间歇式反应器自控设计说明书.docx
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间歇式反应器自控设计说明书
间歇式反应器自控设计
1工艺流程及简要说明
图2.5间歇式化学反应器工艺流程图
间歇式化学反应器是生产苯酚过程中不可缺少的磺化工段的主要设备。
其工艺流程如图2.5所示。
首先把硫酸罐（高位槽）中的浓硫酸定量放进反应釜里，然后连续注入苯汽，其最大流量可达2500立升/小时，用加热油（变压器油）连续加热4小时左右，其反应温度为120℃，进行化学反应方程式如下：
C6H6+H2SO4=C6H5SO3H+H2O（吸热反应）
最后产品C6H5SO3H（苯磺酸）由反应器底部放料，未反应完的苯汽，通过分层分离器以后回收再使用。
主要控制指标是反应物的转化率，但是现在无法直接测量。
2有关数据和已知条件
①反应器动态特性可以近似的看成一阶惯性环节，其放大倍数Kp=0.8，时间常数Tp=1.5分。
②硫酸加入量2吨。
③苯最大流量2500立升/小时。
④变压器油温度200℃，最大流量5吨/小时。
⑤反应器规定值为120℃。
⑥反应所需时间约4小时。
⑦加热油管内径25㎜。
⑧苯流量（回流管）管内径20㎜。
⑨加热蒸汽管内径50㎜。
⑩加热蒸汽最大流量500m3/h，压力6㎏/m3。
间歇式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：
职称：
起止日期：
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
专业综合设计任务书
一、设计题目：
间歇式反应器自控设计
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、熟练运用AutoCAD等绘图工具制图；
4、培养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
设计时间共四周（2010.11.1～2010.11.19）,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。
2010.11.1～2010.11.4
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。
2010.11.5～2010.11.14
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。
2010.11.15～2010.11.19
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章工艺流程简介
1.1工艺流程介绍
图1-1间歇式化学反应器工艺流程图
间歇式化学反应器是生产苯酚过程中不可缺少的磺化工段的主要设备。
其工艺流程如图1-1所示。
首先把硫酸罐（高位槽）中的浓硫酸定量放进反应釜里，然后连续注入苯汽，其最大流量可达2500立升/小时，用加热油（变压器油）连续加热4小时左右，其反应温度为120℃，进行化学反应方程式如下：
C6H6+H2SO4=C6H5SO3H+H2O（吸热反应）
最后产品C6H5SO3H（苯磺酸）由反应器底部放料，未反应完的苯汽，通过分层分离器以后回收再使用。
主要控制指标是反应物的转化率，但是现在无法直接测量。
1.2有关数据和已知条件
①反应器动态特性可以近似的看成一阶惯性环节，其放大倍数Kp=0.8，时间常数Tp=1.5分。
②硫酸加入量2吨。
③苯最大流量2500立升/小时。
④变压器油温度200℃，最大流量5吨/小时。
⑤反应器规定值为120℃。
⑥反应所需时间约4小时。
⑦加热油管内径25㎜。
⑧苯流量（回流管）管内径20㎜。
⑨加热蒸汽管内径50㎜。
⑩加热蒸汽最大流量500m3/h，压力6㎏/m3。
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些简单回路控制。
采用串级控制系统的部分是对反应釜内温度和加热油流量的控制。
因为采用单回路的控制系统虽然简单但对于加热油所受的外部扰动作用小，如加热油控制阀阀前温度的变化，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，主控对象是反应釜内的温度，其输出作为加热油流量控制的给定值，所以加热油的流量是被调参数，反应釜内的温度是调节参数。
这样可以大大提供控制品质。
1.3.1串级控制回路
1、串级控制
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、串级控制系统的设计
1）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。
2）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。
3、串级控制系统的工业应用
1）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。
2）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。
3）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。
4）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单回路控制
单回路控制回路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带控制方案的工艺流程
根据工艺过程的简述，以及性能指标的要求，可得出带控制方案的流程图如图1-2。
图1-2间歇式化学反应器带控制方案工艺流程图
第2章仪表选型
2.1I/O点表
根据工艺流程图，共包含数字量输入控制点2个，数字量输出控制点4个模拟量输入控制点12个，模拟量输出控制点4个，。
结合实际，I/O点表如表2-1所示：
序号
位号
描述
点类型
电信号类型
工程量程
1
P101RUN
泵101运行状态
DI
2
P101GZ
泵101故障状态
DI
3
P101QT
泵101启动停止按钮
DO
4
FV102
硫酸罐出料电动控制阀
DO
4-20MA
0-100%
5
FV103
苯汽进料电动控制阀
DO
4-20MA
0-100%
6
FV104
出料口电动控制阀
DO
4-20MA
0-100%
7
TI101
反应釜上层温度显示
AI
PT100
0-200℃
8
TI102
反应釜下层温度显示
AI
PT100
0-200℃
9
TI103
回油管中温度显示
AI
PT100
0-200℃
10
TI104
加热油进料温度显示
AI
PT100
0-350℃
11
FIQ101
苯进料流量累积显示
AI
4-20MA
0-4000L/h
12
FIQ102
硫酸进料流量累积显示
AI
4-20MA
0-3.5t
13
LI101
反应釜中液位显示
AI
4-20MA
0-100
14
PIC101
反应釜中压力显示控制
AI
4-20MA
0-100
15
LIC101
硫酸罐中液位显示控制
AI
4-20MA
0-4t
16
LIC102
分层器中液位显示控制
AI
4-20MA
0-1t
17
TIC101
反应釜中温度显示控制
AI
4-20MA
0-200℃
18
FIC101
加热油进料流量显示控制
AI
4-20MA
0-8t/h
19
PV101
反应釜回收料控制阀
AO
4-20MA
0-100%
20
LV101
硫酸罐进料控制阀
AO
4-20MA
0-100%
21
LV102
分层器出料控制阀
AO
4-20MA
0-100%
22
FV101
加热油进料控制阀
AO
4-20MA
0-100%
表2-1I/O点表
合计：
DI=2
1个DI8
DO=4
1个DO8
AI=12
2个AI8
AO=4
1个AO8
表2-2板卡数
2.2仪表选型
基于以上I/O点表，根据各点类型、量程及安装方式，进行仪表选型如表2-3。
仪表名称
型号
技术参数
量程（Mpa）
数量
压力变送器
STG944-EIG-00000-00
住型号：
STG944（量程0-140）-316L不锈钢、硅油DC200、1/4“NPT内螺纹
0～0.4Mpa
1
温度变送器
STT2SM-0-TNS-00-C
主型号：
STT2SM-现场安装316不锈钢表壳、1/2“NPT电气接口、数显表头-汉语说明书
0～200℃
1
双金属温度计
WSSF-481
表盘直径：
φ100mm；外壳材质：
304ss；精度：
±1.0%；防护等级：
IP65；表玻璃材质：
仪表玻璃；保护管材质：
304SS；保护管尺寸：
φ8mm；可动外螺纹连接；连接尺寸：
M27×2M；带不锈钢位号牌；
带法兰护套；整体钻孔，直形套管；护套套管及法兰材质：
304SS；套管内径-外径：
φ10mm-φ16mm；仪表接口：
M27×2F；过程接口：
HG20592-97DN25PN6.3MPa；
0～350℃
1
0-200℃
3
转子流量计
AM54231LQNSNADVDN50PN1.6
1
AM54231LQNSNADVDN20PN1.6
1
TSK2020R4DN50M2CI
1
表2-3仪表选型
2.3安全栅的选取
我们采用的产品是HR-WP6047/6035-DL-EXA系列变送器检测端隔离式安全栅，不仅完全实现了输入、输出、电源的三端隔离，而且具备配电输出功能，可直接与二、三线制变送器连接。
该系列产品不仅能与各种4-20mA标准信号的压力、流量、液位等变送器，电－气转换器、电－气阀门定位器等仪表配套构成本质安全防爆系统，还能与热电阻、热电偶、开关及脉冲量仪表配套构成本质安全防爆系统。
本产品无需齐纳式安全栅那样复杂严格的接地。
主要技术性能：
防爆标志：
Ex（ia）ⅡC
传输精度：
±0.2%×F.S
危险区允许输入信号：
直流电流：
0-10mA、4-20mA
输入阻抗：
100欧姆
供电电压：
空载不高于28V，满载不低于22V。
向安全区输出信号：
直流电流：
0-10mA、4-20mA、0-20mA
直流电压：
0-5V、1-5V、0-10V。
电源：
24V.DC±10%
功耗：
约1.3w（单路20mA输出，24VDC供电）；2.4W（双路20mA输出，24VDC供电）
外形尺寸：
宽×高×深（22.5×100×115）mm
国家电仪器仪表防爆安全监督检验站（NEPSI）认证参数：
（9、11端子）Uo=28.4V，Isc=88mA，Co＝0.055μF，La＝32mH，Um250V,PO=0.624W（10、11端子间）：
Uo=10.5V，Co＝1.7μF
安装方式：
35mm导轨式安装，安装时请注意卡位稳定、牢固。
2.4现场仪表的选取
1、电磁流量计：
LDG-S电磁流量计
LDG-S系列电磁流量计口径从10mm至2000mm，主要用于化工、钢铁、煤炭、给排水、造纸、食品、纺织印染和化纤等工业领域。
测量酸碱盐等强腐蚀性及液固两相流体的体积流量。
可与显示、记录仪表、积算器或调节器配套，对流量进行测量、积算、调节和控制，并可实现信号的远距离传送。
传感器采用整体焊接结构，密封性好；
结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失；
测量精度不受被测介质压力、温度、密度（包括液固比）、
粘度等物理参数变化的影响；
精度对流速分布（除旋涡场外）的变化不敏感；
采用低频三值矩形波励磁及采样放大技术，抗于扰能力强，零点稳定，工作可靠：
工作原理
传感器是根据法拉弟电磁感应原理工作的。
在与测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装了一对检测电极，当导电液体沿测量管在与交变磁场中磁力线成垂直方向运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势由测量管上两个检测电极检出，数值大小用下式表示：
E==KBVD
式中：
E-感应电势；D-电极间距离；
B-磁感应强度；V-导电液体平均流速；
K-与磁场分布及轴向长度有关的系数。
介质电导率：
>20µS／cm
成套精度：
口径ф10～ф250±0.5％；±1.0％
口径：
ф300-ф1200±1.0％；±1.5％
输出信号：
0-10mADC
4～20mADC
0～1kHz（配LDZ-5型转换器）
最大工作温度：
口径ф10-ф20080、120、150℃三种
口径ф250-ф1200<80℃
最大工作压力：
口径ф10-ф504.0MPa
口径ф65～ф1251.6MPa
口径ф150--ф10001.0MPa
口径ф1200O.6MPa
工作电流：
≤0.5A（配LDZ-4B型）≤0.2A（配LDZ-5型）
防护等级：
标准型IP65（防喷水型）
特殊型IP67（防浸水型）
IP68（潜水型）
电源：
传感器由转换器供电转换器电源220V50Hz连接法兰：
机标JB／T81—94；国标GB9119—88或按用户需
2、压力变送器：
YSZK型扩散硅压力变送器
YSZK硅压力变送器主要用于在各种工业过程中连续测量各类液体、气体、蒸汽的压力，将被测信号转换成4～20mA.DC信号输出，可与其他单元组合仪表或DCS系统组成检测、记录、控制等工业自动化系统。
本系统防爆型产品，经国家仪器仪表防爆安全监督检验站检验认可，符合国家防爆标准GB3836的有关规定。
用途：
YSZK硅压力变送器采用标准的二线制，4～20mA.DC输出，与介质接触部分为不锈钢或哈氏合金等耐腐蚀材料，量程调节和零点迁移范围宽并可直接安装在测量管道上，使用极其方便。
广泛应用于石油、化工、冶金、水力电力、食品医药、环境控制等行业的过程控制和压力、液位的测量。
主要特点
（1）体积小，重量轻，可直接安装于检测点的管壁或容器壁上，也可通过安装支架安装；
（2）精度高，由于敏感芯片输出电信号于压力有着良好的线性关系，可以实现对压力的准确测量；
（3）可动件少，电子元器件经过严格老化筛选，可靠性好；
（4）量程可调范围大，量程可调范围大于6：
1，迁移方便；
（5）并可选择配用LCD指示表，作现场指示用。
（非防爆型）
（6）型号、规格与主要技术性能
主要技术指标
（1）输出信号、负载阻抗、传输形式和电源电压
（2）输出信号：
4～20mADC
（3）电源电压：
12-36VDC（防爆型变送器为24VDC）
（4）传输形式：
二线制
（5）负载特性：
与供电电源Vs有关，按关系式RL≤50（Vs-12）
基本误差
（1）基本误差小于：
±0.2%；±0.3%；±0.5%
（2）温度影响：
在100kPa～60Mpa范围内温度影响：
≤±0.2%量程上限/10℃
（3）对外接口尺寸1/2NPT；M20x1.5的内外螺纹
（4）相对湿度<95%
（5）迁移范围：
≤测量范围上限值与测量量程之差
（6）量程比：
一般量程比为6：
1，最大量程比为10：
1
（7）隔离膜片材料：
316不锈钢、哈氏合金B、铂、钽，防爆等级（不带显示）
（8）隔爆型ExDIIBT4防爆合格证号GYB00298
（9）本质安全型ExiaIICT4防爆合格证号GYB00299
（10）重量约0.9kg（不带支架）。
（11）正常工作条件
（12）环境温度-20℃~+80℃（防爆型为-20℃~+60℃）
（13）工作介质温度-40℃~+120℃
3、温度变送器
SBWZ-2480一体化温度变送器
SBW系列热电偶、热电阻温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送器单元。
它采用二线制传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。
将热电偶、热电阻信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的4～20mA的输出信号。
变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。
它作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。
产品特点
采用硅橡胶密封结构、因此耐震，耐湿、适合在恶劣现场环境中安装使用。
现场安装于热电偶、热电阻的接线盒内，直接输出4～20mA，这样既省去昂贵的补偿导线费用，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。
变送器具有输入端开路指示功能，热电偶温度变送器具有冷端温度自动补偿功能。
精度高、功耗低，使用环境温度范围宽，工作稳定可靠。
应用面广，既可与热电偶、热电阻形成一体化现场安装结构，也可作为功能模块安装在检测设备中。
智能型温度变送器可使用ZBT通讯设备、一台386或更高级的PC机，设置变送器的型号、分度号及被测温度的量程范围。
数显型温度变送器可按用户实际需要调整变送器显示屏的显示方向。
输入：
热电偶K型、E型、B型、S型、T型、J型、N型
热电阻Pt100Cu100Cu50（三线制或四线制）
输出：
在量程范围内输出4～20mA直流信号。
与热电偶输入的毫伏信号成线性;与热电阻的输入电阻信号成线性。
或与温度信号成线性。
隔离温度变送器，输入与输出相隔离，隔离电压为0.5KV增加抗共模干扰能力，更适合计算机联网使用。
基本误差：
*±0.5%FS
传送方式：
二线制
显示方式：
（数显型）LCD四位显示，热电偶开路时显示E……标志且输出大于20mA。
工作电源：
变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。
负载：
极限负载电阻按下式计算：
RL（max）=50（Vmin-12）
（即24V时，负载电阻可在0～600Ω范围内选择用）额定负载250Ω）
正常工作环境：
a）环境温度－25℃～80℃（常温型）－20℃～70℃（数显型）
b）相对湿度5%～95%
c）机械振动f≤50Hz，振幅<0.15mm
d）周围空气中不含有对铬、镍镀层、有色金属及其它合金起腐蚀作用的介质。
环境温度影响：
≤0.05/1℃
第3章硬件配置
间歇式化学反应器是以模拟量控制为主，带有部分数字量控制的应用系统，包括工业生产中的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，根据表2-2，故选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置。
选择运算功能较强的中小型PLC（如西门子公司的S7-300系列PLC）。
具体配置如表4-1所示：
序号
型号及规格
注释
数量
1
6ES7307-1EA00-0AA0
电源模块（5A）
1
2
6ES7315-2AG10-0AB0
CPU315-2DP,128K内存
1
3
6ES7323-1BH01-0AA0
数字量8点输入/8点输出模块（24VDC）
1
4
6ES7321-1FF01-0AA0
模拟量输入模块（8路13Bit）
2
5
6ES7332-5HF01-0AB0
模拟量输出模块（8路13Bit）
1
6
6ES7390-1AF30-0AA0
导轨（530mm）
1
7
HR-WP6047/6035-DL-EXA
安全栅
16
8
MY-2NJ
中间继电器
8
表4-1PLC模块选取
第4章盘柜设计
图4-1模块配置图
图4-2盘柜布置图
图4-3配电图
图4-4数字量模块接线图
图4-5模拟量输入模块接线图
图4-6模拟量输出模块接线图
收获和体会
间歇式反应器自控设计是我们第一次综合性专业设计训练，它是我们第一次接触的自控系统工程实践任务。
这次设计对于即将从事工业过程设计的学生，是一次比较完整、比较综合性
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