过程控制工程
课程设计说明书
课程设计名称：理想单反应反应过程温度控制系统设计 设计时间： 2014.9.1~2014.9.19 姓 名： 郭 伟 班 级： 自1101 学 号： 1501110113
南京工业大学自动化学院
2014年9月
四、课程设计内容
1.反应器温度控制系统设计的目的意义
这次课程设计我们小组做的是理想单反应反应过程温度控制系统设计，这是一个简单的间歇反应过程，该过程只涉及一个反应，两个反应物的化学液相,发生一阶,不可逆转的,放热反应，可用以下反应方程式表示：
A+B→C
根据控制要求，该过程物料B一次加入，设计控制策略控制A进料、冷水和热水流量来控制反应器温度。搭建仿真平台，设计2-4个简单回路和至少包含一个复杂控制系统的控制策略，并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。
如图所示的一个间歇式反应器，物料B一次性加入反应器中，物料A自顶部连续进入槽中，经反应后从底部排出。反应器的温度通过夹套中的冷热水流量控制。槽中装有物料搅拌装置，能够通过搅拌物料促使物料的反应和连续槽反应器中物料之间的热扩散而持各处物料温度一致。冷却水流量可以通过调节阀控
制，从而控制反应器内物料温度的恒定。
2.反应器温度控制系统工艺流程及控制要求
反应器的主要任务是维持物料在反应过程中温度的恒定，从而保证产品的质量。进料从反应器顶进入反应器内反应，在搅拌装置的搅拌下充分反应并维持物料温度基本处处一致，被夹套内进水维持在设定温度T1，在冷热水进水水管上分别装设一个调节阀，用它来控制水的流量以恒定温度T1的目的。
引起温度T1改变的扰动因素很多，主要有：
（1）进水方面（水温和阀前的水压）的扰动;
（2）物料方面（进料的温度和速度）的扰动；
（3）反应器壁对外界的散热扰动；
其中进水方面的扰动和物料方面的扰动为主要扰动，反应器壁的扰动可以不单独考虑，而归结到冷却水方面的扰动去。
3.总体设计方案
（1）.进水方面(如图)：
分析：反应器温度控制中，不同工况需要不同控制手段。反应初期需加热升温，达到反应条件，反应开始后由于反应放热，又需要冷却降温。同一个温度控制器要控制冷热水两个控制阀，因此需要分程控制。
对冷热水的进水，设计一个分程控制方案，将夹套的温度作为设定值，冷热水流量为被控对象。反应停止时，冷却水全开，所以冷水阀选气关，即Kv20。冷水阀开大，温度下降，Kp20。根据负反馈准则，控制器TIC-1101B选反作用。
画出控制回路图如下：
（2）物料方面(如图)：
对物料进料设计一个串级控制方案，将反应器的温度作为主被控对象，进料管阀前压力作为副被控对象，根据安全性准则，选气开型控制阀，Kv>0,阀门打开，流量增加，Kp2>0,根据负反馈原则，控制器PIC—1101选反作用。进料流量增加，反应器温度降低，Kp1
画出控制回路图如下：
控制回路中，主控制器选定值控制，副控制器选随动控制。
优点：对进入副环的扰动，串级控制系统能够及时克服，在扰动影响下，主被控变了的最大动态偏差减小。
4.各仪表的选取及元器件清单
（1）.温度测量与変送
温度测量仪表的选择：由于系统对温度的要求不是很高，而系统的温度范围也在0~100℃之内，则只需要一般的测温元件，故选择K型热电偶。
温度变送器仪表的选择：DDZ-Ⅲ类仪表相对于DDZ-Ⅱ类仪表的一个优点为电流范围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，所以应选择DDZ-Ⅲ型K型热电偶温度变送器——DZ-5130K型热电偶温度变送器。
DZ-5130的主要技术指标
(2)调节器的选择
由于已经选用DDZ-Ⅲ型变送器，所以调节器也选用DDZ-Ⅲ的，主、副调节器选型一致，都选用DTZ-2100D。它是全刻度指示调节器，是DDZ-III系列仪表中调节单元的基型
品种，它接受变送器经信号分配器送来的信号征收给定信号进行比较，对其差值进行比例、积分、微分运算，以电流输出控制执行机构。主要技术指标为：
输入信号： 1-5VDC
给定方式： 内给定1-5DVC 外给定4-20mDVC(250Ω±0.1%)
输出信号： 4-20mADC
闭环跟踪误差：
负载电阻： 205Ω-750Ω
功 能： 自动/手动，非平衡无扰动切换
调节动作： PD；PI；PID
比 例 带：(P)2%-500%
积分时间：(Ti)0.01分-2.5分和0.1分-25分两档(开关切换)
微分时间：(TD)关、0.04分-10分(开关切换)
微分增益： KD=10
工作环境： 环境温度： 0-50℃；相对湿度： ≤85%(RH)
电源电压： 24VAC±10%
功 耗： 3W
重 量： 3kg
（3）.执行器的选择
阀门选择气动薄膜式单座直通阀，安装方式为气关。为了能够和DTZ-2100D调节器匹配需另加一个电气阀门定位器，电气阀门定位器的型号为HEP-17，主要技术指标为：
(1)、精度：小于全行程±1%。
(2)、回差：小于全行程1%。
(3)、死区：小于全行程0.4%。
(4)、特性：线性(可改变成快开、等百分比特性)。
(5)、气源压力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。
(6)、最大流量：140NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。
(7)、耗气量：5NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。
(8)、环境温度：-25℃～+55℃。
(9)、环境湿度：10-90%RH。
(10)、最大行程速度：4mm/秒(配ZH -22执行机构时)。
(11)、输入阻抗：250 Ω(4-20mADC) 100Ω(10-50mADC)。
(12)、电气连接：G1/2螺纹。
(13)、气管连接：卡套式气管接头(φ6或φ8)。
(14)、防爆(防护)型式(等级)：隔爆型d(Diibt6)，本质安全型 i(iaIICT6)
(15)外壳材料：铝合金 喷朔工艺处理
(16)外形尺寸：392.5*141.5*231(mm)(长*宽*高)
(17)重 量： 3.5kg
控制系统仪表元件清单
总 结
通过本次设计，我学会了系统建模的一般过程，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对实际控制系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识，真正的将理论知识应用到了实践当中。
通过这次的过程设计，我学到了很多东西，把以前学过的知识又重新学了一遍，使我进一步的掌握了MATLAB、CAD、MCGS 等软件的操作，并且学会了怎么做好一个课程设计，使我们的理论知识与实践相结合，锻炼了我的实际动手操作能力。
这次的课程设计对我马上要开始的毕业设计做了一个很好的铺垫，使我学会了怎么选题，如何查资料，怎么样做好一个设计等等。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，有一种的懵的感觉，不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。
对生产过程进行控制是我们工作中非常重要的一项任务，通过此次课程设计我比较清楚地明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想，对我以后的工作将产生很深远的影响。
过程控制工程
课程设计说明书
课程设计名称：理想单反应反应过程温度控制系统设计 设计时间： 2014.9.1~2014.9.19 姓 名： 郭 伟 班 级： 自1101 学 号： 1501110113
南京工业大学自动化学院
2014年9月
四、课程设计内容
1.反应器温度控制系统设计的目的意义
这次课程设计我们小组做的是理想单反应反应过程温度控制系统设计，这是一个简单的间歇反应过程，该过程只涉及一个反应，两个反应物的化学液相,发生一阶,不可逆转的,放热反应，可用以下反应方程式表示：
A+B→C
根据控制要求，该过程物料B一次加入，设计控制策略控制A进料、冷水和热水流量来控制反应器温度。搭建仿真平台，设计2-4个简单回路和至少包含一个复杂控制系统的控制策略，并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。
如图所示的一个间歇式反应器，物料B一次性加入反应器中，物料A自顶部连续进入槽中，经反应后从底部排出。反应器的温度通过夹套中的冷热水流量控制。槽中装有物料搅拌装置，能够通过搅拌物料促使物料的反应和连续槽反应器中物料之间的热扩散而持各处物料温度一致。冷却水流量可以通过调节阀控
制，从而控制反应器内物料温度的恒定。
2.反应器温度控制系统工艺流程及控制要求
反应器的主要任务是维持物料在反应过程中温度的恒定，从而保证产品的质量。进料从反应器顶进入反应器内反应，在搅拌装置的搅拌下充分反应并维持物料温度基本处处一致，被夹套内进水维持在设定温度T1，在冷热水进水水管上分别装设一个调节阀，用它来控制水的流量以恒定温度T1的目的。
引起温度T1改变的扰动因素很多，主要有：
（1）进水方面（水温和阀前的水压）的扰动;
（2）物料方面（进料的温度和速度）的扰动；
（3）反应器壁对外界的散热扰动；
其中进水方面的扰动和物料方面的扰动为主要扰动，反应器壁的扰动可以不单独考虑，而归结到冷却水方面的扰动去。
3.总体设计方案
（1）.进水方面(如图)：
分析：反应器温度控制中，不同工况需要不同控制手段。反应初期需加热升温，达到反应条件，反应开始后由于反应放热，又需要冷却降温。同一个温度控制器要控制冷热水两个控制阀，因此需要分程控制。
对冷热水的进水，设计一个分程控制方案，将夹套的温度作为设定值，冷热水流量为被控对象。反应停止时，冷却水全开，所以冷水阀选气关，即Kv20。冷水阀开大，温度下降，Kp20。根据负反馈准则，控制器TIC-1101B选反作用。
画出控制回路图如下：
（2）物料方面(如图)：
对物料进料设计一个串级控制方案，将反应器的温度作为主被控对象，进料管阀前压力作为副被控对象，根据安全性准则，选气开型控制阀，Kv>0,阀门打开，流量增加，Kp2>0,根据负反馈原则，控制器PIC—1101选反作用。进料流量增加，反应器温度降低，Kp1
画出控制回路图如下：
控制回路中，主控制器选定值控制，副控制器选随动控制。
优点：对进入副环的扰动，串级控制系统能够及时克服，在扰动影响下，主被控变了的最大动态偏差减小。
4.各仪表的选取及元器件清单
（1）.温度测量与変送
温度测量仪表的选择：由于系统对温度的要求不是很高，而系统的温度范围也在0~100℃之内，则只需要一般的测温元件，故选择K型热电偶。
温度变送器仪表的选择：DDZ-Ⅲ类仪表相对于DDZ-Ⅱ类仪表的一个优点为电流范围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，所以应选择DDZ-Ⅲ型K型热电偶温度变送器——DZ-5130K型热电偶温度变送器。
DZ-5130的主要技术指标
(2)调节器的选择
由于已经选用DDZ-Ⅲ型变送器，所以调节器也选用DDZ-Ⅲ的，主、副调节器选型一致，都选用DTZ-2100D。它是全刻度指示调节器，是DDZ-III系列仪表中调节单元的基型
品种，它接受变送器经信号分配器送来的信号征收给定信号进行比较，对其差值进行比例、积分、微分运算，以电流输出控制执行机构。主要技术指标为：
输入信号： 1-5VDC
给定方式： 内给定1-5DVC 外给定4-20mDVC(250Ω±0.1%)
输出信号： 4-20mADC
闭环跟踪误差：
负载电阻： 205Ω-750Ω
功 能： 自动/手动，非平衡无扰动切换
调节动作： PD；PI；PID
比 例 带：(P)2%-500%
积分时间：(Ti)0.01分-2.5分和0.1分-25分两档(开关切换)
微分时间：(TD)关、0.04分-10分(开关切换)
微分增益： KD=10
工作环境： 环境温度： 0-50℃；相对湿度： ≤85%(RH)
电源电压： 24VAC±10%
功 耗： 3W
重 量： 3kg
（3）.执行器的选择
阀门选择气动薄膜式单座直通阀，安装方式为气关。为了能够和DTZ-2100D调节器匹配需另加一个电气阀门定位器，电气阀门定位器的型号为HEP-17，主要技术指标为：
(1)、精度：小于全行程±1%。
(2)、回差：小于全行程1%。
(3)、死区：小于全行程0.4%。
(4)、特性：线性(可改变成快开、等百分比特性)。
(5)、气源压力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。
(6)、最大流量：140NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。
(7)、耗气量：5NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。
(8)、环境温度：-25℃～+55℃。
(9)、环境湿度：10-90%RH。
(10)、最大行程速度：4mm/秒(配ZH -22执行机构时)。
(11)、输入阻抗：250 Ω(4-20mADC) 100Ω(10-50mADC)。
(12)、电气连接：G1/2螺纹。
(13)、气管连接：卡套式气管接头(φ6或φ8)。
(14)、防爆(防护)型式(等级)：隔爆型d(Diibt6)，本质安全型 i(iaIICT6)
(15)外壳材料：铝合金 喷朔工艺处理
(16)外形尺寸：392.5*141.5*231(mm)(长*宽*高)
(17)重 量： 3.5kg
控制系统仪表元件清单
总 结
通过本次设计，我学会了系统建模的一般过程，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对实际控制系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识，真正的将理论知识应用到了实践当中。
通过这次的过程设计，我学到了很多东西，把以前学过的知识又重新学了一遍，使我进一步的掌握了MATLAB、CAD、MCGS 等软件的操作，并且学会了怎么做好一个课程设计，使我们的理论知识与实践相结合，锻炼了我的实际动手操作能力。
这次的课程设计对我马上要开始的毕业设计做了一个很好的铺垫，使我学会了怎么选题，如何查资料，怎么样做好一个设计等等。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，有一种的懵的感觉，不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。
对生产过程进行控制是我们工作中非常重要的一项任务，通过此次课程设计我比较清楚地明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想，对我以后的工作将产生很深远的影响。