精馏塔温度控制系统设计.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 指导教师： （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）任务课题完毕的设计任务及功能、规定、技术参数实现功能在精馏塔的精馏过程中，由蒸汽加热塔釜底部留出液体，变为蒸汽与进料逆向流动进行热互换，其间需要控制提馏段的温度恒定。液体进料量是随上游产量变化，波动较大；试设计精馏塔提馏段温度控制系统，采用适合的控制算法，输入设定温度值，并实时显示当前温度。设计任务及规定1、拟定控制方案并绘制P&ID图、系统框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、拟定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、若设计由计算机实现的数字控制系统，应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；5、在实验室进行计算机软件仿真，并给出仿真结果；6、按规定的书写格式，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、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制规定。（2天，分散完毕）2、拟定系统的控制方案，绘制P&ID图、系统框图。（1天，实验室完毕）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。（2天，分散完毕）4、拟定控制器的控制规律、控制器正反作用方式以及保证系统无余差。（实验室1天）5、仿真分析或实验测试、答辩。（3天，实验室完毕）6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完毕）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分流物料的组分越来越多，分离的产品纯度越来越高。采用提馏段温度作为间接质量指标，它可以较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达成规定值。所以，在以塔底采出为重要产品、对塔釜成分规定比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。由于精馏塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂的、综合性的控制规定，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段温度控制系统。精馏塔的大多数前馈信号采用进料量。当进料量来自上一工序时，除了多塔组成的塔系中可采用均匀控制或串级均匀控制外，尚有用于克服进料扰动影响的控制方法前馈反馈控制。前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运营状况。假如与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺陷是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才干有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，并且大多数控制对象在运营的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达成良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。 前馈反馈综合控制在结合两者的优点后，可以提高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系统组成的总体结构2第3章 系统仪表选择73.1 检测变送器的原理73.1.1 温度变送器的选择73.1.2 流量变送器的选择83.1.3 液位变送器的选择93.2 执行器的选择103.3 调节器的选择103.4 调节器与执行器、检测变送器的选型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16参考文献17第一章 绪论精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。精馏塔的控制直接影响到工厂的产品的质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制规定又大多较高。这些都给自动控制带来一定的困难。同时各塔工艺结构特点有千差万别，这需要进一步分析特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔的控制最终目的是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了更好实现精馏的目的就有了提馏段温度控制系统的产生。按提馏段指标的控制方案：当塔釜液为重要产品时，经常按提馏段指标控制。假如是液相进料，也常采用这类方案。这是由于在液位相进料时，进料量的变化，一方面影响到塔底产品浓度，塔顶或精馏段塔板上的温度不能很好地反映浓度的变化，所以采用提馏段控制温度比较及时。此外假如对釜底出料的成分规定高于塔顶出料，塔顶或精馏段板上温度不能很好反映组分变化和实际操作回流比大于几倍最小回流比时，可采用提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，而以改变再沸器加热量作为控手段的方案，就是提馏段温控。第2章 课程设计的方案2.1概述本次设计重要是综合应用所学知识，设计精馏塔提馏段温度控制系统，可以较全面地巩固和应用过程控制系统课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握精馏塔提馏段温度控制系统设计的基本方法。应用场合: 重要使用于精馏塔提馏段温度控制对塔底产品成分的规定比对塔顶产品成分的规定严格所有为液相进料塔顶或精馏段温度不能很好的反映组成的变化，即组成变化时，精馏段塔板温度变化不显著，或进料含比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系的轻杂质。采用回流控制时，回流量较大，它的微小变化对产品成分影响不显著，而变化较大又会影响精馏塔平稳操作的场合。系统功能介绍: 影响精馏塔温度不稳定的因素重要是来自外界来的干扰（如进料流量，温度及成分等的变化对温度的影响）。一般情况下精馏塔塔釜的温度，我们是通过控制精馏塔釜内灵敏板的温度来控制的。灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。以往调节只是采用灵敏板温度调节器单一回路调节，调节反映慢，时间滞后，对精馏操作而言，产品的纯度很难保证。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制规定大多较高。精馏塔的控制最终目的是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了更好实现精馏的目的就有了提馏段温度控制系统的产生。 2.2.系统组成的总体结构精馏塔的控制目的应是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（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，设立必要的控制系统。（1）产品质量指标控制 塔顶或塔底产品之一合乎规定的分离纯度，另一端产品成分应维持在规定的范围内。在某些特定的条件下也有规定塔顶和塔底产品均保证一定纯度的规定。（2）产品产量符合物料平衡原则，塔顶、塔底的平均采出量应等于平均进料量，并且这两个采出量的变动应当比较缓和，以维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。为此，必须对冷凝液罐（回流罐）和塔釜液位进行控制，使其介于规定的上、下限之间。（3）能量平衡控制 应使精馏塔的输入、输出能量维持平衡，使塔的操作压力维持稳定。实现较好的经济性。（4）约束条件控制为保证精馏塔正常而安全稳定地运营，必须使某些操作限制在约束条件之内。常用的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，事实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的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，导致漏液，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。 操作压力限，每个精馏塔都存在着一个最大操作压力限，精馏塔的操作压力过大，影响塔内的气液平衡，超过这个压力，塔的安全就没有保障。 临界温差限重要是指再沸器两侧的温差限度，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，将不能保证塔的正常传热的需要。2.2.1控制方案的选择由于精馏塔是以复杂控制系统，根据不同的控制规定，控制方案多种多样。方案一： 提馏段前馈反馈控制其P&ID图如下图所示：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的串级控制系统和进料量为前馈信号组成的相乘型前馈反馈控制系统。从前馈原理角度看，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的设定。从比值控制原理角度看，进料流量与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，根据安全运营准则，当系统出现故障时，蒸汽阀门应处在关闭状态，所以选择阀门1为气开阀，所以。根据工艺条件拟定副被控对象的特性。阀打开，蒸汽量增长，可拟定。根据负反馈准则，选反作用控制器，即：。蒸汽量增长，提馏段温度升高，。根据负反馈准则，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，主控制器的作用方式不变。前馈-反馈控制部分的结构框图如图下图所示图2.2 系统结构框图方案二： 如下图所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图如下图所示 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节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。整个系统涉及两个控制回路，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。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不涉及在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即涉及在副回路范围内的扰动。为了提高精馏效率和保证产品纯度，我们采用灵敏板温度调节器与再沸器加热蒸汽流量调节器串级控制系统来对灵敏板温度进行控制。其中灵敏板温度调节器是主调节器，再沸器加热蒸汽流量调节器是副调节器，对映的主被控变量为提馏段温度，副被控变量为蒸汽流量。串级控制部分的结构框图如图下图所示 图2.4 串级控制部分结构框图在串级控制回路中，根据安全运营准则，当系统出现故障时，蒸汽阀门应处在关闭状态，所以选择阀门1为气开阀，所以。 根据工艺条件拟定副被控对象的特性。阀打开，蒸汽量增长，可拟定。 根据负反馈准则，选反作用控制器，即：。蒸汽量增长，提馏段温度升高，。 根据负反馈准则，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，主控制器的作用方式不变。通过实际改造和使用，串级控制系统增长副控制回路，是控制系统性能得到改善，表现在下列方面。1、抗干扰性强。由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。同时，由于串级控制系统增长了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，特别对于进入副回路的干扰。表现更为突出。2、及时性好。串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。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，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器可以根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。4、可以更精确控制操纵变量的流量。当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能与主控制器输出信号保持严格的相应关系。采用串级控制系统后，引入流量副回路，使流量测量值与主控制器输出一一相应，从而可以更精确控制操纵变量的流量。通过采用串级控制系统，塔釜温度控制更加平稳，产品纯度很高，随着控制系统软件和硬件的不断发展和完善，计算机集散型控制系统的应用和普及，精馏塔的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 检测变送器的原理检测变送环节的作用是将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用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为检测变送环节的工作原理 图3.1 检测变送环节工作原理图 检测元件和变送器的基本规定是准确、迅速和可靠。准确指检测元件和变送器能对的反映被控或被测变量，误差应小；迅速指能及时反映被控或被测变量的变化；可靠是检测元件和变送器的基本规定，它应能在环境工况下长期稳定运营。3.1.1 温度变送器的选择一、温度变送器介绍 SBWR系列热电偶温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送器单元。它采用二线制传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。将热电偶信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的420mA的输出信号。 变送器可以安装于热电偶的接线盒内与之形成一体化结构。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、国防以及科研等工业部门。二、特点 1采用硅橡胶密封结构，因此耐震，耐湿，适合在恶劣现场环境中安装使用。 2现场安装于热电偶的接线盒内，直接输出420mA，这样既省去昂贵的补偿导线费用，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。 3变送器具有输入端开路指示功能，热电偶温度变送器具有冷端温度自动补偿功能。 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，既可与热电偶形成一体化现场安装结构，也可作为功能模块安装在检测设备中。 6智能型温度变送器可使用带HART协议的通讯设备、一台PC机，设立变送器的型号、分度号及被测温度的量程范围。 7数显型温度变送器可按用户实际需要调整变送器显示屏的显示方向。三、重要技术指标输入：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。与热电偶输入的毫伏信号成线性；或与温度信号成线性。 隔离温度变送器，输入与输出相隔离，隔离电压为0.5KV增长抗共模干扰能力，更适合计算机联网使用。基本误差：*0.5FS传送方式：二线制显示方式：（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）周边空气中不具有对铬、镍镀层、有色金属及其它合金起腐蚀作用的介质。环境温度影响：0.05/10C3.1.2 流量变送器的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，流动介质相称于运动的导体。与流速成比例的感应电压用两个测量电极检出并传送到放大器。流体体积根据管道直径进行计算，恒定磁场由交变极性的开关直流电流产生。工作原理如图3.2所示 图3.2 电磁流量计的测量原理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的直流电，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 液位变送器的选择本系统选择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，采用24V直流供电，具有420mADC两线制或15VDC三线制标准信号输出。它采用先进的压阻式硅传感器，具有体积小，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、水解决厂、水库油井、油罐、水箱、水罐、水解决池、供水池、配水池等无腐蚀性、腐蚀性静态、动态液体的液位测量和控制。压阻式硅传感器，其敏感部件是由沉积硅制成的惠斯登电桥，桥路电阻沉积在基片上，由于两者材料特性相同，所以漂移极小，非常稳定，且使用激光刻蚀的电阻实现070范围内的整体温度补偿功能并进行校准，无需外部电阻。3.2 执行器的选择 执行器位于控制回路的最终端，因此，又称为最终元件。执行器直接与被控介质接触，在高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境运营时，执行器的选择尤为重要。控制器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛使用的是以下三种控制方式：1 按动力来源分，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 按动作特性分，有比例和积分两大类。本系统采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀的型号为QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、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的阀位信号，使用和校正非常方便。3.3 调节器的选择调节器是系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号解决，运算解决的结果作为输出信号控制执行机构的动作，完毕指挥控制系统的任务。本系统选择DDZ-型PID调节器。DDZ-型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型工业生产的防爆规定。DDZ-型仪表具有以下重要特点：（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC 4-20mA，控制室联络信号为DC 1-5V，信号电流与电压的转换电阻为250。（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。（3）整套仪表可构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的，并且增长了安全栅，实现了控制室与危险场合之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场合中使用。DTZ-2400 DDZ-型PID调节器的接线端子图如图3.3,重要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调节器接受变送器送来的测量信号(DC 4-20mA或DC 1-5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4-20mA直流电流输出。图3.3 DTZ-2400 DDZ-型PID调节器的接线端子图 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、调节作用： 比例+积分+微分；比例带：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 调节器与执行器、检测变送器的选型调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制，即420mA直流电流和15V直流电压。信号电流和电压的转换电阻为250。表3.4 器件选型调节器温度传感器液位传感器流量变送器DTZ-2400 DDZ-型PID调节器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采用PID控制器，有仿真图可看出随着P的增大，系统稳定性增强，振荡幅度减少。 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的课程设计中，碰到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学与朋友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的拟定，都通过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的拟定，被控参数的选择，使系统可以达成设计目的。通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了进一步的结识，对过程控制系统设计环节、思绪有一定的了解与结识。我学到了控制系统的设计方法和环节，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。参考文献1何衍庆，黎冰，黄海燕工业生产过程控制化学工业出版社，2023.2司士辉过程控制M工业出版社，20233彭军过程控制技术M西安电子科技大学出版社，20234陈杰，黄鸿过程控制技术M北京：高等教育出版社，20235胡乾斌，李光斌，李玲MTALAB原理与应用M华中科技大学出版社，20236潘立登. 过程控制, 北京：机械工业出版社, 20237楼然苗，李光飞MTALAB设计实例M北京航空航天大学出版社，20238朱定华，戴汝平单片微机原理与应用M清华大学出版社，20239卢丽君.基于TLC1543 的单片机多路采样监测系统的设计J.仪器仪表与分析监测，2023,(04):5-7.10张青春.基于单片机的酒精浓度气体检测系统设计.哈淮阴工学院硕士学位论文.2023：20-2511胡华.石油控制理论 D.杭州:浙江大学,2023.