聚合釜温度-温度串级控制系统

学 号：

课 程 设 计

题 目 聚合釜温度-温度串级控制系统 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

自动化 自动化卓越工程师 自动化zy1201班

傅 剑

2015 年 12 月 8 日

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 自动化zy1201

指导教师： 傅剑 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 聚合釜温度-温度串级控制系统

初始条件：

聚氯乙烯是最通用的塑料品种，广泛应用于国民经济各个领域。在氯乙稀在聚合釜中进行聚合反应的同时释放出热量，使得温度升高。为了保证产品质量，应及时将反应热移走，保持釜内温度恒定。现采用夹套中冷却水流量为控制量来控制反应温度。以聚合釜温度为主参数，以夹套中水的温度为副参数，构成串级控制系统，将反应温度控制在51℃，稳态误差±1℃

要求完成的主要任务:

1、了解聚合釜工艺设备

2、绘制聚合釜温度-温度控制系统方案图

3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数 4、撰写系统调节原理及调节过程说明书

时间安排

11月3日 选题、理解课题任务、要求 11月4日 方案设计

11月5日~11月8日 参数计算撰写说明书 11月9日 答辩

指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目 录

1.课程设计目的与要求 .................................................................................................................... 1 1.1聚合釜概述........................................................................................................................1

1.2设计目的 ............................................................................................................................ 1 2.系统总体方案论证 ........................................................................................................................ 2

2.1设计聚合釜温度控制系统总体方案论证 ........................................................................ 2 2.2聚合釜温度串级控制系统分析 ........................................................................................ 4 2.3控制规律的选择 ................................................................................................................ 4 3.仪表及器件的选择 ........................................................................................................................ 4

3.1温度传感器的选择 ............................................................................................................ 4 3.2温度变送器的选择 ............................................................................................................ 5 3.3执行器的选择 .................................................................................................................... 5 3.4调节器的选择 .................................................................................................................... 5 4 小 结........................................................................................................................................... 6 5. 参考文献 ..................................................................................................................................... 7

1课程设计目的与要求

1.1聚合釜概述

制备高分子化合物的主要设备。一般是立式圆柱形高压釜，带有夹套，以便通入蒸汽或冷水来加热或冷却。用于乳液聚合的，内有不锈钢的水平桨式搅拌器，由电动机通过传动装置和减速器传动。釜的外壁常用碳钢制成，内衬不锈钢，也有衬搪瓷的。聚合时可以单釜间歇生产，也可以是多釜串联连续生产。聚合反应物由一个釜的下部进入下一釜的上部。釜上装有温度、压力等仪表，以及进出料口等。用于本体聚合的，则釜内不装搅拌器，且不串联。

聚合釜一般由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成。由于用户因生产工艺、操作条件不尽相同，聚合釜内的搅拌型式一般有锚式、浆式、涡轮式、推进式或框式。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等。

1.2设计目的

聚氯乙烯是最通用的塑料品种，广泛应用于国民经济各个领域。在氯乙稀在聚合釜中进行聚合反应的同时释放出热量，使得温度升高。为了保证产品质量，应及时将反应热移走，保持釜内温度恒定。工艺要求反应温度为51℃±1℃。这是一个多种参数相互制约的复杂过程，工艺控制指标的好坏关系到生产能否稳定运行，生产效益以及安全问题。因此如何实现氧化炉的最优控制，多年来一直是我国化肥技术十分关注，并为之不懈努力的课题。通过技术改进，聚合釜的控制水平达到了国内先进的水平，产品质量的到提高，设备安全性得到了保证，延长了设备的运行周期，大大提高了聚合釜的经济效益。

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2系统总体方案论证

2.1设计聚合釜温度控制系统总体方案的论证

方案一：采用单回路控制系统。单回路控制系统是指有一个测量元件及变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控过程组成，并只对一个被控参数进行控制的单闭环反馈控制系统。温度传感器经变送到控制器直接控制执行器。当聚乙烯在夹套式聚合釜中进行聚合反应，生成聚氯乙烯并放出能量，经变送器传到调节器与设定值进行比较调整作用于控制器，控制器根据调节器传送的值调节阀门的开度俩控制冷却水的流量，以此控制聚合釜的温度。单闭环系统工艺图如图2.1所示。

图2.1单闭环聚合釜温度控制系统的工艺流程图

方案二：采用串级控制。采用串级控制系统是在简单的控制系统的基础上发展起来的，它增加了一个副控制回路，是系统控制品质相对于单回路控制系统有明显的提高。在系统结构上，再用串级控制系统有两个闭合回路，主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器控制调节器动作，实现对主参数的定值控制。串级系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过他们的协调工作，使主参数能够准确的控制在工艺规定的范围之内。

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图2.2聚合釜温度控制串级控制系统

图2.3串级系统方框图

方案一的单回路控制系统是最基本的控制系统。其结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，又能满足多数工业生产的控制要求，应用广泛。但是聚乙烯在聚合釜中进行聚合反应时，生产聚氯乙烯并放出热量。为了保证产品质量，要求反应温度控制在51℃±1℃，为此采用调节夹套中冷却水量来控制反应温度。但是，冷却水量和水温的变化均为聚合反应温度量的干扰因素，由于聚合釜容积大，时间常数大，容量时延大，聚合反应速度又比较快，所以单回路控制系统不能满足工艺要求，为了改善过程特性，构成以聚合温度为主参数夹套水温为副参数的串级控制系统。

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2.2聚合釜温度串级控制系统分析

方案二中前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称为主变量（主被控参数），即聚合反应的温度；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称为副变量（副被控参数），即冷却水的温度，是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个控制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。主被控变量为聚合釜温度，副被控变量为冷却水温度。由于聚合反应为放热反应，为避免聚合釜中热量过高，在无信号状态调节阀应保持在开的状态，所以调节阀选择气关阀。在聚合反应过程中当冷却水增加时，聚合反应温度降低，故主被控对象为负。当冷却水流量增大时，夹套中水温降低，故副对象为负，所以主控制器选择正作用控制器，副控制器选择负作用控制器。

在串级系统中，由于引入了一个副回不仅能尽早克服进入副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有克服的干扰影响能彻底加以消除。

2.3控制规律的选择

由于本次设计属于容量滞后较大的过程，所以选择PD控制规律能加以改善器件的选型。微分作用提高了系统的稳定性，是系统比例系数增大，加快调节过程，减小动态偏差和静差。

3仪表及器件的选择

3.1温度传感器的选择

聚合釜温度控制系统对温度要求很高，过高或过低都会影响聚合反应的效果，因此必须准确测出各点温度进行适当处理。热电偶能把温度信号转为电信号，以便于远传和实现多点切换，应用广泛。其测量范围一般为0～1800℃，它具有感温接触块、动作响应快等特点。热电阻是输出型感温元件，其测量范围在中低温度（-200～650℃），价格便宜，但不能用于点区域测量，可以用来测量一些低温且要求精度不高的温度检测点。热电偶是由两种不同成分的导体两端连接合成回路时，当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热点流。如

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果热电偶的工作端与参比端存在温差时，显示仪表就会批示出热电偶产生的热电势所对应的温度差。本设计中测量拱顶温度选用的热电偶为WRR-120B，铂铑30-铂铑6，基本误差为±2.5℃，L=1500mm，I=1000mm。送风温度选用热电偶为WRR-120B，L=1500mm，I=750mm。

3.2温度变送器的选择

热电偶的输出信号为mV级电信号，不能直接送入调节器，所以要经过温度变送器则可以将热电偶输出的mV信号转变为4-20mA或者1-5V的电信号供调节器使用。而DDZ-III型温度变送器有：（1）采用集成电路温度变送器放大单元采用高增益、低漂移集成运算放大器进行直流放大，较Ⅱ型仪表的调制放大器线路简单、元件少、可靠性高。（2）采用了线性化线路热电偶温度变送器采用非线性负反馈回路，热电阻温度变送器采用线性化电路。使变送器的输出信号和被测温度间呈线性关系，提高了精度，有利于指示，记录。（3）增加了安全措施现场的测温元件（热电偶或电阻体）与控制室温度变送器相连的线路是安全火花线路。不必再经任何安全设备可使测量元件工作在危险场所等优点。还可以有效的对热电偶进行有效的冷端补偿，所以可以选择DDZ-III型温度变送器。

3.3执行器的选择

控制过程中常用的执行器有电动和气动两种，他们均由执行机构和调节阀组成。由于聚合反应为放热反应，为避免聚合釜中热量过高，在无信号状态调节阀应保持在开的状态，所以选择气关式调节阀，调节器输出的模拟信号为4-20mA，当电信号为4 mA时，调节阀处于全开状态；当电信号为20 mA时，调节阀处于全关状态。根据管路特性、生产规模及工艺要求，宜选用百分比流量特性的调节阀，而具体的调节阀尺寸则要根据被控介质流量大小及调节阀流通能力来选择。

3.4调节器的选择

YWK-CT温度控制器采用智能PID控制，当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，YWK-CT温度控制器介意根据测量信号与给定的偏差进行比例、微分、积分运算，从而控制继电器的通断比例进而控制阀门的开度，促使测量值恢复到给定值。

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4小结

聚合釜作为反应器在化工生产中应用的越来越广，而其作为反应器有着强非线性、时变性、有噪声干扰、纯滞后、放热量大等特点，所以其建模与控制都非常的困难。在大多数聚合釜的反应中温度是反应的关键变量，所以其温度的优化控制成为提高反应产物品质及转化率的重中之重。温度检测控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。为此，可靠的温度的检测控制在工业中是十分重要的。本次设计采用了一系列一体化变送器对冷却水的温度流量分别进行检测变送，将采集到的温度、流量信号与设定值进行比较，如果偏离设定值，便进行PID调节，输出信号用以调节阀的控制，从而恢复聚合釜的正常反应温度。在未来的发展中，聚合釜温度检测控制将会成为工业生产中最重要的环节之一，如果不能对温度进行精确的检测，就不能生产出好的产品。

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5参考文献

[1] 梅丽凤，郑海英.电气控制与PLC应用技术.北京：机械工业出版社，2011: 12 [2] 刘华波，西门子S-7200PLC编程及应用精选.北京：机械工业出版社，2009:5 [3] 向晓汉等. 西门子PLC高级应用实例精讲. 北京：机械工业出版社，2010:14 [4] 樊尚春.传感器技术及应用. 第一版.北京航空航天大学出版社.2004:126 [5] 严盈富. 西门子S7-200PLC入门. 北京:人民邮电出版社. 2007:33

[6] 文小玲，曾涛.高精度温度检测系统[J].仪表技术与传感器.2007(8):46-50

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3evv.html