【毕业论文】精馏塔串级控制系统的研究设计.pdf

精馏塔串级控制系统的研究设计 摘 要 摘 要 本毕业设计的课题属于自动化类的设计题目 属于精馏塔串级控制系统 精 馏是石油 化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程 通过精馏过程 使 混合物料中的各组分分离 分别达到规定的纯度 在实际的生产过程控制中应用 非常广泛 根据工艺的要求确定合理的控制方案 并且进行控制器和控制阀等仪 表的选型与计算等 绘制出相应的自控工程设计图纸 再根据画出的简图 和要 求 对本设计中的各种仪表 控制器 显示器等进行合理的选择 并画出串级控 制系统原理图 本次的控制中采用精馏塔液位高度为主参数 以再沸器加热蒸汽 的流量作为副参数 构成串级控制系统 塔釜液位由再沸器加热量来维持恒定 具有高低液位报警 关键词关键词 精馏塔 串级控制 控制器 控制阀 控制对象 i 精馏塔串级控制系统的研究设计 abstract the issue of graduate design automation topics such as design a distillation tower cascade control system is the distillation of oil chemicals and other widely used in the production process of a mass transfer process through the distillation process so that the mixture of materials separation of components respectively up to the required purity in the actual production process control is widely used according to the requirements of determining reasonable control programmers and for controllers and control valves and other instruments such as the selection and calculation to map out the corresponding automatic control engineering design drawings according to re draw the map and requirements of the design of various instruments controllers monitors and other reasonable choice and to draw cascade control system schematic the distillation columns used in the control of the main parameters of high level to recoiled heating steam as the flow of parameters a cascade control system level from the reactor tower recoiled increase heat to maintain a constant with high and low level alarm keywords distillation cascade control controllers control valves and control targets ii 精馏塔串级控制系统的研究设计 目 录目 录 第一章 精馏塔的过程控制系统 1 1 1 精馏塔过程的控制 1 1 1 1 精馏塔的控制目标 1 1 1 2 质量指标 2 1 1 3 产品产量和能量消耗 3 1 2 精馏塔的静态特性和动态特性 3 1 3 精馏塔的静态特性 4 1 4 动态影响分析 5 1 5 精馏塔质量指标的选取 5 第二章 串级控制的原理 6 2 1 串级控制概论 6 2 2 串级控制系统的特点 6 2 3 串级控制系统的工业应用 7 2 4 串级控制系统的设计 9 2 4 1 主参数的选择和主回路的设计 9 2 4 2 副参数的选择和副回路的设计 9 2 4 3 串级控制系统控制参数选择 10 2 4 4 主 副控制器规律的选择 10 2 4 5 主 副调节器正 反作用方式的确定 11 2 5 串级控制系统的整定 13 第三章 精馏塔串级控制系统的研究设计 14 3 1 控制系统中各变量 14 3 1 1 被控变量的选择 14 3 2 操纵变量的选择 15 3 3 控制阀的选择 15 3 3 1 控制阀口径大小的选择 15 3 3 2 控制阀开 闭形式的选择 15 3 3 3 控制阀流量特性的选择 16 3 4 控制器选择 17 3 5 对控制质量的影响及克服办法 17 3 5 1 测量环节纯滞后的影响 17 iii 精馏塔串级控制系统的研究设计 3 5 2 克服测量 传送滞后的办法 18 3 6 控制规律的选择 18 3 7 精馏塔串级控制的设计 19 3 8 串级控制的具体过程 20 3 9 精馏塔的工艺参数 21 第四章 仪表选型 22 4 1 仪表选型原理 22 4 2 液位仪表种类及选型 23 4 3 流量仪表选型原则和步骤 23 4 3 1 差压变送器选型原则 24 4 3 2 差压变送器的选型 26 4 4 显示装置 27 4 4 1 温度检测仪表的选型 27 4 4 2 根据仪表使用方式进行选择 27 4 4 3 温度仪表的种类 28 结 论 30 参 考 文 献 31 致 谢 32 附 录 33 声 明 37 iv 精馏塔串级控制系统的研究设计 第一章 精馏塔的过程控制系统 第一章 精馏塔的过程控制系统 在石油炼制 石油化工和其它化工生产中 精馏是应用极为广泛的传质过程 其目的是将混合液中的各组分进行分离 使之达到所规定的纯度 精馏装置 般由 精馏塔 再沸器和冷凝冷却器等设备组成 在结构上 精馏塔有板式塔和填抖塔之 分 而板式塔的塔板又有筛板 泡罩板 浮阀板和斜孔板等形式 精馏过程实质上 是利用混合物中各组分挥发度的不问 即在同 温度下各组分的蒸汽分压不同这一 性质 使液相中的轻组分和汽相中的重组分互相转移 从而实现分离的目的 精馏过程要消耗能量 根据美国的统计数据表明 在石油和化学工业的总能耗 中 大约有 40 50 消耗在精馏过程 因此 可以说精馏装置是耗能最大的操作单 元之一 此外 精馏塔是一个典型的多输入多输出对象 它的通道很多 动态响应 缓慢 内在机理复杂 参数间相互关联 各塔的工艺结构又是千差万别 且对控制 要求不断提高 因此 精馏塔的控制显得极为重要 本章主要针对二元简单精馏过 程 分析其控制目的和扰动因素 介绍其建模的一般方法和基本控制方案 对一些 有用的先进控制和优化控制方案亦作概论性的介绍 1 1 精馏塔过程的控制 1 1 精馏塔过程的控制 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 产量和能量的小号 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数出的对象 它有很多级塔板组成 内在机理复杂 对控制作用响应缓慢 参数互相关联严重 而控制要求有大多较高 这些都给自动 控制的实施带来一定的困难 同时各塔工艺结构特点千差万别 只就更需要深入分 析工艺特性 结合具体它的特点 进行自动控制方案的实际和研究 1 1 11 1 1 精馏塔的控制目标 精馏就是将一定浓度的溶液送入精馏装置 使其反复的进行部分汽化和部分冷 凝 从而得到预期的塔顶于塔底产品的操作 完成这一操作过程的相应设备出精馏 1 精馏塔串级控制系统的研究设计 塔外 还有再沸器 冷凝器 回流罐和回流泵等辅助设备 目前 工业上一般所采 用的连续精馏装置的流程如图所示 为了对精馏塔实施有效的自动控制 必须首先了解精馏塔的控制目标 一般来 说 精馏塔的控制目标 应该在满足产品质量合格的前提下 使总的收益最大或总 的成本最小 因此 精馏塔的控制要求 应该从质量指标 产品产量和能量消耗三 方面进行综合考虑 图 1 简单精馏控制过程 1 1 2 质量指标 1 1 2 质量指标 精馏操作的目的是将混合也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纯度 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 对产品指对产品影响较大的组分 从塔顶分离出挥发较大的关键组分成为轻关键组 2 精馏塔串级控制系统的研究设计 分 从塔底分离出挥发度较小的关键组分成为重关键组分 以石油裂解气分离中的 脱乙烷塔为例 它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 和更轻的组分从顶部分离出 比乙烷重的组分从底部分离出 这时 显然乙烷是轻 关键组分 炳烯则是重关键组分 因此 对段元组分的分离可简化为对二元关键组 分的分离 这就大大的简化里精馏操作 在精馏操作中 产品质量应该龙知道刚好能满足规格上的要求 即处于 卡边 生产 超过规格的产品是一种浪费 因为它的售价不会更高 指挥增加能耗 降低 产量而已 1 1 3 产品产量和能量消耗1 1 3 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 仅要保证产品的质量 还要有一定的产量 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 塔的附属设备机关也 要散失一部分热量和冷量 从定性的分析可知 要使分离所得的产品纯度约稿 产 品产量越大 则所消耗的能量就越多 我们通过对回收率的计算不难看出 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 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 在控制过程中应使产品产量高一些 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或使单位产品量的成本最低以使综 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 1 2 精馏塔的静态特性和动态特性 1 2 精馏塔的静态特性和动态特性 静态特性就是以物料平衡和能量平衡为基础来确定文台下精馏塔各参数之间 的定量关系 动态特性就是反映了精馏塔各参数之间的动态影响关系 3 精馏塔串级控制系统的研究设计 图 2 精馏塔示意图 1 3 精馏塔的静态特性 1 3 精馏塔的静态特性 1 全塔物料平衡 2 能量平衡 3 内部物料平衡 通过以上分析得知影响精馏过程的主要因素可概括如下 1 进料量 6 回流量 2 进料浓度 7 塔顶采出量 3 进料温度和进料状态 8 塔底采出量 4 再沸器的加热量 9 塔压的影响 5 冷凝器的冷却量 总之 从前面对塔的静态特性和内部平衡关系的分析 不难看到 为了克服塔 4 精馏塔串级控制系统的研究设计 的主要扰动 可采用以下的控制手段 1 塔顶采出量 4 回流量 2 塔底采出量 5 再沸器加热量 3 回流罐排气量 6 冷凝器冷却量 前三个量是通过影响全塔的物料平衡与塔的内部平衡 从而起到控制作用 后 三个量直接改变塔的能量平衡关系和改变塔内汽液比 从而起到控制产品质量 的作用 1 4 动态影响分析 1 4 动态影响分析 对于动态影响主要有以下三点 1 上升蒸汽和回流的影响 2 组分滞后的影响 3 回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滞后影响 1 5 精馏塔质量指标的选取 1 5 精馏塔质量指标的选取 精馏塔最直接的质量指标是产品纯度 过去由于监测上的困难 难以直接按产 品纯度进行控制 现在随着分析仪表的发展 特别是工业色谱仪的在线应用 已逐 渐出现直接按产品纯度来控制方案 二是分析仪表的可靠性较差 因此 他们的应 用仍然是很有限的 最常用的见解指标是温度 因为对于一个二元组分精馏塔来说 在一定的压力 下 温度与产品纯度间存在着单值的函数关系 因此 如果压力恒定 则塔板温度 就间接反映了浓度 对于多元精馏塔来说 虽然情况比较复杂 但仍然是可以看作 再压力下恒定条件下 塔板温度改变能讲解放映浓度的变化 采用温度作为被控变量的质量指标时 选择塔内拿一点或机电温度作为质量指 标 这是颇为关键的事 常用有如下几种方案 1 灵敏板的温度控制 2 温差控制 3 双温差控制 5 精馏塔串级控制系统的研究设计 第二章 串级控制的原理 第二章 串级控制的原理 2 1 串级控制概论2 1 串级控制概论 单回路控制系统一般情况下能满足正常生产的要求 但是当对象的容量滞后较 大 负荷或干扰变化比较剧烈 比较频繁且工艺对产品指标的要求很高时 采用单 回路控和方法就不再有效 于是就出现了一种所谓串级控制系统 所谓串级控制系统就是将来两个控制阀和为一个 用温度控制器的输出作为流 量控制器的给定值 而用后者的输出去控制控制阀 这样就构成了一个串级控制系 统 图 4 串级控制系统的方块图 从串级系统方块图可以看出 该系统由两个环路 一个内环和一个外环 习惯 上城内环为副环 外环为主环 处于副环内的控制器 对象和变送器分别称主控制 器 主对象和主变送器 主对象的输出称主被控变量 简称主变量 对于流量控制 器为副控制器 流量为副流量 而温度控制器为主控制器 温度则为主变量 一般来说 主控制器的给定值是有工艺规定的 它是一个定值 因此 主环是 一个定值控制系统 而副控制给定值是由主控制器的输出提供的 它虽主控制器输 出变化而变化 因此 副回路是一个随动系统 2 2 串级控制系统的特点 2 2 串级控制系统的特点 串级控制系统与单回路反馈控制系统比较 由于在系统结构上多了一个副回 路 随意具有以下一些特点 1 改善过程动态特性 6 精馏塔串级控制系统的研究设计 串级控制系统可以被看作是一个改变了过程特性的单回路系统 由于副回路的 存在 相当于改善里部分过程的动态特性 是过程时间常数和放大系数都减小 了 由于过程的动态特性有所改善 是系统的反应速度加快 控制更为即使 提高了系统的控制质量 2 克服二次扰动 串级控制系统比单回路控制系统多一个副回路 当二次扰动进入副回路 还没 有等它影响到主被控参数时 副调节器就开始动作 因而随主被控参数的影响较小 从而提高了战术的控制质量 对于进入副回路的扰动 串级控制系统比在相同条件 下的单回路控制系统具有较强的抗扰动能力 另外 由于串级控制系统副回路的存 在 控制作用的总放大系数提高了 抗扰动能力比单回路控制系统强 克服扰动更 为迅速有效 因而控制质量较高 3 系统工作频率高 由于串级控制系统副回路的存在 改善了过程的动态特性 其等效过程 w01 s w 02 s 中 w 02 s 的时间常数 t 02 s 是 w02 s 的时间常数 t02 s 的 1 1 k2kvk02km2 从而提高了系统的工作频率 这个工作频率可以有串级控 制系统的特性方程式来求取 串级控制系统工作频率的提高 可以是震荡周期缩 短 从而改善了系统控制质量 4 有一定的自适用能力 串级控制系统 就器主回路来看是一定值系统 副回路则是一个随动系统 主控制器能按照负荷和操作条件的变化不断改变副控制器的给定值 使副控制器 的给定值是应负荷和操作条件的变化 既具有一定的自适应能力 串级系统的控 制将随着负荷的变化具有很强的适应性 过程控制系统的调节器参数 一般是根据过程特性 按一定质量指标要求整 定的 如果过程具有非线性 则随着负荷的变化 过程特性就会发生变化 此时 调节参数必须从新整定 不然 控制值量就会下降 这个问题在单回路反馈控制 系统中是难以解决的 而在串级控制系统中 由于存在着副回路 对于过程特性 因负荷变化而变化 具有一定的自适应能力 2 3 串级控制系统的工业应用 2 3 串级控制系统的工业应用 单回路控制系统和串级控制系统各有其特点 在系统设计时的指导思想是 如 7 精馏塔串级控制系统的研究设计 用单回路控制系统能满足生产要求 就不要用串级控制系统 同时 串级控制系统 也并不是到处都是用 春季控制系统有自己的应用场合 一 应用于容量滞后较大的过程 当或称的容量滞后较大时 若采用单回路控制 则系统的过渡过程时间长 超 调量达 控制质量往往不能满足生产要求 若采用串级控制系统 则根据所其特点 的分析表明 可以选择一个时延较小的副参数 构成一个副回路 是等效过程的时 间常数减小 以提高系统的工作频率 加快反应速度 得到较好的控制质量 因此 对于很多以温度或质量参数多为被控参数的过程 其容量时延往往比较大 而生产 上对这些参数的控制质量要求有比较高 此时 已采用串级控制系统 二 应用于纯时延较大的过程 当过程纯时延较大时 单回路控制系统不能满足工艺要求时 有时可以用串级 控制系统靠改善系统的控制质量 因为采用串级控制系统后 就可以在离调节阀较 近 纯时延较小的地方 选择一个辅助参数为副参数 构成一个纯时延较小的副回 路 当扰动作用于副回路时 在他通过纯时延较大的主过程去影响主参数之前 由 副回路实现对主要扰动的控制 从而克服纯时延的影响 副回路纯时延小 控制及 时 可以大大减小扰动对主参数的影响 三 应用于扰动变化激烈的过程 串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的校正能力 所以 在系统设计时 只要将变化激烈而且幅度大的扰动包括在副回路之中 就可以大大减小这种变化激烈而幅度大 的扰动对主参数的影响 四 应用于参数互相关联的过程 在有些生产过程中 又是两个互相关联的参数需要利用统一介质进行控制 在这种情况下 若采用单回路控制系统 则需要安装两套装置 如在同一条管道上 要安装两个调节阀 不仅不经济 而且也是无法工作的 对于这样的过程可以采用 串级控制系统 分清互相关联参数的主次 组成串级控制 以满足工艺上的要求 五 应用于非线性的过程 在过程控制中 过程特性一般都是非线性的 当负荷变化时 过秤特性会发 生变化 即会引起过做点的移动 这种特性的变化 可以通过选则调节阀特性来补 偿 使得广义过程特性在整个工作范围内保持不变 然而 这种补偿的局限性很大 常受到调节阀品种等各种条件的限制而不可能完全补偿 所以过程仍然有较大的非 8 精馏塔串级控制系统的研究设计 线性 此时 若采用单回路控制系统 可以通过改变调节器参数的办法来保证系统 的衰减率不变 但是 符合的变化是经常发生的 因此 用改变调节器的整定参数 来保证系统的衰减率不变是不行的 如果采用串级控制系统 它能适应负荷和操作 条件的变化 自动调整副调节器的给定值 从而改变调节阀的位置 使系统运行在 新的工作点 当然 这样会使副回路的衰减率有所变化 但是对整个系统的稳定性 影响是很小的 串级控制系统的工业应用范围较广泛 但是必须结合具体的工业生产情况与 要求设计系统 合理运用串级控制系统的特点 才能收到预期的效果 2 4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 2 4 1 主参数的选择和主回路的设计 2 4 1 主参数的选择和主回路的设计 串级控制系统由主回路和副回路组成 主回路是一个定制控制系统 对于主 参数的选择和主回路的设计 基本上按照单回路控制系统的设计原则进行 凡是直 接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数 均可选做主参 数 若条件许可 可以选用质量指标作为主参数 因为它最直接也最有效 否则 应选一种与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数 另外 对于选用的主参数 必须具有足够的变化灵敏度 并符合工艺过程的合理性 2 4 2 副参数的选择和副回路的设计 2 4 2 副参数的选择和副回路的设计 从串级控制系统的特点分析可知 系统中由于增加副回路大大改善系统的性 能 因此副回路的设计师保证船机系统性能优越的关键所在 在这里介绍几种有关 副回路的设计原则 1 副参数的选择 副参数的选择应使副回路的时间常数小 时延小 控制通道短 这样可是邓 小过程的时间常数大大减小 从而加快系统的工作频率 提高影响速度 缩短过渡 过程时间 改善系统的控制品质 为了充分发挥副回路的超前 快速作用 在扰动 影响主参数值之前就能予以克服 必须涉及选择一个可测的 反应灵敏的参数作为 副参数 2 副回路必须包括被控对象的这要扰动 串级控制系统副回路具有调节快 抗扰动能力强的特点 在设计串级控制系 9 精馏塔串级控制系统的研究设计 统时 要充分发挥这一特点 应把主要扰动包括在副回路中 并尽可能把其它多一 些扰动包括在副回路中 以提高主参数的控制精度 3 主 副回路的时间常数适当匹配 由于主 副回路是两个相互独立又密切相关的回路 在一定条件下 如果收 到某种干扰的作用 主参数的变化进入副回路时会引起副回路副参数的幅度变化增 加 而副参数的变化传送到主回路后 又迫使主参数的变化幅度增加 如此循环往 复 就会使主 副参数时间大幅度的波动 这就是所谓串级系统的共振现象 一旦 发生共振 系统就失去控制作用 不仅使控制品质恶化 如不及时处理 甚至可能 导致生产事故 引起严重后果 4 副回路设计应考虑生产工艺的合理性 过程控制系统是为生产工艺服务的 涉及串级控制系统应满足生产要求 所设 置的系统是否会影响到工艺过程的正常运行 5 副回路设计应同时考虑经济性原则 在副回路设计时 若有几种可供选择的控制方案 则应同时把经济性原则和控 制品质要求结合起来 进行分析比较 在满足参数设计要求的前提下 力求节约 2 4 3 串级控制系统控制参数选择 2 4 3 串级控制系统控制参数选择 串级控制系统控制参数的选择基本上与单回路系统类似 对控制参数的选择好 应考虑如下因素 1 选择可控性良好的参数作为控制参数 2 所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大稀疏 并应保证大于这要 扰动通道的放大倍数 以实现对这要扰动进行有效的控制并提高控制质量 3 所选控制参数必须使控制通道有效大的灵敏度 挤时间常数适当小一些 4 选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性 2 4 4 主 副控制器规律的选择 2 4 4 主 副控制器规律的选择 在串级控制系统中 主 副控制其所起到的作用是不同的 主控制器起定值控 制作用 副控制器起随动控制作用 这是选择控制规律的基本出发点 主参数是工艺操作的主要指标 允许波动的范围很小 一般要求无余差 因此 主调节器应选 pi 或 pid 控制规律 副参数的设置是为了保证主参数的控制质量 可以允许在一定范围内变化 允 10 精馏塔串级控制系统的研究设计 许由余差 因此副调节器只要选 p 控制规律就可以了 一般不引入积分控制规律 因为副参数允许有余差 而且副控制器的放大系数较大 控制作用强 余差小 若 采用积分规律会延长控制过程 减弱副回路的快速作用 这样 比例控制作用偏弱 为此引入积分作用 采用 pi 控制规律 此时 引入积分作用的主要目的不是消除 余差 而是增强控制作用 副控制器一般也不引入微分控制规律 副回路本身起着 快速作用 在引入微分规律会是调节发动做过大 对控制不利 2 4 5 主 副调节器正 反作用方式的确定 2 4 5 主 副调节器正 反作用方式的确定 为了满足生产工艺指标的要求 为了确保串级控制系统的正常运行 主 副调 节器正 反作用方式必须正确选择 在具体选择时 是在调节阀气开 气闭形式已 经选定的基础上进行的 首先根据工艺生产安全等原则选择调节阀的气开 气关形 式 然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节气的正 反作用方式 最后再 根据主 副参数的关系决定主调节气的正 反作用方式 如在但回路控制系统设计中所述 要是过程控制系统能正常工作 系统必须采 用负反馈 对于串级控制系统来说 主 副调节器正 反作用方式的选择原则是使 整个系统过程负反馈系统 即其主通道各环节放大系数正 负极性乘积必须为负值 各环节放大系数极性的正负是这样规定的 对于调节的 kc 当测量之增加 调节 器的输出也增加 则 kc 为正 反之 kc 为负 调节阀为气开 则 kv 为正 气关 则 kv 为负 过程放大系数极性是 当过程的输入增大时 即调节阀开大 其输出 也增大 则 ko 为正 反之 ko 则为负 在实际生产过程中 当要求控制系统既可以进行串级控制 又可以用主调节器 直接控制调节阀进行单独控制时 其相互切换应注意以下情况 若负调节器为反作 用 则主调节在串级和主控时的作用方向不需改变 若调节器为正作用 则主调节 器在串级和主控时的作用方向需要改变 以保证系统为负反馈 下表为调节器正反 作用选择的各种情况 可供设计系统时参考 11 精馏塔串级控制系统的研究设计 图 2 精馏塔串级控制系统 liclic 105105 lt 105 lt 105 ft 116 ft 116 ficfic titi 131131 ds 211 ds 211 热油 水 t 102e 107t 102e 107 116116 p 103p 103 而本次的串级控制系统中主副环的分析如下 副环 从图可以看出控制器 fic116 测量变速器 fi116 控制阀和被控对象 热油 或水 构成了一个单回路控制系统 在这个系统中这个单回路为副回路控制 1 确定控制阀的正反作用 由于在出现事故或停机时控制阀应为关闭状态 所以 控制阀应选气开阀 放大倍数符号为正 2 当控制阀开大时流量增加热量也增加 副对象放大倍数为正 因此被控 变量也为正作用 3 一般测量变速器也为正作用 4 由于整个控制回路被视为一个负反馈 根据放大倍数为负的要求 所以 控制器为反作用 主环 主控制器的正 反作用之取决于主对象放大倍数的符号 假如主被控变量选温 12 精馏塔串级控制系统的研究设计 度 则副被控对象也为温度 当副被控对象上升时 主被控对象也上升 这时主被 控对象为正作用 但实际上 主被控对象与塔的液位原理相似 只是当副被控对象 上升时 主被控对象应下降 因此 主变量放大倍数为负 主被控对象为反作用 这时主控制器就为正作用 因为副回路可视为一个正作用 即主控制器的正反作用 与主被控对象的正反作用正好相反 2 5 串级控制系统的整定 2 5 串级控制系统的整定 串级控制系统的方案正确设计后 为使系统运行在最佳状态 根据自动控理论 系统必须进行校正 这在过程控制中称为参数整定 其实质是通过改变调节器的 pid 参数 来改善系统的静态和动态特性 以获得最佳的控制质量 在整定串级控制系统调节器参数时 首先必须明确主 副回路的作用 以及主 副参数的控制要求 然后通过调节器参数整定 才能使系统运行在最佳状态 从整体上来看 串级控制系统主回路是一个定值控制系统 要求主参数有较高 的控制精度 其品质指标与单回路定值控制系统一样 但副回路是一个随动系统 只要求副参数能快速而准确的根对主调节器的输出变化即可 在工程实践中 串级控制系统常用的整定方法有 逐步逼近法 两部整定法 一部整定法 应用举例法 13 精馏塔串级控制系统的研究设计 第三章 精馏塔串级控制系统的研究设计 3 1 控制系统中各变量控制系统中各变量 3 1 1 被控变量的选择 3 1 1 被控变量的选择 被控变量的选择是控制系统设计的核心问题 选择的正确与否 会直接关系到 生产的稳定性操作 产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等 如 果被控变量选择不当 不论采用何种控制仪表 组成什么样的控制系统 都不能达 到预期的控制效果 满足不了生产的技术要求 为此 自控设计人员必去深入生产 实际 进行调查研究 只有在熟悉生产工艺的基础上才能正确的选择出被控变量 对于以温度 压力 流量 液位为操作指标的生产过程 就选择温度 压力 流量 液位作为被控变量 这是很容易理解的 也无须多加讨论 质量指标是产品质量的直接放映 因此 选择质量指标作为被控变量应是首选 进行考虑的 采用质量指标作为被控变量 比让要涉及到产品成分的或物性参数的测量问 题 这就需要用成分分析仪表和物性参数测量仪表 有关成分和物性参数的测量问 题 目前国内尚未得到很好地解决 当直接选择质量指标作为被控变量比较困难或 不可能时 可以选择一种简洁的指标作为被控变量 但所选的间接指标必须与直接 指标有单值对照关系 并且还需要具有一定的灵敏度 随着产品的质量的变化 间 接指标必须有足够大的变化 通过分析 可以总结出以下几条选择被控变量的原则 1 如果有可能 应当尽量选择质量指标参数作为被控变量 2 当不能选择质量指标参数座被控变量时 应当选择一个与产品质量指标 有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量 3 所选的间接指标参数应当具有足够大的灵敏度 以便反映产品质量的变 化 4 选择被控变量时需考虑到工艺的合理性和国内外仪表生产的现状 因此 本设计中的被控变量应选择液位 但实际上应是温度 当温度上升时 液位跟着下降 故此 实际上被控变量应为温度 在这里温度与液位有着单值关系 因此 选哪个都一样 14 精馏塔串级控制系统的研究设计 3 2 操纵变量的选择 3 2 操纵变量的选择 对于操纵变量的选择可以有以下几个原则 1 所选的操纵变量必须时可控的 2 所选的操纵变量应是通道放大倍数比较大者 最好大于扰动通道的放大 倍数 3 所选的操纵变量应是扰动通道时间常数越大越好 而控制通道时间常数 应适当小一些为好 但不宜过小 4 所选的操纵变量其通道纯滞后时间应越小越好 5 所选的操纵变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制法 6 在选择操纵时还需考虑到工艺的合理性 3 3 控制阀的选择 3 3 控制阀的选择 3 3 1 控制阀口径大小的选择 3 3 1 控制阀口径大小的选择 控制阀口径大小直接决定着控制介质流过他的能力 从控制角度看 控制阀口 径选得过大 超过了正常控制所需的介质流量 控制阀将经常处于小开度下工作 阀的特性将会发生畸变 阀性能就较差 反过来 如果控制阀口径选得太小 在正 常情况下都在大开度下工作 阀的特性也不好 此外 控制阀口径选的过小也不适 应生产发展的需要 一旦需要设备增加符合时 控制阀原有的口径太下就不够用了 因此 从控制的角度来看 控制阀口径的选择应留有一定的余量 以适应增加生产 的需要 控制阀口径大小 通过计算控制阀流量能力的大小来决定 控制阀流通能力必 须满足生产控制的需要 并留有一定的余地 一般流通能力要根据控制阀所在管线 的最大流量以及控制阀两端的压降来进行计算 并且为了保证控制阀具有一定的可 控范围 必须是控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例 所占的 比例越大 控制阀的可控范围越宽 如果控制阀两端压降在整个管线总压降中所占 比例小 可控范围就变窄 将会导致控制阀特性的畸变 使控制效果偏差 3 3 2 控制阀开 闭形式的选择 3 3 2 控制阀开 闭形式的选择 控制阀接受的是气压信号 当膜头输入的压力增大 控制阀开度也增大时 称 15 精馏塔串级控制系统的研究设计 之为气开阀 反之 当膜头输入的压力增大时 控制阀开度减小 则称之为气闭阀 在选择气开气闭阀时 要有具体的生产工艺来决定 一般来说有以下几条原则 可进行选择 1 首先要从生产安全出发 即当气源供气中断 或控制气出现故障而无输出 或控制阀膜片破裂而漏气等二十控制阀无法正常工作时 一直阀芯恢复到 无能源的初始状态 应能确保生产工艺设备的安全 不只发生事故 2 从保证产品质量出发 当发生控制阀处于能源状态而恢复到处是状态时 不应降低产品的质量 3 从降低原料 成品 动力损耗来考虑 如控制精馏塔进料的控制阀就常采 用气开式 一旦控制阀失去能源 控制阀即处于关闭状态 不再给塔进料 以免造成浪费 4 从介质的特点考虑 精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般都选气开式 以保证 在控制阀失去能源时能处于全闭状态 以避免蒸汽的浪费 通过分析 可以得出控制阀应选择气开阀 3 3 3 控制阀流量特性的选择 3 3 3 控制阀流量特性的选择 目前我国生产的控制阀有线性特性 对数特性和块开特性三种 尤其以前两种 特性的控制阀应得到最多 控制阀流负荷往往是会发生 变化的 而负荷的变化又往往会导致对象特性发生变化 有时 为了保证执行装置 量特性的选用要根据具体对象的特性来考虑 生产 16 精馏塔串级控制系统的研究设计 能正常工作 提高调节品质和可靠性 执行装置还需要配备一定的附件 常用的有 阀门定位器 手轮机构 电 气转换器等 电 气转换器选用罗蒙公司的qzd 1100型电 气转换器 输出信号20 100 kpa 气源 节阀 气信号 0 2 0 01 mpa 3 4 控制器选择 3 4 控制器选择 本次设计系统设计选用的控制器为 fc系列超小型固定程序调节器 pna1 型 术指标 pna1 值输入为1点 1 5v 4 20ma 模拟输入为3点 1 5v 数字输出为6点 pid自整定 部设有cc数据总线rs 422 485接口 3 5 对控制质量的影响及克服办法 3 5 对控制质量的影响及克服办法 3 5 1 测量环节纯滞后的影响 3 5 1 测量环节纯滞后的影响 点需要花费一定的时间 因而就产生了纯滞后 纯 滞后 响与控制通道纯滞后对控制质量的影响相同 一般 响很不容易 温度参数和无 形参 压力 140kpa 输入信号 4 20ma 本安型 在设计中应用恒星公司的zma b p型气动薄膜单座调 供气压力 0 5 mpa 技 输入信号 测量 数字输入为4点 脉宽输入为1组 输出信号 操作输出为1点 模拟输出为3点 主要功能 可与上位机进行通信 内部设有cc数据或cc数据总线 电源 dc 24v ac 110v 220v 任选 通信功能 可与上位机进行通信 内 参数变化的信号传递到检测 的时间 t 等于物料或能量传送的速度除以传送的距离 传送的距离越长或传送 的速度越慢 纯滞后时间则越长 测量化解纯滞后对控制质量的影 都把控制阀 对象和测变装置三者和在一起是唯一广义对象 这样测变装置的 纯滞后就可合并到对象的控制通道中一并进行考虑 纯滞后是控制系统设计中最麻烦的 要克服它的影 数的测量和容易引入纯滞后 而且一般都比较大 必须引起注意 流量参数的 测量纯滞后一般都比较小 17 精馏塔串级控制系统的研究设计 3 5 2 克服测量 传送滞后的办法 3 5 2 克服测量 传送滞后的办法 1 克服测量滞后的办法 选择惰性小的快速测量元件 以减小时间常数 选择合适的测量点位置 以减小纯滞后 使用微分单元 以克服测量环节的容量滞后 2 克服传送滞后的办法 克服测量信号传送滞后的办法 i 党变送器为电动仪表而控制其为气动仪表时 应将电器转化气尽量 安置在仪表屏附近 以缩短信号传送管现场度 ii 当变送器为气动仪表而控制器为电动仪表时 应在现场安装气电转 换器 将其信号转换成电信号后进行传送 iii 当变动器 控制器均为气动仪表时 可在信号传送管线上安装气动 继动器 以提高信号传送功率 减少滞后 克服控制信号传送滞后的办法 a 当控制器为电动仪表时 电气转换器应安装在现场控制阀附近 或在 控制阀上安装电气阀门定为器 b 当控制器为气动仪表时 应在气动信号传送管线上安装设气动继电 器 或者在控制阀上安装气动阀门定为器 以提高输出功率 减少滞 后 3 6 控制规律的选择 3 6 控制规律的选择 工业用控制器常见的有开关控制器 比例控制器 比例 积分控制器 比例 微 分控制器 比例 积分 微分控制器 过程工业中常见的被控参数有温度 压力 液 位和流量 而这些参数有些是重要的生产参数 有些是不太重要的参数 控制要求 也是各种各样 因此控制规律的选择要根据具体情况而定 但有一些基本的原则可 在选择时加以考虑 1 对于不太重要的参数 例如中间储液罐的液位 热量回收预热系统等 控 制一般要求不高 可以考虑用比例控制 甚至采用开关控制 18 精馏塔串级控制系统的研究设计 2 对于不太重要的参数 但是惯性较大 又不希望动态偏差较大 可以考虑 用比例 微分控制器 但是对于系统噪声较大的参数 例如流量 则不能用 比例 微分控制器 3 对于比较重要的 控制精度要求比较高的参数 可采用比例 积分控制器 4 对于比较重要的 控制要求比较高的 希望动态偏差较小的 被控对象的 是按滞后比较大的参数 应采用比例 积分 微分控制器 因此在任何控制方案中 控制器为主动环节 一般常见的反馈控制器所采用的 控制规律有 p 比例 pi 比例 积分 pid 比例 积分 微分 一般而言 各类参数 所选用的反馈控制器控制规律为 1 液位控制 如只要求液位保持在给定值左右的一定范围 即控制精度要求不 高时 则选用单独的比例控制是合适的 反之则要求 pi 2 压力控制 同液位控制 蒸汽压力控制 对于通过蒸汽流量来控制压力的 快速响应系统而言 宜选用 pi 对于在精馏塔装置中通过调冷却水流量来影响蒸汽 冷凝而间接控制塔压的慢速响应系统而言 宜选用 pid 3 流量控制 多为快速响应系统 宜选用 pi 4 温度控制 多为慢速响应系统 宜选用 pid 5 成分控制 多为极慢速响应系统 宜选用 pid 任何实际使用的控制回路 包括推断控制 前馈 反馈控制回路以及各种 miso 和 simo mimo 都是以反馈控制回路为基本控制回路 它所采用的基本控制规律均为 p 或 pi 或 pid 控制规律 以致这些基本控制回路均有良好的随动性能 对设定值变 化响应速度快 和良好的鲁棒性 抗干扰的稳定性能好 正因为如此 当过程动态特 性不太清楚或不精确时 通过 pid 参数整定 一般均能用这样的反馈控制回路使生 产稳定运行 反之 前馈控制是按不变性原理予以补偿的 其关键在于对拟作前馈补 偿的某参数至被控变量的 扰动 通道的动态特性的精确获知 不言而喻 运用化学 工程方法以及动态学方法获得石化生产装置的稳态特性及动态特性 是设计并实施 石化生产自动控制系统的基础 3 7 精馏塔串级控制的设计 3 7 精馏塔串级控制的设计 前面介绍了许多关于精馏塔的控制方案和有关串级控制系统的设计和一些变 量的选择下面我就举一个例子来说明 这个例子也就是我本次毕设的题目 也是我 19 精馏塔串级控制系统的研究设计 要进行讨论的话题 如图所示 图 3 2 精馏塔串级控制系统简图 功能简介 t102 塔塔釜液位控制 lic105 lic105 是控制 t102 塔塔釜液位的 它控制的不是塔釜采出量 而是与 fic116 进行串级控制 e107 的加热量 塔釜液位升高 加热量增加 塔釜液位降低 lic105 塔釜液位控制是主回路 加热量 fic116 是副回路 通过对上边的要求进行分析 可以看出这是一个串级控制系统 li105 测量塔 液位用的 当塔釜液位上升时主控制器 lic105 发出信号 通过副回路控制控制阀 的开度从而对加热器的加热量进行控制 进而起到控制釜液回流液体的温度 由于 回流液的温度上升从而来降低塔釜的液位 表面上是控制液位的高度 但实际上在 控制液位的同时是在控制塔内的温度 通过对温度的控制 来调节塔的液位 这是 整个控制过程 3 8 串级控制的具体过程 3 8 串级控制的具体过程 20 精馏塔串级控制系统的研究设计 由图可画出串级控制的方块图 图 4 1 串级控制原理图 通过上边的分析可以得出 当塔内也为升高时 由于主变量是反作用信号为负 因此主控制器当大倍数也为负 而副控制器为反作用 放大倍数为正 从而使控制 阀的开度变大加热量增加 使回流液的温度上升 大部分被汽化掉 从而降低塔内 的液位高度 这是整个控制过程 也是本次要研究的 3 9 精馏塔的工艺参数 3 9 精馏塔的工艺参数 t102 精馏塔塔釜加热量 10m 3 h t102 精馏塔塔釜温度 205 t102 精馏塔回流量 18m 3 h t102 精馏塔塔釜采出量 0 06m 3 h t102 精馏塔塔釜液位液位控制在 40 60 21 精馏塔串级控制系统的研究设计 第四章 仪表选型 第四章 仪表选型 4 1 仪表选型原理4 1 仪表选型原理 一个正确合理的自控方案 不仅要有正确的测量和控制方案 而且还需正确选 择和使用各种自动化仪表 即进行正确的仪表选型 仪表的选型是在自控方案已经确定 工艺管道及控制流程图已经完成之后进行 的 它的主要任务是确定各种测量及调节仪表为指示式 记录式或累积式 是就地 安装或安装在仪表盘上 主体仪表采用哪种系列的仪表等等 仪表选型的主要依据为 1 工艺过程的条件 工艺过程的温度 压力 流量 粘度 腐蚀性 毒性 脉动等因素是决定仪表 选型的主要条件 它关系到仪表选用的合理性 仪表的使用寿命及车间的保安防火 等问题 因此在设计过程中 必须正确收集工艺的各有关参数 结合各仪表的特点 和适用场合 合理选用仪表的型号 规格 2 操作上的重要性 各检测点的参数在操作上的重要性是仪表的指示 记录 积算 报警 调节 手动遥控等功能选定的依据 一般来说 对工艺过程影响不大 但需经常监视的变量 宜设指示 必须操作 的变量 宜用手动遥控 对需经常了解变化趋势的重要变量 宜选记录式 而一些 对工艺过程影响较大的 又需随时监控的变量 应设调节 对关系到物料衡算和动 力消耗而要求计量或经济核算的变量 宜设积算 一些可能影响生产或安全的变量 宜设报警 3 自动化水平和经济性 仪表的选型也决定于自动化的水平和投资的规模 按照工程规模等特点确定了 自动化水平的高低 从而也就确定了仪表的选型是就地安装还是集中安装 一般自 动化水平 可分为就地检测与调节 机组集中控制 中央控制室集中控制等 不同 类型的控制方式为采用何种系列的仪表提供一定的依据 4 统一性 为便于仪表的维修和管理 在仪表选型时也要注意到仪表的统一性 即选用仪 22 精馏塔串级控制系统的研究设计 表尽量为同一系列 同一规格型号及同一生产厂家的产品 避免仪表类型过多 造 成维修人员难以掌握 增加维修技术上的困难 同时 仪表品种过于繁多 维修所 用的仪表备品 备件也难以准备齐全 5 仪表供应和使用情况 在进行工程设计时必须考虑到对供应比较紧张的仪表存在的问题 为了在设计 后工程能及时施工并投入生产 设计时就应考虑能否及时供货 否则尽量少用 对 那些正在试制或质量不够稳定的仪表 为了避免将来给生产带来影响 在选型时要 慎重采用 上面提出的五点是仪表选型的原则性依据 在设计时应结合各类仪表的结构原 理和应用特点来考虑 4 2 液位仪表种类及选型 4 2 液位仪表种类及选型 物位检测在生产过程中十分重要 尤其是现代化工业设备规模的扩大和集中管 理及计算机投入运行后 物位的测量与远传更显得重要 在化工生产中 用来测量液位 固体料位和两种不同密度液体的分界面的仪表 分别称为液位计 料位计和界面计 统称为物位仪表 物位仪表分很多种 1 玻璃管式液位计 2 浮筒式液位计 3 差压式物位仪表 4 电容式物位仪表 5 超声波式物位仪表 而本次的精馏