黄山学院间歇式反应器自控设计说明书 (1)

间歇式反应器自控设计说明书学生学号：20806061036学生姓名：王长宝专业班级：08自动化一班指导教师：施云贵职称：教授起止日期：2011.10.10~2011.10.28黄山学院HuangShanUniverisity黄山学院信息工程学院自动化专业综合设计说明书-I-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（2011.10.10～2011.10.28）,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。2011.10.10～2011.10.15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。2011.10.15～2011.10.22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。2011.10.22～2011.10.28五、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):间歇式反应器自控设计-II-目录专业综合设计任务书······································································································I第1章工艺流程简介···································································································11.1工艺流程介绍····································································································11.2有关数据和已知条件···························································································11.3控制方案的确立································································································21.3.1串级控制回路···························································································21.3.2单回路控制······························································································31.4带控制方案的工艺流程·······················································································3第2章仪表选型·········································································································52.1I/O点表············································································································52.2仪表选型··········································································································62.3安全栅的选取····································································································72.4现场仪表的选取································································································7第3章硬件配置········································································································13第4章盘柜设计········································································································14收获和体会················································································································18参考文献···················································································································19黄山学院信息工程学院自动化专业综合设计说明书-1-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。间歇式反应器自控设计-2-⑤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。黄山学院信息工程学院自动化专业综合设计说明书-3-3）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。间歇式反应器自控设计-4-图1