聚合釜反应器自控设计论文.docx
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聚合釜反应器自控设计论文
吉林化工学院专业综合设计说明书
聚合釜反应器自控设计说明书
学生学号：
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
起止日期：
2011.8.31～2010.9.16
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
专业综合设计任务书
一、设计题目：
聚合釜反应器自控设计
二、设计目的
1、进一步巩固和加深所学的自动化专业的理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅和报告撰写等基本技能；
2、熟练掌握工业过程控制系统的常规设计过程，培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；
3、运用AutoCAD等绘图工具制图；
4、学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨务实的工作作风。
三、设计任务及要求
1、熟悉工艺流程；根据工艺要求，确定自控方案；用AutoCAD绘制工艺管道及控制流程图；
2、仪表选型及调节阀和节流装置的计算；
3、绘制施工图，编制自控设备表相应表格。
四、设计时间及进度安排
设计时间共三周（2011.8.31～2011.8.116）,具体安排如下表：
周安排
设计内容
设计时间
第一周
熟悉工艺流程，查找相关资料，根据工艺要求确定自控方案；绘制工艺控制流程图。
2011.8.31～2011.9.4
第二周
进行仪表选型及调节阀计算；绘制单回路图。
绘制仪表接线端子图；供电系统图，填写自控设备相应表格。
2011.9.5～2011.9.9
第三周
完成并提交课程设计说明书及相关电子文档。
课程设计答辩。
2011.9.9～2011.9.16
五、指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师（签字）:
第1章工艺流程简述
1.1工艺流程介绍
图1-1聚合釜反应器工艺流程图
聚合釜反应器工艺流程图如图1.1所示。
聚丙烯由计量罐计量后投入聚合釜R101E，活化剂用氮气压入加料斗，再经丙烯冲入釜内，催化剂加入加料斗，也经丙烯冲入釜内。
然后用热水泵把热水罐V216内热水送入聚合釜R101E夹套给聚合釜升温。
当釜压升至2.5Mpa时停止加热水，改线将聚合釜夹套改为循环冷水，将釜压恒在3.5Mpa，时间为2.5～5小时。
待反应结束，将未反应的丙烯经冷凝器回收。
当聚合釜压降至1.5Mpa时，将釜内粉料喷入闪蒸釜，闪蒸搅拌后放料装袋。
1.2聚丙烯生产过程描述及性能指标
聚丙烯的主要生产线包括：
冷凝器、聚合釜、闪蒸釜回收系统及公用系统。
将丙烯、活化剂、氮气、催化剂用丙烯冲入釜中，用搅拌电机搅拌均匀升温，开热水上水阀及回水阀，通过夹套来加热聚合釜，诱发丙烯聚合反应。
升温升压至切换温度压力，关热水上水阀及热水回水阀，开冷水上水阀及冷水回水阀，聚合反应反应时会产生热量，通过改变循环水阀位开度来控制反应釜内的温度达到要求的范围内，冷热水的上水阀及回水阀保持一定的开度，保持稳定的温度值，最后将聚丙烯送入闪蒸罐。
表1-1聚丙烯生产性能指标
序号
设备名称
项目
单位
控制指标
1
聚合釜
操作压力
MPa
3.30～3.65
2
聚合釜
操作温度
℃
74～79
3
聚合釜
升温时间
min
20～30
4
聚合釜
反应时间
h
3～6
5
聚合釜
升温速度
℃/min
10/8～10
1.3控制方案的确立
根据工艺过程的简述，以及性能指标的要求，确定使用的控制方案是一个串级控制和一个分程控制回路以及一些简单回路控制。
采用串级控制系统的部分是对精馏塔顶的混合蒸汽流量和分馏器液位的控制。
因为采用单回路的控制系统虽然简单但对于蒸汽回路中所受的外部扰动，如蒸汽控制阀阀前压力的变化，系统的抗扰动能力弱，都可能影响控制系统的品质。
为此我们采用串级控制系统，在串级回路中，主控对象是精馏塔顶的混合蒸汽流量，其输出作为分馏器液位控制的给定值，所以分馏器产品的液位是被调参数，塔顶蒸汽流量是调节参数。
这样可以大大提供控制品质。
1.3.1串级控制回路
串级控制：
1、基本概念及组成结构
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：
作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：
作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
2、串级控制系统的工作过程
当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。
根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：
*扰动作用于副回路
*扰动作用于主过程
*扰动同时作用于副回路和主过程
分析可以看到：
在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
3、系统特点及分析
*改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。
*能迅速克服进入副回路的二次扰动。
*提高了系统的工作频率。
*对负荷变化的适应性较强
4、工程应用场合
*应用于容量滞后较大的过程
*应用于纯时延较大的过程
*应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程
*应用于参数互相关联的过程
*应用于非线性过程
5、系统设计
*主参数的选择和主回路的设计
*副参数的选择和副回路的设计
*控制系统控制参数的选择
*串级控制系统主、副调节器控制规律的选择
*串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定
6、串级控制系统的设计
a.主回路的设计
串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。
主要包括如何选取被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
b.副回路的设计
由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
归纳如下。
（1）在设计中要将主要扰动包括在副回路中。
（2）将更多的扰动包括在副回路中。
（3）副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。
（4）要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。
（5）在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。
在这里要注意
（2）和（3）存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾
（2）和（3）的综合。
7、主、副回路的匹配
1）主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配
设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。
副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。
如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。
原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在3～10之间。
比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。
严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。
2）主、副调节器的控制规律的匹配、选择
在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。
主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。
系统对二个回路的要求有所不同。
主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或D控制。
如果引入I控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入D控制，因为副回路采用P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。
3）主、副调节器正反作用方式的确定
一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。
串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。
确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。
8、串级控制系统的工业应用
a.用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。
利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。
在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。
b.用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。
使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。
改善控制系统的控制质量。
c.用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动
串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。
只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。
d.用于克服被控过程的非线性
在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。
这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。
单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。
1.3.2分程控制回路
1、分程控制系统
在反馈控制系统中，通常是1台调节器的输出控制1台调节阀，然而在分程控制系统中1台调节器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的调节阀。
调节器的输出信号被分割成若干段，每一段信号去控制1台调节阀。
分程控制系统中调节器的输出信号的分段，一般是由附设在调节阀上的阀门定位器来实现的，阀门定位器相当于一个可改变放大倍数且零点可调整的放大器。
采用分程控制系统的主要目的有两个，其一是扩大调节阀的可调范围，以便改变控制系统品质，使系统更为合理可靠；其二是为了满足某些工艺操作的特殊要求。
在本体法聚丙烯装置中，聚合反应的全过程可大致分为加热升温阶段、恒温控制阶段、回收控制阶段等几个控制阶段。
2、分程控制在聚合反应中的应用
在本体法聚丙烯装置中，聚合反应是间歇式生产过程。
当聚合反应开始时，要对聚合釜进行加热至反应温度，这个过程称为加热升温过程；而反应开始后则是一个放热过程，要对聚合釜进行冷却以保持恒定温度，这个过程称为恒温阶段；反应结束后要对没有反应的物质进行回收，此过程称为回收阶段。
在恒温阶段的控制中，对冷却水量的控制采用了分程控制系统。
该系统使用近两年来，效果比较理想。
调节阀的选用至关重要，在分程控制中要求阀门的泄漏量非常低，最好是零泄漏。
为了保证好的调节品质，控制的流量不至于有突变，调节阀的流量特性最好选用等百分比特性，而不宜选用直线特性。
因此，在设计中调节阀采用能满足上述要求的中德公司的气动V型调节球阀（一大一小不同口径的两个调节阀），在阀门定位器上实现分程控制。
阀的开关顺序为先开小阀再开大阀，先关大阀再关小阀。
对聚合釜夹套冷却水量的控制采用二分程控制，对聚合釜内冷管设独立的控制阀。
3、系统设计时的注意事项
1）该控制系统对冷却水有较高的要求，冷却水的压力要足够高，水量要足够大，否则该控制系统就不能运行。
2）调节阀在该系统中起着至关重要的作用，对系统的调节品质有直接的影响，要选用泄漏量小、流通特性为等百分比特性的调节阀。
1.3.3单回路控制
单回路控制又称单回路反馈控制。
由于在所有反馈控制中，单回路反馈控制是最基本、结构做简单的一种，因此，它又被称之为简单控制。
单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。
所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数的调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
1.4设计图介绍
设计图设计的步骤方法如下：
1、熟悉工艺流程。
2、确定自控方案，画出工艺管道及控制流程图。
3、供电系统图及仪表供气系统图的绘制。
4、仪表选型，编制自控设备表。
5、进行调节阀节流装置的计算，列出调节阀与节流装置的计算数据与计算结果。
6、依据施工现场的条件，绘制控制室与现场间联系的有关图纸，绘制有关表格。
7、根据自控专业有关其他设备，材料的选用情况，编制相应的表格。
8、设计工作基本完成后，编写说明书，自控图纸目录。
1、计算
自控设计概念计算是工程总概算中的一部分，概算内容包括设备费，材料费，安装费等。
概算工作应根据国家有关部门制定，规定，和要求来进行。
通过概算，能确定自控部分的投资及占整个工程总投资的比例，以便进一步合理选用仪表，使资金使用恰当。
2、施工图中需要说明的问题：
说明书
本说明书是对施工部门阐明仪表工程施工，检验，试验的方法，程序和要求。
仪表数据表
包括重要的工艺，机械数据和技术要求。
主要仪表设备表
表中列出仪表，导线，管缆，特种金属管材，合金钢等设备材料的名称，规格，型号和数量，安装地点等。
3、工艺流程图
图上确定了重要的控制点及所有控制系统。
在丁辛醇精制工艺控制流程图中，我们共用到十一块表。
其中需要就地指示的参数有进料温度指示、塔顶温度指示、冷凝器出口温度指示、塔进料压力指示、塔顶压力指示以及塔底压力指示。
需要在显示器上记录的参数有进料就地流量指示、塔顶采出就地流量记录、回流罐就地液位指示。
在此控制方案中，总共有三个回路。
一个塔底温度调节回路，一个塔底液位调节，另一个塔底回流串级调节。
4、仪表接线图
仪表接线图表明仪表的输入，输出电动信号接线与交直流供电等接线。
在仪表接线图中，我们首先要考虑的问题是该要用到的所有仪表和它们之间联系所用到的仪器。
这些就需要我们考虑到仪表内部接线方式。
在我们需要记录的五个参数中，温度参数在进入显示器之前必须通过温度变送器，之后才能送到调节器；液位、压力参数在进入显示器之前必须要通过安保器；流量则要通过安保器才能进行记录。
没有记录的但又处于我们控制方案回路中的参数则要送到调节器。
不管是温度、液位、流量、压力都应该遵从以上原则。
特别是在此串级回路中，温度是主回路，液位是副回路，此处主回路还应该有信号给副回路。
这里我们所提到的信号都不能直接在仪表间跨接，必须通过接线板转接，仪表必须接地等。
其他仪表所用电源均为DC24V。
另外在接线过程中，即我们在确定仪表的型号之后，我们还要查找各个仪表的接线端子。
这些工作在制图时我们都要仔细完成，否则，有一处出现错误都可能导制失败。
5、回路接线图
本图表明调节回路或测量回路中所有仪表单元的连接线路，并标注接线箱，接管箱及其连接端子的编号。
在此回路接线图中，我们可以任选一个回路制作它的回路接线图，在制作回路接线图时，每一条线都必须认真连接，在连接线时，也要查清仪器表的接线端子。
6、供电原理图：
供电原理图表明电源箱，供电箱或配电板对操作台，设备或仪表及仪表的供电方式。
此处供电均为24V电源，所以我们在画供电原理图时，要在220v电源上加一24V稳压电源把220AC电源转换成24VDC电源供给需要的仪表。
这要和前两张图联系起来。
至此，我们完成的全部制图工作。
第2章调节阀确立
调节阀接受控制器来的信号，通过改变阀的开度来达到控制的目的。
因为它处于最终执行控制任务的地位，所以又称“末级控制元件”。
调节阀直接与介质接触，当使用在高压、高温、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、闪蒸、气蚀等各种恶劣条件下工作时，调解阀选择的重要性就显得更为突出。
不论是简单控制系统，还是复杂控制系统，调解阀都是系统中不可缺少的组成部分。
经验表明，控制系统中，每个环节的好坏，都对系统质量有直接影响，但使控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。
所以对控制阀这个环节必须高度重视。
在设计时，必须根据应用场合的实际情况，选择好阀的类型－包括执行机构和阀体结构类型。
从保证控制质量的角度，除了选择阀的类型外，在设计中还包括以下两个内容。
阀口径选择：
调解阀的口径必须很好选择，在正常工况下，阀门开度处于１５%～８５%之间。
口径选择过小，当经受较大扰动时，阀门很可能运行到全开时的饱和非线性工作状态，使系统处于暂时失控情况。
口径过大，阀门经常处于小开度。
这时，流体对阀芯、阀座的冲蚀严重。
而且在小开度时，阀芯由于受不平衡力的作用，容易产生震荡现象，这就更加重了阀芯和阀座的损坏，甚至造成控制失灵。
确定气开与气关。
当选用气动阀时，须确定阀的气开与气关。
在本次设计要求中没有提及到水及其他化学药剂在稳定后需要达到什么流量，需要在仿真模拟调节过程中，得出达到稳定时候的各个化学药剂及水的流量。
第3章仪表选型
3.1I\O点表确立
根据工艺要求，确立I\O表：
表4-1I\O点表
序号
名称
位号
点类型
信号
物理地址
实际地址
备注
1
缓冲罐液位
LIC101
AI
4~20mA
PIW256
2
釜顶压力
PIC101
AI
4~20mA
PIW258
3
釜夹套温度
TIC101
AI
4~20mA
PIW260
4
釜中温度
TI101
AI
4~20mA
PIW262
5
饱和蒸汽温度
TIC102
AI
4~20mA
PIW264
6
去冷水槽温度
TIC103
AI
4~20mA
PIW266
7
去热水槽温度
TIC104
AI
4~20mA
PIW268
8
缓冲罐液位调节阀
LV101
AO
4~20mA
PQW272
9
釜顶压力调节阀
PV101
AO
4~20mA
PQW274
10
釜夹套温度调节阀
TV101
AO
4~20mA
PQW276
11
饱和蒸汽控制阀
TV102
AO
4~20mA
PQW278
12
去冷水槽调节阀
TV103
AO
4~20mA
PQW280
13
去热水槽调节阀
TV104
AO
4~20mA
PQW282
14
去丙烯冷凝器控制阀运行状态
DI
I8.0
15
去丙烯冷凝器控制阀故障状态
DI
I8.1
16
氢气缓冲器控制阀运行状态
DI
I8.2
17
氢气缓冲器控制阀故障状态
DI
I8.3
18
热水槽来水泵运行状态
DI
I8.4
19
热水槽来水泵故障状态
DI
I8.5
20
冷水槽来水泵运行状态
DI
I8.6
21
冷水槽来水泵故障状态
DI
I8.7
22
去热水槽水泵运行状态
DI
I9.0
23
去热水槽水泵故障状态
DI
I9.1
24
去冷水槽水泵运行状态
DI
I9.2
25
去冷水槽水泵故障状态
DI
I9.3
26
去闪凝罐控制阀运行状态
DI
I9.4
27
去闪凝罐控制阀故障状态
DI
I9.5
28
釜顶放空阀
DO
Q12.0
29
去丙烯冷凝器控制阀开\关
DO
Q12.1
30
氢气缓冲器控制阀开\关
DO
Q12.2
31
热水槽来水泵开\关
DO
Q12.3
32
冷水槽来水泵开\关
DO
Q12.4
33
去热水槽水泵开\关
DO
Q12.5
34
去冷水槽水泵开\关
DO
Q12.6
35
去闪凝罐控制阀开\关
DO
Q12.7
3.2ＰＬＣ的硬件组态
表4-2PLC模块配置
序号
型号及规格
注释
数量
1
6ES7315-2AG10-0AB0
CPU315-2DP,128K内存
1
2
6ES7307-1KA01-0AA0
电源模块（10A）
1
3
6ES7953-8LG11-0AA0
SIMATICMicro内存卡128KByte（MMC）
1
4
6ES7331-7NF00-0AB0
模拟量输入模块（8路，16位）
1
5
6ES7332-5HF00-0AB0
模拟量输出模块（8路，12位）
1
6
6ES7321-1BH02-0AA0
开入模块（16点，24VDC）
1
7
6ES7322-1BF01-0AA0
开出模块（8点，24VDC）
1
8
6ES7390-1AF30-0AA0
导轨（530mm）
1
9
6ES7392-1AM00-0AA0
40针前连接器
1
10
6ES7392-1AJ00-0AA0
20针前连接器
1
11
MY-2NJ
中间继电器
21
12
6AV6381-1BM06-2AV0
WINCC监控系统（128点全用户版）
1
13
6ES7810-4CC08-0YA5
STEP7V5.4编程软件
1
14
6GK1716-1PB62-3AA0
PG-CP1613/WindowsNT4.0，2000网卡驱动程序
1
15
服务器
PentiumⅣ/内存1G/硬盘120GB/显卡内存128M
1
16
600*800*2000
控制柜（含柜内线材和配件）
1
17
6ES7972-0BB12-0XA0
90度网络接头（带编程口）
1
18
6EP1334-2AA00
单相220VAC输入，输出24VDC10A工业可并联
2
3.3调节阀的选取
在此项目中统一选用CGVW智能电动调节蝶阀
产品详细介绍：
CGVW系列智能电动调节蝶阀是CGV智能电动调节阀系列产品之一，它由CGPSQ智能型
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