间歇式反应釜自控设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上吉林化工学院专业综合设计说明书间歇式反应釜自控设计学生学号： * 学生姓名： * 专业班级： * 指导教师： * 职 称： * 起止日期：2014.08.252014.09.12吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology专心-专注-专业专业综合设计任务书一设计题目：间歇式反应釜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、熟练使用Au

2、toCAD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；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三周（2014.08.252014.09.12）,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，确定控制方案；绘制工艺流程控制图。2014.08.25 2014.08.31 第二周进行仪表选型；绘制仪表接线端子图；供电系统图，填写自控设备相应表格。2014

3、.09.01 2014.09.07 第三周编写综合设计说明书及完善其他工作。2014.08.25 2014.09.12五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):目 录第1章 工艺流程简介1.1工艺介绍 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2.5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

4、(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 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。 硫酸加入量2吨。 苯最大流量2500立升/小时。 变压器油温度200，最大流量5吨/小时。 反应器规定值为120。 反应所需时间约4小时。 加热油管内径25。 苯流量（回流管）管内径20。 加热蒸汽管内径50。 加热蒸汽最大流量500m3 /h，压力6/ m3。 第2章 控制方案 简述工作过程：首先把硫酸罐（高位槽）

5、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，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。 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

6、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。2.1 串级控制回路 2.1.1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

7、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。 2.1.2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。 图2-1 加热装置串级控制回路方框图 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，

8、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。 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。 2.1.3串级控制系统的工业应用

9、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，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

10、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。 2.2 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

11、，单回路反馈控制是最基本、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。 本设计有2个单回路如图2-2，2-3 图2-2 控制硫酸罐的液位 图2-3控制分层器阀门 2.3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。图2.1带控制方案的流程图第3章 自控设备选型 3.1 I/O点表 根据工艺流程图，共包含数

12、字量输入控制点4个，数字量输出控制点11个，模拟量输入控制点11个，模拟量输出控制点3个。结合实际，I/O点表如表3-1所示。表3-1 I/O点表序号位号描述I/O点类型信号量程/ON描述1SV101苯罐电磁阀开关DO24V2P101-START泵启动DO24V3P101-STOP泵停止DO24V4SV102 加蒸汽电磁阀开关DO24V5SV103苯汽电磁阀开关DO24V6J101-START搅拌机运行DO24V7J101-STOP搅拌机停止DO24V8SV104硫酸罐电磁阀开关DO24V9SV105分层器电磁阀开关DO24V10SV106分层器电磁阀开关DO24V11SV107出料电磁阀DO

13、24V12P101-RUN泵运行状态DI24V13P101-ERR泵故障状态DI24V14J101-RUN搅拌机运行状态DI24V15J101-ERR搅拌机故障状态DI24V16FI103加蒸汽流量显示AI4-20mA0500m3 /h17PI101加蒸汽压力显示AI4-20mA010018FIQ102苯汽流量显示AI4-20mA02500m3/h19TE101反应釜顶部温度AIPt10020TE102反应釜中部温度AIPt10021TE103反应釜底部温度AIPt10022FIQ101硫酸罐流量显示AI4-20mA23LI101硫酸罐液位指示AI4-20mA24PI101反应釜顶部压强指示A

14、I4-20mA010025TE101反应釜中反应物温度AIPt10026FT101加热油流量AI4-20mA05T/h27LC101硫酸罐液位控制AO4-20mA28PC101反应釜顶部压强控制AO4-20mA29FV101控制加热油流量AO4-20mA根据I/O点表计算AI ,AO,DI,DO模块的板卡数。本控制方案中有AI点11个，考虑到要有20%的冗余，则有AI点14个，故选用8输入的AI卡两块就可以满足要求。以这种方法考虑，可以计算出4输入AO卡一块，8输入DI卡一块，16输入DO卡一块。整理出板卡数如表3-2 。表3-2板卡数合计：DI=41个DI8DO=11AI=11AO=31个D

15、O162个AI81个AO4 3.2控制系统选型I/O数量：AI 420mA 11点; AO 420mA 3点; DI 24V.DC 5点; DO 24V.DC 14点; 要求预留20%余量。根据IO点数和设计要求，S7-300 有2/4/8点输入三种AI模块， AO 有 4点输出和8点输出两种模块，选用8点输入，4点输出模块。 计算AI模块数量模块数量=11 / 8 = 1.375 2个模块 实配点数为 2 * 8 =16 点 计算AO模块数量3/4 = 1 正好合适 即实配点数为4点S7-300 有 8/16/32点DI输入模块，选8点输入模块 1块较为合理，实配点数为5点。S7-300 有

16、 8/16/32点DO输出模块，选 16点输入模块 1块 较为合理，实配点数为 14 点。最终实配点数为：AI 14点、AO 4点，模拟量合计 18 点，DI 5点、DO 14点，开关量合计 19点。首先从控制规模选择CPU。根据CPU技术参数手册从I/O规模来看313C可带3个机架31个模块，314最多带3个机架32个模块，313开关量I/O为 992/992点,模拟量I/O为248/124点, 314开关量I/O为 1024/1024点,模拟量I/O为256/256点,均可满足控制规模要求。从经济角度来看，314CPU 比313CCPU价格要低的多，因此选用314CPU。西门子S7-300

17、系统支持外部中断功能，采用中断处理方式来提高反应速度。决定系统中断反应时间的因素：1、DI模块的输入延迟2、DO模块的输出延迟3、CPU过程中断的响应时间4、由于通讯造成的时间延长5、DI模块中断延迟6、DO中间继电器延迟CPU选定以后，下一步我们将确定系统I/O模块。因为开关量输入有两点为高速输入，且应具备中断功能，所以至少有一个DI模块应具备高速输入及中断功能。其他只要满足数量要求即可。对于开关量输入输出模块出于安全考虑尽量选用低电压产品，所以选择24V标准电压输入输出模块较好。根据前面I/O点数计算结果选择一块16点输入模块，因为高速中断模块价格较高所以选定16点输入模块为高速中断模块。

18、选型结果为：6ES7 321-1BL00-0AA0 16点 24V.DC输入模块(带中断）。一块开关量输出模块选择，因为继电器存在机械结构，故障率较高，且为了保护PLC系统一般DO输出均采用中间继电器隔离，所以选用晶体管输出的24V DO模块。选型结果为：6ES7 322-1BL00-0AA0 16点 24V.DC 输出模块一块。模拟量输入模块的选择主要有两个方面，一是转换速度，二是转换分辨率。本项目中对转换速度没有特殊要求，所以不予考虑。对于分辨率，一般分辨率达到12位，即可完全满足一般工艺要求。所以选择性价比较好的 6ES7 331-1KF01-0AB0 8路13位精度。模拟量输入模块AO

19、模块选择 6ES7 332-5HF00-0AB0 8路模拟量输出模块。PLC系统电源选择： PLC系统电源总功率=CPU+模块+系统外部供电，个人认为用PLC系统电源对外部供电有一定风险，所以外部供电使用单独电源，功率另算。314CPU满载电流为0.9A,模拟量输入模块不消耗24V电源，但其变送器回路需消耗 24V电源，假设全部模拟量均为二线制变送器则有 72路 * 22mA= 1.58A ,模拟量输出模块 3 * 每块模块消耗 320mA = 0.96A，16路高速带诊断DI模块，自身消耗24V电源90mA电流；32路DI模块自身不消耗24V电源能力能量。DO模块自身消耗24V电源340mA

20、。所有DI回路，每个DI回路消耗24V电源7mA电流。 DI回路总消耗电流=7mA×48=0.336A电流。如果每路DO带一个中间继电器，每个继电器消耗24V电源40mA电流，则中间继电器最高消耗24V电源 40mA×32=1.28A电流。IM365模块接口性能：主机架与扩展机架相加最大总线电源电流为1200mA，每个机架最大总线电流为800mA所选型号I/O模块总线消耗电流模块类型 总线消耗电流（mA）16点 24V.DC输入模块 130 16点 24V.DC 输出模块 1108路13位精度模拟量输入模块 608路模拟量输出模块 100本工程所有西门子系统设备清单：序号

21、型号 名称 数量16ES7 307-1BA00-0AA0 2A电源模块 126ES7 314-1AG14-0AB0314CPU 128K内存 136ES7 390-1AE80-0AA0480mm导轨（机架） 146ES7 321-1BH02-0AA0 16点 24V.DC输入模块 156ES7 322-1BH01-0AA0 16点 24V.DC 输出模块 166ES7 331-1KF01-0AA0 模拟量8输入模块 276ES7 332-5HF00-0AA0 模拟量8输出模块 186ES7 392-1AJ00-0AA020针接线端子 296ES7 392-1AM00-0AA040针接线端子 3

22、106ES7 972-0BA12-0XA0 网络接头 311HR-WP6047/6035-DL-EXA 安全栅 153.3 仪表选型基于以上I/O点表，根据各点类型、量程及安装方式，按照选型手册进行仪表选型。3.3.1 温度仪表的选型本设计中，控制方案的温度仪表分为就地仪表和具有远传变送功能的仪表。预测一下该反应釜的温度大概在几百摄氏度左右，就地显示仪表根据量程选择普通装配式热电阻和热套热电阻分别测量反应釜的顶部和底部温度。普通装配式热电阻能直接测量生产过程中的-200500摄氏度范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。热电阻是利用物质在温度变化时，其组织也随着发生变化的特征来测量温度的

23、。本设计中普通装配式热电阻型号HR-WZP，测量范围-200500摄氏度，分度号Pt100，精度等级A级。普通装配式热电阻样式图片如图3-1。在釜底部温度测量时，预测温度大约为500摄氏度，选用热套热电阻，型号HR-WZP-01T，测量范围0800摄氏度，分度号Pt100。3.3.2 压力仪表的选型根据流程图和IO点表来看，本设计中用到两个测量压力仪表，分别测量苯汽罐压力和反应釜内的压力。预测压力大小为几十KPa ，汽化器压力测量时PT101选用具有远传变送功能的压力变送器HR-K1型差压变送器，测量范围01MPa。反应釜内压力测量时PT102选用HR-K2型号的差压变送器，测量范围00.4M

24、Pa。压力变送器的工作原理是利用介质压力作用于陶瓷片，使测量膜片发生偏移。膜片位移产生的电容量由与其直接连接的电子部件检测，放大和转换为标准信号输出。可以对气体、液体和蒸汽压力测量，具有精度高、稳定好、坚固抗震以及抗干扰能力强的特点。安装方式没差别，可以直接任意安装在管道或者塔顶反应釜上。3.3.3 流量仪表的选型根据流程图和IO点表来看，本设计中用到4个测量流量仪表，分别测量苯汽进料口、硫酸进料口、加热蒸汽和加热油流量。测量流量的仪表必须与节流装置配套使用，所以在选型同时先选择节流装置的型号。预测压力大小为几十KPa ，加热蒸汽测量时FT101和加热油流量FT104控制都选用具有显示、累计、

25、传送功能的差压流量变送器LGBK-KHZ300A12BCC型节流装置和HR-1151DP型差压流量测量仪表。苯汽进料测量时FIQ102和硫酸进料流量表FIQ103选用HR-LDG-CO型法兰式型号的电磁流量计，测量范围1.520M3/h。压力变送器的工作原理是利用介质压力作用于陶瓷片，使测量膜片发生偏移。膜片位移产生的电容量由与其直接连接的电子部件检测，放大和转换为标准信号输出。可以对气体、液体和蒸汽压力测量，具有精度高、稳定好、坚固抗震以及抗干扰能力强的特点。3.3.4 液位仪表的选型根据流程图和IO点表来看，本设计中用到1个测量流量仪表，对本设计中的硫酸罐液位进行测量。按照控制方案需求，L

26、I101要具有显示、远传、记录以及报警功能，选用型号为HR-EFW双法兰远传液位变送器。法兰液位变送器的工作原理是利用介质压力作用于陶瓷片，使测量膜片发生偏移。膜片位移产生的电容量由与其直接连接的电子部件检测，放大和转换为标准信号输出。可以对液体液位进行测量，具有精度高、稳定好、坚固抗震以及抗干扰能力强的特点。根据以上原则选择仪表表3-3仪表选型仪表名称型号技术参数量程数量双金属温度计HR-WSS-581W表壳公称直径：150mm；万向（可调角型）；可动外螺纹安装固定；防护型；热响应时间：40s防护等级：IP55;精度等级：1.5保护管材料：316L03004压力变送器HR-K1 S 1 G

27、9F-2 A 5 F2膜片材料：陶瓷电容；标准变送器；连接材料：不锈钢316L;外螺纹M 20×1.5；铝外壳物现场指示IP65; 精度等级：0.50.31MPa3温度变送器HR-WZP2-420G感温元件材料：铂；双支；放喷式；固定法兰安装；保护管材料:1Cr18Ni9Ti08004电磁流量计HR-LUGB类型：涡街流量计；精度等级：I级流量温度:-40300；公称压力:2.5MPa本体材料：1Gr18Ni9Ti工作电源：24V DC;0500m3/h5液位变送器HR-3051LT供电电源：24V DC；测量精度：±0.2防护特性：防护能力 IP65；防爆型 Exd BT

28、4-602.0KPa2第4章 接线图 根据I/O点表画出接线图，如下图 图4-1模块布置图 图4-2 配电图图4-3 DI/DO端子排接线图图4-4 模拟量输入/输出接线图收获和体会 在*老师的协助指导下，经过三个星期的学习，完成了间歇式反应器自控设计的全部任务，并按照自控设计的工程规范作出了设计说明书。这是我第一次接触的自控系统工程实践任务。这种工业过程控制设计是我第一次比较完整、综合、系统性的演练，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无穷。 在确定控制方案期间，为了选取最优的控制回路，经过反复的琢磨单闭

29、环、串级、分层控制三种方案的优缺点到最终确定控制方案，进一步的对教材上的理论加深了印象，对于书本上理论应用于实践有了一定的经验，而不是在刚刚开始接触实践时的盲目。 控制方案确定后，严格遵循工业过程控制设计工程要求，按照设计工程的规定完成工艺控制流程图绘制，自控设备表绘制，仪表回路接线图绘制，仪表端子接线图绘制，仪表供电系统绘制和仪表选型等。在利用CAD绘制工程图的时候，对工程制图的要求和规范有了进一步的了解。仪表选型中，各种自控仪器仪表的选型需要具有很好的工程实践经验，我想这种缺陷我们很难排除。只有在老师的帮助指导下，我们尽力弥补这种缺陷，使各个仪表能够相互匹配，协调工作，从而完成设计。 另外

30、，衷心感谢我的同学们，在我课程设计过程中，与他们的探讨交流使我受益颇多；同时，他们也给了我很多无私的帮助和支持，我在此深表谢意。但是由于本人理论知识、实际经验不足，整个设计环节中一定有很多错误和不完善的地方，恳请老师批评指教。 参考文献1 谭会生，张昌凡EDA技术及应用M 西安：西安电子科技大学出版社，2001.92 赵曙光，郭万有，杨颂华可编程逻辑器件原理、开发与应用M西安：西安电子科技大学出版社，2000.83 潘松，黄继业EDA技术实用教程M北京：科学出版社，2002.104 李洋，张晓燕，田晓平编EDA技术实用教程M北京：机械工业出版社，2004.75 李国洪，沈明山，胡辉可编程器件E

31、DA技术与实践M北京：机械工业出版社，2004.76 赵雅兴FPGA原理、设计与应用M天津：天津大学出版社，1999.47 翟玉文Altera可编程逻辑器件设计与实验M吉林化工学院校内讲义. 2001.12 附 录吉林化工学院工程名称间歇式反应釜自控设计设计项目设计阶段施 工 图编制自控设备汇总表图号: 校核审核第 1 页共1页序号型 号 及 规 格名称单位数量备注一 PLC选型6ES7 307-1BA00-0AA0 2A电源模块个1西门子6ES7 314-1AG14-0AB0314CPU 128K内存个1西门子6ES7 321-1BH02-0AA016点 24V.DC输入模块（24VDC）块

32、1西门子6ES7 322-1BH01-0AA016点 24V.DC 输出模块（24VDC）块1西门子6ES7 331-1KF01-0AA0 模拟量8输入模块块2西门子6ES7 332-5HF00-0AA0 模拟量8输出模块块1西门子6ES7 390-1AE80-0AA0480mm导轨（机架）个1西门子HR-WP6047/6035-DL-EXA安全栅个15虹润6ES7 392-1AJ00-0AA020针接线端子个2西门子6ES7 392-1AM00-0AA040针接线端子个3西门子6ES7 972-0BA12-0XA0网络接头个1西门子二仪表选型双金属温度计HR-WSS-581W台4红润集团温度

33、变送器HR-WZP2-420G台4红润集团压力变送器HR-K1 S 1 G 9F-2 A 5 F2台3红润集团电磁流量计HR-LUGB台5红润集团液位变送器HR-3051LT台2红润集团仪表保护箱400*500*600mm台18红润集团仪表数据表双金属温度计位 号用途温度全长/插入深度(mm)保护管材料保护管直径型号TE-101反应釜顶部温度0300400/150316LTE-102反应釜中部温度0300400/150316LTE-103反应釜底部温度0300400/150316LTE-101反应釜中反应物温度0300400/150316L双金属温度计规格型号HR-WSS-581W分度号Pt100测量元件数量4结构形式装配式热电阻保护管直径150精度1.5接线盒防护等级IP65防爆等级dCT4安装形式可动外螺纹螺纹规格备注仪表数据表 压力变送器设计项目间歇式反应器自控设计图号序号123仪表位号PI-101PI-101PC-101仪表名称压力变送器压力变送器压力变送器仪表型号HR-K1 S 1 G 9F-2 A 5 F2HR-K1 S 1 G 9