间歇式反应器自控设计说明书

间歇式反应器自控设计说明书 学生学号 学生姓名 专业班级 指导教师 职 称 起止日期 吉林化工学院 Jilin Institute of Chemical Technology 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 I 专业综合设计任务书 一 设计题目 间歇式反应器自控设计一 设计题目 间歇式反应器自控设计 二二 设设计计目目的的 1 进一步巩固和加深所学的自动化专业的理论知识 培养学生设计 计算 绘图 计 算机应用 文献查阅和报告撰写等基本技能 2 熟练掌握工业过程控制系统的常规设计过程 培养学生实践动手能力及独立分析和 解决工程实际问题的能力 3 熟练运用AutoCAD 等绘图工具制图 4 培养学生的团队协作精神 创新意识 严肃认真的治学态度和严谨务实的工作作风 三三 设设计计任任务务及及要要求求 1 熟悉工艺流程 根据工艺要求 确定自控方案 用 AutoCAD 绘制工艺管道及控制流 程图 2 仪表选型及调节阀和节流装置的计算 3 绘制施工图 编制自控设备表相应表格 四四 设设计计时时间间及及进进度度安安排排 设计时间共四周 2010 11 1 2010 11 19 具体安排如下表 周 安排 设 计 内 容设计时间 第一周 熟悉工艺流程 查找相关资料 根据工艺要求 确定自控方案 绘制工艺控制流程图 2010 11 1 2010 11 4 第二周 进行仪表选型及调节阀计算 绘制单回路图 绘制 仪表接线端子图 供电系统图 填写自控设备相应表格 2010 11 5 2010 11 14 第三周 完成并提交课程设计说明书及相关电子文档 课程 设计答辩 2010 11 15 2010 11 19 五五 指指导导教教师师评评语语及及学学生生成成绩绩 指导教师评语 年 月 日 成绩指导教师 签字 间歇式反应器自控设计 II 目 录 专业综合设计任务书 I 第1 章 工艺流程简介 1 1 1 工艺流程介绍 1 1 2 有关数据和已知条件 1 1 3 控制方案的确立 2 1 3 1 串级控制回路 2 1 3 2 单回路控制 3 1 4 带控制方案的工艺流程 3 第2 章 仪表选型 5 2 1 I O 点表 5 2 2 仪表选型 6 2 3 安全栅的选取 7 2 4 现场仪表的选取 7 第3 章 硬件配置 11 第4 章 盘柜设计 12 收获和体会 18 参考文献 19 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 1 第 1 章 工艺流程简介 1 1 工艺流程介绍 图1 1 间歇式化学反应器工艺流程图 间歇式化学反应器是生产苯酚过程中不可缺少的磺化工段的主要设备 其工艺流程如图 1 1 所示 首先把硫酸罐 高位槽 中的浓硫酸定量放进反应釜里 然后连续注入苯汽 其最大流量 可达2500 立升 小时 用加热油 变压器油 连续加热4 小时左右 其反应温度为120 进行 化学反应方程式如下 C6H6 H2SO4 C6H5SO3H H2O 吸热反应 最后产品C6H5SO3H 苯磺酸 由反应器底部放料 未反应完的苯汽 通过分层分离器以后回 收再使用 主要控制指标是反应物的转化率 但是现在无法直接测量 1 2 有关数据和已知条件 反应器动态特性可以近似的看成一阶惯性环节 其放大倍数 Kp 0 8 时间常数Tp 1 5 分 硫酸加入量2 吨 苯最大流量2500 立升 小时 间歇式反应器自控设计 2 变压器油温度200 最大流量5 吨 小时 反应器规定值为120 反应所需时间约4 小时 加热油管内径25 苯流量 回流管 管内径20 加热蒸汽管内径50 加热蒸汽最大流量500m3 h 压力6 m3 1 3 控制方案的确立 根据工艺过程的简述 以及性能指标的要求 确定使用的控制方案是一个串级控制和一些简 单回路控制 采用串级控制系统的部分是对 反应釜内温度和加热油流量的控制 因为采用单回路 的控制系统虽然简单但对于 加热油所受的外部扰动作用小 如加热油控制阀阀前温度的变化 系 统的抗扰动能力弱 都可能影响控制系统的品质 为此我们采用串级控制系统 在串级回路中 主控对象是反应釜内的温度 其输出作为加热油流量控制的给定值 所以 加热油的流量是被调参 数 反应釜内的温度是调节参数 这样可以大大提供控制品质 1 3 1 串级控制回路 1 串级控制 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器 前一个调节器的输出作为后一个调节器 的设定 后一个调节器的输出送往调节阀 前一个调节器称为主调节器 它所检测和控制的变量称主变量 主被控参数 即工艺控 制指标 后一个调节器称为副调节器 它所检测和控制的变量称副变量 副被控参数 是为 了稳定主变量而引入的辅助变量 整个系统包括两个控制回路 主回路和副回路 副回路由副变量检测变送 副调节器 调 节阀和副过程构成 主回路由主变量检测变送 主调节器 副调节器 调节阀 副过程和主过 程构成 一次扰动 作用在主被控过程上的 而不包括在副回路范围内的扰动 二次扰动 作用在 副被控过程上的 即包括在副回路范围内的扰动 2 串级控制系统的设计 1 主回路的设计 串级控制系统的主回路是定值控制 其设计单回路控制系统的设计类似 设计过程可以按 照简单控制系统设计原则进行 这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题 主要 包括如何选取被控参数 确定主 副回路的原则等问题 2 副回路的设计 由于副回路是随动系统 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力 二 次扰动通过主 副回路的调节对主被控量的影响很小 因此在选择副回路时应尽可能把被控过 程中变化剧烈 频繁 幅度大的主要扰动包括在副回路中 此外要尽可能包含较多的扰动 归纳如下 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 3 1 在设计中要将主要扰动包括在副回路中 2 将更多的扰动包括在副回路中 3 副被控过程的滞后不能太大 以保持副回路的快速相应特性 4 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中 5 在需要以流量实现精确跟踪时 可选流量为副被控量 在这里要注意 2 和 3 存在明显的矛盾 将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的 滞后过大 这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥 因此 在实际系统的设计中要兼顾 2 和 3 的综合 3 串级控制系统的工业应用 1 用于克服被控过程较大的容量滞后 在过程控制系统中 被控过程的容量滞后较大 特别是一些被控量是温度等参数时 控制 要求较高 如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求 利用串级控制系统存在二 次回路而改善过程动态特性 提高系统工作频率 合理构造二次回路 减小容量滞后对过程的 影响 加快响应速度 在构造二次回路时 应该选择一个滞后较小的副回路 保证快速动作的 副回路 2 用于克服被控过程的纯滞后 被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性 使控制系统不能满足生产工艺的 要求 使用串级控制系统 在距离调节阀较近 纯滞后较小的位置构成副回路 把主要扰动包 含在副回路中 提高副回路对系统的控制能力 可以减小纯滞后对主被控量的影响 改善控制 系统的控制质量 3 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力 只要在设计时把变化剧烈 幅度大的扰动包含在副回路中 即可以大大削弱其对主被控量的影响 4 用于克服被控过程的非线性 在过程控制中 一般的被控过程都存在着一定的非线性 这会导致当负载变化时整个系统 的特性发生变化 影响控制系统的动态特性 单回路系统往往不能满足生产工艺的要求 由于 串级控制系统的副回路是随动控制系统 具有一定的自适应性 在一定程度上可以补偿非线性 对系统动态特性的影响 1 3 2 单回路控制 单回路控制回路又称单回路反馈控制 由于在所有反馈控制中 单回路反馈控制是最基本 结构做简单的一种 因此 它又被称之为简单控制 单回路反馈控制由四个基本环节组成 即被控对象 简称对象 或被控过程 简称过程 测量变送装置 控制器和控制阀 所谓控制系统的整定 就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统 通过控制器参数的 调整 使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求 间歇式反应器自控设计 4 1 4 带控制方案的工艺流程 根据工艺过程的简述 以及性能指标的要求 可得出带控制方案的流程图如图1 2 图1 2 间歇式化学反应器 带控制方案工艺流程图 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 5 第 2 章 仪表选型 2 1 I O 点表 根据工艺流程图 共包含数字量输入控制点2 个 数字量输出控制点4 个模拟量输入控制点 12 个 模拟量输出控制点4 个 结合实际 I O 点表如表2 1 所示 序号序号位号位号描述描述点类型点类型电信号类型电信号类型工程量程工程量程 1P101RUN 泵 101 运行状态 DI 2P101GZ 泵 101 故障状态 DI 3P101QT 泵 101 启动停止按钮 DO 4FV102 硫酸罐出料电动控制阀 DO4 20MA0 100 5FV103 苯汽进料电动控制阀 DO4 20MA0 100 6FV104 出料口电动控制阀 DO4 20MA0 100 7TI101 反应釜上层温度显示 AIPT1000 200 8TI102 反应釜下层温度显示 AIPT1000 200 9TI103 回油管中温度显示 AIPT1000 200 10TI104 加热油进料温度显示 AIPT1000 350 11FIQ101 苯进料流量累积显示 AI4 20MA0 4000L h 12FIQ102 硫酸进料流量累积显示 AI4 20MA0 3 5t 13LI101 反应釜中液位显示 AI4 20MA0 100 14PIC101 反应釜中压力显示控制 AI4 20MA0 100 15LIC101 硫酸罐中液位显示控制 AI4 20MA0 4t 16LIC102 分层器中液位显示控制 AI4 20MA0 1t 17TIC101 反应釜中温度显示控制 AI4 20MA0 200 18FIC101 加热油进料流量显示控制 AI4 20MA0 8t h 19PV101 反应釜回收料控制阀 AO4 20MA0 100 20LV101 硫酸罐进料控制阀 AO4 20MA0 100 间歇式反应器自控设计 6 21LV102 分层器出料控制阀 AO4 20MA0 100 22FV101 加热油进料控制阀 AO4 20MA0 100 表2 1 I O 点表 表2 2 板卡数 2 2 仪表选型 基于以上I O 点表 根据各点类型 量程及安装方式 进行仪表选型 如表2 3 仪仪表表 名名称称 型型号号技技术术参参数数 量量程程 M Mp pa a 数数 量量 压力 变送 器 STG944 EIG 00000 00 住型号 STG944 量程0 140 316L 不锈钢 硅油 DC200 1 4 NPT 内螺纹 0 0 4Mp a 1 温度 变送 器 STT2SM 0 TNS 00 C 主型号 STT2SM 现场安装316 不锈钢表壳 1 2 NPT 电气 接口 数显表头 汉语说明书 0 200 1 双金 属温 度计 WSSF 481 表盘直径 100mm 外壳材质 304ss 精度 1 0 防 护等级 IP65 表玻璃材质 仪表玻璃 保护管材质 304SS 保护管尺寸 8mm 可动外螺纹连接 连接尺寸 M27 2M 带不锈钢位号牌 带法兰护套 整体钻孔 直形套管 护套套管及法兰材质 0 350 1 合计 DI 2 1 个DI8 DO 4 1 个DO8 AI 12 2 个AI8 AO 4 1 个AO8 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 7 304SS 套管内径 外径 10mm 16mm 仪表接口 M27 2F 过程接口 HG 20592 97 DN25 PN6 3MPa 0 200 3 AM54231LQNSNADV DN50 PN1 6 1 AM54231LQNSNADV DN20 PN1 6 1 转子 流量 计 TSK2020R4DN50M2CI1 表2 3 仪表选型 2 3 安全栅的选取 我们采用的产品是HR WP6047 6035 DL EXA 系列变送器检测端隔离式安全栅 不仅完全实现 了输入 输出 电源的三端隔离 而且具备配电输出功能 可直接与二 三线制变送器连接 该 系列产品不仅能与各种4 20mA 标准信号的压力 流量 液位等变送器 电 气转换器 电 气 阀门定位器等仪表配套构成本质安全防爆系统 还能与热电阻 热电偶 开关及脉冲量仪表配 套构成本质安全防爆系统 本产品无需齐纳式安全栅那样复杂严格的接地 主要技术性能 防爆标志 Ex ia C 传输精度 0 2 F S 危险区允许输入信号 直流电流 0 10mA 4 20mA 输入阻抗 100 欧姆 供电电压 空载不高于28V 满载不低于22V 向安全区输出信号 直流电流 0 10mA 4 20mA 0 20mA 直流电压 0 5V 1 5V 0 10V 电源 24V DC 10 功耗 约 1 3w 单路20mA 输出 24VDC 供电 2 4W 双路20mA 输出 24VDC 供电 外形尺寸 宽 高 深 22 5 100 115 mm 国家电仪器仪表防爆安全监督检验站 NEPSI 认证参数 9 11 端子 Uo 28 4V Isc 88mA Co 0 055 F La 32mH Um250V PO 0 624W 10 11 端子间 Uo 10 5V Co 1 7 F 安装方式 35mm 导轨式安装 安装时请注意卡位稳定 牢固 间歇式反应器自控设计 8 2 4 现场仪表的选取 1 电磁流量计 LDG S 电磁流量计 LDG S 系列电磁流量计口径从10mm 至2000mm 主要用于化工 钢铁 煤炭 给排水 造 纸 食品 纺织印染和化纤等工业领域 测量酸碱盐等强腐蚀性及液固两相流体的体积流量 可与显示 记录仪表 积算器或调节器配套 对流量进行测量 积算 调节和控制 并可 实现信号的远距离传送 传感器采用整体焊接结构 密封性好 结构简单可靠 内部无活动部件 几乎无压力损失 测量精度不受被测介质压力 温度 密度 包括液固比 粘度等物理参数变化的影响 精度对流速分布 除旋涡场外 的变化不敏感 采用低频三值矩形波励磁及采样放大技术 抗于扰能力强 零点稳定 工作可靠 工作原理 传感器是根据法拉弟电磁感应原理工作的 在与测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁 上安装了一对检测电极 当导电液体沿测量管在与交变磁场中磁力线成垂直方向运动时 导电 液体切割磁力线产生感应电势 此感应电势由测量管上两个检测电极检出 数值大小用下式表 示 E KBVD 式中 E 感应电势 D 电极间距离 B 磁感应强度 V 导电液体平均流速 K 与磁场分布及轴向长度有关的系数 介质电导率 20 S cm 成套精度 口径 10 250 0 5 1 0 口径 300 1200 1 0 1 5 输出信号 0 10mA DC 4 20mA DC 0 1kHz 配LDZ 5 型转换器 最大工作温度 口径 10 200 80 120 150 三种 口径 250 1200 80 最大工作压力 口径 10 50 4 0MPa 口径 65 125 1 6MPa 口径 150 1000 1 0MPa 口径 1200 O 6MPa 工作电流 0 5A 配LDZ 4B 型 0 2A 配LDZ 5 型 防护等级 标准型IP65 防喷水型 特殊型IP67 防浸水型 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 9 IP68 潜水型 电 源 传感器由转换器供电 转换器电源220V 50Hz 连接法兰 机标JB T81 94 国 标GB9119 88 或按用户需 2 压力变送器 YSZK 型 扩散硅压力变送器 YSZK 硅压力变送器主要用于在各种工业过程中连续测量各类液体 气体 蒸汽的压力 将被测信号转换成4 20mA DC 信号输出 可与其他单元组合仪表或DCS 系统组成检测 记录 控制等工业自动化系统 本系统防爆型产品 经国家仪器仪表防爆安全监督检验站检验认可 符合国家防爆标准GB3836 的有关规定 用途 YSZK 硅压力变送器采用标准的二线制 4 20mA DC 输出 与介质接触部分为不锈 钢或哈氏合金等耐腐蚀材料 量程调节和零点迁移范围宽并可直接安装在测量管道上 使用极 其方便 广泛应用于石油 化工 冶金 水力电力 食品医药 环境控制等行业的过程控制和 压力 液位的测量 主要特点 1 体积小 重量轻 可直接安装于检测点的管壁或容器壁上 也可通过安装支架安装 2 精度高 由于敏感芯片输出电信号于压力有着良好的线性关系 可以实现对压力的准确 测量 3 可动件少 电子元器件经过严格老化筛选 可靠性好 4 量程可调范围大 量程可调范围大于6 1 迁移方便 5 并可选择配用LCD 指示表 作现场指示用 非防爆型 6 型号 规格与主要技术性能 主要技术指标 1 输出信号 负载阻抗 传输形式和电源电压 2 输出信号 4 20mA DC 3 电源电压 12 36V DC 防爆型变送器为24V DC 4 传输形式 二线制 5 负载特性 与供电电源Vs 有关 按关系式RL 50 Vs 12 基本误差 1 基本误差小于 0 2 0 3 0 5 2 温度影响 在100kPa 60Mpa 范围内温度影响 0 2 量程上限 10 3 对外接口尺寸1 2NPT M20 x1 5 的内外螺纹 4 相对湿度 95 5 迁移范围 测量范围上限值与测量量程之差 6 量程比 一般量程比为6 1 最大量程比为10 1 7 隔离膜片材料 316 不锈钢 哈氏合金B 铂 钽 防爆等级 不带显示 8 隔爆型 ExDIIBT4 防爆合格证号GYB00298 9 本质安全型 ExiaIICT4 防爆合格证号GYB00299 10 重量约0 9kg 不带支架 间歇式反应器自控设计 10 11 正常工作条件 12 环境温度 20 80 防爆型为 20 60 13 工作介质温度 40 120 3 温度变送器 SBWZ 2480 一体化温度变送器 SBW 系列热电偶 热电阻温度变送器是DDZ S 系列仪表中的现场安装式温度变送器单元 它采用二线制传送方式 两根导线作为电源输入 信号输出的公用传输线 将热电偶 热电 阻信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的 4 20mA 的输出信号 变送器可以安装于热电偶 热电阻的接线盒内与之形成一体化结构 它作为新一代测温仪 表可广泛应用于冶金 石油 化工 电力 轻工 纺织 食品 国防以及科研等工业部门 产品特点 采用硅橡胶密封结构 因此耐震 耐湿 适合在恶劣现场环境中安装使用 现场安装于热电偶 热电阻的接线盒内 直接输出 4 20mA 这样既省去昂贵的补偿导线费 用 又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力 变送器具有输入端开路指示功能 热电偶温度变送器具有冷端温度自动补偿功能 精度高 功耗低 使用环境温度范围宽 工作稳定可靠 应用面广 既可与热电偶 热电阻形成一体化现场安装结构 也可作为功能模块安装在检 测设备中 智能型温度变送器可使用ZBT 通讯设备 一台386 或更高级的PC 机 设置变送器的型号 分度号及被测温度的量程范围 数显型温度变送器可按用户实际需要调整变送器显示屏的显示方向 输入 热电偶 K 型 E 型 B 型 S 型 T 型 J 型 N 型 热电阻 Pt100 Cu100 Cu50 三线制或四线制 输出 在量程范围内输出4 20mA 直流信号 与热电偶输入的毫伏信号成线性 与热电阻的 输入电阻信号成线性 或与温度信号成线性 隔离温度变送器 输入与输出相隔离 隔离电压为 0 5KV 增加抗共模干扰能力 更适合计算 机联网使用 基本误差 0 5 FS 传送方式 二线制 显示方式 数显型 LCD 四位显示 热电偶开路时显示E 标志且输出大于20mA 工作电源 变送器工作电源电压最低12V 最高35V 额定工作电压24V 负载 极限负载电阻按下式计算 RL max 50 Vmin 12 即24V 时 负载电阻可在0 600 范围内选择用 额定负载250 正常工作环境 a 环境温度 25 80 常温型 20 70 数显型 b 相对湿度5 95 c 机械振动f 50Hz 振幅 0 15mm d 周围空气中不含有对铬 镍镀层 有色金属及其它合金起腐蚀作用的介质 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 11 环境温度影响 0 05 1 间歇式反应器自控设计 12 第 3 章 硬件配置 间歇式化学反应器是以模拟量控制为主 带有部分 数字量控制的应用系统 包括工业生产中 的温度 压力 流量 液位等连续量的控制 根据表2 2 故选用带有A D 转换的模拟量输入模 块和带有D A 转换的模拟量输出模块 配接相应的传感器 变送器和驱动装置 选择运算功能较 强的中小型PLC 如西门子公司的S7 300 系列PLC 具体配置如表4 1 所示 序序号号型型号号及及规规格格注注释释数数量量 16ES7 307 1EA00 0AA0 电源模块 5A 1 26ES7 315 2AG10 0AB0 CPU315 2DP 128K 内存 1 36ES7 323 1BH01 0AA0 数字量8 点输入 8 点输出模块 24VDC 1 46ES7 321 1FF01 0AA0 模拟量输入模块 8 路 13Bit 2 56ES7 332 5HF01 0AB0 模拟量输出模块 8 路 13Bit 1 66ES7 390 1AF30 0AA0 导轨 530mm 1 7HR WP6047 6035 DL EXA 安全栅 16 8MY 2NJ 中间继电器 8 表4 1 PLC 模块选取 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 13 第 4 章 盘柜设计 图4 1 模块配置图 间歇式反应器自控设计 14 图4 2 盘柜布置图 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 15 图4 3 配电图 间歇式反应器自控设计 16 图4 4 数字量模块接线图 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 17 图4 5 模拟量输入模块接线图 间歇式反应器自控设计 18 图4 6 模拟量输出模块接线图 吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书 19 收获和体会 间歇式反应器自控设计是我们第一次综合性专业设计训练 它是我们第一次接触的自控系 统工程实践任务 这次设计对于即将从事工业过程设计的