精馏塔指导书.doc

第4章 筛板式精馏塔过程控制实验4.1再沸器功率控制实验4.1.1实验目的1了解精镏塔控制再沸器功率的工艺要求2熟悉再沸器功率控制系统的硬件组成。3熟悉再沸器功率控制系统中S7-300PLC程序有关手动自动无扰动切换功能。4掌握用衰减振荡法整定本控制系统的P、I参数的方法。5理解P、I参数对本控制系统性能指标的影响。4.1.2实验设备在SJT0.08/12/30乙醇水筛板式精镏塔实验装置中主要用到：1PID功能块S7-300PLC程序中NO5 PID功能模块JC-2再沸器功率调节模块，其PV（反馈）信号取自AI14，PID调节输出接至AO卡的AO5通道。修改设定值和P、I、D参数等通过上位计算机进行。2执行机构AO5的420mA接到SCR2的信号放大板，转换成010V去控制SCR智能模块三相晶闸管的导通角，也即控制SCR2负载的Y形三根电热管的加热功率。3测量（反馈）信号单相功率变送器测量一根电热管的电压和电流，功率信号送至S7-300AI卡的AI14通道，在PLC程序中乘3倍后作为三相加热的再沸器功率送PID模块。4塔釜低液位对再沸器加热的连锁为保证电热管是浸没在再沸器的液体中加热，鉴于再沸器与塔釜底部有连通管，因此测量塔釜液位可代表再沸器液位。当塔釜液位25%（50mm）时发出DO1=0开关量信号去停止再沸器加热。5再沸器功率对冷凝器进水电磁阀的连锁为防止再沸器加热产生的酒精蒸汽从冷凝器中逸散，当再沸器功率20%时，自动打开冷凝器的冷却水电磁阀VD5，使酒精蒸汽在冷凝器中冷凝为液体酒精。4.1.3实验原理1再沸器功率控制系统的方块图 图4-1 再沸器功率控制系统的方块图2为何要控制再沸器的加热功率在常见的加热控制系统中，被调参数PV（控制系统反馈信号）一般都是温度。但在再沸器的加热系统中，被调参数且是加热功率。这是因为再沸器是工作在原料液的超沸点加热而产生饱和蒸汽，改变加热功率不能改变塔釜液体的沸点温度只是改变饱和蒸汽的流量，而这流量很难测量。蒸汽流量是精镏塔的重要工艺参数，它与灵敏板温度、回流流量、产品流量、产品浓度（质量）等密切相关，这是一个多输入多输出的复杂控制系统，尚有待于开发研究。把再沸器加热控制简化成再沸器功率的单回路控制是模仿目前工业生产中的实用生产工艺。3PID功能模块的手动自动无扰动切换的功能。(1)控制系统在手动状态时，要求：aPID自控功能模块的输出A跟踪手操输出M，即MA。bPID自控功能模块的给定值SV跟踪反馈值（测量值）PV，即PVSV，使PID输入的控制偏差e=0（控制偏差e=SV-PV）。当控制系统从手动切换到自动时，输出值AO5由M切到A，而PID功能块因输入偏差e=0而无增量输出去改变A，即这二者切换时都不改变系统输出值AO5，因此手动切到自动是无扰动的。手动自动切换后,允许通过上位机修改给定值SV,这时PID有增量输出去改变A值,并通过AO5输出。(2)控制系统在自动状态时，要求：手操输出M跟踪PID功能块自动输出A，即AM。当控制系统由自动切换到手动时，输出值（阀位值）AO5由A切换到M。显而易见，从自动切换到手动是无扰动的。自动手动切换后，可通过上位机修改手操M送至AO5。(3) PID控制模块的手动自动无扰动切换功能由S7-300PLC程序中实现，而且每个PID控制模块都要有此功能。4用衰减曲线法整定本控制系统P、I参数的方法（参考文献：侯志林主编“过程控制与自动化仪表”Pg178）单回路控制系统的P、I、D参数的工程整定法主要有：衰减曲线法、反应曲线法和临界比例度法三种。本实验采用衰减曲线法整定再沸器功率控制系统的P、I参数，实验原理见教科书。5比例增益KP和积分时间TI对控制系统性能指标的影响，实验原理见“过程控制与自动化仪表”Pg173页。4.1.4实验内容及步骤1实验准备按精镏塔操作说明，对第一项“3.3.1精馏塔控制系统软件操作”操作完毕，对第二项“3.3.2，全回流控制”的第一项“1液位调节系统LC-1投入自动”操作完毕，即塔釜液位达到40%（80mm）。把冷凝器进水的自来水管路上的手阀打开。2用衰减曲线法整定本控制系统的P、I参数(1)在电脑上打开再沸器功率控制系统的对话框，设置给定值=70%；比例增益KP=0.5，积分时间TI=200S不变，投入PI自动控制。(2)待控制系统达到稳态（PVSV）后,设置积分时间TI=0，即取消积分作用，系统为纯比例P控制作用。(3)对给定值SV作正反二个方向的阶跃扰动，扰动量取5%10%，在电脑的历史曲线上观察纯比例P控制系统的响应曲线。若响应曲线的振荡衰减太快（衰减比n4），就应增大比例增益值KP；反之则减小KP。(4)如此反复整定，直到出现衰减比n4的振荡曲线，记录此时的比例增益KP和曲线振荡周期Ts。(5)再沸器功率控制系统适用于比例积分（PI）调节器，其P、I参数的计算公式为：比例增益KP=0.8KP，积分时间TI=0.5Ts。(6)将计算好的KP、TI参数设置到上位机的对话框中，将设定值SV作阶跃扰动，系统投入PI自动控制，查看上位机的历史曲线，从中求得控制系统阶跃响应的过渡过程曲线的四大性能指标衰减比n、超调量、余差e()、调节时间Ts（测试方法见“过程控制与自动化仪表”）。设定值作正反二个方向的阶跃扰动，二次的性能指标取平均值记录于表4-1和表4-2的中间一行。判别这些性能指标是否合格，若不满意则人工校正KP、TI参数，再作SV阶跃扰动和测试性能指标。3测试过大或过小的KP、TI参数对控制系统的影响(1)将积分时间TI固定在4.1.4的第2项中(5)的计算值（或(6)的校正值），改变比例增益KP的大小（20%左右），每次都加SV正反二个方向的阶跃扰动方法测试控制系统的性能指标，各取平均值记录于下表4-1：性能指标比例增益KP衰减比n超调量余差e()调节时间tS（过大值）（计算值）（过小值）(2) 将比例增益KP固定在4.1.4第2项中的(5)的计算值（或(6)的校正值），改变积分时间TI的大小，每次都加SV正反二个方向的阶跃扰动方法测试控制系统的性能指标，各取平均值记录于下表4-2：性能指标积分时间TI衰减比n超调量余差e()调节时间tS（过大值）（计算值）（过小值）4.1.5实验报告要求1为何再沸器不控温度而控制功率？2绘制再沸器功率控制系统的方块图，叙述硬件工作原理。3什么是PID控制系统的手动自动无扰动切换？S7-300PLC程序如何实现？4用衰减曲线法整定控制系统P、I参数的步骤。5根据表4-1解释过大或过小的比例增益KP ，对控制系统性能指标的影响？6根据表4-2解释过大或过小的积分时间TI对控制系统性能指标的影响？4.2灵敏板温度控制实验4.2.1实验目的1了解精镏塔控制灵敏板温度的工艺要求。2熟悉灵敏板温度控制系统的硬件组成。3熟悉灵敏板温度控制系统中S7-300PLC程序中有关手动自动的无扰动切换功能。4理解P、I参数对本控制系统性能指标的影响。4.2.2实验设备 在SJT0.08/12/30乙醇水筛板式精镏塔实验装置中主要用到：1PID功能块在S7-300PLC程序中NO.2 PID功能模块TC-8灵敏板温度调节模块其PV（反馈）信号取自AI，PID调节输出送至AO2通道。修改设定值SV和P、I、D参数等通过上位计算机进行。2执行机构在“产品”工况状态下，AO2输出的420mA通过工况选择继电器送至回流计量泵的给定信号口。计量泵的控制卡把420mA模拟量转换成脉冲量P去控制隔膜电磁阀的通断频率，隔膜电磁阀每动作一次输出的液体量是一个恒值，而控制信号420mA是线性转换成脉冲量P，因此计量泵输出的流量值与控制信号有很好的线性关系，回流计量泵的功能可等效于流量控制系统FIC-2。3测量（反馈）信号安装在8#塔板灵敏板上的TE-8铂电阻温度传感器，通过TIT-8温度数显变送仪表将温度0100变送为420mA，送至模拟量输入卡的AI7通道。4回流槽低液位对回流计量泵的连锁安装在回流槽中的回流计量泵之底阀是止回阀，它应该浸没在液体中，为此，回流槽液位13%（52mm）时发出DO2=0的开关量信号去停止回流计量泵工作。注意：若计量泵的底阀吸入空气，会使泵的流量控制功能变坏，有时会使计量泵抽不出液体，长期抽吸空气有可能使泵发热损坏。若计量泵长期不工作再启动时，可能在出口管道中混杂气泡，若数分钟后气泡不能消失就应实施人工排气拧松（不要全部拧出，否则里面小圆珠会掉出）计量泵的排气孔排气，直至出口气泡消失。4.2.3实验原理1灵敏板温度控制系统的方块图图4-2 灵敏板温度控制系统的方块图2为何要控制灵敏板的温度再沸器产生的乙醇水混合蒸汽为精镏塔内的最高温度，蒸汽穿过12块塔板时，温度逐渐降低，塔板上冷凝液的乙醇浓度也逐渐增高。各块塔板是等距布置的，但其塔板温度且呈非线性下降。经测试：8#塔板温度跟产品的乙醇浓度（质量）有比较灵敏的反应关系，即产品浓度变化同一幅度，8#板温度的变化幅度要大于其它塔板温度的变化幅度，8#塔板称之灵敏板。控制好灵敏板的温度就是控制好产品的浓度（质量）。无论是开始的“全回流”工况，还是后来的“产品”工况，回流计量泵都要把回流槽中高浓度的产品液抽回到精镏塔中，抽出的回流流量越多，塔板上的液体含乙醇的浓度也越高，灵敏板的温度也越低。在“产品”工况下，要生产乙醇浓度93%的合格产品，灵敏板温度控制系统的设定值SV范围应为801左右。3工况转换与手动自动的强制切换。在“全回流”工况下是回流槽液位的PI调节模块输出到AO3,通过全回流继电器送到回流计量泵使之工作。在“产品”工况下是灵敏板温度的PID调节模块输出到AO2，通过产品继电器送到回流计量泵使之工作。根据以上工艺要求，在“全回流”工况时，灵敏板温度PID功能块的输出开路（不与执行机构连接），若此时PID仍处于“自动”状态，会产生“积分饱和”问题，因此在“全回流”工况时，灵敏板温度PID功能块被强制切换到“手动”状态，以杜绝积分饱和问题；而且禁止在上位计算机上切换到“自动”状态。（与在上位计算机上人工切换到“手动”的功能相似，仅是切换的程序不同）。当工况转换到“产品”工况时，灵敏板温度PID功能模块才被允许在上位机上人工切换到“自动”状态。4PID功能块的手动自动无扰动切换的功能(1)控制系统在手动状态时，要求：aPID自控功能模块的输出A跟踪手操输出M，即MA。bPID自控功能模块的给定值SV跟踪反馈值（测量值）PV，即PVSV，使PID输入的控制偏差e=0（控制偏差e=SV-PV）。当控制系统从手动切换到自动时，输出值AO2由M切到A，而PID功能块因输入偏差e=0而无增量输出去改变A，即这二者切换时都不改变系统输出值AO2，因此手动切到自动是无扰动的。手动自动切换后,允许通过上位机修改给定值SV,这时PID有增量输出去改变A值,并通过AO2输出。(2)控制系统在自动状态时，要求：手操输出M跟踪PID功能块自动输出A，即AM。当控制系统由自动切换到手动时，输出值（阀位值）AO2由A切换到M。显而易见，从自动切换到手动是无扰动的。自动手动切换后，可通过上位机修改手操M送至AO2。(3)PID控制模块的手动自动无扰动切换功能由S7-300PLC程序中实现，而且每个PID控制模块都要有此功能。5比例增益KP和积分时间TI对控制系统性能指标的影响，其原理见参考文献：侯志林主编“过程控制与自动化仪表”Pg173页。4.2.4实验内容与步骤1实验准备按“精镏塔操作说明”从第一项操作到3.3.3第4项，将回流槽液位调节系统LC-2的设定值从25%提高到70%（280mm），其目的是在回流槽中贮存较多的高浓度产品液体，供本实验所需的回流液，避免出现回流计量泵无液可抽的状况。2合格状态下的测试在灵敏板温度调节系统TC-8和回流槽液位调节系统LC-2都投入自动并达到稳态，产品液浓度合格（93%）的条件下，对TC-8系统作设定值SV的阶跃扰动，查看TC-8的PID调节历史曲线，求得控制系统阶跃响应的过渡过程曲线的四大性能指标衰减比n，超调量、余差e（）、调节时间TS。（测试方法见“过程控制与自动化表”Pg6）。设定值作先正后反的二个方向（12）的阶跃扰动，二次的性能指标取平均值记录于表4-3和表4-4的中间一行。3过大或过小的比例增益KP对数对控制系统的影响将TC-8的积分时间TI固定在原来的合格值（出厂值），改变比例增益KP的大小，每次都加SV先正后反的二个方向的阶跃扰动，各取测试性能指标的平均值记录于表4-3中：性能指标比例增益KP衰减比n超调量余差e()调节时间tS（过大值）（计算值）（过小值）4过大或过小的积分时间TI参数对控制系统的影响将TC-8的比例增益KP固定在原来的合格值（出厂值），改变积分时间TI的大小，每次都加SV先正后反的二个方向的阶跃扰动，各取测试性能指标的平均值记录于表4-4中：性能指标积分时间TI衰减比n超调量余差e()调节时间tS（过大值）（计算值）（过小值）4.2.5实验报告要求1控制灵敏板温度的目的是什么？在全回流时它为何要被强制于手动？2绘制灵敏板温度控制系统的方块图，叙述硬件工作原理。3什么是PID控制系统的手动自动无扰动切换？PLC程序是如何实现的？4根据表4-3解释过大或过小的比例增益KP对控制系统性能指标的影响？5根据表4-4解释过大或过小的积分时间TI对控制系统性能指标的影响？4.3进料温度控制实验4.3.1实验目的1了解被控制对象的特性，它对控制规律的特殊要求。2熟悉进料温度控制系统的硬件组成。3熟悉进料温度控制系统中S7-300PLC程序有关手动自动的无扰动切换功能。4理解P、I参数和死区范围对本控制系统性能指标的影响。4.3.2实验设备 在SJT0.08/12/30乙醇水筛板式精镏塔实验装置中主要用到：1PID功能块在S7-300PLC程序中NO.4 PID功能模块是TC-1进料温度调节模块，其PV（反馈）信号取自AI1，PID调节输出送至AO4通道。修改设定值SV和P、I、D参数等通过上位计算机进行。2执行机构AO4通道输出的420mA连接到SCR1的信号放大板被转换成010VDC信号，去控制SCR1单相晶闸管智能模块的导通角，即控制进料加热带的加热功率，使进料管道中原料液的温度改变。3测量（反馈）信号进料管道中原料液的进料温度用TE-1铂电阻测量，通过TITC-1数显温度变送仪将0100温度信号变送成420mA送至模拟量输入卡的AI1通道。4进料电磁阀对SCR1的连锁进料加热时，三个进料电磁阀VD13中必须有一个电磁阀打开。如果没有一个电磁阀打开，则进料管道是一个密闭容器（因为计量泵出口有止回阀），密闭容器中的液体若被加热会产生很高的膨胀力把设备炸破。因此要把进料电磁阀VD13的中间继电器KA13接点连成“或”门对SCR1的给定信号进行连锁。5进料电磁阀对进料计量泵的连锁如果没有一个进料电磁阀打开，则进料计量泵出口到电磁阀之间的进料管道是一个密闭容器，若计量泵工作会使其出口压力超过其额定压力（18bar）而损坏计量泵。因此要把进料电磁阀VD13的中间继电器KA13接点连成“或”门对进料计量泵的给定信号进行连锁。4.3.3实验原理1进料温度控制系统的方块图图4-3 进料温度控制系统的方块图2为何要控制进料温度精镏塔工艺要求注入塔节原料液的温度和浓度与该塔板上液体的温度和浓度相接近，以减少对精镏塔的工艺扰动。不同的原料液浓度应选择某一电磁阀进入相关的塔板，已在操作说明中介绍。本实验要解决的是控制原料液的温度控制问题。进料加热是加热带先加热进料铜管，铜管再加热流动的原料液，进料温度测量的是原料液温度，这种简接传热方式使进料温度的滞后时间较大。再者，伴热带加热是升温速度较快，降温速度较慢，即时间常数T0的正、反方向严重不对称。被控对象的时间特性/T。既大又不对称，是一种很难控制的对象。好在进料温度控制误差对产品的浓度、产量指标影响较小，进料温控误差可放宽到5左右。我们采用带死压（2）的PID控制方案可满足工艺要求。3工况转换与手动自动的强制切换。在“全回流”工况时，工艺要求用冷原料液进入精镏塔，即不需要进料加热。因此本系统的PID模块要被强制切换到“手动”状态并输出强制设置为“0”，而且禁止在上位计算机上切换到“自动”状态，以防止产生“积分饱和”问题。当工况转换到“产品”工况时，进料温控PID功能块才被允许在上位机上被切换到自动状态。（手动自动的强制切换与上位机的人工切换相似，仅在切换程序上有点差别）。4PID功能块的手动自动无扰动切换的功能(1)控制系统在手动状态时，要求：aPID自控功能模块的输出A跟踪手操输出M，即MA。bPID自控功能模块的给定值SV跟踪反馈值（测量值）PV，即PVSV，使PID输入的控制偏差e=0（控制偏差e=SV-PV）。当控制系统从手动切换到自动时，输出值AO2由M切到A，而PID功能块因输入偏差e=0而无增量输出去改变A，即这二者切换时都不改变系统输出值AO2，因此手动切到自动是无扰动的。手动自动切换后,允许通过上位机修改给定值SV,这时PID有增量输出去改变A值,并通过AO2输出。(2)控制系统在自动状态时，要求：手操输出M跟踪PID功能块自动输出A，即AM。当控制系统由自动切换到手动时，输出值（阀位值）AO2由A切换到M。显而易见，从自动切换到手动是无扰动的。自动手动切换后，可通过上位机修改手操M送至AO2。(3)PID控制模块的手动自动无扰动切换功能由S7-300PLC程序中实现，而且每个PID控制模块都要有此功能。5比例增益KP和积分时间TI对控制系统性能指标的影响，其原理见参考文献：侯志林主编“过程控制与自动化仪表”Pg173页。4.3.4实验内容与步骤1用“响（反）应曲线法”测试对象特性（与正常操作不同）按“精镏塔操作说明”的第1项操作，再沸器加热开关不接通，不进行再沸器加热，一开机就跳到3.3.3第1项，即进入“产品”工况（特别需要的借用）的进料流量系统LC-1投入手动（VD3要接通），同时操作3.3.3第2项把进料温度调节系统TC-1投入自动。当进料温度基本上稳定控制到设定值时，把PID切换到手动，并记下切换前的控制输出A值（即初切换时的M值）。把手操输出M作正、反二个方向的阶跃扰动（扰动量10%左右），在上位机历史曲线中记录进料温度的开环响应曲线，并记录阶跃扰动的发生时刻，当进料温度再次接近稳态时，根据响应曲线分析计算被控对象的特性参数时延、时间常数TO，放大倍数K。(实验原理见“过程控制与自动化仪表”)再计算时间特性/TO，它是被控对象控制难易程度的重要指标：若/TO0.2则很容易控制，若0.2/TO1.5则一般难度控制，若/TO1.5则很难控制。再若正、反二个方向的/TO差别很大，控制难度也更大。2合格状态下的测试（正常操作）重新按“精镏塔操作说明”正常操作到3.3.3第4项，当进料温度调节系统TC1投入自动并达到稳态后，对TC-1的设定值SV作正、反二个方向的阶跃扰动（5），通过历史曲线求得TC-1自控系统的过渡过程曲线的四大性能指标衰减比、超调量、余差e（）、调节时间TS。（测试方法见“过程控制与自动化仪表”Pg6）。正反扰动的性能指标取平均值记录于表4-5和表4-6的中间一行。3过大或过小的比例增益KP对数对控制系统的影响将TC-1系统的积分时间TI固定在合格值（出厂值），改变比例增益KP的大小，每次都加设定值SV的正、反二个方向的阶跃扰动，测试其性能指标并取平均值记录于表4-5中：性能指标比例增益KP衰减比n超调量余差e()调节时间tS（过大值）（计算值）（过小值）4过大或过小的积分时间TI参数对控制系统的影响将TC-1系统的比例增益KP固定在合格值（出厂值），改变积分时间TI的大小，每次都加设定值SV的正、反二个方向的阶跃扰动，测试其性能指标并取平均值记录于表4-6中：性能指标积分时间TI衰减比n超调量余差e()调节时间tS（过大值）（计算值）（过小值）4.3.5实验报告要求1在全回流和产品二种工况中,对进料温度控制的要求有何不同？2绘制进料温度控制系统的方块图，重点理解连锁条件。3什么是PID控制系统的手动自动无扰动切换？PLC程序是如何实现的？4根据TC-1系统的开环响应曲线计算、TO、KO三个特性参数，如何分析被控对象的控制难易程度？5根据表4-5解释过大或过小的比例增益KP对控制系统性能指标的影响？6根据表4-6解释过大或过小的积分时间TI对控制系统性能指标的影响？4.4灵敏板温度测试实验4.4.1实验目的1了解精镏塔灵敏板温度的特点和用途。2熟悉精镏塔塔节温度测试系统的硬件组成。4.4.2实验设备在SJT0.08/12/30乙醇水的筛板精镏塔实验装置中主要用到：1温度的仪表变送精镏塔的塔节（精镏段和提镏段）由十二层塔板组成，其中2、4、6、8、10、12这六块塔板的上方各自安装Pt100铂电阻测量温度，经过六台数显温度变送仪变送成420mA信号AI4AI9送至S7300PLC系统的331型AI模拟量输入卡，它A/D转换后的数字量送至S7313 CPU卡的并口。2温度的PA总线变送塔节中的7、9这二块塔板的上方也安装Pt100铂电阻测量温度，经过二台S7的PA总线型温度变送器变送成PA总线信号接至S7157型DP/PA coupler耦合卡，再经过S7153型ET200M/Link链路卡送至S7313CPU卡的X2通讯口。3上位计算机S7313CPU卡的X1（MPI）通讯口的二芯屏蔽电缆经过S75611通讯卡接至上位计算机，用“组态王”软件将S7通讯来的I/O信号和PID数据等显示在人机对话的工艺流程图上。4.4.3实验原理1灵敏板温度测试系统的方块图图4-4 灵敏板温度测试参数的方块图 2何为灵敏板温度精镏塔最直接的质量指标是产品乙醇的浓度。由于在线检测技术的困难，难以直接按产品浓度进行控制。虽然目前已有工业色谱仪的在线检测，逐渐出现按产品浓度来控制精镏塔。但这方案仍受到三方面条件的制约；一是测量过程滞后很大，反应缓慢；二是分析仪器的可靠性较差；三是该仪器价格昂贵。精镏塔最常用的间接质量指标是塔板温度。因为对于我们的二元组分（乙醇和水）的精镏塔而言，在压力恒定条件下，塔板温度与产品浓度存在着单值的函数关系。当塔的回流量发生变化时（它就是TC-8灵敏板温度控制系统的操纵变量）