精馏塔温度控制新版专业系统设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 过程控制系统 课程设计（论文）题目： 精馏塔温度控制系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化093 学 号： 学生姓名： 杨昌宝 指导老师： （签字）起止时间： 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名杨昌宝专业班级093课程设计（论文）题目精馏塔温度控制系统设计课程设计（论文）任务课题完成设计任务及功效、要求、技术参数实现功效在精馏塔精馏过程中，由蒸汽加热塔釜底部留出液体，变为蒸汽和进料逆向流动进行热交换，其间需要控制提馏段温度恒定。液体进料量是随上游产量改变，波动较大；试设计精馏塔提馏段温度控制系统，采取适合控制算法，输入设定温度值，并实时显示目前温度。设计任务及要求1、确定控制方案并绘制P&ID图、系统框图；2、选择传感器、变送器、控制器、实施器，给出具体型号和参数；3、确定控制器控制规律和控制器正反作用方法；4、若设计由计算机实现数字控制系统，应给出系统硬件电气连接图及程序步骤图；5、在试验室进行计算机软件仿真，并给出仿真结果；6、按要求书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数测量范围：01000；控制温度：6505； 最大偏差：10。进度计划1、部署任务，查阅资料，了解掌握系统控制要求。（2天，分散完成）2、确定系统控制方案，绘制P&ID图、系统框图。（1天，试验室完成）3、选择传感器、变送器、控制器、实施器，给出具体型号和参数。（2天，分散完成）4、确定控制器控制规律、控制器正反作用方法和确保系统无余差。（试验室1天）5、仿真分析或试验测试、答辩。（3天，试验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）指导老师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导老师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要伴随石油化工快速发展，精馏操作应用越来越广，分流物料组分越来越多，分离产品纯度越来越高。采取提馏段温度作为间接质量指标，它能够较直接地反应提馏段产品情况。将提馏段温度恒定后，就能很好地确保塔底产品质量达成要求值。所以，在以塔底采出为关键产品、对塔釜成份要求比对馏出液高时，常采取提馏段温度控制方案。因为精馏塔操作受物料平衡和能量平衡制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂、综合性控制要求，设计了基于串级控制精馏塔提馏段温度控制系统。精馏塔大多数前馈信号采取进料量。当进料量来自上一工序时，除了多塔组成塔系中可采取均匀控制或串级均匀控制外，还有用于克服进料扰动影响控制方法前馈反馈控制。前馈控制是一个估计控制，经过对系统目前工作状态了解，估计出下一阶段系统运行情况。假如和参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰取得赔偿，稳定输出，消除误差。前馈缺点是在使用时需要对系统有正确了解，只有了解了系统模型才能有针对性给出估计赔偿。但在实际工程中，并不是全部干扰全部是可测，并不是全部对象全部是可得到正确模型，而且大多数控制对象在运行同时本身结构也在发生改变。所以仅用前馈并不能达成良好控制品质。这时就需要加入反馈，反馈特点是依据偏差来决定控制输入，不管对象模型怎样，也不管外界干扰怎样，只要有偏差，就依据偏差进行纠正，能够有效消除稳态误差。处理前馈不能控制不可测干扰。 前馈反馈综合控制在结合二者优点后，能够提升系统响应速度关键词：提馏段 温度 前馈-反馈 串级控制目 录第1章 绪 论1第2章 控制方案22.1 概述22.2系统组成总体结构2第3章 系统仪表选择73.1 检测变送器原理73.1.1 温度变送器选择73.1.2 流量变送器选择83.1.3 液位变送器选择93.2 实施器选择103.3 调整器选择103.4 调整器和实施器、检测变送器选型11第4章 系统仿真134.1串级控制系统matlab仿真分析134.2液位控制系统仿真分析14第5章课程设计总结16参考文件17第一章 绪论精馏操作是炼油、化工生产过程中一个十分关键步骤。精馏塔控制直接影响到工厂产品质量、产量和能量消耗，所以精馏塔自动控制长久以来一直受到大家高度重视。精馏塔是一个多输入多输出对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制要求又大多较高。这些全部给自动控制带来一定困难。同时各塔工艺结构特点有千差万别，这需要深入分析特征，结合具体塔特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔控制最终目标是：在确保产品质量前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了愈加好实现精馏目标就有了提馏段温度控制系统产生。按提馏段指标控制方案：当塔釜液为关键产品时，常常按提馏段指标控制。假如是液相进料，也常采取这类方案。这是因为在液位相进料时，进料量改变，首先影响到塔底产品浓度，塔顶或精馏段塔板上温度不能很好地反应浓度改变，所以采取提馏段控制温度比较立即。另外假如对釜底出料成份要求高于塔顶出料，塔顶或精馏段板上温度不能很好反应组分改变和实际操作回流比大于几倍最小回流比时，可采取提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标间接指标，而以改变再沸器加热量作为控手段方案，就是提馏段温控。第2章 课程设计方案2.1概述此次设计关键是综合应用所学知识，设计精馏塔提馏段温度控制系统，能够较全方面地巩固和应用过程控制系统课程中所学基础理论和基础方法，并初步掌握精馏塔提馏段温度控制系统设计基础方法。应用场所: 关键使用于精馏塔提馏段温度控制对塔底产品成份要求比对塔顶产品成份要求严格全部为液相进料塔顶或精馏段温度不能很好反应组成改变，即组成改变时，精馏段塔板温度改变不显著，或进料含比塔顶产品更轻影响温度和成份关系轻杂质。采取回流控制时，回流量较大，它微小改变对产品成份影响不显著，而改变较大又会影响精馏塔平稳操作场所。系统功效介绍: 影响精馏塔温度不稳定原因关键是来自外界来干扰（如进料流量，温度及成份等改变对温度影响）。通常情况下精馏塔塔釜温度，我们是经过控制精馏塔釜内灵敏板温度来控制。灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度改变最灵敏一块塔板。以往调整只是采取灵敏板温度调整器单一回路调整，调整反应慢，时间滞后，对精馏操作而言，产品纯度极难确保。精馏塔是一个多输入多输出对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制要求大多较高。精馏塔控制最终目标是：在确保产品质量前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了愈加好实现精馏目标就有了提馏段温度控制系统产生。 2.2.系统组成总体结构精馏塔控制目标应是：在确保产品质量合格前提下，使塔总收益（利润）最大或成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必需控制系统。（1）产品质量指标控制 塔顶或塔底产品之一合乎要求分离纯度，另一端产品成份应维持在要求范围内。在一些特定条件下也有要求塔顶和塔底产品均确保一定纯度要求。（2）产品产量符合物料平衡标准，塔顶、塔底平均采出量应等于平均进料量，而且这两个采出量变动应该比较缓解，以维持塔正常平稳操作，和上下工序协调工作。为此，必需对冷凝液罐（回流罐）和塔釜液位进行控制，使其介于要求上、下限之间。（3）能量平衡控制 应使精馏塔输入、输出能量维持平衡，使塔操作压力维持稳定。实现很好经济性。（4）约束条件控制为确保精馏塔正常而安全稳定地运行，必需使一些操作限制在约束条件之内。常见精馏塔限制条件有气相速度限、最小相速度限、操作压力限和临界温差限等。所谓气相速度限，即塔内气相上升速度过高时，雾沫夹带十分严重，实际上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生泛液，破坏正常操作。最小相速度限，精馏塔上升蒸汽速度最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层液相，造成漏液，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。 操作压力限，每个精馏塔全部存在着一个最大操作压力限，精馏塔操作压力过大，影响塔内气液平衡，超出这个压力，塔安全就没有保障。 临界温差限关键是指再沸器两侧温差程度，当这一温差低于临界温差时，给热系数会急剧下降，传热量会随之下降，将不能确保塔正常传热需要。2.2.1控制方案选择因为精馏塔是以复杂控制系统，依据不一样控制要求，控制方案多个多样。方案一： 提馏段前馈反馈控制其P&ID图以下图所表示：图2.1提馏段前馈反馈控制 精馏塔提馏段温度为主被控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量串级控制系统和进料量为前馈信号组成相乘型前馈反馈控制系统。以前馈原理角度看，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器设定。从比值控制原理角度看，进料流量和加热蒸汽量应保持一定比值关系，当提馏段温度有偏差时应调整该比值。在前馈-反馈控制回路中，依据安全运行准则，当系统出现故障时，蒸汽阀门应处于关闭状态，所以选择阀门1为气开阀，所以。依据工艺条件确定副被控对象特征。阀打开，蒸汽量增加，可确定。依据负反馈准则，选反作用控制器，即：。蒸汽量增加，提馏段温度升高，。依据负反馈准则，选反作用控制器，即。副控制器是反作用，主控制器从串级切换到主控时，主控制器作用方法不变。前馈-反馈控制部分结构框图图下图所表示图2.2 系统结构框图方案二： 以下图所表示在蒸汽输入端引入串级控制系统，在塔釜出料端引入选择性控制系统。其P&ID图以下图所表示 图2.3 精馏塔提馏段复杂控制系统蒸汽输入端串级控制系统串级控制系统就是两只调整器串联起来工作，其中一个调整器输出作为另一个调整器给定值系统。整个系统包含两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调整器、调整阀和副过程组成；主回路由主变量检测变送、主调整器、副调整器、调整阀、副过程和主过程组成。一次扰动：作用在主被控过程上，而不包含在副回路范围内扰动。二次扰动：作用在副被控过程上，即包含在副回路范围内扰动。为了提升精馏效率和确保产品纯度，我们采取灵敏板温度调整器和再沸器加热蒸汽流量调整器串级控制系统来对灵敏板温度进行控制。其中灵敏板温度调整器是主调整器，再沸器加热蒸汽流量调整器是副调整器，对映主被控变量为提馏段温度，副被控变量为蒸汽流量。串级控制部分结构框图图下图所表示 图2.4 串级控制部分结构框图在串级控制回路中，依据安全运行准则，当系统出现故障时，蒸汽阀门应处于关闭状态，所以选择阀门1为气开阀，所以。 依据工艺条件确定副被控对象特征。阀打开，蒸汽量增加，可确定。 依据负反馈准则，选反作用控制器，即：。蒸汽量增加，提馏段温度升高，。 依据负反馈准则，选反作用控制器，即。副控制器是反作用，主控制器从串级切换到主控时，主控制器作用方法不变。经过实际改造和使用，串级控制系统增加副控制回路，是控制系统性能得到改善，表现在下列方面。1、抗干扰性强。因为主回路存在，进入副回路干扰影响大为减小。同时，因为串级控制系统增加了一个副回路，含有主、副两个调整器，大大提升了调整器放大倍数，从而也就提升了对干扰克服能力，尤其对于进入副回路干扰。表现更为突出。2、立即性好。串级控制对克服容量滞后大对象尤其有效。3、适应能力强。串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调整器来说，却是一个随动控制系统，主调整器能够依据对象操作条件和负荷改变情况不停纠正副调整器给定值，以适应操作条件和负荷改变。4、能够更正确控制操纵变量流量。当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀回差、阀前压力波动全部会影响到操纵变量流量，使它不能和主控制器输出信号保持严格对应关系。采取串级控制系统后，引入流量副回路，使流量测量值和主控制器输出一一对应，从而能够更正确控制操纵变量流量。经过采取串级控制系统，塔釜温度控制愈加平稳，产品纯度很高，伴随控制系统软件和硬件不停发展和完善，计算机集散型控制系统应用和普及，精馏塔分离质量将会越来越好，分离精度也将会越来越高。第3章 系统仪表选择3.1 检测变送器原理检测变送步骤作用是将工业生产过程参数（流量、压力、温度、物位、成份等）经检测、变送单元转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采取4-20mA,1-5V,0-10mA电流或电压信号，20-100kPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号为数字信号。图3-1为检测变送步骤工作原理 图3.1 检测变送步骤工作原理图 检测元件和变送器基础要求是正确、快速和可靠。正确指检测元件和变送器能正确反应被控或被测变量，误差应小；快速指能立即反应被控或被测变量改变；可靠是检测元件和变送器基础要求，它应能在环境工况下长久稳定运行。3.1.1 温度变送器选择一、温度变送器介绍 SBWR系列热电偶温度变送器是DDZ-S系列仪表中现场安装式温度变送器单元。它采取二线制传送方法（两根导线作为电源输入，信号输出公用传输线）。将热电偶信号变换成和输入信号或和温度信号成线性420mA输出信号。 变送器能够安装于热电偶接线盒内和之形成一体化结构。它作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防和科研等工业部门。二、特点 1采取硅橡胶密封结构，所以耐震，耐湿，适合在恶劣现场环境中安装使用。 2现场安装于热电偶接线盒内，直接输出420mA，这么既省去昂贵赔偿导线费用，又提升了信号长距离传送过程中抗干扰能力。 3变送器含有输入端开路指示功效，热电偶温度变送器含有冷端温度自动赔偿功效。 4精度高、功耗低、使用环境温度范围宽，工作稳定可靠。 5应用面广，既可和热电偶形成一体化现场安装结构，也可作为功效模块安装在检测设备中。 6智能型温度变送器可使用带HART协议通讯设备、一台PC机，设置变送器型号、分度号及被测温度量程范围。 7数显型温度变送器可按用户实际需要调整变送器显示器显示方向。三、关键技术指标输入：热电偶 K型、E型、B型、S型、T型、J型、N型输出：在量程范围内输出420mA直流信号。和热电偶输入毫伏信号成线性；或和温度信号成线性。 隔离温度变送器，输入和输出相隔离，隔离电压为0.5KV增加抗共模干扰能力，更适累计算机联网使用。基础误差：*0.5FS传送方法：二线制显示方法：（数显型）LCD四位显示，热电偶开路时显示E标志且输出大于20mA。工作电源：变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。负 载：极限负载电阻按下式计算：RL(max)=50(Vmin-12)（即24V时，负载电阻可在0600范围内选择用）额定负载250。正常工作环境：a）环境温度250C800C（常规型）250C700C（数显型）b）相对湿度595c）机械振动f50Hz，振幅 0.15mmd）周围空气中不含有对铬、镍镀层、有色金属及其它合金起腐蚀作用介质。环境温度影响：0.05/10C3.1.2 流量变送器选择本系统选择电磁流量计TI046D，法拉第电磁感应定律指出，导体在磁场中运动时会产生感应电压。在电磁仪表中，流动介质相当于运动导体。和流速成百分比感应电压用两个测量电极检出并传送到放大器。流体体积依据管道直径进行计算，恒定磁场由交变极性开关直流电流产生。工作原理图3.2所表示 图3.2 电磁流量计测量原理Ue = B L vQ = A vUe = 感应电压B = 磁感应强度（磁场）L = 电极间距V = 流速Q = 体积流量A = 管道截面积I = 电流强度该流量计电源为3-30V直流电，测量范围0.01 10 m / s，输出可选择电流输出或脉冲输出。在本系统中选择电流输出，其大小为4 - 20 mA。3.1.3 液位变送器选择本系统选择YSB型液位变送器，YSB型液位变送器分一体式液位变送器和分体式液位变送器，采取24V直流供电，含有420mADC两线制或15VDC三线制标准信号输出。它采取优异压阻式硅传感器，含有体积小，重量轻，安装、调试和使用方便等优点。广泛试用于：油田、煤油厂、化工厂、水处理厂、水库油井、油罐、水箱、水罐、水处理池、供水池、配水池等无腐蚀性、腐蚀性静态、动态液体液位测量和控制。压阻式硅传感器，其敏感部件是由沉积硅制成惠斯登电桥，桥路电阻沉积在基片上，因为二者材料特征相同，所以漂移极小，很稳定，且使用激光刻蚀电阻实现070范围内整体温度赔偿功效并进行校准，无需外部电阻。3.2 实施器选择 实施器在控制回路最终端，所以，又称为最终元件。实施器直接和被控介质接触，在高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境运行时，实施器选择尤为关键。控制器动作是由调整器输出信号经过多种实施机构来实现，在由电信号作为控制信号控制系统中，现在广泛使用是以下三种控制方法：1 按动力起源分，有气动和电动两大类；2 按动作极性分，有正作用和反作用两大类；3 按动作特征分，有百分比和积分两大类。本系统采取智能直行程电动调整阀，用来对控制回路流量进行调整。电动调整阀型号为QSVP-16K。含有精度高、技术优异、体积小、重量轻、推进力大、功效强、控制单元和电动实施机构一体化、可靠性强、操作方便等优点。电源为单相220V，控制信号为4-20mA或1-5VDC，输出为4-20mADC阀位信号，使用和校正很方便。3.3 调整器选择调整器是系统大脑和指挥中心，是整个控制系统关键所在，输入信号进入调整器，而且根据调整器控制规律进行计算，即进行大脑信号处理，运算处理结果作为输出信号控制实施机构动作，完成指挥控制系统任务。本系统选择DDZ-型PID调整器。DDZ-型仪表采取了集成电路和安全火花型防爆结构，提升了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型工业生产防爆要求。DDZ-型仪表含有以下关键特点：（1）采取国际电工委员会（IEC）推荐统一信号标准，现场传输信号为DC 4-20mA，控制室联络信号为DC 1-5V，信号电流和电压转换电阻为250。（2）广泛采取集成电路，仪表电路简化、精度提升、可靠性提升、维修工作量降低。（3）整套仪表可组成安全火花型防爆系统。DDZ-型仪表室按国家防爆规程进行设计，而且增加了安全栅，实现了控制室和危险场所之间能量限制于隔离，使仪表能在危险场所中使用。DTZ-2400 DDZ-型PID调整器接线端子图图3.3,关键由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动和自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调整器接收变送器送来测量信号(DC 4-20mA或DC 1-5V），在输入电路中和给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD和PI电路中进行PID运算，最终由输出电路转换为4-20mA直流电流输出。图3.3 DTZ-2400 DDZ-型PID调整器接线端子图 DTZ-2400仪表技术参数:1、输入信号： 15V.DC2、内给定信号：15V.DC3、外给定信号：420mA.DC4、调整作用： 百分比+积分+微分；百分比带：2500%； 积分时间：0.012.5分；微分时间：0.0410分（可切除）5、输入、给定指示表： 指示范围：0100%；误差：1%6、输出指示表：指示范围：0100%；误差：25%7、输出信号：420mA.DC3.4 调整器和实施器、检测变送器选型调整器、实施器、变送器控制信号均采取国际标准信号制，即420mA直流电流和15V直流电压。信号电流和电压转换电阻为250。表3.4 器件选型调整器温度传感器液位传感器流量变送器DTZ-2400 DDZ-型PID调整器SBWR-2260 K 热电偶温度变送器YSB型液位变送器电磁流量计TI 046D第4章 系统仿真4.1串级控制系统matlab仿真分析 图4.1串行控制系统图 图4.2串行控制系统仿真图 图4.3 图4.4这里Kc=10 ，Ti=1，D=0采取PID控制器，有仿真图可看出伴随P增大，系统稳定性增强，振荡幅度降低。 4.2液位控制系统仿真分析图4.5 图4.6 图4.7图4.8第5章课程设计总结在为期一个多星期课程设计中，碰到过很多很多问题，但我经过很多有效地路径，比如上网查相关资料，问身边同学和好友，或请教本专业老师，全部得到了处理。在设计过程中，从拿到题目，方案设计到方案确实定，全部经过了严谨思索，回路设计，调整器正反作用确实定，被控参数选择，使系统能够达成设计目标。经过这次设计，我对过程控制系统在工业中利用有了深入认识，对过程控制系统设计步骤、思绪有一定了解和认识。我学到了控制系统设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到关键作用。和此同时，在团体协作中使我们在和人共事之中学会交流学会合作。参考文件1何衍庆，黎冰，黄海燕工业生产过程控制化学工业出版社，.2司士辉过程控制M工业出版社，3彭军过程控制技术M西安电子科技大学出版社，4陈杰，黄鸿过程控制技术M北京：高等教育出版社，5胡乾斌，李光斌，李玲MTALAB原理和应用M华中科技大学出版社，6潘立登. 过程控制, 北京：机械工业出版社, 7楼然苗，李光飞MTALAB设计实例M北京航空航天大学出版社，8朱定华，戴汝平单片微机原理和应用M清华大学出版社，9卢丽君.基于TLC1543 单片机多路采样监测系统设计J.仪器仪表和分析监测，,(04):5-7.10张青春.基于单片机酒精浓度气体检测系统设计.哈淮阴工学院硕士学位论文.：20-2511胡华.石油控制理论 D.杭州:浙江大学,.