1、河南理工大學過程控制系統課程設計設計小組名稱： 設計小組成員 2017年 6 月 9日一、系統分析（包括控制需求分析、對象特性分析、工藝流程分析、系統安全要求等）一、控制需求分析1.1進料流量及比例控制反應器共有兩股連續進料。要求控制系統克服每股進料的流量擾動。同時，需要保證兩股物料以一定比例進料。1.2反應器液位控制要求選手設計液位控制系統，保證液位處于80，以獲得較大的反應停留時間，保證反應充分進行。1.3反應器壓力安全控制為保證反應安全，需要對壓力進行安全控制系統的設計。反應器，反應器耐壓約2.5MPa。為了安全，要求反應器在系統開、停車全過程中壓力不超過1.5 MPa。反應器壓力報警上

2、限組態值為1.2 MPa。1.4反應器組份控制為得到一定的轉化率的產品，要求選手對反應器最終產物的組份進行控制。反應器內主產物C重量百分比濃度在圖中指示為AI1201，反應溫度為TI1201，液位為LI1201。反應器出口流量為FI1202，由出口閥FV1202控制其流量。反應器出口為混合液，由產物C與未反應的A、B組成。1.5反應器溫度控制為保證反應的進行，需要對溫度進行控制。該連續反應系統以反應物A與反應物B，在反應溫度70.0下進行反應，反應的產物為C。1.6產物流量控制為保證產量，需要對產物流量進行控制。反應器出口流量為FI1202，由出口閥FV1202控制其流量。1.7節能環保指標控

3、制出于對效能、環境等因素的考慮，要求在控制系統設計和實施中對冷卻水用量等能耗指標予以充分考慮。反應器冷卻水入口流量為FI1105，由閥FV1105控制流量。對入口流量進行控制。1.8開車步驟順序控制從生產單元冷態起，自動開車，按照開車步驟依次將控制回路投用，保證開車穩步進行，保證系統無擾投運。開車步驟，初始條件，使得液位上升到80%；1 初始化檢查，系統處于開車前狀態，確認所有閥門處于關閉狀態。2 開FV1201約50%，開始進料。3 開FV1203約50%，開始進料。4 液位LI1201上升，物料開始反應，當反應器溫度達到45 時，調節冷卻水進料確保反應器溫度緩慢上升。5 當液位上升至80%

4、左右，打開出口閥門FV1202。6 反應器正常運行時，確保反應器溫度、壓力、液位、產品組份和出口流量均維持在工藝要求范圍內。同時，確保反應器處在安全、穩定的生產工況。二、對象特性分析物料A與物料B進行合成反應，生成的反應熱從夾套中通過冷卻水除去，反應完成的時間比停留的時間短，反應的轉化率、吸收率及副產品的分布決定于物料A與B的流量之比，通過控制反應器的液面高度來改變進料量達到物料平衡。反應器正常運行時，確保反應器溫度、壓力、液位、產品組份和出口流量均維持在工藝要求范圍內。同時，確保反應器處在安全、穩定的生產工況，盡可能減少硬性停車，保證較大的生產能力。三、工藝流程分析被控對象為過程工業常見的反

5、應器系統，屬于連續反應過程。反應過程為反應物A與反應物B發生反應，生成產物C。反應開始后由冷卻水進行冷卻。該連續反應系統以反應物A與反應物B，在反應溫度70.0下進行反應，反應的產物為C。 反應設備包括：反應器，反應器耐壓約2.5MPa。為了安全，要求反應器在系統開、停車全過程中壓力不超過1.5 MPa。反應器壓力報警上限組態值為1.2MPa。反應過程主要有兩股連續進料。第一股是反應物A，FI1201為進料流量，FV1201是進料閥；第二股是反應物B，FI1203為進料流量，FV1203是進料閥；反應器內主產物C重量百分比濃度在圖中指示為AI1201，反應溫度為TI1201，液位為LI1201

6、。反應器出口流量為FI1202，由出口閥FV1202控制其流量。反應器出口為混合液，由產物C與未反應的A、B組成。反應器冷卻水入口流量為FI1105，由閥FV1105控制流量。四、系統安全要求本次反應是主要危險地方在于反應器，物料A和物料B在反應器當中反應劇烈使反應器內部壓強增高，液位上升。通過溫度檢測裝置，當反應溫度高于所設定的警戒值時，對應的指示器變亮；同理，通過壓力和液位檢測裝置，當這兩者也高于所設定的警戒值時，各自對應的指示器變亮。當兩個或兩個以上的指示器亮起時，系統會發出警報聲響。當反應器內溫度過高時，會促使內部壓力增高，可能會對反應器造成損害且有可能對危及人身安全，造成不可估量的損

7、失。當反應器內部的壓力過高時，有可能反應器壁承受不住壓力而發生形變甚至爆炸。對反應器周圍及反應器本身造成傷害。當反應器內部的液位太高時，會使反應壓力增大，造成反應物A和B的堆積和資源浪費，不符合綠色生產和綠色設計的理念，進而影響反應結果。二、控制系統設計2.1 基礎控制系統及開車順序控制系統的設計（包括控制回路、控制算法、被控變量、操縱變量、控制規律、閥門特性、順序邏輯、安全保障等功能設計，并說明設計理由）1 進料流量及比例控制a) 因為物料A與物料B的比值是確定的:流體A可被稱為主動流體， 主流量；而流體B可稱為被動流體， 副流量，副流量為隨動控制。b) 反應罐：c) 雙閉環比值控制：因為雙

8、閉環比值控制系統提降負荷比較方便，只要緩慢地改變主流量控制器的給定值，就可以提降主流量，同時副流量也就自動跟蹤提降，并保持兩者比值不變。2 反應器液位控制：a) 為使對反應器液位的控制不影響到反應器中組份的大小和溫度壓強，所以對于反應器液位的控制采用控制反應出口流量閥FV1202的單回路控制方式。這樣可以對反應器液位的控制得到很好地解決，而不影響其他參數。而且通過控制主流量Qa，就可以控制液位的變化。b) 負反饋液位調節系統：c) 負反饋液位方框圖：3 反應器溫度控制：a) 反應器溫度控制系統：b) 反應器溫度控制方框圖：c)2.2 安全系統的設計（包括聲光報警、安全聯鎖、緊急停車、安全儀表等

9、功能設計，并說明設計理由）1 閥門選型:a) FV1202 調節閥選型氣開型： 濃液出口閥 FV1202 選用氣開型，一旦發生事故，閥處于全關狀態，不會導致憋氣，保證壓力不會太高，損環其它閥門及其它設備。為了使反應物之間成線性關系，閥門流量特性選擇百分比閥。b) 物料A進口閥 FV1201 選用氣開型：一旦發生事故，閥處于全關狀態。不會使反應器的液位升高，過高的液位可能會進入抽氣機，損壞抽氣機，閥門流量特性選擇線性閥。c) 物料B進口閥 FV1203 選用氣開型：一旦發生事故，閥處于全關狀態。不會使反應器的液位升高，過高的液位可能會進入抽氣機，損壞抽氣機，閥門流量特性選擇線性閥。d) FV12

10、03 調節閥選型氣開型：物料B進口閥 FV1203 選用氣開型，一旦發生事故，閥處于全關狀態。不會使反應器的液位升高，過高的液位可能會進入抽氣機，損壞抽氣機，閥門流量特性選擇線性閥。e) FV1104 調節閥選型氣開型：一旦發生事故，閥處于全關狀態。不會使反應器的液位升高，過高的液位可能會進入抽氣機，損壞抽氣機，閥門流量特性選擇線性閥。f) FV1202 調節閥選型氣關閥：一旦發生事故，閥處于全開狀態。不會使反應器中因為有殘留反應物而導致二次事故的爆發對相關的生命財產造成損失。2 聲光報警：該連續反應系統以反應物A與反應物B，在反應溫度70.0下進行反應，反應的產物為C。反應設備包括：反應器，

11、反應器耐壓約2.5MPa。為了安全，要求反應器在系統開、停車全過程中壓力不超過1.5 MPa。反應器壓力報警上限組態值為1.2 MPa。當溫度超過發出聲光報警，讓操作員知道，系統出錯，然后由操作員決定是否停機檢查。當反應器壓力超過上限組態值為1.2 MPa時發出聲光報警信號，讓操作員知道，系統出錯，然后由操作員決定是否停機檢查。若超過1.5 MPa時，系統自動進行停機操作！3 緊急停車 ：閥門失去控制是比較常見的硬件故障，當然這不是所有的故障，也不可能將所有的故障考慮在其中。所以前面的調范圍都要小于危險范圍，可以說是預警范圍，在這個范圍里正常系統已經失去了控制能力。需要一些特別的處理手段 。但

12、仍存在很多因素使系統不安全。比如壓力，當遇到這種況情時必須要緊急停止，并要有聲光報警。當液位高于 90%或低于 50%、溫度高于 90或低于40這些情都要立即停止。物料A和物料B進口閥和物料C出口閥分別使用氣開和氣閉，在閥門失控情況下不會導致溫度上升，只能減小 。當溫度升高時很大可能不是閥門失控。具體情要等高溫警報后人工處理。2.3 綠色生產、節能減排降耗方面的考慮由于我國已經進入工業化和城鎮化加速期，重化工業較快增長還會持續一段較長時間，這一過程中能源資源消耗和污染排放與經濟增長一般呈現正向關聯。因此，在資源稀缺與環境承載能力有限的情況下，傳統的高投入、高消耗、高排放、低效率的增長方式已經走

13、到了盡頭。不加快轉變經濟發展方式，資源難以支撐，環境難以容納，社會難以承受，科學發展難以實現。因此，為了我們的國家，為了我們了社會，為了更好的生存我們必須貫徹實施節能減排計劃。按照生產要求，溫度范圍為 70左右。顯然如果能穩定在 70時能耗更加合理。所以在溫度的選擇上既要考慮到系統穩定性，波動時是否滿足生產要求，還要考慮到，能耗問題。也要加入高效的催化劑這樣，A與B反應的更充分一些，有利于節省原材料。2.4 控制系統管道儀表流程圖（包括基礎控制系統、安全控制系統等）1 冷啟動階段:2 聲光報警系統：三、系統設備選擇（包括控制器、測量變送裝置、執行機構，DCS規模、IO模塊配置、儀表盤、控制柜、配電裝置等）四、實施效果4.1 監控畫面（包括流程畫面、趨勢畫面、報警畫面、操作畫面等）4.2 響應曲線及性能分析 （任選系統中的一個控制回路，模型參數自定，一般被控對象為一階慣性滯后環節，控制閥和變送器為純比例環節，用matlab仿真評價該回路的性能）1 溫度調節：若