反应釜底部温度
AI
Pt100
22
FIQ101
硫酸罐流量显示
AI
4--20mA
23
LI101
硫酸罐液位指示
AI
4--20mA
24
PI101
反应釜顶部压强指示
AI
4--20mA
0~100
25
TE101
反应釜中反应物温度
AI
Pt100
26
FT101
加热油流量
AI
4--20mA
0~5T/h
27
LC101
硫酸罐液位控制
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：
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
1）用于克服被控过程较大的容量滞后
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
搅拌机故障状态
DI
24V
16
FI103
加蒸汽流量显示
AI
4--20mA
0~500m3/h
17
PI101
加蒸汽压力显示
AI
4--20mA
0~100
18
FIQ102
苯汽流量显示
AI
4--20mA
0~2500m3/h
19
TE101
反应釜顶部温度
AI
Pt100
20
TE102
反应釜中部温度
AI
Pt100
21
TE103
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。
表3-2板卡数
合计：
DI=4
1个DI8
DO=11
AI=11
AO=3
1个DO16
2个AI8
1个AO4
I/O数量：AI 4~20mA 11点; AO 4~20mA 3点; DI 24V.DC5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。
扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，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。
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
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（2014.08.25～2014.09.12）,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。
C6H6 + H2SO4 = C6H5SO3H + H2O (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
①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。
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。
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
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
根据工艺流程图，共包含数字量输入控制点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。
西门子S7-300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。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。
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AutoCAD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。
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，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。
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。
2014.09.01～2014.09.07
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):
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。
1）主回路的设计
搅拌机停止
DO
24V
8
SV104
硫酸罐电磁阀开关
DO
24V

SV105
分层器电磁阀开关
DO
24V
10
SV106
分层器电磁阀开关
DO
24V
11
SV107
出料电磁阀
DO
24V
12
P101-RUN