基于工业以太网的精馏控制系统设计毕业论文.pdf

毕业设计(论文) 题题 目目 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 学生姓名学生姓名： 蔡丽梅 学学 号号： 201305280102 班班 级级： 工网 131 班 指导教师指导教师： 文 晖 (副教授) 完成日期完成日期： 2015-11-1 信息处理与控制工程系信息处理与控制工程系 兰州石化职业技术学院毕业设计 任务书 2 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计（论文）设计（论文） 题题 目目 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 选题时间选题时间 2015-8-24 完成时间完成时间 2015-11-1 论文字数论文字数 25000 关键词关键词 工业以太网；精馏塔；控制系统；设计 设计（论文）题目来源、理论和实际意义： 随着网络技术的发展，以太网已经应用到了控制领域，形成了新型的以太网 控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展, 开放的、透明的通讯协议是必然的要求。 工业以太网已经被业内认为是未来控制网络的最佳解决方案，也是当前现 场总线中的主流技术。本文阐述了基于实时网络控制自动化技术的发展，从精 馏塔方案入手，介绍与精馏塔相关的工艺设备，工艺流程、控制过程及 DCS 控 制系统常识，讲述了精馏塔控制系统所涉及到的检测仪表及 DCS 控制装置的基 础知识，重点说明控制系统的组态、功能和控制策略，设计了基于工业以太网 的精馏塔控制方案。 设计（论文）的主要内容： 1.以太网的发展和工业以太网产品的应用。 2.精馏塔系统的研究。 3.精馏塔控制的原理和工艺要求。 4.精馏塔控制的方案设计。 5.控制系统在 DCS 中的实现。 学生签字：学生签字： 蔡丽梅蔡丽梅 指导教师签字：指导教师签字： 系负责人签字：系负责人签字： 2015 年 月 日 兰州石化职业技术学院毕业论文 摘要 3 摘摘 要要 自动化技术已成为国家工业生产力水平的一个重要标志， 工业以太网技术具 有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术 成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。 近些年来,随着网络技术的发展以太网进入了控制领域， 形成了新型的以太网 控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展, 开放的、透明的通讯协议是必然的要求。 以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显。工业以太网制造现在 信息的强大性跟控制的快捷性，能够实现快速的串联跟控制，为现代工业制造实 现真正意义上的“E 网到底”奠定了良好的基础。工业以太网已经被业内认为是 未来控制网络的最佳解决方案，也是当前现场总线中的主流技术。工业化的新翘 楚就由此诞生。本文阐述了基于实时网络控制自动化技术的发展，从精馏塔方案 入手， 介绍与精馏塔相关的工艺设备， 工艺流程、 控制过程及 DCS 控制系统常识， 讲述了精馏塔控制系统所涉及到的检测仪表及 DCS 控制装置的基础知识， 重点说 明控制系统的组态、功能和控制策略，并以精馏塔工业为例分析了自动化技术在 国内重要工业领域的应用状况，阐明了自动化技术在工业发展中的重要作用。 精馏塔控制系统采用 DCS 控制系统进行自动控制， 不仅能为操作人员提供额 可靠的数据信息，而且还能提供主要检测点的动态画面，它还具有可靠的多级报 警系统，可提示故障点和维修措施，同时，计算机还能从宏观的角度调节精馏塔 过程控制，使整个精馏塔系统从整体上协调运行，实现生产过程自动化。 关键词：工业以太网；精馏塔；控制系统；设计 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 4 目 录 摘 要. 3 第一章 绪论 . 6 1.1 以太网的发展历史 . 6 1.2 一般对以太网的选择标准 . 7 1.3 以太网产品的简单性 . 7 1.4 新型关键性的商务应用 . 7 1.4.1 Internet 应用 7 1.4.2 多媒体应用 . 8 1.4.3 高级应用 8 第二章 精馏塔系统的研究 . 9 2.1 精馏塔控制的研究背景及意义 . 9 2.2 精馏塔控制的研究现状 . 9 2.3 精馏塔控制存在的问题及最新发展 . 10 第三章 精馏塔控制的原理和工艺要求 . 12 3.1 精馏塔分馏原理 . 12 3.2 精馏塔的控制要求及主要扰动 . 13 3.2.1 精馏塔的控制要求 13 3.2.2 精馏塔的干扰因数特性 14 3.3 精馏塔的控制目标 . 15 3.3.1 质量指标 15 3.3.2 产品产量和能量消耗 . 16 3.4 精馏塔装置的工艺流程 . 16 3.4.1 精馏系统工艺过程分析 16 第四章 精馏塔控制方案设计 . 20 4.1 精馏塔控制方案 20 4.1.1 提馏段参数控制 20 4.1.2 精馏段参数控制 20 4.1.3 精馏塔的温差控制及双温差控制 21 4.2 乙烯精馏塔装置的控制方案 22 4.3 精馏塔工艺因数影响及系统维护 24 4.3.1 工艺因数影响 24 4.3.2 故障分析及系统维护 25 第五章 基于 JX-300X 的自控系统设计与选型 26 5.1 JX-300X 系统介绍 . 26 5.2 JX-300X 系统方案设计 . 26 5.2.1 DCS 系统的基本组成 . 26 5.2.2 DCS 系统的特点 . 27 5.2.3 DCS 系统的传输媒介 . 28 5.2.4 DCS 通讯网络 . 28 5.2.5 JX-300XP 系统简介 29 5.3 自控系统设备选型 . 31 5.3.1 系统现场仪表选型 31 第六章 控制系统在 DCS 中的实现 . 34 6.1 控制站及操作站组态 . 34 6.1.1 控制站组态 34 6.1.2 操作站组态 36 第七章 控制系统的设计 . 38 兰州石化职业技术学院毕业论文 目录 5 7.1 塔釜液位控制系统的设计 . 38 7.2 塔釜液位控制系统的设计 . 38 7.3 冷却水流量控制系统的设计 . 39 7.3.1 涡流流量计的工作原理 39 7.4 回流比自动控制系统的设计 . 39 7.4.1 比值系统组成原理 39 结 论. 41 参考文献 . 42 谢辞. 43 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 6 第一章第一章 绪论绪论 以太网是 ETHERNET 的中文译名，是一种以 10M 每秒的速度（Mbps）传 输数据的标准,是一种世界上应用最广泛、最为常见的网络技术。在不涉及到网 络的协议细节时，很多人愿意将 802.3 局域网简称为以太网。802.3 局域网是一 种基带总线局域网，最初是美国斯乐（Xerox）公司的 Palo Alto 研究中心(简称为 PARC)于 1975 年研制成功的,当时的数据率为 2.94Mb/s.它以无源的 电缆作为总线来传送数据帧,并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太(Ether)来 命名.1981 年斯乐公司与数字装备公司(Digital)以及英特尔公司(Intel)合作, 联合提出了以太网的规约ETHER80.1982 年修改为第二版规约,即 DIX Ethernet V2,成为世界上第一个局域网产品的规约(DIX 是这三个公司名的缩写). 这个标准后来就成为 IEEE 802.3 标准的基础 1.1 以太网的发展历史 在1995年以前,很多人认为对于千兆比的速率,以太网肯定是不行的了,唯一能 使用的技术就只有 ATM 了. 1996 年夏季,千兆比以太网的产品已经上市.由于它仍使用 CSMA/CD 协议并 与现有的以太网兼容，这就使得在局域网的范围 ATM 更缺乏竞争力. 千兆比以 太网的物理层使用两种成熟的技术:一种来自现有的以太网,另一种则是 ANSI 制 定的光纤通道. 千兆比以太网的物理层共有以下两个标准: (1).1000BASE-X(802.3z 标准) 1000BASE-X 标准是基于光纤通道的物理层, 即 FC-0 和 FC-1.使用的媒体有三种: 1000BASE-SX 用多模光纤和 850nm 激光器(距离为 300-550m) 1000BASE-LX 用单模光纤(距离为 3km)或多模光纤(距离为 300-550m )和 1300nm 激光器. 1000BASE-CX 使用短距离的屏蔽双绞线电缆 STP(距离为 25m). (2)1000BASE-T(802.3ab 标准) 1000BASE-T 是使用 4 对 5 类线 UTP,传送距离为 25-100m. 这项技术是如何工作的: -铜线千兆以太网技术的真正微妙之处在于 以工作在大多数公司中都常见的、现成的快速以太网铜线布线系统之上。在人们 到现有铜线千兆以太网之前， 任何希望应用千兆以太网技术的用户都必须安装光 缆布线系统, 一项在任何方面都花费不菲的工作。铜线千兆以太网技术的出现消 兰州石化职业技术学院毕业论文 第三章 精馏塔控制的原理和工艺要求 7 除了应用这项技术在成本方面的障碍， 使得千兆技术对于用户布线系统的要求发 生变化。 1.2 一般对以太网的选择标准 一般客户会考虑如下的选择标准： 在评估一套千兆以太网解决方案的时候，企业用户应该挑选那些价格合理、简单 易用并且其可靠性与先进性都足以满足特定的商务需求的交换机与网卡产品。 低 价格是铜线千兆技术的一个关键性优势。 客户不应该因为某些设备制造商没有能 够简化他们的产品而为其产品的复杂性付出额外的成本。 千兆以太网产品应该是 简单易用的。 1.3 以太网产品的简单性 一般说来，千兆以太网产品的简单性表现在以下几个方面： 1）易于购买 2）易于安装 3）.易于使用 4）.易于管理与维护 5）.易于升级 6）.易于与已有网络以及已有应用进行集成 1.4 新型关键性的商务应用 有三种关键性的商务应用推动了市场对于铜线以太网技术的需求： (1) Internet 应用； (2)多媒体应用； (3) 财务、市场、人力资源以及制造业等领域中的一些高级应用。 1.4.1 Internet 应用 一家企业的局域网（LAN）速度会直接影响到它的用户在访问和使用 Internet 应用时的体验。由于企业的成功在今天经常取决于其响应时间，更快地访问各类 关键性的商务信息这些信息很大程度上来自于 Internet正在推动着用户 对于高速网络的需求。 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 8 1.4.2 多媒体应用 越来越多的企业正在通过网络使用流视频技术来指导其业务。这样既节省了 时间，也省去了差旅以及其他各种成本。 1.4.3 高级应用 在财务、市场、人力资源以及制造业等领域中的一些商务应用正在变得越来越复 杂，这要求网络为这些应用）速度会直接影响到它的用户在访问和使用 Internet 应用时的体验。由于企业的成功在今天经常取决于其响应时间，更快地访问各类 关键性的商务信息这些信息很大程度上来自于 Internet正在推动着用户 对于高速网络的需求。 兰州石化职业技术学院毕业论文 第三章 精馏塔控制的原理和工艺要求 9 第二章 精馏塔系统的研究 2.1 精馏塔控制的研究背景及意义 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 直接影响到产品质量，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和多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复 杂，对控制作用响应缓慢，参数间相互关联严重，而控制要求又大多较高，这些 都给自动控制的实施带来一定困难，同时各塔工艺结构特点又千差万别，这就更 需要深入分析特性，进行自动控制方案的设计和研究。 精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为“过程变量多，被控变量多， 可操纵的变量也多，过程动态和机理复杂”。作为化工生产中应用最广的分离过 程精馏也是耗能较大的一种化工单元操作但在实际生产中，为了保证产品合格， 精馏装置操作往往偏于保守，操作方法以及操作参数设置往往欠合理，过分离普 遍存在，精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离，而是被冷却水或分离 组分带走，因此，精馏过程的节能潜力很大，收效也极为明显。 2.2 精馏塔控制的研究现状 精馏是化工中首选的分离过程，虽然有很多优点，精馏塔具有生产能力大， 操作稳定，清洗维修简单等优点，被广泛应用于化工生产中对混合物进行分离。 在石油精馏过程中， 利用石油中不同成分挥发度不同特点进行多级气化和冷 凝可以将石油混合物中的多种组份进行分离。 实际应用中会涉及到较多的物质成分精馏和操作步骤处理， 故在精馏塔的操 作和控制过程中要根据实际操作环境和精馏要求采取适当的操作工艺， 增强精馏 控制效果，保证分离产品的纯度。 同时，精馏过程也是石油、化工生产中普遍使用的单元操作，其控制性能的 好坏直接影响产品的质量。精馏塔作为实现精馏过程的核心装置备受关注，多年 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 10 来各国学者对精馏塔的控制进行了广泛深入的研究。从某种意义上讲，精馏塔的 控制研究在理论上已经比较完善了， 但精馏塔的开停车控制一直是精馏塔控制的 一个难题。 但精馏塔开停车自动控制专家系统的应用研究解决了目前控制水平 下开停车阶段完全依靠手动操作的问题，实现了开停车的自动控制。 精馏过程是化工、医药等领域常见的生产过程，是较为典型的单元生产过程。精 馏塔是精馏过程的关键设备，用于完成对进料的加工，将进料分离为不同馏分的 产品。对精馏过程中的精馏塔进行优化操作，可提高产品拔出率，对提高企业的 经济效益具有重要意义。本文针对实际精馏生产过程，深入分析了精馏过程的特 点，系统地研究了多元精馏过程机理模型和操作优化模型的建立，并进行了优化 计算。 本文在分析多组分体系精馏原理的基础上，研究并建立了针对操作优化 目的的平衡级机理模型。首先求解了设计型变量塔顶产品流量，回流比，理论板 数和进料位置，然后给出精馏过程的数学模型 MESH 方程组。提出采用三对角矩 阵法和泡点法(BP，BubblePoint)相结合作为模型求解的解决方案，可快速稳定 地求解复杂的 MESH 方程组，并给出塔顶液相组分组成和各塔板的关键组分分布 及温度分布。模拟结果与现场实测结果较为接近，表明该模型可以较准确地模拟 出实际生产过程，为实施操作优化奠定基础。 本文在对企业需求和实际生产限 制的分析基础上，确定了优化目标、决策变量和约束条件，提出了以经济效益为 目标，以产品质量、塔的处理能力及塔的适宜操作区为约束条件的优化问题。通 过对精馏工艺及过程的深入调研与分析， 分析了回流比和进料量对塔顶产品浓度 的影响，利用机理模型对操作范围内的多个操作点进行计算，并求得其对应的操 作状态。对这些操作状态进行多元非线性回归，得到在全操作范围都通用的经验 公式。在此基础上获得优化模型的数学表达式。采用基于外点罚函数法的遗传算 法，对精馏塔优化问题进行求解，获得精馏塔的最优操作状态。该优化结果可为 精馏装置生产提供优化操作指导， 对提高装置的生产能力及提高经济效益提供帮 助。 2.3 精馏塔控制存在的问题及最新发展 目前，大多数石化生产装置都采用了 DCS 进行控制，产生了较好的效益，但 总的说来，DCS 的应用水平不高，其技术优势还远没有完全发挥出来。据专家 们估计，当前我国企业对 DCS 的应用能力普遍不及它的 30。这说明在 DCS 的应 3 用上还存在着很大的不足。主要是 DCS 仍然是一门新型的控制系统，使 用时要考虑它的通融性、方便性、系统配件性等。它技术更新快，应用时要虑控 兰州石化职业技术学院毕业论文 第三章 精馏塔控制的原理和工艺要求 11 制系统在技术上是否成熟，是否已有在多个行业、多个用户中成功的使用先例。 并且存在一个使用成熟技术与使用先进技术的矛盾。一般而言，新技术诞生时间 短，实际应用中的考验少，而成熟技术用起来非常放心，但技术先进性上肯定差 一些。此外，DCS 提供了强大的运算和控制功能，如 TDC3000 系统提供了流量 累积、 温压补偿等十几种算法功能， 以及 PID 控制、 比率控制等十几种控制功能。 根据工艺要求所提供的控制方案，在保证生产安全的前提下，通过对乙烯精馏塔 精馏段温度控制，对比控制方案的优缺点，以达到最优控制，使所研究的问题符 合要求，通过上位机软件的设计，完成对乙烯装置的系统主态、历史趋势和实时 报警等功能的研究，使整个过程更加直观。 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 12 第三章 精馏塔控制的原理和工艺要求 3.1 精馏塔分馏原理 精馏塔原理 精馏在生产，实验和科学研究中均占着很重要的位置。无论是原料的制备或 产物的精制分离，都需要精馏。化学工程需要探讨精馏过程的规律，以指导精馏 生产中的工程问题。 1.精馏塔的类型 精馏塔一般分为两大类：填料塔和板式塔。板式塔又有筛板塔，浮阀塔，泡 罩塔等多种型式。但实验室的精馏塔多用玻璃或金属制成。其中最常用的是玻璃 精馏塔。其中最常用的是玻璃精馏塔。玻璃精馏塔主要由塔釜、玻璃精馏柱、玻 璃精馏头和冷凝器所组成。 2.精馏柱 精馏塔的塔身称为精馏柱。若采用填料塔，柱内堆着不规则的填料，使气液 两相达到良好传质。填料层的高度即为精馏柱的有效分离长度。为了消除避流和 沟通现象，可能将填料层分作多段，而将每一柱段的回流液加以收集，再重新分 布到柱的中心。需要绝热精馏的过程，可将填料柱制成真空夹套以便保温。根据 处理的物料量及所要求的分离效率来确定精馏柱的尺寸。 实验常用精馏柱有直径 为 700MM、1000MM 和 1300MM。柱的高度限制在 500MM 和 1500MM 之间。 影响分离能力的因素很多，其中以柱内装填的填料影响尤其重要。在一定的填 料层高度内，填料的总表面积与填料的型式，规格，材质以及填料的装填方法均 有关，其影响到液膜的厚度，压降和分离效率。一般规定填料尺寸应小于柱径的 110，并以柱 径与填料尺寸之比保持在 10：1 到 12：1 为宜。现已有很多高效 填料品种，如不锈钢环填料和不锈钢三角螺旋填料，所选填料应能保持适当的 持液量，使液体能完全润湿填料，以保证汽液充分接触进行质的交换，这与填料 的比表面及填料可润湿性有关。填料的分离效率常用等板高度表示。 3.塔釜和馏分收集器 实验室的精馏塔塔釜可以采用平底烧瓶或圆底烧瓶，通常使用标准化的带有 磨口接头的圆底烧瓶，且以短颈的三颈烧瓶为最好。它的两根支颈与瓶中心的颈 的轴线在瓶底相交，这两根带有磨口的支颈是装温度计，加料或出料，气体或蒸 兰州石化职业技术学院毕业论文 第三章 精馏塔控制的原理和工艺要求 13 气引入管以及取样管使用的，颈上最好带有能供夹持弹簧拉拉的小钩，以免压力 过大而松脱。瓶中放置待分离的物质，其装料量最多为容积的三分之二，而真空 精馏时，则不超过二分之一。 塔釜液可以直接使用电加热，也可以间接地用热 载体加热，用电加热有容易调节和控制的优点。 4.精馏头/分馏头 分馏头是精馏柱和冷凝器之间的连接件，带有调节和测量回流比的装置。根 据塔顶回流的方式不同，精馏头有部分冷凝和全冷凝精馏头之分。当内回流控制 时，即是塔顶产物以气态取出时，通常采用分凝形式。工业上常加入一个分凝器 来产生回流，而把取出的馏出物在一个产物冷凝器中加以冷凝。但是采用分凝器 时，要控制一定的回流比是蒸气组分和量发生很大变化。所以实验室中最常用的 和最可靠的方法。 3.2 精馏塔的控制要求及主要扰动 3.2.1 精馏塔的控制要求 为了保证精馏生产过程安全，高效地连续进行，精馏塔自动控制系统应当满足 以下几方面的要求： (1)保证产品质量 对于正常工作的精馏塔，应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯 度；另一端产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应以塔顶或塔底一种产 品的纯度作为质量参数进行控制，这样的控制系统称为质量控制系统。 质量控制需要能直接测出测出产品成分的分析仪表。 由于目前还不能生产出测 量滞后小、精度等级高、能在线检测的分析仪表，所以在大多数情况下，精馏塔 自动控制系统是通过温度控制来间接实现生产过程的产品质量检测， 即用温度控 制系统代替质量控制系统。 (2)保证平稳生产 为了保证精馏塔的平稳运行，应设法预先克服原料进塔之前的主要可控干扰， 同时尽可能减缓不可控的扰动。可通过进料的温度控制、加热剂和冷凝剂的压力 控制、进料量的均匀控制等，使精馏塔的进料参数保持稳定或避免其剧烈波动。 为了维持塔的物料平衡，还要控制塔顶和塔底产品采出量，使二者之和等于进料 量，两个采出量变化要缓慢，以保证精馏塔的平稳运行；精馏塔内的储液量应保 持在限定的范围内。控制塔内压力稳定也是精馏塔平稳运行所必须的。 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 14 (3)满足约束条件 为了保证精馏产品质量和生产过程的正常运行， 必须满足一些参数的极限值所 规定的约束条件。例如对塔内气体流速的上下限制，流速过高易产生液泛，流速 过低会降低塔板效率， 尤其对工作范围较窄的筛板塔和乳化塔的流速必须严格控 制， 通过测量和控制塔底于塔顶间的差压， 间接实现塔内气体流速的检测和控制。 精馏塔本身还有最高压力限制，当塔内压力超过其耐压极限时，容器的安全就没 有保障。 (4)节能要求和经济性 精馏过程消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量的消耗。另 外，塔和附属设备及管道也要散失一部分能量。精馏塔的操作情况必须从整个经 济收益来衡量。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，在优先保证质量指标的前提下，应使产品产量 高一些，能量消耗尽可能低一些 。 3.2.2 精馏塔的干扰因数特性 在精馏塔运行过程中，影响其质量指标和平稳生产的主要干扰有以下几种 1.进料流量 F 的波动 进料量 F 的波动通常是难免的， 如果精馏塔位于整个生产过程的起点， 则以采 用定值控制。 但是精馏塔进料量 F 往往是由上一道生产工序所决定， 如果一定要 使精馏塔进料量 F 恒定， 就必须设置中间储槽进行缓冲。 现在精馏工艺是尽可能 减少或取消中间储槽，采取在上一道工序设置液位均匀控制系统控制出料流量， 使精馏塔的进料流量 F 比较平稳，避免 F 的剧烈变化。 2.进料成分 ZF 的变化 进料成分 ZF 是由上一道工序出料或原料情况决定的。 3.进料温度 TF 和进料热焓值 QF 的变化 进料温度和状态对塔的操作影响很大，一般情况下进料温度是比较稳定的，如 果进料温 TF 度变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定运行，在单相进料时 采用进料温度控制可克服这种干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并能保证 其热焓值 QF 稳定。当进料是气液两相混合状态时，只有当气两相比例恒定时， 恒温进料的热焓值才能恒定。为了保持精馏塔的进料热焓值恒定，必要时可通过 热焓控制来维持进料热能恒定。 4.再沸器加热剂输入热量变化 兰州石化职业技术学院毕业论文 第三章 精馏塔控制的原理和工艺要求 15 当加热剂是蒸气时， 通过再沸器输入精馏塔的热量扰动往往是由蒸气压力变化 所引起的，这一扰动可通过在蒸气总管设置压力控制来加以克服，或者通过温度 串级控制系统的副回路予以克服。 5.冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化 冷却剂吸收热量的变化主要是由冷却剂的压力或温度变化引起的， 吸收热量的 变化会影响到精馏塔顶回流量或回流温度，进而引起精馏塔输出热量的变化。冷 却剂的温度一般变化较小，而流量的变化大多是由压力波动引起的，可采用与克 服加热剂压力变化类似的方法进行控制。 6.环境温度的变化 环境温度一般变化较小。冷凝器采用风冷方式时，天气聚变及昼夜温差对精馏 塔的运行影响较大，会使回流量或回流温度发生变化，对于这种干扰可采用内回 流控制的方法予以克服。 内回流是指精馏塔精馏段上一层塔盘向下一层塔盘流下 的液体量。内回流控制，是指在精馏过程中，控制内回流为恒定量或按某一规律 变化。 通过以上几点分析可以看出，进料流量和进料成分扰动是精馏塔运行中的主 要干扰，一般是不可控的。其他干扰比较小，可以采用辅助控制系统预先加以克 服和抑制，各种精馏塔的工作情况不尽相同，需要根据实际情况具体分析。 3.3 精馏塔的控制目标 3.3.1 质量指标 精馏操作的目的是将混合液中各组分分离为产品， 因此产品的质量指标必须符 合规定的要求。也就是说，塔顶或塔底产品之一应该保证达到规定的程度，而另 一产品也应保证在规定的范围内。在二元组分精馏中，情况比较简单，质量指标 就是使塔顶产品中轻组分纯度符合技术要求或塔底产品中重组分纯度符合技术 要求。在多元组分精馏中，情况较复杂，一般仅控制关键组分。所谓关键组分， 是指对产品质量影响较大的组分。 从踏顶分离出挥发度较大的关键组分称为轻关 键组分，从塔底分离出挥发度较小的关键组分称为重关键组分。以石油裂解气分 离中的脱乙烷塔为例，他的目的是把来自脱甲烷塔底部分产品作为进料加以分 离，将乙烷和更轻的组分从底部分离出来，比乙烷重的组分从塔底分离出来，这 时，显然乙烷是轻关键组分，丙烯则是重关键组分。因此，对多元组分的分离可 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 16 简化为对二元关键组分的分离，这就大大的简化精馏操作。 在精馏操作中， 产品质量应该控制到刚好能满足规定上的要求， 即处于 “卡边” 生产。超过规定的产品是一种浪费，因此它的售价不会太高，只会增加能耗、降 低产量而已。 3.3.2 产品产量和能量消耗 精馏塔的其他两个重要控制目标是产品的产量和能量消耗。精馏塔的任务，不 仅要保证产品质量， 还要有一定产量。 另外， 分离混合液也需要消耗一定的能量， 这主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗。此外，塔的附属设备及管线也 要散失一定的热量和冷量。从定性的分析可知，要使分离所得的产品纯度越高， 产品产量越大，则所消耗的能量越多产品的产量通常用该产品的回收率来表示。 回收率的定义是进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量。 数学上组分 i 的回收率定义为：Ri=P/Fzi 式中，P 为产品产量；F 为进料流量；Zi 为进料组 分 i 的浓度。 产品回收率、产品纯度及能量消耗三者之间的定量关系，在一定的能耗 V/F 情况下，随着产品纯度的提高，会使产品的回收率迅速下降。纯度越高，这个倾 向越明显。以上讨论说明，在精馏操作中主要产品的质量指标，刚好达到质量规 格的情况是期望的，低于要求的纯度将使产品不合格，而超过纯度要求会降低产 量。然而，在一定的纯度要求下，提高产品的回收率，必然要增加能量消耗。可 是单位产量的能耗最低并不等于单位产量的成本最低， 因为决定成本的不仅是能 耗还有原料的成本。右此可见，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，在 控制过程中应使产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。至于在质量 指标一定的前提下， 使单位产品产量的能量消耗最低消耗或单位产品量的成本最 低以及使综合经济效益最大等，均是属于不同目标函数的最优控制问题。 3.4 精馏塔装置的工艺流程 3.4.1 精馏系统工艺过程分析 兰州石化职业技术学院毕业论文 第三章 精馏塔控制的原理和工艺要求 17 1. 工艺流程简介 本设计流程是利用精馏方法，在精馏塔中将乙醇从塔釜混合物中分离出来。精 馏是将液体混合物部分气化，利用其中各组分相对挥发度的不同，通过液相和气 相间的质量传递来实现对混合物的分离。本装置中将由于乙醇的沸点较低，易挥 发，故采用加热精馏，经气化的乙醇蒸汽经冷凝，可得到较高纯度的乙醇。原料 （乙醇和水及少量杂的混合物）经进料管由精馏塔进料板处流入塔内，开始精馏 操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分气化返回塔 内。气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸 汽凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。 另一部分凝液作为回流返回塔顶。回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来 自塔顶的上升蒸汽多次逆向接触和分离。 当流至塔底时， 被再沸器加热部分气化， 其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。 2. 工艺过程分析 精馏塔的操作是从物料平衡，热量平衡，相平衡及精馏塔的性能等几个方面考 虑的，通过控制系统建立并调节塔的操作条件，使精馏塔满足分离要求。精馏塔 操作控制的典型参数中，有六个流量参数：进料量，塔顶和塔釜产品流量，冷凝 量，蒸发量和回流量。此外，还有压力，塔釜液位，回流罐液位，塔顶产品组成 和塔釜产品组成等参数。压力和液位控制是为了建立稳定操作条件。液位恒定阻 止了液位积累，压力恒定阻止了气体积累。对于一个连续系统，若不组织积累就 不可能取得稳定操作，也就不可能稳定。压力是精馏塔操作的主要控制参数，压 力除影响气体积累外，还影响冷凝，蒸发，温度，组成，相对挥发度等塔内发生 的几乎所有过程。产品组成控制可以直接使用产品组成测定值，也可以采用代表 产品组成的物性，如密度，蒸汽压，最常用的是采用灵敏点温度。 1）.压力控制 精馏塔对压力的平衡要求很严格。一旦压力大幅度波动，塔釜液位，回流液位 紧跟着波动，进而影响物料平衡，热量平衡，相平衡三大平衡，从而使整个操作 系统处于不平稳状态，影响到产品质量及产量。 例如从提高产品质量来说，压力越高，沸点越接近，气液两相越难分离，显然 降低压力可以提高产品质量。 但降低操作压力是以增加冷却介质的用量或降低冷 却介质温度为前提的，因此降低操作压力是有限的。由此可见，压力控制对精馏 塔的操控有主导作用。一般情况下，冷却介质，加热介质的温度，压力，流量都 会影响到压力的平稳， 因此可以根据控制要求选择其中之一作为操纵变量来控制 精馏塔的操作压力。 2）.液位控制 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 18 （1）塔釜液位控制： 塔釜液位既不能空也不能满，塔釜液位满，容易淹住返塔口，造成热虹吸效果 差，影响重沸器换热效果。塔釜液位空，易造成重沸器内液位液化气蒸干，蒸干 后，再有液化气下到重沸器，马上急剧气化，冲塔造成整个塔的操作全部混乱。 塔釜液化气主要受塔釜产品产出量，塔压力，塔釜温度等影响，可根据造成塔釜 液位变化的原因进行调节。一般塔釜液位用塔釜产品产出量进行控制。 （2）回流罐液位控制： 回流罐液位既不能满也不能空。回流罐空造成回流泵抽空停泵，则全塔停工。 回流罐满，造成塔内气相介质无法冷却使得塔内压力急剧上升，易造成安全阀起 跳或全塔操作混乱。影响回流罐液位的因素有塔顶产品产出量，压力，釜温，顶 温，回流量等。一般回流罐液位用釜温或塔顶产品产出量控制。 3）.流量控制 精馏塔操作控制中有六个流量参数：进料量，塔顶和塔釜产品流量，冷凝量， 蒸发量和回流量。而流量的波动又会影响压力的平稳，所以精馏塔的流量控制是 必不可少的。但是，并不是说所有的流量都要控制，不同的控制方案选择的控制 流量参数也不同，精馏塔的控制一般包括物料平衡控制方案和热量平衡控制方 案，可以根据所选择的控制方案来选择需要控制的流量参数。 4）.温度控制 温度控制是最常用的产品组成控制手段。 温度控制的前提是控制温度能正确反应其组成的 变化。 若温度控制不能与组成很好关联， 或对组成变化反应不灵敏， 则温度控制将失去作用， 因此，一般采用提馏段灵敏板温度作为主要参数，以实现对塔的间接分离质量控制。 兰州石化职业技术学院毕业论文 第三章 精馏塔控制的原理和工艺要求 19 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 20 第四章 精馏塔控制方案设计 4.1 精馏塔控制方案 不同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对控制的要求个不相同，因而精馏塔控制方案 较多。下面对常见的几种方案进行分析。 4.1.1 提馏段参数控制 当塔底液为主要产品时，常采用提馏段温度作为衡量质量的间接指标，这时可 选提馏段某点温度作为被控参数，以再沸器加热蒸气流量为控制变量。另外，液 相进料时也常采用这类方案， 这是因为在液相进料时， 进料量 F 的变化首先影响 到塔底产品浓度，而塔顶或精馏塔板上的温度不能及时地反映这种变化。 采用提馏段温度控制系统时，在回流量足够大的情况下，塔顶产品的质量也可 以保持在规定的纯度范围内，因此，即使塔顶产品质量要求比塔底严格，仍然采 用提馏段温度控制系统。 提馏段温度控制系统具有如下特点： （1）以提馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏段产品品质。 在以塔底采出液为主要产品， 对塔底产品成分的要求高于对塔顶馏出液成分的要 求时，往往采用提馏段温度控制系统方案。 （2）当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进料时，由进料产生的干扰首先要 引起提馏段和塔底的参数变化，故用提馏段温度控制比较及时，动态响应过程也 比较迅速。 4.1.2 精馏段参数控制 当以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的温度作为衡量质量的间接指 标，这时可选精馏某点温度作为被控参数（间接塔顶采出液的纯度），以回流量 QL 作为控制变量组成单回路控制系统，也可组成串级控制系统。串级控制系统 虽较复杂，但可迅速而有效地克服进入副环的扰动，并可降低对调节阀特性的要 求，有较高的精度。精馏段温度控制方案可保证塔顶产品的纯度，当干扰不很大 时，塔底产品的纯度变化范围也不大。 为了抑制其他干扰对被控参数的影响，除了主系统外，还设有五个辅助控制系 统。其中，进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控制方案与提馏段温控时 兰州石化职业技术学院毕业论文 第四章 精馏塔控制方案设计 21 相同；再沸器加热量应足够大，且维持一定，可以使精馏塔在最大负荷时，仍能 保证塔底产品的质量指标稳定在一定范围内。 精馏段温度控制系统有如下特点： 1）用精馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏产品品质。在 以塔顶采出物为主要产品， 对塔顶产品成分的纯度要求高于对塔底产品成分的要 求时，往往采用精馏段温度控制系统方案。 2）当干扰首先进入精馏段时，例如在汽车相进料时，进料产生的干扰首先引起 精馏段和塔顶的参数变化，故用精馏段温度控制比较及时，动态响应比较迅速。 3）串级控制系统的流量回路对回流罐液位与压力、精馏塔内压力等干扰对回流 量的影响有较强的抑制。可实现被控参数的高精度控制。 以精馏段温度作为衡量质量指标的间接被控参数，当分离的产品纯度较高时，塔 底温度变化很小。为了及时、精确地检测和控制产品质量，要求温度检测仪表有 很高的测量精度和灵敏度。若将温度传感器安装在塔底以上的灵敏塔板上，以灵 敏板的温度作为被控参数，可以取得满意的检测和控制效果。所谓灵敏板，是指 出现扰动时温度变化最大的那块塔板。 以灵敏板温度作为被控参数有利于提高控 制精度。 4.1.3 精馏塔的温差控制及双温差控制 前面讨论的两种控制系统方案都是以温度作为被控参数这在一般的精馏塔中是 可行的。但在产品纯度要求很高，塔顶、塔底产品的沸点差别又不大、塔内压力 存在波动时， 以某一点温度作为被控参数的控制方案不能满足精馏工艺的精度要 求。这时常用温差控制系统，采用温差作为衡量精馏产品质量指标的间接参数， 以提高控制质量，满足工艺要求。 只有当压力完全恒定时，温度与成分之间才具有单值（严格来说，只是对二元 组分）对应关系。在压力波动时，用温度作为被控参数就不能很好地代表产品 17 的成分。为了消除压力波动的影响，可以检测塔顶（或塔底）附近的一块塔 板的温度，再检测灵敏板的温度。由于压力波动对每块塔板的温度影响是基本相 同的，只要将上述两温度相减，压力的影响就消除了，这就是采用温差来衡量质 量指标的依据。 当选择温差信号时，如果塔顶（塔底）采出量为主要产品，可将一个检测点放 在塔顶或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并将对应的塔板称为参照板；另一 个检测点放在灵敏板附近，即浓度和温度变化较大的位置，然后取上述两点的温 度差T 作为被控参数。这时塔顶（塔底）温度实际上起参比作用，压力变化对 两点温度都有相同影响，相减之后其压力波动的影响就基本抵消。温差控制虽可 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 22 以克服由于塔内压力波动对塔顶或塔底产品质量的影响，但是还存在一个问题， 就是当负荷变化时，上升蒸气流量发生变化，引起塔板间的压降变化。随着负荷 增大，塔板间的压降增大引起的温差也将增大，温差和组分之 间的对应关系就要变化。 在进料组分基本稳定的情况下， 负荷变化引起的塔内上升蒸气流量变化会使塔 板之间压降变化，而灵敏板于参照板之间压降变化由会引起参照板温度与灵敏 19 板温度之间温差变化。如果控制系统能够使两个参照板与两个灵敏板之间的 温差相等，就能够消除负荷扰动的影响，达到质量控制的目的，这就是双温差控 制的依据。双温差控制也称温差差值控制。 4.2 乙烯精馏塔装置的控制方案 乙烯精馏过程是传质、传热的复杂过程，各变量之间互相关联、耦合，系统存 在时滞性、非线性等特性，因此是一个工艺机理复杂，控制难度较大的过程。随 着计算机控制在化学工业中的普及和控制理论的发展， 人们已不满足单纯从生产 过程的工艺改进和生产设备规模扩大上获取经济效益， 而是对乙烯生产装置实行 优化操作，发挥现有装置的内在潜力，以低能耗、低成本获得较高的经济效益。 乙烯精馏塔是将来自脱乙烷塔顶，并经过乙炔加氢反应后的原料气(内含 C2 H4、 C2H6、H2、O2、CO、C2H2、C3H6 )在塔内经气液分离，最后在塔顶得到含量 为 99.95 %的乙烯产品，塔底乙烯含量不超过 05%的乙烷产品。产品质量控制 采用灵敏板控制方式,第 115 块塔板的在线分析控制器通过与塔底再沸器 (EA403A/B)的丙烯冷剂的流量控制器构成串级控制来实现产品的质量控制;为了 防止乙烯产品的过量采出,塔顶回流量与侧线产品采出量采用比值控制(比例一般 设为41);回流罐液位与回流量构成串级控制;PIC-403控制进入回流冷凝器的冷 剂量,PIC-404 控制回流罐不凝气体的放空;侧线再沸器(EA603)的流量控制与再沸 器的液位控制器进行低选,来控制进入换热器壳层的乙烯流量13。 乙烯精馏塔的 操作和控制水平直接关系到乙烯产品的质量、收率和能量消耗。通常要求在保证 塔顶乙烯产品控制在规定纯度的前提下,提高乙烯产量、降低塔底乙烯损耗和能 耗。常规控制难以达到上述目的,因此,必须采取先进控制。乙烯精馏塔是精细分 离塔，对产品质量要求严格，产品不合格将造成很大的经济损失。由于分离过程 通道很长，对进料扰动及调节器输出存在很大的纯滞后与很长的响应时间，这就 给控制带来很大困难。又考虑到过程波动，往往要超规格运行而引至过量的冷剂 消耗。控制系统改造中，采用前馈，大纯滞后补偿及直接质量反馈控制等先进控 兰州石化职业技术学院毕业论文 第四章 精馏塔控制方案设计 23 制技术，克服了进料扰动，塔的干扰因素及惯性影响，使系统操作平稳，维持乙 烯产品中乙烷含量在规定的最大允许值，保持塔底产品中乙烯浓度符合工艺要 求。结果明显的节省冷剂用量及增加乙烯收率。乙烯精馏塔工艺机理复杂,影响 塔釜乙烷采出量的因素很多,一般精馏塔直接根据液位调节塔釜流量。但由于本 乙烯精馏塔半径大,塔釜高度小,如果象一般精馏塔那样把液位控制在 70%80%, 当液位降低时,会出现液位失控的情况,所以本塔液位一般控制在满液位。由于乙 烯精馏塔液位为满液位液位可调范围太小,所以不能 23 象一般精馏塔那样通过 控制液位来调节塔釜采出流量。乙烯精馏塔压差是衡量乙 40 零位、量程可用电位器调整。 模拟输出多种标准形式供用户选择 多点继电器输出接口，易于控制。 是指针式电接点压力表的理想替代品。 2.流量传感器 概述：LUGB 系列漩涡流量传感器是采用国际先进技术而推出的新型流量传感 器，它具有测量范围广、压损小、性能稳定、安全可靠、准确度高和安装使用方 便等优点特别是解决了耐高温、抗振动等关键性问题。广泛应用于过热蒸汽、饱 和蒸汽、压缩气体和一般气体，以及各种液体的质量流量和体积流量的测量。 3.液位测量仪表 （1）概述：FGA 系列磁浮子液位计，利用浮力和磁耦合原理，将液位的准确性 地传递到指示器上，清晰地指示出液位的高度。指示器和贮罐是完全隔离的，因 此绝对保证使用安全。该液位计还可以配备液位报警开关和液位远传变送器。液 位报警开关可实现液位上下控制、限位报警和联锁；液位远传变送器可将液位变 化线性的转换成直流 420mA 输出，实现远距离的指示、检测、控制和记录。 （2）工作原理磁浮子液位计由浮子、立管组件、指示器三部分组成。浮子在立 管组随液位的变化而上升或下降，通过磁耦合作用，带动立管组件外部的指示器 颜色发生变化，从而指示出液位高度。液位报警开关装在立管组件外部相应的报 警位置上，41 当浮子随液位到达报警位置时，报警开关闭合，发出开关信号； 液位远传变送器也安装在立管组件外部， 通过磁耦合将液位的变化线性的转换成 4-20mA 电流信号远传给控制室，实现液位的显示、测量、控制和记录。4. 温度测量仪表热电偶是工业上最常用的一种测温元件。 热电偶温度计是以热点效 应为基础的测量仪表。 它的测量范围很广、 结构简单、 使用方便、 测温准确可靠， 便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在化工生产中应用极为普遍。根据 工业上对热电偶材料的要求， 目前在国际上被公认的比较好的热电偶材料只有几 种：铂铑 30-铂铑 6 热电偶，分度号 B；铂铑 10-铂热电偶，分度号 S；镍铬-镍 兰州石化职业技术学院毕业论文 基于工业以太网的精馏塔控制系统设计 24 硅热电偶，分度号 K；镍铬-考铜热电偶，分度号 XK。这些材料是经过精选而 且标准化了的，它们分别被用在各温度范围内，测量效果良好。根据本设计的温 度测量特点选用 XPZX 隔爆型一体化温度变送器，下面是 XPZX 隔爆型一体化 温度变送器的介绍。概述：隔爆型一体化温度变送器（以下简