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高温高压反应釜系统研制

作　者: 胡学敏
导　师: 王昌龙
学　校: 扬州大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 压力容器高温高压反应釜控制系统模糊控制 Labview界面 PID控制 MODBUS通信
分类号: TH49
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

反应釜属压力容器范畴,是需要接受政府部门安全监察的特种设备。它是在多项新材料、新技术、新工艺综合开发的工业产品,同时又是很多新工业的催化剂,应用广泛。本课题高温高压反应釜,其各方面性能要求,都远超过常规工业应用反应釜。本课题高温高压反应釜系统主要由三部分组成：反应釜及电磁感应加热系统；控制系统；操作界面。研制过程当中,本课题解决了多个结构、材料、及软件问题,积累下的相关方法与理论,具有重要的工程应用价值。本课题反应釜结构设计方面,采用简单的单层釜体结构,使反应釜便于加工,同时降低成本。在高压设计方面,采用爆破失效准则进行设计；高温设计方面,是本课题的最大难点,主要从选材的方面加以突破。在反应釜加热方式方面,本课题采用电磁感应加热的方法。控制系统方面,高温高压反应釜控制系统应用了主流的PID控制策略和模糊控制,主要控制装置包括电脑,中频电源,虹润仪表,ADAM模块。本课题的控制对象是反应釜温度和压力,其中温度的控制是重点,本系统的温度测控装置主要由热电偶跟虹润仪表组成,各仪表之间的通讯采用MODBUS通信,其接口是工业普遍应用的RS-485接口,可以很方便的组建局部通信网络。操作界面是体现操作系统人性化设计的一部分,一个良好的操作界面可以为工作带来很多便利。本系统的操作界面主要实现反应釜加热过程的显示和检测,并且能对实验数据进行处理和保存。具备查询,打印等功能,可实现系统的自动控制与手动控制之间的切换。在本课题的设计过程当中,采用从整体到局部的设计思想,根据实际需要考虑设计的因素。在相关理论的支持下,进行初步设计,并且加以试验。而最终的完成,更依赖与后期的多次调试与改动。设计方法方面,在设计过程中,广泛采用CAD技术,使设计工作大大减轻。在反应釜结构校核方面,ANSYS的引入,缩短了校核时间,而且结果直观。在控制系统设计方面,MATLAB的强大功能,可以为控制系统的设计带来便利,节省大量的数据计算时间。在系统界面设计过程中,Labview的直观GUI语言,让界面的编写显得很轻松,可以让人将精力关注在控制的逻辑构成,而不必过多在意控件的编写。本课题涉及方面广泛,涉及材料,机械,控制及通信。本文对逐个系统做出了介绍,并给出了相关设计过程。其中难点是反应釜的高温设计,其工艺要求反应釜在1200℃下能承受80MPa高压,TZM合金的存在解决了本课题的最关键问题。另外,实践证明单纯的理论往往无法带来良好的设计,一个完善的设计需要结合具体的工程实践经验和系统的不断调试。最后,文章总结了课题的不足,并展望了未来研究方向。特别是对控制系统方面,提出了改进想法

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-14
  1.1 选题背景  8-9
  1.2 研究现状  9-12
    1.2.1 压力容器  9-10
    1.2.2 我国发展与现状  10-11
    1.2.3 过程控制的发展  11-12
  1.3 研究意义  12-13
    1.3.1 新材料  12
    1.3.2 新工艺  12-13
  1.4 研究方法和内容  13-14
第二章反应釜结构与加热方式研究  14-33
  2.1 高温高压反应釜概述  14-15
  2.2 反应釜高压设计  15-17
    2.2.1 单层厚壁圆筒的爆破压力  15
    2.2.2 工程上应用的主要计算公式  15-17
  2.3 釜体壁厚计算  17-18
    2.3.1 弹性失效计算准则  17
    2.3.2 爆破失效准则  17-18
    2.3.3 按爆破失效设计准则的壁厚计算  18
  2.4 反应釜高温设计  18
    2.4.1 变形理论  18
    2.4.2 变形准则  18
    2.4.3 断裂准则  18
  2.5 反应釜结构设计  18-23
    2.5.1 反应釜结构形式的选择  18-20
    2.5.2 釜体材料与壁厚设计  20-23
  2.6 釜体设计校核  23-29
    2.6.1 釜体应力分析  23-24
    2.6.2 釜体应力验算  24
    2.6.3 三维建模与有限元仿真  24-29
  2.7 电磁感应加热研究  29-32
    2.7.1 感应加热分析  30
    2.7.2 感应加热时圆柱体温度的分布  30-31
    2.7.3 电磁感应加热模型简化处理  31-32
  2.8 小结  32-33
第三章过程控制系统  33-58
  3.1 过程控制概述  33
  3.2 过程控制的分类和特点  33-35
    3.2.1 过程控制的分类  33-34
    3.2.2 过程控制的特点  34-35
  3.3 基本控制器  35-38
    3.3.1 PID控制  35-37
    3.3.2 模糊控制  37
    3.3.3 模糊理论的原理与应用  37-38
  3.4 控制系统设计  38-40
  3.5 过程控制硬件  40-49
    3.5.1 中频电源  40-44
    3.5.2 紫铜管  44
    3.5.3 虹润仪表  44-45
    3.5.4 热电偶  45-47
    3.5.5 压力传感器  47-48
    3.5.6 ADAM-4021模块和RS-485接口  48-49
  3.6 系统电路  49-52
    3.6.1 热电偶冷端补偿电路  50
    3.6.2 模拟PID调节器原理电路  50-51
    3.6.3 压力传感器及其变送电路  51-52
  3.7 控制方案实现  52-57
    3.7.1 模糊控制器设计  53-55
    3.7.2 控制系统仿真与调试  55-57
  3.8 小结  57-58
第四章仪表通信及界面设计  58-66
  4.1 仪表通信概述  58-59
    4.1.1 仪表通信及通信协议  58-59
    4.1.2 数据通信网的组网方式  59
    4.1.3 MODBUS总线简介  59
  4.2 虹润5300系列仪表通信  59-61
  4.3 LabVIEW界面及程序  61-66
    4.3.1 数据采集和通信  61-63
    4.3.2 读写仪表  63-65
    4.3.3 上位机操作界面  65-66
第五章系统调试与总结  66-71
  5.1 高温高压反应釜安全  66
  5.2 反应釜加热调试  66-67
  5.3 反应釜控制系统调试  67-69
  5.4 总结及展望  69-71
参考文献  71-73
致谢  73-74
攻读硕士学位期间发表旳论文  74-75

高温高压反应釜系统研制

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