连续槽反应器的液位控制
工业过程先进控制概述石红瑞
现场总线控制系统FCS的主要特征
1. 数字通讯代替4~20ｍＡ模拟传输，数字通讯网络延 伸到工业过程现场；
2. 智能现场设备：智能变送器完成测量、变送基本功 能，还具有自诊断、报警，再现标定、PID调节、 信号处理、通信等功能，可实现多参数传感变送器。
3. 开放的互联网络：协议公开、互操作性、互用性。 4. 系统结构的高度分散性：总线仪表集检测、运算、
9、其他类型现场总线
• HART协议，用于现场智能仪表和控制 是设备间通信的一种开放协议，属于模 拟系统向数字系统转变过程中过渡性产 品，其特点是在现有模拟信号传输线上 实现狮子信号通信。 HART协议最早由 Rosemount公司开发并得到E+H，Moor, AB,Siemens,Smar和横河等许多著名仪表 公司的支持。
多变量频域
随机过程 非线性系统
3、检测控制仪表的发展
• 50’，基地式仪表（电子真空管），自力 式温度调节，就地式液位控制
• 60’，单元组合（气动、电动） QDZ ：0.02~0.1MPa 标准信号 DDZП：0~10mA标准信号 DDZШ ：4~20mA、1~5V 标准信号
DDZ仪表与数字调节器
• 研究内容：可控性、可观性、实现问题、 典范型、分解理论、稳定性理论
• 使控制由一类工程设计方法提高到新的 科学----控制科学。相继出现了系统辨识 与参数估计、随机控制、自适应控制、 鲁棒控制等。
• 航空、航天、制导成绩辉煌，复杂工业 过程无能为力。
80~90’，大系统理论与智能控制
• 大系统理论：控制理论广度挖掘 研究大系统的分解及各子系统的协调，多
DCS的体系结构——Siemens
工程师 站
打印服
AB PLC控制系统 ControlNet 操作工 局域 操作工
CSTR模型的名词解释
CSTR模型的名词解释在化学工程领域，一个常见的实验室设备是连续搅拌槽反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）。
CSTR模型是基于这种实验室设备的反应器模型，用于描述和分析在化学反应中物质转化的过程。
CSTR模型是一种常用的动态平衡模型，用于描述在化学反应器中各组分浓度随时间变化的规律。
它基于一些基本假设，例如反应液处于均相状态，反应液中各组分的浓度均匀分布等。
根据这些假设，CSTR模型可以更好地描述反应物的转化程度以及反应速率的控制因素。
CSTR模型的核心是质量守恒和物质转化方程。
质量守恒方程基于反应液中各组分的质量守恒定律，描述了反应液中各组分的物质转移规律。
物质转化方程描述了反应速率与反应物浓度之间的关系，其中考虑了反应速率常数和反应级数等参数。
这些方程构成了CSTR模型的数学基础。
在CSTR模型中，反应速率是一个重要的参数，它决定了反应物转化的速度。
反应速率受到多种因素的影响，例如反应温度、催化剂、反应物浓度等。
通过在CSTR模型中引入合适的反应速率方程，可以更好地理解和预测化学反应的行为。
CSTR模型的分析通常涉及到动态响应和稳态分析两个方面。
动态响应研究反应物浓度随时间变化的规律，通过解析或数值方法，可以得到反应物浓度随时间的变化曲线。
稳态分析研究当反应物浓度稳定时，系统的平衡状态以及反应速率的控制因素。
除了对整个反应系统进行建模和分析，CSTR模型还可以应用于设计和优化化学反应器。
通过对反应物浓度、反应温度、催化剂等参数的调节，可以实现最大化反应物转化率、最小化副反应产物生成的目标。
CSTR模型在反应器设计和操作中发挥了重要的作用。
总结来说，CSTR模型是一种常用的化学反应器模型，用于描述和分析反应物转化的过程。
它基于质量守恒和物质转化方程，可以用来预测不同反应条件下的反应物浓度变化规律和反应速率的控制因素。
CSTR模型在化学工程中有着广泛的应用，对于反应器的设计和优化具有重要意义。
过程控制系统试题
过程控制系统试题一一、选择题（10×3分）1、过程控制系统由几大部分组成，它们是：( c )A.传感器、变送器、执行器B.控制器、检测装置、执行机构、调节阀门C. 控制器、检测装置、执行器、被控对象D. 控制器、检测装置、执行器2、在过程控制系统过渡过程的质量指标中, ( A )反映控制系统稳定程度的指标A.超调量B.衰减比C.最大偏差D.振荡周期3、下面对过程的控制质量没有影响的是: ( D )A .控制通道放大倍数K O B.扰动通道放大倍数K fC.扰动通道时间常数D.扰动通道纯滞后时间4、在对象特性中，( )是静特性。
A. 放大系数Κ ?B. 时间常数T? ?C.滞后时间τ ? ?D.传递函数??5、选择调节参数应尽量使调节通道的( )A.功率比较大??B.放大系数适当大?C.时间常数适当小?D.滞后时间尽量小6、在简单控制系统中，接受偏差信号的环节是( )。
A .变送器 B. 控制器, C. 控制阀 D. 被控对象7、下列说法正确的是( )。
A. 微分时间越长，微分作用越弱； ?B. 微分时间越长，微分作用越强；C. 积分时间越长，积分时间越弱；? ?D. 积分时间越长，积分时间越强。
8、调节阀按其使用能源不同可分为( )三种。
A．电动?? ?B．液动?? ?C．气动? ? D．压动9、打开与控制阀并联的旁路阀，会使可调比(A)。
A.变小B.变大C.不变 ??D. 为零10、串级控制系统主、副对象的时间常数之比，T01/T02＝( )为好，主、副回路恰能发挥其优越性，确保系统高质量的运行。
A. 3～10??B. 2～8? ??C. 1～4??D. 1～2二、判断题（10×2分）1、过程控制系统中，需要控制的工艺设备(塔、容器、贮糟等)、机器称为被控对象。
( )2、调节阀的结构形式的选择首先要考虑价格因素。
( )3、当生产不允许被调参数波动时，选用衰减振荡形式过渡过程为宜。
连续搅拌釜式反应器（CTRS）控制系统设计
连续搅拌釜式反应器（CTRS）控制系统设计河南⼯业⼤学开放实验室实验项⽬设计报告连续搅拌釜式反应器（CTRS）控制系统设计学校：河南⼯业⼤学学院：机电⼯程学院专业：机械设计制造及其⾃动化姓名：冷会昌学号：20074050602⽬录1 前⾔ (2)2 ⼯艺过程简介 (2)2、1 过程变量说明 (3)2、2 操作变量说明 (3)3 反应过程特性 (3)4 实验内容 (5)5 反应过程开车及正常运⾏ (6)6 开车步骤顺序控制 (7)7 思考题 (8)8 ⼼得体会 (9)连续搅拌釜式反应器（CTRS）控制系统设计1、前⾔本连续反应过程是⼯业常见的典型的带搅拌的釜式反应器（CSTR）系统，同时⼜是⾼分⼦聚合反应。
本实验是当前全实物实验根本⽆法进⾏的复杂、⾼危险性实验，⼜是⾮常重要的基础反应动⼒学实验和反应系统控制实验内容。
此外，全实物实验还⾯临物料消耗、能量消耗、反应产物的处理、废⽓废液的处理和环境污染问题，以上各项问题⽐间歇反应更严重，因为连续反应的处理量⼤⼤超过间歇过程。
现有的连续反应实验系统实际上都是⽔位及流量系统，根本没有反应现象。
在本连续反应实验系统上除了进⾏常规控制系统实验外，还可以进⾏模糊控制、优化控制、深层知识专家系统（例如SDG法）故障诊断等⾼级控制实验。
2、⼯艺过程简介连续反应实验系统以液态丙烯为单体、以液态已烷为溶剂，在催化剂与活化剂的作⽤下，在反应温度70 1.0℃下进⾏悬浮聚合反应，得到聚丙烯产品。
在⼯业⽣产中为了提⾼产量，常⽤两釜或多釜串联流程。
由于在每⼀个反应釜中的动态过程内容相似，为了提⾼实验效率、节省实验时间，特将多釜反应器简化为单反应器连续操作系统。
丙烯聚合反应是在⼰烷溶剂中进⾏的，采⽤了⾼效、⾼定向性催化剂。
⼰烷溶剂是反应⽣成物聚丙烯的载体，不参与反应，反应⽣成的聚丙烯不溶于单体丙烯和溶剂，反应器内的物料为淤浆状，故称此反应为溶剂淤浆法聚合。
见图1-1所⽰，连续反应实验系统包括：带搅拌器的釜式反应器。
第五章-串级控制系统
过程控制
3、主、副调节器的选择
控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调 节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控 制规律的出发点。 主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般 要求无余差。因此，主调节器应选PI或PID控制规律。 副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围 内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律。 引入积分控制规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用 引入微分作用，因副回路本身起着快速作用，再引入微分作用 会使调节阀动作过大，对控制不利。
定量分析：
D2
R1 + Gd2(s) Gv(s) Gp2(s)
过程控制
D1
Gd1(s)
Gc1(s)
R2
Gc2(s)
+ Gp1(s)
Y2
Y1
－
Ym1
－
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y1 ( s) D2 ( s )
Gd 2 ( s)G p1 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s )
主调节器、副调节器；
主给定值、副给定值；
主对象、副对象；
一次扰动、二次扰动。
三、串级控制系统的组成原理
1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象；
过程控制
2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控量， 构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环 3）以原对象的输出信号为主被控量，即分解后的第二个 被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调 节系统或主环。 4）主调节系统中调节器的输出作为副调节器的给定值， 副调节器的输出信号作为主被控对象的输入信号。
化学反应器设计、操作与控制
压力控制
压力是化学反应的重要参数，通过调节进料流量和压力调 节系统，将压力控制在适当的范围内，以保证反应的顺利 进行。
流量控制
进料流量对化学反应的影响较大，通过流量计和调节阀， 精确控制进料流量，以保证反应物料的均匀投入。
反应过程监控
温度监测
实时监测反应器内的温度变化 ，确保温度在预设范围内波动
。
研究反应的动力学性质，如反应速率 常数、活化能等，以优化反应过程。
02 化学反应器操作
操作参数控制
温度控制
保持反应器内的温度稳定，是实现化学反应的重要条件。 通过加热和冷却系统，将温度控制在适宜的范围内，以获 得最佳的反应效果。
液位控制
保持反应器内的液位稳定，对于化学反应的稳定性和安全 性至关重要。通过液位传感器和调节阀，实时监测和控制 液位高度。
反应器材料选择
根据反应条件选择耐 腐蚀、耐高温、耐高 压的材料。
对于特殊反应，如强 氧化、还原等，需选 用具有特殊性能的材 料。
考虑材料的机械性能、 加工性能和经济性。
反应器热力学与动力学基础
分析反应的热力学性质，如反应平衡 常数、熵变等，以确定最佳反应条件。
利用热力学和动力学数据，进行反应 器模拟和优化。
预防措施
加强设备维护和巡检，制定应急预案，提高员工安全意识。
案例分析
某化工厂反应器爆炸事故的调查与预防措施。
05 未来展望与挑战
新材料与新技术的应用
新材料的研发
随着科技的发展，新型的高性能材料如纳米材料、复合材料 等在化学反应器中的应用越来越广泛。这些新材料具有优异 的物理和化学性能，可以提高反应器的效率、降低能耗和减 少环境污染。
环保要求
严格控制三废（废气、废水和固 废）的排放，采用环保材料和工 艺，降低能耗和资源消耗，实现 绿色生产。
连续槽反应串级控制
过程控制仪表课程设计题目：连续槽反应器温度串级控制系统设计学生姓名：罗金星班级：自动化082班学号：20084460220指导老师：高飞燕、唐耀庚2011年12月20日目录第一章系统简介 (1)1.1 连续槽反应器简介 (1)1.2 意义 (1)1.3 工艺流程 (2)第二章设计方案及仪表选型 (3)2.1 概述 (3)2.2 主回路的设计 (3)2.3 副回路的设计 (3)2.4 主副调节器的调节规律及作用方式的确定 (4)2.5 温度变送器的选择 (4)2.6 调节器的选择 (5)2.7 执行器的选择 (6)第三章仪表元件清单及配接图 (8)3.1 元件清单 (8)3.2 控制系统配接图 (9)参考文献 (10)第一章系统简介1.1 连续槽反应器简介图1.1 连续槽反应器结构图1.物料自顶部连续进入槽中，经反应后从底部排出，反应产生的热量由冷却夹套中的冷却水带走。
2.由于槽内装有物料搅拌装置，可以使连续槽反应器中各处物料温度相同，通过用调节阀控制冷却水的流量来控制反应器内温度的恒定。
连续槽反应器结构图如图1.1所示。
1.2 意义为了保证产品质量，采用调节阀来改变冷却水流量，从而控制反应温度。
由于冷却水是通过吸收反应器内壁热量来降低物料温度的，这样系统就拥有了三个热容，即夹套中的冷却水、槽壁和槽中的物料。
三个热容使系统扰动的来源增加了，系统的控制难度也提高了。
由于反应是一个放热过程，如果温度过高，则会使物料变质从而造成资源的浪费，使成本增加，所以要控制反应槽的温度不能超过上限值。
1.3 工艺流程反应器的工艺流程图如图1.3所示。
物料从反应器顶端放入槽内，物料在槽中反应，又由于有搅拌装置的搅拌，使得物料能够充分反应，从而使槽中物料的温度在每一处能够基本相同。
通过调节阀对冷却水的流量进行控制，从而使冷却水冷却到设定的温度T1。
使温度T1发生扰动的因素主要包括物料方面的扰动D1（物料流量，入口温度和物料化学组分），冷却水方面的扰动D2（入口温度和调节阀前的温度）和反应器壁对外界的散热引起的扰动。
连续搅拌釜式反应器(CSTR)控制系统设计 连续
连续连续搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器（（CSTR ）控制系统设计1. 前言连续搅拌釜式反应器（continuous stirred tank reactor ，简称为CSTR ）是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，该对象是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统。
在早期反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程一般都有很强的非线性和时滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制精度。
随着计算机技术和PLC 控制器的发展，越来越多的化学反应采用计算机控制系统，控制方法主要为数字PID 控制。
但PID 控制是一种基于对象有精确数学模型的线性过程，而CSTR 模型最主要的一个特征就是非线性，因此PID 控制在这一过程中的应用受到限制。
随着现代控制理论和智能控制的发展，更加先进有效的控制方法应用于CSTR 的控制，如广义预测控制，神经模糊逆模PID 复合控制，自抗扰控制，非线性最优控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，CSTR 的非线性H ∞控制等。
但任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想的控制效果。
目前先进的反应釜智能控制技术就是将智能控制理论和传统的控制方法相结合，如钟国情、何应坚等于1998年对基于专家系统的CSTR 控制系统进行了研究[1]，宫会丽、杨树勋等于2003年发表了关于PID 参数自适应控制的新方法[2]，冯斌、须文波等于1999年阐述了利用遗传算法的寻优PID 参数的模型参考自适应控制方法等[3]。
但由于这些控制方法的算法比较复杂，在算法的工程实现、现场调试及通用型方面存在着局限性，因此研究一种相对简单实用的CSTR 控制方法，更易为工程技术人员所接受。
本文在对CSTR 过程及其数学模型进行详细分析的基础上，针对过程的滞后性，采用Smith 预估算法与PID 控制相结合的方法实现CSTR 过程的控制，该方法具有实用性强及控制方法简单等特点，基于西门子PCS7系统完成了CSTR 过程控制系统设计。
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连续槽反应器的液位控制
作者：丛高影
来源：《商场现代化》2012年第23期
[摘要]为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，采用西门子公司变频器，系统根据液位传感器反馈的液位信号经过PLC内部的计算自动控制各泵的启停，使液位达到平衡，并实现高限和低限报警以及液位的实时显示，实现液位的自动控制，确保整个处理环节的高效运行。
[关键词]变频器 PLC
一、引言
基于S7 200 PLC的编程软件，采用模块化的程序设计方法，减少软件的开发和维护。
利用对PLC软件的设计，实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。
通过对MCGS组态软件技术特点的分析，提出将组态软件用于PLC系统中，事实证明PLC控制系统与组态软件设计、检测，具有良好的应用价值。
二、总体方案的选择
连续槽反应器的液位控制对于提高反应效率是至关重要的。
液位过高，容易导致溢料；液位过低，会造成反应物反应时间不充分，影响反应质量。
加强反应器液位自控不仅减轻操作强度，且也是维护设备、提高蒸发效率、降低汽耗的关键手段。
过去使用传统的继电器控制液位，该方法存在很多不足：
①液位上、下限传感器都必须良好。
如果有一个失灵，自控都将失灵。
②继电器的动静触点运行一段时间后容易误动作。
③控制系统接线繁琐，维修不方便。
④每个继电器动静触点数目有限，控制系统中使用较多继电器，使系统庞大。
现在用于液位控制的是可编程控制器，投运以来，一直很好，不但克服了继电器的诸多缺点，而且还具有更多优点。
采用连续操作的反应器被称为连续式反应器，这一操作方式的特点是原料连续流入反应器，反应产物则连续从反应器流出。
反应器内任何部位的物系组成均不随时间变化，故属于稳
态操作。
连续操作反应器一般具有产品质量稳定、生产效率高等优点，因而适合于大批量生产。
本课题主要采用变频器对连续槽反应器进行液位控制，连续槽反应器的主要工艺过程是：原料连续流入反应器，流入反应器内原料即反应，反应产物则连续从反应器流出。
对其液位进行控制，利用压力传感器、变送器将各液位参数传送到PLC控制器中，PLC对变频器进行控制，改变电机转速，从而达到对液位进行控制的目的。
三、被控对象分析
连续槽式反应器具有滞后性，在工业生产过程中常见而有难于控制。
当检测变送环节存在时滞时，被控变量的变化不能及时传到控制器；当被控对象存在时滞时，控制作用不能及时使被控变量变化；当执行器存在时滞时，控制器的信号不能及时引起操纵变量的变化。
因此，开环传递函数存在时滞，使控制不及，超调增大，并引起系统不稳定。
时滞问题在控制理论上已经得到很好的解决，
反应器液位具有时滞性大、时变性和非线性等特点。
本系统具有一阶惯性纯滞后特性。
所谓滞后是指被调量的变化落后于扰动的发生和变化。
对于本系统可用具有一阶纯滞后非周期环节来近似描述，即：
G（s）=■ （2—1）
四、控制系统的选择
比值调节系统也可以和串级调节系统组合在一起组成更复杂的组合系统如图2—2所示。
本设计要求液位保持一定，则可由检测液位变送器经过另一个液位调节器由其输出来控制调节器的给定值。
这样就组成了串级和比值调节组合系统。
本次设计以反应器内的液位为主被控变量、流量为副被控制变量的串级控制系统。
此外，由于两种反应物以一定的比例在反应器内反应时放出热量，所以，将串级控制系统中的副控制器的输出值作为比值控制系统中主动量控制回路的给定值，进行流量控制，同时，主回路对液位进行控制，使液位保持恒定。
五、PLC程序设计方法
在编写PLC程序时，一般有两种程序结构，即线性结构和模块结构。
线性程序设计就是把工程中需要控制的任务按照工艺要求书写在主程序中。
线性程序的结构简单，分析起来一目了然。
这种结构适用于编写一些规模较小、运行过程比较简单的控制程序。
整个连续式反应器的生产比较复杂，适宜采用模块程序设计。
而控制阀门的控制系统相对简单，编程也相对容易，可采用线性程序结构。
确定了PLC的程序结构之后，就要编制具体的程序。
编制PLC程序的方法很多，常用的有以下几种：逻辑代数设计法、替代设计法、时序流程图法、顺序控制法、经验设计法等。
顺序控制法（状态转移图法）是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。
一般比较复杂的程序，都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。
从这个角度看，一个复杂系统的控制过程是山这样若干个步组成的。
系统控制的任务实际上可以认为在小同时刻或者在不同进程中完成对各个步的控制。
本系统的PLC控制程序就是在经验法的基础上，利用顺序控制法进行设计。