间歇式反应器自控 专业综合设计.docx
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间歇式反应器自控专业综合设计
吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书
间歇式反应器自控设计说明书
学生学号：
0
专业班级：
自动0704
指导教师：
职称：
副教授
起止日期：
2010.11.1～2010.11.21
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。
2010.11.15～2010.11.21
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
1.1工艺流程简要说明
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工艺控制要求
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确定控制方案
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。
1.4带控制点的工艺流程图
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
1.4.1控制回路方框图
1、加热装置串级控制方框图
在设计工艺过程要求保证生产产品的质量，所以需要检测生产产品质量，若直接检测生产产品质量所需要设备十分昂贵，因此采用间接地方式去检测产品质量，再次选择了与产品有直接关系的温度控制检测来代替直接检测产品质量。
在控制过程中由于加热油的流量有浮动，所以对加热的温度产生了一定的扰动，所以为了提高对加热温度的更精确地检测与控制所以引入了串级控制方案与分层控制方案。
串级控制的基本概念与结构：
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。
分层控制的基本概念与结构：
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。
串级控制与分层控制进行对比，串级控制适用于容量滞后较大、扰动变化激烈而且幅度大、参数互相关联、非线性过程中。
而分层控制对调节阀有很高要求，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。
在本次设计中关系到产品品质的直接因素为温度，而温度被控过程的容量滞后较大，所以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。
所以经过上述分析可以看到：
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。
最终确定了选定以反应釜中部温度为一次干扰的主回路，加热油流量为二次干扰副回路的串级控制。
图1-3加热装置串级控制回路方框图
2、硫酸罐液位单回路控制方框图
硫酸在本生产过程中作为原料输送到反应釜内部，为了生产产品的质量，在输入硫酸过程中需要控制硫酸的进料量，要保持硫酸罐内硫酸在生产过程中处于充足状态。
所以在硫酸罐的设计中加入了液位检测装置并利用硫酸罐内的液位来控制硫酸罐进料阀门的开度来保证硫酸罐内液位的稳定。
初步选定为硫酸罐内液位检测单回路控制。
在此引入单回路控制定义：
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。
所以经过框图与控制要求，最终选定为以硫酸罐内液位为控制回路的单回路控制方案。
图1-4硫酸罐液位单回路控制方框图
3、分层器液位单回路控制方框图
分层器作为原料苯气的一个回收装置同样需要保证分层器液位的稳定，所以同硫酸罐内液位控制采用同一控制方案，以分层器内液位为控制要求的单回路控制方案。
图1-5分层器液位单回路控制方框图
4、苯气流量单回路控制方框图
苯气作为生产工艺中另一种生产原料，经过管道输送到反应釜中，考虑到生产产品质量因素所以苯气的进料量也需要严格限定。
在本次设计中采用了控制流量来达到控制进料量的方式，在考虑到控制环节后最终采用了以流量为控制目的的单回路控制方案。
图1-6苯气流量单回路控制方框图
5、反应塔顶压力单回路控制方框图
本次设计的工艺过程控制生产产品质量为重点，由于检测质量的难度问题而采用与产品质量有直接关系的温度来控制生产产品的质量。
再此对产品生产过程中质量进行监测，因为温度与压力成线性关系，所以在监测产品质量过程中利用反应釜中塔顶压力来进行监测产品质量。
根据压力检测控制的基本环节决定了最终采用了以压力作为检测目的的单回路控制方案。
图1-7苯气流量单回路控制方框图
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章控制点与仪表选择
3.1I/O点表确立
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3-1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3-1I/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3-2板卡数
3.2安全栅型号选择与安装方式
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。
3.3仪表型号选择
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3-3。
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3-3仪表选型
3.3.1现场表的选取
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4章PLC硬件组态
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3-2，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）。
根据表格3-1，共有控制点22个。
其中DI点2个，DO点4，AI点12个，AO点4个。
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