反应器串级控制系统设计系统设计部分过程控制系统课程设计说明书大学论文.docx
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反应器串级控制系统设计系统设计部分过程控制系统课程设计说明书大学论文
过程控制系统课程设计
题目：
反应器串级控制系统设计——系统设计部分
学生：
何嘉涛
班级：
2013电气7班
学号：
3120130806716
指导老师：
侯思颖
2016年12月12日
目录
前言…………………………………………………………………………………4
第1章连续槽反应器温度控制系统设计的目的意义…………………………4
1.1连续槽反应器简介……………………………………………………………4
1.2目的及意义……………………………………………………………………5
第2章连续槽反应器温度控制系统工艺流程及控制要求……………………5
第3章总体设计方案……………………………………………………………6
3.1方案比较………………………………………………………………………6
3.1.1简单控制系统………………………………………………………………6
3.1.2串级控制系统………………………………………………………………7
3.2方案选择………………………………………………………………………8
第4章串级控制系统分析………………………………………………………8
4.1主回路设计……………………………………………………………………8
4.2副回路设计……………………………………………………………………8
4.3主、副调节器规律选择………………………………………………………8
4.4主、副调节器正反作用方式确定……………………………………………9
第5章仪器仪表的选取及元器件清单…………………………………………9
5.1温度的测量与变送器的选择…………………………………………………9
5.2调节器的选择…………………………………………………………………10
第6章控制系统的组成…………………………………………………………12
6.1控制系统仪表元件清单件清及配接…………………………………………13
6.2利用Matlab进行仿真………………………………………………………13
串级反应器温度控制系统设计
摘要：
在工业过程中，温度是最常见的控制参数之一，反应器温度控制是典型的温度控制系统。
对温度的控制效果将影响生产的效率和产品的质量，
如果控制不当将损害工艺设备甚至对人身安全造成威胁。
因此反应器
温度的控制至关重要。
连续槽反应器是化学生产的关键设备是一个具有大时滞、非线性和时变特性、扰动变化激烈且幅值大的复杂控制对象。
结合控制要求，通过分析工艺流程，本论文设计了串级PID分程控制方案。
方案选定后，进行了硬件和软件的选择。
硬件上选用西门子公司的S7-200PLC，并用相应的STEP7软件编程。
然后采用北京三维力控科技有限公司开发的三维力控组态软件设计监控画面并利用Matlab7.0对系统进行了仿真。
关键词：
温度，反应器，串级PID
Intheindustrialprocess,temperatureisoneofthemostcommoncontrol
parameters,reactortemperaturecontrolsystemisatypicaltemperaturecontrolsystem.Thetemperaturecontroleffectwillinfluencetheproductionefficiencyandproductquality,ifitisnotcontrolledproperly,processequipmentwillbedamaged,evenpersonalsafetywillbethreatened.Thusthereactortemperaturecontrolisessential.
Continuousstirredtankreactoristhekeyequipmentinchemical
production,itisacomplicatedcontrolobjectwithalargetimedelay,
nonlinearity,time-varyingcharacteristicsanddrasticchangesandlarge
amplitudedisturbance.Combinedwiththecontrolrequirements.Thehardwareandsoftwareselectionaredonefollowingtheselectionofcontrolscheme.Astohardware,theS7-200PLCofSiemensischosen,andthecorrespondingsoftwareSTEP7ischosenforprogramming.ThenForceControlofBeijingThree-dimensionalForceControlCompanyis
chosentomakethesupervisionpicture.Matlab7.0workforthesimulation.
Keywords:
temperature,reactor,cascadePID
前言——串级控制系统
随着科学技术的发展，现代过程工业规模越来越大，复杂程度越来越高，产品的质量要求越来越严格，以及相应的系统安全问题，管理与控制一体化问题等，越来越突出，因此要满足这些要求，解决这些问题，仅靠简单控制系统是不行的，需要引入更为复杂、更为先进的控制系统，由此串级控制系统应运而生。
串级控制系统是由两个或两个以上的简单闭合控制系统串联组成的一种比较高级的系统，是改善控制过程极为有效的方法，并且的道理广泛的应用。
作为一种比较复杂的系统，串级控制系统有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等优点。
在一些容量滞后较大的过程，纯延时较大的过程，扰动变化激烈而且幅度大的过程，参数互相关联的过程，非线性过程，应用串级控制可以达到明显的效果。
第1章连续槽反应器温度控制系统设计的目的意义
1.1连续槽反应器简介
图1-1-1连续槽反应器结构图
如图1-1-1所示的一个连续槽反应器，物料自顶部连续进入槽中，经反应后从底部排出。
反应产生的热量由冷却夹套中的冷却水带走。
槽中装有物料搅拌装置，能够通过搅拌物料促使物料的反应和连续槽反应器中物料之间的热扩散而保持各处物料温度一致。
冷却水流量可以通过调节阀控制，从而控制反应器内物料温度的恒定。
1.2目的及意义
为了保证产品质量，必须严格控制反应温度T1，为此采用调节阀来改变冷却水流量。
由于冷却水是通过吸收反应器内壁热量来降低物料温度的，这样系统就拥有了三个热容，即夹套中的冷却水、槽壁和槽中的物料。
因为系统有三个热容，并且三个热容之间都有影响，所以系统扰动的来源也相应增加了，这样就增加的系统的控制难度。
物料的反应是一个放热过程，如果温度过高，则会使物料变质从而造成资源的浪费，生产成本的提升，所以要严格控制反应槽的温度不能超过上限值。
第2章连续槽反应器温度控制系统工艺流程及控制要求
反应器的主要任务是维持物料在反应过程中温度的恒定，从而保证产品的质量。
反应器的工艺流程图如图2-1所示。
进料从反应器顶进入反应器内反应，在搅拌装置的搅拌下充分反应并维持物料温度基本处处一致，被冷却水冷却到设定温度T1，在冷却水进水水管上装设一个调节阀，用它来控制冷却水的流量以恒定温度T1的目的。
图2-1连续槽反应器工艺流程图
引起温度T1改变的扰动因素很多，主要有：
（1）冷却水方面（水温和阀前的水压）的扰动D2;
（2）物料方面（进料的温度和速度）的扰动D1；
（3）反应器壁对外界的散热扰动；
其中冷却水方面的扰动和物料方面的扰动为主要扰动，反应器壁的扰动可以不单独考虑，而归结到冷却水方面的扰动去。
由于水的比热容比较大，温度扩散起来比较缓慢，所以系统是个滞后较大的系统，可以把冷却水反面（包括反应器壁对外界的散热扰动）用一个专门的调节器来调节使其相对稳定。
第3章总体设计方案
3.1方案比较
3.1.1简单控制系统
如图3-1-1-1所示，温度调节器TC是根据反应器内物料的温度T与设定值的偏差进行控制，当冷却水部分出现干扰后系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数T的影响控制质量差。
但在冷却水扰动可以忽略或很小的情况下，并生产工艺对物料温度要求不是很严格时，简单控制系统还是可以满足要求的，如果冷却水的扰动大，而且对系统产生很大影响，则简单控制系统很难满足工艺要求。
简单控制系统框图如图3-1-1-2所示。
图3-1-1-1反应器温度简单控制系统
图3-1-1-2反应器物料温度简单控制系统框图
被控变量：
反应器内物料的温度；
操控变量：
冷却水流量。
3.1.2串级控制系统
串级控制系统采用两套检测変送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入，后一个调节器的输出送往调节阀。
中间被控变量：
夹套和槽壁温度；
被控变量：
反应器内物料的温度；
操纵变量：
冷却水流量。
夹套和槽壁温度变化时，TC可以及时动作，克服扰动。
图3-1-2-1和图3-1-2-2分别为串级系统工艺流程图和串级系统框图。
图3-1-2-1串级系统工艺流程图
图3-1-2-2串级系统框图
3.2方案选择
方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变冷却水的流量。
在开始时，物料的温度离设定值偏差大，用冷却水降温传温慢，就造成开始是反应时间过长，动作不及时，偏差在短时间内不能消除。
方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。
在系统开始时，在副回路的作用下先对槽壁进行冷却，这样就等于较少了一个热容，继而加速了系统的平衡。
对于串级系统而言，副回路有先调、初调、快调的特点；主回路有后调、细调、慢调的特点。
两者相互配合，使控制质量明显提高，与简单系统相比，对离被控对象较远的扰动（二次扰动）有明显的抑制作用，增加了系统的稳定性，提高了系统的响应速度。
综上所述，根据本设计系统的特点，选择串级控制。
第4章串级控制系统分析
4.1主回路设计
反应器温度串级控制系统是以反应器内物料温度为主要被控参数的控制系统。
其它被控参数有夹套温度，槽壁温度，冷却水流量。
主回路就是通过对反应器内物料温度T1的测量作为反馈来控制冷却水管阀门开度来控制物料的温度，从而达到控制的目的。
4.2副回路的选择
副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。
主要的扰动有物料的扰动和冷却水的扰动，由于冷却水的扰动离被控对象远，则副回路的被控对象就选择夹套内水的温度T2。
4.3主、副调节规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。
主调节器起定值作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节规律的基本出发点。
在反应器温度控制系统中，我们选择物料温度为主要被控参数，由于温度的迟滞性很强，而系统工艺要求不是很高，所以主调节器可以采用PID或PD控制规律，而副回路决定系统的响应速度，所以应选PD控制规律。
4.4主、副调节器正反作用方式确定
为了避免温度过高，物料变质而造成成本的增加，在控制器不能正常工作是应该也要能把反应器内物料的温度降下来，所以阀门应选气关阀。
对于副回路而言，当夹套内温度降低，则要减少冷却水了流量，则就要加大副控制器的输出，所以副调节器为反作用。
对于主回路而言，当物料的温度降低，则要较少冷却水的流量，所以主回路也是反作用。
第5章各仪表的选取及元器件清单
5.1温度测量与変送
温度测量仪表的选择：
由于系统对温度的要求不是很高，而系统的温度范围也在0~100℃之内，则只需要一般的测温元件，故选择K型热电偶。
温度变送器仪表的选择：
DDZ-Ⅲ类仪表相对于DDZ-Ⅱ类仪表的一个优点为电流范围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，所以应选择DDZ-Ⅲ型K型热电偶温度变送器——DZ-5130K型热电偶温度变送器。
表1DZ-5130的主要技术指标
供电电源：
24VDC±10%
电源保护：
具有反向保护
输出保护：
输出短路无限制
转换精度：
±0.1~±0.5%F.S
温度漂移：
±0.15%F.S/10℃
隔离性能：
输入/输出/电源全隔离
响应时间：
≤0.1秒（0～90%F.S）
绝缘电阻：
输入/输出/电源间>100MΩ
环境温度：
-10～55℃
绝缘强度：
输入/输出/电源间>1500VAC（1分钟）
环境湿度：
0～90%RH不结露
外壳：
耐高温阻燃工程塑料
安装形式：
DIN导轨安装，导轨尺寸35mm
表2产品型号表
名称
基本型号
输入种类
输出种类
供电电源
输出制式
输入代码
输入信号
输出代码
输出信号
热电偶温度
变送器
DZ-5
1
K型热电偶
3
4~20mADC
0 二线制非隔离型
C
1~5VDC
1 四线制全隔离型
图5-1-1DZ-5130接线图
端子1、2为输入，3、4为补偿电阻，5、6为输出，7、8为电源。
5-2调节器的选择
由于已经选用DDZ-Ⅲ型变送器，所以调节器也选用DDZ-Ⅲ的，主、副调节器选型一致，都选用DTZ-2100D。
它是全刻度指示调节器，是DDZ-III系列仪表中调节单元的基型品种，它接受变送器经信号分配器送来的信号征收给定信号进行比较，对其差值进行比例、积分、微分运算，以电流输出控制执行机构。
主要技术指标为：
输入信号：
1-5VDC
给定方式：
内给定1-5DVC
外给定4-20mDVC（250Ω±0.1%）
输出信号：
4-20mADC
闭环跟踪误差：
<±0.5%
负载电阻：
205Ω-750Ω
功能：
自动/手动，非平衡无扰动切换
调节动作：
PD；PI；PID
比例带：
（P）2%-500%
积分时间：
（Ti）0.01分-2.5分和0.1分-25分两档（开关切换）
微分时间：
（TD）关、0.04分-10分（开关切换）
微分增益：
KD=10
工作环境：
环境温度：
0-50℃；相对湿度：
≤85%（RH）
电源电压：
24VAC±10%
功耗：
3W
重量：
3kg
引线端子图见图5-2-1。
图5-2-1DTZ-2100D引线端子图
5.3执行器的选择
阀门选择气动薄膜式单座直通阀，安装方式为气关。
为了能够和DTZ-2100D调节器匹配需另加一个电气阀门定位器，电气阀门定位器的型号为HEP-17，主要技术指标为：
（1）、精度：
小于全行程±1%。
（2）、回差：
小于全行程1%。
（3）、死区：
小于全行程0.4%。
（4）、特性：
线性（可改变成快开、等百分比特性）。
（5）、气源压力：
0.14-0.16MPa0.17-0.5MPa。
（6）、最大流量：
140NL/min（当气源压力在0.14MPa时）。
（7）、耗气量：
5NL/min（当气源压力在0.14MPa时）。
（8）、环境温度：
-25℃～+55℃。
（9）、环境湿度：
10-90%RH。
（10）、最大行程速度：
4mm/秒（配ZH-22执行机构时）。
（11）、输入阻抗：
250Ω（4-20mADC）100Ω（10-50mADC）。
（12）、电气连接：
G1/2螺纹。
（13）、气管连接：
卡套式气管接头（φ6或φ8）。
（14）、防爆（防护）型式（等级）：
隔爆型d（Diibt6），本质安全型i（iaIICT6）
（15）外壳材料：
铝合金喷朔工艺处理
（16）外形尺寸：
392.5*141.5*231（mm）（长*宽*高）
（17）重量：
3.5kg
引线端子如图5-3-1。
如图5-3-1电气阀门定位器的引线端子图
第6章控制系统的组成
6.1控制系统仪表元件清单
表3控制系统仪表元件清单
名称
数量
名称
数量
K型热电偶温度传感器
2
DTZ-2100D调节器
2
DZ-5130K型热电偶温度变送器
2
气动薄膜式直通单座阀门
1
HEP-17电气阀门定位器
1
控制系统的配接
图6-2-1控制系统的配接图
6.2利用MATLAB对串级控制系统进行仿真
第7章参考文献
[1].张毅，张宝芬，曹丽，彭黎辉.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京：
化学工业出版社，2009
[2].周泽魁.控制仪表与计算机控制装置[M].北京：
化学工业出版社，2007
[3].黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统.北京：
清华大学出版社，2010
[4].胡寿松，自动控制原理.科学出版社，2007.1
[5].潘立登.过程控制.机械工业出版社，2008.4
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