃，为此采用调节夹套中冷却水量来控制反应温度。但是，冷却水量和水温的变化均为聚合反应温度量的干扰因素，由于聚合釜容积大，时间常数大，容量时延大，聚合反应速度又比较快，所以单回路控制系统不能满足工艺要求，为了改善过程特性，构成以聚合温度为主参数夹套水温为副参数的串级控制系统。

2.2聚合釜温度串级控制系统分析

方案二中前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称为主变量（主被控参数），即聚合反应的温度；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称为副变量（副被控参数），即冷却水的温度，是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个控制系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。主被控变量为聚合釜温度，副被控变量为冷却水温度。由于聚合反应为放热反应，为避免聚合釜中热量过高，在无信号状态调节阀应保持在开的状态，所以调节阀选择气关阀。在聚合反应过程中当冷却水增加时，聚合反应温度降低，故主被控对象为负。当冷却水流量增大时，夹套中水温降低，故副对象为负，所以主控制器选择正作用控制器，副控制器选择负作用控制器。

在串级系统中，由于引入了一个副回不仅能尽早克服进入副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有克服的干扰影响能彻底加以消除。

2.3控制规律的选择

由于本次设计属于容量滞后较大的过程，所以选择PD控制规律能加以改善器件的选型。微分作用提高了系统的稳定性，是系统比例系数增大，加快调节过程，减小动态偏差和静差。

3仪表及器件的选择

3.1温度传感器的选择

聚合釜温度控制系统对温度要求很高，过高或过低都会影响聚合反应的效果，因此必须准确测出各点温度进行适当处理。热电偶能把温度信号转为电信号，以便于远传和实现多点切换，应用广泛。其测量范围一般为0～1800℃，它具有感温接触块、动作响应快等特点。热电阻是输出型感温元件，其测量范围在中低温度（-200～650℃），价格便宜，但不能用于点区域测量，可以用来测量一些低温且要求精度不高的温度检测点。热电偶是由两种不同成分的导体两端连接合成回路时，当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热点流。如