基于化學(xué)反應(yīng)釜過程控制系統(tǒng)

1、基于化學(xué)反應(yīng)釜過程控制系統(tǒng)指導(dǎo)教師評定成績：審定成績：大 學(xué) 自 動 化 學(xué) 院 過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告 設(shè)計題目：基于工業(yè)化學(xué)反應(yīng)釜的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 指 導(dǎo) 教 師： 老師單位：自 動 化 學(xué) 院 專業(yè)：自動化學(xué) 生 姓 名： 設(shè)計時間： 2014 年 6 月 自動化學(xué)院制 基于過程控制反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要：溫度是化學(xué)反應(yīng)釜生產(chǎn)過程中對反應(yīng)過程影響最重要的的因素之一，溫度的控制精度、系統(tǒng)響應(yīng)速度及穩(wěn)定度是衡量溫度系統(tǒng)性能指標的關(guān)鍵因素，準確地控制反應(yīng)釜內(nèi)原料在不同溫度下進行化學(xué)反應(yīng)具有重要意義。首先，本系統(tǒng)對反應(yīng)釜的溫度進行分析，得出了冷劑流量對反應(yīng)釜內(nèi)溫度的傳遞函數(shù)。其次，通過

2、單片機，利用繼電器、DS18B20溫度傳感器、LCD液晶顯示屏等設(shè)計了對反應(yīng)釜進行加熱與降溫來實現(xiàn)反應(yīng)釜溫度控制的具體電路和實時系統(tǒng)，對實際化學(xué)反應(yīng)過程中的溫度變化進行模擬，并利用經(jīng)典控制理論中的PID算法得到反應(yīng)時的最優(yōu)控制，并給出了詳細的分析步驟和控制算法。最后，通過組態(tài)軟件對整個化學(xué)反應(yīng)過程進行實時監(jiān)控的模擬。 關(guān)鍵詞：溫度控制 PID 單片機 組態(tài)王一、背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 問題研究背景 在化工生產(chǎn)過程中, 連續(xù)反應(yīng)釜是一種常用的、重要的反應(yīng)容器。其化學(xué)反應(yīng)機理較為復(fù)雜, 受到外界條件、原料純度、催化劑的類型等諸多因素的影響，所以難以建立精確的數(shù)學(xué)模型, 致使整套設(shè)備的自動化水平較低。

3、而且在反應(yīng)釜中進行的反應(yīng)一般屬于放熱反應(yīng), 反應(yīng)放熱量大, 傳熱效果卻不理想, 因此反應(yīng)釜內(nèi)溫度一般具有大滯后、非線性等特征。針對反應(yīng)釜內(nèi)溫度變化的特點, 設(shè)計良好的溫度控制系統(tǒng)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。 在我國，盡管大中城市的科學(xué)技術(shù)和工業(yè)自動化的發(fā)展比較快，但是在眾多的小城市與農(nóng)村地區(qū)于經(jīng)濟不夠發(fā)達，政府扶持力度不夠，存在許多不太安全的小規(guī)模化工生產(chǎn)項目，給人們的人生安全與財產(chǎn)安全帶來了一定的威脅。所以，如何更安全的進行化工生產(chǎn)已經(jīng)成為了政府和各種研究機構(gòu)亟待解決和完善的事。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前關(guān)于反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計問題國內(nèi)外都有一些研究，并且已經(jīng)基本滿足了工業(yè)需求。如Shinskey

4、與Weinstein 提出的雙?？刂?dual-mode)，采用bang-bang+PID 控制，其大致步驟為：過程開始時，全力加熱，直至反應(yīng)釜溫度距其設(shè)定值為t1 度，然后全力冷卻，持續(xù)TD1分鐘，此后，將夾套水溫設(shè)定值定在某個合適的中間溫度，持續(xù)TD2 分鐘，最后，用串級PID 控制器控制夾套水溫度。如果參數(shù)選擇得當(dāng)，雙?？刂剖怯行У?。 Arthur Jutan 與 Ashok Uppal 提出將反應(yīng)熱作為一種擾動，采用適當(dāng)?shù)姆椒ü烙嫵鰜?，用前饋控制抵消；余下的部分近似為線性系統(tǒng)，可以用PID 控制。Barry 與Sandro 采用GMC 方法控制反應(yīng)釜溫度，得到了很好的仿真結(jié)果，并且進一

5、步考察了操作條件與過程參數(shù)變動時被控過程的魯棒性，發(fā)現(xiàn)GMC的魯棒性明顯強于雙?？刂?。 為適應(yīng)化工生產(chǎn)的新特點，一些過程控制領(lǐng)域中的新技術(shù)正在理論研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)踐，如信息綜合處理技術(shù)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、各種智能控制技術(shù)、軟計算技術(shù)和快速仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等。過程控制采用的技術(shù)工具，基地式儀表、氣動單元式組合式儀表、電動單元組合式儀表型、型、型，發(fā)展到現(xiàn)在的可編程單回路、雙回路、三回路調(diào)節(jié)器和分散綜合控制系統(tǒng)(DCS)。當(dāng)前，傳統(tǒng)的DCS 正借助于微處理器硬軟件和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，朝著標準化、開放化和盡量采用市場通用的優(yōu)良硬、軟件的方向，逐漸地、相互融合地向開放的DCS發(fā)展。如Honeywell 的

6、 TPS，它采用通用的軟件將企業(yè)的internet 網(wǎng)與局部控制網(wǎng)、通用控制網(wǎng)和系統(tǒng)總線連接在一起，配備各種平臺、操作站以滿足不同層次使用人員的要求。另外，最近發(fā)展起來的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(FCS)也是一種新的開放式的分布式控制系統(tǒng)。它把專用封閉協(xié)議變成標準開放協(xié)議，使系統(tǒng)共有完全數(shù)字計算和數(shù)字通信能力：在結(jié)構(gòu)上，采用了全分布式方案，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，提高了系統(tǒng)靈活性和可靠性：它突破了集散型控制系統(tǒng)DCS 中采用專用網(wǎng)絡(luò)的缺陷。因此對于現(xiàn)場總線的工業(yè)控制系統(tǒng)研究具有重大的意義。據(jù)報道，美國猶他州鹽湖城Flying 煉油廠、孟山都化工廠、我國安慶安菱化工廠、吉林油田甲醇廠已采用FCS，

7、取得了明顯的經(jīng)濟效益。專家估計，F(xiàn)CS 將在石化行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。 二、化學(xué)反應(yīng)釜的過程分析 所謂過程系統(tǒng)是指研究一類以物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程。為了進一步改善工藝操作，提高自動化水平，優(yōu)化生產(chǎn)過程，加強生產(chǎn)上的管理，需要研究這類過程的描述、設(shè)計、模擬、仿真、控制和管理，最終能夠顯著地增加經(jīng)濟效益。在了解和掌握了工藝流程和生產(chǎn)過程動態(tài)的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)生產(chǎn)對控制提出要求。而過程控制就是應(yīng)用控制理論，對生產(chǎn)過程進行綜合分析并設(shè)計出包括被控對象、調(diào)節(jié)器、檢測裝置和執(zhí)行器在內(nèi)的過程控制系統(tǒng)，最后采用合適的技術(shù)手段加以實現(xiàn) 反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu) 化學(xué)反應(yīng)釜有間歇式和連續(xù)式兩種。間歇式反應(yīng)釜通常用于

8、液相反應(yīng)，而連續(xù)式反應(yīng)釜通常用于均相和非均相的液相反應(yīng)。 圖 1 反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖 反應(yīng)釜的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。反應(yīng)釜攪拌容器和攪拌機兩部分組成，攪拌容器包括筒體、換熱元件級內(nèi)構(gòu)件；攪拌機攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等組成。 筒體為一個鋼罐形容器，可以在罐內(nèi)裝入物料，使物料在其內(nèi)部進行化學(xué)反應(yīng)。為了維持反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)溫度，需要設(shè)置換熱元件。常用的換熱元件為夾套，它包圍在筒體的外部，其與容器外壁形成密閉的空間。在此空間通入冷卻或加熱介質(zhì)，通過夾套內(nèi)壁傳熱，可冷卻或加熱容器內(nèi)的物料。為了測量釜內(nèi)的溫度，在罐內(nèi)裝有鋼制的溫度計套管，可將溫度計或溫度傳感器放入其中。為了滿足工藝的需求還可以外接

9、附件裝置。 反應(yīng)釜的工作原理 在進行化學(xué)之前，先將反應(yīng)物按照一定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應(yīng)釜內(nèi)，在反應(yīng)釜的夾套中通以一定的高壓蒸汽，進而提高反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，通過攪拌使物料溫度均勻，當(dāng)釜內(nèi)溫度達到預(yù)定的溫度時，保持一定時間的恒溫以使化學(xué)反應(yīng)正常進行，反應(yīng)結(jié)束后進行冷卻。然而，大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，在反應(yīng)的過程中釜內(nèi)的溫度會進一步上升，所以需要采取一定的技術(shù)手段把釜內(nèi)的溫度控制在某一個適宜的溫度范圍內(nèi)，使整個化學(xué)反應(yīng)速率一直保持到最大。如果溫度偏低或偏高，會影響反應(yīng)進行的深度和反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量并浪費了資源。為了是釜內(nèi)溫度穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用噴霧的形式對放熱反應(yīng)的

10、釜內(nèi)進行降溫，從而把釜內(nèi)的溫度控制在一個適宜的溫度范圍內(nèi)使之符合工藝要求。 反應(yīng)釜的控制方案 在設(shè)計反應(yīng)釜控制器時有必要弄清反應(yīng)釜的控制目標和可能的控制手段。本系統(tǒng)將從將從以下幾個方面考慮控制指標。 能量平衡 要保持反應(yīng)釜的熱量平衡，應(yīng)使進入反應(yīng)器的熱量與流出的熱量及反應(yīng)生成的熱量之間相互平衡。能量平衡控制對反應(yīng)釜來說至關(guān)重要，它決定了反應(yīng)過程中的生產(chǎn)安全，也間接的保證反應(yīng)釜的產(chǎn)品質(zhì)量達到工藝要求。 約束條件 與其他化工操作設(shè)備相比，反應(yīng)釜操作的安全性具有更重要的意義沒這樣就構(gòu)成了反應(yīng)釜控制中的一系列約束條件。例如，不少具有催化劑的反應(yīng)中，一旦溫度過高或過低，反應(yīng)物中含有雜質(zhì)，將會導(dǎo)致催化劑的

11、破損和中毒。在有些氧化反應(yīng)中，反應(yīng)物的配比不當(dāng)會引起爆炸等等。因此，在設(shè)計中經(jīng)常配置報警或自動選擇性控制系統(tǒng)。 反應(yīng)釜控制指標的選擇是反應(yīng)釜控制方案設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。其主要是反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)量、收率、主要產(chǎn)品的含量和產(chǎn)物分布等。如果直接把這些問題作為被控對象，反應(yīng)要求就得到了保證。但是，于考慮的指標越多，對整個反應(yīng)過程的控制就越難準確的控制。并且，于測量手段的限制某些指標并不便測量，從而難以作為真正的控制指標。然而，反應(yīng)過程中，溫度和上述指標密切相關(guān)，又便于測量，所以本作品主要將溫度作為被控量。 三、總體方案及控制算法 總體方案分析 反應(yīng)釜內(nèi)的溫度控制是化工生產(chǎn)過程的中心環(huán)節(jié)，目的是保證反

12、應(yīng)過程的產(chǎn)物達到一定質(zhì)量和控制要求，并確保反應(yīng)的安全進行。于溫度能較好地測量與分析，并且能夠一定程度上反映出釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的過程，所以選用溫度為間接參數(shù)是最有效的方法。因此本作品的主要任務(wù)就是要實現(xiàn)溫度的智能控制。 要實現(xiàn)溫度的精確控制，就要有精確的溫度傳感器，本作品采用DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)多點溫度采集，模擬整個反應(yīng)釜內(nèi)物料的溫度采集，其精度較高。然而，反應(yīng)釜內(nèi)的溫度有一定的限制，在開始階段，于溫度低于設(shè)定的反應(yīng)溫度，需要通過加熱裝置對反應(yīng)釜進行加熱進而提高物料的溫度。當(dāng)溫度接近催化劑的最適溫度時，釜內(nèi)的原料進行快速反應(yīng)，并釋放出反應(yīng)熱，使釜內(nèi)的溫度上升較快，當(dāng)溫度超過給定值時，催化劑的

13、活性被抑制，從而使化學(xué)反應(yīng)的速率迅速下降，所以為了將釜內(nèi)溫度控制在某一適宜的溫度范圍內(nèi)，本作品采用對釜內(nèi)進行冷劑噴霧來平衡釜內(nèi)的溫度，從而使釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)始終保持在最適宜的狀態(tài)下。 為了便于讀取和控制釜內(nèi)溫度，本作品采用LCD液晶顯示屏來實現(xiàn)顯示功能，同時通過鍵盤來實現(xiàn)工況、反應(yīng)釜內(nèi)要達到的溫度設(shè)定。 反應(yīng)釜的控制算法及其動態(tài)特性 為了對釜內(nèi)溫度進行較為精確的控制，有必要將反應(yīng)過程分成釜內(nèi)物料升溫過程和化學(xué)反應(yīng)開始兩個階段，其每個過程中釜內(nèi)溫度的變化情況有較大的差異。下面將對這兩個過程加以分析。 升溫過程 一般的化學(xué)反應(yīng)在常溫條件下基本上可以忽略其反應(yīng)速率，所以需要采用加熱裝置對釜內(nèi)物料進行加

14、熱。其結(jié)構(gòu)框圖如下所示： 圖 2 釜內(nèi)升溫過程結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 反應(yīng)釜系統(tǒng)調(diào)節(jié)框圖 此升溫過程類似于工業(yè)中較為成熟的電加熱爐問題，類比兩者可得出反應(yīng)釜內(nèi)溫度變化量對控制熱蒸汽變化量之間的傳遞函數(shù)形式為： G(s)?為一階慣性環(huán)節(jié)。 反應(yīng)過程 KmTm?1 一旦化學(xué)反應(yīng)開始，于反應(yīng)過程中會自動放熱，所以釜內(nèi)溫度會升高的越來越快。當(dāng)內(nèi)部溫度達到催化劑最適宜的溫度時，化學(xué)反應(yīng)達到最快。當(dāng)溫度超過給定值時，催化劑的活性被抑制，從而使化學(xué)反應(yīng)的速率迅速下降，所以為了將釜內(nèi)溫度控制在某一適宜的溫度范圍內(nèi)，所以采用對釜內(nèi)進行冷劑噴霧來平衡釜內(nèi)的溫度，從而使釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)始終保持在最適宜的狀態(tài)下。其過程的結(jié)構(gòu)

15、框圖如下所示： 圖 3 反應(yīng)過程中結(jié)構(gòu)框圖 四、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 本作品設(shè)計的控制系統(tǒng)硬件電路主要主控制器、DS18B20數(shù)字溫度計、輸出控制電路、鍵盤、LCD顯示電路及電源等組成，系統(tǒng)的硬件組成下圖所示： 圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖 主控制器采用AT89C52單片機，溫度采集采用DS18B20溫度傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換電路。其測溫速度快，精度高，互換性好。總體硬件電路圖如下圖所示： 圖5 硬件電路總體電路圖 電源模塊 電源模塊功能為把220V交流電轉(zhuǎn)為5V直流電，以此給電機供電。電源模塊我們選擇AMS1117電源芯片，其具有完善的保護電路，包括過流、過壓、電壓反接保護。使用這個芯

16、片只需要極少的外圍元件就能構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。與LM2940穩(wěn)壓器件相比，AMS11117具有更低的工作壓降和更小的靜態(tài)工作電流，可以使電池獲得相對更長的使用時間。于熱損失小，因此無需專門考慮散熱問題。而且其紋波很小，又為線性穩(wěn)壓芯片，可以為單片機及片外AD模塊提供很穩(wěn)定的工作電壓！電源模塊電路圖如下： 圖6 電源模塊原理圖 顯示模塊 方案一：數(shù)碼管顯示，于本題要求實時的顯示輸出給定轉(zhuǎn)速、實際速度以及PWM的占空比，數(shù)碼管只能顯示數(shù)字不能顯示英文字符。 方案二：LED點陣顯示，LED點陣顯示雖然能夠顯示數(shù)字和字符，但是顯示的效果不好，而且不易編程。 方案三：LCD液晶顯示，LCD液晶顯示不但能顯

17、示字符和數(shù)字，而且效果較好，且容易實現(xiàn)。 綜上，我們選用LCD1602液晶顯示，進行數(shù)據(jù)的實時顯示。 圖7 LCD顯示電路 五、系統(tǒng)仿真 MATLAB仿真如下： 圖8 Simulink仿真模塊 圖9 PID電路模塊 圖10 比例控制仿真效果 只有比例環(huán)節(jié)，且比例系數(shù)為1，增大KP時，可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，系統(tǒng)的超調(diào)量也隨之增大，以后的峰值呈現(xiàn)較大振蕩。 圖 11 比例積分仿真效果 加上積分環(huán)節(jié)之后K=1;Ti=100，在原有的P調(diào)節(jié)上加入一個積分環(huán)節(jié)，可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，消除或減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，產(chǎn)生較好的效果，最終趨于設(shè)定值。 圖12 比例積分微分仿真效果 再加上微分環(huán)節(jié)

18、，Td=50，PID調(diào)節(jié)器是常規(guī)調(diào)解中性能最好的一種調(diào)節(jié)器，加入的微分環(huán)節(jié)有降低超調(diào)量減少調(diào)節(jié)時間和上升時間的作用，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，在PID調(diào)節(jié)的作用下，兼顧快速性與無靜差的特點，曲線跟快速的趨于穩(wěn)定，且達到較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 case 0x7b: ;break; /表示第三種運算，“乘”運算case 0xe7: break; case 0xd7: key=0;en=1;break; case 0xb7: break;/等于號被按下，用dengyu這一變量記錄下來case 0x77:;break;/表示第四種運算，“除”運算 while(temp!=0xf0) /等待按鍵釋放 temp=P2

19、;temp=temp&0xf0; void keyscan() P2=0xfe;swith(); /將第一行低至為低電平，后調(diào)用swith函數(shù) P2=0xfd;swith(); /將第二行低至為低電平 P2=0xfb;swith(); /將第三行低至為低電平 P2=0xf7;swith(); /將第四行低至為低電平 void writecom(uchar com) lcdrs = 0 ; P0=com ; delay(5);lcden = 1 ;delay(5);lcden = 0 ; void lcd_data(uchar date) lcdrs = 1 ;P0=date ;delay(5);lcden = 1 ;delay(5);lcden = 0 ; void init() writecom(0x38) ;writecom(0x0c) ; writecom(0x06) ; writecom(0x01) ; void main() init(); while(1) cewen(); writecom(0x80+0x4b);lcd_data(table1temper1/10); delay(1); lcd_data(table1temper1);delay(1);lcd_data(C);delay(1); keyscan();if(zhiwen=1) writecom(0