乙炔合成反应器温度控制系统的设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 过程控制系统过程控制系统 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：乙炔合成反应器温度控制系统的设计乙炔合成反应器温度控制系统的设计院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 测控测控092092 学学 号：号： 090301041090301041 学生姓名：学生姓名： 于世震于世震 指导教师：指导教师： 尹伦海尹伦海 起止时间：起止时间：2012.12.24-2013.01.042012.12.24-2013.01.04I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器学 号090301041学生姓名于世震专业班级测控092设计题目乙炔合成反应器温度控制系统的设计课程设计（论文）任务实现功能实现功能设计合成反应器温度控制系统醋酸装置的乙炔合成反应器，工艺要求合成反应器中部温度控制在 1202，醋酸和乙炔混和气一部分经过换热器预热后进入合成反应器，换热器具有很大的非线性。设计任务及要求设计任务及要求1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000字以上。技术参数技术参数测量范围：0-150控制温度：1202 最大偏差：8；工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。 （2 天 ）2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。 （1 天 ）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。 （2 天 ）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。 （ 1 天）5、上机实现系统的模拟运行、答辩。 （3 天 ）6、撰写、打印设计说明书（1 天 ）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日II注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算III摘 要醋酸和乙炔合成醋酸乙烯，醋酸乙烯是化学工业中重要的产品之一。醋酸乙烯的生产是个塔体非常多的系统,调节回路众多,系统的关联性非常强,一个参数的控制的好坏直接影响到其他参数的控制的成败.一个系统的波动可能破坏整个系统。本次乙炔合成反应器温度控制系统的设计包括变送器，执行器，控制器。利用串级控制系统来控制气体温度，是反应器中部温度控制的更加精确，利用串级控制系统再加上控制器的分程控制，使整个系统更加安全可靠。本设计能较好的控制工艺上要求高的工业生产中，但由于系统比较复杂，所以结构复杂，不易调整，投资较大。串级控制系统的副回路对电荷的变化有一定的自适应能力，采用串级控制系统，醋酸装置的乙炔合成反应器，醋酸和乙炔混合气一部分经过换热器预热后进入合成反应器，换热器具有很大的非线性。实践证明，系统的衰减率基本保持不变，主参数保持平稳，达到生产工艺要求。关键词：合成；串级控制；温度控制IV目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 课程设计的方案 .22.1 概述.22.2 系统总体框图.22.3 方案论证.3第 3 章 仪器仪表选型 .53.1 变送器选型.53.2 控制器选型.63.3 执行器选型.7第 4 章 系统控制算法 .94.1 控制规律的选择.94.2 气开气关的选择.104.3 控制器正负作用的选择.10第 5 章 模拟调试仿真.12第 6 章 课程设计总结.14参考文献.150第 1 章 绪论醋酸乙烯是世界上产量较大的有机化工原料之一，广泛用于生产聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、涂料、浆料、粘合剂、维纶、薄膜、乙烯基共聚树脂、缩醛树脂等一系列化工和化纤产品，广泛用于各行各业。目前，我国醋酸乙烯主要用来生产维尼纶的原料聚乙烯醇。目前，世界上醋酸乙烯的总产量已超过 4.5MT/A，并且正以年增长率 5%的速度发展。醋酸乙烯的生产是个塔体非常多的系统,调节回路众多,系统的关联性非常强,一个参数的控制的好坏直接影响到其他参数的控制的成败.一个系统的波动可能破坏整个系统.,因为其产品醋酸乙烯的浓度要求非常高,达到 99.9%以上,因此对反应温度,以及流量等参数的控制要求非常平稳,合成反应器的中温要求 120 正负 1度,醋酸蒸发器液位要求达到正负 1%,还有乙炔的流量非常不稳定,可控性不太好.这些都对控制的精度提出了很高的要求。在合成过程中对反应器和换热器的温度控制更是重要的一个控制环节。本次醋酸装置的乙炔合成反应器，期中部温度是生产过程中的重要参数，为了保证和恒气质量，工艺要求对它进行严格控制，由于在它的控制通道中，包括了一个换热器和一个合成反应器，而这个换热器具有明显的非线性，所以使整个过程特性随着负荷的变化而变化，具有较大的非线性。而串级控制系统的副回路对于负荷变化具有一定的自适应能力，负荷变化所引起副回路特性的改变，会导致副回路衰减率发生变化，使副参数波动大一些，但是，此时主调节器的输出会重新调整副调节器的给定值，从而改变调节阀的开度，所以对整个系统的衰减率影响不大。1第 2 章 课程设计的方案2.1 概述合成醋酸乙烯的反应是醋酸与乙炔通过吸附在活性炭上的醋酸锌的而发生的。而首先就要使乙炔在活性炭表面上产生化学吸附，这个吸附温度最低也要 160 左右，所以要使反应能够进行起码也要将温度控制在 160 以上。在工业化的过程中，一共出现过三种合成醋酸乙烯的方法，分别是石油乙烯法、天然气乙炔法和电石乙炔法，三种方法各有利弊，下面我将三种方法介绍如下：（1）石油乙烯法用石油裂解联产得到的乙烯，通过多管型固定床反应器，合成醋酸乙烯。这种方法在国内采用的比较多。（2）天然气乙炔法四川川维公司使用的是天然气乙炔法，顾名思义，原料就是平常常见的天然气，这种技术多用固定床反应器，也是应用比较广泛的技术。（3）电石乙炔法在国内，还有一种比较常见的方法，就是电石乙炔法，它是用水与电石发生反应产生乙炔，一般采用沸腾床反应器合成醋酸乙烯，国内大概有10家公司采用此种方法进行生产。2.2 系统总体框图温度控制系统的硬件组成由控制器、变送器、执行器，根据图图 3.1 的结构图所示，串级温度控制系统需要两个控制器（TC） ，两个变送器（TT）和两个执行器，几个部分组合在一起便可组成一个对反应器和换热器可控的温度控制系统。串级控制系统有很多优点：1.可用于容量滞后较大的过程 2.可用于纯滞后较大的过程。3.可应用于烦扰幅度大的过程。4.可应用于非线性过程，醋酸、乙炔混合的一部分气体要通过换热器才能进入反应器中，但换热器有很大的非线性，若是利用单回路控制系统，只可以通过改变调节器的整定参数来保证系统的衰减率，2但负荷变化随时反生，仅靠改变调节器的整定参数来适应此种情况是不可行的。图 3.1 系统结构图2.3 方案论证本次乙炔合成反应器温度控制系统的设计，有两种设计方案，一种是单回路系统控制，一种是多回路系统控制。设计方案一：用单回路控制系统，当负荷变化大时，为了保持系统原有衰减率不变，则必须不断相应地改变调节器的比例放大系数利用简单控制系统来控制过程温度。简单控制系统是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个调节阀和一个被控过程组成，并只对一个被控参数进行控制的单闭环反馈控制系统。+- 图 2.1 单回路调节如图 2.1 所示为单回路调节，简单控制系统中的单回路控制系统来控制反应器中的温度，单回路只有一个被控对象，结构简单投资少，调整方便，但由于此调节阀炉膛温度变送器调节器管壁合成气换热器换热器TC1TC2T1TT3系统要求较高，只用单回路控制系统无法精确控制反应器中的温度。设计方案二：利用用串级控制系统来控制过程温度。串级控制系统由于引入副回路，使系统控制品质相对于但回路控制系统显著提高。在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过他们的协调工作，使主参数能够准确地控制在工艺规定的范围之内。由于串级控制系统可以调节两个参数，可以把反应器中的温度做为主控制对象，换热器中的温度作为副控制对象，由于主副各形成闭合回路，能使系统的精度大大提高，若是利用单回路控制系统，虽然投资少，调整方便，但不能精确调整到要求温度，而串级控制系统虽然复杂，却可以利用它的优点，满足工业上很多要求。图 2.2 串级控制系统如图 2.2 所示，为根据方案二所设计的方框图，反应器中部温度为主被控量，混合气体经换热后和没经过换热器的混合气体再次混合后的温度为副被控量。两个被控量分别通过两个变送器送到控制器中，在空过控制器对两个调节阀进行控制，从而使反应器中的温度达到平衡。副调节器调节阀管壁给料温度变送器 2温度变送器 1主调节器4第 3 章 仪器仪表选型3.1 变送器选型温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻 和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有 现场总线功能。智能温度变送器是采用微处理器技术的新型现场变送类仪表，其精度，功能，可靠性均比模拟变送器优越。它可输出模拟、数字混合信号或全数字信号，而且可以通过现场总线通信网络与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控制系统。图 3.2 ST300 型差压变送器 本设计的温度控制系统中选用了 ST3000 温度变送器。 ST3000 温度变5送器是一种智能型两线制变送仪表。它将输入温度先好线性地转换成420mA 的直流电流输出，同时也可输出符合HART 协议的数字信号。该变送器能配接多种标准热电偶或热电阻，也可输入其他毫伏信号。仪表基本误差为0.1%。配合 PT100 的铂电阻使用，用铂电阻测量温度送给变送器，变送器在送给控制器，控制器就能准确的来调节阀门的开度。流量变送器选择标准孔板的 JK3351DP 型差压变送器。本设计的温度控制系统中选用了 ST3000 温度变送器。ST3000 温度变送器是一种智能型两线制变送仪表。它将输入温度先好线性地转换成 420mA 的直流电流输出，同时也可输出符合 HART 协议的数字信号。该变送器能配接多种标准热电偶或热电阻，也可输入其他毫伏信号。仪表基本误差为0.1%。配合 PT100 的铂电阻使用，用铂电阻测量温度送给变送器，变送器在送给控制器，控制器就能准确的来调节阀门的开度。3.2 控制器选型控制器是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。自动控制系统里的执行器是指接受某种信号的控制，对外输出机械力或转矩的装置。它不仅能驱动阀门的开闭，也可以用来驱动其他需要力或位移的对象，是人工远方控制的终端，也是自动调节系统和被调对象间的一个接口。其设计或选型的正确与否直接影响控制或调节的效果。本文选择 ST-801S-96 温度控制器 ，供电电压： AC / DC 85264V。以下为次控制器特点：1 测量控制范围：温度 -50150 显示精度 0.1 （ 100 ）检测精度：0.5。2 参数设置： 控制值：全量程 0100 回差：温度 130 传感器误差修正：温度-50150 。显示方式：三位 LED 数码管显示，1 位小数。3 加热控制：启动：温度设定温度（下限） ； 停止：温度设定温度（下限）温度回差。 ； 4 风扇控制：启动：温度设定温度（上限） ； 停止：温度设定温度（上限）温度回差。功率消耗： 5W。5 负载继电器输出容量：AC220V /5A（阻性负载时）ST-801S- 96 型 二路 ST-802S- 96 型 四路 ST-803S- 96 型 六路 。6 报警继电器触头容量：AC220V / 5A（阻性负载时）一路。67 外形尺寸： 控制器 9696125mm 传感器 758028.5mm 安装方式：嵌入式安装：在安装面板上开 91+0.591+0.5mm 孔，用安装支架将控制器固定在面板上。图 3.3 ST-801S-96 温度控制器3.3 执行器选型气动执行器，它是一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。本设计选择 ZKJ-210 电动执行器，工作原理 ：ZKJ 系列电动执行机构是工业过程测量和控制系统的终端控制装置，它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位移、直线位移，控制阀门等截流件的位置或其它调节机构，使被控介质按系统规定状态工作。电动执行机构按控制方式分为比例和积分式。主要技术参数 1. 输入信号:电子式:4-20mA DC 或 0-10mA DC,普通式:开关量2. 输入通道电阻:250 欧姆 或 200 欧姆3. 输入通道个数:普通型配放大器 3 个，电子式 1 个。4. 基本误差: 2.5%。5. 回差: 1.5%。6. 死区:3%。77. 阻尼特性: 3 次半周期。8. 电源电压:220V 或 380V ，50Hz。9. 工作环境: 温度: -10 0 C - +55 0 C ，湿度 : 95%,周围空气不含有腐蚀性质。图 3.4 ZKJ-210 气动执行器8第 4 章 系统控制算法4.1 控制规律的选择1.比例调节对系统品质的影响公式：U(t)=KCe(t) （4-1）（1）比例调节是一种有差调节 调节器采用比例控制规律，控制系统必然存在静差，按式子（4-2） ，只有偏差信号 e（t）不为零时，调节器才会有控制作用（u（t） ）输出。如果 e（t） 为零，调节器输出为零，调节器失去控制作用。这说明比例调节器是利用偏差实现调节控制，使系统被控参数近似跟踪设定值。 (2)比例调节系统的静差，随比例度的增大而增大，对于定值控制系统，根据控制理论知识可知，若要减少静差，就需增大 KC，这样做往往会使系统的稳定性下降，对系统的动态控制品质不利。（3）实现定值控制的有差跟踪，对于设定值不变的系统，既定值控制系统，采用比例调节可使被控参数对设定值实现有差跟踪。但若设定值随时间匀速变化时，其跟踪误差将会随时间的增大而增大2.比例积分调节系统控制质量的影响 公式：U(t)=Si+ KCe(t) （4-2） tdtte0)(在比例积分调节系统中，在起始阶段，比例调节发挥作用，迅速对输入变化作出相应；随着时间推移，积分调节作用越来越强。控制系统在二者共同作用下。实现最终消除静差的目的。PI 调节器将比例调节的快速反应与积分调节消除静差的特点结合起来，收到较好的控制效果，因此在工程中得到广泛的应用。 3.比例微分调节对系统控制品质的影响公式：U(t)=KCe(t)+Sd （4-3） dttde )(PD 调节也是有差调节，这是因为在稳态情况下，de(t)/dt 为零，微分部分已不起作用，这说明微分调节对消除静差没有作用。PD 调节具有提高系统稳定性，抑制过渡过程最大动态偏差的作用，微分作用总是力图阻止系统被控参数的振荡，使过渡过程的振荡趋于平稳，动态偏差减少。PD 调节有利于提高系统的响应速度，减少系统静差，由于微分作用的相位超前，在保持过渡过程衰铝不变的情况9下，可以适当减少比例度 P，使系统的开环增益增加，这一方面使系统的稳态误差减少。 4.比例积分微分调节对控制系统品质的影响公式:U(t)= KCe(t)+Sd+ Si （4-4）dttde )(tdtte0)(PID 调节是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节反应快速、积分调节能够消除静差以及微分调节预见性的优点。是一种比较理想的调节规律。PID 调节提高了系统的稳态精度，实现了无差控制。本系统的控制器，分别控制空气、燃气流量和蒸汽压力，主要为气体的流量控制和压力控制所以选择 PI 控制规律。4.2 气开气关的选择气开式调节阀随着控制信号的增大而开度增大，当无压力控制信号时，阀门处于全闭状态；与之相反，气关式调节阀随着信号压力的增加，阀门逐渐关小，当无信号时，阀门处于全开状态。控制系统选择调节阀气开气关作用方式完全由生产过程的工艺特点和安全要求决定。一般来说，要根据以下几条原则进行选择：1、人身安全、系统与设备安全原则2、保证产品质量原则3、减少原料和动力浪费的经济原则4、基于介质特点的工艺设备安全原则保证人身安全、系统与设备安全是调节阀开、关作用方式选择的首要原则。本设计中调节阀选择气开式，当系统发生故障时，燃气控制阀关闭，防止燃气继续进入炉中作用发生爆炸。4.3 控制器正负作用的选择（1）调节阀：气开式调节阀，考虑到当控制器作用失效时，阀应该关闭，以免原料油流入过大，使锅炉损坏，导致不必要的事故。所以选择气开式调节阀，取“+” 。（2）被控对象：因为被控变量随阀的开度增大而温度升高，所以被控对象去“+”（3）变送器 TsT：变送器 TsT 的输出信号随被测物料温度升高而增加，所以取“+”10 变送器 TmT：变送器 TmT 的输出信号随被测物料温度升高而增加，所以取“+”（4）调节器 TsC：变送器 TsT 的输入增加，调节器输出减小，所以取“” 调节器 TmC：变送器 TmT 的输入增加，调节器输出增加，所以取“”（5）因为该系统为负反馈，根据符号的乘法运算规则，控制器取“” 。11第 5 章 模拟调试仿真首先取 Ti=，Td=0，根据广义对象他特性选择一个较大的比例度 P 值，并在工况稳定的情况下，将控制系统投入自动状态。然后等系统运行稳定后，对设定值施加一个节约绕懂，并减小 P，知道系统出现等幅震荡临界震荡过程。记录下此时的 PM（临界比例度）和系统等幅震荡的周期 TM。最后根据所记录的 PM和 TM，按表做设定值的经验公式计算调节器的整定参数 P、Ti 和 Td，并按计算结果设置调节器参数，再在哦设定值扰动试验，观察过渡过程曲线。稳定边界法经验的理论依据是在纯比例调节时，系统的最佳放大倍数约等于临界放大倍数 KM的一半。根据上章公式得，PID 的主要参数是 KP、Ti 及 Td。其选择方法是: 首先根据控制系统的特性确定 KP的极性。在本次设计中，其极性应为负，而不是的正极性；并且实验发现， 本系统虽然属于具有延迟效应的温度控制系统，但 Kp 不能选择过大，否则将不稳定。其次， Ti 及 Td 的选择相对而言就不是很严格了，可根据设计者的要求(如希望积分作用明显还是微分作用明显) 而定。关于采样周期则可以根据系统响应的延迟时间而定，一般可选择比系统响应稍快些即可，选择过小的采样周期反而不好。本文选择的是与系统响应时间相当的采样周期，约 0.3 0.5s。PID 参数的选择不是唯一的，但一定要选