化工毕业设计论文

1 引言 1.1 课题意义 醋酸乙烯是一种无色透明、有强烈气味的液体，是世界上产量最大的 50 种化工原 料之一 10。醋酸乙烯单体(VAM)是醋酸及其衍生物中最主要的初级衍生物加工产品， 也是有机合成(聚合物工艺学)中的主导型原料之一，有较高的生产制备及衍生加工的 技术经济价值：作为醋酸的再加工物，醋酸乙烯的生产状况对醋酸行业的整体发展具 有日益显著的影响作用 14。醋酸乙烯主要用来生产聚乙烯醇、 醋酸乙烯共聚物等； 聚乙烯醇的主要用途是生产维纶、 纺织浆料、粘合剂、涂料、 纸张增强剂及涂层、 产业聚合助剂等 12。 在我国典型的 VAc 电石法生产工艺占绝对的统治地位。我国在引进技术、 消化吸 收的基础上 ,在工艺和催化剂研究方面也取得了显著的成果 16。但从全球的发展看， 在催化剂的水平和时空收率的应用上，和最先进的流化床技术的差距还是显而易见的。 因此，我们有必要引进国外的先进技术，发展我国的流化床技术。 DISTRIBL TED CONTR0L SYSTEM，就是我们常说的集散控制系统。这门技术常 应用于模拟量回路控制较多的行业。把所设计到的危险分别管理控制，这样就缩小了 发生危险的可能性，这种自动化的高技术产品将显示与管理集合于一体。真正实现了 自动控制，加快了工业产业化步伐。 分级分布式控制，是集散控制系统实现了在物理上真正的分散控制。通过一根总 线，把总站和分站连接在一起，数据的一致性得到了保证，由此，也进一步提高系统 的可靠性、实时性和准确性。 （1）DCS 完善了管理体系的科学性与实践性，是资源得到了优化配置（2）DCS 还使得企业更具有竞争力，使开发的产品的品质和数量大幅增加，同时也提高了生产 的效率，有利于技术的进步（3）DCS 系统使得对于设备的维修与更换更加简单，快捷 和经济（4）采用 DCS 可以实现统一控制和管理，节省了大量的人力、物力资源（5） 化工产业通过对 DCS 的应用，是管理更加规范，同时也在一定程度上降低了运营成本。 1.2 相关技术的国内外发展状况 在工业化的过程中，一共出现过三种合成醋酸乙烯的方法，分别是石油乙烯法、 天然气乙炔法和电石乙炔法，三种方法各有利弊，下面我将三种方法介绍如下： （1）石油乙烯法 用石油裂解联产得到的乙烯，通过多管型固定床反应器，合成醋酸乙烯。这种方 法在国内采用的比较多。 （2）天然气乙炔法 四川川维公司使用的是天然气乙炔法，顾名思义，原料就是平常常见的天然气， 这种技术多用固定床反应器，也是应用比较广泛的技术。 （3）电石乙炔法 在国内，还有一种比较常见的方法，就是电石乙炔法，它是用水与电石发生反应 产生乙炔，一般采用沸腾床反应器合成醋酸乙烯，国内大概有10家公司采用此种方法 进行生产。 Leap 技术作为一种新兴的乙烯气相法工艺 ,无论是工艺原理还是操作过程 ,都与 传统的乙烯气相法的醋酸乙烯工业化生产技术(Bayer 技术与 USI 技术)非常相似 16。 但是 ,BP 公司开发的 Leap 技术 ,采用流化床反应器,改善了反应过程的传热 ,从而 提高了醋酸乙烯的产率 ,单台反应器生产能力与传统的乙烯气相法相比提高了一倍， 催化剂寿命也延长一倍以上 16。对于流化床反应器的应用，从而使很多设备变得不再 不可或缺，比如说气体预热交换器等，这样和固定床工艺所需要的设备相比较，流化 床技术可以使工艺过程变得简单，经济，也可以使设备的投资减少大概 30%左右，综合 上述的介绍与实践，用乙烯气相法制备醋酸乙烯的 Leap 技术目前走在了工业化生产技 术的最前端，将是醋酸乙烯合成的趋势与进步的关键。 1.3 本课题要求 本课题拟从理论上，利用最新的流化床技术，设计出合成醋酸乙烯的工艺流程， 缩小与国外的差距，加快工艺规模放大和工业化进程。选择合适的催化剂，提高空时 收率，将发展策略转向流化床工艺技术。运用 DCS 集散控制系统，通过对反应器中文 的控制以及反应物料的调节，提高醋酸乙烯的合成技术。我国提升 VAM 生产能力势在 必行，但解决由流化床乙烯法替代高能耗，高污染的电石乙炔法尤为重要。从以上几 本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 34 页 点完成本次工程设计，以提高国内的醋酸乙烯产量以及对环境保护问题予以解决。本 课题在保证醋酸乙烯生产过程稳定、高产、优质、低耗和安全的前提下，对生产过程 的主要技术参数如温度，压力，液位以及流量等加以严格控制。 因此要求我们认真收集资料，进行调查研究，技术经济分析和方案比较，选出先 进可靠、合理的自控方案。采用合适的仪表控制回路，如单回路，串级控制回路，分 程控制回路等。选择合适的检测仪表及 DCS 卡件，即各个管道控制部位的温度、压力、 流量等。贯彻执行国家、部颁的标准、规范和规定，认真进行设计文件的编制工作， 绘制正确、可行的施工图纸，并写出设计报告。 2 工艺流程简介及控制要求 2.1 基本原理简介 2.1.1 合成工段的基本任务 本工段通过罗茨鼓风机将乙炔气鼓入气体混合槽，同时将来自于醋酸加料槽的醋 酸经由醋酸加料泵送入倒醋酸蒸发器，在醋酸蒸发器中通过水蒸气加热将醋酸汽化， 送入气体混合槽。在气体混合槽中乙炔气与醋酸蒸汽混合，经过混合气体第一预热器 和第二预热器，进入合成反应器中，在一定的温度条件下，在以活性炭为载体的醋酸 锌的催化作用下进行反应生成醋酸乙烯。 2.1.2 影响合成反应的因素及控制要求 在主反应聚合反应中影响反应的因素很多，主要包括以下五个因素： （1）活性炭的影响 活性炭本身即是触媒的载体，另一方面活性炭上的羰基起着活性中心的作用，所 以活性炭在这里起着双重作用。 （2）反应温度的影响 合成醋酸乙烯的反应是醋酸与乙炔通过吸附在活性炭上的醋酸锌的而发生的。 而首先就要使乙炔在活性炭表面上产生化学吸附，这个吸附温度最低也要 160 左右， 所以要使反应能够进行起码也要将温度控制在 160 以上。 随着反应温度的提高，反应速度常数也增大，触媒的活性也就提高，空间收率也就 高，但同时付产品增加，反应液质量下降。所以选用反应温度要综合各项指标，考虑 到产品质量、产量、触媒的消耗等方面因素，并根据当时的主要矛盾来确定。一般情 况下每个列之间相差 10 左右能最大发挥触媒的作用。 （3）压力的影响 由于乙炔与醋酸合成醋酸乙烯的反应是一个体积减少的反应所以理论上讲增加压力 对合成是有利的。当反应系统压力上升时（例如，由于反应出口管被聚合物附着而阻 力升高时）对反应来讲是有利的，但这就要求鼓风机打出更高的压头，对设备的要求 也更高，尤其对鼓风机的加工、安装要求更严格也比较困难。另外乙炔在压力高时不 太稳定，再者由于大部分气体循环使用，乙炔的转化率只有 10 %左右，对整个系统来 讲，体积的减少是有限的。增加一些压力对反应的效果影响不是很大，而同时却带来 本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 34 页 一系列问题，所以本反应是在常压下操作，系统内保持正压。在反应器底部为克服触 媒的压力，压力般在 0.8 kg/cm 左右。 （4）其它因素的影响 对合成反应的影响因素，除上述主要方面外，还有一些次要因素，如沸腾床流化状 态的好坏，分布板的设计是否恰当，床内是否有构件。 另外操作水平也对合成反应有影响。反应温度的控制是否平稳，中温忽高低都影响 到触媒的活性和寿命。 2.2 合成工艺流程叙述 本工序的任务是将原料乙炔与原料醋酸蒸气混合，在适当的条件下进行反应得到 醋酸乙烯并把未反应的乙炔分离、回收进行循环使用。采用吸附在活性炭上的醋酸锌 为触媒的沸腾床操作法生产。工艺流程主要包括： (1)乙炔与醋酸蒸气的混合;(2)混 合体的预热;(3)反应器的控制. 3 系统控制方案的设计 合成工段主要是对醋酸蒸发器、合成反应器以及鼓风机的控制系统方案的设计。 被控变量的选择原则： 从间接标准参数的方面考虑，这个参数需要有充足的灵活性，这样才能更细致 的反应产品的质量程度。 在直接标准参数的选择上，作为首选的应该是质量标准参数。 当没有直接参数作为被控变量时，我们可以选择一个和主要参数有直接对应关 系的间接标准参数作为参考和被控变量。 除了需要考虑被控变量的参数外，我们还需要综合考虑工艺的可实施性以及国 内外的生产水平及状况。 操作变量的选择原则： 作为控制变量，最基础和重要的一点就是变量具有可控性。 当扰动通道的放大倍数是一定时，我们选择的变量最好应该是通道放大倍数中 比较大的参数。 选择较小的控制时间通道参数有助于操作变量的记录，而比较大的扰动通道时 间参数也可以达到此目的。 选择较小的通道纯滞后时间。 还有一点需要注意的就是干扰点的选择接近控制阀，远离被控参数， 同样，除此之外，还需考虑工艺的可实施性以及生产水平。 控制阀的选择： 开闭形式的选择。 口径大小的选择。 流量特性的选择。 结构形式的选择。 控制阀开闭形式的选择原则： 合成工段选用的为气动薄膜调节阀，控制阀接收电气转换器传来的信号，压力与 控制阀的开度成正相关，两者同时增大或减小，这种情况称为气开阀。同理，当压力 与控制阀的开度成负相关，则为气闭阀。当具体给定系统情况时，选择哪种形式的控 本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 34 页 制阀，没有固定的模式，要根据具体的工艺流程及要求来考虑。一般来说，要根据以 下几条原则进行选择： 安全生产为第一要素。 在安全的基础上，要尽量提高质量水平。 降低成本，节省资源也需要考虑在内。 从实际出发，具体情况具体分析。 3.1 合成反应器中温控制系统 （1）合成是乙炔和醋酸发生化学反应生成醋酸乙烯的过程，醋酸乙烯的浓度要求 非常高，达到 99.9%以上。为保证合成气的质量，工艺要求对反应器反应温度进行控 制。合成反应器的中温要求 1780.5 摄氏度。 （2）合成反应的简单工艺过程为乙炔气和醋酸气在混合器中混合后，分别经冷路 和有预热器加热的热路合成一定温度的混和气体热气体后，进入醋酸乙烯合成反应器 （沸腾床），在一定温度条件下，在以活性炭为载体的醋酸锌的作用下，进行合成化 学反应。但在反应器反应温度控制系统的控制通道中包含了两个具有非线性的热交换 器，因而使整个对象的特性随负荷的变化而变化，采用单回路控制系统已不能满足控 制要求，为此，在热交换器的出口设置了一个温度监测点，并以他为副变量组成一个 温度与温度的串级控制系统。在串级控制系统方案中，由于热交换器这个具有非线性 特性的环节包含在副回路中，负荷的变化所引起的对象影响就被副回路所克服，因此 对主回路的影响就很小了。本系统采用串级回路控制，它能有效的提高控制效率，完 善单一控制不能全面控制的缺点，串级控制系统就是将两个单回路控制系统以适当的 方式整合为一个控制系统。它与单回路控制最大的不同点是其对控制的精密程度有了 很大的提高，它所谓的“串级”是在结构上副回路的数量有所增加，当存在干扰时， 它具有保持稳定的性能。在工作性能方面，其有如下优点： 对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。 改善了控制系统的动态特性，提高了工作效率。 对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。 （3）反应温度的控制是通过反应器入口的混合气的温度来控制的，即反应温度有 所上升时，则通过降低入口气体温度的方法来控制，可以通过调节第一预热加热器的 蒸汽量来调节，但由于传热滞后比较大，调节不灵敏，故增设了一套正逆阀装置来调 节反应器入口温度，混合气体从气体混合槽出来后分成两路，一路不加热，称为冷路， 另一路经加热器，称为热路，在冷热路上各加一调节阀，用调节阀来调节冷热路混合 比例，就很容易调节反应器入口温度，也就比较容易调节反应器中温。 正逆阀有一个信号指挥，一个开，另一个就关，两开度加起来为100%。 主被控变量：合成反应器中温 副被控变量：热交换器的出口温度 操纵变量：冷热路气体混合比例 冷路控制阀：气闭阀 热路控制阀：气开阀 主控制器：反作用 副控制器：反作用 （4）控制流程图，如图3.1所示： 图3.1 醋酸乙烯合成反应器中温控制系统流程图 方框图，如图3.2所示： 图3.2 醋酸乙烯合成反应器中温控制系统方框图 从串级控制系统的方框图可以看出，该系统有两个环路：一个内环和一个外环。 合成气 合成气 换热器 换热器 TC1 TC2 换热器 出口管 道 干扰 _ 温度控制器 温度控制器 执行器 反应器 温度变送器 _ 温度变送器 给定 本 科 毕 业 设 计 第 9 页 共 34 页 习惯上称内环为副环，外环为主环。处于副环上的控制器、对象和变送器分别称副控 制器、副对象和副变送器。副对象的输出称副变量。处于主环上的控制器、对象和变 送器分别称主控制器、主对象和主变送器主对象的输出称主变量。 在此串级控制系统中，温度控制器为主控制器，温度为主变量，流量控制器为副 控制器，流量为副变量。主控制器的输出作为副控制器的给定值，控制器的输出去操 纵控制阀，以实现对变量的定值控制。串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量， 使之等于给定值，而主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统 28。副 回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中， 副变量并不是不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制 系统 28。 3.2 醋酸蒸发器液位控制系统 （1）为了保证合成反应的速度和生成醋酸乙烯的浓度，通过醋酸蒸发器的液面来 调整加入醋酸量，用加热蒸汽来控制蒸发量。加入醋酸量一定，釜液排出量一定，用 加热蒸汽将蒸发器液面维持一定，则蒸发量一定。 （2）综合以上考虑。选择了单回路反馈控制系统。单回路系统是实际生产过程中 最基本，同时也是最常见应用最多的系统，大部分的其他控制系统一般都是以单回路 系统为基础的，所以说单回路控制系统的分析方法以及分析结论是所有控制系统的基 础。复杂控制系统分析设计都是以单回路控制系统的分析设计为基础的。单回路系统 由四部分相互独立又相互联系的结构组成，这四部分分别是被控制的参数，变送设备 以及控制器和阀。 （3）被控变量：醋酸蒸发器液位 操纵变量：加入醋酸蒸发器的蒸汽流量 控制阀：气开阀 控制器：正作用 （4）控制流程图，如图3.3所示： 图3.3 醋酸蒸发器液位控制流程图 方框图，如图3.4所示： 图3.4 醋酸蒸发器液位控制方框图 3.3 醋酸加料泵出口管道流量控制系统 （1）合成反应是乙炔和醋酸蒸汽发生化学反应生成醋酸乙烯的过程，为了保证化学反 应中的摩尔比（物质的量之比），使反应速度一定且生成醋酸乙烯的浓度较高， 必须对醋酸加料泵出口管道流量进行控制。 （2）采用直接节流法的控制方案，即可满足设计要求。 （3）被控变量：醋酸加料泵出口管道流量 操纵变量：醋酸加料泵出口管道流量 控制阀：气开阀 控制器：反作用 （4）控制流程图，如图3.5所示： LC 蒸汽流量 SP 液位控制器 控制阀 醋酸蒸发器 液位变送器 + 流量给定 _ 本 科 毕 业 设 计 第 11 页 共 34 页 图3.5 醋酸加料泵出口管道流量控制流程图 方框图，如图3.6所示： 图3.6 醋酸加料泵出口管道流量控制方框图 3.4 乙炔鼓风机入口管道流量控制系统 （1）合成反应是乙炔和醋酸蒸汽发生化学反应生成醋酸乙烯的过程，为了保证 化学反应中的摩尔比（物质的量之比），使反应速度一定且生成醋酸乙烯 的浓度较高，必须对乙炔鼓风机入口管道流量进行控制。 （2）控制采用改变旁路回流量的方案，既可满足设计要求。 （3）被控变量：乙炔鼓风机入口管道流量 操纵变量：乙炔鼓风机入口管道回流量 控制阀：气开阀 控制器：正作用 （4）控制流程图，如图3.7所示： FC 醋酸 流量控制器 控制阀 泵 流量变送器 + 流量给定 _ 图3.7 乙炔鼓风机入口管道流量控制流程图 方框图，如图3.8所示： 图3.8 乙炔鼓风机入口管道流量控制方框图 乙炔 FC 流量控制器 控制阀 鼓风机 流量变送器 + 流量 _ 给定 本 科 毕 业 设 计 第 13 页 共 34 页 4 仪表选型 4.1 检测仪表选型 4.1.1 温度仪表 该工段共有 13 个温度参数需要检测并集中显示，这 13 个温度参数的范围是 25 -185 ，如下表 4.1 所示： 表 4.1 温度信号 位号 描述 温度 TE-101 混合气第一预热器出口 145 TE-102 混合气第二预热器出口 180 TE-103 醋酸蒸发器 100 TE-104 醋酸蒸发器出口 78 TE-105 乙炔鼓风机出口 60 TE-106 吸附槽出口 25 TE-107 醋酸加料槽 35 TE-108 合成反应器出口 178 TE-109 粉末分离器出口 25 TE-110 合成反应器下部 160 TE-111 合成反应器中部 178 TE-112 合成反应器上部 185 TE-113 合成反应器 178 由表中数据可以看出这些温度参数都属于较低温，所以可选择热电阻进行测量， 所以选择 WZP-120 热电阻，该型热电阻主要技术参数为：分度号：Pt100 ，温度范围： -200420，热响应时间 90S。 4.1.2 压力仪表 本工段需要检测的压力参数共有 9 个，如表 4.2 所示，分别为： 表 4.2 压力信号 位号 描述 压力(KPa) 备注 PZ-101 醋酸蒸发器 82 集中 PZ-102 乙炔鼓风机入口 5 集中 PZ-103 醋酸加料泵出口 497 集中 PZ-104 反应器出口 23 集中 PZ-105 反应器入口 69 集中 PZ-106 预热器蒸汽入口 600 集中 PZ-107 新乙炔压力报警 7.5 集中 PZ-108 鼓风机出口压力报警 75 集中 PZ-109 触媒取出槽顶 5 集中 反应器出口采用型号为 WP201A-60kpa-5D24E2 的差压变送器，其主要技术参数 为：测量范围：060kpa；准确度度等级：0.5 级；工作电源：24VDC。醋酸蒸发器、 反应器入口、鼓风机出口压力报警均采用型号为 YTP-100 的防腐膜片压力表，其主要 技术参数为： 精确度等级：1.6 级；测量范围： -0.10.5MPa。醋酸加料泵出口、预 热器蒸汽入口采用型号为 WP401A-1.6Mp-5G24E2 的压力变送器，其主要技术参数为： 量程：01.6 Mp；工作温度：-4085；输出信号： 420Ma; 工作电源：24VDC。 4.1.3 流量仪表 合成工段的流量参数一共有 2 个，如表 4.3 所示，分别为： 表 4.3 流量信号 位号 描述 流量 备注 本 科 毕 业 设 计 第 15 页 共 34 页 GT-101 乙炔鼓风机入口管道 3 M3/H 集中 GT-102 醋酸加料泵出口管道 0.8 M3/H 集中 乙炔鼓风机入口管道、醋酸加料泵出口管道采用 H250 系列金属转子流量计， H250 型系列金属转子流量计为全金属结构。基于模块化设计设计，远传信号输出，开 关信号输出，累计量显示，HART 协议执行，Profibus-PA 总线，均可以全部根据用户 需求即时安装与使用。 高温、高压设计，防腐材料选用，X射线探伤，可以保证产 品适用于任何现场需求。其主要技术指标为： 量程范围：0-100% 精度等级 1,6 工作温度 -80-300/-112-572 最高环境温度 70 / 158 4.1.4 液位仪表选型及原则标准 选型原则：以被测介质的性质指标为基准，便于安装和维护为参考。 对于材质的选择，我们应充分考虑所测量介质对仪表的负面作用，比如说腐蚀、 结晶，这样会使仪表的使用期限变短或者测量不准确，更严重的会出现危险或事故， 所以充分考虑所测介质的性质很重要。 对于仪表的测量，还应该注意所在测量环境的温度，根据所在的温度选择适当 的仪表，会使测量更加精确。 与温度同样需要考虑的还有压力，压力的大小也将影响仪表检测的性能，所以 应充分考虑压力值，选择适当的仪表。 从投资的方面来看，选择普通型的变送器，会节约大量的资金，但使用这种变送 器的前提是所要检测的介质没有腐蚀或者结晶等性质，还就是这样也要求工作人员需 要定期进行维护和检修。 从选择仪表的精确性方面来讲，变送器都有自身的测量范围，如果没有特殊要求， 应当把所测介质的范围设置在仪表的 1/4 到 3/4 处，对于现场情况，需要对仪表测量范 围进行迁移的，应当采用科学的计算方法，是迁移量不对测量结果产生影响，这样也 可以提高测量的精确性。 4.1.5 液位仪表 本工段液位参数有 1 个，集中显示，如表 4.4 所示，为： 表 4.4 液位信号 醋酸蒸发器液位采用型号为 EJA118W 的双法兰差压变送器，其优点是精度高，温 度影响可忽略不计, 静压影响可忽略不计，具有双向通讯功能（BRAIN/HART 协议， FF 现场总线）和完善的自诊断功能。 4.2 电气阀门定位器选型 在调节阀的附件中，最为重要的就是电气阀门定位器。它一方面接收调节器的输 出信号，另一方面，它也控制调节阀的开闭，起到了中转接收控制的作用，所以选择 合适的电气阀门定位器是控制过程中的一个重要环节。 阀门定位器能增大调节阀的输出功率，减少调节信号传递滞后，加快阀杆移动速 度，能够提高阀门线性度，克服阀杆磨擦力并消除不平衡力影响从而保证调节阀 的正确定位 15。 阀门定位器按照其工作原理和结构形式可以分为气动阀门定位器、电气阀门定位 器和智能式阀门定位器。该工段的阀门定位器选用的是电气阀门定位器，其是按力平 衡原理设计的，工作原理是在气动阀门定位器的基础上开发而成的电流信号来控制阀 门定位器。本工段采用 YT-1000 系列电气阀门定位器，YT-1000 型电气阀门定位器。 其与气动调节阀联合使用，构成闭环控制回路，把系统给出的直流电信号转换成驱动 调节阀的气信号，控制调节阀的动作。同时根据调节阀开度进行反馈，使阀门位置能 够按系统输出的信号进行正确定位。该电气定位器可用于单作用型和双作用型气动执 行机构.由于本定位器具有防爆结构，故能使用于危险场所。其特点有： 该定位器在很大范围内不会产生共振效果； 定位器中的磁电部分应用了新的动 圈技术，是定位器更加安全，稳定，数据线性程度高； 安全性能有了很大提高， 除接线盒外，其他组件均可以在危险场所直接打开并进行检修与维护； 拥有 IP66 的级别确认，同样拥有防爆级别确认； 该定位器的配件与其他设备大部分 都相符，所以安装，维修简单快捷； 控制方式简单，我们可以轻易的在正反作 用以及单双作用上自由选择和转换，不用其他附件即可实现 1/2 的分程控制检测； 位号 描述 液位（ %） HLT-101 醋酸蒸发器液位 0100 本 科 毕 业 设 计 第 17 页 共 34 页 该定位器由于为组合而成，而每一部分都是精密加工，采用先进工艺技术铸造 而成，在抗腐蚀性等特殊情况中安全稳定，是各种复杂环境的良好选择； 从实 际情况出发，此定位器能根据特定情况，应用活动可调节阻尼部分，完成对输出的 控制； 多也形式的设计理念，让导气管的连接更加随意和方便。 其技术参数为： 输入信号：4-20mA；电阻：25015 ；供气压力：1.4-7 ；行程：10-150mm；电 源接口：PF1/2（G1/2） ；导管接口：PT(NPT)1/4 ；压力表接口：PT(NPT)1/8 ；防 爆等级：Exia IIBT6,Exdm IIBT6；防护等级：IP66 ；环境温度：-2070 (标准)；灵 敏度：0.2%，0.5%；线性度：1%，2%；滞后度：1%；流量：80LPM ；材料：压 铸铝；空气消耗量：3LPM。 4.3 控制阀选型 本工段使用的均为气动薄膜调节阀，气动薄膜调节阀的型号为 HTS，HTS 为气动 薄膜单座调节阀，其技术指标为：公称通径：DN40DN200；公称压力： PN16/PN40/PN64；适用温度：250 ， 425；连接方式：法兰式；气源压力： 140kpa400kpa；适用介质：水及液体、油、蒸汽；控制方式：调节型（气开/气关） 。 HLS 为小口径单座调节阀，可用于控制各种不同压力和温度的流体,阀体呈 S 流线型的 通道,压降损失小,流量大,可调范围广,流量特性精度高,调节阀配用多弹簧式薄膜执行机 构,结构紧凑,输出力大。技术指标为；公称压力: ANSI125、150、300、600JIS10、16、20、30、40K、PN1.6、4.0、6.4MPa；连接型式: 法兰式；上阀盖:常温型(P):-17+230；伸长 I 型 (E1):-45-17，+230+566；伸长 II 型 (E2):整体式 (E2I):-100一 45，焊接式(E2W): 一 196-100；压盖型式: 螺栓压紧式； 阀芯型式:单座柱塞型阀芯；流量特性:金属阀座:CV 值从 0.414 的高精度流量特性符合 IEC534 一 2。 5 DCS 系统设计 5.1 DCS 系统介绍 DCS，它分为两个部分，一为控制，二为监控，他们通过总线与数据网络连接， 组成一个多级的计算机控制系统，它具有多项功能，除了控制与监控，还能做到通信 与显示的作用。它最主要的作用，总结起来就是分散监控，集中控制，分层分段管理 以及方便灵活的组态系统。 DCS 的结构很灵活，功能也有很大的不同，但是他们的作用是相同的，都是分散监 控，集中控制。将其分开介绍，可以有如下 6 点： 首先，是分散处理的智能化，把计算机应该集中处理的功能拆散开，分给各个层 次的单元与微处理器，各种控制方法都是自行计算，可以独立进行的。 第二，显示的分散性，总操作控制站与各个单独的本地控制操作站，都能独立显 示控制过程，这其中可以从 3 个特点来介绍：显示具有实时性，可以看到最新的控 制情况；总操作控制站汇集了所有的本地控制站点的所有数据与控制情况，这都能 在总控制站显示出来；每个分控制站也可以调用其他分控制站及总控制站的数据与 资源。 第三，是数据库的共享与分散，分布式的设计方案，可以在每个控制站都装有单 独的数据库，然后通过网络实现整个系统的共享。 第四，数据的传输更具有效率，所有的通信都是相同地位的，没有优先级，这就 是通信更加通畅。 第五，供电系统也分散供给，这样一方面可以节省资源，另一方面也可根据实际 需要自行选择。 第六，由于控制的分散性，使控制变得简捷直接，同时也缩小了很大程度上总控 制站的负荷。 由于使用计算机进行控制，这就减小了由于仪表故障造成对总生产控制结构的影 响，使生产更加连贯持续。 本 科 毕 业 设 计 第 19 页 共 34 页 DCS 为完成分散监控，集中控制，专门设有 DDC 分站，它可以独立进行控制任务， 控制、数据收集等功能集合于一体，而 DCS 系统就是由这些分站以及计算机连接起来 组成的系统。 DCS 系统是由操作站，控制站等一系列结构站构成的，对于现场的输出信号，首 先通过总线和数据网络传递给现场控制站以及数据采集站，并传递到相关的监控计算 机内。对于集散控制系统来说，数据的集中处理十分重要，这样就可以实现故障的诊 断，优化计算的目的 本工段的 DCS 系统选用的是浙大中控 JX-300 系列，JX-300X 基本组成包括工程 师站（EX ）、操作站（OS）、控制站（CS ）和通信网络 Scnet ，Scnet 遵循开放 的 TCP/IP 协议。工业以太网拥有 100Mbps 的传输速率。对于今后规模的发展，设备的 扩容，也只需要增加控制站及操作站即可，对于以前的控制没有任何影响。只需要采 用操作员站，控制站，操作站各一个，我们就可以完成醋酸乙烯的合成。 5.2 控制站的设计 5.2.1 JX-300X JX-300X DCS 系统采用三层网络通信结构，系统结构如图5.1所示： 现 场 变 送 器 ,执 行 器 主 处 理 器现 场 控 制 站 系 统 网 络操 作 员 站 操 作 员 站 工 程 师 站 服 务 器 及 其它 功 能 器现 场 控 制 站主 处 理 器 图 图 5.1 集散控制系统 DCS 的典型体系结构 JX-300X 系统实现过程控制的主要设备之一是控制站，其核心是主控制卡。主控 制卡一般插在过程控制站的最上部机笼，通过高速数据网络SBUS 扩充各种功能，实 现现场信号的输入与输出，同时完成过程控制中的优化控制等各种控制算法以及数据 采集、回路控制、顺序控制。控制站主要由机柜、机笼、供电单元和卡件组成。 JX-300X 结构如图 5.2 所示： 图 5.2 JX-300X 系统结构图 5.2.2 DCS 机柜的选型 机柜选择 SP202。 基本尺寸：2100（H）800（B）600 （D）mm； 顶部安装四个散热风扇（选配）作为散热方式； 安装方法：焊接或螺栓固定； 内部机笼安装：架装结构（电源机箱、I/O 单元、工业控制计算机） ；控制站机柜 为拼装结构，包括机柜门在内的每个子部件电气上均为连通（导通电阻小于 0.5 欧姆） ， 以保证整个机柜使用过程中可靠接地，提高了系统抗干扰的能力。机柜底部安装有可 调整的电缆线入口，机柜侧面安装有可活动的汇线槽，安装空间为 200400mm，为信 号电缆准备了足够的空间，同时可以方便地增加、移动、整理来自现场的电缆。 机柜最多可安装一个控制站的电源单元、6 个 I/O 单元（机笼）和相关的端子板。 由于输入输出卡件（包括冗余卡）一共有 34 个，而一个数据转发卡可带 16 个卡 件，所以选择两组互为冗余的数据转发卡 SP233 以及两个 一体化机笼 SP211。 电源单元使用 UPS，UPS 的意思是不间断电源(uninterruptible power system)，是能 够提供稳定、持续、不间断的电源供应的重要外部设备。 5.1.1 DCS 卡件的选型 信息管理网 工程师站 操作员站 现场控制站现场控制站现场控制站 网桥 本 科 毕 业 设 计 第 21 页 共 34 页 控制站的软硬件核心是主控制卡，它负责协调控制站内的所有的软硬件关系以及 各项控制任务，主控卡的功能和性能将直接影响倒系统的实时性、可用性、可维护性 和可靠性。主控卡我选择 SP243X，其技术特点是采用双微处理器结构，协同处理控制 站的任务，功能强，速度快；支持冗余或非冗余配置，冗余方式为 11 热备用，互为 冗余的两个卡件安装在主控制卡槽位内，能自动进行高速数据交换，使工作/备用卡件 之间的状态同步；128 个控制回路，可接 8 个冗余的数据转发卡；带算术，逻辑，控制 算法库；卡件供电：DC5V，280mA；DC24V，5mA。 数据转发卡作为主控制卡联接 I/O 卡件的中间环节，它一方面驱动 SBUS 总线，另 一方面管理本机笼的 I/O 卡件，是系统 I/O 机笼的核心单元。数据转发卡选择的是 SP233，其技术特点是支持冗余结构，每个机笼可配置双 SP233 卡，互为备份；卡件板 上具有 WDT 看门狗复位功能，在卡件受到干扰而造成软件混乱时能自动复位 CPU， 使系统恢复正常运行 20。在运行过程中如果出现卡件故障， SP233 可自动无扰动切换 到备用卡件，并可实现硬件故障情况下软件切换和软件死机情况下的硬件切换，确保 系统安全可靠地运行；可方便扩展 I/O 机笼；可对本机笼的供电情况施行自检 20。性 能指标为： 卡件供电：DC5V，80mA 通讯方式：冗余高速 SBUS 总线通讯规约 扩展方式：015 可用的 BCD 码地址设置 冗余方式为 11 热备用 冷端温度测量范围：-20401 合成工段共有 29 个信号点，其中 25 个输入信号，4 个输出信号， 13 个热电阻信 号和 12 个电流信号组成了输入信号，而输出信号则均为电流信号。热电阻输入信号选 用的是 SP316 卡，冗余方式为 11 热备用，SP316 是热电阻信号输入卡，是专用于测 量热电阻信号的，每一路分别可接收 Pt100、 Cu50 两种热电阻信号，将其调理后转换 成数字信号送给 SP243X。其性能指标为： 输入点数 2 点（相互隔离）；分辨率为 15bit，带极性；输入阻抗大于 1M；隔离 电压：现场侧500VAC 通道间500VAC;共模抑制比大于等于 120db；卡件供电： +5V35mA 对于不同的输入信号，SP316 可调的范围及精度如表 5.3： 表 5.3 SP316 可调的范围及精度 信号类型 测量范围 精度 Pt100 -200850 0。1%FS Cu50 -50150 0。1%FS SP313 卡件是电流信号输入卡，是一块智能型的、带有模拟量信号调理的四路信 号采集卡，12 个电流输入信号均选用 SP313，冗余方式为 11 热备用，每一路可接 受型和型电流型号，并为四路变送器提供+24V 隔离电源。其性能指标为： 输入点数 4 点；分辨率：15bit，带极性；输入阻抗 250；隔离电压： 现场侧 500VAC；共模抑制比大于等于 120db；卡件供电：+5V35mA +24V：(四路均配电)： 130mA （四路均不配电）：30mA 对于不同的输入信号，SP313 可调的范围及精度如表 5.4： 表 5.4 SP313 可调的范围及精度 信号类型 测量范围 精度 标准电流 420 mA 0。1%FS 标准电流 010 mA 0。1%FS 4 个输出信号采用 SP322 卡，该卡件为模拟信号输出卡，冗余方式为 11 热备 用，是 4 路点点隔离型电流信号输出卡，作为带 CPU 的高精度智能化卡件，它允许主 控制卡监控正常的输出电流，具有实时检测输出状况的功能。其性能指标为： 输入点数 4 点（点点隔离）；隔离方式为点点耦合；输出信号：010mA 或 420mA，可组态选择；输出负载：1.5K（0 10mA）；750（420mA）；隔 离电压 500VAC；卡件供电：+50.3V：30mA； +240.7V：100mA；精度满量程 为 0.2% 所需的 I/ O 卡件数如表 5.5 所示: 表 5.5 I/0 卡件数量图 卡件 SP243X SP233 SP316 SP313 SP322X 作用 主控制卡 数据转发 卡 热电阻信 号输入卡 电流信号输 入卡 模拟信号输 出卡 数量 2 4 7 3 1 本 科 毕 业 设 计 第 23 页 共 34 页 软件方面，如表 5.6 所示： 表 5.6 DCS 系统软件及其它设备选型 序号 名称 型号规格 单位 数量 1 AdvanTrol 套 1 2 操作系统 W IN 200 套 1 6 系统组态 6.1 组态的概念 组态，就是为了满足我们进行设计的过程，它对于各种确切要求和与应用相关的 数据，可以进行相应的选择与定义，使我们可以通过软件模拟实际的控制过程，这样 可以让我们更加直观的了解设计方案的利弊。 可以进行数据收集和对反应过程控制，这是组态软件的基本特征。它能够满足不 同的要求，用各种不同的组态方式提供个用户方便快捷的操作方法，各种预设置的模 块也可以是设计控制过程变得更加顺畅，各项功能可以使控制设计更加接近现实。组 态软件既能支持多厂商的设备，也可以通过网络与实际工程控制相结合，与控制和管 理层相连接，系统也可以进行集成。 6.2 DCS 系统基本配置组态 DCS 组态工作的内容主要包括:系统组态、数据库组态、控制策略组态、流程图 组态、报表组态等 26。 硬件部分设计完成后即可进行软件组态，首先进入浙大中控 JX-300 系统组态软件， 在总体信息下完成系统单元的组态，系统单元主要是构建控制站和操作站，针对本工 段 DCS 系统而言，控制站中需要添加两个主控制卡，一个作为工作卡，另一个作为冗 余卡。 图 6.1 主机设置 然后进行控制组态的设计，控制组态主要包括 I/O 组态和常规控制方案两项内容 。I/O 组态首先要添加数据转发卡，本课题中共有两组互为冗余的数据转发卡，添加了 数据转发卡后，就要进行 I/O 卡件的设计，需要进行卡件及其通道信号的添加，其中 输入卡包括 14 个互为冗余的 SP316 和 10 个互为冗余的 SP313，输出卡为 8 个互为冗 余的 SP322X。输入输出卡件和信号点添加完毕后要对信号点进行设置，包括该检测 参数的量程，工程单位，信号类型等信息，而输出信号则要注明该信号的信号制和阀 特性。 本 科 毕 业 设 计 第 25 页 共 34 页 图 6.2 I/O 输入 数据转发卡 图 6.3 I/O 卡件 图 6.4 I/O 点 图 6.5 模拟量输入 常规控制方案即是对 14 个控制回路进行设置，包括控制方案，输入输出信号，串 级控制系统还需要分别对主回路和副回路的输入信号进行设置。 本 科 毕 业 设 计 第 27 页 共 34 页 图 6.6 回路设置 操作组态的主要内容有标准画面和流程图，其中标准画面又包括系统总貌，趋势 曲线，控制分组和数据一览。系统总貌。操作组态是为了更好的服务于操作员对生产 过程的监控和调节，系统总貌画面是监控操作画面的总目录。主要用于显示重要的过 程信息，或作为索引画面用。可作为相应画面的操作入口，也可以根据需要设计成特 殊菜单页，每页最多显示 32 块信息。 图 6.7 总貌画面设置 趋势组态可以让我们更直观的了解系统的运行情况与工艺的具体要求，趋势组态 每页可以设置 8 个趋势位号，自行设置记录数据的间隔与位号，时间间隔可以在 1- 3600 秒之间根据要求随意设定。另外，每个数据都是独立存储，这样每个趋势组态都 是相互独立的，便于我们存储与载入。 图 6.8 趋态组态设置 本 科 毕 业 设 计 第 29 页 共 34 页 数据一览画面，我们可以随时了解合成过程中的数据与情况，一页画面，我们可 以设置 32 个位点。 图 6.9 一览画面设置 图 6.10 合成反应器中温控制流程图 在完成标准设置后，我们还需要绘制流程图，它是我们对整个组态系统的真实反 映，在流程图上的仿真，使很大程度上的的数据和控制过程都可以呈现在我们面前， 我们也可以更加方便，直观的了解反应情况，从而更加完善组态系统。 流程图主要包括静态图形，和动态参数。静态图形类似于设备连接等，动态参数 是真实反应的数据，通过在流程图上的观察与判断，我们可以判断合成过程是否和预 计的一样，提高了反应的安全系数的同时，降低了出现错误的可能。 完成软硬件的设计后还要考虑整个系统的安全性，主要包括电源和接地，DCS 系 统的供电要求电压稳定，频率稳定，不间断，无干扰供电。因此，在从外部提供两路 独立的供电输入的同时，还应设置不间断电源供电系统 UPS，当电源失电时，UPS 将 向系统供电。除了电源，接地也是 DCS 系统的一项必不可少的环节，要求系统安全接 地以及信号接地。 本 科 毕 业 设 计 第 31 页 共 34 页 结 论 本设计的主要内容是实现醋酸乙烯生产合成工段 DCS 系统工程设计。合成工段主 要是对合成反应器、醋酸加料泵、醋酸蒸发器以及乙炔鼓风机的控制系统方案的设计。 运用了串级控制系统和单回路控制系统。根据控制任务的要求，通过进一步的对生产 原理的了解与工艺过程的研究，最后确定并撰写控制方案分析与设计。 具体过程如下：首先根据工艺流程确定控制方案，再按照控制方案绘制管道及仪 表流程图（AutoCAD 绘制） 。然后对系统 DCS 硬件选型，其中都包括编制 DCS 监控数 据表，集散控制系统选型，现场控制站硬件配置，编写现场控制站硬件一览表，I/O 卡 件清单，机柜、机笼卡件布置图，操作员站硬件配置及设备表，仪表回路图，端子接 线图。完成上面内容之后，最后对 SUPCON JX-300X 集散控制系统软件组态，完成系 统登录和 I/O 组态，控制回路组态，操作组态，监控画面组态，标准画面组态（包括： 趋势图