低浓度有机废气催化燃烧工艺过程自动控制设计毕业设计论文.doc

毕业设计(论文) 课题名称低浓度有机废气催化燃烧工艺过程自动控制设计院（系） 专 业姓 名 学 号指导教师2014 年 5 月 25日I低浓度有机废气催化燃烧工艺过程自动控制设计摘要PTA氧化反应尾气是PTA装置排出的数量最大的有害气体，其中VOCs的含量为中、低浓度，若采用回收技术法，存在处理效率低、装置体积大、成本高等缺点。降解技术中目前较为成熟的是催化燃烧技术，借助于催化剂的作用使有害物质的分解温度降低到280450 ，具起燃温度较低、氧化温度低、能耗低、效率高，NOx生成量极少，无二次污染物等优点。本论文以低浓度有机废气过程为研究对象，进行工艺过程自动控制部分设计，研究内容如下：矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。1. 本文针对低浓度有机废气催化燃烧工艺流程，认真分析催化燃烧反应器、换热器的机理特性，合理确定自动控制回路的被控变量与操纵变量配对模式，分别采用PID控制策略、前馈控制和串级控制策略设计了控制过程方案。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。2. 根据自控设计行业标准分别对控制所需压力、温度、流量等仪表进行选型，给出具体的型号。并根据系统的特性与要求选择，确定自动阀门的流量特性与气动特性。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。3. 采用西门子公司Simatic WinCC 工控组态软件设计催化燃烧过程上层集成监控平台，用电脑将过程变量存档并实现历史数据的存档与显示。再运用OPC通讯技术实现了MATLAB与WinCC间数据的实时交换。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。关键词：催化燃烧 控制系统设计 仪表选型 WinCC集成监控 MATLABThe catalytic combustion process automatic control design for low concentrations of organic waste gas彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。AbstractPTA oxidation reaction is the maximum number of harmful exhaust gases discharged by PTA plant, where the content of VOCs is in a low concentration. If using recycling technology, there are some disadvantages including low efficiency, high unit volume, high cost and so on. Catalytic combustion technology is currently the most mature degradation technology, the decomposition temperature of harmful substances reduced to 280 450 by means of a catalyst role, with lower burning temperature, oxidation temperature, low energy consumption, high efficiency, NOx generation minimal amount, no secondary pollutants and a lot of advantages. In this paper, we use low concentration of organic waste process as research object, designing automatically controlled process, studies are as follows:謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。1. This paper is based on the catalytic combustion of low concentrations of organic waste process, carefully analyzed the mechanism characteristics of the catalytic combustion reactor, heat exchanger, and by the characteristics of the system , disturbance and control goals analysis, we determined the controlled variables and manipulate variables of each loop, and respectively use PID control strategy, ratio control, the feedforward control and cascade control strategy to design the control process scheme.厦礴恳蹒骈時盡继價骚。2. According to the control design industry standard, we select each measurement instrument, analog instrument, control instrument and the characteristics of the valve in the system, give the specific models. We select each automatic valves flow characteristics and aerodynamic characteristics according to the characteristics of the system and the goals.茕桢广鳓鯡选块网羈泪。3. The upper catalytic combustion process integrated monitoring platform is designed using Siemens Simatic WinCC industrial control configuration software design, using a computer to archive process variables and achieve historical data archiving and display. Then OPC technology is used to achieve data exchange communication between MATLAB and the WinCC.鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。Keywords: Catalytic combustion, control system design, WinCC integrated monitoring, MATLAB籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。目录摘要I預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。AbstractII渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。目录IV铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。第一章 绪论1擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.1课题背景与意义1贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.2催化燃烧基本原理2坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。1.3化学反应器的基本控制策略3蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。1.4控制系统仿真软件的应用研究现状4買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。1.5仿真模型与监控平台间的通讯技术4綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。1.6化工过程集成监控软件5驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。第二章 低浓度有机废气催化燃烧的工艺简介与特性分析7猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.1 低浓度有机废气催化燃烧工艺流程7锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。2.2 低浓度有机废气催化燃烧工艺装置特性8構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2.2.1温度特性8輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.2.2压力特性8尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.2.3流量特性8识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2.3催化燃烧工艺扰动分析9凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。2.3.1进料流量与进料成分9恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。2.3.2进料温度或者进料热熵9鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2.3.4催化剂进料的流量10硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。第三章 催化燃烧工艺控制方案设计11阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。3.1 控制目标分析11氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.2 被控变量与操作变量的选择11釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3.3 阀门特性选取12怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.4 控制系统设计13谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.4.1 E-101流量控制14嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.4.2 管道回路流量控制15熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.4.3 D101催化燃烧反应器控制15鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.4.4 电加热器温度控制16纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。第四章 控制方案仪表硬件选型18颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。4.1自动控制系统仪表选型原则18濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.2自动控制系统仪表选型19銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。4.2.1温度仪表19挤貼綬电麥结鈺贖哓类。4.2.2流量仪表20赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。第五章 催化燃烧过程集成监控平台的建立21塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。5.1 WinCC监控平台简介21裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。5.2催化燃烧过程的监控平台的建立22仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。5.2.1平台的总体功能设计22绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。5.2.2平台底层数据设计22骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。5.2.3平台启动选项的设置23瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。5.2.4平台变量的创建23鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。5.2.5平台用户管理员的创建26栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。5.2.6平台图形创建26辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。5.3小结31峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。第六章 有机废气催化燃烧集成监控平台的数据通信技术32詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。6.1引言32则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。6.2 OPC技术32胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。6.2.1 OPC (Ole for Process Control)产生的背景32鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。6.2.2 OPC 技术特点32稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。6.3基于OPC实现WinCC与MATLAB的实时通讯34陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。6.3.1 MATLAB系统设计说明34沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。6.4 小结38钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。第七章 总结与展望39懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。参考文献40謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。致谢41呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。49第一章 绪论第一章 绪论1.1课题背景与意义进入90年代以来，化工工业进入了快速发展阶段，企业在加大新技术应用和新产品开发力度的同时，也始终注重经济效益和环境效益的统一，同时国家也越来越注重工业废气的排放标准。由石油化工、轻工、印刷行业以及机动车发动机排出的挥发性有机化合物（Volatile organic compounds，简称VOCs）废气，已成为大气中的重要污染源之一。PTA氧化反应尾气是PTA装置排出的数量最大的有害气体，其中主要的污染物为乙酸甲酯、对二甲苯和溴代烃类，其中乙酸甲酯高达14600mg/m3，对二甲苯达2420mg/m3，总溴达228mg/m3，其中以乙酸甲酯的含量最高，而且酯类被认为是一类较难脱除的VOCs。PTA氧化尾气中VOCs（挥发性有机化合物）含量为中、低浓度，若采用回收技术法，存在处理效率低、装置体积大、成本高等缺点。降解技术中目前较为成熟的是直接燃烧和催化燃烧技术。直接燃烧是通过800900 高温直接氧化尾气中的有害物质为CO2和水，脱除效率可超过99%，但直接燃烧成本价高；催化燃烧是借助于催化剂的作用，使有害物质的分解温度降低到280450 ，催化燃烧法具起燃温度较低、氧化温度低、能耗低、效率高，NOx生成量极少，无二次污染物等优点。在自动控制领域中，控制的要求总是在不断提高，在尾气处理的中合适地选择控制策略和选用仪表可以很好地改善系统的稳定性和可控性，节省资金投入，促进控制系统的普及，取得整体经济的发展和较好的环保效益。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。但由于催化燃烧过程会有大量易燃易爆化学气体，且往往采用高温高压操作方式，因此实验室很难建立实验装置展开相关的工程应用研究。与此同时，以信息技术、相似原理、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以各种物理效应设备和计算机为工具，借助系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究，展开工业精馏过程流程模拟与集成监控方法的应用研究具有很高的工程实用价值。虽然仿真代替不了实际中的生产情况，但可以模拟、验证该方案的可行性。所以近年来，化工过程的计算机仿真监控平台的设计和故障诊断等方面得到了迅速发展。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。1.2催化燃烧基本原理納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。催化燃烧是借助催化剂在低温下(200400)下，实现对有机物的完全氧化，因此，能耗少，操作简便，安全，净化效率高，在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面，比如化工，喷漆、绝缘材料、漆包线、涂料生产等行业应用较广，已有不少定型设备可供选用。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。1)催化剂定义：催化剂是一种能提高化学反应速率，控制反应方向，在反应前后本身的化学性质不发生改变的物质。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。2)催化作用机理：在一个化学反应过程中，催化剂的加入并不能改变原有的化学平衡，所改变的仅是化学反应的速度，而在反应前后，催化剂本身的性质并不发生变化。而实际上，催化剂本身参加了反应，正是由于它的参加，使反应改变了原有的途径，使反应的活化能降低，从而加速了反应速度。例如反应A+BC是通过中间活性结合物(AB)过渡而成的，即：A+BABC，其反应速度较慢。当加入催化剂K后，反应从一条很容易进行的途径实现：A+B+2KAK+BKCK+KC+2K，中间不再需要AB向C的过渡，从而加快了反应速度，而催化剂并未改变性质。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。3)催化燃烧的工艺组成：不同的排放场合和不同的废气，有不同的工艺流程。但不论采取哪种工艺流程，都由如下工艺单元组成。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。1.废气预处理: 为了避免催化剂床层的堵塞和催化剂中毒，废气在进入床层之前必须进行预处理，以除去废气中的粉尘、液滴及催化剂的毒物。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。2.预热装置: 预热装置包括废气预热装置和催化剂燃烧器预热装置。因为催化剂都有一个催化活性温度，对催化燃烧来说催化剂是起燃温度，必须使废气和床层的温度达到起燃温度才能进行催化燃烧，因此，必须设置预热装置。但对于排出的废气本身温度就较高的场合，如漆包线、绝缘材料、烤漆等烘干排气，温度可达300以上，则不必设置预热装置。预热装置加热后的热气可采用换热器和床层内布管的方式。预热器的热源可采用烟道气或电加热，目前采用电加热较多。当催化反应开始后，可尽量以回收的反应热来预热废气。在反应热较大的场合，还应设置废热回收装置，以节约能源。预热废气的热源温度一般都超过催化剂的活性温度。为保护催化剂，加热装置应与催化燃烧装置保持一定距离，这样还能使废气温度分布均匀。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。1.3化学反应器的基本控制策略影响化学反应的扰动主要来自外部，因此控制外围是反应器控制的基本控制策略。稳定外围控制是尽可能使进入反应器的每个过程变量保持在规定数值的控制，它使反应器操作在所需操作条件，产品质量满足工艺要求。通常，稳定外围的控制一句物料平衡和能量平衡进行，采用的基本控制方法如下：视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。1）反应物流量的控制 为保证进入反应器物料的恒定，可采用参加反应物料的定值控制，同时，控制生成物流量，使由反应物带入反应器的热量和由生成物带走的热量也能够平衡。反应转化率较低，反应热较小的绝热反应器或反应温度较高，反应放热较大的反应器，采用这种控制策略有利于控制反应的平稳进行。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。2）流量的比值控制 多个反应物料之间的配比恒定是保证反应向正方向进行所必需的，因此，不仅要静态保持相应的比值关系，还需要在动态时保证相应的比值关系，有时，需要根据反应的转化率或温度等指标及时调整相应的比值。为此，可采用单闭环，双闭环比值控制，有时，可采用变比值控制系统。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。3）反应器冷却剂量或加热剂量的控制 当反应物量稳定后，由反应物带入反应器的热量就基本恒定，如果能够控制放热反应器的冷却剂量或吸热反应器的加热剂量，就能够使反应过程的热量平衡，使副反应减少，及时地移热或加热，有利于反映向正方向进行，因此，可采用对冷却剂量或加热剂量进行定值控制或将反应物量作为前馈信号组成前馈-反馈控制系统。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。4）化学反应器的质量指标是最主要的控制目标 对反应器的控制，主要被控变量是反应的转化率或反应生成物的浓度等直接质量指标，当直接质量指标较难获得时，可采用间接质量指标。例如，温度或带压力补偿的温度等作为间接质量指标，操纵变量可以采用进料量，冷却剂量或加热剂量，也可以采用进料温度等进行外围控制1。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。1.4控制系统仿真软件的应用研究现状近十年来，随着MATLAB语言和Simulink仿真环境在控制系统研究与教学中日益广泛的应用，在系统仿真、自动控制等领域，国外很多高校在教学与研究中都将MATLAB/Simulink语言作为首选的计算机工具。我国的科学工作者和教育工作者也逐渐认识到MATLAB语言的重要性，并且在很多高校的本科自动控制原理实验教学中得到应用2,3,4。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。在自动控制领域里的科学研究和工程应用中有大量繁琐的计算与仿真曲线绘制任务，给控制系统的分析和设计带来了巨大的工作量，为了解决海量计算的问题，各种控制系统设计与仿真的软件层出不穷，技术人员凭借这些产品强大的计算和绘 图功能，使系统分析和设计的效率得以大大提高。然而在众多控制系统设计与仿真软件中，MATLAB以其强大的计算功能、丰富方便的图形功能、模块化的计算方法，以及动态系统仿真工具Simulink，脱颖而出成为控制系统设计和仿真领域中的佼佼者，同时也成为了当今最流行的科学工程语言5,6。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面友好的用户环境。它还包括了ToolBox（工具箱）的各类问题的求解工具，可用来求解特定学科的问题。MATLAB所具备的强有力的计算功能和图形表现，以及各种工具箱提供的丰富的专用函数，为设计研究人员避免重复繁琐的计算和编程，更快、更好、更准确地进行控制系统分析和设计提供了极大的帮助。 MathWorks公司于2011年4月发布了MATLAB的最新版本2011a(R2011a) 版MATLAB和Simulink产品系列。该版本的核心在于引入了新一代的代码生成产品：MATLAB Coder、Simulink Coder和Embedded Coder。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。1.5仿真模型与监控平台间的通讯技术根据现有资料，Matlab和监控组态软件之间的数据交换方法有很多种，其中以动态数据交换DDE为主，动态数据交换是Windows系统中支持进程间的通信机制，它是以共享内存来实现数据交换的。大量的文献表明了采用DDE数据交换技术实现组态软件和MALAB的数据通信的有效性。但DDE存在的缺陷是：当通讯数据大时，数据刷新速度慢，容易出现死机现象；DDE本身的窄带宽，并不非常适用于实时交换系统，而这种实时系统却为自动化控制所必需。OPC以其独有的开放性、互连性、高效性和产业性占据了主导地位。OPC是OLE for Process的缩写，即把OLE应用于工业控制领域，采用客户/服务器体系。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。在工业过程的实际应用中，大多数监控组态软件都拥有开发商自主开发的专有实时数据库和历史数据库。如果要访问这些数据库，以前必须要编写相应的代码程序调用开发商提供的API函数或其他特殊方式来实现。随着OPC技术的广泛应用，国内流行的监控组态软件，如RSVIEW32、Ifix、WinCC、MCGS、Kingview 等全面支持OPC技术，即这些组态软件提供了可以访问数据库的OPC服务器，任一客户端无需了解接口特性，只要按照OPC规范编写客户端服务程序即可读取和写入监控组态软件实时数据库中的数据。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。1.6化工过程集成监控软件组态软件的应用领域很广，它可以用于电力系统、给水系统、石油、化工等数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。随着工业自动化水平的提高，以及计算机技术的广泛应用，人们对工业监控软件的通用性和灵活性提出了更高的要求。组态软件(configuration software)是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简洁的使用方法，其设置的各种软件模块可以非常容易的实现和完成监控层的各项功能，为自动化工程技术人员提供了一种设计控制策略及控制界面的工具。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。WinCC(windows control center)是由德国西门子公司与微软公司共同开发的软件系统，是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和计算机软件强大功能的产物。WinCC是一个功能强大、接口丰富的监控系统，既可以用来完成小规模、简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。WinCC将Windows NT应用程序的现代体系结构与使用方便的图形设计程序结合在一起，可以很方便地生成人机界面，建立完整的过程监控解决方案。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。WinCC监控平台设计软件有着通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；拥有多语言支持，全球通用 ；它可以集成到所有自动化解决方案内，内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态，可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；而且它集成的Historian 系统可以作为IT 和商务集成的平台，可用选件和附加件进行扩展，适用于所有工业和技术领域的解决方案。 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。WinCC监控平台设计软件集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。WinCC提供了所有最重要的通讯通道，用于连接到SIMATIC S5/S7/505控制器(例如通过S7协议集)的通讯，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(动态数据交换)和OPC，(用于过程控制的OLE)等非专用通道；亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。 WinCC在其基本系统内集成了基于Microsoft SQL Server 2000的功能强大、可延展的“Historian”系统，并以跨公司“Historian”服务器的形式用作中央信息交换系统。不同的评估用客户机、开放性接口(开放性数据库接口：ADO，OLEDB，SQL；编程接口：VBScript和有访问COM对象模型和API功能的ANS I - C)以及各种任选件(WinCC/Dat Monitor, WinCC/Connectivity Pack，WinCC, Industrial Data Bridge)构成了灵活而高效的集成监控平台的基础，这样就可以与生产和公司管理层软件(MES和ERP)相连接。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。第二章 低浓度有机废气催化燃烧的工艺简介与特性分析第二章 低浓度有机废气催化燃烧的工艺简介与特性分析2.1 低浓度有机废气催化燃烧工艺流程透平后待处理的低温尾气与催化燃烧处理后高温尾气在换热器中进行热量交换，待处理的低温尾气升温后再经电加热器加热到320左右，加热后的尾气送入催化燃烧反应器，去除尾气中的有机组分。催化燃烧处理后高温尾气将热量传递给处理的低温尾气后，经尾气洗涤塔洗涤后由尾气洗涤塔放空烟囱排入大气。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。其中，PTA尾气处理规模为1000kg/h，乙酸甲酯处理效率99%，苯及其同系物处理效率99%，溴化物处理效率95%。其主要设备为：催化燃烧反应器1个，板式换热器1个，电加热器1个。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。2.2 低浓度有机废气催化燃烧工艺装置特性催化燃烧过程是一个具有干扰、非线性、时变、多变量的复杂过程，在进行控制系统设计之前有必要针对对象进行特性分析。整个装置主要涉及到的工艺参数为：温度，流量，压力等。根据各对象的不同动态特性，我们采用不同的控制方法。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。2.2.1温度特性在此工艺装置中，温度检测包括进出废气出电加热器的温度，催化燃烧反应器的温度。就检测手段来说，包括接触式检测与非接触式检测。一般来说，温度的惯性很大，容量滞后大，有的过程时间常数能达十几分钟。再者，各温度被控对象之间的耦合性很强，往往控制某一温度对象时会引起其它温度对象的变化7。因此，征对温度迟滞大的特性，我们要在温度控制系统中增加微分作用。在该对象中，主要的控制要求是保持电加热器出料温度与反应器温度的恒定。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。2.2.2压力特性在此装置中，压力的检测包括各个泵口的压力以及反应器的压力。此对象中包括了两类常见的类型：一是管道压力；二是具有一定容量的气罐压力。对于前者而言，管道容积较小，时间常数较小，控制比较灵敏，一般不需要加入微分作用。对于后者而言，虽然体积和容量较大，动态特性的时间常数较大，但相对温度对象而言还是有一定得灵敏性，所以一般也不需要加入微分作用7。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。2.2.3流量特性在此工艺装置中，流量检测包括废气进料浓度，废气进催化燃烧反应器流量等。流量的测量容易受到噪声的干扰，流量本身可能是平稳的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是频繁的变动。这是由于管道中的流动正常时都呈现湍流状态，流量虽然平稳，流体内部却在骚动。特别是流体通过截流装置时，此种骚动程度比较大，产生的噪声也较大。噪声是一种频率很高，变化无常的流体流动。这是流量控制系统不能加微分的原因。由于噪声频率很高，虽然幅度变化不大，但若加上微分控制器其输出容易出现波动，反而使系统不稳定。流量过程时间常数很小。当手动调整阀门时，流量在较短时间内就能变化完毕，反应比较灵敏。对于流量而言，广义对象的时间常数主要取决与控制器，定位器，变送器和信号传输等部分，流量自身的时间常数相对较小8。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。2.3催化燃烧工艺扰动分析和其他化工过程一样，燃烧过程是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行的。一切影响催化燃烧反应的因素均通过物料平衡和能量平衡进行。影响物料平衡的因素主要包括进料量和进料成分的变化及催化剂进料的变化。影响能量平衡的因素主要包括进料温度或者热熵的变化、换热器和电加热器加热量的变化以及反应器的环境温度的变化等9,10。物料平衡和能量平衡之间有相互影响。各种扰动因素有可控的，也有不可控的。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。2.3.1进料流量与进料成分进料流量是上工序的出料，因此，通常是不可控但可测的，当进料流量变化较大时，对后续的操作会造成很大的影响。这是，可以将进料流量和废气出料浓度组成串级控制。当进料流量需要定值控制时，从工艺的角度看，有时需要增加中间储罐或者容器，以便缓冲上一工序的出料量。从控制角度讲，可以采用均匀控制策略，使进料流量基本恒定的同时，对上一工序的操作不造成较大的影响。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。进料流量影响物料平衡，也影响能量平衡。因此，控制策略因保持流量基本恒定；进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常是不可控的，多数情况下也难于测量。因此，控制策略是尽量控制上一工序的操作，从外围入手，使进料成分保持恒定见小其变化对于后续催化燃烧反应的影响1。烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。2.3.2进料温度或者进料热熵进料温度影响废气处理过程的能量平衡。进料温度一般是可控可测的，多数情况下，进料温度较恒定，因此控制策略是不进行控制。当进料需要经过换热器预热后进入时，由于进料的状况可以气态的，因此，可以出现进料熵的变化，这是，控制策略是才用热熵控制，保证进料热熵的恒定。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。2.3.4催化剂进料的流量催化剂浓度影响着催化燃烧的反应速率，催化剂实质上是参加了化学反应的，我所以在反应物充分的条件下，催化剂的量越多，浓度越高，与反应物接触的量就越多，单位时间内产生的中间物就越多，得到的最后产物就越多，但前提必须是加入的所有催化剂都要与反应物能充分接触，才会使化学反应速率越大。因此，可以将催化剂进料和反应器温度组成串级控制，同时废气进料作为前馈控制。撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。第四章 控制方案仪表硬件选型第三章 催化燃烧工艺控制方案设计3.1 控制目标分析在正常工况过程中，根据工艺要求和装置特性可以设计催化燃烧工艺控制方案可将控制任务分为四大部分：正常工况回路说明与控制目标常规回路控制；节能控制；安全控制。如下表3-1给出了正常工况回路说明与控制目标。踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。回路说明控制目标E-101流量控制控制进气流量相对恒定，保证热交换后的温度达到一定值H-101加热温度控制保证加热温度恒定D-101催化剂进料量控制保证催化剂进料量，控制产品质量D-101温度控制保证塔温相对恒定管道流量控制保证管道流量相对恒定节能控制在满足工艺要求的同时，尽量降低能耗安全控制保证工序的正常安全运行，故障报警表3-1 正常工况回路说明与控制目标3.2 被控变量与操作变量的选择分析系统的控制要求与控制目标，可知反应器温度、压力，废气进料量，电加热器温度，等为被控变量。被控变量与操纵变量的选择如表3-2、3-3所示。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。被控变量位号名称单位F1FT1001E-101废气进料流量Kg/hF2FT1002E-101处理后废气出料流量Kg/hF3FT1003回路流量1Kg/hF4FT1004回路流量2Kg/hF5FT1005D101废气进反应器流量Kg/hF6FT1006D101催化剂流量Kg/hF7FT1007废气出料流量Kg/hT1TT1001H-101电加热器温度T2TT1002D101反应器温度表3-2被控变量操纵变量位号名称备注V1V01废气进料流量调节阀/V2V02管道流量调节阀1/V3V03管道流量调节阀2/V4V04催化剂进料阀/ 电压V05电压调节器用电路控制表3-3操纵变量3.3 阀门特性选取选择控制阀工作流量特性的目的是通过控制阀调节机构的增益来补偿因对象增益变化而造成开环总增益的变化的影响。一般变送器、调节器、执行机构等放大倍数基本为一个常数，但过程特性往往是非线性的。因此，我们选择的原则是：KvKp=常数，其中，Kv为调节阀的放大系数，Kp为过程的放大系数1。譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。一般来说，根据被控对象的特性，流量控制对象的过程放大系数为线性，所以选择线性阀（V1、V2、V3、V4选用线性）。若温度过程为非线性，所以选择等百分比调节阀。若被控变量为液位，可选用对数；若被控变量为压力，可选用对数。俦聹执償閏号燴鈿膽賾。图3-1 一般线性阀门特性曲线图3-2 一般对数阀门特性曲线由于此控制系统是通过流量来控制压力或者温度，因此都选择气开阀，具体情况如表3-4所示：阀门操纵变量位号名称流量特性气动特性V1V01废气进料流量调节阀线性气开V2V02废气流量流量调节阀1线性气开V3V03废气流量流量调节阀2线性气开V4V04催化剂进料阀线性气开表3-3 阀门特性选取3.4 控制系统设计在该生产系统中，E-101，D-101，H-101分别为换热器、催化燃烧反应器、电加热器，其控制如下图3-4所示：缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。图3-4 系统控制方案结构示意图3.4.1 E-101流量控制一般传热设备控制的实质是对传热设备的热量平衡控制，传热设备控制的目的如下1：1. 达到工艺所需的温度。例如，反应器的入口温度等。2. 热量平衡。例如，除热和放热的平衡。3. 改变物料的组态。例如，氨冷却器将液氨成气氨。4. 余热利用E-101是换热器，主要是个预热装置，后续还会有电加热器继续加热，所以温度的控制可通过控制废气进气流量和处理过废气出气的流量即可，我们可以通过采用串级控制系统，副被控变量是废气进料的流量，主被控变量处理过废气出气的流量，操作变量是进料流量控制阀，控制系统框图见下图3-5所示：骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。图 3-5 E-101控制系统框图3.4.2 管道回路流量控制在两个管道流量控制回路中，为保证流量稳定以及后续产品质量，可以采用定制控制，被控变量均为流量，其操作变量为流量控制阀，控制系统框图见下图3-6：癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。图3-6 管道流量控制系统框图3.4.3 D101催化燃烧反应器控制D101催化燃烧反应器的控制回路采用简单单回路控制是满足不了要求的，因为进料虽然恒定，但是存在许多的扰动，如进料的温度与压力等。这里采用前馈串级控制，副控变量是催化剂的进料流量，温度为主控变量、进料流量为前馈信号组成的前馈串级控制系统。TY是乘法器，FY是前馈控制器。此处采用前馈主要考虑开停车控制可以采用串级加前馈控制。鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。在该回路中，被控变量为催化剂进料流量，其操作变量为进入D101的水蒸汽流量，控制系统框图见下图3-7。榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。图3-7 D101塔温控制系统框图3.4.4 电加热器温度控制在废气与已处理的废气进行热交换之后，通过一热加热器，使其温度被加热到320左右，如果温度达不到设定的温度，就会影响后续的催化燃烧反应。所以要设计一个闭环回路，通过控制电加热器的电压来控制电加热器的加热温度。控制回路中，我们可以通过设计一个温控电热器加热电路图(如3.8图所示)来控制电加热器的温度如3.8图所示。逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。一个典型的LM温度5传感器连接到比较器IC1的负输入端，传感器的电压与温度成正比，因此当加热器被冷却时，在给定的时刻内电压下降低于IC1正输入端由P1设定的参考电压。比较器的输出，则升到高电位，经过IC2a、IC2b、和IC2c。三次反变换之后，在T2的基极存在一个低的逻辑电平。由于晶体管是p一n一p型,它将开始导通，T3也被导通，继电器Re1被激发。加热电阻器( 用R12表示) 连接k1，然而再经k2连接到电源变压器，使加热器发热。幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。当温度使D1 的电压超过IC12 脚的参考电压时，比较器的输出下降为低电位，而T2和T3被截止。由R5提供的滞后作用，保证了通断的临界值差距很大，以防止继电器产生卡塔声。誦终决懷区馱倆侧澩赜。由IC2d、T1、和D2组成一个任意的指示器，当加热电阻没有导通时，比较器的输出为低电位，IC2d的13脚也是低电位，这种门电路就起反相器的作用，因此T1，导通而D2亮。当加热电阻被导通时，IC2d的13脚升为高电位，则网络R7一C2使门电路起矩形信号发生器的作用，因此D2与它同步也被熄灭。医涤侣綃噲睞齒办銩凛。图3-7第四章 控制方案仪表硬件选型4.1自动控制系统仪表选型原则仪表（元件）及控制阀选型的一般原则如下：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防火、防爆、保安等问题。舻当为遙头韪鳍哕晕糞。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、控制、遥控等功能选定依据。一般来说，对工艺过程影响不大，但需经常监视的变量，可选指示型；对需要经常了解变化趋势的重要变量，应选记录式；而一些对工艺过程影响较大的，又需随时监控的变量，应设控制；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。鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。经济性和统一性 仪表的选型也决定于投资的规模，应在满足工艺和自控的要求前提下，进行必要的经济核算，取得适宜的性能价格比。为便于仪表的维修和管理，在选型时也要注意到仪表的统一性。尽量选用同一系列、同一规格型号及同一生产厂家的产品16。筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。仪表的使用和供应情况选用的仪表应是较为成熟的产品，经现场使用证明性能可靠的；同时要注意到选用的仪表应当是货源供应充沛，不会影响工程的施工进度17。韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。第四章 控制方案仪表硬件选型4.2自动控制系统仪表选型4.2.1温度仪表 （1）精确度等级 一般工业用温度计：选用1.5级或l级，精密测量用温度计：应选用0.5级或0.25级。在本设计中按一般工业设计的标准，选用1.5级或l级。 （2）测量范围涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。最高测量值不大于仪表测量范围上限值90%,正常侧量值在仪表测量范围上限值的1/2左右。 （3）检出元件选择钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。1根据温度测量范围，参照相关标准选用相应分度号的热电偶，热电阻。2装配式热电偶适用于一般场合；装配式热电阻适用于无振动场合；热敏热电阻适用于测量反应速度快的场合。恺装式热电偶，恺装式热电阻适用于要求耐振动或耐冲击，以及要求提高响应速度的场合18。戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗。3根据测量对象对响应速度的要求，可选用下列时间常数的检出(测)元件：(1)热电偶：600s，100s和20s三级；(2)热电阻：90-180s，30-96s，10-30s和10s四级 ；(3)热敏热电阻：1s。購櫛頁詩燦戶踐澜襯鳳。（4）变送器与接受标准信号显示仪表配套的测量或控制系统，可选用具有模拟信号输出功能或数字信号输出功能的变送器；一般情况应选用现场型变送器，此处采用现场型变送器11。嗫奐闃頜瑷踯谫瓒兽粪。温度仪表选择一览表：等级选用1.5级或l级。根据物料衡算，各个检测点温度有40、49.6、143.4、99.8、79.7.30、46.3，量程范围可选用铜热电阻Cu50（-50+150）、铂热电阻Pt100（-200+650）；其中热电阻10s四级；温度计接线盒采用隔爆式，连接方式采用法兰式。如下表4-1为选型一览表。虚龉鐮宠確嵝誄祷舻鋸。表4-1 温度仪表选型一览表编号变送器型号公司防爆等级等级传感器型号 公司备注TT1001SITRANS TH200西门子ExiaIICT4-T60.1级WZC2441G苏科Cu50TT1002UDC3500霍尼韦尔本安防爆0.1级WZC2441G苏科Pt1004.2.2流量仪表化工装置流量计选择：节流装置及差压计；速度式流量计；容积式流量计；可变面积式流量计(转子流量计)；质量流量计；楔形流量计；明渠流量计等。與顶鍔笋类謾蝾纪黾廢。流量仪表选择一览表：本设计中，测量流量的有氨水、去离子水、冷却水、自来水、氨气、水蒸气等。对于去离子水、冷却水、自来水条件相同，可采用相同的仪表，指示均采用线性刻度，测量采用差压式。如下表4-3为选型一览表。結释鏈跄絞塒繭绽綹蕴。表4-3 流量仪表选型一览表编号型号公司防爆等级精确度等级FT1001SKCW11V5-LSDQ-B-HSUPCONExiaIICT40.1级FT1002SKCW11V5-LSDQ-B-HSUPCONExiaIICT40.1级FT1003SKCW11V5-LSDQ-B-HSUPCONExiaIICT40.1级FT1004SKLGK2.515Y3Q1X苏科ExiaIIB0.1级FT1005SKCW11V5-LSDQ-B-HSUPCONExiaIICT40.1级FI1005SKLU-25YF1J1L2T2苏科ExiaIIBT3-T60.1级FT1006SKCW11V5-LSDQ-B-HSUPCONExiaIICT40.1级FT1007SKCW11V5-LSDQ-B-HSUPCONExiaIICT40.1级第五章 催化燃烧过程集成监控平台的建立第五章 催化燃烧过程集成监控平台的建立5.1 WinCC监控平台简介随着对工业自动化的要求越来越高，以及大量控制设备和过程监控装置之间的通讯的需要，监控和数据采集系统越来越受到用户的重视，从而导致组态软件的大量使用。组态软件是数据采集监控系统SCADA12（Supervisory Control and Data Acquisition）的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。餑诎鉈鲻缥评缯肃鮮驃。西门子视窗控制中心SIMATIC WinCC(Windows Control Center)是HMI/SCADA软件中的后起之秀，是西门子公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司在共同开发的居于世界领先地位的工控软件12。HMI代表“Human Machine Interface(人机界面)，即人(操作员)和机器(过程)之间的界面。自动化过程(AS)保持对过程的实际控制。一方面影响WinCC和操作员之间的通讯，另一方面影响WinCC和自动化系统之间的通讯。爷缆鉅摯騰厕綁荩笺潑。WinCC是一个功能强大的全