反应釜温度过程控制课程设计

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

*名：***

学号：*********

指导教师：***

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