聚合釜溫度-溫度串級控制系統(tǒng).doc

學(xué) 號： 課 程 設(shè) 計題 目聚合釜溫度-溫度串級控制系統(tǒng)學(xué) 院自動化專 業(yè)自動化卓越工程師班 級自動化zy1201班姓 名指導(dǎo)教師傅 劍2015年12月8日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 自動化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)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。在氯乙稀在聚合釜中進行聚合反應(yīng)的同時釋放出熱量，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控制反應(yīng)溫度。以聚合釜溫度為主參數(shù)，以夾套中水的溫度為副參數(shù)，構(gòu)成串級控制系統(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)所需檢測元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表技術(shù)參數(shù)4、撰寫系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)過程說明書時間安排11月3日 選題、理解課題任務(wù)、要求11月4日 方案設(shè)計 11月5日11月8日 參數(shù)計算撰寫說明書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)計目的與要求1 1.1聚合釜概述.11.2設(shè)計目的12.系統(tǒng)總體方案論證22.1設(shè)計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71課程設(shè)計目的與要求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，由電動機通過傳動裝置和減速器傳動。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)物由一個釜的下部進入下一釜的上部。釜上裝有溫度、壓力等儀表，以及進出料口等。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、傳動裝置、軸封裝置、支承等組成。由于用戶因生產(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、推進式或框式。攪拌裝置在高徑比較大時，可用多層攪拌槳葉，也可根據(jù)用戶的要求任意選配。并在釜壁外設(shè)置夾套，或在器內(nèi)設(shè)置換熱面，也可通過外循環(huán)進行換熱。加熱方式有電加熱、熱水加熱、導(dǎo)熱油循環(huán)加熱、遠紅外加熱、外(內(nèi))盤管加熱等，冷卻方式為夾套冷卻和釜內(nèi)盤管冷卻等。1.2設(shè)計目的聚氯乙烯是最通用的塑料品種，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。在氯乙稀在聚合釜中進行聚合反應(yīng)的同時釋放出熱量，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。這是一個多種參數(shù)相互制約的復(fù)雜過程，工藝控制指標的好壞關(guān)系到生產(chǎn)能否穩(wěn)定運行，生產(chǎn)效益以及安全問題。因此如何實現(xiàn)氧化爐的最優(yōu)控制，多年來一直是我國化肥技術(shù)十分關(guān)注，并為之不懈努力的課題。通過技術(shù)改進，聚合釜的控制水平達到了國內(nèi)先進的水平，產(chǎn)品質(zhì)量的到提高，設(shè)備安全性得到了保證，延長了設(shè)備的運行周期，大大提高了聚合釜的經(jīng)濟效益。12系統(tǒng)總體方案論證2.1設(shè)計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)是指有一個測量元件及變送器、一個控制器、一個執(zhí)行器和一個被控過程組成，并只對一個被控參數(shù)進行控制的單閉環(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。當聚乙烯在夾套式聚合釜中進行聚合反應(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)閥門的開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：采用串級控制。采用串級控制系統(tǒng)是在簡單的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它增加了一個副控制回路，是系統(tǒng)控制品質(zhì)相對于單回路控制系統(tǒng)有明顯的提高。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，再用串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路，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)通過副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)器動作，實現(xiàn)對主參數(shù)的定值控制。串級系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動控制系統(tǒng)，通過他們的協(xié)調(diào)工作，使主參數(shù)能夠準確的控制在工藝規(guī)定的范圍之內(nèi)。圖2.2聚合釜溫度控制串級控制系統(tǒng)圖2.3串級系統(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)簡單，投資少，易于調(diào)整，操作維護比較方便，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行聚合反應(yīng)時，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，時間常數(shù)大，容量時延大，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)的串級控制系統(tǒng)。2.2聚合釜溫度串級控制系統(tǒng)分析方案二中前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱為主變量（主被控參數(shù)），即聚合反應(yīng)的溫度；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱為副變量（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。整個控制系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(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高，在無信號狀態(tài)調(diào)節(jié)閥應(yīng)保持在開的狀態(tài)，所以調(diào)節(jié)閥選擇氣關(guān)閥。在聚合反應(yīng)過程中當冷卻水增加時，聚合反應(yīng)溫度降低，故主被控對象為負。當冷卻水流量增大時，夾套中水溫降低，故副對象為負，所以主控制器選擇正作用控制器，副控制器選擇負作用控制器。在串級系統(tǒng)中，由于引入了一個副回不僅能盡早克服進入副回路的干擾，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；主回路具有后調(diào)、細調(diào)、慢調(diào)的特點，對副回路沒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)計屬于容量滯后較大的過程，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)過程，減小動態(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)對溫度要求很高，過高或過低都會影響聚合反應(yīng)的效果，因此必須準確測出各點溫度進行適當處理。熱電偶能把溫度信號轉(zhuǎn)為電信號，以便于遠傳和實現(xiàn)多點切換，應(yīng)用廣泛。其測量范圍一般為01800，它具有感溫接觸塊、動作響應(yīng)快等特點。熱電阻是輸出型感溫元件，其測量范圍在中低溫度（-200650），價格便宜，但不能用于點區(qū)域測量，可以用來測量一些低溫且要求精度不高的溫度檢測點。熱電偶是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接合成回路時，當兩接合點溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱點流。如果熱電偶的工作端與參比端存在溫差時，顯示儀表就會批示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢所對應(yīng)的溫度差。本設(shè)計中測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為mV級電信號，不能直接送入調(diào)節(jié)器，所以要經(jīng)過溫度變送器則可以將熱電偶輸出的mV信號轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA或者1-5V的電信號供調(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、低漂移集成運算放大器進行直流放大，較型儀表的調(diào)制放大器線路簡單、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和被測溫度間呈線性關(guān)系，提高了精度，有利于指示，記錄。（3）增加了安全措施現(xiàn)場的測溫元件（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)備可使測量元件工作在危險場所等優(yōu)點。還可以有效的對熱電偶進行有效的冷端補償，所以可以選擇DDZ-III型溫度變送器。3.3執(zhí)行器的選擇控制過程中常用的執(zhí)行器有電動和氣動兩種，他們均由執(zhí)行機構(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高，在無信號狀態(tài)調(diào)節(jié)閥應(yīng)保持在開的狀態(tài)，所以選擇氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)器輸出的模擬信號為4-20mA，當電信號為4 mA時，調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)；當電信號為20 mA時，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，當通過熱電偶采集的被測溫度偏離所希望的給定值時，YWK-CT溫度控制器介意根據(jù)測量信號與給定的偏差進行比例、微分、積分運算，從而控制繼電器的通斷比例進而控制閥門的開度，促使測量值恢復(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)用的越來越廣，而其作為反應(yīng)器有著強非線性、時變性、有噪聲干擾、純滯后、放熱量大等特點，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。溫度檢測控制不好，將給企業(yè)帶來不可彌補的損失。為此，可靠的溫度的檢測控制在工業(yè)中是十分重要的。本次設(shè)計采用了一系列一體化變送器對冷卻水的溫度流量分別進行檢測變送，將采集到的溫度、流量信號與設(shè)定值進行比較，如果偏離設(shè)定值，便進行PID調(diào)節(jié)，輸出信號用以調(diào)節(jié)閥的控制，從而恢復(fù)聚合釜的正常反應(yīng)溫度。在未來的發(fā)展中，聚合釜溫度檢測控制將會成為工業(yè)生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一，如果不能對溫度進行精確的檢測，就不能生產(chǎn)出好的產(chǎn)品。5參考文獻1 梅麗鳳，鄭海英.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，