工业生产过程控制课程设计报告

河南理工大学《过程控制系统》课程设计文件设计小组名称：乐雪小组设计小组成员：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX2016年6月20日一、方案设计1、方案设计依据（1）全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛逻辑控制赛项高校组初赛赛题及初赛细则；（2）工业反应器系统及设备用户手册等；（3）SIMATICS7-1200使用手册及产品目录。2、方案设计范围实现进料流量及比例控制，反应器液位、压力、温度控制等相关控制。3、方案设计相关标准（1）GB150-1998《钢制压力容器》（2）GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》（3）GB24511-2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》（4）JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》及第1、2号修改单（5）JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》（6）JB4744-2000《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》（7）JB/T4710-2005《钢制塔式容器》（8）JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》（9）JB/T4730.1~JB4730.6-2005《承压设备无损检测》（10）NG/T47002.1-2009《压力容器用爆炸焊接复合板》（11）NB/T47008-2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》（12）NB/T47010-2010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》二、系统分析1、工艺流程分析所选被控对象为过程工业常见的反应器系统，属于连续反应过程。反应过程为反应物A与反应物B发生反应，生成产物C。反应开始后由冷却水进行冷却。其工艺流程图如图1所示：冷却水物料A冷却水产物C反应器1201物料BFV1203FI1203PI1201TI1201FV1201FI1201AI1201FV1105FI1105LI1201FI1202FV1202图1该连续反应系统以反应物A与反应物B，在反应温度70.0℃下进行反应，反应的产物为C。反应设备包括：反应器，反应器耐压约2.5MPa。为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5MPa。反应器压力报警上限组态值为1.2MPa。反应过程主要有两股连续进料。第一股是反应物A，FI1201为进料流量，FV1201是进料阀；第二股是反应物B，FI1203为进料流量，FV1203是进料阀；反应器内主产物C重量百分比浓度在图中指示为AI1201，反应温度为TI1201，液位为LI1201。反应器出口流量为FI1202，由出口阀FV1202控制其流量。反应器出口为混合液，由产物C与未反应的A、B组成。反应器冷却水入口流量为FI1105，由阀FV1105控制流量。开车步骤1．初始化检查，系统处于开车前状态，确认所有阀门处于关闭状态。2．开FV1201约50%，开始进料。3．开FV1203约50%，开始进料。4．液位LI1201上升，物料开始反应，当反应器温度达到45℃时，调节冷却水进料确保反应器温度缓慢上升。5．当液位上升至80%左右，打开出口阀门FV1202。6.反应器正常运行时，确保反应器温度、压力、液位、产品组份和出口流量均维持在工艺要求范围内。同时，确保反应器处在安全、稳定的生产工况。2、控制需求分析2.1、进料流量及比例控制反应器共有两股连续进料。要求选手设计控制系统克服每股进料的流量扰动。同时，需要保证两股物料以一定比例进料。2.2、反应器液位控制要求选手设计液位控制系统，保证液位处于80％，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行。2.3、反应器压力安全控制为保证反应安全，需要对压力进行安全控制系统的设计。2.4、反应器组份控制为得到一定的转化率的产品，要求选手对反应器最终产物的组份进行控制。2.5、反应器温度控制为保证反应的进行，需要对温度进行控制。2.6、产物流量控制为保证产量，需要对产物流量进行控制。2.7、节能环保指标控制出于对效能、环境等因素的考虑，要求在控制系统设计和实施中对冷却水用量等能耗指标予以充分考虑。2.8、开车步骤顺序控制从生产单元冷态起，自动开车，按照开车步骤依次将控制回路投用，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。3、对象特性分析图1中，物料A与物料B进行合成反应，生成的反应热从夹套中通过冷却水除去，反应完成的时间比停留的时间短，反应的转化率、吸收率及副产品的分布决定于物料A与B的流量之比，通过控制反应器的液面高度来改变进料量达到物料平衡。反应器正常运行时，确保反应器温度、压力、液位、产品组份和出口流量均维持在工艺要求范围内。同时，确保反应器处在安全、稳定的生产工况，尽可能减少硬性停车，保证较大的生产能力。三、控制系统设计1、进料控制设计本控制系统的反应器中共有两股物料连续进料，其中A和B为反应物，为了更好的满足工艺要求，我们选用变比值控制的方式来设计进料流量控制系统。1.1、比值控制系统实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之为流量比值控制系统。在需要保持比值关系的几种物料中，必有一种物料处于主导地位，这种物料称之为主物料，表征这种物料的参数称之为主控变量或主动量；而另外几种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为从物料，表征其特性的参数称为从控变量或从动量。在实际的生产过程控制中，比值控制系统除了实现一定比例的混合外，还能起到在扰动影响到被控过程质量指标之前及时控制的作用。而且当最终质量指标难于测量、变送时，可以采用比值控制系统，使生产过程在最终质量达到预期指标下安全正常地进行，因为比值控制系统具有前馈控制的实质。控制系统为了克服每股进料的流量扰动，对每股流量均采用了闭环控制，由于要求里未指定主从动量，所以暂设定物料A为主动量，B为从动量，实际设计中需从化学反应程度及安全方面来考虑。1.2、进料控制方案根据工艺要求，对于物料A、B，我们采用了串级变比值控制系统。控制系统图如图2所示：图2串级变比值控制系统表1阀门清单序号设备号设备描述阀门公称直径阀门流通能力阀门特性KvCv1FV1201物料A进料阀Dg255.386.3对数阀2FV1203物料B进料阀Dg253.424对数阀表2控制器清单序号设备号设备描述设备用途控制规律正反作用1FIC-1物料A进料控制器主动量PI反作用2FIC-2物料B进料控制器从动量PI反作用3PIC-1反应压力控制器主回路PI反作用表3测点变送器清单序号设备号设备描述1FT-1物料A进料变送器2FT-2物料B进料变送器3PT-1反应器内压力变送器稳定化学反应器操作关键在于反应温度和反应压力，因此采用反应温度和压力可以间接表征反应过程的质量指标。但是影响温度变化的其他干扰很多，因此仅仅保持反应物进料流量比值，尚不能最终保证反应温度不变，还需要根据反应温度的变化来适当修正反应物进料流量的比例，以保证反应温度的恒定，而压力的变化及其测量都要比温度来得快，进料流量负荷的变化主要体现在反应压力的变化，因此利用反应器的压力作为主回路，反应物B进料流量作为副回路构成串级控制回路，来及时调整由于负荷变化所造成的压力变化。1.3、控制器规律选择因为生产工艺对进料流量的稳定性要求较高，为减小稳态误差，主控制器应该具有积分作用，采用比例积分PI控制器。对于副控制器，作为串级系统的副环时，为了克服进入副回路干扰的影响，保证副变量也达到一定的控制质量要求，以便能够改善整个调节系统的品质，而且当它单独作为比值控制系统使用时，希望有好的动态性能，可以选用PI控制器。采用串级比值控制方法，由于副控回路给系统带来的一系列优点，使其具有了独特的优越控制性能，能及时准确地克服多方面的扰动因素，增强了系统的自控程度。2、液位控制设计2.1、串级控制系统串级控制系统使用最为普遍，串级控制系统是改善过程控制品质的有效方法之一，串级控制系统可以迅速控制副回路的扰动。2.2、液位控制方案该系统的被控变量为反应器液位LI1201，用反应物料混合液出口流量FT-3作为操作变量，构成反应器料位串级控制系统，如图3所示：图3液位串级控制系统表4阀门清单序号设备号设备描述阀门公称直径阀门流通能力阀门特性KvCv1FV1202A.B.C混合液出口阀Dg258.5410对数阀表5控制器清单序号设备号设备描述设备用途控制规律正反作用1LTC-1反应器内物料控制器液位串级控制主回路PID正作用2FIC-3物料混合液出口控制器液位串级控制副回路PI正作用表6测点变送器清单序号设备号设备描述1LT-1液位变送器2FT-3物料混合液出口变送器2.3、控制器规律选择为了克服化学反应器容量滞后大，本文选用比例积分微分三作用的控制器作为主控制器。副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器最好不带积分作用，因为积分作用会使跟踪变得缓慢。副控制器的微分作用也是不需要的，因为当副控制器有微分作用时，一旦主控制器和输出稍有变化，控制阀就将大幅度变化，这对控制也是不利的。但在采用流量副回路时，为使系统保持稳定，流量控制器的比例宽只能很宽，比例控制作用很弱，为了增强控制作用，副控制器选用PI型还是有必要的。3、组分控制设计反应器出口混合液中，产物C是我们的生产目标，控制产物组分即是要控制反应转化率，而控制转化率即是要控制液位稳定和反应温度，所以，良好的液位控制设计和温度控制设计即可控制产物组分。4、温度、压力控制设计一般，压力变化超前于温度变化，所以本设计采用温度、压力构成的串级控制系统，如图4所示，当反应器温度测量精度要求较高时，具有压力补偿的温度控制系统比一般的串级控制效果更好。图4具有压力补偿的温度控制系统表4阀门清单序号设备号设备描述阀门公称直径阀门流通能力阀门特性KvCv1FI1105冷却水控制阀Dg258.5410对数阀表5控制器清单序号设备号设备描述设备用途控制规律正反作用1TIC-1温度控制器温度串级控制主回路PID控制表6测点变送器清单序号设备号设备描述1TT-1温度变送器2RY-1计算温度3RY-2校正温度其中TIC-1控制器采用单纯的PID控制，引入补偿后的温度作为控制器的温度测量信号。采用反应器内压力测量信号去补偿温度的测量，控制系统的温度测量信号Tc不是反应器内温度测量值，而是经过釜压校正后的值。校正的计算装置由RY1和RY2两个运算装置组成。RY1是计算温度的，其运算式为：ocTaPT7RY2是校正计算值用的，其运算式为：dtTTbTCO15、反应器压力安全控制及联锁保护为了保证反应器内的反应安全，需将器内压力保持在一定的范围之内，一方面，在保证物料A和物料B的进料比不变的前提下，反应压力随反应温度的变化而变化，即反应温度上升，反应压力也同步上升，反应温度下降，反应压力也同步下降。控制好器内反应温度也是控制器内压力的手段，在投入器内温度控制系统之后，只要将器内反应温度控制在70℃，即可将器内压力值保持在一定的范围。另一方面，通过调整反应物A与B的进料比可在一定范围内控制器内压力，投入反应物A和反应物B进料的变比值控制系统，通过压力控制器给出物料B和物料A比值的设定值，从而调整反应物A在器内的含量，达到控制压力的目的。同时，应保证反应器在系统开、停车过程中压力不超过1.5MPa，根据此要求设计器内压力报警和联锁保护系统。当压力超过1.2MPa时，上位机监控系统产生压力实时报警信息。此时可根据实际情况进行手动操作，可手动调小物料进料调节阀，加大冷却水调节阀开度。当压力稳定之后，重新投自动控制。当压力超过1.5MPa时，此时需联锁停整个系统。6、开车顺序控制1、初始化检查，系统处于开车前状态，确认所有阀门处于关闭状态。2、开FV1201约50%，开始进料。3、开FV1203约50%，开始进料。4、液位LI1201上升，物料开始反应，当反应器温度达到45℃时，调节冷却水进料确保反应器温度缓慢上升。5、当液位上升至80%左右，打开出口阀门FV1202约50%。同时将液位控制器投自动控制。6、当反应器温度达到70