溶剂缓冲罐压力控制系统设计

过程控制过程控制 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 溶剂缓冲罐压力控制系统设计溶剂缓冲罐压力控制系统设计 院 系 院 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 I 摘 要 在生产中为了保障罐内物质的安全 通常需要向罐内注入氮气等气体 但是当通入气体过多时会使罐内压力变大 从而引发爆炸的危险 但罐内气体过 少时又起不了保护的作用 因此 控制反应罐内压力的大小至关重要 本课设的目的是用溶剂缓冲罐来缓解压力 其设计采用分程控制方案 当压 力上升时 让进气阀减小开度并对排气阀适当的增加开度以达到减小压力的目的 当压力降低时采用增大进气阀开度并减小排气阀开度的方法来增大压力 设计中 采用压力变送器 控制器和两个调节阀来对缓冲罐压力进行精确的控制 文中并 对其进行了仿真分析 采用溶剂缓冲罐压力控制系统具有安全性高 操作简便 灵活性能强等优点 关键词 分程控制系统 压力调节器 罐内压力 II 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 过程控制技术的发展 1 1 2 缓冲罐内压力控制技术 1 第 2 章 方案论证 3 2 1 任务分析 3 2 2 分程控制系统方案设计 3 2 3 系统的总体构成 4 第 3 章 变送器选型 7 3 1 变送器的选型 7 3 2 控制器的选型 7 3 3 执行器的选型 8 3 4 电器转换器 8 第 4 章 控制规律选择 10 4 1 PID 选择 10 4 2 控制器的气开气关及正反作用选择 11 第 5 章 仿真分析研究 13 5 1 PID 对控制的影响 13 5 2 仿真过程分析 13 第 6 章 课程设计总结 15 0 第 1 章 绪论 1 1 过程控制技术的发展 过程控制通常是指连续生产过程的自动控制 是自动化技术最重要的组成部 分之一 其应用范围覆盖石油 化工 制药 生物 医药 水利 电力 冶金 轻工 纺织 建材 核环境等许多领域 在国民经济中占有极其重要的地位 过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制 使其保持恒定或 按一定规律变化 在保证产品质量和生产安全的前提下 使连续型生产过程自动 地进行下去 连续生产过程的特征是 呈流动状的各种原料中连续流动过程中 伴随着物理变化 化学反应 生化反应 物质能量的转换与传递 连续型生产过 程常常要求苛刻的工艺条件 如高温 高压等 现场存在易燃 易爆或有害泄漏 等危险 生产条件恶劣 需要有保护人身与生产设备安全的特别措施等 在大型 的连续生产系统中 影响生产过程的因素和条件一般不止一个 各自所起到作用 也不同 这就决定了过程控制的复杂性和多样性 鉴于控制过程复杂多样 过程控制方案种类丰富 过程控制系统有多种分类 方法 按所控制的参数来分 有温度控制系统 压力控制系统 流量控制系统等 按控制系统所处理的信号方式来分 有模拟控制系统与数字控制系统 按控制器 类型来分 有常规仪表控制系统与计算机控制系统 而计算机控制系统还可分为 DDC DCS 和现场总线控制系统 FCS 按控制系统的结构和所完成的功能来 分 有串级控制系统 均匀控制系统 自适应控制系统等 按控制规律来分 有 比例控制 比例积分控制 比例微分控制 比例积分微分控制系统等 按控制系 统组成回路的情况来分 有单回路与多回路控制系统 开环与闭环控制系统 按 被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等 以到底采用哪种分类方法并 无原则性的规定 下面介绍两种常见的分类方法 按设定值的形式不同分为定制 控制系统 随动控制系统 程序控制系统 按系统的结构特点分为反馈控制系统 前馈控制系统 前馈 反馈复合控制系统 1 2 缓冲罐内压力控制技术 缓冲罐控制压力控制是通过进气阀将气体输入缓冲罐内 通过控制罐内气体 的多少来改变缓冲罐内的压力 主要用于各种系统中缓冲系统的压力波动 使系 1 统工作更平稳 其原理是通过压缩罐内压缩空气来实现 被广泛应用于供水设备 和中央空调系统等 本课设的目的是用溶剂缓冲罐来缓解压力 当压力过高过时 压力调节器输 出将上升 出气的压力调节阀逐渐关闭 进气的压力调节阀将逐渐打开 罐压力 将逐渐下降 当罐内压力下降时 压力调节器输出将下降 出气的压力调节阀逐 渐打开 进气的压力调节阀将逐渐关闭 罐压力将逐渐上升 从而达到控制压 力的目的 2 第 2 章 方案论证 2 1 任务分析 本次试验是用溶剂缓冲罐缓解压力 当压力过高过低都影响安全生产 压力 过高可以排放到燃烧炉 过低可以补充氮气 总体上要保证压力稳定 当压力过 高过时 压力调节器输出将上升 出气的压力调节阀逐渐关闭 进气的压力调节 阀将逐渐打开 罐压力将逐渐下降 当罐内压力下降时 压力调节器输出将下降 出气的压力调节阀逐渐打开 进气的压力调节阀将逐渐关闭 罐压力将逐渐上 升 从而达到控制压力的目的 通过分析 可以达到控制压力的系统可以为串级控制系统和分程控制系统 但是因为分程控制系统有着结构简单 易操作 干扰因素少等一系列的优点 因 此采用分程控制系统 2 2 分程控制系统方案设计 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 例如图中的 A B 两阀 要求 A 阀在调节器输出信号压 力为 0 02 0 06MPa 变化时 作阀的全行程动作 则要求附在 A 阀上的阀门定位 器 对输入信号 0 02 0 06MPa 时 相应输出为 0 02 0 1MPa 而 B 阀上的阀门 定位器 应调整成在输入信号为 0 06 0 1 MPa 时 相应输出为 0 02 0 1MPa 按照这些条件 当调节器 包括电 气转换器 输出信号小于 0 06MPa 时 A 阀动 作 B 阀不动 当输出信号大于 0 06MPa 时 而 B 阀动作 A 阀已动至极限 由 此实现分程控制过程 3 图 2 1 分程控制结构图 采用分程控制可提高阀的可调比 设控制阀可控最小流量 Qmin 可控制最大 流量为 Qmax 定义可调比 R Qmax Qmin 其中 控制器采用 PIC3624 其作用是 通过传感器传入的缓冲罐内压力的大小 分别控制进气阀和出气阀的开关 调节 阀的作用是调节进气阀和出气阀的开关 其中调节阀 A 的作用是控制气体进入缓 冲罐内的多少 调节阀 B 的作用是控制从缓冲罐内排出的气体的多少 对象即被 控对象 是由两个调节阀共同作用来影响的 图 2 2 分程控制系统框图 2 3 系统的总体构成 采用分程系统控制 具体结构图如下 控制器 调节阀 A 调节阀 B 对象 测量变送 P VA 4 排气氮气 图 2 3 系统总体构成图 当反应物进入反应罐中 传感器检测罐内的压力 当传感器检测到罐内增大 的时候 为了保障罐内的安全 此时就需要对反应罐进行降压 应用分程控制 将反应物进入罐内的调节阀适当的关闭 并将排除的调节阀适当的开大 从而达 到降低罐内压力减小的目的 当传感器检测到反应罐内的压力减小时 控制进气 调节阀适当的打开 排出调节阀适当的关闭 从而达到使罐内压力增大的目的 阀 A 压力变送器 阀 B PT 缓冲罐 5 第 3 章 变送器选型 本次研究所用到的主要的器件包括 压力变送器 控制器 执行器和电气转 换器 3 1 变送器的选型 本次设计缓冲罐内的压力的测量范围是 1 2KPa 可设采用分散硅传感器 它是使用硅片的压阻效应 选用 I C 工艺技术分散四个等值应变电阻 组成 惠斯通电桥 不受压力效果时电桥处于平衡状况 当遭到压力 或压差 效果时 电桥的一对桥臂电阻变大 另一对变小 电桥失去平衡 若对电桥加一稳定的电 压 电流 便可检测到对应于所加压力的电压信号 然后到达丈量液体 气体压 力巨细的意图 特色 量程规模大 最小 0 1 0 0 P a 最大 0 1 0 0 M P a 零点 小 精度高 可达 0 1 分辩率高 带防腐膜片的传感器 可丈量腐蚀性介质 体积小 高阻抗 低功耗 抗干扰能力强 任务频率高 寿命长 使用规模广泛 等特色 变送器基本参数 量程范围 0 10KPa 精度等级 0 5 级 环境温度 20 50 给定方式 内 外给定切换 外给定时 红色灯亮 外给定信号 DC 4 20mA 适用介质 气体和液体 输出信号 DC 4 20mA 输出信号指示 误差 2 5 调节动作 比例 积分 微分 3 2 控制器的选型 采用沈阳双联仪表有限公司生产的 AI 系列全通用人工智能调节仪表 其中 SA 18 智能调节仪控制挂件为 AI 741 AI 741 型仪表为 PID 控制型 输出为 4 20mADC 信号 AI 系列仪表通过 RS485 串口通信协议与上位计算机通讯 从 6 而实现系统的实时监控 基本参数为 输出信号 DC 4 20mA 输出信号指示 误差 2 5 调节动作 比例 积分 微分 输入信号 0 10KPa 3 3 执行器的选型 在现代工业中 电动设备比气动设备普遍 因为气动设备需要花费较大的投 资而且传递速度较慢 但气动设备的优越性不可忽视 首先是在安全防爆上 气 动设备不会产生电火花及发热问题 而且气动设备在发生管路堵塞 气流短路 机件卡涩等故障时绝对不会发热损坏 在耐潮湿和恶劣环境方面也比电动设备强 本设计为汽油管道 所以采用气动执行器 通过调节阀的选择原则及本系统的要求 选择 omal 公司生产的 DA SR 系列 调节阀 该阀结构简单 操作方便 选用调温范围广 响应时间快 密封性能可靠 并可在运行中随意进行调节 因而广泛应用于化工 石油 食品 轻纺等部门 1 调节阀技术参数 1 公称通径 阀座直径 mm 10 12 15 25 80 100 125 150 2 公称压力 Mpa 1 0 1 4 4 0 6 4 3 固有流量特性 直线 等百分比 4 信号范围 0 10V 或 4 20mA 5 作用方式 气开 气关 2 主要性能指标 1 基本误差 2 5 2 额定行程偏差 1 5 3 额定流量系数偏差 10 为了防止物料的浪费 调节阀采用气开式 一旦调节阀失去能源 断气 阀将处于关闭状态 不致浪费物料 3 4 电器转换器 EPC 3000 电 气转换器是一种新型结构的电 气转换单元 它可将调节阀 A 和 调节阀 B 输入电流信号转换成相对应输出的气动信号 该转换器内部有一个气动 功率放大器 可以得到较高输出功率的气动信号到各种气动执行机构 以提高执 7 行机构的动作度 其特点 控制精度高 体积小 灵敏度高 动用速度快 耗气量小 调校方便 基本参数为 基本误差 1 回 差 1 死 区 0 5 气源压力 0 14 0 7Mpa 相对湿度 18 85 RH 最大流量 m3 h 7 6 0 175KPa 时 20 0 7KPa 时 耗气量 m3 h 0 3 环境温度 35 60 气源接口 6 M10 1 电源接口 G1 2 外壳材料 铸铝 喷涂工艺处理 外形尺寸 87 160 107 97 186 202 mm 隔爆型 重 量 0 94 普通型及本安型 2 35 隔爆型 8 第 4 章 控制规律选择 4 1 PID 选择 控制器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差 e t 进 行比例 P 比例积分 PI 比例微分 PD 或比例积分微分 PID 运算 并输出信号 到执行器 选择控制器的控制规律是为了使控制器的特性与控制过程的特性能很 好配合 使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求 比例控制规律 P 是一种最基本的控制规律 其适用范围很广 在一般情况下 控制质量较高 但有余差 此外 当过程惯性时延较大时 由于纯比例作用在起 始段动作不够灵敏 因而超调量较大 同时加长了过渡过程时间 于是纯比例作 用的应用受到了限制 对于过程控制通道容量较大 纯时延较小 负荷变化不大 工艺要求又不太高的场合 可选用比例控制作用 比例控制规律 P 的微分方程数学模型为 4 1 tektu p 比例积分 PI 控制规律 由于引入积分作用能消除余差 所以当过程容量较 小 负荷变化较大 工艺要求无余差时 采用比例积分控制规律可以获得较好的 控制质量 但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时 由于积分作用容 易引起较大的超调 可能出现持续振荡 所以要尽可能避免用比例积分控制规律 不然会降低控制质量 通常对管道内的流量或压力控制 采用比例积分作用其效 果甚好 所以应用较多 比例积分 PI 控制规律的微分方程数学模型为 4 2 tdte T tektu t i p 0 1 比例微分 PD 控制规律 由于引入微分 具有超前作用 对于被控过程具有 较大容量时延的场合 会大大改善系统的控制质量 但是对于时延很小 扰动频 繁的系统 由于微分作用会使系统产生振荡 严重时会使系统发生事故 所以应 尽可能不用微分作用 比例微分 PD 控制规律的微分方程数学模型为 9 4 3 dt tde Ttektu dp 比例积分微分 PID 作用是一种理想的控制作用 一般均能适应不同的过程特 性 当要求控制质量较高时 可选用这种控制作用的控制器 比例积分微分 PID 控制规律的微分方程数学模型为 4 4 dt tde Ttdte T tektu d t i p 0 1 其中 为控制器的输出号 放大倍数 积分时间常数 u t pk iT 微分时间常数 设定值与测量值偏差信号 dT e t 4 2 控制器的气开气关及正反作用选择 当缓冲罐内压力刚开始变大时 A 阀慢慢关闭 此时 B 阀仍保持关闭状态 当压力持续变大时 A 阀处于全闭状态 此时应打开慢慢打开 B 阀 直到压力保 持设定值时停止 反之亦然 由图可知 A 阀为气关 B 阀为气开阀 阀 门 开 度 A 阀B 阀 图 4 1 阀门开度 由于本可设采用的是分程控制系统 分程控制系统是单回路控制系统的一部 分 因此应该采用比例积分调节 其优点是比例积分调节结合了比例的快速和积 分的消除偏差而且比例积分调节既能及时又能消除偏差 有图知 A 阀为反作用 B 阀为正作用 10 X S 图 4 2 系统框图 Gc s GvB s GvA s G0 s Gm s 11 第 5 章 仿真分析研究 5 1 PID 对控制的影响 由上图研究可知 本次研究内容采用 PI 即比例积分调节 1 比例 P 调节 在 P 调节中 调节器的输出信号与偏差信号成比例 即 比例调节是有差调节 比例调节的残差随着比例带的加大而加大 称为比例带 其中 KP 为比例系数 人们希望尽量减小比例带 然而 减小比例 带就等于加大调节系统的开环增益 其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定 稳定性是任何闭环系统的首要要求 比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定 裕度 比例带具有一个临界值 此时系统处于稳定边界的情况 进一步减小比例 带系统就不稳定了 2 积分 I 调节 在 I 调节中 调节的输出信号的变化速度 与偏差信号 e 成正比 即 称为积分速度 其中 TI 为积分时间常数 增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度 直至出现发散的振荡过程 I 调节 是无差调节 只有当被调量偏差为零时 I 调节的输出才保持不变 I 调节的稳定 作用比 P 调节差 如果只采用 I 调节不可能得到稳定的系统 且振荡频率较低 5 2 仿真过程分析 在起始阶段 比例调节发挥作用 迅速对输入变化作出相应 随着时间的推 移 积分作用越来越强 控制系统在二者的作用下实现最终消除静差的目的 PI p uK e 1 p K d du dt 0 du S e dt 12 调节器将比例调节的快速反应与积分调节消除静差的特