基于JX-300XP的板式精馏塔DCS控制系统的设计.doc

第 I 页 共 I 页 目 次 1 引言 1 1 1 课题背景及依据 1 1 2 板式精馏塔的控制系统国内外的现状 2 1 3 板式精馏塔的简述 2 1 4 DCS 系统的简述 3 1 5 本课题主要研究的内容 5 2 系统理论的分析及控制方案的确定 6 2 1 板式精馏塔控制系统研究的对象及要求 6 2 2 板式精馏塔控制方案的比较与确定 14 2 3 板式精馏塔控制系统的组成及其工作原理 16 3 板式精馏塔控制系统的硬件设计 19 3 1 精馏塔的监控测试点的确定 19 3 2 精馏塔控制系统的 DCS 硬件设计 20 3 3 系统硬件的安装 23 4 精馏塔控制系统的软件设计 24 4 1 控制系统在 DCS 中的实现 25 4 2 精馏塔的组态设计 26 5 系统组态与实时监控的连接与调试 37 5 1 系统组态与实时监控的连接 37 5 2 系统调试 37 5 3 其它控制量的控制趋势图 40 结 论 42 致 谢 43 参 考 文 献 44 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 1 页 共 45 页 1 1 引言引言 精馏是炼油 化工 轻工 等生产部门中应用极为广泛的传质分离过程 其目的是将混合液中各组成分离开 成为具有一定纯度的产品或半产品 例如 炼油厂通过精溜将石油分离成为汽油 煤油 柴油等产品 酒精生产厂用精馏 塔将杂质除去 得到一定纯度的酒精 精馏过程的实质 是利用混合物中的不 同发挥度 即同一温度下 这种性质的不同压力的蒸汽 使液相转移到气相 汽相重组转移到液体中 从而达到分离的目的 随着石油化工的迅速发展 精馏操作的应用越来越广 分离物料的组分越 来越多 分离的产品纯度要求越来越高 对精馏过程的控制也提出了越来越高 的要求 也越来越被人们所重视 精馏过程通过精馏塔 再沸器 冷凝器等设备完成 再沸器为混合物液相 中轻组分的转移提供能量 冷凝器将塔顶来的上升蒸气冷凝为液相 并提供精 馏所需回流 精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备 一般为圆柱型体 内 部装有提供汽液分离的塔板或填料 塔身设有混合物进料口和产品出料口 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 例如 非线性 时变 关联 控制 方案多样 例如 同一被控变量可以采用不同的控制方案 控制方案的适应面 广等 因此 熟悉工艺过程和内在特性 对控制系统的设计十分重要 1 11 1 课题课题背景及依据背景及依据 乙醇 水是工业上最常见的溶剂 也是非常重要的化工原料之一 是无色 无毒 无致癌性 无污染和腐蚀性小的液体混合物 因其良好的理化性能 而 被广泛的应用于化工 日化 医药等行业 近些年来 由于燃料价格的上涨 乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势已在很多地方的公交车和出租车中使用 了 长期以来 乙醇多以蒸馏法产生 但是由于乙醇 水体系有共沸现象 普 通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好 但是由于常用的多为其水溶液 因此 研究和改进乙醇 水体系的精馏设备是非常重要的 塔设备是最常用的精馏装置 无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 2 页 共 45 页 中得到了广泛的应用 但是在本设计中对填料塔和板式塔经行比较后 确认板 式塔在本设计的应用中比填料塔好 因此 本设计采用板式精馏塔的控制系统 1 21 2 板式精馏塔的控制系统国内外的现状板式精馏塔的控制系统国内外的现状 板式精馏塔控制系统的设计主要运用了 DCS 控制系统 DCS 分布式集散控 制系统 的应用日益普遍的原因之一是 DCS 系统实现了数字和模拟输入 输出 模块 智能信号装置和过程调节装置与 PC 之间的数据传输 把 I O 通道分散到 实际需要的现场设备附近 使安装和布线的费用减少到最小 从而使成本费用 大大的节省 其原因之二是 DCS 具有 开放 的通信接口 允许用户选用不 同制造商生产的分散 I O 装置和现场设备 11 DCS 最早是 1975 年出现的 30 年来 随着市场用户需求的不断提高 电子 计算机软件 硬件 网络技术和人因工程的发展 各 DCS 厂家激烈的竞争和兼 并及技术的融合 促使 DCS 技术平台的水平不断提高 我们可以吧 Honeywell 等公司在 20 世纪 70 年代推出的先期系统作为第一代 DCS 各公司在 20 世纪 80 年代中期推出的系统 如 Honeywell 推出的 TDC 3000 西屋公司的 WDPF 系统 横河公司的 CENTUM XL 等称为第二代 DCS 自从 FOXBORO 公司推出 I A Series 以后 各公司积极地研发并推进开放技术 开始扩展 DCS 的信息管理功能 我 们可以把 20 世纪 90 年代初期与中期推出的各 DCS 称为第三代 DCS 20 世纪 90 年代末至 21 世纪初 几大 DCS 厂家进一步提升了系统的功能范围 改变了系统 开发的方式 由原来完全自主开发变为集成开发 纷纷推出新一代的 DCS 这一 代 DCS 具有鲜明的共性 全面支持企业信息化 系统构成集成化 混合控制功 能兼容 硬件进一步分散化 智能化和低成本化 系统平台开放化 应用系统 专业化 目前国产 DCS 的技术水平已达到或接近国外厂家同类 DCS 的水平 并占据 了相当多的市场份额 北京和利时公司 Hollysys 推出 MACS Smartpro 第四 代 DCS 系统 浙大中控公司 SUPCON 推出 Webfield ECS 系统 上海新华公司 推出了 XDPF 400 系统 16 1 31 3 板式精馏塔的简述板式精馏塔的简述 精馏塔是均相混合物分离的过程的主要单元设备 精馏操作既可采用板式 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 3 页 共 45 页 塔 也可采用填料塔 板式塔为逐级接触型气 液传质设备 从 1813 年 Cellier 首次提出泡罩塔至今 板式塔出现了许多不同类型的塔板 最常用的 板式塔有泡罩塔 筛板塔和浮阀塔 筛板塔是最早出现的结构型式之一 在 1832 年以用于生产 当时 对筛板 的操作性能认识不足 由于筛板塔设计不合理导致操作性能很差 而同一时期 开发的泡罩塔则能稳定地操作 因此泡罩塔从 19 世纪中期直至 20 世纪 40 年代 始终在塔设备中占有绝对的优势地位 但是泡罩塔虽然操作稳定 却存在着不 少缺点 如造价高 压降大 液压面落差大等 20 世纪 50 年代 研究人员对 筛板塔做了大量的研究工作 取得了大量的试验数据 通过深入研究筛板的操 作性能后认为 筛板塔是操作性能良好的设备 1 41 4 DCSDCS 的概述的概述 1 4 1 DCS 系统的组成特点 分散型综合控制系统 Distributed Control System 简称 DCS 又称为 集散控制系统 它综合了计算机技术 控制技术 通信技术和显示技术 使控 制系统结构进入了一个新阶段 DCS 系统以其灵活 模块化结构 安全 可靠 危险分散 功能齐全以及对大规模系统经济性好等特点成为当代自动化控制的 主流系统 集散控制系统的基本组成都包括分散的过程控制装置 集中操作管理系统 和通信系统三部分 分散过程控制装置部分由多回路控制器 单回路控制器 多功能控制器 可编程序逻辑控制器及数据采集装置的组成 它相当于车间操作管理级和过程 控制装置级 集中操作和管理部分由操作站 管理机和外部设备如打印机 拷贝机等组 成 相当于车间操作管理级和全厂优化 调度管理级 实现人机接口 每级之间以及每级内的计算机或微处理器则由通信系统进行数据通信 数 据通信系统是 DCS 的基本和核心 实现将分散的信息综合 管理的信息分散的 功能 它的主要特点是信息的集成化 DCS PLC 和 FCS 相互融合形成混合控制 系统 开放性 低成本 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 4 页 共 45 页 网络传输介质主要有轴电缆 双纹线 光纤以及射频等 同轴电缆带宽较 高 传输距离可达几公里 同轴电缆目前主要应用在环形和总线型网络中 其 成本中等 双纹线近年来在桌面接入系统中得到了广泛的应用 尤其是在星型 网络中 光纤损耗低 传输距离远 通信容量大 而且光纤抗电磁干扰能力强 应该说 光纤是工业控制通信网络的一个重要的发展趋势 选择什么样的传输 介质往往跟网络的拓扑关系有关 例如星型结构通常选用双绞线 这取决于节 点的能力 节点之间的距离及环境因素等 环形拓扑结构可以采用任何传输介 质 取决于网络技术要求 对于总线型拓扑结构 一般采用双纹线和同轴电缆 而不选用光纤 有线方式在应用范围 组网灵活性等方面都存在着一定的不足 相反 采 用无线射频的方式则可以超越地域上的限制 大大提高系统实现上的灵活性 因此 近年来 无线 DCS 越来越受到人们的重视 11 1 4 2 JX 300XP 系统概述 浙大中控推出的全数字化的新一代集散控制系统 JX 300XP 大限度的满 足应用需求的原则 应用了最新的信号处理技术 高速网络通信技术 可靠地 软件平台和软件设计技术以及现场总线技术 采用了高性能的微处理器和成熟 的先进控制算法 全面提高了 JX 300X 的功能和性能 使其兼具了高速可靠的 数据输入 输出 运算 过程控制功能和 PLC 连锁逻辑控制功能 能适应更广 泛更复杂的应用要求 成为一个全数字化 结构灵活 功能完善的新型开放式 集散控制系统 JX 300XP DCS 由操作站 控制站 过程控制网络等组成 工程师站是为专业工程技术人员设计的 内装有相应的组态平台和系统 维护工具 通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统 具体功能 包括 系统生成 数据库结构定义 操作组态 流程图画面组态 报表程序编 制等 而使用系统的维护工具软件实现过程控制网络调试 故障诊断 信号调校等 操作站是由工业 PC 机 CRT 键盘 鼠标 打印机等组成的人机系统 是操作人员完成过程监控管理任务的环境 高性能工控机 卓越的流程图机能 多 窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示 集中操作和 集中管理 控制站直接与现场打交道的 I O 处理单元 完成整个工业过程的实时监控 功能 控制站可冗余配置 灵活 合理 在同一系统中 任何信号均可按冗余 或不冗余连接 详见卡件描述 对于系统中重要的公用部件 建议采用 100 冗 余 如主控制卡 数据转发卡和电源箱 过程控制网络实现工程师站 操作站 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 5 页 共 45 页 控制站的连接 完成信息 控制命令等传输 双重化冗余设计 使得信息传输 安全 高速 DCS 采用三层通信网络结构 如下图 1 2 所示 集散控制系统的基本组成 部分包括分散的过程过程控制装置 集中操作管理系统和通信系统三个部分 如图 1 1 所示 图 1 1 三层通信网络结构 最上层为信息管理网 采用符合 TCP IP 协议的以太网 连接了各个控制装 置的网桥以及企业内各类管理计算机 用于工厂级的信息传送和管理 是实现 全厂综合管理的信息通道 中间层为过程控制网 采用了双高速冗余工业以太 网 Scnet 作为其过程控制网络 连接操作站 工程师站与控制站等 传输各 种实时信息 底层网络为控制站内部网络 SBUS 采用主控制卡指挥式令牌网 存储转发通信协议 是控制站各卡件之间进行信息交换的通道 9 1 51 5 本课题主要研究的内容本课题主要研究的内容 本课题是针对某 8 层塔板的板式精馏塔 需对进料 乙醇和水的混合溶液 在塔顶分离出纯度达 80 以上的乙醇产品 先利用化工原理知识为精馏的工程 设计提供理论指导 再用组态软件编写组态控制程序 并在实际的精馏塔上运 行调试通过 采用合理的控制策略 力求混合物的分离纯度达到 80 以上 设 计内容包括仪表选型 DCS 硬件设计 系统工艺流程图的绘制以及上位机组态 程序设计等 后期调试阶段主要通过工程参数整定方法来确定各环节的 PID 调 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 6 页 共 45 页 节参数 仪表的选型要突出实用 可靠 先进的原则 控制系统采用浙江中控 DCS 系统 统计系统输入输出的点数 给出 DCS 需要的卡件类型和数目清单 2 2 系统理论的分析及控制方案的确定系统理论的分析及控制方案的确定 2 12 1 板式精馏塔控制系统研究的对象及要求板式精馏塔控制系统研究的对象及要求 2 1 1 研究对象 a 全塔物料的衡算 1 料液及塔顶 塔底产品的摩尔分数 原料液组成 3508 0 18 42 46 58 46 58 F x 塔顶产品组成 61 0 18 20 46 80 46 80 D x 塔底产品组成 2069 0 18 60 46 40 46 40 W x 2 平均摩尔质量 加料板 KmolKg F M 8224 273508 0 1183508 046 塔顶 KmolKgMD 08 3561 011861 046 塔底 KmolKgMW 7932 232069 0 1182069 0 46 3 物料衡算 总物料衡算 F D W 其中 F 原料液流量 D 塔顶产品流量 W 塔地产品 流量 加加加加加加加加加 加加加加 F 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 7 页 共 45 页 hKmolF 7188 0 8224 27 20 易挥发组分的衡算 WDF WxDxFx 2069 0 61 03508 0 7188 0 WD 由上以得 2566 0 2069 0 61 0 2069 0 3508 0 7188 0 WD WF xx xxF D 所以 4622 02566 0 7188 0 DFW 回收率 乙醇回收率 075 62 100 3508 07188 0 61 0 2566 0 100 F Fx D Dx D 水的回收率 55 78 100 3508 0 17188 0 2069 0 14622 0 100 1 1 F xF W xW W b 塔板数的确定 1 逐板计算法介绍 假设塔顶冷凝器为全凝器泡点回流 回流比为 2 塔釜为间接器加热 如 图 2 1 所示 因塔顶采用全凝器 故从塔顶第一块板 即最上一层塔板 上升的 蒸气进入冷凝器后被全部冷凝 塔顶馏出液及回流液组成即为第一块塔板上升 蒸气组成 即D xy 1 而离开第一块塔板的液相组成与从该板上的蒸气组成满足相平衡关系 因 此可由汽 液平衡方程求得 即 1 1 1 1 yaa y x 第二块理论塔板上升的蒸气组成与第一块塔板下降的液体组成满足精馏段 操作线方程 即 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 8 页 共 45 页 D x R x R R y 1 1 1 12 同理 与满足相平衡方程 可求出 而与满足精馏段操作线方程 可计算 出 以此类推 重复计算 直到计算到 即精馏段与提溜段操作线的交点 后 再改用相平衡方程和提溜段操作线方程计算提溜段每段塔板组成 至为止 在 计算过程中没使用一次相平衡方程表示需要一块理论板对于间接蒸汽加热的再 沸器 认为离开它的气液两相达到平衡 故再沸器相当于一块理论板 所以提 溜段所需的理论板数应为计算机中使用相平衡关系上网次数减 1 精馏塔所需 的总理论板数为 加加 NNN 2 确定精馏塔的理论塔板 根据上面的数据分析和逐板计算法的介绍可以确定精馏塔的理论板数 已 知塔顶冷凝器为全凝器泡点回流 回流比 R 为 2 在操作条件下 物系的相对 发挥度 a 为 1 7 所以精馏段操作线方程为 3 61 0 3 2 11 1 n D nn x R x x R R y 提溜段操作线方程为 1242 04137 1 11 1 m W mm x DR Wx x DR qFRD y 相平衡方程方程为 y y yaa y x 7 07 11 利用操作线方程 提溜段操作线方程和相平衡方程 可自上而下逐板计算 所需理论板数 因塔顶为全凝器 则 61 0 1 D xy 由相平衡方程求得第一块板下降液体组成为 4792 0 61 0 7 07 1 61 0 7 07 1 1 1 1 y y x 利用精馏段操作线计算第二块板上升蒸汽组成为 5228 0 3 61 0 4792 0 3 2 3 61 0 3 2 12 xy 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 9 页 共 45 页 交替使用精馏段操作线方程提溜段操作线方程 和相平衡方程直到 然后改用提溜段操作线方程 直到为止 计算结果见表Fn xx Wn xx 2 1 表 2 1 各层塔板上的气液组成 板号 12345 y0 610 52880 46450 35220 1535 x0 4790 39180 337 xF0 24230 0964 xW 精馏塔内理论塔板数为 5 1 4 块 其中精馏段 2 块 第 3 块为进料板 3 实际塔板数 已知全塔效率 ET 0 52 所以实际板数 NP NT ET 4 0 52 8 实际塔板数为 8 层 其中精馏段为 2 提馏段为 2 层 此设计研究的对象时板式精馏塔的控制系统 由于对精馏塔的控制要求 较高所以设计每个控制环节时要全方面的考虑 如图 2 1 所示 是八层板式精 馏塔的结构图 TT 21 冷却水进 TT 22 LT 53 LT 52 TT 31 TT 32 LT 51 调压加 热模块 冷却水出 P101P103 C101 C102 C103 C104 E101 E102 FT 12 P104 P102 C105 V1 图 2 1 八层板式精馏塔的结构图 机械设备 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 10 页 共 45 页 精馏塔主体 C101 原料预热盘管式换热器 E101 塔顶盘管式冷凝器 E102 与回流罐 C102 塔顶产品罐 C105 与塔底产品罐 C104 原料罐 C103 动力设备 电加热器 塔顶产品计量泵 P102 塔顶回流计量泵 P104 进料计量泵 P105 进料初始进料泵 P101 塔底残液出料泵 P103 检测仪表 Pt100 热电阻温度传感器 塔底液位与回流罐液位传感变送器 进料 塔顶产品与回流计量泵 冷却水涡轮流量计 FT12 执行机构 用于调节冷却水量的比例调节阀 V1 用于自动启停塔底残液出料泵的开关继电器 用于调节塔底加热功率的单相可控硅调压装置 用于调节进料 塔顶产品与回流量的进口计量泵 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 11 页 共 45 页 则精馏塔的配置和硬件清单如表 2 2 所示 表 2 2 精馏塔的配置和硬件清单 配置 序 号 型号及名称 单 位 数量功能材质产地 1 原料储罐只 1 用于实验原料存储 采用镜面不 锈钢材质 浙江中控 2 精馏塔只 1 用于实验水和酒精的分离实验 采用镜面不锈钢材质 浙江中控 3 水泵只 1 1 输送原料液至精馏塔塔釜 2 输送残液至精馏塔废料罐 浙江中控 4 计量泵只 4 1 用于精确计量回流的产品流 量 2 用于精确计量产品的流量 3 用于精确计量进料的流量 4 塔底残液出料流量显示 FI12 浙江中控 5 不锈钢管道只若干 6 不锈钢阀门只若干 7 对象框架个 1 提供实验 设备布置 浙江中控 8 对象电气柜个 1 提供设 备用电 浙江中控 9 铂热电阻只 10 检测精馏塔塔节温度 检测精馏塔塔釜温度 检测精馏塔进料温度 检测精馏塔产品出料温度 浙江中控 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 12 页 共 45 页 10 差压变送器只 1 测量塔釜液位浙江中控 11 压力变送器只 2 测量塔顶和塔釜压力浙江中控 12 涡轮流量计只 1 塔顶冷却水流量检测浙江中控 13 比例阀只 1 塔顶冷却水流量调节浙江中控 控制系统硬件配置 1SP202 系统机柜 1 含威图温度 控制器 2 电源 24V 1 按照液位 压力 流量的参数和结构选择测控仪表的型号如表 2 3 所示 表 2 3 精馏塔控制的所需仪表 序号检测点名称及型号 1 原料进塔温度 TT21铂热电阻 Pt100 2 塔顶回流温度 TT22铂热电阻 Pt100 3 各塔段温度 TT31 TT37铂热电阻 Pt100 4 塔顶蒸汽温度 T40铂热电阻 Pt100 5 塔底液位传感器 LT51压力变送器 6 回流罐液位传感器 LT52压力变送器 7 进料流量显示 FI11计量泵 8 塔底残液出料流量显示 FI12计量泵 9 塔顶回流计量泵流量显示 FI13计量泵 10 塔顶产品计量泵流量显示 FI14计量泵 11冷却水涡轮流量计 FT15 涡轮流量计 2 1 2 板式精馏塔控制要求 精馏塔的控制目标是保证产品质量合格的前提下 使回收率最高 能耗最 低 或使总收益最大 或总成本最小 精馏过程是在一定约束条件下进行的 因此 精馏塔的控制要求可从质量 指标产品能量和能量消耗三方面考虑 a 质量指标 精馏塔的质量指标指塔顶或 和塔底产品的纯度 通常 满足一端的产品质 量 即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度 而另一端产品的纯度维持在规定的 范围内 也可以是塔顶和塔底的产品均满足一定的纯度要求 二元精馏的混合 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 13 页 共 45 页 物中只有两种组分 因此 质量指标是塔顶产品中轻组分和塔底产品重组分的 纯度 含量 满足产品质量要求 产品纯度并非越纯越好 原因是纯度越高 对控制系统的偏离度要求越高 操作成本的提高与产品的价格并不成比例增加 纯度要求应与使用要求适应 b 产品产量 在满足产品质量指标的前提下 产品的产量也是重要的控制指标 产品收 率定义为产品产量与进料中该产品组分的量之比 即 zi F P i R 式中 P 是产品的产量 F 是进料量 是进料中该组分的含量 生产效益除产品纯度与产品收率间关系外 还须考虑能量消耗因素 产品 产量越多 所需能量也越大 产品产量与物料平衡有关 即应满足下列物料平衡关系 总物料平衡 F D B 轻组分物料平衡 B Bx D Dx zF F 式中 F 是进料量 D 是塔顶馏出液量 B 是塔底釜液采出量 是进料中轻组 分含量 和是塔顶和塔底馏出液中轻组分含量 式是二元精馏时轻组分物料平 衡式 因此 产品产量应满足物料平衡约束 c 能量平衡和经济性指标 精馏过程是能耗大户 再沸器需要加热量 冷凝器需要消耗冷却量 此外 精馏塔 附属设备和管线等也有热量损耗 精馏塔中上升蒸汽量越多 轻组分 越容易从塔顶馏出 但消耗能量也越大 单位进料量能耗增加到一定数值后 如果继续增加塔内上升蒸汽量 产品产量的同时 考虑降低能量消耗 使能量 平衡 实现较好经济性 d 约束条件 精馏过程是一个复杂的传质传热过程 为满足稳定和安全操作要求 对精 馏他操作参数有一定的约束条件 为了使塔能正常工作 必须满足一些约束条 件 例如 塔内汽液两相流速既不能过高 引起液泛 又不能过低 引起塔板 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 14 页 共 45 页 效率大幅度下降 最好是操作在接近液泛泛点附近 对于用再沸器作加热装置 的精馏塔 还要求加热温差不能大到超过 临界温差 等 e 气相速度限 精馏塔上升蒸汽速度的最大限值 当上升蒸汽速度过高时 造成雾沫夹带 塔板上的液体不能向下流 下层塔板的气相组分倒流到上层塔 板 出现液泛现象 破坏正常的气液平衡关系 使精馏塔不能正常进行组分分 离 f 最小气相速度限 精馏塔上升蒸汽速度的最小限值 当上升蒸汽速度过 低时 上升蒸汽不能托起上层的液相 造成 NO 液 使板效率下降 精馏操作不 能正常进行 g 操作压力限 每个精馏塔都存在着一个最大操作压力限值 精馏塔的操 作压力过大 影响塔内的气液平衡 超过这个压力 塔的安全就没有保障 h 临界温度限 根据能量平衡关系 再沸器两侧的温度差低于临界温度限 时 再沸器的给热系数急剧下降 传热量下降 严重时不能保证精馏塔的正常 传热需要 因此 再沸器有临界温度限的约束 冷凝器冷却能力与塔压和塔顶 馏出产品组分有关 同样 冷却量也有限值 才能保证合适的回流温度 使精 馏塔能够正常操作 因此 冷凝器也有临界温度限的约束等 13 2 22 2 板式精馏塔控制方案的比较与确定板式精馏塔控制方案的比较与确定 2 2 1 精馏塔的类型的比较与确定 分离乙醇 水二元混合物 由板式塔与填料塔比较知 板式塔直径放大时 塔板效率比较稳定 且持液量较大 液气比适应范围大 因此本次精馏塔设备选 择板式塔 筛板塔是降液管塔板中结构最简单的 它与泡罩塔比较具有下列优 点 生产能力大 10 15 板效率提高 15 左右 而压降可降低 30 左右 另外 筛板塔结构简单 消耗金属少 塔板的造价可减少 40 左右 安装容易 也便 于清洗检修 因此 本设计采用筛板塔比较合适 2 2 2 控制方案的的简述与设计 a 控制方案的简述 精馏塔控制系统的控制方案中最常用的有单回路控制和串级控制两种 在 研究自动控制系统时 为了能更清楚的表示一个自动控制系统各个组成环节之 间的相互影响和信号联系 便于对控制系统分析研究 一般都用方块图来表示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 15 页 共 45 页 控制系统的组成 在自动控制系统中用 y 表示被控变量 即对象的输出 引起 被控变量波动的外来因素称为干扰作用 用 f 表示 如果用一方块表示控制阀 那么 出料流量即为控制阀方块的输出信号 出料流量信号 q 在方块图中把控 制阀和对象连接在一起 测量元件及边上变送器的输入信号 z 进入比较机构 与工艺上希望保持的被控变量数值 即给定值 x 进行比较 得出偏差信号 e 为了能更清楚的说明其比较作用 在图中把它单独画出来 用同一种形式的方 块图可以代表不同的控制系统 所以 为了便于分析 用方块图来表示控制方 案中的单回路控制 串级控制等常规控制方案 控制器控制阀对象 操纵变量 测量元件变送器 xyp q z 图 2 2 单回路控制系统方块图 主控制器副控制器执行器副对象主对象 副测量变送 主控制器变量 图 2 3 串级控制系统方块图 b 板式精馏塔控制设计 精馏塔自动控制的主要目的是使塔顶和塔底的产品满足质量要求 这方面 的要求不高 以及扰动不多的时候 由前面静态特性可知 只要固定 D F B F 和 V F 或回流比 完全按物料及能量平衡关系进行控制已能达到目的 下面来 对本设计选定的精馏塔来全方位的设计 1 进料流量的自动控制 将进料初始加料泵 P101 切换成进料计量泵 P105 以远程方式实现进料量 FT11 的定值控制 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 16 页 共 45 页 2 冷却水量的自动控制 以电动调节阀 V1 与冷却水涡轮流量计 FT12 组 成流量单回路控制系统 以实现冷却水量 FT12 的定值控制 3 塔顶蒸汽回流温度的串级控制 以冷却水量单回路控制为内回路 通 过自动调节冷却水量 FT12 的设定值 以最终控制回流液的回流温度 TT22 4 C101 塔底液位的区间控制 以开关方式控制磁力泵 P103 的启停 以使 塔底液位在一定范围内变化 另外 当塔底液位过低时 通过减少塔底加热量 甚至切断加热器的电源 以确保精馏塔操作的安全性 5 回流罐 C102 液位的均匀控制 通过调节塔顶回流计量泵 P104 的转速 以控制塔顶回流量 进而实现回流罐 C102 液位 LT52 的均匀控制 这里 均 匀控制 是指在控制回流罐 C102 液位的同时 也要求塔顶回流量变化平缓 6 塔顶产品出料量与回流量的比值控制 以远程方式自动调节塔顶产品 出料计量泵的抽出量 以保持塔顶产品出料量与回流量的比值保持不变 7 精馏段灵敏温度的串级控制 以塔顶产品出料量与回流量的比值控制 为内回路 当精馏段灵敏温度与设定温度相比偏高时 减少塔顶产品出料计量 泵 P102 的抽出量 由此导致回流罐液位上升 再由回流罐 C102 液位控制系统 改变塔顶回流量 最终使精馏段灵敏温度下降 反之也然 8 提馏段灵敏温度的单回路控制 当提馏段灵敏温度与设定温度相比偏 高时 通过调压模块减少塔底加热量 以使提馏段灵敏温度下降 而当提馏段 灵敏温度偏低时 通过调压模块增大塔底加热量 以达到提高提馏段灵敏温度 的目的 9 精馏塔的控制目标 除保证操作平稳以外 通常还需要控制塔顶与 或 塔底产品的纯度或质量 对于上述实验系统 假设介质体系为水 酒精 则塔顶 产品的纯度即为塔顶产品的酒精含量 假设实验系统的操作压力为常压 且基 本不变 则塔顶产品的酒精含量与精馏段灵敏温度 位置待定 或塔顶温度 TT31 基本对应 同理 塔底产品的酒精含量与提馏段灵敏温度 位置待定 或 塔底温度 TT32 基本对应 因此 精馏塔的控制目标可转化为精馏段与提馏段 灵敏温度的控制问题 2 32 3 板式精馏塔控制系统的组成及其工作原理板式精馏塔控制系统的组成及其工作原理 2 3 1 板式精馏塔控制系统的组成 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 17 页 共 45 页 板式精馏塔控制系统主要由精馏塔装置 测量仪表装置 DCS 控制柜 和 计算机组成的 该系统可以分为执行机构 信号检测机构和控制机构三大部分 具体为 a 执行机构 执行机构是由精馏塔装置组成的 它是按照控制机构给予的信号 经行操作整个板式精馏的过程 b 信号检测机构 在控制过程中信号检测机构是由测量仪表装置组成的 在板 式精馏中主要检测的是流量 压力 液位 温度等 c 控制机构 在板式精馏塔控制系统中 控制机构则是由 DCS PC 机组成 它 是把 PC 机上所设置的信号通过以太网的传送到 DCS 控制系统中来执行精馏塔的 工作 2 3 2 板式精馏塔控制系统的工作原理 当原料 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 3 3 板式精馏塔控制的扰动分析 在精馏塔的操作中有各种扰动因素 比如影响物料平衡的因素 影响热量 平衡的因素等 同时 物料平衡和热量平衡之间又是相互影响的 在各种扰动因素中 有些是可控的 有些则是不可控的 现作如下分析 a 进料流量 F 在很多情况下是不可控制的 它的变化通常难以完全避免 如在本设计中精馏塔位于整个工艺生产过程的起点 要使流量 F 恒定 并无困 难 可采用定值控制 b 进料成分 ZF 一般是不可控的 它的变化也是难以避免的 它由上一工序 或原料情况所确定 c 精料温度 或热焓 一般是不可控的 进料温度在有些情况下本来就比 较恒定 比如在将上一塔的釜液送往下一塔继续精馏时 在其余情况下 可先 将进料预热 并对进料温度进行定值控制 进料通常是液态 也可以是气态 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 18 页 共 45 页 有时也会遇到气液混合物的情况 此时气 液两相的比例宜恒定 也就是说 进料的热焓要恒定 d 蒸气压力的变动可以通过总管压力控制的方法消除 也可以在串级控制 系统的副回路中 如采用对蒸气流量的串级控制系统 予以克服 e 冷却水的压力波动也可以用类似方式解决 f 冷却水温度的变化通常比较和缓 主要受季节的影响 g 坏境温度的变化一般影响较小 但是也有特殊情况 近年来 直接用大 气冷却的冷凝器使用已较多一遇气候突变 特别是暴风雨 对回流液温度有很 大影响 为此可采用内回流控制 从上分析中可以看到 精馏操作中被控变量多 可以选用的操纵变量也多 又可有各种不同的组合 所以精馏塔的控制方案颇多 同时 各精馏塔的工艺 和结构特点 又是千差万别的 因此我们在设计精馏塔控制方案时 更需深入 分析工艺特点 了解精馏塔特性 以设计出比较完善 合理的控制方案 2 4 板式精馏塔控制系统的安全性问题 2 4 1 满足工艺和操作要求 设计出的流程和设备 首先必须保证产品达到任务规定的要求 而且质量 要求较高 这就要求流量和压力稳定 入塔的温度和状态稳定从而需要采取相 应的措施 板式精馏塔的操作要点主要是注意各塔板温度 控制塔顶 塔釜温度在范 温度围内 另外重要的一点 不要轻易去动回流量 当塔的平衡建立后 不要 轻易调节回流量 尽量通过微调节塔釜蒸汽的流量来达到调节的目的 2 4 2 满足经济上的要求 要节省电能和热能的消耗 减少设备及基建费用 如前所述蒸馏中如能适 当地利用塔顶 塔底的废热 就能节约很多的生蒸汽和冷却水 也能减少很多 电能的消耗 又如冷却水出口温度的高低 一方面影响到冷却水用量 另一方 面也影响到所需传热面积的大小 即对操作费和设备费都有影响 同样 回流 比的大小对操作费和设备费也有很大的影响 2 4 3 保证生产安全 酒精属易燃物料 不能让其蒸汽弥漫车间 也不能使用容易发生火花的设 备 塔是指在常压下的操作 塔内压力过大或塔聚凝而产生真空 都会使塔受 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 19 页 共 45 页 到破坏 因而需要安全装置 3 3 板式精馏塔控制系统的硬件设计板式精馏塔控制系统的硬件设计 3 13 1 精馏塔的监控测试点的确定精馏塔的监控测试点的确定 1 按照板式精馏塔的工艺监控要求 统计其监测点 控制点 采用 JX 300XP 设计精馏塔的集散控制系统 板式精馏塔的工艺结构图如图 3 1 所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 20 页 共 45 页 1 2 3 4 5 6 7 8 FI 2 TE 4 TE 3 TE 6 TE 5 TE 7 TE 9 TE 8 TE 10 LT 2 FE 5 TE 11 C104 残液罐 C105 产品罐 C103 原料罐 C102 塔釜 P102 残液泵 P101 进料泵V4 进料泵阀 V3 原料罐排空阀 PT 1 LT 1 TE 2 TT 10 TT 9 TT 8 TT 7 TT 6 TT 5 TT 4 TT 3 TT 2 V6 预热器 排空阀 V10 塔釜排空阀 E101 预热器 E102 冷凝器 V8 塔釜加料阀 V20 残液罐排空阀 V16 产品罐排空阀 FI 1 V15 产品 罐排 气阀 V19 残液 罐排 气阀 V11 冷凝器排气阀 V13 冷凝器排空阀 V7 进料调节阀 V5 进料回流阀 V18 残液回收阀 V14 产品回收阀 V17 残液调节阀 V1 原料罐 加料阀 V2 产品罐排气阀 TE 1 TT 1 P104 产品计量泵 P103 回流计量泵 V12 冷凝水调节阀 FIT 5 FI 3 FI 4 TT 11 V9 残液泵阀 图 3 1 板式精馏塔的工艺结构图 2 板式精馏塔的监控点 测试点的统计如表 3 1 所示 表 3 1 板式精馏塔的监控测试点的统计 序号监控测试点 1 塔釜温度 2 节塔一温度 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 21 页 共 45 页 3 节塔二温度 4 节塔三温度 5 节塔四温度 6 节塔五温度 7 节塔六温度 8 节塔七温度 9 节塔顶温度 10 进料温度 11 回流稳度 12 塔釜液位 13 塔釜压力 14 回流槽液位 15 冷却水流量 16 回流泵计量泵控制 17 产品计量泵控制 18 进料计量泵控制 19 加热控制 20 冷却水控制 3 23 2 精馏塔控制系统的精馏塔控制系统的 DCSDCS 硬件设计硬件设计 板式精馏塔的硬件系统的设计应根据板式精馏塔的检测和控制要求 可设 计出一个控制站 一个工程师站 多个操作员站 以及多个类型的输入输出卡 件 分别有过程控制网络 SCnet II 和控制站内部网络 SUBS 连接通信 在板式 精馏塔过程控制系统中硬件的设计其核心是控制站的设计 a 控制站硬件 控制站是系统中直接与现场打交道的 I O 处理单元 完成整个工业过程的 实时监控功能 通过软件设置和硬件的不同配置可构成不同功能的控制结构 如过程控制站 逻辑控制站 数据采集站 控制站主要有机柜 机笼 供电单 元和各类卡件 包括主控制卡 数据转发卡和各种信号输入 输出 组成 其核 心是主控制卡 主控制卡通常插在过程控制站最上部机笼内 通过系统内高速 数据网络扩充各种更能 实现现场信号的输入输出 同时完成过程控制中的数 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 22 页 共 45 页 据采集 回路控制 顺序控制以及包括优化控制等各种控制算法 11 主控制 卡必须插在机笼最左端的两个槽位 在一个控制站内 主控制卡通过 SBUS 网络 可以挂接 8 个 I O 或远程 I O 单元 即 8 个机笼 主控制卡是控制站的核心 可以冗余配置 保证实时过程控制的完整性 主控制卡的高度模块化结构 用 简单的配置方法实现复杂的过程控制 每台板式精馏塔控制站的硬件清单和 I O 接口的分配如下表 3 2 和 3 3 所示 表 3 2 精馏塔控制的硬件部件及其名称清单 序号部件号部件名称 0XP243X 主控制卡 1XP221 5V 电源卡件 2XP233 数据转发卡 3XP000 保护卡 4XP313 4 20mA 电流输入卡件 5XP313 4 20mA 电流输入卡件 6XP313 4 20mA 电流输入卡件 7XP322 4 20mA 电流输出卡件 8XP322 4 20mA 电流输出卡件 表 3 3 精馏塔控制的相对应的 I O 接口 控制站 XP243X 的 I O 接口 序号名称位号作用 0 电流卡 00 TI101 塔釜温度 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 23 页 共 45 页 电流卡 00 TI102 节塔一温度 电流卡 00 TI103 节塔二温度 电流卡 00 TI104 节塔三温度 电流卡 00 TI105 节塔四温度 电流卡 00 TI106 节塔五温度 1 电流卡 01 TI107 节塔六温度 电流卡 01 TI108 节塔七温度 电流卡 01 TI109 节塔顶温度 电流卡 01 TI110 进料温度 电流卡 01 TI111 回流稳度 电流卡 01 LI101 塔釜液位 2 电流卡 02 PT101 塔釜压力 电流卡 02 LI102 回流槽液位 电流卡 02 FT102 冷却水流量 电流卡 02备用 电流卡 02备用 电流卡 02备用 3 输出卡 03 FV101 回流泵计量泵控制 输出卡 03 FV101 产品计量泵控制 输出卡 03 FV101 进料计量泵控制 输出卡 03 HV101 加热控制 4 输出卡 04 FV101 冷却水控制 输出卡 04备用 输出卡 04备用 输出卡 04备用 b 操作站硬件 DCS 操作站的硬件基本组成包括 工控 PC 机 IPC 彩色显示器 鼠标 Scnet 网卡 专用操作员键盘 操作台 打印机等 DCS 的工程师站的硬件配 置与操作站的硬件配置基本一致 无特殊要求 而他们的区别在于系统软件的 配置不同 工程师站除了安装有操作 监视等基本功能的软件外 还装有相应 的系统组态 维护等工程师站应用的工具软件 c 通信网络 DCS 的通信网络分三层 第一层网络是信息管理网 第二层网络是过程控 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 24 页 共 45 页 制网 称为 Scnet 第三层网络是控制站内部 I O 控制总线 称为 SBUS DCS 系统网络结构如下图 3 2 所示 图 3 2 DCS 系统网络结构示意图 3 33 3 系统硬件的安装系统硬件的安装 3 3 1 板式精馏塔 DCS 控制柜的安装 a 控制站安装 现场控制站的安装主要是机笼内主控制卡 数据转发卡及 I O 卡件的安装 安装卡件过程中应注意正确设置地址开关 冗余方式的选着跳线 配电选着跳 线 信号类型选着跳线 b 操作站安装 操作站可安装于平台式操作台或立式操作台中 在板式精馏塔中我们选着 立式操作台比较方便 易于安装连接 c 通信网络安装 网络安装主要分为操作站网卡安装 控制站主控制卡安装 通信网络连接 三部分 在板式精馏控制系统中操作站网卡采用以太网接口卡 控制站主控制 卡网络地址的设置完成后用双绞线将系统中各站连接至以太网接线器 构成过 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 25 页 共 45 页 程控制网 3 3 2 安装注意事项 a 卡件安装注意事项 1 各种卡件在保存运送时 应包装在防静电袋里 不可随意放置 2 插拔卡件前 须戴上接地良好的防静电手腕 或进行必要的人体放电 3 不要直接用手接触卡件上的元器件 焊点等 4 正确的设置地址开关 冗余方式选择跳线 配电选择跳线 信号类型选择跳 线等 5 在将卡件插入机笼时注意将卡件的印刷电路板插入相应的导轨中 不要歪斜 6 在将卡件插入导轨后推到底 均匀用力 将卡件的插针插入母板的欧式插座 中 然后将锁扣扣住 b 缆线连接注意事项 1 各端子连接线应采用柔性好 易弯曲的细线 刚硬缆线会增加接线难度 而 且在接线端子上施加过分力量易导致对端子的损害 2 选择正确的缆线规格 类型 3 当相邻卡件设置成冗余方式时 采用并联冗余接线即相邻的端子对应相连 4 网络连接采用 5 类或超 5 类无屏蔽双绞线或带屏蔽双绞线 5 暴露在地面的双绞线必须使用保护套管 电气干扰严重场所 双绞线必须使 用金属保护套管并可靠接地 3 3 3 板式精馏塔的实际的 I O 接口图 实际板式精馏塔的 I O 接口图如图 3 3 所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 26 页 共 45 页 图 3 3 实际 I O 接口图 4 4 精馏塔控制系统的软件设计精馏塔控制系统的软件设计 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 27 页 共 45 页 4 14 1 控制系统在控制系统在 DCSDCS 中的实现中的实现 控制系统的实现过程控制就是在 DCS 系统中 通过组态将系统软件包中的相 应功能模块按照控制系统设计中的实际仪表方案进行组合 分配 使 DCS 系统 具有针对该装置的过程监视功能 通过应用软件的组态来实现对控制系统的控 制 显示 操作 通信 维护 管理等功能 组态是用 DCS 控制系统所提供的功能模块或算法组成所需的系统结构 完 成所需功能 操作站的显示组态则是用 DCS 控制系统所提供的组态编辑软件组 成所需的各种显示画面 为了完成这些特定的功能 采用 DCS 提供的组态语言 编写有关程序也属于组态范围 DCS 系统的组态包括系统组态 画面组态和控制组态 其中 系统组态完 成系统的各设备间的连接 画面组态完成操作站的各种画面及其之间的连接 控制组态完成各种控制器 过程装置的控制结构连接 参数设置等 此外 趋势显示 历史数据压缩 数据报表打印及画面拷贝等组态常作为画面 组态或控制组态的一部分来完成 也可以分开进行 4 24 2 精馏塔的组态设计精馏塔的组态设计 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 28 页 共 45 页 板式精馏塔集散控制系统