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1、过 程 控 制 系 统 课课题：反应釜温度控制系统系 另I：电气与控制工程学院专 业：自动化姓 名：彭俊峰学号：指导教师：李晓辉河南城建学院2016年6月15日引言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
2、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，耐压。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。反应器压力报 警上限组态值为。反应器的工艺流程如图1-1所示。S8Q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
3、阀门的设备参数如表1 -2所示，其中，Dg为阀门公称 直径、Kv为国际标准流通能力。F4反应物A进料流量729 kg/hF5反应物B进料流量1540 kg/hF6催化剂C进料流量88 kg/hF7冷却水流量（蛇管冷却）最大25 t/hF8冷却水流量（夹套冷却）最大42 t/hF9反应物料混合液出口流量kg/hT1反应温度CP7反应压力MPa （绝压）L4 反应器料位% , 0-100%)表1-2设备参数表V4反应物A进料阀Dg25 Kv= (Cv=4)V5反应物B进料阀Dg25 Kv= (Cv=V6催化剂C进料阀Dg20 Kv= (Cv=V7冷却水阀（蛇管）Dg40 Kv= (Cv=30)V8
4、冷却水阀（夹套）Dg50 Kv= (Cv=50)V9反应器出口阀Dg25 Kv= (Cv=10)S6热水阀开、关两种状态S8反应器搅拌电机开关开、关两种状态由图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。的作用下，在反应温度70C发生反应，生成产物耽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
5、应器出口为 混合液，由产物。与未反应的A、B以及催化剂。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S&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
6、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，其系统结构图如图所示。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
7、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-200600c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工业常用热电阻热电阻名称分度号0度时阻值（度）测温范围（度）特点铜电阻Cu50-50150线性好，价格低，适用于无腐蚀性介质Cu50铂电阻Pt50-200 500精度高，
8、价格贵，适用于中性和氧化性介质，但线Pt100性度差由表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-川型温度变送器如图2-3所示。
9、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: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。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
10、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，操纵控制机构，自动改 变操作变量，从而实现对过程变量的自动控制。本设计采用气动薄膜调节阀，其工作原理：当气室输入了信号压力之后，薄膜产生推力，使推力盘向下移动，压缩弹簧，带动推杆、阀杆、阀芯向下移动，阀芯 离开了阀座，从而使压缩空气流通。当信号压力维持一定时，阀门就维持在一定的开度二。气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分，上面是执行机构，下面是调节机构它主要 由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。当来自控制器的信号压力通入到薄膜气 室时，在膜片上产生一个推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减 小，流体受到的阻力增大，流量
11、减小。推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹 簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通 面积不再改变，流体的流量稳定。出于安全的原因，在此次设计中使用VBD气动端面密 封蝶阀，VBD气动端面密封蝶阀是一种重量轻，结构简单的后座式端面密封蝶阀。阀 体、阀板均用钢板焊接或铸造加工而成。适用于低压状态的空气或其他气体的流量、压力 控制。气动执行器分气开和气关两种形式，有压力信号时阀关，无压力信号时阀开为气关式执行器；反之，则为气开式。它的选择首先应根据调节器输出信号为零时使生产处于安 全状态的原则确定；其次，还应考虑是否有利于节能、是否有利于开车、停车等进
12、行选 择。最后，气开、气关的选择主要是考虑在不同生产工艺条件下安全生产的要求。考虑的 原则是：信号压力中断时，应保证设备和工作人员的安全。根据工业的要求，本设计选 择了气关方式。调节阀的尺寸主要是指调节阀的开度和口径，他们的选择对系统的正常运行影响很大。若调节阀口径选择过小，当系统受到较大扰动时，调节阀既是运行在 全开状态，也会使系统出现暂时失控现象；若口径选择过大，则在运行中阀门会经常处于小开度状 态，容易造成流体对阀芯和阀座的频繁冲蚀，甚至使调节阀失灵。因此，结合本设计的 工业要求，调节阀开度应处于15% 85%之间。调节阀是控制系统非常重要的一个环节，它接受控制器的输出信号，改变操纵变量
13、，执行最终控制任务。控制阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与相对 开度之间的函数关系，如下式中所示。Q Qmaxf i l(2-1)其中Q Qmax -相对流量。即控制阀在某一开度下的流量与最大流量之比； max1L -相对开度。即控制阀在某一开度下的行程与全行程之比。常用的理想流量特性的控制阀有：线性型、对数（等百分比）型和快开型等。其理想流量特性如图2-5所示。图2-5控制阀理想流量特性而在实际工作时，阀两端的压降会随流量而变化，这时的流量特性称为工作特性。设 管路系统的总压差为么pt,由液体提升高度引起的压差为Ph，阀两端的压降为 Pv,管路 其他部分的压降为底工程中通常采用经验法来
14、选择调节阀的流量特性。表2-1给出了理 想流量特性的经验，本方案将依据这个表来选取理想流量特性。然而当控制系统中某一环 节出现故障或意夕卜时，应考虑人身、设备装置的安全；考虑介质性质；还要考虑减少经济损失等。表2-1控制阀理想流量特性经验选择表被控变量有关状况选用理想流量特性流量设定值变化直线型负荷变化对数型温度对数型压力快过程对数型慢过程，APv恒定直线型慢过程，(AP)。皿锻 (APV) Qmin对数型液位APV恒定直线型(APv)Qmax 2( APv) Qmin快开型控制器仪表的选择采用模拟控制器：DDZ III型调节器，DDZ -川基型控制器框图如图控制器的输 入信号为1 5V的测量
15、信号。设定信号有内设定和夕卜设定两种。内设定信号为1 5V，夕卜设 定信号为4 20mA。测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算，输出偏差到比例积 分微分电路进行比例积分微分运算后，由输出电路转换为4 20mA信号输出。手动电路 和保持电路附于比例积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处 于手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离 开操作键时，控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上，当控制器处于硬手动状 态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出快速改变到需要的数值，只要操作杆不 动，就保 持这一数值不变。由于有保持电路，使自动与软手动相互切换，硬手动只能 切换到软手动，都是无平衡无扰动切换，只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡 才能实现无扰动切换。3.控制方案的整体设定控制方式的选择采用单回路控制方式，将反应温度T1取一阶微分，得到温
