在硝化反應(yīng)中器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、第 1 章 緒論過程控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要分支，在石化、電力、冶金、輕工等連續(xù)型生 產(chǎn)過程中有著廣泛的應(yīng)用。近年來過程控制技術(shù)本身及其應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅速發(fā) 展。無論是在現(xiàn)代復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)生產(chǎn)的技術(shù)改造中，過程 控制技術(shù)對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境、 優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面都起著非常重要的作用。過程控制的主要由規(guī)范的過程檢測儀表組成，調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器，被控過程， 檢測變送器。本文是針對(duì)硝化反應(yīng)中利用傳感器對(duì)溫度的控制，使硝化反應(yīng)能夠順利的進(jìn) 行，并能使反應(yīng)徹底。硝化反應(yīng)器的主要組成由流量調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器，反應(yīng)器溫 度，及溫度檢測變送器組成，主要的目

2、的是通過對(duì)反應(yīng)器里的溫度檢測，來控制 夾套中水的溫度，來實(shí)現(xiàn)硝化反應(yīng)的工業(yè)流程。一個(gè)控制系統(tǒng)在受到外界干擾時(shí)，被控變量將偏離原先的給定值，而發(fā)生變 化，為了克服干擾的影響，將被控變量拉回到給定值，需要對(duì)控制變量進(jìn)行調(diào)整。 對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來說，可供選擇作為控制變量的可能是多個(gè)，選擇控制變量既要考慮 它的經(jīng)濟(jì)性和合理性，又要考慮它的快速性和有效性。但是，在有些情況下，所 選擇的控制變量很難做到兩者兼顧。閥門控制系統(tǒng)就是在綜合考慮控制變量的快 速性、有效性、經(jīng)濟(jì)性和合理性基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種控制系統(tǒng)。對(duì)于溫度控制系統(tǒng)來說要確保溫度恒定在某一固定溫度是很必要的，因?yàn)樵?工業(yè)控制中有一個(gè)恒定的溫度是確保生產(chǎn)

3、進(jìn)行的保證，這次設(shè)計(jì)就是針對(duì)溫度的 控制系統(tǒng)，通過對(duì)溫度的檢測，來控制溫度恒定在一個(gè)值中，確保硝化反應(yīng)能夠 順利的進(jìn)行，通過智能儀表的參數(shù)整定來實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。概述本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)硝化反應(yīng)進(jìn)行的溫度控制的設(shè)計(jì)，目的是在生產(chǎn)過程中， 混酸（HN03、H2S04、水）與酸性氯化苯連續(xù)進(jìn)入硝化反應(yīng)器進(jìn)行循環(huán)硝化反應(yīng), 并放出大量熱量。工藝要求硝化反應(yīng)溫度須保持在422C，則必須在夾套中 加入冷凝水進(jìn)行冷卻，另外，在正常開車和停車時(shí)，為防止硝化反應(yīng)是放出的熱 量不夠而導(dǎo)致生成物凝結(jié)，故又需用熱水進(jìn)行加熱。來設(shè)計(jì)硝化反應(yīng)器溫度控制 系統(tǒng)。通過分析可以看出題目的要求是作一個(gè)對(duì)溫度的控制系統(tǒng)，需要確保溫

4、度 的恒定，通過控制進(jìn)水閥門的開度來實(shí)現(xiàn)溫度的恒定，對(duì)溫度的檢測可以在反應(yīng) 器中加入一個(gè)溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。在通過變送器將信號(hào)送到控制器，通過計(jì)算分 析輸出信號(hào)到閥門。具體得到兩種可行方案，下面對(duì)其論述和選擇。方案 1采用串級(jí)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度反的控制，通過兩閉環(huán)反饋分別對(duì) A、 B 兩 個(gè)閥門進(jìn)行控制，通過其結(jié)構(gòu)圖如圖 2.2 所示。圖 2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖工作原理是通過兩個(gè)溫度傳感器對(duì)同一反應(yīng)器進(jìn)行溫度檢測，互相不產(chǎn)生干 擾，當(dāng)反應(yīng)器中溫度降低時(shí)控制熱水的調(diào)節(jié)器作用，使熱水進(jìn)入夾套，冷水閥是 關(guān)閉狀態(tài)不作用。當(dāng)溫度高時(shí)控制冷水閥的調(diào)節(jié)器作用是冷水進(jìn)入夾套，熱水閥 關(guān)閉?？刂葡到y(tǒng)對(duì)冷水和熱水的

5、閥門采用分隔的形式進(jìn)行控制，這樣使它們沒有 了聯(lián)系，在連接時(shí)不是能夠很好的連接，有些時(shí)候熱水閥喝冷水閥同時(shí)打開這樣 就產(chǎn)生了沖突。對(duì)系統(tǒng)造成一定影響。同時(shí)系統(tǒng)要求的設(shè)備很多，在價(jià)格方面有 一定的影響。方案 2采用分程控制系統(tǒng)，特點(diǎn)是控制信號(hào)分段調(diào)節(jié)，流量特性平滑的連接，可以 擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍，改善可調(diào)的工作特性，可以用于同一被控參數(shù)兩個(gè)不同 控制介質(zhì)的生產(chǎn)過程其系統(tǒng)框圖如圖 2.3.1 所示。圖 2.3.1 總體結(jié)構(gòu)圖工作原理：當(dāng)調(diào)節(jié)器TC輸出氣壓大于0.06MPa, A冷水閥關(guān)閉，B熱水閥開啟， 反應(yīng)器夾套中流進(jìn)熱水使反應(yīng)物料溫度上升。待化學(xué)反應(yīng)開始后，反應(yīng)溫度逐漸 升高。由于調(diào)節(jié)器TC

6、的反作用，隨著溫度的升高，調(diào)節(jié)輸出下降，B熱水閥逐漸 關(guān)小，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到并高于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出氣壓將小于0.06MPa, B閥完 全關(guān)閉，A閥逐漸打開，反應(yīng)器夾套中流過的冷水將反應(yīng)熱帶走，使反應(yīng)物料溫 度保持在設(shè)定值。該系統(tǒng)用一只調(diào)節(jié)器去控制兩個(gè)閥并且是按輸出信號(hào)的不同區(qū) 間去操作不同的閥門，這樣節(jié)省了設(shè)備，還讓熱水閥和冷水閥有了聯(lián)系，通過一 定的控制把系統(tǒng)連接的更緊密，同時(shí)還能夠很好控制溫度。減少?zèng)_突。 其調(diào)節(jié) 器輸出信號(hào)如圖2.3.2所示。圖 2.3.2 調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)確定方案兩種方式都可以對(duì)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過分析兩種方案的性能特點(diǎn)，比較兩 種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)方案 2 分程控

7、制系統(tǒng)更適合對(duì)硝化反應(yīng)的控制，對(duì)相 同作用時(shí)，分程控制使系統(tǒng)調(diào)節(jié)的更合理，溫度能夠控制在更好的精度，更靈活， 控制更為方便，還能節(jié)省器件，節(jié)約資源。所以用方案2 來進(jìn)行設(shè)計(jì)，和硬件的 選型。其控制框圖如圖 2.4 所示。圖 2.4 系統(tǒng)框圖第 3 章 硬件設(shè)計(jì)在方案確定后就是對(duì)于硬件的選擇。要想獲得準(zhǔn)確的溫度控制，硬件方面就 必須考慮到精度、安全、可靠、兼容等方面的問題。通過分析選擇了下面一些型 號(hào)的設(shè)備作為硬件的組成部分。傳感器的選擇PT100溫度傳感器的環(huán)境溫度是-20100C，輸出為420mA。適用于液體和 氣體的溫度測量。所以選用這款傳感器就可以滿足要求。調(diào)節(jié)閥的選擇氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在過程控

8、制工作中的使用最為廣泛，氣動(dòng)執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單， 動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，維修方便，價(jià)格便宜實(shí)用廣泛，可以與QDZ儀表配用，也 能通過電氣轉(zhuǎn)換器或閥門定位器與 DDZ 儀表配用。根據(jù)流量特性，在具體選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性，所以采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)碟閥。在 為了確保安全的前提下，選用氣開形式。調(diào)節(jié)器通過電氣轉(zhuǎn)換將輸出的 4 20mADC信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.020.1MPa氣壓信號(hào)。蝶閥是線性的，直徑為Dg40，安裝方式為法蘭，輸入輸出為A0。變送器的選擇采用西門子SITRANS T溫度變送器，其性能是對(duì)溫度精度要求較高，選擇形 式PT25PT500，溫度范圍-200到850C，最小量程10,數(shù)字精度0.1度?？刂破?/p>

9、選擇選用通用型PID控制器XM508。采用先進(jìn)的專家PID調(diào)節(jié)算法，控制精確穩(wěn) 定，無超調(diào)，具備高精度的PID參數(shù)自整定功能。該表采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議（RTU模式），無須制作驅(qū)動(dòng)程序，通用性極好。 該表具有多類型輸入功能，一臺(tái)儀表可以配接不同的輸入信號(hào)（熱電偶/熱電阻/ 線性電壓/線性電流/線性電阻）, 大大減少了備表的數(shù)量?？膳c各類傳感器、變 送器配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位、流量等物理量的測量和顯示，并配合各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)電加熱設(shè)備和電磁、電動(dòng)閥門進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和控制。熱電阻：Pt 100、Cu50、Cu53、BAI、BA2 等電阻：080Q、0400Q等電壓：020mV 01V,

10、 05V輸入阻抗500kQ電流：420mA、020mA等一輸入電阻W250Q 010mA輸入電阻W500Q測量范圍：-1999 +30000測量精度：0.2級(jí)（土0.2%FS）控制輸出規(guī)格：繼電器開關(guān)輸出，觸點(diǎn)容量220VAC/2A或24VDC/2A （適合阻性負(fù)載，感性負(fù)載 相應(yīng)減小）SCR無觸點(diǎn)開關(guān)輸出（常開觸點(diǎn)），觸點(diǎn)容量220VAC/ 200mA或24VDC/200mA，瞬 間工作電流2A電壓：05V, 15V電流：010mA、420mA、020mA等（輸出電壓W10V）變送范圍：022mA、010VDC設(shè)備圖如圖3.4所示圖 3.4 設(shè)備圖第 4 章 軟件設(shè)計(jì)PID 控制算法控制器：

11、選用增量式 PID 控制器PID 調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)模擬系統(tǒng)理論中技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的一種控制方法：y(t)二 K e(t) + 丄卩 e(t)dt + T(1)p T 0D dtl其中，y(t)控制器的輸出量；e(t)-控制器的輸入量，是給定量和 被控對(duì)象輸出地偏差，在系統(tǒng)中稱為誤差信號(hào)； KP控制器的比例常數(shù)；Tl控制器的積分系數(shù)； TD控制器的微分系數(shù)。由于積分量的帶入，使得被控量具有歷史保持功能，也就是說，它能夠“記 住”以前的狀態(tài)，在靜 差為0的時(shí)候，輸出仍舊保持不變，這樣就消除了靜差 微分量的引入，改善了單純積分所帶來的響應(yīng)速度過慢的毛病，使系統(tǒng)能夠迅速 得到穩(wěn)定。通過智能儀表的參數(shù)設(shè)

12、定就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制通過調(diào)試和計(jì)算比例系 數(shù)可以確定在20，積分時(shí)間在 40。微分在 10左右就可以讓系統(tǒng)達(dá)到溫度。維持 恒定的溫度控制了。第 5 章 系統(tǒng)測試與分析硝化反應(yīng)分程控制系統(tǒng)仿真， 經(jīng)過上機(jī)調(diào)試當(dāng)溫度過低時(shí)熱水閥開啟，透過震蕩調(diào)節(jié)，溫度又回到原來的 設(shè)定值上。之后有過一段時(shí)刻后溫度高時(shí)冷水閥開始作用，是溫度下降從新達(dá)到 平衡。仿真波形如圖 5.1.1 所示。LLVV1圖5i11溫丿度調(diào)節(jié)波1形過程分析該調(diào)節(jié)為分程控制調(diào)節(jié)過程，通過一臺(tái)調(diào)節(jié)器去操縱兩只調(diào)節(jié)閥，實(shí)施（動(dòng) 作過程）是借助調(diào)節(jié)閥上的閥門定位器對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能。傳感器檢測的信號(hào)經(jīng) 過變送器送人智能儀表 PID 處理輸出信

13、號(hào)控制閥門的開度。整個(gè)過程有條理的自 動(dòng)完成。使硝化反應(yīng)能夠良好的反應(yīng)下去。其 PID 參數(shù)為比例系數(shù)為 20，積分 時(shí)間為 40，微分時(shí)間為 10.第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)主要應(yīng)用到過程控制原理中的知識(shí)，通過對(duì)題目要求的分析， 題目要主要涉及到是基于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的控制應(yīng)用基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)的，通過對(duì) 溫度控制來實(shí)現(xiàn)硝化反應(yīng)的。應(yīng)用到大部分過程控制理論中的知識(shí)，通過分析確 定了設(shè)計(jì)的選型，對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行選型，得到總體的系統(tǒng)框圖，再通過參考資 料得到總體設(shè)計(jì)思路，通過題目的要求完成控制。在完成選型上花了很大的功夫， 由于知識(shí)了解一些理論知識(shí)，多設(shè)備的具體型號(hào)很少了解，通過網(wǎng)絡(luò)和書籍才確 定了設(shè)備的型號(hào)，從中也學(xué)到了很多實(shí)際的東西，了解各種設(shè)備的型號(hào)應(yīng)用類型 在以后的工作中是很重要的。通過本次課程設(shè)計(jì)充分的復(fù)習(xí)了過程控制理論中的很多知識(shí)，也看到了很多 的不足，許多的知識(shí)學(xué)過但是并沒有掌握和理解，要想更好的學(xué)好知識(shí)，就必須 的增加實(shí)際的操作，還復(fù)習(xí)學(xué)過的知識(shí)是很重要的，理論的東西要更好的與實(shí)際 的應(yīng)用結(jié)合起來。還要了解更多的實(shí)際東西，要學(xué)習(xí)一些常用設(shè)備的用法，