朱慧反应釜监控系统设计——控制部分开题报告.doc

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1、 淮 阴 工 学 院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：专 业：电气工程及其自动化设计(论文)题目：反应釜监控系统设计 控制部分指 导 教 师:年月日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文 献 综 述1.1课题基本介绍反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究，用来完成水解、中和、结晶、蒸馏、蒸发、储存、氢化、烃化、聚合、缩合、加热混配、恒温反应等工艺过程的容器。反应釜的广义理解即有物理或化学反应的不锈钢容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实

2、现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配等功能。而在传统化工生产领域，反应釜是生产化工产品如（胶水、化妆品等）的核心主要机械。反应釜的种类较多，常见的有：电加热反应釜、蒸汽加热反应釜、不饱和聚酯树脂全套设备、不锈钢反应釜、搪玻璃反应釜等。其结构由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外(内)盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却，

3、搅拌桨叶的形式等。支承座有支承式或耳式支座等。转速超过160转以上宜使用齿轮减速机.开孔数量、规格或其它要求可根据用户要求设计、制作。下面就以连续搅拌反应釜为例解析一下搅拌釜的结构及其特点。 连续搅拌反应釜的基本结构如图1.1所示。反应釜由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。筒体为一个钢制罐形容器，可以在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。为了维持反应釜内的反应温度，需要设置换热元件。常用的换热元件为夹套，它包围在筒体的外部，用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。在此空间

4、通入加热或冷却介质，通过夹套内壁传热，可加热或冷却容器内的物料，介质的每秒流量受电磁阀的控制。搅拌器是化学反应能够进行的关键部件，它提供过程所需的能量和适宜的流动状态。搅拌器有很多种类型，本文采用的是最简单的桨式搅拌器。由于化学反应对反应物的纯度有一定的要求，并且反应过程有毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告可能产生剧毒、易燃、易爆的气体和物料，所以密封装置是反应釜必不可少的一部分。传动装置包括电动机、减速机、连轴器及机架。通过电机驱动搅拌轴，带动搅拌器旋转，为物料的循环提供动力。罐顶和罐底分别装有加料口和出料口，分别用于往罐中加入物料和从罐中取走物料。为了测量釜内的温度，在罐内装有钢制的温

5、度计套管，可将温度计或温度传感器放入其中。为了满足工艺的需要，还可以外接附件装置。图1.1 反应釜结构示意图连续搅拌反应釜工作原理:在进行化学反应之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜内，在反应釜的夹套中通以一定的高压蒸汽，高压蒸汽通过反应釜的夹套提高釜内物料的温度，通过搅拌器的搅拌使物料均匀并提高导热速度，使其温度均匀。当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行，反应结束后进行冷却。有时在恒温后还要进行二次升温和恒温。恒温段是整个工艺的关键，如果温度偏高或偏低，会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质量。化学反应过程中一般伴有

6、强烈的放热效应，并且反应的放热速率与反应温度之间是一种正反馈的关系。也就是说，若某种扰动使反应温度有所增加，反应的速率就会增加，放热速率也会增加，会使反应温度进一步上升，甚至会引起“聚爆”现象，使釜内的产品变成废品，并且会影响安全生产。为了使釜温稳定，在夹套中通以毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告一定的冷却介质，来移走反应放出的多余热量。通过调节流入反应釜夹套中冷却介质的流量，来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求。1.2课题在国内外发展反应釜工作环境复杂,受不确定因素影响较大,控制起来非常困难,近年来越来越多的人倾向于反应釜智能控制器的研究,以确保生产安全、提高生产效率、改善劳动条件。

7、种外部千扰的影响比较敏感，依照机理法和最小二乘法等传统的建模方法，要建立反应过程的精确数学模型是非常困难的。自上世纪70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：(1)适应十大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。(2)能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。(3)能够适应于受控系统过程复杂、参数

8、时变的温度控制系统的控制。(4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。(5)普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。(6)温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。1.3研究的重点、难点由于反应釜反应过程受外界温度、反应物质不同、浓度等因素影响较大，生产过程也经常在高温、高压、易燃、易爆等环境下进行,生产的安全性至关重要,因此高性能

9、、高精度反应釜控制器的研制受到高度重视。在实际的生产过程中，反应釜的温度决定了产品的产量、质量，有时甚至影响到生产过程中的安全性。因此如何对反应釜内化学反应温度进行精确、有效的控制，显得至关重要。然而，由于温度对象具有非线性、时变毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告不确定、大滞后、受环境温度影响大等特点，目前反应釜内的全过程温度自动控制是重点也是难点。1)复杂性、时滞性和非线性a)化学反应的生产过程伴随着物理化学反应、生化反应、相变过程及物质和能量的转换和传递，因而是一个十分复杂的工业生产过程；b)反应釜容量大、釜壁厚，因此是一个热容量大、纯滞后时间长的被控对象；c)随着反应的进行，各传热媒

10、体的传热系数成非线性变化，并且对各种外界环境的变化比较敏感；加上反应过程增益变化也会很大，甚至增益变化方向都是不一样的；而且，随着反应的进行，釜内固体颗粒增多，釜的传热系数也会随着发生不规则变化。2)难控性a)反应过程中，由于化学反应放热过程的复杂性和非线性，各传热媒体的传热系数成非线性变化，并对各种外部干扰的影响较敏感，使得控制有一定的难度；b)反应过程中如果热量移去不及时、不均匀，会使反应温度一直往上升，极易因局部过热而造成“飞温”现象，产生“爆聚”；反之，如果热量移去过多，会造成反应温度一直往下跌，造成反应熄灭。而聚合反应好坏的主要因素就是反应釜温度控制的好坏，温度的变化将直接影响产品的

11、质量和产量，所以此过程的温度控制是重点也是难点；c)反应工艺以及反应设备的约束及外界环境对反应影响的不确定性因素也使得控制的难度增加。(3)建模难反应过程化学反应机理较为复杂，尤其是聚合反应过程涉及物料、能量的平衡，反应动力学等，加上外界条件如原料纯度、催化剂类型、原料添加数量的变化、热水温度、循环冷却液流量的变化等对系统的影响较大，推导机理模型较为困难；又由于化学反应放热过程的复杂性和非线性，随着反应的进行，各传热媒体的传热系数不规则变化对各种外部千扰的影响比较敏感，依照机理法和最小二乘法等传统的建模方法，要建立反应过程的精确数学模型是非常困难的。1.3查阅资料对课题研究的启发为了达到比较理

12、想的控制效果，经过比较和分析，这里采用西门子公司的S7-300系列PLC设备，配以上位机监控系统，并以PID控制为理论基础，实现对反应釜的温度毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告控制。为适应化工生产的新特点，一些过程控制领域中的新技术正在由理论研究转向生产实践,如信息综合处理技术、现场总线控制系统、各种智能控制技术、软计算技术和快速仿真技术、多媒体技术等。最近发展起来的现场总线网络控制系统(FCS)也是一种新的开放式的分布式控制系统。它把专用封闭协议变成标准开放协议，使系统共有完全数字计算和数字通信能力：在结构上，采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统灵活性和可靠性：传统的

13、PID控制是一种基于过程参数的控制法，具有控制原理简单、稳定性好、可靠性高、参数易调整等优点，但其设计依赖于被控对象的精确数学模型，而反应釜因为机理复杂各个参数在系统反应过程中时变，不能建立精确的数学模型，参数调整往往比较困难，难以解决系统的相对稳定性和快速性的矛盾，因而采用一般的PID控制器无法实现对反应釜的精确控制。模糊控制是一种基于规则的控制，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，控制效果好。但模糊控制器是以误差和误差变化作为输入变量，这种控制器具有模糊比例一微分控制作用，精度不太高、稳态误差较大、自适应能力有限和易产生振荡现象。针

14、对预测控制是一种优化控制算法，它是通过对某一性能指标的最优来确定未来的控制作用的，具有对模型要求低、鲁棒性好、适用于数字计算机控制的优点，但稳定性仍待提高反应釜的温度变化特点，将模糊控制、PID控制与预测控制结合起来，设计出温度控制系统，并根据反应釜装置的特点，采用比例阀控制液体流量，增加系统功能并提高响应速度。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告参 考 文 献1王晓春，刘海.反应釜控制系统的研究与实现化工自动化与仪表，2010年10期2夏晨，李朴反应釜设计及其温度控制系统J化工自动化及仪表2004年01期3郁汉琪电气控制与可编程序控制器应用技术M.南京：东南大学出版社，2003.64边春远

15、，程立英等编著.S7-300/400PLC系统设计基础与开发技巧.机械工业出版社,20085李新卫.连续反应釜温度控制系统的设计与仿真J；化工自动化及仪表.2010年11期6杨东，黄永红，张新华，吉敬华.用PLC基本指令实现自动运动定位控制的研究J.微计算机信息，2010,26（2-1）：62-647郑晟，巩建平，张学编.现代可编程控制器原理与应用.科学出版社，20078龚仲华编.S7-200/300/400PLC应用技术提高篇.人民邮电出版社，20059陈忠花编.可编程控制器与工业自动化系统.机械出版社，200410马忠孝，何印洲，刘宗振.PLC在化工反应釜自动投料的应用，2012 毕 业

16、设 计（论 文）开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）2.1本课题要研究或解决的问题1)熟悉反应釜结构、控制要求以及工作流程；2)将PID控制应用到反应釜中3)系统各部分的硬件选择4)下位机过程系统设计5)采用PLC编制反应釜控制程序，与WINCC连接调试，实现对反应釜工作过程的监控。2.2拟采用的研究手段根据设计要求，初步思路如下1）将PID控制应用到反应釜中(1)PID过程控制模块这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户使用时序要设置一些参数，使用起来非常方便，一个模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。(2)PID功能指令现在很多PLC

17、都有供PID控制用的功能指令，如S7-300的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与模拟量输入/输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果。(3)PID控制器的数字化PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。2）反应釜PLC单元设计(1)PLC STEP7编程本课题的实现所使用的设备是西门子公司的S-300系列PLC，而西门子公司为SIMATIC系列PLC和基于PC的WinAC研制出的标准工业软件就是STEP7，下面就是基于STEP7的软件编程。反应釜的温度控制涉及很多方面

18、，不能一概而论，故而在具体编程时，将整个工程毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告分为2个独立的模块，最后再统一调用。这样的话，既能增加程序的可读性，同时也可以为调试过程提供方便。(2)SIMATIC S7-300可编程控制器模块选型：a)S7-300需要24V直流的传感器/执行器为其供电；b)SIMATIC S7-300可编程控制器型号。(3)下位机程序设计SCL语言的编程环境主要由三个部分组成：a)Editor：用来编辑程序，如各种功能(FC)、功能块(FB)、组织块(OB)、数据块(DB)及用户自定义的数据类型(UDT)；b)Batch Compiler：编译由Editor编辑的程序，使

19、其能够下装到PLC并运行；c)Debugger：调试编译后的程序，找出编程中存在的错误。STEP7采用模块化编程，各个模块所具有的特定功能描述如下：0B块:系统组织块是操作系统和用户程序的接口，由SIEMENS厂家定义每个块的用途；OB1：主程序循环。OB35：以设定的时间为周期运行；OB80：时间错误；OB81：电源错误；OB82：诊断中断；OB83：插入/拔出模块中断；OB84：CPU硬件故障；OB85：优先级错误；OB86；扩展机架、DP主站系统或分布式I/0站故障；OB100：暖启动；OB122：I/O访问错误。FC块：“无存储区”的逻辑块。FC的临时变量存储在局域数据堆栈中。在FC执

20、行结束后，这些数据就丢失了。FB块:具有“存储功能”的逻辑块。数据块作为功能块的存储器(背景数据块)，传递给FB的参数和静态变量存在背景数据块中。临时变量存在本地数据堆栈中。FB块执行结FB块执行结束后，存在背景DB中的数据不会丢失。但存在本地数据堆栈中的数据将丢失。FB块可以看作是FC块的加强版，有了它的存在，使得对于经常使用的功能，复杂功能的编程变得容易。DB块:数据块主要用于存放数据。3）反应釜控制软件设计与构成(1)主画面当运行WINCC后自动显示画面。画面右侧为各种控制按钮，主画面中央为整个反应釜的基本外观，操作人员可以对除尘器当前的工作状态有个直观的认识。操作人员也可以切换到各个监

21、控子画面进一步掌握系统的工作情况。(2)监控总图显示系统的平面布置，设置不同的颜色，闪烁等动态直观、实时反映系统各个部分的工作状态。(3)报警汇总本画面显示系统运行以来的报警信号汇总，提示报誓信号产生的时间，报替的类型，发生的地点，设定报警信号始终自动刷新，同时保留未经确认的报警。提供打印功能，操作员可以打印不同时间范围内的报警信号汇总，以备查看。(4)实时曲线本画面中组态了系统所包含的模拟量的实时曲线(比如压差、温度)，也同时提供打印功能。实时曲线通过采集经过归档处理的系统模拟量信号。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：年月日 指导教师： （手写签名）所在专业审查意见： 负责人： （手写签名）年月日