自动控制系统课设学士学位论文.doc

河南理工大学
《过程控制系统》课程设计文件

设计小组名称：XXXXXXXX
设计小组成员：
姓名：陈鑫 沈炜皓 杜永恒 刘合东
班级：自动化1305班
学号：311308070525 311308070509
311308070508 311308070510

2016 年 6 月 24 日

一、方案设计依据、范围及相关标准
设计依据
（1）2015年西门子杯全国大学生工业自动化挑战赛设计开发型赛项初赛样题及初赛规则
（2）反应器控制仿真设备用户手册
（3）过程控制设计手册及相关标准

设计范围
温度控制、压力控制、液位控制及温度、压力、液位和流量的检测，相关安全保护措施、预警及处理方案

设计遵循的标准及规范  
（1）HG/T 20505-2000《过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号》  
（2）GB/T 21109-2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》 
（3）HG/T20636-1998 《自控专业设计管理规定》  
（4）HG/T20637-1998 《自控专业工程设计文件的编制规定》  
（5）HG/T20638-1998 《自控专业工程设计文件深度的规定》  
（6）HG/T20639-1998 《自控专业工程设计用典型图表及标准目录》  
（7）HG20505-2000 《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》    
（8）HG/T20519-1992 《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》  
（9）HG20559-1993 《管道仪表流程图设计规定》

二、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．控制物料需求：
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。A与B按合理比例流入反应器中。
2．节能要求：
A与B按合理比例流入反应器中，避免流量过大在反应器中堆积，反应不充分，造成浪费。控制好冷凝装置中水的流量，避免浪费。
3．安全控制要求：
该反应过程中主要危险在反应器装置中，反应产生大量热量，这需要控制反应物的流量，以及冷凝装置的使用。此外反应过程中可能使反应器中压强增大，这要控制反应物流量，及紧急停止的程序设计。

二、对象特性分析
（一）：反应器作为一个整体，其最终的合格产物C输出会受到诸多扰动因素的影响。
（二）: 要达到要求的物料A和物料B 的比例，通过变比值控制系统控制，B为主动量，A为从动量，物料A的流量跟随物料B的流量的变化而变化。
温度控制为通过控制冷却水的进水流量来控制，当温度过高时，增大阀门开度，增加冷却水的进水流量进而降低反应釜的温度。
压力控制是通过控制物料A和物料B的进料流量来控制，当反应器内部压力过高时，减小物料B的进料阀门开度，使物料B进料流量减小。
液位控制也是通过控制物料A和物料B的进料流量来控制液面高度维持在80%，以此使反应产物C的产率维持在较高水平。当液位过高时，减小物料A和物料B进料阀门开度，此时物料A的进料流量随物料B变化而变化，从而改变液位高度。

三、系统安全性分析
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。
三、控制系统设计
3.1 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）
一、控制流程图

图1 控制流程图
二、控制算法：
PID控制：PID控制本质上是一种反馈控制，特别适合于过程的动态性能良好而且控制性能要求不太高的情况。他包含三种控制策略：比例控制(控制器的输出信号u与输入信号e成比例关系)、积分控制、微分控制。

三、控制变量：
反应器液位、反应物A、B流量、反应器压力，反应器温度等。
四、控制规律：
反应物A、B的进料流量，冷却水的进水流量。
五、阀门特性：
为保证反应安全进行需要对反应物的控制阀门类型进行选择，冷凝水的控制阀门采用气关式；反应物A、B的进料口控制阀采用气开式；反应产物C的出料口控制阀采用气关式。
六、控制系统分析：
6.1、流量控制系统
图2 流量控制系统
6.2、液位控制系统
本系统中，影响液位的主要变量有物料A的进料流量，物料B的进料流量，物料C的出料流量。由于进料口的流量需要按比例进入且主变量为物料B的进料流量 ，所以控制入口流量只需要控制物料B的进料给定，而控制出口流量只需要控制物料C的出料流量。
当液位保持在80%左右时，表示液位相对平稳。当有扰动时，通过控制物料B的进料流量进也控制物料A的进料流量，从而保证液位稳定在80%左右以使物料C有最大的产生速率。

图3 液位控制系统
6.3、温度控制系统
对于温度的控制我们采用串级控制，当温度低于或超过最佳反应温度70度时，通过控制冷却水的进水流量从而使使其维持在最佳反应温度，以此保证反应产物C的产生速率。

图4 温度控制系统

6.4、压力控制系统
为保证反应安全，对压力进行安全控制设计。反应压力的高低主要取决于反应器中反应 物A和反应物B混合气体的比例以及反应温度，且在反应物A、B的进料流量比不变的前提下，反应压力随反应温度变化，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。压力达到1.2MPa时，进入非正常工况，采取相应动作，否则不动作，我们采用串级控制方案。

图5 压力控制系统
正常情况下，由温度控制系统操纵夹管和夹套的冷却阀门，以维持温度在70°左右，反应正常进行。当出现非正常情况，引起压力达到高限时，通过相应控制器控制反应物A、B的进入流量，以降低反应器的温度。等到压力回到正常区域，再切换回正常值进行控制，恢复正常情况。

3.2 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
本次反应主要危险地方在反应器，在反应过程中，反应强烈，需要在反应器安装温度检测仪表和压力检测仪表，以及流量检测仪表，当反应器发生超出预计量时，立即关上反应物流入的阀门，打开冷凝水阀门，加大反应器流出阀门避免危险。
根据控制要求，整个系统需要重点分析三个过程：冷态开车、稳定运行和故障报警恢复。 冷态开车主要要求在安全联锁系统和控制系统作用下，按照一定的先后顺序逐步启动过程系 统，使系统以最快的速度进入稳定运行状态。 稳定运行主要任务是克服扰动作用，通过调节器的作用保证被控变量满足控制要求。 故障报警恢复是在系统特殊情况下，为保证系统安全进行连锁保护，同时报警以便解决故障，重新恢复系统稳定运行。
声光报警：
（1）当三者都正常时，报警系统正常；
（2）当有一个不正常时，对应红灯亮；
（3）有两个及以上均不在范围内时，对应红灯亮且警报声响。
3.3 绿色生产、节能减排降耗方面的考虑
控制好反应物A与B的流量，避免反应不充分及在反应器中堆积浪费 控制好冷凝装置中冷凝水的流量，避免水源的浪费控制好反应器中反应物液位及产物C的浓度，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。使反应物达到合理的反应，使产物达C到最大化为得到一定的转化率的产品，要求对反应器最终产物的组份进行控制。
我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境被破坏的代 价，这两者之间的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合 理、增长方式粗放直接相关。不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展才能实现经济又好又快的发展，同时温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工作，也是应对全球变化的迫切需要。

3.4 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）

图6 控制系统管道仪表流程图