醋酸乙烯化工毕业设计.docx

本 科 毕 业 设 计 第 34 页 共 34 页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：合成气换热器换热器TC1TC2图3.1 醋酸乙烯合成反应器中温控制系统流程图干扰方框图，如图3.2所示：合成气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_换热器出口管道图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。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：LC蒸汽流量SP图3.3 醋酸蒸发器液位控制流程图 方框图，如图3.4所示：给定液位控制器控制阀醋酸蒸发器液位变送器+流量_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：FC醋酸 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：给定流量控制器控制阀泵流量变送器+流量_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： 乙炔FC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： 给定流量控制器控制阀鼓风机流量变送器+流量_ 图3.8 乙炔鼓风机入口管道流量控制方框图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145TE-102混合气第二预热器出口180TE-103醋酸蒸发器100TE-104醋酸蒸发器出口78TE-105乙炔鼓风机出口60TE-106吸附槽出口25TE-107醋酸加料槽35TE-108合成反应器出口178TE-109粉末分离器出口25TE-110合成反应器下部160TE-111合成反应器中部178TE-112合成反应器上部185TE-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：位号描述液位（%）HLT-101醋酸蒸发器液位0100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； 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。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-300XJX-300X DCS 系统采用三层网络通信结构，系统结构如图5.1所示：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：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Pt100-2008500。1%FSCu50-501500。1%FSSP313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 mA0。1%FS标准电流010 mA0。1%FS4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（010mA）；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SP243XSP233SP316SP313SP322X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24731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1AdvanTrol套12操作系统W IN 200套16 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。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。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。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、数据一览表、调整画面和报警画面等）。最终完成本设计。由于水平不足和经验的缺乏，设计中也难免有设计不全面的地方。本设计要应用于实际生