聚合釜溫度-溫度串級(jí)控制系統(tǒng).doc

學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目聚合釜溫度-溫度串級(jí)控制系統(tǒng)學(xué) 院自動(dòng)化專(zhuān) 業(yè)自動(dòng)化卓越工程師班 級(jí)自動(dòng)化zy1201班姓 名指導(dǎo)教師傅 劍2015年12月8日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化zy1201 指導(dǎo)教師： 傅劍 工作單位： 武漢理工大學(xué) 題 目: 聚合釜溫度-溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 初始條件：聚氯乙烯是最通用的塑料品種，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。在氯乙稀在聚合釜中進(jìn)行聚合反應(yīng)的同時(shí)釋放出熱量，使得溫度升高。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)及時(shí)將反應(yīng)熱移走，保持釜內(nèi)溫度恒定?，F(xiàn)采用夾套中冷卻水流量為控制量來(lái)控制反應(yīng)溫度。以聚合釜溫度為主參數(shù)，以?shī)A套中水的溫度為副參數(shù)，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，將反應(yīng)溫度控制在51，穩(wěn)態(tài)誤差1要求完成的主要任務(wù): 1、了解聚合釜工藝設(shè)備2、繪制聚合釜溫度-溫度控制系統(tǒng)方案圖3、確定系統(tǒng)所需檢測(cè)元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表技術(shù)參數(shù)4、撰寫(xiě)系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)過(guò)程說(shuō)明書(shū)時(shí)間安排11月3日 選題、理解課題任務(wù)、要求11月4日 方案設(shè)計(jì) 11月5日11月8日 參數(shù)計(jì)算撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)11月9日 答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄1.課程設(shè)計(jì)目的與要求1 1.1聚合釜概述.11.2設(shè)計(jì)目的12.系統(tǒng)總體方案論證22.1設(shè)計(jì)聚合釜溫度控制系統(tǒng)總體方案論證22.2聚合釜溫度串級(jí)控制系統(tǒng)分析42.3控制規(guī)律的選擇43.儀表及器件的選擇43.1溫度傳感器的選擇43.2溫度變送器的選擇53.3執(zhí)行器的選擇53.4調(diào)節(jié)器的選擇54 小 結(jié)65. 參考文獻(xiàn)71課程設(shè)計(jì)目的與要求1.1聚合釜概述制備高分子化合物的主要設(shè)備。一般是立式圓柱形高壓釜，帶有夾套，以便通入蒸汽或冷水來(lái)加熱或冷卻。用于乳液聚合的，內(nèi)有不銹鋼的水平槳式攪拌器，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置和減速器傳動(dòng)。釜的外壁常用碳鋼制成，內(nèi)襯不銹鋼，也有襯搪瓷的。聚合時(shí)可以單釜間歇生產(chǎn)，也可以是多釜串聯(lián)連續(xù)生產(chǎn)。聚合反應(yīng)物由一個(gè)釜的下部進(jìn)入下一釜的上部。釜上裝有溫度、壓力等儀表，以及進(jìn)出料口等。用于本體聚合的，則釜內(nèi)不裝攪拌器，且不串聯(lián)。聚合釜一般由釜體、釜蓋、夾套、攪拌器、傳動(dòng)裝置、軸封裝置、支承等組成。由于用戶(hù)因生產(chǎn)工藝、操作條件不盡相同，聚合釜內(nèi)的攪拌型式一般有錨式、漿式、渦輪式、推進(jìn)式或框式。攪拌裝置在高徑比較大時(shí)，可用多層攪拌槳葉，也可根據(jù)用戶(hù)的要求任意選配。并在釜壁外設(shè)置夾套，或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可通過(guò)外循環(huán)進(jìn)行換熱。加熱方式有電加熱、熱水加熱、導(dǎo)熱油循環(huán)加熱、遠(yuǎn)紅外加熱、外(內(nèi))盤(pán)管加熱等，冷卻方式為夾套冷卻和釜內(nèi)盤(pán)管冷卻等。1.2設(shè)計(jì)目的聚氯乙烯是最通用的塑料品種，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。在氯乙稀在聚合釜中進(jìn)行聚合反應(yīng)的同時(shí)釋放出熱量，使得溫度升高。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)及時(shí)將反應(yīng)熱移走，保持釜內(nèi)溫度恒定。工藝要求反應(yīng)溫度為511。這是一個(gè)多種參數(shù)相互制約的復(fù)雜過(guò)程，工藝控制指標(biāo)的好壞關(guān)系到生產(chǎn)能否穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)效益以及安全問(wèn)題。因此如何實(shí)現(xiàn)氧化爐的最優(yōu)控制，多年來(lái)一直是我國(guó)化肥技術(shù)十分關(guān)注，并為之不懈努力的課題。通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，聚合釜的控制水平達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的水平，產(chǎn)品質(zhì)量的到提高，設(shè)備安全性得到了保證，延長(zhǎng)了設(shè)備的運(yùn)行周期，大大提高了聚合釜的經(jīng)濟(jì)效益。12系統(tǒng)總體方案論證2.1設(shè)計(jì)聚合釜溫度控制系統(tǒng)總體方案的論證方案一：采用單回路控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)是指有一個(gè)測(cè)量元件及變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)行器和一個(gè)被控過(guò)程組成，并只對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行控制的單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。溫度傳感器經(jīng)變送到控制器直接控制執(zhí)行器。當(dāng)聚乙烯在夾套式聚合釜中進(jìn)行聚合反應(yīng)，生成聚氯乙烯并放出能量，經(jīng)變送器傳到調(diào)節(jié)器與設(shè)定值進(jìn)行比較調(diào)整作用于控制器，控制器根據(jù)調(diào)節(jié)器傳送的值調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度倆控制冷卻水的流量，以此控制聚合釜的溫度。單閉環(huán)系統(tǒng)工藝圖如圖2.1所示。圖2.1單閉環(huán)聚合釜溫度控制系統(tǒng)的工藝流程圖方案二：采用串級(jí)控制。采用串級(jí)控制系統(tǒng)是在簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它增加了一個(gè)副控制回路，是系統(tǒng)控制品質(zhì)相對(duì)于單回路控制系統(tǒng)有明顯的提高。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，再用串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路，主回路和副回路，主、副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作；主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器設(shè)定值，系統(tǒng)通過(guò)副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)主參數(shù)的定值控制。串級(jí)系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)他們的協(xié)調(diào)工作，使主參數(shù)能夠準(zhǔn)確的控制在工藝規(guī)定的范圍之內(nèi)。圖2.2聚合釜溫度控制串級(jí)控制系統(tǒng)圖2.3串級(jí)系統(tǒng)方框圖方案一的單回路控制系統(tǒng)是最基本的控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，易于調(diào)整，操作維護(hù)比較方便，又能滿足多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的控制要求，應(yīng)用廣泛。但是聚乙烯在聚合釜中進(jìn)行聚合反應(yīng)時(shí)，生產(chǎn)聚氯乙烯并放出熱量。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求反應(yīng)溫度控制在511，為此采用調(diào)節(jié)夾套中冷卻水量來(lái)控制反應(yīng)溫度。但是，冷卻水量和水溫的變化均為聚合反應(yīng)溫度量的干擾因素，由于聚合釜容積大，時(shí)間常數(shù)大，容量時(shí)延大，聚合反應(yīng)速度又比較快，所以單回路控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求，為了改善過(guò)程特性，構(gòu)成以聚合溫度為主參數(shù)夾套水溫為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。2.2聚合釜溫度串級(jí)控制系統(tǒng)分析方案二中前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱(chēng)為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱(chēng)為主變量（主被控參數(shù)），即聚合反應(yīng)的溫度；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱(chēng)為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱(chēng)為副變量（副被控參數(shù)），即冷卻水的溫度，是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)控制系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。主被控變量為聚合釜溫度，副被控變量為冷卻水溫度。由于聚合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為避免聚合釜中熱量過(guò)高，在無(wú)信號(hào)狀態(tài)調(diào)節(jié)閥應(yīng)保持在開(kāi)的狀態(tài)，所以調(diào)節(jié)閥選擇氣關(guān)閥。在聚合反應(yīng)過(guò)程中當(dāng)冷卻水增加時(shí)，聚合反應(yīng)溫度降低，故主被控對(duì)象為負(fù)。當(dāng)冷卻水流量增大時(shí)，夾套中水溫降低，故副對(duì)象為負(fù)，所以主控制器選擇正作用控制器，副控制器選擇負(fù)作用控制器。在串級(jí)系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回不僅能盡早克服進(jìn)入副回路的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，對(duì)副回路沒(méi)有克服的干擾影響能徹底加以消除。2.3控制規(guī)律的選擇由于本次設(shè)計(jì)屬于容量滯后較大的過(guò)程，所以選擇PD控制規(guī)律能加以改善器件的選型。微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是系統(tǒng)比例系數(shù)增大，加快調(diào)節(jié)過(guò)程，減小動(dòng)態(tài)偏差和靜差。3儀表及器件的選擇3.1溫度傳感器的選擇聚合釜溫度控制系統(tǒng)對(duì)溫度要求很高，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響聚合反應(yīng)的效果，因此必須準(zhǔn)確測(cè)出各點(diǎn)溫度進(jìn)行適當(dāng)處理。熱電偶能把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，以便于遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換，應(yīng)用廣泛。其測(cè)量范圍一般為01800，它具有感溫接觸塊、動(dòng)作響應(yīng)快等特點(diǎn)。熱電阻是輸出型感溫元件，其測(cè)量范圍在中低溫度（-200650），價(jià)格便宜，但不能用于點(diǎn)區(qū)域測(cè)量，可以用來(lái)測(cè)量一些低溫且要求精度不高的溫度檢測(cè)點(diǎn)。熱電偶是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接合成回路時(shí)，當(dāng)兩接合點(diǎn)溫度不同時(shí)，就會(huì)在回路內(nèi)產(chǎn)生熱點(diǎn)流。如果熱電偶的工作端與參比端存在溫差時(shí)，顯示儀表就會(huì)批示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)所對(duì)應(yīng)的溫度差。本設(shè)計(jì)中測(cè)量拱頂溫度選用的熱電偶為WRR-120B，鉑銠30-鉑銠6，基本誤差為2.5，L=1500mm，I=1000mm。送風(fēng)溫度選用熱電偶為WRR-120B，L=1500mm，I=750mm。3.2溫度變送器的選擇熱電偶的輸出信號(hào)為mV級(jí)電信號(hào)，不能直接送入調(diào)節(jié)器，所以要經(jīng)過(guò)溫度變送器則可以將熱電偶輸出的mV信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA或者1-5V的電信號(hào)供調(diào)節(jié)器使用。而DDZ-III型溫度變送器有：（1）采用集成電路溫度變送器放大單元采用高增益、低漂移集成運(yùn)算放大器進(jìn)行直流放大，較型儀表的調(diào)制放大器線路簡(jiǎn)單、元件少、可靠性高。（2）采用了線性化線路熱電偶溫度變送器采用非線性負(fù)反饋回路，熱電阻溫度變送器采用線性化電路。使變送器的輸出信號(hào)和被測(cè)溫度間呈線性關(guān)系，提高了精度，有利于指示，記錄。（3）增加了安全措施現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)溫元件（熱電偶或電阻體）與控制室溫度變送器相連的線路是安全火花線路。不必再經(jīng)任何安全設(shè)備可使測(cè)量元件工作在危險(xiǎn)場(chǎng)所等優(yōu)點(diǎn)。還可以有效的對(duì)熱電偶進(jìn)行有效的冷端補(bǔ)償，所以可以選擇DDZ-III型溫度變送器。3.3執(zhí)行器的選擇控制過(guò)程中常用的執(zhí)行器有電動(dòng)和氣動(dòng)兩種，他們均由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成。由于聚合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為避免聚合釜中熱量過(guò)高，在無(wú)信號(hào)狀態(tài)調(diào)節(jié)閥應(yīng)保持在開(kāi)的狀態(tài)，所以選擇氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)器輸出的模擬信號(hào)為4-20mA，當(dāng)電信號(hào)為4 mA時(shí)，調(diào)節(jié)閥處于全開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)電信號(hào)為20 mA時(shí)，調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)。根據(jù)管路特性、生產(chǎn)規(guī)模及工藝要求，宜選用百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，而具體的調(diào)節(jié)閥尺寸則要根據(jù)被控介質(zhì)流量大小及調(diào)節(jié)閥流通能力來(lái)選擇。3.4調(diào)節(jié)器的選擇YWK-CT溫度控制器采用智能PID控制，當(dāng)通過(guò)熱電偶采集的被測(cè)溫度偏離所希望的給定值時(shí)，YWK-CT溫度控制器介意根據(jù)測(cè)量信號(hào)與給定的偏差進(jìn)行比例、微分、積分運(yùn)算，從而控制繼電器的通斷比例進(jìn)而控制閥門(mén)的開(kāi)度，促使測(cè)量值恢復(fù)到給定值。4小結(jié)聚合釜作為反應(yīng)器在化工生產(chǎn)中應(yīng)用的越來(lái)越廣，而其作為反應(yīng)器有著強(qiáng)非線性、時(shí)變性、有噪聲干擾、純滯后、放熱量大等特點(diǎn)，所以其建模與控制都非常的困難。在大多數(shù)聚合釜的反應(yīng)中溫度是反應(yīng)的關(guān)鍵變量，所以其溫度的優(yōu)化控制成為提高反應(yīng)產(chǎn)物品質(zhì)及轉(zhuǎn)化率的重中之重。溫度檢測(cè)控制不好，將給企業(yè)帶來(lái)不可彌補(bǔ)的損失。為此，可靠的溫度的檢測(cè)控制在工業(yè)中是十分重要的。本次設(shè)計(jì)采用了一系列一體化變送器對(duì)冷卻水的溫度流量分別進(jìn)行檢測(cè)變送，將采集到的溫度、流量信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果偏離設(shè)定值，便進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，輸出信號(hào)用以調(diào)節(jié)閥的控制，從而恢復(fù)聚合釜的正常反應(yīng)溫度。在未來(lái)的發(fā)展中，聚合釜溫度檢測(cè)控制將會(huì)成為工業(yè)生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一，如果不能對(duì)溫度進(jìn)行精確的檢測(cè)，就不能生產(chǎn)出好的產(chǎn)品。5參考文獻(xiàn)1 梅麗鳳，鄭海英.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，