西华大学课程设计说明书 过程控制系统课程设计

题目：反应器串级控制系统设计——系统设计部分 学生：何嘉涛 班级：2013电气7班 学号：************* 指导老师：***

2016年12月12日 西华大学课程设计说明书

2 目 录 前言…………………………………………………………………………………4 第一章 连续槽反应器温度控制系统设计的目的意义 …………………………4 1.1 连续槽反应器简介……………………………………………………………4 1.2 目的及意义……………………………………………………………………5 第二章 连续槽反应器温度控制系统工艺流程及控制要求……………………5 第三章 总体设计方案……………………………………………………………6 3.1 方案比较………………………………………………………………………6 3.1.1 简单控制系统………………………………………………………………6 3.1.2 串级控制系统………………………………………………………………7 3.2 方案选择………………………………………………………………………8 第四章 串级控制系统分析………………………………………………………8 4.1 主回路设计……………………………………………………………………8 4.2 副回路设计……………………………………………………………………8 4.3 主、副调节器规律选择………………………………………………………8 4.4 主、副调节器正反作用方式确定……………………………………………9 第五章 仪器仪表的选取及元器件清单…………………………………………9 5.1 温度的测量与变送器的选择…………………………………………………9 5.2 调节器的选择…………………………………………………………………10 第六章 控制系统的组成…………………………………………………………12 6.1控制系统仪表元件清单件清及配接…………………………………………13 6.2利用Matlab进行仿真………………………………………………………13 西华大学课程设计说明书 3

串级反应器温度控制系统设计 摘要：在工业过程中，温度是最常见的控制参数之一，反应器温度控制是典型的温度控制系统。对温度的控制效果将影响生产的效率和产品的质量， 如果控制不当将损害工艺设备甚至对人身安全造成威胁。因此反应器 温度的控制至关重要。 连续槽反应器是化学生产的关键设备是一个具有大时滞、非线性和时变特性、扰动变化激烈且幅值大的复杂控制对象。结合控制要求，通过分析工艺流程，本论文设计了串级PID分程控制方案。方案选定后，进行了硬件和软件的选择。硬件上选用西门子公司的S7-200 PLC，并用相应的STEP7软件编程。然后采用北京三维力控科技有限公司开发的三维力控组态软件设计监控画面并利用Matlab 7.0对系统进行了仿真。 关键词：温度，反应器，串级PID In the industrial process,temperature is one of the most common control parameters,reactor temperature control system is a typical temperature control system.The temperature control effect will influence the production efficiency and product quality,if it is not controlled properly,process equipment will be damaged,even personal safety will be threatened.Thus the reactor temperature control is essential. Continuous stirred tank reactor is the key equipment in chemical production,it is a complicated control object with a large time delay, nonlinearity,time-varying characteristics and drastic changes and large amplitude disturbance. Combined with the control requirements.The hardware and software selection are done following the selection of control scheme.As to hardware, the S7-200 PLC of Siemens is chosen, and the corresponding software STEP7 is chosen for programming.Then Force Control of Beijing Three-dimensional Force Control Company is chosen to make the supervision picture.Matlab7.0 work for the simulation. Keywords: temperature,reactor, cascade PID 西华大学课程设计说明书 4 前言——串级控制系统 随着科学技术的发展，现代过程工业规模越来越大，复杂程度越来越高，产品的质量要求越来越严格，以及相应的系统安全问题，管理与控制一体化问题等，越来越突出，因此要满足这些要求，解决这些问题，仅靠简单控制系统是不行的，需要引入更为复杂、更为先进的控制系统，由此串级控制系统应运而生。串级控制系统是由两个或两个以上的简单闭合控制系统串联组成的一种比较高级的系统，是改善控制过程极为有效的方法，并且的道理广泛的应用。作为一种比较复杂的系统，串级控制系统有改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强等优点。在一些容量滞后较大的过程，纯延时较大的过程，扰动变化激烈而且幅度大的过程，参数互相关联的过程，非线性过程，应用串级控制可以达到明显的效果。 第一章 连续槽反应器温度控制系统设计的目的意义 1.1 连续槽反应器简介

图1-1-1 连续槽反应器结构图 如图1-1-1所示的一个连续槽反应器，物料自顶部连续进入槽中，经反应后从底部排出。反应产生的热量由冷却夹套中的冷却水带走。槽中装有物料搅拌装 西华大学课程设计说明书 5 置，能够通过搅拌物料促使物料的反应和连续槽反应器中物料之间的热扩散而保持各处物料温度一致。冷却水流量可以通过调节阀控制，从而控制反应器内物料温度的恒定。 1.2 目的及意义 为了保证产品质量，必须严格控制反应温度T1，为此采用调节阀来改变冷却水流量。由于冷却水是通过吸收反应器内壁热量来降低物料温度的，这样系统就拥有了三个热容，即夹套中的冷却水、槽壁和槽中的物料。因为系统有三个热容，并且三个热容之间都有影响，所以系统扰动的来源也相应增加了，这样就增加的系统的控制难度。物料的反应是一个放热过程，如果温度过高，则会使物料变质从而造成资源的浪费，生产成本的提升，所以要严格控制反应槽的温度不能超过上限值。 第二章 连续槽反应器温度控制系统工艺流程及控制要求 反应器的主要任务是维持物料在反应过程中温度的恒定，从而保证产品的质量。反应器的工艺流程图如图2-1所示。进料从反应器顶进入反应器内反应，在搅拌装置的搅拌下充分反应并维持物料温度基本处处一致，被冷却水冷却到设定温度T1，在冷却水进水水管上装设一个调节阀，用它来控制冷却水的流量以恒定温度T1的目的。 西华大学课程设计说明书

6 图2-1 连续槽反应器工艺流程图 引起温度T1改变的扰动因素很多，主要有： （1）冷却水方面（水温和阀前的水压）的扰动D2; （2）物料方面（进料的温度和速度）的扰动D1； （3）反应器壁对外界的散热扰动； 其中冷却水方面的扰动和物料方面的扰动为主要扰动，反应器壁的扰动可以不单独考虑，而归结到冷却水方面的扰动去。由于水的比热容比较大，温度扩散起来比较缓慢，所以系统是个滞后较大的系统，可以把冷却水反面（包括反应器壁对外界的散热扰动）用一个专门的调节器来调节使其相对稳定。 第三章 总体设计方案 3.1 方案比较 3.1.1 简单控制系统 如图3-1-1-1所示，温度调节器TC是根据反应器内物料的温度T与设定值的偏差进行控制，当冷却水部分出现干扰后系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数T的影响控制质量差。但在冷却水扰动可以忽略或很小的情况下，并生产工艺对物料温度要求不是很严格时，简单控制系统还是可以满足要求的，如果冷却水的扰动大，而且对系统产生很大影响，则简单控制系统很难满足工艺要求。简单控制系统框图如图3-1-1-2所示。 西华大学课程设计说明书

7 图3-1-1-1 反应器温度简单控制系统

图3-1-1-2 反应器物料温度简单控制系统框图 被控变量：反应器内物料的温度； 操控变量：冷却水流量。 3.1.2 串级控制系统 串级控制系统采用两套检测変送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入，后一个调节器的输出送往调节阀。 中间被控变量：夹套和槽壁温度； 被控变量：反应器内物料的温度； 操纵变量：冷却水流量。 夹套和槽壁温度变化时，TC可以及时动作，克服扰动。 图3-1-2-1和图3-1-2-2分别为串级系统工艺流程图和串级系统框图。

图3-1-2-1 串级系统工艺流程图