精馏塔的温度控制系统毕业设计.docx

长春工业大学本科毕业设计（论文）摘 要 精馏过程是石油炼制、石油化工和其他化工过程中应用最为广泛的传质操作过程。精馏过程由于内在机理复杂，对控制作用的响应缓慢，参数间关联密切，因此控制要求高，难度大。 本文主要研究精馏塔的温度控制，根据其工艺要求来研究精馏塔精馏段的温度控制及其温度对产品质量的影响。精馏过程中产品质量主要取决于对温度的控制，然而，在进行较高纯度分离的精馏塔内，接近塔顶或塔底的一个不太短的塔段内，物料的浓度变化所引起的温度变化比较小这种情况下，当人工发现温度有较明显的变化时，产品质量早己不合要求。所以，在精馏塔内引入自动温度控制系统就是十分必要和紧迫的，合理控制精馏塔温度是产品是否合格的重要指标。本文主要通过具体分析精馏段温度控制系统的特点，得到以回流流量作为副控制对象，精馏段温度为主控制对象的串级控制系统，再进一步对精馏塔温度控制系统的难点进行分析。本系统采用单片机控制精馏塔温度，用热电偶作为检测元件，采用PID控制算法计算控制量输出，同时用电动调节阀作为执行机构。本系统还具有报警、按键输入及显示等功能从而实现对精馏塔温度的控制。关键词：单片机；精馏塔；温度控制Design of temperature control system for distillation columnAbstract Distillation process in petroleum refining, petrochemical and other chemical process used most widely mass transfer process. Distillation process due to the complexity of the internal mechanism, the effect on the response of control slow, parameters are closely related. Therefore, the control requirement is high, the difficulty is big. This paper mainly studies the temperature control of distillation column, influence of temperature control and temperature according to the technical requirements of distillation column for the quality of products. The main products on the distillation process to control the quality of temperature, however, in high purity distillation column separation, close to the top or bottom of a short the tower section, the temperature change caused by the change of the concentration of material is relatively small in this case, when the artificial temperature is found to have obvious changes, the quality of the products has long been out of order. Therefore, the introduction of automatic temperature control system is very necessary and urgent in the distillation column, the reasonable temperature control of distillation tower is an important index whether the product is qualified. This paper mainly through the characteristics of rectifying section temperature control system of concrete analysis, obtained in the reflux flow as assistant control object, the rectifying section mainly the temperature control object string Level control system, and then further to the distillation tower temperature control system of the difficulty of analysis.This system uses the monolithic integrated circuit control temperature of distillation column, with a thermocouple is used as a detecting element, the PID control algorithm to control the output, at the same time, the electric control valve as the actuator. The system also has alarm, key input and display function so as to realize the control of distillation temperature.Keywords: single chip microcomputer; distillation column; temperature control目 录第一章 绪论11.1 论文选题背景及研究意义11.2 国内外研究现状41.2.1国内研究现状41.2.2国外研究现状51.3 本文的主要内容6第二章 系统方案论证82.1 精馏塔温度控制系统组成82.2 精馏塔温度控制系统方案设计112.3 系统总体方案设计132.3.1 系统控制器的选择132.3.2 系统检测元件的选择152.3.3 系统输入通道方案选择182.3.4 系统输出通道方案选择192.3.5 系统外围接口设备的选择19第三章 系统硬件电路设计233.1 系统控制单元电路设计233.1.1 引脚特性233.1.2 系统时钟电路设计253.1.3 系统复位电路的设计263.2 系统信号检测电路设计263.3 系统前向通道电路设计273.4 系统后向通道电路设计283.6 系统外围设备接口电路的设计323.6.1.系统显示器接口电路设计323.6.2.系统键盘接口电路设计333.7 报警电路设计343.8系统串口通讯电路353.9 系统电源电路设计36第四章 系统软件设计384.1 系统总体设计思想384.1.1 系统工作过程384.1.2 系统程序设计方法选择384.1.3 系统程序设计语言的选择394.2 系统主程序设计404.3 系统数据采集及处理子程序设计414.4 系统控制算法子程序设计424.5 系统按键显示子程序464.6系统串口通讯子程序48总 结50致 谢51参考文献52V 第一章 绪论1.1 论文选题背景及研究意义 随着经济不断发展，人们的生活水平得到快速提升，对温度测量提出了更高要求，以满足人们的生活需求，推动经济可持续发展。现代发展中，温度的测量和控制越来越受到社会各界人士的关注，因此，在进行温度的实际测量和控制中，需要保证温度采样的快速和有效，以确保相关数据的正确性，使数据可以快速完成传输，从而使所测温度场得到较精确的控制。本文就单片机控制精馏塔温度进行概述，对温度控制实现的方法、单片机的类型和框架结构、单片机控制精馏塔温度的原理进行分析和探讨，提出基于单片机控制精馏塔温度系统的开发和应用，对于推动我国市场经济可持续发展具有重要现实意义。 另外，精馏塔温度控制主要体现在石油化工方面，在此过程中也面临一系列的问题，自20世纪70年代经历两次“石油危机”，能源成为全球关注的问题。随着我国经济社会持续快速发展，能源需求大幅增长。2005年我国一次能源生产总量达到20.6亿吨标煤，是世界第二大能源生产国。但煤炭供应仍感紧张，电力短缺，原油进口增加，环保压力加重，能源已成为制约社会经济发展的重要因素。特别是在我国“富煤、贫油、少气”的特点下，石油供应更显紧张。2005年，加工原油28622万吨，增长6.5%，国产原油18084万吨，增长3.9%，进口原油12988万吨，增长10.3%，另外还进口成品油4000万吨，对外依存度已达40%。预测至2020年，我国石油需求量将达5亿吨，而国产原油最多只能达到2亿吨左右，需进口3亿吨，进口依存度将达到60%。我国石油消费主要用于石油加工业，生产交通运输用油料，供应化纤制造及化工原材料生产，没有石油的支持，对整个经济社会是不可想象的，石油过高的对外依存度可能引发的风险，更令人担忧1. 施国泉，一种现实的石油替代能源油页岩阴，吉林大学学报2006,7(6):888-889.。 国家正积极设法从国内外寻找更多的石油资源，采取各种节能措施，大力组织开发各种新能源、可再生能源，以解决石油短缺的“瓶颈”，并已取得了可喜的成绩。但是也必须看到，由于技术、经济等种种原因，在相当长的一段时间内，世界经济还主要靠常规能源来运转，因此实施石油替代和燃料多样化战略是必要的。石油供应不足将是影响我国长期能源安全的重要问题，发展替代能源不是权宜之计，而是支撑我国未来能源可持续发展的战略选择2. 徐锭明.积极推进我国替代能源发展J，能源政策研究，2006 13 (1):5-7。众所周知，精馏过程是化工生产过程中应用最广泛的分离过程，其过程变量和被控变量较多，同其它化工过程一样，要使精馏过程达到分离混合物的预期要求，就必须实施有效的操作和控制。本文化工厂精馏工艺为背景，以精馏塔为研究对象，在进行充分现场调研和理论学习的基础上，消化精馏塔的生产工艺、基本控制要求和基本的温度控制方式，并针对精馏塔工作过程的特点，提出一种先进控制方法来提高精馏塔精馏段温度控制的性能。对于精馏塔而言，是石油化工、医药等领域常见的生产过程装备，是较为典型的单元生产过程，精馏塔的过程变量多，各变盆之间关系复杂，本文通过对精馏塔工艺、生产过程中主要的扰动变量进行分析，引出提馏段温度控制方案、精馏段温度控制方案，为工程技术人员设计精馏塔过程控制系统提供参考。工业生产中常常要求将混合物中各组分进行分离，其方法是利用混合物中各组分的挥发度不同，将它们进行分离，并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质就是利用混合物各组分具有不同的挥发度，使液相中的轻组分转移到气相中，而气相中的重组分转移到液相中，从而实现分离的目的。完成这一过程的工艺设备是精馏塔。 由于计算机控制技术特别是集散控制系统(DCS)的迅速发展，且在工业生产过程中应用日趋广泛，计算机控制技术在精馏塔的控制也不断成熟和发展，。不少大、中型企业，特别是石油化工、医药化工、炼油等工业生产中精馏塔相继采用计算机控制，使得在精馏过程中，新的控制方案层出不穷，如精馏过程的内回流、热熔控制、解祸控制、推断控制、节能控制、最优控制等。控制系统的品质越来越高，使精馏塔的操作收到了明显的经济效益。 在精馏塔的过程控制中，控制方案非常多，整个精馏塔的被控变量较多，可选用的操纵变量较多，各变量之间相互关系也很多。对象的控制通道复杂，反应缓慢，内在机理复杂，扰动因素很多。尽管有许多不利于控制的因素存在，对精馏塔的控制与操作的要求却较高，这就给精馏塔的控制与操作带来一定的难度。 因此，生产过程中只有深入分析工艺特性、对象特性，结合具体情况，才能制定出切实可行的控制方案。 精馏是将混合溶液输送到精馏装置中进行部分冷凝和汽化后得到精馏产品，该操作在进行中会使混合物的气体和液体在塔体中进行逆向的流动，在流动的过程中逐渐分离出来产生液化和汽化两种反应。精馏操作过程中一般需要精馏塔、冷凝器、回流罐等设备，是化工行业中非常重要的生产环节，采用连续运行的方式进行产品分离并影响着化工产品的质量及能源消耗。精馏塔由多级塔板构成，由于设备工作原理较为复杂，自动控制的难度相对也比较大。不同的精馏塔在制作工艺和塔体结构方面存在很大的差异，在精馏操作时要根据精馏塔的结构特点进行操作方案设计。 进行连续精馏操作时要先将液体原料送入进料板，进料板将精馏塔分隔为了精馏段和提馏段两大部分，塔体上进料口以上的部分为精馏段，它可以将蒸汽中易挥发成分提浓;进料口下面部分为提馏段，它从下面的液体中提取挥发性物质。精馏段和提馏段通过将混合液体中的不同成分的产品分离后为化工生产提供高浓度产品。在精馏塔内，除了精馏段和提馏段以外，最重要的部分就是塔板，塔板为气体和液体提供传热和传质的场所，使得气体和液体能够进行双向传质，直到塔内混合液体分离成两个纯净的组分。 混合溶液内部的不同成分具有不同的沸点，因此进入精馏塔加热时，随着温度变化易挥发性成分会液化后升腾，而沸点相对较高的成分则会随着液体向下流动，该液体在精馏塔内和液化后的蒸汽不断接触，进入精馏塔釜部的液体在塔板间反复接触后，残留的部分易挥发性物质发生汽化后又回到精馏塔内，汽化后的成分在塔板间相互接触浓度逐渐升高。气体和液体回流形成逆流接触，在精馏塔的上下两部分得到高浓度、纯净的产品。蒸汽在冷凝器中变化成液体，提炼出来的液体经过回流泵和回流罐后作为塔顶产品被引出精馏塔。 混合物分离的纯度是精馏塔控制的主要指标。在精馏塔的正常操作中，一般应保证在塔底或塔顶产品中至少有一种组分的纯度达到规定的要求，其他组分也应保持在规定的范围内，为此，应当取塔底或塔顶产品的纯度作为被控变量。但由于在线实时检测产品纯度有一定困难，因此，大多数情况下是用精馏塔内的“温度和压力”来间接反映产品纯度。 为了保证精馏塔的平稳操作，首先必须把进塔之前的主要可控扰动尽可能克服掉，同时尽可能缓和一些不可控的主要扰动，例如，对进塔物料的温度进行控制、进料量的均匀控制、加热剂和冷却剂的压力控制等。再就是塔的进出物料必须维持平衡，即塔顶馏出物与塔底采出物之和应等于进料量，并且两个采出量的变化要缓慢，以保证塔的平稳操作。此外，控制塔内的压力稳定，也是塔平衡操作的必要条件之一。对于精馏塔的平稳操作而言，首先必须把进塔之前的主要可控扰动尽可能克服掉，同时尽可能缓和一些不可控的主要扰动，例如，对进塔物料的温度进行控制、进料量的均匀控制、加热剂和冷却剂的压力控制等。再就是塔的进出物料必须维持平衡，即塔顶馏出物与塔底采出物之和应等于进料量，并且两个采出量的变化要缓慢，以保证塔的平稳操作。此外，控制塔内的压力稳定，也是塔平衡操作的必要条件之一。为了保证塔的正常、平稳操作，必须规定某些变量的约束条件。例如，对塔内气体流速的限制，塔内气体流速过高易产生液泛流速过低会降低塔板效率;再沸器的加热温差不能超过临界值的限制等。 由于精馏塔的变量较为复杂，对精馏段的温度变化影响较大，因此介绍了温度串联控制系统。该系统能够解决精馏塔变量对温度的影响问题，通过调节变量维持温度稳定，对现代精馏操作技术发展具有一定白勺促进作用。 采用精馏操作技术提炼的产品浓度较高，能源消耗率也比较低，但是在精馏操作过程中温度对操作环节和产品质量有很大的影响，在对精馏塔进行控制时要注意控制精馏段的温度并进行检测，以保证精馏产品的质量。 由于精馏段的温度受压力波动、热质变化和回来扰动等很多因素的影响，具有很大的不稳定性。温度单回路控制系统对抗干扰能力较弱，虽然能够解决化工产业中参数定值控制问题，但对于滞后性较强、干扰较大的系统却很难控制，一旦变量发生变化就很难有效的对温度进行控制，从而会影响精馏产品的质量。因此在精馏段温度控制中出现了串联控制系统。1.2 国内外研究现状1.2.1国内研究现状 虽然关于先进控制系统的研究己经有很多年，但现有的精馏塔控制仍然以常规控制系统为主。在国内，先进控制系统的应用刚刚处于起步阶段，并依赖于进口产品。从资金和技术条件两个方面讲，大量应用的条件均未成熟。 不仅如此，即使常规控制系统的设计中也还存在很多问题，表现在两个方面。 第一，现有的常规控制系统分析和设计理论还不完善。即使是得到普遍认可的稳态相对增益矩阵方法(RGA)，也存在反例。最常见的单端和双端组份控制的变量配置问题也一直没有得到系统的结论。 第二，设计单位缺乏有效的动态仿真工具，对于实际生产中的问题只能通过经验或者在实验塔上做实验解决。 1993年，黄仲文提出将自适应控制算法应用到精馏塔的控制中。面对客观上存在的各种不确定因素，自适应控制系统能在控制系统运动过程中，通过不断地测量被控系统参数或运行指标，根据参数或运行指标的变化，遵循一定的评价指标或规则更新控制器结构、参数或改变控制作用，使系统运行在某种意义下的最优或次最优状态3. Goodwin G.C，孙贵生.自适应滤波、预测与控制M，北京:科学出版社，1992 , 454.。自适应控制对模型和扰动的先验知识依赖程度较低。自适应控制方案很多，常被应用的主要有三种。（1)增益调度自适应控制它的主要思想是通过检测过程的运行情况来变更控制器的参数，而变化控制器参数的原则是参照按预编程的方式确定的函数关系进行调节。它的优点是，能对操作条件的变化及时做出响应，调节控制器的增益。它的缺点主要有两个:其一，它属于一种开环补偿，因此对不正确的调节没有反馈补偿功能;其二，它的设计是非常花时间的，需要对机理有深刻的了解或对系统做足够多的测试。增益调度自适应控制一般在包含反应的精馏过程中应用较广，它的动态效果直接受到反应的影响从而表现出很强的非线性和定向增益性。(2)模型参考自适应控制(MRAS )对MRAS的期望性能用一个参考模型来表示，这个模型给出了对指令信号或设定信号的理想相应口参考模型也是控制系统的一部分。控制过程可以被认为由两个回路组成，内回路是由控制器和过程对象组成的一般控制回路，控制器的参数由外回路调节，来使实际输出与控制器输出的偏差值最小。(3)自校正控制器(STR) STR的设计思想是将未知参数的估计和控制器的设计分开进行。控制系统可以分为两个回路。内回路包括常规的控制器和过程对象，控制器参数由外回路调节。外回路由一个回归参数预测器和一个设计运算器组成。1.2.2国外研究现状在国外对于精馏塔控制研究中，各类先进控制策略在精馏塔的控制中几乎都有应用，如推断控制、预测控制、智能控制、非线性模型控制等。相对发展较为成熟的要属预测控制和智能控制在精馏塔控制系统中的应用。 1、预测控制模型预测控制作为一种新型的计算机控制算法，有着其鲜明的特征，它是一种基于模型预测，滚动优化并结合反馈校正的优化控制算法。从工业应用的角度看，模型预测控制算法在处理复杂的多变量控制问题时具有较大的优势，它可以成功地应用于含有时滞、约束的多变量过程。其特有的隐式解祸能力可有效地克服传统分散控制、解祸控制所带来的繁琐和存在缺陷4. Macias, J.J. A Method for Predicting Quality of the Crude Oil DistillationJ，IEEE Evolving Fuzzy Systems, 2009, 9(5): 214-220.。1998年，Karacan等人对精馏塔的GPC控制方案做了理论和实验的研究，最后实验得到的结果和理论分析非常吻合，都能很好地达到控制效果，并于2000年对此做了更深入的研究和对比，更加验证了精馏塔的GPC控制方案是确实可行的。Maurath等人在1985年运用基于MPC原理的多变量模型预测控制，对低纯度双组分精馏塔控制做出了分析，得到了很好的控制效果的同时，发现控制效果直接受到模型误差的影响。差不多同时，McDonald和McAvoy将MPC应用到中等和高等纯度的精馏塔，他们发现此时很难找到一个对应的模型来表征实际对象，也就很难得到较好的控制效果。大多过程控制应用不仅要求保持被控变量在它的设定点上，而且还必须保证过程在操作限制以内。自从MPC提出后，在接下来的几年现场应用中，人们发现需要在MPC控制系统的基础上加以更加严格的约束控制。于是1985年，Carlos等几位Shell公司的工程师提出了QMPC算法，用线性不等式组的方式求解QP问题，从而使控制方案更加严谨。 2、智能控制智能控制是控制理论发展的高级阶段，它是人工智能、运筹学和自动控制三者的交叉。有代表性的智能控制包括神经网络控制和模糊逻辑控制等5. 孙增沂.智能控制理论与技术明，北京:清华大学出版社，1997 103-109.。 (1)模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑，模仿人类控制经验和知识的一种智能控制。模糊控制器主要由模糊化、知识库、模糊推理和解模糊化四部分组成。模糊化部分的作用是将输入的精确量转换成模糊量。知识库包括了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、尺度变换因子以及模糊空间的分级数等。规则库是由用模糊语言变量表示的一系列控制规则组成的。它反映了控制专家的经验和知识。模糊推理是模糊控制器的核心，它模拟人基于模糊概念推理的行为。解模糊化的作用是将模糊推理得到的模糊控制量变换为实际用于控制的精确量6. Janos Abonyi, Ferenc Szeifert. Fuzzy modeling with multivariate membership functions:gray-box identification and control design闭，IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B, 2001, 31(5): 755-767.。（2)神经网络 神经网络是由大量人工神经元广泛互联而成的网络，人工神经元则是非线性映射函数。常见的神经网络有感知网络、BP网络、Hopfield网络、Boltzmann机、CMAC神经网络、B样条神经网络、径向基函数神经网络和模糊神经网络等。神经网络控制是一种数据驱动的控制方法，适用于那些具有不确定性、非线性且无模型可资利用的控制对象，它具有较强的自适应和学习能力7. Jose RN, H Wang. A Direct Neural Network Control for Unknown Nonlinear Systems and Its Application J, IEEE Trans on Neural Networks, 1998, 9(1): 27-33.。根据神经网络控制结构的不同，神经网络控制可分为神经网络监督控制、神经网络自适应控制、神经网络内膜控制、神经网络预测控制和神经网络自适应评判控制等。综上所述，随着控制理论的不断完善，科技的日新月异，先进控制技术必将会得到更深层次的发展，为企业带来更显著的经济效益。整个先进控制在飞速地发展，也带动了精馏过程控制的进步。无论是控制精度、系统稳定性、系统鲁棒性、系统精度要求等都有很大的提高。虽然很多较新的方案并未能在实际工程中大量应用，但是它们拥有着非常广阔的应用前景8. Barolo M, Paolo Dal Cengio. Closed-loop optimal operation of batch distillation columnsJ，Computers&Chemical Engineering, 2009, 25(9): 561-569.。 1.3 本文的主要内容本次设计就单片机控制精馏塔的温度进行概述，并且探讨单片机温度控制原理及实现方法，进而分析单片机的环境应用及要求和它的发展方向，这些研究对于提高单片机的功能扩展都有利好作用。 随着单片机所应用的领域越来越广泛，它对温度的检测与控制越来越引起人们的广泛关注，因此，本研究主要探讨单片机的温度控制的实现方法。与此同时探讨精馏塔温度控制系统设计的方法。其中，主要探讨单片机与高精度温度传感器结合的方式的合理性与有效性。9. 吴兴纯，赵金燕，杨秀莲，等.智能PID算法在炉温度控制系统中的运用J.机电工程,2011,28(8);948-950. 主要技术参数：设计一个单片机控制的精馏塔温度控制系统。根据精馏塔工艺要求，进行精馏塔精馏段温度自动控制系统的设计。主要技术参数如下：（1）塔顶温度范围：100150；精度：1。（2）超调不超过1.5。（3）出现异常现象，系统具有自动报警功能。（4）具有设定参数、修改参数的功能。本文内容： （1）第一章绪论部分主要介绍精馏塔的发展历史和课题的研究意义。 （2）第二章系统的方案论证主要介绍本文的控制方案论证以及硬件选择的方案论证，系统的整体工作流程等。 （3）第三章系统硬件设计主要论述系统所选择的硬件的工作原理和各个部分的工作电路图等。（4）第四章系统软件设计主要论述了系统的整体工作方式和各部分的工作流程图等。（5）最后是全文总结部分工作程序等。第二章 系统方案论证2.1 精馏塔温度控制系统组成精馏过程是将一定浓度的混合物送入精馏塔中，使其在塔内反复地进行部分汽化和部分冷凝，从而得到预期的塔顶与塔底产品的操作过程。完成这一操作过程的设备除了精馏塔以外，还有需要有再沸器、冷凝器、回流罐等辅助设备， 现代化工领域的精馏段温度控制多采用了串级控制系统，该系统针对复杂控制系统具有很多的优势。 精馏段串联温度控制体系在被控变量选择方面具有明显优势.它可以根据精馏塔的设计特点现在合适的被控变量。例如:当精馏塔温度恒定时，串联系统会选择温度作为被控变量;针对多元精馏塔，在一定的塔压下可以将温度作为产品的质量指标之一。综上所述，本系统的工艺流程图如图2-1所示。 图2-1 精馏塔工艺流程图如上图2-1所示原料经干馏后生成的蒸气从精馏塔中下段的某块塔板上进入，这块塔板称为进料板。进料板将全塔分为两段，进料板以上部分称为精馏段，进料板以下部分称为提馏段。进入塔内的蒸气，由于各组分的沸点不同，沸点低的组分(轻组分)较易汽化而往上升腾;沸点高的组分(重组分)则更多的随液体往下流，与塔内上升蒸气在各层塔板上充分地接触，在逆流作用下进行传质和传热。下流的液体到达塔釜后，一部分被连续地引出称为塔底产品，即为重油，另一部分则被加热汽化后又返回塔中。塔内的上升蒸气依次经过所有的塔板，使蒸气中易挥发组份逐渐增浓，上升到塔顶的蒸气在冷凝器中被冷凝成液体，经回流罐和回流泵后，一部分成为塔顶产品连续引出，即为轻油，另一部分则引回到顶部的塔板上，作为塔内的冷却液，称为回流10. 汪涛，郑琪美，徐灿.蒸馏过程先进控制与在线优化明，石油炼制与化工，1996 27（8):40-46.。精馏塔进料入口以下至塔底部分称为提馏段，进料口以上至塔顶称为精馏段。塔内有若干层塔板，每块塔板上有适当高度的液层，回流液经溢流管由上一级塔板流到下一级塔板，蒸汽则由底部上升，通过塔板上的小孔由下一塔板进入上一塔板，与塔板上的液体接触。在每一块塔板上同时发生上升蒸汽部分冷凝和回流液体部分汽化的转热过程，更重要的是还同时发生易挥发组分不断汽化，从液相转入汽相，难挥发组分不断冷凝，由汽相转入液相的传质过程。整个塔内，易挥发组分浓度由下而上逐渐增加，而难挥发组分浓度则由上而下逐渐增加。适当控制好塔内的温度和压力，则可在塔顶或塔底获取人们所期望的物质成分。 精馏塔主要由塔底和塔顶两部分组成，其中塔底为加热区，采用导热油加热方式;塔顶为冷却区，采用循环水冷却方式。精馏操作时精馏塔的控制对产品质量以及能源消耗等问题具有直接的影响，如何应对精馏段的自动化控制问题一直以来都备受化工产业人员的重视。在选择和设计精馏段控制方案时应该根据精馏塔设备的具体结构和原理进行研究。控制精馏塔不仅能够保证产品质量，还能控制能源消耗，提高化工产业的回收率。温度控制是精馏塔控制的主要方面，也是提高精馏操作能力的重要环节。精馏段温度控制的目的是控制产品质量，在精馏塔压力恒定的情况下，串联温度控制系统可以根据温度检测点的不同选择操作变量，可选择塔顶产品采出量或者回流量作为操纵变量，一旦精馏塔的温度发生变化，可以调节精馏塔的回流量减轻干扰。一直以来，精馏塔的温度控制问题都是颇受关注的化工生产问题，随着精馏段温度串联控制系统的出现，其在现代化工领域应用也逐渐广泛，它能对部分影响精馏段温度的变量进行控制，通过改善控制系统的调节能力从而减轻干扰，以方便进行温度控制。串联系统具有更高的能效性，可以满足现代化工产业中精馏塔的使用需求，以提高精馏塔的产品质量并减少能源消耗。 要对精馏塔实施有效的自动调节，必须首先了解精馏塔的控制目标，即控制要求。通常，精馏塔的控制目标，应该从质量指标、产品产量和能量消耗这三个方面来进行考虑。 (1)质量指标 既然精馏操作是为了将混合物分离为产品，产品质量指标就必须符合预定的要求。这就是说，塔顶或塔底产品之一应该保证合乎一定的规格，而另一产品也应当维持在规定的范围之内。或者，塔顶和塔底的产品均应保证一定的纯度要求。11. 黄永杰.精馏塔自动控制系统设计与应用闭，化工技术与开发，2012, 41 (1) : 52-54. 对于本文所研究的精馏塔属于二元精馏塔，质量指标的要求就是要使顶部产品中轻组分含量和底部产品中重组分含量符合一定的规格。 在精馏塔的操作中，使产品质量合格显然是重要的。如果产品质量不合格，它的价值就远远低于合格产品的价值。但决不是说质量越高越好。因为常常是这样的情况，质量超过规格，产品的价格并不因此而增加，产量却反而下降了，总的价值也因此而下降了，同时操作成本也花费得多。由此可见，除了要考虑使产品符合规格外，还应考虑使产品不要太超过规格。也就是应同时考虑产品的产量和能量消耗。 (2)能量消耗要求 精馏过程中消耗的能量，主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗，此外塔和附属设备及管线也要散失一部分能量。 在一定的纯度要求下，提高产品的回收率，必定要增加塔内的上升蒸气量V而塔内上升蒸气量增加的越多，意味着再沸器的能量消耗要增加，然而，任何事物总是有一定限度的，单位进料量的能耗(可用塔内上升蒸气量V与进料量F之比V/F来表示)增加到一定数值以后，再继续增加V/F，产品回收率就增长不多了。 然而，单位产品的能耗量最低并不等于单位产品的成本最低。这是因为决定成本的不仅是能耗，还有原料的成本。在最低能量消耗时，由于回收率下降，使得单位产品所消耗的原料增加了，有相当数量的产品组分转移到另一个产品中去了。显然，单位产品成本最低时的能量消耗，应该比单位产品能耗最低时的能量消耗高一些。这时，尽管能量消耗不是最低，但由于回收率增加了，单位产品的原料成本下降了，从而有可能使总的单位产品的成本最低。由此可见，在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的前提下，应在控制过程中使产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。 （3）产品质量指标 控制产品的质量指标达到一定分离要求，虽然是精馏操作的主要目标，但并不是唯一的目标。另一个重要目标是产品的产量，也就是产品的回收率。在达到一定质量指标要求的前提下，得到尽量高的产量，使产品的回收率提高，显然是有利的。产品的回收率定义为: （2.1） 式中:P是产品量，F是进料量，是进料中组分的浓度。 式(2.1)并不包含产品质量规格，因此仅从式中并不能看出产品回收率与产品纯度之间的直接关系。产品纯度与产品回收率之间的关系还必须考虑能量因素才能最后确定。由精馏原理可知，用精馏塔进行混合物的分离是要消耗一定能量的。要使分离所得的产品纯度越高和产量越多，所需的能量就越大。在能耗一定的情况下，产品纯度增加，必然会使产品的回收率下降，从而使该产品的经济收益下降，虽然另一产品的产量可以增加，但在另一产品的价格低于该产品的情况下，总的经济收益也会下降。这也就说明，在精馏操作中，主要产品的质量指标最好恰是达到质量的规格要求。低于要求的纯度将使产品不合格，而超过纯度要求也会降低产量。当然，刚好达到纯度要求是不现实的，但也不能使纯度超过太多。 2.2 精馏塔温度控制系统方案设计 在确定精馏塔的控制方案之前，首先要讨论一下精馏塔被控变量的选择，以及检测点的位置等问题。通常，精馏塔的质量指标选取有两类:直接的产品成分信号和间接的温度信号12. Fileti,Ana M Frattini, S andra L Cruz, Joao A F R Pereira. Control strategies analysis for a batchdistillation column with experimental testingJ，Chemical Engineering and Processing, 2010, 39(2): 121一128.。 在有产品质量指标反馈调节的方案中，发展最早和最常见的是用产品或塔板温度作为间接质量指标。温度之所以可选作间接质量指标，是因为就一个二元混合物来说，在一定的压力下，沸点和成分之间有着单值的函数关系。因此，如果恒定了压力，塔板温度就间接反映了成分13. 孔祥波.精馏塔自动控制及应用阴，吉林广播电视大学学报，2010 ,8 (7):73。采用温度作为间接质量指标的前提是塔压恒定。因此，下述控制方案都认为塔压己经采用了定值控制系统。1、系统精馏段的温度控制以进料口为基准，进料口以上称精馏段，进料口以下称提馏段。精馏段温度控制以精馏段产品的质量为控制目标，根据温度检测点的位置不同，有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。操纵变量可选择回流量L或塔顶采出量D。也可将塔釜采出量B作为操纵变量。采用塔顶温度作为被控变量，能够直接反映产品质量，但因邻近塔顶处塔板之间的温度差很小，该控制方案对温度检测装置提出较高要求，例如高精确度、高灵敏度等。此外，产品中的杂质影响产品的沸点，造成对温度的扰动，因此，采用塔顶温度控制塔顶产品质量的控制方案很少被采用，主要是用于石油产品按沸点的粗级切割馏分处理的场合。采用精馏段温度控制的场合是: (1)对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分的要求严格。 (2)全部为气相进料。(3)塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，提馏段塔板温度变化不显著，或进料含有比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质。2、系统提馏段的温度控制提馏段温度控制以提馏段产品的质量为控制目标，根据温度检测点位置可分为塔底温度、灵敏板温度和中温控制等。操纵变量可选择再沸器加热蒸气量V或塔底采出量B。也可将塔顶采出量D作为操纵变量。控制策略与精馏段温度控制类似。采用提馏段温度控制的场合是: （1)对塔底产品成分的要求比对塔顶产品成分的要求严格。 （2)全部为液相进料。 （3)塔顶或精馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，精馏段塔板温度变化不显著，或进料含有比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系的轻杂质。 （4)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，而较大变化又会影响精馏塔平稳操作的场合。 综上所述，根据约束条件和生产实际的需求，本文采用精馏段温度控制的方案，利用精馏段灵敏板温度作为被控变量，通过调节回流的流量来达到控制精馏段温度的目的，下面我们具体讨论精馏段温度的控制的实现方式。通过系统的工艺流程图可以设置出精馏段温度串级控制系统的结构图如下图2-2所示，它由两个闭合回路构成，副环是一个流量回路，也可称为流量环，主环是精馏段温度回路。流量环中的对象实际上是一个有关阀门和液体管路的传递函数模型，可以看成是典型的惯性环节，外环中的温度对象则是一个一阶惯性纯滞后的传递函数对象。另外，图中的执行机构使用的是电动调节阀调节装置。图2-2系统结构框图 虽然串级系统只比单回路系统多了一个回路，但是实践证明对于相同的干扰，串级系统的控制质量要远远优于简单控制系统，下面我们将介绍精馏段温度串级系统的一些主要特点14. 方康玲.过程控制系统Ml，武汉:武汉理工大学出版社，2002 37-41.。 (1)串级系统由于副回路的存在，其工作频率会高于单回路系统，这样过渡过程的振荡周期减小，在衰减系数相同的条件下，调节时间就缩短了，系统的快速性得到提高，系统的控制品质就得到了改善。当副控制器的放大系数整定得越大，改善的效果就越显著。 （2）在温度串级控制系统中，如果出现了二次干扰的情况，其抗干扰能力要强于同等条件下的单回路控制系统。对于一次干扰，串级系统的抗干扰能力相比单回路系统也有一定的提高，其原因在于副回路减小了对象的时间常数，从而使主回路的控制通道缩短，所以串级系统克服一次干扰就会比单回路系统更及时，其抗干扰的能力自然就会有所提高。 （3）串级控制系统对负荷变化有一定的自适应能力。简单控制系统的控制参数都是在一定负荷下，按照一定的控制要求整定的，如果负荷变化超过一定范围，其控制器参数就不再适用了，但是在实际生产过程中，负荷变化会较为显著，显然单回路系统就不太适用了。有效的办法就是采用串级系统，将具有较大非线性的那部分对象包括在副回路中，这样主控制器就可以按照负荷的变化，调整副控制器的设定值，就可以保证在负荷发生变化时，控制系统的控制质量仍然较好。2.3 系统总体方案设计2.3.1 系统控制器的选择 根据控制系统的需要可以做系统控制器的有：单片机、PLC、工控机。可以根据本系统的设计需求对以上控制器进行方案论证，选择适合本系统的控制器。方案一：利用PLC作为控制器PLC是一种十分常见的电子数据控制程序，是工业自动化系统中的必备基础基于PLC技术的电气控制系统，主要存在两个方面的问题，分别为:控制出设备，它在工业控制系统和人们的日常生活中发挥着重要的作用。PLC凭借着自身的优势，在多个领域得到了广泛的应用，尤其是在电气控制技术中的应用具有重要的意义。PLC技术在电气控制技术中的应用，有效地提高了电气控制技术的质量。PLC技术是一种复合型技术，它攘括了计算机技术、网络通信技术和自动控制技术。PLC技术的工作过程是在计算机硬件上进行的，其工作过程主要包括以下几个步骤:第一、即时收集信息并进行输人。通过控制系统的控制，预编好的指令由软件程序输人到既定的区域内，并进行扫描，同时对输人区域的运行状态进行判断。第二、根据特定的功能执行程序。将用户控制系统中设定的指令作为出发点，进行全面的扫面，并对指令和现场运行状态进行即时的运算和分析。第三、信号的记录和输出。将指令和现场运行状态的运算分析结果输人到中心控制器，当主机的输出点发出有效的响应时，设备的功能开始发挥作用。在实际的操作中，工作流程通常需要持续不间断地重复运行以上的流程，以达到周期工作和循环工作的目的。方案二：利用工控机作为控制器 随着信息技术产业的不断发展，工业控制领域使用大批量的工控机已是很普遍。这些工控机借助网络互相通讯。随着计算机数量的不断增加，系统维护的任务也随之加重。首先，多台机器的软件安装会耗费很长时间，其次，由于计算机病毒的不断蔓延和可能出现的人为恶意破坏，系统崩溃的频率越来越高。系统崩溃的最好解决办法就是重新安装系统，而安装系统则是冗长枯燥的工作，且不说一个Windows需要很长的时间才能装完，而且安装好系统之后还要添加用户软件及各种硬件驱动程序。 工控机的特点： （1）系统综合运用了计算机网络技术、智能控制技术、自动化技术，实现了生产工序的智能自动管理。具体体现在:首先，生产过程全自动化，操作人员在主控机上设置生产参数、下达生产指令后，主控机自动分析生产参数，生成相应的分级控制指令，下达给各子系统。在主控机的管理与调度下，整个生产线无人干预地全自动运行。 其次，故障处理自动化。自动检测设备故障;多数故障可在线自动启用备用设备，以避免停工;少数需人工干预的故障，自动报警(语音、屏幕提示)、手机短信通知。 （2）整套系统分为主机控模块、切割模块、编运模块、码坯模块等。各模块间保持高度的独立性，通过标准接口相互通信，便于对各模块进行单独的管理、升级与维护，也简化了设备安装调试的工序。 （3）系统结构中，现场级与工厂管理级构成局域网，实现系统的集中控制、监视及调度。并且制造商通过VPN与客户设备联网，技术人员可远程调取客户设备上的设备运行日志、配置参数等技术文件，对客户设备进行远程维护。 方案三：利用单片机作为控制器根据目前我国单片机的使用情况来看，单片机一般是单片微型计算机的简称，它将RAM , CPU , ROM , I/0接口和中断系统等多个部件集中到一起，组成一个一体的器件，体积非常小，便于携带，并且，功能非常强大，通过外加电源和品，振的共同作用，可以非常轻松、快捷的对数字