溶剂缓冲罐压力控制系统设计VIP

/过程限制课程设计（论文）题目：溶剂缓冲罐压力限制系统设计院（系）：专业班级：学号：学生姓名：摘要在生产中为了保障罐内物质的平安，通常须要向罐内注入氮气等气体，但是当通入气体过多时会使罐内压力变大，从而引发爆炸的紧急；但罐内气体过少时又起不了爱惜的作用。因此，限制反应罐内压力的大小至关重要。本课设的目的是用溶剂缓冲罐来缓解压力，其设计接受分程限制方案。当压力上升时，让进气阀减小开度并对排气阀适当的增加开度以达到减小压力的目的。当压力降低时接受增大进气阀开度并减小排气阀开度的方法来增大压力。设计中接受压力变送器，限制器和两个调整阀来对缓冲罐压力进行精确的限制，文中并对其进行了仿真分析。接受溶剂缓冲罐压力限制系统具有平安性高，操作简便，灵敏性能强等优点。关键词：分程限制系统；压力调整器；罐内压力

目录TOC\o"1-3"\f\h\z第1章绪论 11.1过程限制技术的发展 11.2缓冲罐内压力限制技术 1第2章方案论证 32.1任务分析 32.2分程限制系统方案设计 32.3系统的总体构成 4第3章变送器选型 73.1变送器的选型 73.2限制器的选型 73.3执行器的选型 83.4电器转换器 8第4章限制规律选择 104.1PID选择 104.2限制器的气开气关及正反作用选择 11第5章仿真分析探讨 135.1PID对限制的影响 135.2仿真过程分析 13第6章课程设计总结 15绪论过程限制技术的发展过程限制通常是指连续生产过程的自动限制，是自动化技术最重要的组成部分之一。其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医药、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。过程限制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行限制，使其保持恒定或按确定规律变更，在保证产品质量和生产平安的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。连续生产过程的特征是：呈流淌状的各种原料中连续流淌过程中，伴随着物理变更、化学反应、生化反应、物质能量的转换和传递。连续型生产过程常常要求苛刻的工艺条件，如高温、高压等；现场存在易燃、易爆或有害泄漏等紧急，生产条件恶劣；须要有爱惜人身和生产设备平安的特别措施等。在大型的连续生产系统中，影响生产过程的因素和条件一般不止一个，各自所起到作用也不同，这就确定了过程限制的困难性和多样性。鉴于限制过程困难多样、过程限制方案种类丰富，过程限制系统有多种分类方法。按所限制的参数来分，有温度限制系统、压力限制系统、流量限制系统等；按限制系统所处理的信号方式来分，有模拟限制系统和数字限制系统；按限制器类型来分，有常规仪表限制系统和计算机限制系统，而计算机限制系统还可分为DDC、DCS和现场总线限制系统（FCS）；按限制系统的结构和所完成的功能来分，有串级限制系统、匀整限制系统、自适应限制系统等；按限制规律来分，有比例限制、比例积分限制、比例微分限制、比例积分微分限制系统等；按限制系统组成回路的状况来分，有单回路和多回路限制系统、开环和闭环限制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量限制系统等。以原委接受哪种分类方法并无原则性的规定。下面介绍两种常见的分类方法：按设定值的形式不同分为定制限制系统、随动限制系统、程序限制系统；按系统的结构特点分为反馈限制系统、前馈限制系统、前馈—反馈复合限制系统。1.2缓冲罐内压力限制技术缓冲罐限制压力限制是通过进气阀将气体输入缓冲罐内，通过限制罐内气体的多少来变更缓冲罐内的压力。主要用于各种系统中缓冲系统的压力波动，使系统工作更平稳，其原理是通过压缩罐内压缩空气来实现，被广泛应用于供水设备和中心空调系统等。本课设的目的是用溶剂缓冲罐来缓解压力，当压力过高过时，压力调整器输出将上升，出气的压力调整阀慢慢关闭，进气的压力调整阀将慢慢打开，罐压力将慢慢下降；当罐内压力下降时，压力调整器输出将下降，出气的压力调整阀慢慢打开，进气的压力调整阀将慢慢关闭，罐压力将慢慢上升，从而达到限制压力的目的。方案论证任务分析本次试验是用溶剂缓冲罐缓解压力，当压力过高过低都影响平安生产。压力过高可以排放到燃烧炉，过低可以补充氮气，总体上要保证压力稳定。当压力过高过时，压力调整器输出将上升，出气的压力调整阀慢慢关闭，进气的压力调整阀将慢慢打开，罐压力将慢慢下降；当罐内压力下降时，压力调整器输出将下降，出气的压力调整阀慢慢打开，进气的压力调整阀将慢慢关闭，罐压力将慢慢上升，从而达到限制压力的目的。通过分析，可以达到限制压力的系统可以为串级限制系统和分程限制系统。但是因为分程限制系统有着结构简洁，易操作，干扰因素少等一系列的优点，因此接受分程限制系统。分程限制系统方案设计一台调整器去操纵两只调整阀，实施（动作过程）是借助调整阀上的阀门定位器对信号的转换功能。例如图中的A、B两阀，要求A阀在调整器输出信号压力为0.02～0.06MPa变更时，作阀的全行程动作，则要求附在A阀上的阀门定位器，对输入信号0.02～0.06MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa，而B阀上的阀门定位器，应调整成在输入信号为0.06～0.1MPa时，相应输出为0.02～0.1MPa。依据这些条件，当调整器（包括电/气转换器）输出信号小于0.06MPa时A阀动作，B阀不动；当输出信号大于0.06MPa时，而B阀动作，A阀已动至极限；由此实现分程限制过程。图2.1分程限制结构图接受分程限制可提高阀的可调比，设限制阀可控最小流量Qmin,可限制最大流量为Qmax,定义可调比R=Qmax/Qmin。其中，限制器接受PIC3624其作用是通过传感器传入的缓冲罐内压力的大小，分别限制进气阀和出气阀的开关。调整阀的作用是调整进气阀和出气阀的开关。其中调整阀A的作用是限制气体进入缓冲罐内的多少；调整阀B的作用是限制从缓冲罐内排出的气体的多少。对象即被控对象，是由两个调整阀共同作用来影响的。调整阀A调整阀A对象限制器对象限制器 调整阀B调整阀B测量变送测量变送图2.2分程限制系统框图系统的总体构成PVA接受分程系统限制，具体结构图如下：PVA阀A压力变送器阀B阀A压力变送器阀BPTPT排气 氮气缓冲罐缓冲罐图2.3系统总体构成图当反应物进入反应罐中，传感器检测罐内的压力，当传感器检测到罐内增大的时候，为了保障罐内的平安，此时就须要对反应罐进行降压。应用分程限制，将反应物进入罐内的调整阀适当的关闭，并将解除的调整阀适当的开大，从而达到降低罐内压力减小的目的。当传感器检测到反应罐内的压力减小时，限制进气调整阀适当的打开，排出调整阀适当的关闭。从而达到使罐内压力增大的目的。变送器选型本次探讨所用到的主要的器件包括：压力变送器；限制器；执行器和电气转换器。变送器的选型本次设计缓冲罐内的压力的测量范围是1~2KPa可设接受分散硅传感器。它是运用硅片的压阻效应，选用IC工艺技术分散四个等值应变电阻，组成惠斯通电桥。不受压力效果时电桥处于平衡状况；当遭到压力(或压差)效果时，电桥的一对桥臂电阻变大，另一对变小，电桥失去平衡。若对电桥加一稳定的电压(电流)，便可检测到对应于所加压力的电压信号，然后到达丈量液体、气体压力巨细的意图。特色：量程规模大，最小0-100Pa最大0-100MPa；零点小；精度高，可达0.1%；分辩率高；带防腐膜片的传感器，可丈量腐蚀性介质；体积小、高阻抗、低功耗、抗干扰实力强；任务频率高、寿命长、运用规模广泛等特色。变送器基本参数：量程范围:0-10KPa；精度等级：±0.5级；环境温度：-20℃～50℃；给定方式：内/外给定切换，外给定时，红色灯亮；外给定信号：DC4～20mA；适用介质：气体和液体；输出信号：DC4～20mA；输出信号指示：误差±2.5%；调整动作：比例+积分+微分；限制器的选型接受沈阳双联仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调整仪表，其中SA-18智能调整仪限制挂件为AI-741。AI-741型仪表为PID限制型，输出为4~20mADC信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议和上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。基本参数为：输出信号：DC4～20mA；输出信号指示：误差±2.5%；调整动作：比例+积分+微分；输入信号：0~10KPa；执行器的选型在现代工业中，电动设备比气动设备普遍，因为气动设备须要花费较大的投资而且传递速度较慢，但气动设备的优越性不行忽视，首先是在平安防爆上，气动设备不会产生电火花及发热问题，而且气动设备在发生管路堵塞，气流短路，机件卡涩等故障时确定不会发热损坏。在耐潮湿和恶劣环境方面也比电动设备强。本设计为汽油管道，所以接受气动执行器。通过调整阀的选择原则及本系统的要求，选择omal公司生产的DA-SR系列调整阀，该阀结构简洁,操作便利,选用调温范围广、响应时间快、密封性能牢靠,并可在运行中随意进行调整,因而广泛应用于化工、石油、食品、轻纺等部门。1、调整阀技术参数（1）公称通径(阀座直径mm)：10、12、15、25、80、100、125、150；（2）公称压力(Mpa)：1.0、1.4、4.0、6.4；（3）固有流量特性：直线、等百分比；（4）信号范围：0-10V或4-20mA；（5）作用方式：气开、气关；2、主要性能指标（1）基本误差：±2.5%；（2）额定行程偏差：±1.5%；（3）额定流量系数偏差：±10%；为了防止物料的奢侈，调整阀接受气开式，一旦调整阀失去能源（断气），阀将处于关闭状态，不致奢侈物料。电器转换器EPC-3000电-气转换器是一种新型结构的电-气转换单元，它可将调整阀A和调整阀B输入电流信号转换成相对应输出的气动信号。该转换器内部有一个气动功率放大器，可以得到较高输出功率的气动信号到各种气动执行机构，以提高执行机构的动作度。

其特点：限制精度高，体积小，灵敏度高，动用速度快，耗气量小，调校便利。基本参数为：基本误差：±1％；

回差：≤1％；

死区：≤0.5％；；

相对湿度：18％-85％RH；

最大流量m3/h：7.6（0.175KPa时）；

20（0.7KPa时）；

耗气量m3/h：0.3；

环境温度：-35℃~+60℃；

气源接口：ф6-M10×1；

电源接口：G1/2；

外壳材料：铸铝（喷涂工艺处理）；

外形尺寸：87×160×107；97×186×202（mm）（隔爆型）；

重量：0.94（一般型及本安型）；2.35（隔爆型）。 限制规律选择PID选择限制器的作用是对来自变送器的测量信号和给定值比较所产生的偏差e(t)进行比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。选择限制器的限制规律是为了使限制器的特性和限制过程的特性能很好协作，使所设计的系统能满足生产工艺对限制质量指标的要求。比例限制规律(P)是一种最基本的限制规律，其适用范围很广。在一般状况下限制质量较高，但有余差。此外，当过程惯性时延较大时，由于纯比例作用在起始段动作不够灵敏，因而超调量较大，同时加长了过渡过程时间，于是纯比例作用的应用受到了限制。对于过程限制通道容量较大，纯时延较小，负荷变更不大，工艺要求又不太高的场合，可选用比例限制作用。比例限制规律(P)的微分方程数学模型为：(4-1)比例积分(PI)限制规律，由于引入积分作用能消退余差，所以当过程容量较小，负荷变更较大，工艺要求无余差时，接受比例积分限制规律可以获得较好的限制质量。但是当过程限制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用简洁引起较大的超调，可能出现持续振荡，所以要尽可能避开用比例积分限制规律，不然会降低限制质量。通常对管道内的流量或压力限制，接受比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。比例积分(PI)限制规律的微分方程数学模型为：(4-2)比例微分(PD)限制规律，由于引入微分，具有超前作用，对于被控过程具有较大容量时延的场合，会大大改善系统的限制质量。但是对于时延很小，扰动常见的系统，由于微分作用会使系统产生振荡，严峻时会使系统发生事故，所以应尽可能不用微分作用。比例微分(PD)限制规律的微分方程数学模型为：(4-3)比例积分微分(PID)作用是一种志向的限制作用，一般均能适应不同的过程特性。当要求限制质量较高时，可选用这种限制作用的限制器。比例积分微分(PID)限制规律的微分方程数学模型为：(4-4)其中：：为限制器的输出号，：放大倍数，：积分时间常数，：微分时间常数，：设定值和测量值偏差信号。限制器的气开气关及正反作用选择当缓冲罐内压力刚起先变大时，A阀慢慢关闭，此时B阀仍保持关闭状态，当压力持续变大时，A阀处于全闭状态，此时应打开慢慢打开B阀，直到压力保持设定值时停止。反之亦然。由图可知，A阀为气关，B阀为气开阀。阀阀门开度%A阀B阀图4.1阀门开度由于本可设接受的是分程限制系统，分程限制系统是单回路限制系统的一部分，因此应当接受比例积分调整。其优点是比例积分调整结合了比例的快速和积分的消退偏差而且比例积分调整既能刚好又能消退偏差。有图知，A阀为反作用B阀为正作用。GvA(s) -GvA(s)G0(s)X(S)G0(s)GvB(s)GvB(s) - +Gm(s)Gm(s)图4.2系统框图Gc(s)Gc(s)仿真分析探讨PID对限制的影响由上图探讨可知，本次探讨内容接受PI即比例积分调整。（1）比例P调整在P调整中，调整器的输出信号和偏差信号成比例，即。比例调整是有差调整，比例调整的残差随着比例带的加大而加大，称为比例带，其中KP为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调整系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必需保证系统具有确定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的状况，进一步减小比例带系统就不稳定了。（2）积分I调整在I调整中，调整的输出信号的变更速度和偏差信号e成正比，即称为积分速度，其中TI为积分时间常数。增大积分速度将会降低限制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调整是无差调整，只有当被调量偏差为零时，I调整的输出才保持不变。I调整的稳定作用比P调整差,假如只接受I调整不行能得到稳定的系统，且振荡