指导教师评定成绩： 审定成绩： 大 学 自 动 化 学 院
过程控制系统课程设计报告
设计题目：基于工业化学反应釜的温度控制系统设计
指 导 教 师： 老师 单位（二级学院）： 自 动 化 学 院 专 业： 自动化
学 生 姓 名： 设计时间： 2014 年 6 月 自动化学院制
基于过程控制反应釜温度控制系统设计 摘要：温度是化学反应釜生产过程中对反应过程影响最重要的的因素之一，温度的控制精度、系统响应速度及稳定度是衡量温度系统性能指标的关键因素，准确地控制反应釜内原料在不同温度下进行化学反应具有重要意义。首先，本系统对反应釜的温度进行分析，得出了冷剂流量对反应釜内温度的传递函数。其次，通过单片机，利用继电器、DS18B20温度传感器、LCD液晶显示屏等设计了对反应釜进行加热与降温来实现反应釜温度控制的具体电路和实时系统，对实际化学反应过程中的温度变化进行模拟，并利用经典控制理论中的PID算法得到反应时的最优控制，并给出了详细的分析步骤和控制算法。最后，通过组态软件对整个化学反应过程进行实时监控的模拟。
关键词：温度控制 PID 单片机 组态王 一、背景及国内外研究现状 1.1 问题研究背景 在化工生产过程中, 连续反应釜是一种常用的、重要的反应容器。其化学反应机理较为复杂, 受到外界条件、原料纯度、催化剂的类型等诸多因素的影响，所以难以建立精确的数学模型, 致使整套设备的自动化水平较低。而且在反应釜中进行的反应一般属于放热反应, 反应放热量大, 传热效果却不理想, 因此反应釜内温度一般具有大滞后、非线性等特征。针对反应釜内温度变化的特点, 设计良好的温度控制系统是保证产品质量的关键。
在我国，尽管大中城市的科学技术和工业自动化的发展比较快，但是在众多的小城市与农村地区由于经济不够发达，政府扶持力度不够，存在许多不太安全的小规模化工生产项目，给人们的人生安全与财产安全带来了一定的威胁。所以，如何更安全的进行化工生产已经成为了政府和各种研究机构亟待解决和完善的事。
1.2 国内外研究现状 目前关于反应釜温度控制系统设计问题国内外都有一些研究，并且已经基本满足了工业需求。如Shinskey 与Weinstein 提出的双模控制(dual-mode)，采用bang-bang+PID 控制，其大致步骤为：过程开始时，全力加热，直至反应釜温度距其设定值为t1 度，然后全力冷却，持续TD1分钟，此后，将夹套水温设定值定在某个合适的中间温度，持续TD2 分钟，最后，用串级PID 控制器控制夹套水温度。如果参数选择得当，双模控制是有效的。
Arthur Jutan 与 Ashok Uppal 提出将反应热作为一种扰动，采用适当的方法估计出来，用前馈控制抵消；余下的部分近似为线性系统，可以用PID 控制。Barry 与Sandro 采用GMC 方法控制反应釜温度，得到了很好的仿真结果，并且进一步考察了操作条件与过程参数变动时被控过程的鲁棒性，发现GMC的鲁棒性明显强于双模控制。
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。过程控制采用的技术工具，由基地式仪表、气动单元式组合式仪表、电动单元组合式仪表Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，发展到现在的可编程单回路、双回路、三回路调节器和分散综合控制系统(DCS)。当前，传统的DCS 正借助于微处理器硬软件和通信网络技术，朝着标准化、开放化和尽量采用市场通用的优良硬、软件的方向，逐渐地、相互融合地向开放的DCS发展。如Honeywell 的 TPS，它采用通用的软件将企业的internet 网与局部控制网、通用控制网和系统总线连接在一起，配备各种平台、操作站以满足不同层次使用人员的要求。另外，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：它突破了集散型控制系统DCS 中采用专用网络的缺陷。因此对于现场总线的工业控制系统研究具有重大的意义。据报道，美国犹他州盐湖城Flying 炼油厂、孟山都化工厂、我国安庆安菱化工厂、吉林油田甲醇厂已采用FCS，取得了明显的经济效益。专家估计，FCS 将在石化行业得到广泛的应用。
二、化学反应釜的过程分析 所谓过程系统是指研究一类以物质和能量转换为基础的生产过程。为了进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程，加强生产上的管理，需要研究这类过程的描述、设计、模拟、仿真、控制和管理，最终能够显著地增加经济效益。在了解和掌握了工艺流程和生产过程动态的基础上，需要根据生产对控制提出要求。而过程控制就是应用控制理论，对生产过程进行综合分析并设计出包括被控对象、调节器、检测装置和执行器在内的过程控制系统，最后采用合适的技术手段加以实现
2.1反应釜的基本结构 化学反应釜有间歇式和连续式两种。间歇式反应釜通常用于液相反应，而连续式反应釜通常用于均相和非均相的液相反应。 图 1 反应釜结构示意图 反应釜的基本结构如图1所示。反应釜由搅拌容器和搅拌机两部分组成，搅拌容器包括筒体、换热元件级内构件；搅拌机由搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等组成。
筒体为一个钢罐形容器，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，其与容器外壁形成密闭的空间。在此空间通入冷却或加热介质，通过夹套内壁传热，可冷却或加热容器内的物料。为了测量釜内的温度，在罐内装有钢制的温度计套管，可将温度计或温度传感器放入其中。为了满足工艺的需求还可以外接附件装置。
2.2反应釜的工作原理 在进行化学之前，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，进而提高反应釜内的温度，通过搅拌使物料温度均匀，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。然而，大多数的化学反应都是放热反应，在反应的过程中釜内的温度会进一步上升，所以需要采取一定的技术手段把釜内的温度控制在某一个适宜的温度范围内，使整个化学反应速率一直保持到最大。如果温度偏低或偏高，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并浪费了资源。为了是釜内温度稳定，本系统采用喷雾的形式对放热反应的釜内进行降温，从而把釜内的温度控制在一个适宜的温度范围内使之符合工艺要求。
2.3反应釜的控制方案 在设计反应釜控制器时有必要弄清反应釜的控制目标和可能的控制手段。本系统将从将从以下几个方面考虑控制指标。
（1）能量平衡 要保持反应釜的热量平衡，应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成的热量之间相互平衡。能量平衡控制对反应釜来说至关重要，它决定了反应过程中的生产安全，也间接的保证反应釜的产品质量达到工艺要求。
（2）约束条件 与其他化工操作设备相比，反应釜操作的安全性具有更重要的意义没这样就构成了反应釜控制中的一系列约束条件。例如，不少具有催化剂的反应中，一旦温度过高或过低，反应物中含有杂质，将会导致催化剂的破损和中毒。在有些氧化反应中，反应物的配比不当会引起爆炸等等。因此，在设计中经常配置报警或自动选择性控制系统。
反应釜控制指标的选择是反应釜控制方案设计中的一个关键问题。其主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等。如果直接把这些问题作为被控对象，反应要求就得到了保证。但是，由于考虑的指标越多，对整个反应过程的控制就越难准确的控制。并且，由于测量手段的限制某些指标并不便测量，从而难以作为真正的控制指标。然而，反应过程中，温度和上述指标密切相关，又便于测量，所以本作品主要将温度作为被控量。
三、总体方案及控制算法 3.1 总体方案分析 反应釜内的温度控制是化工生产过程的中心环节，目的是保证反应过程的产物达到一定质量和控制要求，并确保反应的安全进行。由于温度能较好地测量与分析，并且能够一定程度上反映出釜内化学反应的过程，所以选用温度为间接参数是最有效的方法。因此本作品的主要任务就是要实现温度的智能控制。
要实现温度的精确控制，就要有精确的温度传感器，本作品采用DS18B20温度传感器实现多点温度采集，模拟整个反应釜内物料的温度采集，其精度较高。然而，反应釜内的温度有一定的限制，在开始阶段，由于温度低于设定的反应温度，需要通过加热装置对反应釜进行加热进而提高物料的温度。当温度接近催化剂的最适温度时，釜内的原料进行快速反应，并释放出反应热，使釜内的温度上升较快，当温度超过给定值时，催化剂的活性被抑制，从而使化学反应的速率迅速下降，所以为了将釜内温度控制在某一适宜的温度范围内，本作品采用对釜内进行冷剂喷雾来平衡釜内的温度，从而使釜内的化学反应始终保持在最适宜的状态下。
为了便于读取和控制釜内温度，本作品采用LCD液晶显示屏来实现显示功能，同时通过键盘来实现工况、反应釜内要达到的温度设定。
3.2反应釜的控制算法及其动态特性 为了对釜内温度进行较为精确的控制，有必要将反应过程分成釜内物料升温过程和化学反应开始两个阶段，其每个过程中釜内温度的变化情况有较大的差异。下面将对这两个过程加以分析。
（1）升温过程 一般的化学反应在常温条件下基本上可以忽略其反应速率，所以需要采用加热装置对釜内物料进行加热。其结构框图如下所示：
图 2 釜内升温过程结构示意图 图2 反应釜系统调节框图
