基于PLC和OPC在氨合成塔温度控制系统设计毕业论文.doc

基于PLC和OPC在氨合成塔温度控制系统设计毕业论文目录摘要3第1章 引言51.1 工业过程控制概述51.2 氨合成塔温度控制概述61.3 课题来源及主要任务8第2章 各种控制策略的介绍92.1 反馈控制92.2 前馈控制142.3 串级控制系统18第3章 合成氨工艺的介绍203.1 氨合成生产的流程203.2 氨合成塔223.3 氨合成工艺条件选择263.4 催化剂的还原、钝化和再升温303.5 催化剂的卸出323.6 系统概述33第4章 控制策略的选择354.1 氨合成塔控制系统分析354.1.1 控制方案的选取354.1.2 被控对象的数学模型36第5章 PLC的设计和仿真385.1 控制系统385.2 设计PLC程序385.2.1 简要介绍运行程序385.2.2 程序的编写39第6章 WinCC的仿真526.1 创建新项目526.2 组态变量536.3 创建过程画面556.4 组态画面对象566.5运行组态项目62第7章 结论与展望637.1 全文总结637.2 展望63参考文献65致谢66外文文献翻译67基于PLC和OPC在氨合成塔温度控制系统设计摘要 氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位; 同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分约占70 %的比例，称之为“化肥氨”；同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料，这部分约占30 %的比例,称之为“工业氨”。我国合成氨装置以中小规模居多,年产30万吨以上的大型合成氨装置很少；合成氨系统自动化程度低,尤其是关键的氨合成塔温度控制绝大多数是人工操作,工人劳动强度大且温度控制效果不好.因此氨合成系统先进控制技术的研究与应用已成为合成氨工业的迫切要求,对我国合成氨生产企业在现有条件下挖潜增效,提高经济效益和竞争力具有重要意义。本文分析了氨合成工艺和氨合成塔床层温度控制的特点, 通过对不同位置的温度响应分析比较、对控制点位置的选择提供了基础。为了满足在线控制的需要提出简化控制模型结构，本文采用一阶加纯滞后模型结构。该模型通过实验进行验证，结果是令人满意的。PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、搞干扰能力强等到一系列优点，在工业生产过程自动控制领域得到了广泛应用。本文就基于PLC完成对氨合成塔温度的控制。关键词：氨，氨合成系统，氨合成塔， PLCABSTRACTAmmonia is the most important one of basic chemical products and the production of chemical products is in the first place; At the same time it is also a large family of energy consumption and the world about 10% of the energy used in the production of synthetic ammonia.Ammonia is mainly used for agriculture and ammonia nitrogen is the foundation of industrial.Other nitrogen fertilizer are is first synthetic ammonia, then processed into urea ammonium salt or kinds of fertilizer, this part of the proportion of about 70%, which is called chemical fertilizer ammonia.Ammonia is also important inorganic chemistry and organic chemical industrial base material,which used in the production of ammonium, amine, dye, explosives, pharmacy, synthetic fiber, synthetic resin of raw materials, which account for about 30% of the proportion, called industrial ammonia.Most of synthetic ammonia plants in China are small and medium -sized. Annual output of 30 tons or more of the large- scale ammonia plant is very few. Ammonia system is very low degree of automation. Especially critical vast majority of ammonia is a manual temperature control. Especially critical vast majority of ammonia is manual temperature control. Labor intensity is great and effect of temperature control is not good. Therefore, advanced control technology Ammonia Synthesis System Research and Application Has become an urgent requirement for ammonia industry. It has great significance to Ammonia production enterprises in China under the condition of tapping the potential synergies in the existing and Enhance economic efficiency and competitiveness. Ammonia synthesis and the three casing type ammonia synthesis tower of bed temperature control for quench ammonia synthetic tic tower are analyzed. Based on the different positions of temperature response analysis comparison, control provides the basis for the positions. In order to meet the needs of on-line control this simplified control model structure is adopted in this paper, variable parameter and first-order add pure time-delay model structure. The actual application result proves that this control system and good control quality. PLC has simple structure, convenient programming, superior performance and flexible gm, use convenient, the reliability high, make interference ability strong wait for a series of advantages, in the industrial production process to be automatic control areas to be used. This paper based on PLC of ammonia synthesis tower complete control of the temperature.Key word: Ammonia Ammonia synthetic system; ammonia; PLC 第1章 引言1.1 工业过程控制概述过程控制通常是指石油、化工、冶金、轻工、建材等工业生产过程中的自动控制，在国民经济中占有极其重要的地位。常规的过程控制系统是在了解掌握生产工艺流程及过程动态、静态特性的基础上，根据生产对控制提出的要求，应用控制理论，针对不同的生产过程进行检测、变换、显示等，配合执行器与控制阀构成的开环或闭环控制系统。由于工业对象本身所固有的惯性、时间滞后特性及其动力学特性的内部不确定性和外部环境扰动的不确定性，使很多过程控制问题复杂化，且随着工业和现代科学技术的发展，生产工艺变得日益复杂，人们对工业过程总体性能，如控制精度、响应速度、系统稳定性及适应能力的要求也不断提高。这表明，人们从系统对象所能获得的知识信息量正相对减少，而对控制性能的要求却日益高度化1。正如Zadeh教授指出的：“当一个系统复杂性增大时，人们能使它精确化的能力将降低，当达到一定的阈值时，复杂性和精确性将互相排斥”即“不相容原理”。在这种情况下，要想精确地描述复杂对象与系统的物理现象和运动状态是十分困难的，因而传统的建立在对象精确模型上的控制方法往往难以满足闭环优化控制的要求。如何以经济、有效的方式提高过程控制的质量，有着很重要的现实意义。通常来说，工业过程的复杂性及控制的困难性表现在以下几个方面：(1)过程的不确定性。在传统的控制理论中，过程控制系统的设计、调节器参数的整定都是以被控过程的数学模型为依据的，其建模的方法通常有机理建模和实验建模两种。由于人类的认识能力有限，且工业现场普遍存在着各种各样的干扰，许多过程复杂的物理和化学变化使得人们难以完全从机理上揭示其内在规律；另一方面，过程中还存在着不可预知输入，即对输出产生影响的，在重复试验中无法重复的干扰。这两种不确定性普遍存在于工业过程中，使得很多对象难以建模。(2)过程的非线性。严格地说，所有的工业过程都存在非线性，只是非线性的程度不同而己。当系统的非线性不是很严重时，可用线性系统来近似，这在工程上是可以接受的。但是对于存在严重非线性环节的系统，采用线性化的处理方法常会产生很大的偏差，甚至会得出完全相反的结论。线性系统的分析设计有着比较完善和系统的理论方法，而非线性系统的研究虽然取得了一些新成果，但非线性理论远非完善，有很多问题尚待研究2 。(3)过程的时滞特性。在大多数过程控制系统中，不同程度地存在着时间滞后的工艺过程3，包括纯滞后与容量滞后。时滞的存在给系统的稳定性带来了不利的影响，调节作用的不及时会导致调节系统的动态品质变差，甚至出现发散振荡。因而时滞对象被认为是最难控制的对象之一。从50年代末以来，在时滞控制方面先后出现了基于模型的方法(如Smith预估控制、最优控制、滑模变结构控制等)和无模型的方法两大类，然而对于时滞系统的模型不确定性和干扰的不可知性，非参数模型显得更为有效，开发与设计出各种智能控制方法或以不同的方式结合在一起，将是解决工业大时滞过程的有效途径4。(4)过程的多变量及强耦合特性。几乎在所有的工业过程中，都包含了较多的过程变量，而且这些变量之间又常以各种形式相互关联着，任何一个变量的变化往往可能引起其他的变量发生变化，使系统的控制难以达到满意的指标。目前，许多单变量控制系统所以能正常工作，是因为在某些情况下变量之间的耦合程度不高。在变量间的关联比较紧密的情况下，不能简单地将系统分为若干个单变量系统进行分析和设计，否则不但得不满意的控制效果，甚至得不到稳定的控制过程。大部分工业过程还具有一些其他的特性，如时变性、缓慢性、间歇性、过程约束的多样性以及状态的不完全性等。所以，如何在工业过程具有复杂特性的情况下，找到合理、有效的控制方式解决过程控制的难题，是非常重要的。1.2 氨合成塔温度控制概述随着工业的迅速发展，能量消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性的问题。近几年来，我国在节能方面虽然已取得很大的成绩，但能源的供应矛盾依然十分尖锐。我国的能源利用率很低，只有28左右，还不到日本的一半(日本达到57)比西欧的40也低的多。由此可见，我国在节能方面存在着很大的潜力。我国的氮肥工业自20世纪50年代以来，不断发展壮大，目前合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种生产合成氨、尿素的技术，形成了特有的煤、石油，天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前合成氨总生产能力为4500万t/a左右，氮肥工业已基本满足了国内需求，在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品竞争力，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。我国目前有中型合成氨装置55套，生产能力约为500万t/a；其下游产品主要是尿素和硝酸铵；其中以煤、焦油原料的装置有34套，以渣油为原料的装置有9套，以气为原料的装置有12套。目前有小型合成氨装置700多套，生产能力约为3000万t/a,其下游产品原来主要是硝酸氢铵，现有112套经过改造生产尿素。原料以煤、焦为主，其中以煤、焦为原料的占96%，以气为原料的仅占4%，我国引进大型合成氨装置的总生产能力为1000万t/a，只占我国合成氨总能力的1/4左右，因此可以说我国氮肥工业主要是依靠自力更生建设起来的。在此过程中，研究开发了许多工业技术，促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高5。我国合成氨装置以中小规模居多,年产30万吨以上的大型合成氨装置很少；合成氨系统自动化程度低,尤其是关键的氨合成塔温度控制绝大多数是人工操作,工人劳动强度大且温度控制效果不好.因此氨合成系统先进控制技术的研究与应用已成为合成氨工业的迫切要求,对我国合成氨生产企业在现有条件下挖潜增效,提高经济效益和竞争力具有重要意义。合成工段是合成氨生产中的重要环节,精制后的氮、氢混合气在高温、高压并有催化剂的条件下在合成塔中进行氨合成反应。由于受反应平衡的影响,混合气不可能全部转化为氨。采用冷冻的方法将已合成的氨分离,然后在未反应的混合气中补充一定量的新鲜气进行循环,继续反应。控制合成塔触媒热点温度是确保氨合成反应高产低耗、安全生产的关键。合成工段是合成氨生产中的重要环节,精制后的氮、氢混合气在高温、高压并有催化剂的条件下在合成塔中进行氨合成反应。由于受反应平衡的影响,混合气不可能全部转化为氨。采用冷冻的方法将已合成的氨分离,然后在未反应的混合气中补充一定量的新鲜气进行循环,继续反应。控制合成塔触媒热点温度是确保氨合成反应高产低耗、安全生产的关键。1.3 课题来源及主要任务1. 课题来源在化工厂参观实习后，掌握了合成氨工艺流程和设备的相关知识。对我国合成氨现有生产技术有了大概了解。通过阅读大量有关文献，结合自己在大学期间所学的基本知识，基本掌握了氨合成塔温度控制系统。根据本人实际情况提出了本课题。2. 课题的主要任务氨合成塔的温度自动控制系统的基本任务是在满足生产工艺的温度要求前提下，实现原料气的最大利用、合成氨最理想产量的目的。生产过程要求合成效率高，系统稳定，能源和原料利用率高，触媒寿命要长。由于目前我国中小型合成氨厂的实际生产中还采用的是手动的人工操作，劳动强度大且温度控制效果不好，常常不可避免会引起一些事故，为解决诸如此类的问题，急需研究并应用一种有效的温度控制策略。第2章 各种控制策略的介绍2.1 反馈控制目前，最基本也是应用最广泛的控制系统是反馈控制系统，它由被控对象、测量变送环节、反馈控制器以及末端执行机构组成（见图2-1），实现对被控变量的定值或跟踪控制。图2-1单回路控制系统原理图反馈控制器的作用是将测量信号与设定值相比产生偏差信号，并按照一定的运算规律产生输出信号，用来操纵末端执行元件。下面介绍三种基本的反馈控制模式：比例控制（P）、比例积分控制(PI) 、比例积分微分控制（PID）。1. 比例控制作用比例控制器的输出与偏差成比例，其关系如式（2-1）所示。 （2-1）式中，为控制器的输入信号；为设定值和测量值之差；为控制器的增益，通常无量纲；偏置是控制器的稳态输出，反应了比例控制的工作点。比例控制器的传递函数表达式为式（2-2）所示。 （2-2）理想比例控制器的输出特性对于控制器的输出没有物理限制，而实际的控制器是具有物理限制的，当输出达到上限或者下限，控制器就饱和了。比例控制器增益调整的基本矛盾：稳定程度与控制精度的矛盾。增加能使控制精度提高，但稳定程度变差。参数的整定，就是对这两项指标在作权衡。纯比例控制器有一个缺点就是当设定值改变后总是存在一定的余差。因此在实际使用中常采用带有积分作用的控制器。不过对于那些允许余差存在的应用，纯比例控制器往往由于它的简单而得到青睐。例如，对于一些储罐的液位，只希望保持储罐中的液位不会溢出且不会干涸，因此只需要将液位控制在一定的上下限之间即可，这时采用纯比例控制器将是一个不错的选择。2. 比例积分控制作用 积分作用的输出是误差相当于时间的积分，如式（2-3）所示。 （2-3）式中，为积分时间。积分作用的一个优点就是能消除余差。如果偏差为零，则积分控制器的输出不变。偏差不为零时，偏差积分后使控制器的输出向上或向下变化。虽然积分作用能够有效消除系统余差，但积分控制器很少单独使用。因为积分作用比较慢，需要误差的积累达到一定程度才能产生较为明显的控制作用。因此通常是将积分作用和比例作用一起使用。增加了比例作用后，控制器对偏差变化的响应迅速很多。比例积分控制的算式如式（2-4）所示。 （2-4）传递函数如（2-5）所示。 （2-5）可见，比例积分作用可看成是一个积分环节和一个超前环节的组合，它的静态增益是无穷大，因而能够消除余差。同时积分作用会引起的相角滞后，从而使系统的动态性能恶化。因此为了维持原有的稳定性，控制器的增益应该降低。 由于积分作用而使信号超越“信号有效范围”的情况叫积分饱和，目前，常用的一种防积分饱和的方法是当发现控制器输出饱和时，就停止控制器的积分作用；当控制器输出不再饱和时再恢复积分作用。3. 比例积分微分（PID）控制作用微分控制作用是通过误差的变化率来预报误差信号的未来变化趋势。理想的微分控制作用如式（2-6）所示。 （2-6）式中，是微分时间。当误差是常数时，即，微分控制器的输出就等于初始值。因此微分作用不单独使用，总是与比例或比例积分作用同时使用。一个理想的PID控制器可用式(2-7)所示。 （2-7）由于理想的微分作用在物理上是不能实现的，所以一般用超前-滞后单元来产生近似的微分作用。它的传递函数如式（2-8）所示。 （2-8）式中， 通常取。微分作用通过提供超前作用使得被控过程趋于稳定，因此它常用来抵消积分作用带来的不稳定趋势，同时微分作用也能减小过渡过程时间，从而改善被控变量的动态响应。不过微分作用在高频下有较大的振幅比。如果测量值含有很大的噪声，即含有高频或随机的变化，由于微分作用会对高频噪声起到了放大作用，小的噪声也会使控制阀产生很大的动作。因此存在高频噪声的地方不宜用微分，除非先将信号进行滤波。另外对于纯滞后过程，由于在纯滞后阶段，微分作用为零，所以附加微分作用对纯滞后是不起作用的。在自动控制的发展过程中，PID调节是历史最悠久的、控制性能最强的基本调节方式。PID调节原理简单、易于整定、使用方便；PID调节可用于补偿系统使之达到大多数品质指标的要求。直到目前为止，PID调节仍然是应用最广泛的基本控制方式。在PID调节作用下，对误差信号分别进行了比例、积分、微分运算，三个作用分量之和作为控制信号输出给被控对象。PID调节器的微分方程数学模型如式（2-9）所示。 （2-9）其中：PID调节器的输出信号放大倍数积分时间常数微分时间常数设定值与测量值的偏差信号式中：,其中是系统的设定信号，是被控量的测量值。式(2-9)也常写成(2-10)的形式。 （2-10）式中：为比例增益，为积分增益，为微分增益。4. 数字PID控制由于计算机技术的发展，数字PID控制器的应用也越来越广泛，将逐渐的取代传统的模拟PID控制器。数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式（2-9）中的积分和微分不能直接使用，需要进行离散化处理。设采样周期为T，按模拟PID控制算法的算式，以一系列的采样时刻点kT代替连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，采样周期T必须足够短，上述离散过程才能保证有足够的精度。离散后的数字PID算法可表示为式（2-11）。 (2-11)为了书写方便，将简化表示为，即省去采样周期，如式（2-12）所示。 (2-12)式中：、分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数；采样周期；采样序号，k=0，1，2，；第k次采样时刻的计算机输出值；第k次采样时刻输入的偏差值；第(k一1)次采样时刻输入的偏差值。由于控制器的输出直接去控制执行机构(如阀门)，的值和执行机构的位置(如阀门开度)是一一对应的，所以通常式(2-11)或(2-12)称为位置式PID控制算法。这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对进行累加，计算机运算的工作量大。而且，因为计算机的输出对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID算法。由(2-12)式根据递推得式（2-13）。 (2-13)用式(2-12)减去(2-13)得式（2-14）。 (2-14)上式称为增量式PID控制算法6。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期，一旦确定了，和，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由上式求出控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量对应的是本次执行机构位置(如阀门开度)的增量。对应阀门实际位置的控制量，可通过式（2-15）计算出来7。 （2-15）增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少优点：(1)由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去除。(2)手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故依然能保持原值。(3)算式中不需要累加，控制增量的确定仅与最近三次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得较好的控制效果8。2.2 前馈控制 1. 前馈控制的基本原理前馈控制的基本原理就是测量进入过程的干扰量（包括外界干扰和设定值变化），并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使被控变量维持在设定值上。反馈控制的一个突出优点是本身不形成闭合回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性的矛盾。不变性原理或称扰动补偿原理是前馈控制的理论基础。“不变性”是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。进入控制系统中的扰动会通过被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离其设定值得变化。不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控变量的这种影响。对于任何一个系统，总是希望被控变量受扰动的影响越小越好。不变性的定义如式（2-16）所示。当时， （2-16）即被控变量与扰动无关。一般情况下存在着以下几种类型的不变性。 绝对不变性 所谓绝对不变性是指在扰动的作用下被控变量在整个过渡过程中始终保持不变，即控制过程的动态和静态偏差均为零。误差不变性 误差不变性又称不变性，是指在扰动的作用下，被控变量的波动小于一个很小的值，如式（2-17）所示。 （2-17）误差不变性在工程上具有现实意义。对于大量工程上应用的前馈或前馈-反馈控制系统，由于实际补偿的模型与理想的补偿模型之间存在误差，以及测量变送装置精度的限制，有时难以实现绝对不变性控制。因此，总是按照工艺上的要求提出一个允许的偏差值，依次进行误差不变性系统的设计。这种误差不变性系统由于满足工程领域的实际要求，获得了迅速的发展和广泛的应用。稳态不变性 稳态不变性是指系统在稳态工况下被控变量与扰动无关。即系统在扰动的作用下，稳态时被控变量的偏差为零，静态前馈系统就是属于这种稳态不变性系统，工程上常将不变性与稳态不变性结合起来应用，这样构成的系统既能消除静态偏差，又能满足工艺上对动态偏差的要求。选择不变性 被控变量往往受到若干个干扰的影响，若系统对其中几个主要的干扰实现不变性补偿，就称为选择不变性。基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统，它实际上是根据不变性原理对干扰进行补偿的一种开环控制系统。2. 前馈控制系统的特点前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时 前馈控制是针对干扰作用进行控制的，当干扰一出现，前馈控制器就根据检测到的干扰，按一定控制规律进行控制。从理论上说，当干扰发生后，被控变量还未发生变化，前馈控制器就产生了控制作用把偏差彻底消除。因此前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时的多，这也是前馈控制的一个主要优点。前馈控制属于开环控制系统 反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制属于开环控制系统。前馈控制器根据干扰产生的控制作用对被控变量进行影响，而被控变量并不会反过来影响前馈控制器的输入信号（扰动量）。从一定意义上来说前馈控制系统是开环控制系统这一点是前馈控制的不足之处，由于前馈控制不存在闭环，因此前馈控制的效果无法通过反馈加以检验。因此采用前馈控制时，对被控对象的了解必须比采用反馈控制时清楚的多，才能得到比较合适的前馈控制系统。前馈控制采用的是由对象特性确定的“专用”控制器 一般的反馈控制系统均采用通用的PID控制器，而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的。一种前馈只能补偿一种干扰。在理论上，前馈控制可以实现被控变量的不变性，但在工程实践中，由于下列原因前馈控制系统仍然会存在偏差。 实际的工业对象会存在多个扰动，若都设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅选择几个主要干扰加前馈控制。这样设计的前馈控制器对于其它干扰是丝毫没有校正作用的。受前馈控制模型精度的限制。用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节或纯微分环节时，在物理上是不能实现的。因此构建的前馈控制器只能是近似的，如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节。3. 前馈控制应用的场合 实现前馈控制的前提是干扰可以测量的。下列几种情况采用前馈控制比较有利。(1)系统中存在幅度大，频率高且可测的干扰，该干扰对被控参数影响显著，反馈控制难以克服，而工艺上对被控参数又要求十分严格，这时可引入前馈控制来改善系统的质量。(2)当主要干扰无法用串级控制系统使其包围在副回路时，采用前馈控制将会比串级控制获得更好的效果。(3)当对象干扰通道和控制通道的时间常数相差不大时，引入前馈控制可以很好地改善控制质量。当干扰通道的时间常数比控制通道的时间常数大的多时，反馈控制可获得良好的控制效果，无需再加前馈控制。这时只有当对控制质量要求较高时，才有必要引入前馈控制。如果干扰通道比控制通道的时间常数小得多，由于干扰对被控对象的影响十分迅速，以致即使前馈控制器的响应时间为零，也无法完全补偿干扰的影响，这时使用前馈控制效果不佳。4. 前馈反馈控制系统前馈控制系统中，不存在被控变量的反馈，即对补偿的效果没有检验的手段。因此，如果控制的结果无法消除被控变量的偏差，系统将无法做进一步的校正。为了解决前馈控制的这一局限性，在工程上往往将前馈与反馈结合起来应用，构成前馈-反馈控制系统。这样既发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动以及对被控变量进行检验的长处，是一种适合过程控制的好方法。前馈-反馈控制系统具有以下几个优点。(1)从前馈控制角度，由于增添了反馈控制，降低了对前馈控制模型精度的要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。(2)从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了反馈控制的负担。2.3 串级控制系统传统的反馈控制系统是在被控变量和设定值之间产生偏差之后才起作用的，前馈控制可以用来帮助克服干扰的影响。但是如果干扰不可测量或者无法获得干扰与被控变量之间的模型时，就不能采用前馈控制策略。另外一种可以克服干扰的方法就是串级控制，它通过选择第二个测量点构成第二个反馈回路来克服干扰。第二个测量点应该比被控变量更快感知到干扰的影响，这样才能在干扰对被控变量产生很大的影响之前通过第二个反馈回路迅速克服干扰的影响。一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称作“串级”控制。如图2-2所示。图2-2 单回路控制系统的框图主变量:保持其平稳是串级控制的主要目标。副变量：被控制过程中引入的中间变量。副对象:反应了副变量与操纵变量之间的通道特性。主对象:主变量与副变量之间的通道特性。主控制器:接受的是主变量的偏差，其输出用来改变副控制器的设定值。副控制器:接受的是副变量的偏差，其输出去操纵阀门。副回路：处于串级控制系统内部的，由副变量测量变送器，副控制器，控制阀，副对象组成的回路。主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出为输入，以副变量为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，称这个单回路为主回路。必须注意的是主回路并不是指将副变量测量变送环节前（后）断开后形成的单回路。两个控制器都具有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给执行器，这样组成的系统称为串级控制系统。 串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统。因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但由于串级控制系统从对象中引出了一个中间变量构成了回路，因此和单回路控制系统相比它具有自己的特点。(1) 副回路具有快速调节作用，能有效克服发生与副回路的干扰影响(2) 串级系统对副对象和控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性副回路具有较高的增益时，副回路前向通道（这里主要是指控制阀和副对象）特性的变化不大会影响副回路等效环节的特性。这也就使得串级系统对控制阀和副对象特性的变化具有鲁棒性。这里需要注意以下两点: 主回路对副对象及控制阀的特性变化具有鲁棒性，但副回路本身却并没有这种特性。副对象或控制阀特性的变化依然会较敏感地影响副回路的稳定性。 主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。 第3章 合成氨工艺的介绍3.1 氨合成生产的流程工业上采用的氨合成工艺流程，虽然各不相同，设备结构和操作条件也各有差别，但是实现氨合成过程的基本步骤则是相同的。经过精细净化除去一切毒物的氢氮混合气，由压缩机压缩至一定的压力（在采用活塞式压缩机的场合，要经过除油）后，引入合成系统。然后，气体通过最终净化，并换热升温至操作温度，送入合成塔内的催化剂层，在其中进行氨的合成反应。反应后，氢氮混合气不能全部转化成氨，必须将其中的氨进行分离，剩下的氢氮混合气由循环压缩机（以下简称循环机）补充压力后（在用活塞式循环机时，仍然应除油），与压缩机送来的新鲜气混合，再次进行合成，如此连续循环操作。在循环过程中，由于惰性气体不断积累，因此要经常进行一部分循环气的排放，以维持惰性气体含量在规定值以下。在实现上述原则流程时，又有各种具体的做法，使流程尽量完善。近年来，由于物理化学和化学工程等方面的理论发展，化工机械加工水平不断提高，催化剂新品种的涌现，特别是各国对化学肥料的大量需求，因而使得氨合成生产朝向大型化和自动化发展。对于氨合成生产流程综合考虑（诸如压缩氮氢混合气和循环气的功率消耗，压缩机的轴马力、效率和转速，以及氨合成反应速度、转化率、产品分离和热量利用等各方面的因素），普遍的趋向具有以下特点：1.合成压力在原有传统的中压流程基础上略有降低。由于当前离心式压缩机制作等原因，世界各国的大型氨厂采用的合成压力多数是150220公斤/厘米2，但是随着离心式压缩机的制造和操作水平的不断提高，合成压力还有回升至250300公斤/厘米2的可能。至于更高的压力，如350公斤/厘米2以上看来不会发展。2.由于离心式压缩机取代了老的活塞式压缩机，一方面可以使生产流程简化，省去了老流程中的滤油设备，并且从根本上排除了油污对催化剂毒害的威胁。此外，要使生产向大型化发展，必须进一步注意到流程的合理性，诸如对惰性气的放空、循环气中的氨含量等等，都要采取相应措施。因为按照传统方法，由于系统的扩大，会招致很大的经济损失。3.热量的综合利用。由于采用了蒸汽驱动的离心式压缩机，为将反应热回收利用，作为合成氨生产所需的动力来源提供了方便的条件。因此，在新的氨合成流程中，都设有反应热的回收装置。有的是直接副产蒸汽，也有的是加热高压锅炉给水。总之，在冷却反应气体的同时，将反应热都尽量加以回收利用。4.氨合成流程的操作，从分散调节到集中控制以后，又逐步向以控制计算机为中心的中央控制室（对设备或生产过程进行综合最佳控制）过渡，以实现最优的技术经济指标，寻求和维护最优工况，获得最大的产量和最低的生产成本。下面介绍比较典型的两次分离液氨产品的流程，氨在两个部位水冷器和氨冷器中回收。合成塔出口气体先冷却到一中间程度，其中大部分氨被冷凝下来，在第一氨分离器中分出，气体随即流入循环压缩机，压缩至合成所需压力，与新鲜气体混合，再进一步冷却、冷凝余下的氨，在第二氨分离器中分出，同时气体得到最终的净化，最后进入合成塔。这种流程通常用于合成压力较高的循环回路中，如压力为280340公斤/厘米2的循环回路，是传统的中压流程。我国的大中型和小型合成氨厂的氨合成流程基本属于这种。属于这类两次分离产品方案的流程，单系列容量最高的已达到1500吨/每天，在采用离心式循环压缩机的大型合成氨厂中，由于离心式循环压缩机不用油润滑，没有油污污染合成气的危险。因此，新鲜气在氨冷器之前加入系统，循环压缩机设在冷凝分离液氨并除去混合气中微量含氧杂质之后。混合气从循环机出来，经过换热后，直接进入合成塔。这种流程已在各国相继建厂并投产，它们有在合成塔后设置锅炉给水加热器以回收热能的，也有在合成塔后设置废热锅炉直接生产蒸汽的。这种流程的优点是：只需要对全部氨被分离以后的气体进行压缩，因而可以节省循环机用功。在中小型氨厂典型流程中，新鲜气与循环气均由往复式压缩机加压，设置水冷器与氨冷器两次冷却，氨合成反应热仅用于预热进塔气体。如附件中合成氨流程图所示，合成塔出口气经水冷器冷却至常温，其中部分氨被冷凝，液氨在氨分离器中分出。为了降低惰性气体含量，循环气在氨分离后部分放空，大部分循环气进循环压缩机补充压力后进虑油器，新鲜原料气也在此处补入。而后气体进冷凝塔的上部热交换器与分离液氨后的低温循环气换热降温，经氨冷器冷却到0-8，使气体中绝大部分氨冷凝下来，在氨冷凝塔的下部将气液分开。分离出液氨的低温循环气经冷凝塔上部热交换器与来自循环压缩机的气体换热，被加热到1030进氨合成塔，从而完成循环过程。该流程的特点如下：1.放空气位置设在惰性气体含量最高、氨含量较低的部位以减少氨损失和原料气消耗；2.循环压缩机位于第一、第二氨分离器之间，循环气温度较低有利于压缩作业；3.新鲜气在滤油器中补入，在第二次氨分离时可以进一步达到净化目的，可除去油污以及带入的微量co2和水分。3.2 氨合成塔氨合成塔是合成氨装置的关键设备之一。氨合成塔包括包括两个主要部分：高压外筒和内件。氨合成塔内件是氨合成反应的主要场所。内件结构对塔的生产影响很大，从工艺角度看，对合成塔内件结构一般应具备以下条件：(1)单塔生产能力高。即内件中填充催化剂既多，而且又能充分发挥其活性效能，同时尽量延长其使用寿命。(2)操作上便于调剂控制。当工艺操作条件在较大幅度内波动时，也始终能维持稳定的适宜条件。(3)具有高的单塔生产能力的同时，整个系统也能在高效率下运转（系统阻力低，冷冻，分离和循环用功较少等）。(4)较好的回收利用反应热，作为系统的能源。为了保证上述工艺条件的实现，当然在机械结构上必须做到坚固，可靠，便于运输，拆卸和检修等等。下面介绍几种典型的合成塔内件结构。1. 内部换热式内件结构这种结构一般仅有一个连续的催化剂床层，在床层中设置连续的换热装置，也有少数是反过来将催化剂置于换热管中的，通过换热管内及床层内冷热气流的间接换热，以调节催化剂床层的温度。这种内件结构的特点，是床层内的轴向温度分布是连续递降的，并且不可避免地存在径向温度分布。根据催化剂床层和换热管内气流方向间相对关系的不同，此种结构通常又可分为逆流式及并流式两种：逆流式的以逆流单管型为代表；并流式的原来都是以双套管型为典型，但是从温度发布及传热结构来看，实际上双套管型是属于此两种结构的混合，而后来发展的三套管及并流单管型才纯属于并流式。双套管式氨合成塔结构图如图3-1所示。图3-1并流双套管式氨合成塔双套管内件结构的气体流程是：气体主流从合成塔顶进口管入塔，在环隙中沿塔壁流下至塔底，反向而上经下部换热器壳程，然后到分气盒分别进入各内冷管，到顶部折至外冷管，气体被逐渐预热至反应起始温度，流入中心管（内设开工电加热器），向上到顶部，折入催化剂层，气体在催化剂层中从上向下，进行合成反应，出催化剂筐，至下部热交换器管程，降低温度后出塔。另外，尚有小部分气体，从冷气旁路管送入合成塔，下经下部热交换器，直接与进冷管的，已经部分预热的气体混合，以控制催化剂床层温度。2. 间断换热式内件结构这种形式的内件结构通常都将催化剂床层分成约36层，借催化剂各层间的换热调节催化剂床层的温度。多层式结构能灵活控制各催化剂层的温度，并使床层内的温度分布接近于最适宜温度曲线。由于间层换热方式的不同，这种结构的内件又可分为直接式与间接式两种。下面重点介绍多层式冷激塔的结构。(1)多层冷激式 多层冷激式合成塔的结构如图3-2所示。合成塔的筒体分成两段，上小下大，由法兰连接。床外热交换器装在催化剂筐的上部，其管束长度受催化剂筐的限制较小。热交换器的上管箱通过连接管和顶部出口相连，下箱管则和中心管相连。控制反应气体温度用的冷激气由顶部球形封头上的接管进入，经直管到环形管，再从环形管的孔眼中喷出。环形管装在一，二，三段床层支撑板下面的反应空间内，为保证反应气体和冷激气均匀混合，在环形管旁边装设挡板，两者紧密贴近，挡板最好呈倒立的截锥形，其底边和冷激气的喷出方向相垂直。挡板有中心孔，供反应气体通过。由于中心孔较小，从而迫使冷热气体紧密接触，有利于达到均匀混合。中心孔底下有分布板，其作用是使通过中心孔的气体沿整个催化剂床层截面重新分布。由于各段床层的卸料管装满了催化剂，气体通过卸料管的压力降比通过反应空间的压力降大的多，因而绝大部分反应气体经中心孔