在硝化反应中器温度控制系统的设计

本科生课程设计（论文）1第1章绪论过程控制是自动化技术的重要分支，在石化、电力、冶金、轻工等连续型生产过程中有着广泛的应用。近年来过程控制技术本身及其应用领域得到了迅速发展。无论是在现代复杂的工业生产过程中，还是在传统生产的技术改造中，过程控制技术对于提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件以及保护生态环境、优化技术经济指标等方面都起着非常重要的作用。过程控制的主要由规范的过程检测仪表组成，调节器，执行器，被控过程，检测变送器。本文是针对硝化反应中利用传感器对温度的控制，使硝化反应能够顺利的进行，并能使反应彻底。硝化反应器的主要组成由流量调节器，执行器，反应器温度，及温度检测变送器组成，主要的目的是通过对反应器里的温度检测，来控制夹套中水的温度，来实现硝化反应的工业流程。一个控制系统在受到外界干扰时，被控变量将偏离原先的给定值，而发生变化，为了克服干扰的影响，将被控变量拉回到给定值，需要对控制变量进行调整。对一个系统来说，可供选择作为控制变量的可能是多个，选择控制变量既要考虑它的经济性和合理性，又要考虑它的快速性和有效性。但是，在有些情况下，所选择的控制变量很难做到两者兼顾。阀门控制系统就是在综合考虑控制变量的快速性、有效性、经济性和合理性基础上发展起来的一种控制系统。对于温度控制系统来说要确保温度恒定在某一固定温度是很必要的，因为在工业控制中有一个恒定的温度是确保生产进行的保证，这次设计就是针对温度的控制系统，通过对温度的检测，来控制温度恒定在一个值中，确保硝化反应能够顺利的进行，通过智能仪表的参数整定来实现温度的自动调节。本科生课程设计（论文）2第2章课程设计的方案论证2.1概述本次设计主要是对硝化反应进行的温度控制的设计，目的是在生产过程中，混酸（HNO3、H2SO4、水）与酸性氯化苯连续进入硝化反应器进行循环硝化反应，并放出大量热量。工艺要求硝化反应温度须保持在42±2℃，则必须在夹套中加入冷凝水进行冷却，另外，在正常开车和停车时，为防止硝化反应是放出的热量不够而导致生成物凝结，故又需用热水进行加热。来设计硝化反应器温度控制系统。通过分析可以看出题目的要求是作一个对温度的控制系统，需要确保温度的恒定，通过控制进水阀门的开度来实现温度的恒定，对温度的检测可以在反应器中加入一个温度传感器来实现。在通过变送器将信号送到控制器，通过计算分析输出信号到阀门。具体得到两种可行方案，下面对其论述和选择。2.2方案1采用串级控制系统来实现对温度反的控制，通过两闭环反馈分别对A、B两个阀门进行控制，通过其结构图如图2.2所示。本科生课程设计（论文）3图2.2系统结构图工作原理是通过两个温度传感器对同一反应器进行温度检测，互相不产生干扰，当反应器中温度降低时控制热水的调节器作用，使热水进入夹套，冷水阀是关闭状态不作用。当温度高时控制冷水阀的调节器作用是冷水进入夹套，热水阀关闭。控制系统对冷水和热水的阀门采用分隔的形式进行控制，这样使它们没有了联系，在连接时不是能够很好的连接，有些时候热水阀喝冷水阀同时打开这样就产生了冲突。对系统造成一定影响。同时系统要求的设备很多，在价格方面有一定的影响。2.3方案2采用分程控制系统，特点是控制信号分段调节，流量特性平滑的连接，可以扩大调节阀的可调范围，改善可调的工作特性，可以用于同一被控参数两个不同控制介质的生产过程其系统框图如图2.3.1所示。TTTC1冷却水加热水AB夹套反应器TC2TT2本科生课程设计（论文）4图2.3.1总体结构图工作原理：当调节器TC输出气压大于0.06MPa，A冷水阀关闭，B热水阀开启，反应器夹套中流进热水使反应物料温度上升。待化学反应开始后，反应温度逐渐升高。由于调节器TC的反作用，随着温度的升高，调节输出下降，B热水阀逐渐关小，当反应温度达到并高于设定值时，调节器输出气压将小于0.06MPa，B阀完全关闭，A阀逐渐打开，反应器夹套中流过的冷水将反应热带走，使反应物料温度保持在设定值。该系统用一只调节器去控制两个阀并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门，这样节省了设备，还让热水阀和冷水阀有了联系，通过一定的控制把系统连接的更紧密，同时还能够很好控制温度。减少冲突。其调节器输出信号如图2.3.2所示。本科生课程设计（论文）5图2.3.2调节器输出信号2.4确定方案两种方式都可以对温度的自动调节。通过分析两种方案的性能特点，比较两种方案的优缺点，可以发现方案2分程控制系统更适合对硝化反应的控制，对相同作用时，分程控制使系统调节的更合理，温度能够控制在更好的精度，更灵活，控制更为方便，还能节省器件，节约资源。所以用方案2来进行设计，和硬件的选型。其控制框图如图2.4所示。图2.4系统框图B阀A阀00.060.01100B阀A阀本科生课程设计（论文）6第3章硬件设计在方案确定后就是对于硬件的选择。要想获得准确的温度控制，硬件方面就必须考虑到精度、安全、可靠、兼容等方面的问题。通过分析选择了下面一些型号的设备作为硬件的组成部分。3.1传感器的选择PT100温度传感器的环境温度是-20~100℃，输出为4~20mA。适用于液体和气体的温度测量。所以选用这款传感器就可以满足要求。3.2调节阀的选择气动调节阀在过程控制工作中的使用最为广泛，气动执行器具有结构简单，动作可靠，性能稳定，维修方便，价格便宜实用广泛，可以与QDZ仪表配用，也能通过电气转换器或阀门定位器与DDZ仪表配用。根据流量特性，在具体选择调节阀的流量特性，所以采用气动调节碟阀。在为了确保安全的前提下，选用气开形式。调节器通过电气转换将输出的4～20mADC信号转换为0.02~0.1MPa气压信号。蝶阀是线性的，直径为Dg40，安装方式为法兰，输入输出为AO。3.3变送器的选择采用西门子SITRANST温度变送器，其性能是对温度精度要求较高，选择形式PT25~PT500，温度范围-200到850℃，最小量程10，数字精度0.1度。3.4控制器选择选用通用型PID控制器XM508。采用先进的专家PID调节算法，控制精确稳定，无超调，具备高精度的PID参数自整定功能。该表采用标准Modbus协议（RTU模式），无须制作驱动程序，通用性极好。该表具有多类型输入功能，一台仪表可以配接不同的输入信号(热电偶/热电阻/线性电压/线性电流/线性电阻),大大减少了备表的数量。可与各类传感器、变本科生课程设计（论文）7送器配合使用，实现对温度、压力、液位、流量等物理量的测量和显示，并配合各种执行机构，对电加热设备和电磁、电动阀门进行PID调节和控制。热电阻：Pt100、Cu50、Cu53、BA1、BA2等电阻：0～80Ω、0～400Ω等电压：0～20mV……0～1V,0～5V→输入阻抗≥500kΩ电流：4～20mA、0～20mA等→输入电阻≤250Ω0～10mA→输入电阻≤500Ω测量范围：-1999～+30000测量精度：0.2级(±0.2%FS)控制输出规格：继电器开关输出，触点容量220VAC/2A或24VDC/2A（适合阻性负载，感性负载相应减小）SCR无触点开关输出（常开触点），触点容量220VAC/200mA或24VDC/200mA,瞬间工作电流2A电压：0～5V，1～5V电流：0～10mA、4～20mA、0～20mA等(输出电压≤10V)变送范围：0～22mA、0～10VDC设备图如图3.4所示图3.4设备图本科生课程设计（论文）8第4章软件设计4.1PID控制算法控制器：选用增量式PID控制器PID调节规律是连续模拟系统理论中技术成熟，应用广泛的一种控制方法：])()(1)([)(10dttdeTdtteTteKtyDlp(1)其中，y(t)-----控制器的输出量；e(t)----控制器的输入量，是给定量和被控对象输出地偏差，在系统中称为误差信号；PK-----控制器的比例常数；lT------控制器的积分系数；DT-----控制器的微分系数。由于积分量的带入，使得被控量具有历史保持功能，也就是说，它能够“记住”以前的状态，在静差为0的时候，输出仍旧保持不变，这样就消除了静差。微分量的引入，改善了单纯积分所带来的响应速度过慢的毛病，使系统能够迅速得到稳定。通过智能仪表的参数设定就可以实现对温度的控制通过调试和计算比例系数可以确定在20，积分时间在40。微分在10左右就可以让系统达到温度。维持恒定的温度控制了。本科生课程设计（论文）9第5章系统测试与分析5.1硝化反应分程控制系统仿真，经过上机调试当温度过低时热水阀开启，透过震荡调节，温度又回到原来的设定值上。之后有过一段时刻后温度高时冷水阀开始作用，是温度下降从新达到平衡。仿真波形如图5.1.1所示。图5.1.1温度调节波形5.2过程分析该调节为分程控制调节过程，通过一台调节器去操纵两只调节阀，实施（动作过程）是借助调节阀上的阀门定位器对信号的转换功能。传感器检测的信号经过变送器送人智能仪表PID处理输出信号控制阀门的开度。整个过程有条理的自动完成。使硝化反应能够良好的反应下去。其PID参数为比例系数为20，积分时间为40，微分时间为10.本科生课程设计（论文）10第6章课程设计总结这次课程设计主要应用到过程控制原理中的知识，通过对题目要求的分析，题目要主要涉及到是基于工业自动化生产中的控制应用基础上来设计的，通过对温度控制来实现硝化反应的。应用到大部分过程控制理论中的知识，通过分析确定了设计的选型，对系统的硬件进行选型，得到总体的系统框图，再通过参考资料得到总体设计思路，通过题目的要求完成控制。在完成选型上花了很大的功夫，由于知识了解一些理论知识，多设备的具体型号很少了解，通过网络和书籍才确定了设备的型号，从中也学到了很多实际的东西，了解各种设备的型号应用类型在以后的工作中是很重要的。通过本次课程设计充分的复习了过程控制理论中的很多知识，也看到了很多的不足，许多的知识学过但是并没有掌握和理解，要想更好的学好知识，就必须的增加实际的操作，还复习学过的知识是很重要的，理论的东西要更好的与实际的应用结合起来。还要了解更多的实际东西，要学习一些常用设备的用法，这样才能更好的用所学的理论知识。本科生课程设计（论文）11参考文献[1]孙优贤.工业过程控制技术-应用篇.北京：化学工业出版社，2006.1：79-135[2]何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-88[3]邵裕森.过程控制工程（第二版）.北京：机械工业出版社，2004.8：45-90[4]翁维勤.过程控制系统及工程.北京：化学工业出版社，2002.7：42-62[5]何希才.传感器及其应用电路.北京：电子工业出版社，2001.3：134-150