朱慧反應釜監(jiān)控系統(tǒng)設計——控制部分開題報告

1、 淮 陰 工 學 院畢業(yè)設計(論文)開題報告學 生 姓 名：學 號：專 業(yè)：電氣工程及其自動化設計(論文)題目：反應釜監(jiān)控系統(tǒng)設計 控制部分指 導 教 師:年月日 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告1結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000字左右的文獻綜述文 獻 綜 述1.1課題基本介紹反應釜廣泛應用于石油、化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品等生產(chǎn)型用戶和各種科研實驗項目的研究，用來完成水解、中和、結晶、蒸餾、蒸發(fā)、儲存、氫化、烴化、聚合、縮合、加熱混配、恒溫反應等工藝過程的容器。反應釜的廣義理解即有物理或化學反應的不銹鋼容器，通過對容器的結構設計與參數(shù)配置，實

2、現(xiàn)工藝要求的加熱、蒸發(fā)、冷卻及低高速的混配等功能。而在傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領域，反應釜是生產(chǎn)化工產(chǎn)品如（膠水、化妝品等）的核心主要機械。反應釜的種類較多，常見的有：電加熱反應釜、蒸汽加熱反應釜、不飽和聚酯樹脂全套設備、不銹鋼反應釜、搪玻璃反應釜等。其結構由釜體、釜蓋、夾套、攪拌器、傳動裝置、軸封裝置、支承等組成。攪拌形式一般有錨式、槳式、渦輪式、推進式或框式等，攪拌裝置在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉，也可根據(jù)用戶的要求任意選配。并在釜壁外設置夾套，或在器內(nèi)設置換熱面，也可通過外循環(huán)進行換熱。加熱方式有電加熱、熱水加熱、導熱油循環(huán)加熱、遠紅外加熱、外(內(nèi))盤管加熱等，冷卻方式為夾套冷卻和釜內(nèi)盤管冷卻，

3、攪拌槳葉的形式等。支承座有支承式或耳式支座等。轉(zhuǎn)速超過160轉(zhuǎn)以上宜使用齒輪減速機.開孔數(shù)量、規(guī)格或其它要求可根據(jù)用戶要求設計、制作。下面就以連續(xù)攪拌反應釜為例解析一下攪拌釜的結構及其特點。 連續(xù)攪拌反應釜的基本結構如圖1.1所示。反應釜由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及內(nèi)構件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等統(tǒng)稱為攪拌機。筒體為一個鋼制罐形容器，可以在罐內(nèi)裝入物料，使物料在其內(nèi)部進行化學反應。為了維持反應釜內(nèi)的反應溫度，需要設置換熱元件。常用的換熱元件為夾套，它包圍在筒體的外部，用焊接或法蘭連接的方式裝設各種形狀的鋼結構，使其與容器外壁形成密閉的空間。在此空間

4、通入加熱或冷卻介質(zhì)，通過夾套內(nèi)壁傳熱，可加熱或冷卻容器內(nèi)的物料，介質(zhì)的每秒流量受電磁閥的控制。攪拌器是化學反應能夠進行的關鍵部件，它提供過程所需的能量和適宜的流動狀態(tài)。攪拌器有很多種類型，本文采用的是最簡單的槳式攪拌器。由于化學反應對反應物的純度有一定的要求，并且反應過程有畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告可能產(chǎn)生劇毒、易燃、易爆的氣體和物料，所以密封裝置是反應釜必不可少的一部分。傳動裝置包括電動機、減速機、連軸器及機架。通過電機驅(qū)動攪拌軸，帶動攪拌器旋轉(zhuǎn)，為物料的循環(huán)提供動力。罐頂和罐底分別裝有加料口和出料口，分別用于往罐中加入物料和從罐中取走物料。為了測量釜內(nèi)的溫度，在罐內(nèi)裝有鋼制的溫

5、度計套管，可將溫度計或溫度傳感器放入其中。為了滿足工藝的需要，還可以外接附件裝置。圖1.1 反應釜結構示意圖連續(xù)攪拌反應釜工作原理:在進行化學反應之前，先將反應物按照一定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應釜內(nèi)，在反應釜的夾套中通以一定的高壓蒸汽，高壓蒸汽通過反應釜的夾套提高釜內(nèi)物料的溫度，通過攪拌器的攪拌使物料均勻并提高導熱速度，使其溫度均勻。當釜內(nèi)溫度達到預定的溫度時，保持一定時間的恒溫以使化學反應正常進行，反應結束后進行冷卻。有時在恒溫后還要進行二次升溫和恒溫。恒溫段是整個工藝的關鍵，如果溫度偏高或偏低，會影響反應進行的深度和反應的轉(zhuǎn)化率，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量?；瘜W反應過程中一般伴有

6、強烈的放熱效應，并且反應的放熱速率與反應溫度之間是一種正反饋的關系。也就是說，若某種擾動使反應溫度有所增加，反應的速率就會增加，放熱速率也會增加，會使反應溫度進一步上升，甚至會引起“聚爆”現(xiàn)象，使釜內(nèi)的產(chǎn)品變成廢品，并且會影響安全生產(chǎn)。為了使釜溫穩(wěn)定，在夾套中通以畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告一定的冷卻介質(zhì)，來移走反應放出的多余熱量。通過調(diào)節(jié)流入反應釜夾套中冷卻介質(zhì)的流量，來控制反應釜內(nèi)物料的溫度使之符合工藝要求。1.2課題在國內(nèi)外發(fā)展反應釜工作環(huán)境復雜,受不確定因素影響較大,控制起來非常困難,近年來越來越多的人傾向于反應釜智能控制器的研究,以確保生產(chǎn)安全、提高生產(chǎn)效率、改善勞動條件。

7、種外部千擾的影響比較敏感，依照機理法和最小二乘法等傳統(tǒng)的建模方法，要建立反應過程的精確數(shù)學模型是非常困難的。自上世紀70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。它們主要具有如下的特點：(1)適應十大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統(tǒng)的控制。(2)能夠適應于受控系統(tǒng)數(shù)學模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。(3)能夠適應于受控系統(tǒng)過程復雜、參數(shù)

8、時變的溫度控制系統(tǒng)的控制。(4)這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術，運用先進的算法，適應的范圍廣泛。(5)普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術，溫控器具有對控制對象控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。有的還具有自學習功能，它能夠根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。(6)溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好的特點。1.3研究的重點、難點由于反應釜反應過程受外界溫度、反應物質(zhì)不同、濃度等因素影響較大，生產(chǎn)過程也經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下進行,生產(chǎn)的安全性至關重要,因此高性能

9、、高精度反應釜控制器的研制受到高度重視。在實際的生產(chǎn)過程中，反應釜的溫度決定了產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，有時甚至影響到生產(chǎn)過程中的安全性。因此如何對反應釜內(nèi)化學反應溫度進行精確、有效的控制，顯得至關重要。然而，由于溫度對象具有非線性、時變畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告不確定、大滯后、受環(huán)境溫度影響大等特點，目前反應釜內(nèi)的全過程溫度自動控制是重點也是難點。1)復雜性、時滯性和非線性a)化學反應的生產(chǎn)過程伴隨著物理化學反應、生化反應、相變過程及物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，因而是一個十分復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程；b)反應釜容量大、釜壁厚，因此是一個熱容量大、純滯后時間長的被控對象；c)隨著反應的進行，各傳熱媒

10、體的傳熱系數(shù)成非線性變化，并且對各種外界環(huán)境的變化比較敏感；加上反應過程增益變化也會很大，甚至增益變化方向都是不一樣的；而且，隨著反應的進行，釜內(nèi)固體顆粒增多，釜的傳熱系數(shù)也會隨著發(fā)生不規(guī)則變化。2)難控性a)反應過程中，由于化學反應放熱過程的復雜性和非線性，各傳熱媒體的傳熱系數(shù)成非線性變化，并對各種外部干擾的影響較敏感，使得控制有一定的難度；b)反應過程中如果熱量移去不及時、不均勻，會使反應溫度一直往上升，極易因局部過熱而造成“飛溫”現(xiàn)象，產(chǎn)生“爆聚”；反之，如果熱量移去過多，會造成反應溫度一直往下跌，造成反應熄滅。而聚合反應好壞的主要因素就是反應釜溫度控制的好壞，溫度的變化將直接影響產(chǎn)品的

11、質(zhì)量和產(chǎn)量，所以此過程的溫度控制是重點也是難點；c)反應工藝以及反應設備的約束及外界環(huán)境對反應影響的不確定性因素也使得控制的難度增加。(3)建模難反應過程化學反應機理較為復雜，尤其是聚合反應過程涉及物料、能量的平衡，反應動力學等，加上外界條件如原料純度、催化劑類型、原料添加數(shù)量的變化、熱水溫度、循環(huán)冷卻液流量的變化等對系統(tǒng)的影響較大，推導機理模型較為困難；又由于化學反應放熱過程的復雜性和非線性，隨著反應的進行，各傳熱媒體的傳熱系數(shù)不規(guī)則變化對各種外部千擾的影響比較敏感，依照機理法和最小二乘法等傳統(tǒng)的建模方法，要建立反應過程的精確數(shù)學模型是非常困難的。1.3查閱資料對課題研究的啟發(fā)為了達到比較理

12、想的控制效果，經(jīng)過比較和分析，這里采用西門子公司的S7-300系列PLC設備，配以上位機監(jiān)控系統(tǒng)，并以PID控制為理論基礎，實現(xiàn)對反應釜的溫度畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告控制。為適應化工生產(chǎn)的新特點，一些過程控制領域中的新技術正在由理論研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)實踐,如信息綜合處理技術、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、各種智能控制技術、軟計算技術和快速仿真技術、多媒體技術等。最近發(fā)展起來的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(FCS)也是一種新的開放式的分布式控制系統(tǒng)。它把專用封閉協(xié)議變成標準開放協(xié)議，使系統(tǒng)共有完全數(shù)字計算和數(shù)字通信能力：在結構上，采用了全分布式方案，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，提高了系統(tǒng)靈活性和可靠性：傳統(tǒng)的

13、PID控制是一種基于過程參數(shù)的控制法，具有控制原理簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、參數(shù)易調(diào)整等優(yōu)點，但其設計依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，而反應釜因為機理復雜各個參數(shù)在系統(tǒng)反應過程中時變，不能建立精確的數(shù)學模型，參數(shù)調(diào)整往往比較困難，難以解決系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性和快速性的矛盾，因而采用一般的PID控制器無法實現(xiàn)對反應釜的精確控制。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，在設計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，控制效果好。但模糊控制器是以誤差和誤差變化作為輸入變量，這種控制器具有模糊比例一微分控制作用，精度不太高、穩(wěn)態(tài)誤差較大、自適應能力有限和易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。針

14、對預測控制是一種優(yōu)化控制算法，它是通過對某一性能指標的最優(yōu)來確定未來的控制作用的，具有對模型要求低、魯棒性好、適用于數(shù)字計算機控制的優(yōu)點，但穩(wěn)定性仍待提高反應釜的溫度變化特點，將模糊控制、PID控制與預測控制結合起來，設計出溫度控制系統(tǒng)，并根據(jù)反應釜裝置的特點，采用比例閥控制液體流量，增加系統(tǒng)功能并提高響應速度。畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告參 考 文 獻1王曉春，劉海.反應釜控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)化工自動化與儀表，2010年10期2夏晨，李樸反應釜設計及其溫度控制系統(tǒng)J化工自動化及儀表2004年01期3郁漢琪電氣控制與可編程序控制器應用技術M.南京：東南大學出版社，2003.64邊春遠

15、，程立英等編著.S7-300/400PLC系統(tǒng)設計基礎與開發(fā)技巧.機械工業(yè)出版社,20085李新衛(wèi).連續(xù)反應釜溫度控制系統(tǒng)的設計與仿真J；化工自動化及儀表.2010年11期6楊東，黃永紅，張新華，吉敬華.用PLC基本指令實現(xiàn)自動運動定位控制的研究J.微計算機信息，2010,26（2-1）：62-647鄭晟，鞏建平，張學編.現(xiàn)代可編程控制器原理與應用.科學出版社，20078龔仲華編.S7-200/300/400PLC應用技術提高篇.人民郵電出版社，20059陳忠花編.可編程控制器與工業(yè)自動化系統(tǒng).機械出版社，200410馬忠孝，何印洲，劉宗振.PLC在化工反應釜自動投料的應用，2012 畢 業(yè)

16、設 計（論 文）開 題 報 告2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）2.1本課題要研究或解決的問題1)熟悉反應釜結構、控制要求以及工作流程；2)將PID控制應用到反應釜中3)系統(tǒng)各部分的硬件選擇4)下位機過程系統(tǒng)設計5)采用PLC編制反應釜控制程序，與WINCC連接調(diào)試，實現(xiàn)對反應釜工作過程的監(jiān)控。2.2擬采用的研究手段根據(jù)設計要求，初步思路如下1）將PID控制應用到反應釜中(1)PID過程控制模塊這種模塊的PID控制程序是PLC生產(chǎn)廠家設計的，并存放在模塊中，用戶使用時序要設置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一個模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。(2)PID功能指令現(xiàn)在很多PLC

17、都有供PID控制用的功能指令，如S7-300的PID指令。它們實際上是用于PID控制的子程序，與模擬量輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用PID過程控制模塊的效果。(3)PID控制器的數(shù)字化PLC的PID控制器的設計是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎，將其數(shù)字化寫成離散形式的PID控制方程，再跟據(jù)離散方程進行控制程序設計。2）反應釜PLC單元設計(1)PLC STEP7編程本課題的實現(xiàn)所使用的設備是西門子公司的S-300系列PLC，而西門子公司為SIMATIC系列PLC和基于PC的WinAC研制出的標準工業(yè)軟件就是STEP7，下面就是基于STEP7的軟件編程。反應釜的溫度控制涉及很多方面

18、，不能一概而論，故而在具體編程時，將整個工程畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告分為2個獨立的模塊，最后再統(tǒng)一調(diào)用。這樣的話，既能增加程序的可讀性，同時也可以為調(diào)試過程提供方便。(2)SIMATIC S7-300可編程控制器模塊選型：a)S7-300需要24V直流的傳感器/執(zhí)行器為其供電；b)SIMATIC S7-300可編程控制器型號。(3)下位機程序設計SCL語言的編程環(huán)境主要由三個部分組成：a)Editor：用來編輯程序，如各種功能(FC)、功能塊(FB)、組織塊(OB)、數(shù)據(jù)塊(DB)及用戶自定義的數(shù)據(jù)類型(UDT)；b)Batch Compiler：編譯由Editor編輯的程序，使

19、其能夠下裝到PLC并運行；c)Debugger：調(diào)試編譯后的程序，找出編程中存在的錯誤。STEP7采用模塊化編程，各個模塊所具有的特定功能描述如下：0B塊:系統(tǒng)組織塊是操作系統(tǒng)和用戶程序的接口，由SIEMENS廠家定義每個塊的用途；OB1：主程序循環(huán)。OB35：以設定的時間為周期運行；OB80：時間錯誤；OB81：電源錯誤；OB82：診斷中斷；OB83：插入/拔出模塊中斷；OB84：CPU硬件故障；OB85：優(yōu)先級錯誤；OB86；擴展機架、DP主站系統(tǒng)或分布式I/0站故障；OB100：暖啟動；OB122：I/O訪問錯誤。FC塊：“無存儲區(qū)”的邏輯塊。FC的臨時變量存儲在局域數(shù)據(jù)堆棧中。在FC執(zhí)行結束后，這些數(shù)據(jù)就丟失了。FB塊:具有“存