温度控制系统的设计

目录 第1章 绪论 .............................................. 1 1.1 醋酸乙烯的发展 .................................................... 1 1.2 温度控制系统的重要性 .............................................. 1 1.3 温度控制系统的组成 ................................................ 2

第2章 方案论证 .......................................... 2 第3章 硬件设计 .......................................... 4 第4章 软件设计 .......................................... 6 4.1 温度控制系统的设计 ................................................ 6 4.2 主、副调节器正反作用方式的确定 .................................... 7 第5章 分析参数的整定 ..................................... 9 5.1 控制器参数的工程整定 .............................................. 9 5.2 PID调节 ......................................................... 10 第6章 结论 ............................................. 11 参考文献 ................................................ 12 1

第1章 绪论 1.1 醋酸乙烯的发展 醋酸和乙炔合成醋酸乙烯，醋酸乙烯是化学工业中重要的产品之一。又它出发，可以生产一系列高分子化合物，因此广泛应用于国民经济和国防工业各部门。目前，我国醋酸乙烯主要用来生产维尼纶的原料聚乙烯醇。目前，世界上醋酸乙烯的总产量已超过4.5MT/A，并且正以年增长率5%的速度发展。 醋酸乙烯的生产是个塔体非常多的系统,调节回路众多,系统的关联性非常强,一个参数的控制的好坏直接影响到其他参数的控制的成败.一个系统的波动可能带垮整个系统.,因为其产品醋酸乙烯的浓度要求非常高,达到99.9%以上,因此对反应温度,以及流量等参数的控制要求非常平稳,合成反应器的中温要求120正负1度,醋酸蒸发器液位要求达到正负1%,还有乙炔的流量非常不稳定,可控性不太好.这些都对控制的精度提出了很高的要求。在合成过程中对反应器和换热器的温度控制更是重要的一个控制环节。

1.2 温度控制系统的重要性 温度是工业生产与日常生活中一个重要的物理量，在农业、现代业科学研究和高新技术开发中也是一个非常普遍和常用的物理测量参数，例如钢铁生产过程中，按照工艺条的规定保持一定的温度才能保证产品质量和设备的安全。 近年来，温度控制的发展尤为迅速，国内外市场上已出现了多种多样的温度控制仪表，应用于各个方面，例如，呢挂钩进行程序空文的只能多段温度控制仪表，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式温度调节器等。 温度控制应用广泛，无论是重工业中各种机器的制造，还是轻工业中的生产，或者日常生活中的衣食住行，多与温度关系重大，温度控制也就或直接或间接的应用于工业生产或者日常生活中。 2

1.3 温度控制系统的组成 在温度控制的闭环控制中，仪表等测量工具对被控变量即输出变量进行测量，将测量值与所需进行比较，将反馈结果输送到控制器里，控制器将比较结果进行分析，然后发出指令到执行机构，在有执行机构工作以实现工作实际温度向理论温度靠拢。

第2章 方案论证 方案一： 利用简单控制系统来控制过程温度。简单控制系统是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个调节阀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。 单回路控制系统是最基本的控制系统，由于其结构简单，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，应用十分广泛。

图2.1 单回路调节 如图2.1所示为单回路调节，简单控制系统中的单回路控制系统来控制反应器中的温度，单回路只有一个被控对象，结构简单投资少，调整方便，但由于此系统要求较高，只用单回路控制系统无法精确控制反应器中的温度。 方案二： 利用用串级控制系统来控制过程温度。 串级控制系统由于引入副回路，使系统控制品质相对于但回路控制系统显著提高。在系统结构上，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，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。串级控制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，使主参数能够准确地控制在工艺规定的范围之内。 由于串级控制系统可以调节两个参数，可以把反应器中的温度做为主控制对象，换热器中的温度作为副控制对象，由于主副各形成闭合回路，能使系统的精度大大提高，若是利用单回路控制系统，虽然投资少，调整方便，但不能精确调整到要求温度，

调节器 被控对象 变送器 3

而串级控制系统虽然复杂，却可以利用它的优点，满足工业上很多要求。 当工业要求很高的时候，利用简单控制系统并不能满足工业要求，就可以有比较复杂的串级控制系统。串级控制系统有很多优点：1.可用于容量滞后较大的过程 2.可用于纯滞后较大的过程。3.可应用于烦扰幅度大的过程。4.可应用于非线性过程，醋酸、乙炔混合的一部分气体要通过换热器才能进入反应器中，但换热器有很大的非线性，若是利用单回路控制系统，只可以通过改变调节器的整定参数来保证系统的衰减率，但负荷变化随时反生，仅靠改变调节器的整定参数来适应此种情况是不可行的。这时就可以用串级控制系统来消除非线性，由于它能根据负荷的变化，自动调整副调节器的设定值，使系统运行在新的工作点，最终使主被控参数保持平稳，从而满足工艺要求。 醋酸装置的乙炔合成反应器，期中部温度是生产过程中的重要参数，为了保证和恒气质量，工艺要求对它进行严格控制，由于在它的控制通道中，包括了一个换热器和一个合成反应器，而这个换热器具有明显的非线性，所以使整个过程特性随着负荷的变化而变化，具有较大的非线性。若采用但回路控制系统，当负荷变化大时，为了保持系统原有衰减率不变，则必须不断相应地改变调节器的比例放大系数，然而，这是不可能的。若采用串级控制，则选取反应器中部温度为主参数，换热器出口温度为副参数。在副回路总包括了过程特性随负荷变化而变化的那一部分。由于串级控制系统的副回路对于负荷变化具有一定的自适应能力，负荷变化所引起副回路特性的改变，会导致副回路衰减率发生变化，使副参数波动大一些，但是，此时主调节器的输出会重新调整副调节器的给定值，从而改变调节阀的开度，所以对整个系统的衰减率影响不大。实践证明，系统的衰减率基本保持不变，主参数保持平稳，达到生产工艺要求。

图2.1 串级控制系统方框图 如图2.1所示，为根据方案二所设计的方框图，反应器中部温度为主被控量，混合气体经换热后和没经过换热器的混合气体再次混合后的温度为副被控量。两个被控量分别通过两个变送器送到控制器中，在空过控制器对两个调节阀进行控制，从而使

副调节器 调节阀 管壁 反应温度变送器2 温度变送器1 主调节器 4

反应器中的温度达到平衡。 第3章 硬件设计 温度控制系统的硬件组成由控制器、变送器、执行器，根据图图3.1的结构图所示，串级温度控制系统需要两个控制器（TC），两个变送器（TT）和两个执行器，几个部分组合在一起便可组成一个对反应器和换热器可控的温度控制系统。

图2.1 系统结构图 元件选择： 1.变送器的选择 温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。 带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。 智能温度变送器是采用微处理器技术的新型现场变送类仪表，其精度，功

反 应 器

T1T T1C T2C

T2T 换热器

醋酸和乙炔混合气体 5

能，可靠性均比模拟变送器优越。它可输出模拟、数字混合信号或全数字信号，而且可以通过现场总线通信网络与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控制系统。 本设计的温度控制系统中选用了ST3000温度变送器。ST3000温度变送器是一种智能型两线制变送仪表。它将输入温度先好线性地转换成4~20mA的直流电流输出，同时也可输出符合HART协议的数字信号。该变送器能配接多种标准热电偶或热电阻，也可输入其他毫伏信号。仪表基本误差为±0.1%。配合PT100的铂电阻使用，用铂电阻测量温度送给变送器，变送器在送给控制器，控制器就能准确的来调节阀门的开度。 2.控制器的选择 控制器是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。本文选择ST-801S-96温度控制器，供电电压： AC / DC 85~264V。以下为次控制器特点： 1测量控制范围：温度 -50℃～150℃ 显示精度 ±0.1℃ （ ＜100℃ ）检测精度：±0.5℃。 2参数设置： 控制值：全量程0～100％ 回差：温度1~30℃ 传感器误差修正：温度-50℃～150℃ 。显示方式：三位LED数码管显示，1位小数。 3加热控制：启动：温度≤设定温度（下限）； 停止：温度≥设定温度（下限）＋温度回差。； 4风扇控制：启动：温度≥设定温度（上限）； 停止：温度≤设定温度（上限）－温度回差。功率消耗： ≤ 5W。 5负载继电器输出容量：AC220V /5A（阻性负载时）◇ST-801S- 96型 二路 ◇ST-802S- 96型 四路 ◇ST-803S- 96型 六路 。 6报警继电器触头容量：AC220V / 5A（阻性负载时）一路。 7外形尺寸： 控制器 96ⅹ96ⅹ125mm 传感器 75×80×28.5mm安装方式：嵌入式安装：在安装面板上开91+0.5ⅹ91+0.5mm孔，用安装支架将控制器固定在面板上。 3.执行器的选择 自动控制系统里的执行器是指接受某种信号的控制，对外输出机械力或转矩的装置。它不仅能驱动阀门的开闭，也可以用来驱动其他需要力或位移的对象，是人工远方控制的终端，也是自动调节系统和被调对象间的一个接口。其设计或选型的正确与否直接影响控制或调节的效果。 电动执行器电动执行器，又称为电动执行机构。它是一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。 本设计选择ZKJ-210电动执行器，工作原理 ：ZKJ系列电动执行机构是工业过程测量和控制系统的终端控制装置，它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位