工程设计文件(1)

河南理工大学《过程控制系统》课程设计设计小组名称：设计小组成员2017年6月9日一、系统分析（包括控制需求分析、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全要求等）一、控制需求分析1.1进料流量及比例控制反应器共有两股连续进料。要求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。1.2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。1.3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。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。1.4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。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。1.5反应器温度控制为保证反应的进行，需要对温度进行控制。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。1.6产物流量控制为保证产量，需要对产物流量进行控制。反应器出口流量为FI1202，由出口阀FV1202控制其流量。1.7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。反应器冷却水入口流量为FI1105，由阀FV1105控制流量。对入口流量进行控制。1.8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。开车步骤，初始条件，使得液位上升到80%；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。二、对象特性分析物料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、工艺流程分析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。冷却水物料A冷却水产物C反应器1201物料BFV1203FI1203PI1201TI1201FV1201FI1201AI1201FV1105FI1105LI1201FI1202FV1202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。四、系统安全要求本次反应是主要危险地方在于反应器，物料A和物料B在反应器当中反应剧烈使反应器内部压强增高，液位上升。通过温度检测装置，当反应温度高于所设定的警戒值时，对应的指示器变亮；同理，通过压力和液位检测装置，当这两者也高于所设定的警戒值时，各自对应的指示器变亮。当两个或两个以上的指示器亮起时，系统会发出警报声响。当反应器内温度过高时，会促使内部压力增高，可能会对反应器造成损害且有可能对危及人身安全，造成不可估量的损失。当反应器内部的压力过高时，有可能反应器壁承受不住压力而发生形变甚至爆炸。对反应器周围及反应器本身造成伤害。当反应器内部的液位太高时，会使反应压力增大，造成反应物A和B的堆积和资源浪费，不符合绿色生产和绿色设计的理念，进而影响反应结果。二、控制系统设计2.1基础控制系统及开车顺序控制系统的设计（包括控制回路、控制算法、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性、顺序逻辑、安全保障等功能设计，并说明设计理由）1．进料流量及比例控制a)因为物料A与物料B的比值是确定的:ABBAKQQ/流体A可被称为主动流体，AQ主流量；而流体B可称为被动流体，BQ副流量，副流量为随动控制。b)反应罐：c)双闭环比值控制：因为双闭环比值控制系统提降负荷比较方便，只要缓慢地改变主流量控制器的给定值，就可以提降主流量，同时副流量也就自动跟踪提降，并保持两者比值不变。混合罐QAQBFTFCCAB2．反应器液位控制：a)为使对反应器液位的控制不影响到反应器中组份的大小和温度压强，所以对于反应器液位的控制采用控制反应出口流量阀FV1202的单回路控制方式。这样可以对反应器液位的控制得到很好地解决，而不影响其他参数。而且通过控制主流量Qa，就可以控制液位的变化。b)负反馈液位调节系统：c)负反馈液位方框图：3．反应器温度控制：a)反应器温度控制系统：b)反应器温度控制方框图：c)RVRF工艺介质凝液T2mTT11换热器TC11T2spQcQA控制器控制阀控制通道测量变送器U(t)Y（t）FI1105RVRF工艺介质凝液T1TT11换热器uTC11冷水温度负反馈控制TI1201控制器控制阀控制通道测量变送器U(t)Y（t）2.2安全系统的设计（包括声光报警、安全联锁、紧急停车、安全仪表等功能设计，并说明设计理由）1．阀门选型:a)FV1202调节阀选型——气开型：浓液出口阀FV1202选用气开型，一旦发生事故，阀处于全关状态，不会导致憋气，保证压力不会太高，损环其它阀门及其它设备。为了使反应物之间成线性关系，阀门流量特性选择百分比阀。b)物料A进口阀FV1201选用气开型：一旦发生事故，阀处于全关状态。不会使反应器的液位升高，过高的液位可能会进入抽气机，损坏抽气机，阀门流量特性选择线性阀。c)物料B进口阀FV1203选用气开型：一旦发生事故，阀处于全关状态。不会使反应器的液位升高，过高的液位可能会进入抽气机，损坏抽气机，阀门流量特性选择线性阀。d)FV1203调节阀选型——气开型：物料B进口阀FV1203选用气开型，一旦发生事故，阀处于全关状态。不会使反应器的液位升高，过高的液位可能会进入抽气机，损坏抽气机，阀门流量特性选择线性阀。e)FV1104调节阀选型——气开型：一旦发生事故，阀处于全关状态。不会使反应器的液位升高，过高的液位可能会进入抽气机，损坏抽气机，阀门流量特性选择线性阀。f)FV1202调节阀选型——气关阀：一旦发生事故，阀处于全开状态。不会使反应器中因为有残留反应物而导致二次事故的爆发对相关的生命财产造成损失。2．声光报警：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。当温度超过发出声光报警，让操作员知道，系统出错，然后由操作员决定是否停机检查。当反应器压力超过上限组态值为1.2MPa时发出声光报警信号，让操作员知道，系统出错，然后由操作员决定是否停机检查。若超过1.5MPa时，系统自动进行停机操作！3．紧急停车：阀门失去控制是比较常见的硬件故障，当然这不是所有的故障，也不可能将所有的故障考虑在其中。所以前面的调范围都要小于危险范围，可以说是预警范围，在这个范围里正常系统已经失去了控制能力。需要一些特别的处理手段。但仍存在很多因素使系统不安全。比如压力，当遇到这种况情时必须要紧急停止，并要有声光报警。当液位高于90%或低于50%、温度高于90℃或低于40℃这些情都要立即停止。物料A和物料B进口阀和物料C出口阀分别使用气开和气闭，在阀门失控情况下不会导致温度上升，只能减小。当温度升高时很大可能不是阀门失控。具体情要等高温警报后人工处理。2.3绿色生产、节能减排降耗方面的考虑由于我国已经进入工业化和城镇化加速期，重化工业较快增长还会持续一段较长时间，这一过程中能源资源消耗和污染排放与经济增长一般呈现正向关联。因此，在资源稀缺与环境承载能力有限的情况下，传统的高投入、高消耗、高排放、低效率的增长方式已经走到了尽头。不加快转变经济发展方式，资源难以支撑，环境难以容纳，社会难以承受，科学发展难以实现。因此，为了我们的国家，为了我们了社会，为了更好的生存我们必须贯彻实施节能减排计划。按照生产要求，温度范围为70℃左右。显然如果能稳定在70℃时能耗更加合理。所以在温度的选择上既要考虑到系统稳定性，波动时是否满足生产要求，还要考虑到，能耗问题。也要加入高效的催化剂这样，A与B反应的更充分一些，有利于节省原材料。2.4控制系统管道仪表流程图（包括基础控制系统、安全控制系统等）1．冷启动阶段:关闭所有的阀门冷启动开始检查所有阀门处于关闭状态开FV1203，开始B进料液位上升到50%左右，开FV1201，开始A进料当液位上升到60%，将FIC1201和LIC1201投入自动模式，打开阀门FV1202打开搅拌开关HS1101。打开热水加热开关HS1102，诱发反应。打开催化剂阀门FV1104。当温度TI1201大于40℃时，关闭热水加热开关。如果温度继续上升则反应诱发成功，调节冷却水进料反应器温度缓慢上升，不大于0.1℃/秒，直到到达70℃将TIC1201投入自动。结束2．声光报警系统：声光报警系统T80℃发出声光报警信号Y1.5MPaP1.2MPaN发出声光报警信号，并提示信息P1.5MPaY正常运行NN自动停机Y三、系统设备选择（包括控制器、测量变送装置、执行机构，DCS规模、IO模块配置、仪表盘、控制柜、配电装置等）四、实施效果4.1监控画面（包括流程画面、趋势画面、报警画面、操作画面等）4.2响应曲线及性能分析（任选系统中的一个控制回路，模型参数自定，一般被控对象为一阶惯性滞后环节，控制阀和变送器为纯比例环节，用matlab仿真评价该回路的性能）1．温度调节：若被控对象为一阶惯性滞后环节，由拉氏变换延迟定理可得：ssee1G(s)则被控对象的传递函数为：)1(1)(TsesGs若将se按泰勒级数进行展开可得：!3!21e330220ssss所以当很小时，2200-5.01esss，则被控对象G(s)可以等效为：!2111)(220ssTssG在使用simulink仿真时，取1,1T。仿真结果如图所示：从图上看，红色曲线代表的参数效果更好一些。2．双闭环比值控制环节：控制阀和变送器是纯比例环节，被控对象为一阶惯性滞后环节。滞后环节等效为：ss01e被控对象传递函数为：1111)(GsTss取1T可得1111)(Gsss，仿真如图所示：仿真结果如图所示：3．液位调节：五、心得体会