基于過程控制反應釜溫度控制系統設計（光化學反應儀）
點擊次數：3603 更新時間：2023-06-29
摘要：溫度是化學反應釜生產過程中對反應過程影響Z重要的的因素之一，溫度的控制精度、系統響應速度及穩定度是衡量溫度系統性能指標的關鍵因素，準確地控制反應釜內原料在不同溫度下進行化學反應具有重要意義。先，本系統對反應釜的溫度進行分析，得出了冷劑流量對反應釜內溫度的傳遞函數。其次，通過單片機，利用繼電器、DS18B20溫度傳感器、LCD液晶顯示屏等設計了對反應釜進行加熱與降溫來實現反應釜溫度控制的具體電路和實時系統，對實際化學反應過程中的溫度變化進行模擬，并利用經典控制理論中的PID算法得到反應時控制，并給出了詳細的分析步驟和控制算法。Z后，通過組態軟件對整個化學反應過程進行實時監控的模擬。
一、背景及國內外研究現狀
1.1 問題研究背景
在化工生產過程中, 連續反應釜是一種常用的、重要的反應容器。其化學反應機理較為復雜, 受到外界條件、原料純度、催化劑的類型等諸多因素的影響，所以難以建立J確的數學模型, 致使整套設備的自動化水平較低。而且在反應釜中進行的反應一般屬于放熱反應, 反應放熱量大, 傳熱效果卻不理想, 因此反應釜內溫度一般具有大滯后、非線性等特征。針對反應釜內溫度變化的特點, 設計良好的溫度控制系統是保證產品質量的關鍵。
在我國，盡管大中城市的科學技術和工業自動化的發展比較快，但是在眾多的小城市與農村地區由于經濟不夠發達，政府扶持力度不夠，存在許多不全的小規?；どa項目，給人們的人生安全與財產安全帶來了yi定的威脅。所以，如何更安全的進行化工生產已經成為了政府和各種研究機構亟待解決和完善的事。
1.2 國內外研究現狀
目前關于反應釜溫度控制系統設計問題國內外都有一些研究，并且已經基本滿足了工業需求。如Shinskey 與Weinstein 提出的雙?？刂?dual-mode)，采用 bang-bang+PID 控制，其大致步驟為：過程開始時，全力加熱，直至反應釜溫度距其設定值為t1 度，然后全力冷卻，持續TD1分鐘，此后，將夾套水溫設定值定在某個合適的中間溫度，持續TD2 分鐘，Z后，用串級PID 控制器控制夾套水溫度。如果參數選擇得當，雙?？刂剖怯行У?。
Arthur Jutan 與 Ashok Uppal 提出將反應熱作為一種擾動，采用適當的方法估計出來，用前饋控制抵消；余下的部分近似為線性系統，可以用PID 控制。Barry 與Sandro 采用GMC 方法控制反應釜溫度，得到了很好的仿真結果，并且進一步考察了操作條件與過程參數變動時被控過程的魯棒性，發現GMC的魯棒性明顯強于雙?？刂?。
為適應化工生產的新特點，一些過程控制領域中的新技術正在由理論研究轉向生產踐，如信息綜合處理技術、現場總線控制系統、各種智能控制技術、軟計算技術和快速仿真技術、多媒體技術等。過程控制采用的技術工具，由基地式儀表、氣動單元式組合式儀表、電動單元組合式儀表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，發展到現在的可編程單回路、雙回路、三回路調節器和分散綜合控制系統(DCS)。當前，傳統的DCS 正借助于微處理器硬軟件和通信網絡技術，朝著標準化、開放化和盡量采用市場通用的優良硬、軟件的方向，逐漸地、相互融合地向開放的DCS發展。如Honeywell 的 TPS，它采用通用的軟件將企業的internet 網與局部控制網、通用控制網和系統總線連接在一起，配備各種平臺、操作站以滿足不同層次使用人員的要求。另外，Z近發展起來的現場總線網絡控制系統(FCS)也是一種新的開放式的分布式控制系統。它把封閉協議變成標準開放協議，使系統共有數字計算和數字通信能力：在結構上，采用了全分布式方案，把控制功能下放到現場，提高了系統靈活性和可靠性：它突破了集散型控制系統DCS 中采用網絡的缺陷。因此對于現場總線的工業控制系統研究具有重大的意義。據報道，美國猶他州鹽湖城Flying 煉油廠、孟山都化工廠、我國安慶安菱化工廠、吉林油田甲醇廠已采用FCS，取得了明顯的經濟效益。專家估計，FCS 將在石化行業得到廣泛的應用。
二、化學反應釜的過程分析
所謂過程系統是指研究一類以物質和能量轉換為基礎的生產過程。為了進一步改善工藝操作，提高自動化水平，優化生產過程，加強生產上的管理，需要研究這類過程的描述、設計、模擬、仿真、控制和管理，Z終能夠顯著地增加經濟效益。在了解和掌握了工藝流程和生產過程動態的基礎上，需要根據生產對控制提出要求。而過程控制就是應用控制理論，對生產過程進行綜合分析并設計出包括被控對象、調節器、檢測裝置和執行器在內的過程控制系統，Z后采用合適的技術手段加以實現
2.1反應釜的基本結構 化學反應釜有間歇式和連續式兩種。間歇式反應釜通常用于液相反應，而連續式反應釜通常用于均相和非均相的液相反應。
反應釜由攪拌容器和攪拌機兩部分組成，攪拌容器包括筒體、換熱元件級內構件；攪拌機由攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等組成。
筒體為一個鋼罐形容器，可以在罐內裝入物料，使物料在其內部進行化學反應。為了維持反應釜內的反應溫度，需要設置換熱元件。常用的換熱元件為夾套，它包圍在筒體的外部，其與容器外壁形成密閉的空間。在此空間通入冷卻或加熱介質，通過夾套內壁傳熱，可冷卻或加熱容器內的物料。為了測量釜內的溫度，在罐內裝有鋼制的溫度計套管，可將溫度計或溫度傳感器放入其中。為了滿足工藝的需求還可以外接附件裝置。
2.2反應釜的工作原理
在進行化學之前，先將反應物按照yi定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應釜內，在反應釜的夾套中通以yi定的高壓蒸汽，進而提高反應釜內的溫度，通過攪拌使物料溫度均勻，當釜內溫度達到預定的溫度時，保持yi定時間的恒溫以使化學反應正常進行，反應結束后進行冷卻。然而，大多數的化學反應都是放熱反應，在反應的過程中釜內的溫度會進一步上升，所以需要采取yi定的技術手段把釜內的溫度控制在某一個適宜的溫度范圍內，使整個化學反應速率一直保持到Z大。如果溫度偏低或偏高，會影響反應進行的深度和反應的轉化率，從而影響了產品的質量并浪費了資源。為了是釜內溫度穩定，本系統采用噴霧的形式對放熱反應的釜內進行降溫，從而把釜內的溫度控制在一個適宜的溫度范圍內使之符合工藝要求。
2.3反應釜的控制方案
在設計反應釜控制器時有必要弄清反應釜的控制目標和可能的控制手段。本系統將從將從以下幾個方面考慮控制指標。
(1)能量平衡
要保持反應釜的熱量平衡，應使進入反應器的熱量與流出的熱量及反應生成的熱量之間相互平衡。能量平衡控制對反應釜來說至關重要，它決定了反應過程中的生產安全，也間接的保證反應釜的產品質量達到工藝要求。
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