5-8 附录八 Dynamics动态控制模拟

洛阳石化年产20万吨醋酸乙烯酯项目 Dynamics动态控制模拟 浙江工业大学Pray 6团队目录第一章 自动控制系统概述11.1.概述11.1.2自动控制系统的优点11.1.3自动控制系统的组成11.1.3化工自动化的主要内容21.2.自动控制系统设计依据31.3.自动控制系统的组成31.4 .控制系统选择41.5. 自动控制系统所用仪表及选用51.5.1化工测量仪表类型51.5.2仪表的选用6第二章 Aspen-Dynamics动态过程模拟与控制82.1概述82.1.1流程描述82.1.2隔壁塔精馏过程典型控制方案82.1.3控制器参数的工程整定102.2稳态模拟向动态模拟转入132.2.1设备定径与程序导入132.2.2控制器的安装142.3工程参数整定152.4控制系统的评估18第三章 总结与归纳21 浙江工业大学Pray 6团队 1/1第一章 自动控制系统概述1.1.概述1.1.2自动控制系统的优点化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。它是指在化工设备上配备一些自动化装置，从而代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行。相比于传统的人工操作，化工自动化有以下几个优点：（1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。（2）减轻劳动强度，改善劳动条件。（3）能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命、提高设备利用能力的目的。（4）生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。具体对于化工生产过程的自动化来说，主要包括自动检测系统、自动信号和连锁保护系统、自动操纵及自动开停车系统和自动控制系统。1.1.3自动控制系统的组成自动控制系统由自动化装置和对象组成。自动化装置一般至少应该包括三个部分，分别来进行检测、运算和命令、执行的功能。通常情况下，对于一个自动控制系统，自动化装置的三个部分分别是：（1）测量元件与变送器，它的功能是测量数据并将其转化为一种特定的、统一的输出信号。（2）自动控制器，它接受变送器送来的信号，与工艺所需要保持的信号相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号发送出去。（3）执行器，通常指控制阀，它与普通阀门的功能一样，只不过它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。在自动控制系统的组成中，除了必须具有前述的自动化装置外，还必须具有控制装置所控制的生产设备。在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。1.1.3化工自动化的主要内容（1）自动检测系统利用各种检测仪表（如热电偶、热电阻、压力传感器等）自动连续地对主要工艺参数（如温度、压力、流量、液位等）进行测量，并将测量结果用仪表（如动圈仪表、电子电位差计等）指示记录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传送给控制系统，作为自动控制的依据。（2）自动信号和联锁保护系统生产过程中，有时由于一些偶然因素的影响，导致工艺参数超出允许的变化范围而出现不正常状况时，就有引起事故的可能。为此，常对某些关键性参数设有自动信号联锁装置。当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。如工况已达到危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。（3）自动操纵及自动开停车系统自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。（4）自动控制系统生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的。特别是化工生产，大多数是连续性生产，各设备相互关联着，当其中某一设备的工艺条件发生变化时，都可能引起其他设备中某些参数的波动，偏离了正常的工艺条件，为此，就需要用一些自动控制装置，对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动地控制而回到规定的数值范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统。1.2.自动控制系统设计依据化工厂初步设计文件内容深度规定 HG/T 20688-2000管道等级号及管道材料等级表 HG 20519.381992管道仪表流程图上的物料代号和缩写词 HG 20559.51993管道仪表流程图隔热、保温、防火和隔声代号 HG 20559.61993化工自控设计规定 HG/T 20505-2014自动化仪表选型设计规定 HG/T 20507-20141.3.自动控制系统的组成图1-1 自动控制系统的组成自动控制系统由自动化装置和对象组成。自动化装置一般至少应该包括三个部分，分别来进行检测、运算和命令、执行的功能。通常情况下，对于一个自动控制系统，自动化装置的三个部分分别是：（1）测量元件与变送器，它的功能是测量数据并将其转化为一种特定的、统一的输出信号。（2）自动控制器，它接受变送器送来的信号，与工艺所需要保持的信号相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号发送出去。（3）执行器，通常指控制阀，它与普通阀门的功能一样，只不过它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度。在自动控制系统的组成中，除了必须具有前述的自动化装置外，还必须具有控制装置所控制的生产设备。在自动控制系统中，将需要控制其工艺参数的生产设备或机器叫做被控对象，简称对象。1.4 .控制系统选择为了更好地选择控制系统，先简述现有的几种控制系统如下。（1）简单控制系统简单控制系统是由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成的单回路控制系统。按被控制的工艺变量来划分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分五种控制系统。（2）复杂控制系统复杂控制系统有串级控制、均匀控制、分程控制、采用模拟计算单元的控制系统、自动选择性控制系统、前馈控制系统、非线性控制系统等。（3）直接数字控制系统（DDC）DDC可以分时地对被控对象的状态参数进行测试，并根据测试的结果与给定值得差值，按照预先制定的控制算法进行数字分析、运算后，控制量输出直接作用在调节阀等执行机构上，使各个被控参数保持在给定值上，实现对被控对象的闭环自动调节。（4）监督控制系统（SCC）由若干台DDC实现对生产过程的直接控制，再增设一台档次较高的微型计算机SCC。SCC和DDC计算机之间是通过信息进行联系的，可简单地进行数据传送。SCC计算机根据原始工艺信息和工业过程现行状态参数，按照生产过程的数学模型进行最优化的分析计算，并将其算出的最优化操作条件去重新设定DDC计算机的给定值；然后由DDC计算机去进行过程控制。当DDC计算机出现故障时，可由SCC计算机代替其功能，从而保证生产安全性。（5）集散型控制系统（DCS）DCS 是英文Distributed Control System 的缩写，本意是分布式控制系统或分散型控制系统，国内称为集散型控制系统。其设计思想是“危险分散”，用来对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。DCS 通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS 的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。DCS控制系统之所以在化工生产中有着广泛的应用，关键在于它有如下的特点：采用智能技术、采用分级递阶结构、具有丰富的功能软件包、采用局部网络通信技术、具有强大的人机接口功能、采用高可靠性技术。正因为DCS 控制系统具有上述众多优点，我们这套工艺大量采用了这种控制思想，实现了DCS 控制系统对整体生产流程的覆盖，并建立了专门的中央控制室来实现生产的自动化。也称分布式计算机控制系统，它以微处理机为核心，综合了控制、计算机、通讯三大技术，是一种组件化、积木化、数模结合的自动化技术工具。DCS采用分散控制、集中操作、综合管理的设计原则，已发展成为生产过程自动化与生产管理信息化相结合的管控一体化综合集成系统，以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视、操作和管理来达到掌管全局的目的。综上所述，本工艺的计算机控制系统采用高性价比的DCS控制系统。此外，在计算机控制系统中的计算机采用可编程序控制器PLC。最初是为适应机器制造业以顺序控制为主的各种控制任务而设计的，用以解决工业生产中大量的开关控制间题。与继电器组成的逻辑控制系统相比，PLC的最大特点在于通过重新编程即可改变控制方式和逻辑规律，使其成为灵活的控制工具、在报警、联锁、马达自动开停定时计数、安全保护事故切断、顺序操作、配料、批量控制、根据约束条件进行平况的选定和切断等逻辑控制领域得到广泛的应用。1.5. 自动控制系统所用仪表及选用1.5.1化工测量仪表类型化工测量仪表主要有有温度、压力、流量和物位测量仪表。（1）温度测量仪表温度测量仪表有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、热电偶等接触式仪表，也有光学、光电和辐射高温计之类的非接触式仪表。（2）压力测量仪表压力测量仪表有液柱式压力表、普通弹簧管式压力表、专用弹簧管式压力表（氢、氧气、氦气、乙炔等气体用）、膜片式压力表、特种压力表（耐酸、耐高温等）。（3）流量测量仪表流量测量仪表有节流式、转子式（经常使用的有玻璃转子流量计）和容积式等。（4）物位测量仪表物位测量仪表按所使用的物理原理可分为直读式物位仪表、差压式物位仪表（包括压力式）、浮力式物位仪表、电测式（电阻式，电容式与电感式）物位仪表、超声式物位仪表、核辐射式物位仪表等。（5）分析测量仪表根据工艺要求，采用不同的分析仪表对介质进行在线连续分析，如红外线气体分析仪、磁压式氧分析器、气相色谱仪、pH计、电导仪等自动在线分析仪表，气体分析仪设置在界区内防爆分析小屋内。1.5.2仪表的选用仪表是自动控制系统的重要组成部分，关系到自动控制系统的控制精度和稳定性，本项目对仪表进行选型时参照的标准如下： （1）现场仪表是采集工艺参数的主要工具，是确保自动控制系统正常运行和科学管理的重要基础保证，因此应选用符合工艺控制精度、灵敏度要求的高性能智能型仪表。（2）为降低成本，在满足生产方面的要求的前提下，优先选用节能型产品。（3）为节约人力成本，减少维护强度，应选用高稳定性、免维护或低者维护的智能仪表。 （4）现场变送器须选择带现场显示的，以方便现场检修。 （5）仪表的选择应考虑环境的适应性。特别是传感器如直接与物料、反应液接触，很容易腐蚀和结垢。因此应尽量选择非接触式的、无阻塞隔膜式、电磁式和可清洗式的传感器（如超声波、电磁式等）。 （6）尽量选用不断流拆卸式和维护周期较长的仪表，方便维护管理。 （7）在有易燃易爆物质存在的特殊场合，应严格按照有关标准，选择具有防爆性能的产品。 浙江工业大学Pray 6团队 7/27第二章 Aspen-Dynamics动态过程模拟与控制以分离精制隔壁塔为例2.1概述2.1.1流程描述下面将对隔壁塔精馏过程进行Aspen Dynamics动态控制模拟。自吸收塔来的吸收液与乙醛氧化工段的反应液混合后，液体主要含大量的醋酸、醋酸乙烯酯以及溶解在其中的少量乙炔气体，少量的副产物乙醛、巴豆醛、甲酸等，进入隔壁塔分离精制工序。隔壁塔副塔中，塔顶气相采出乙炔、乙醛以及夹带少量产物醋酸乙烯酯的气体送至乙醛吸收塔。从副塔流下的含有大量醋酸、醋酸乙烯酯的液体在公共精馏区中与上升蒸汽达到气液平衡，主塔塔顶采出99.47wt%的醋酸乙烯酯粗产品，送至后续的脱水单元；塔底采出含大量醋酸、少量副产物巴豆醛及甲酸、微量醋酸乙烯酯的混合液，送至热泵精馏塔。下面将对隔壁塔分离精制过程进行Aspen Dynamics动态控制模拟。2.1.2隔壁塔精馏过程典型控制方案在整个的流程模拟当中，如何解决隔壁塔受干扰后不易稳定的问题是一个难点。被控变量受干扰后，如何通过控制系统维持隔壁塔流程各项参数稳定是过程的关键。精馏塔是精馏过程的关键而又复杂设备。在精馏操作中，被控变量多，可以选用的操纵变量亦多，它们之间又可以有各种不同组合，所以控制方案繁多。由于精馏塔对象的通道很多，反应缓慢，内在机理复杂，变量之间相互关联，加以对控制要求又较高，因此必须深人分析工艺特性，总结实践经验，结合具体情况，才能设计出合理的控制方案。精馏过程中的主要要求有如下几点:（1）保证质量指标对于一个正常操作的精馏塔应当使塔顶或各底产品中的一个产品达到规定的纯度要求，另一个产品的成分亦应保持在规定的范用内。为此，应当取塔质或塔底的产品质量作被控变量，这样的控制系统称为质量控制系统。由于目前被测物料种类繁多，还不能相应地生产出多种测量滞后小面又精确的分析仪表。所以，质量空制系统目前所见不多，大多数情况下，是由能间接控制质量的混度控制系统来代替。（2）保证平稳操作为了保证塔的平稳操作，必须把进塔之前的主要可控干扰尽可能预先克服，同时尽可能缓和一些不可控的主要干扰。（3）约束条件为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为约束条件。如对塔内气体流速的限制，流速过高容易发生液泛；流速过低，会影响板效率。（4）节能要求和经济性任何精馏过程都是要消耗能量的，这主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗，此外，塔和附属设备及管线也要损失一部分能量。精馏塔的干扰因素有很多，主要有进料流量的波动、进料组成的变化、进料温度和进料焓的变化、再沸器加热剂加入热量的变化、冷却剂在冷凝器内除去热量的变化，以及环境温度与压力的变化等。工作适宜的精馏塔工艺控制方案，能够起到优化产品质量、提高产品产量和降低能耗的效果。精馏塔的控制方案繁多，比如提馏段温控、精馏段温控、双温差控制和按产品成分或物性的直接控制方案等等。其中提馏段温控以提馏段温度为间接质量指标，以改变再沸器的加热量作为控制手段，它能较直接地反映提馏段产品的情况，主要适用于以塔底采出为主要产品，对塔釜成分要求较高的情况。而精馏段温控，以精馏段温度为间接质量指标，以回流量作为控制手段，一般适用于塔顶产品质量要求严格的情况。图2-1 提馏段温控的控制方案示意图图2-2 精馏段温控控制方案示意图隔壁塔相比于常规精馏塔，应用完全热耦合技术建立塔的结构，避免了在常规精馏塔序列中出现的中间组分返混现象，并降低了由此产生的熵增与有效能损失，提高了分离过程的热力学效率。但同时隔壁塔也存在控制困难的问题。隔壁塔控制的难点即需要解决调节变量与控制变量之间极为复杂的交互作用以及解决受进料扰动和塔内压力波动引起的难稳定的问题。同时目前隔壁塔模拟过程中，稳态模型和动态模型与实际过程存在偏差，限制了隔壁塔的大范围工业应用，为此本项目先通过稳态分析找出控制点，建立控制结构，然后通过动态仿真方法确定控制结构的特性，为PID的自动控制方案提供了思路。2.1.3控制器参数的工程整定所谓控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体说来，就是确定最合适的控制器比例度、积分时间TI和微分时间TD。控制器参数整定方法可分为两大类：理论整定法和工程整定法。工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法。图 2-3 临界比例度法临界比例度法是目前应用较广的一种工程整定方法。先通过试验得到临界比例度K和临界周期TK，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参考数值。其特点是简单方便，容易掌握和判断，适用于一般的控制系统；但对于很小的系统不适用，同时，对于工艺上不允许产生等幅振荡的系统也不适用。表2-1 临界比例度法相关系数表控制规律/%TI/minTD/minP2k-PI2.2k0.85TK-PD1.8k-0.1TKPID1.7k0.5TK0.125TK衰减曲线法通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值。在纯比例作用下，改变给定值，从大到小改变比例度，直至出现4：1衰减为止，得到比例度K和衰减周期Ts ，然后根据经验总结出来的关系求出控制器各参考数值。其特点是施加的干扰幅值不能太大，一般为额定值的5左右；必须在工艺参数稳定情况下施加干扰；对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位控制等，得到严格的4：1衰减比较困难，一般来回波动两次达到稳定；方法简单，适用于一般情况的控制系统；对干扰频繁的系统，不易得到准确的值。图2-4 衰减曲线法表2-2 衰减曲线法相关系数表控制规律/%TI/minTD/minPS-PI1.2S0.5TS-PID0.8S0.3 TS0.1 TS经验凑试法在闭环控制系统中，根据经验先将参数放在一个数值上；通过改变给定值，施加干扰，在记录仪上观察过渡曲线，如过渡过程不够理想，则按规定顺序改变控制器参数反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。其关键是“看曲线，调参数”曲线振荡频繁，应增大比例度；曲线最大偏差大，且趋于非周期过程，减小比例度；曲线波动较大，应增大积分时间；曲线偏离给定值长时间回不来，应减小积分时间；曲线振荡得厉害，应减小微分时间；曲线最大偏差大而衰减缓慢，应增加微分时间。经验凑试法特点是方法简单，适用于各种控制系统，应用非常广泛；特别适合外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的控制系统；对于同一各系统，不同的人可能得出不同的参数值。综上，不同工艺过程需要采用不同的工艺控制方案。隔壁塔精馏过程，具有多输入、多输出和多干扰变量的特点，且内在机理极其复杂，其动态响应不灵敏，各变量之间存在相互关联，要实现对隔壁塔精馏的快速响应和精准控制是一项较为复杂的工作。我们将探究被控变量受干扰后，如何通过控制系统维持隔壁塔流程各项参数快速稳定的问题为流程设计及PID图的绘制提供参考。下面将结合隔壁塔精馏过程的典型控制方案，说明Aspen Dynamics动态过程模拟与控制在隔壁塔精馏过程上的应用。2.2稳态模拟向动态模拟转入2.2.1设备定径与程序导入Aspen Dynamics动态模拟是基于稳态模拟的基础上的，同时在稳态模拟的基础上需要添加动态模拟需要的额外信息，包括塔顶回流罐、塔釜体积、塔板信息以及塔板压降等，之后由Aspen Plus自行生成Dynamics文件。由于在Aspen Dynamics里面不存在对阀的加入和进塔物料压力的严格控制。故而，压降的设计是根据经验规则调节阀的压力不超过整个管路压降的30%，同时为保证控制质量，对设计的阀门进行压降设置（大约在0.05-0.1bar）。同时根据塔内流量数据实现两个塔的液位控制，进行塔顶回流罐、塔釜（主塔副塔公用一个塔釜）的设计。表2-3隔壁塔主塔塔釜、主塔副塔塔顶回流罐设计数据主塔塔顶回流罐塔釜副塔塔顶回流罐直径D /m2.44.21.2长度H /m6.253.2在确定没有严重错误之后，得到适用于Aspen Dynamics的模拟文件如下图所示。并且以这个稳态模拟文件进入Dynamics运行界面。图2-4 隔壁塔精馏过程稳态模拟示意图2.2.2控制器的安装整个流程共存在添加6个控制器，分别通过控制塔压、流量、液位、温度等参数，结合着阀门开度、再沸器热负荷等操纵变量进行流程控制。2.2.2.1 安装过程在温度控制设计中，理论上，塔顶温度能够最精确的反映塔顶产品的质量，相应地塔底温度也能最精确的反映塔底产品的质量。但因为塔顶或塔底附近的各塔板上产品成分比较接近，即温度变化不明显，需要配备高灵敏度和高控制精度的温度检测仪表，现实中很难达到这一要求，故此种温度控制方案很少被采用，仅可用在产品的粗分离中。采用灵敏板温度控制产品的质量指标，可以有效解决上述问题，目前被广泛采用的精馏段和提馏段灵敏板温度控制方案。根据ASPEN稳态模拟结果，醇水分离塔的灵敏板的位置在第11块板，因此对醇水分离塔的温度控制放置在第11块板。鉴于温度测量存在时间差，在设置控制的时候会设置死时间，并进行继电-反馈测试得到最终增益和周期。最终得到控制器安装流程图如图2-5所示。图2-5 隔壁塔精馏过程控制器安装流程图2.2.2.2控制器分析（1）FC0101为进料流股流量控制，保证在之前流量波动时隔壁塔进料流量稳定，并为之后流量的波动提供依据。（2）PC0101，PC0102分别为隔壁塔主副塔的压力控制，在隔壁塔精馏过程中，由于隔壁塔的稳定操作条件之一为公共精馏区上升蒸汽对于主副塔的分配比例，且右侧副塔上升气量较大。由于没有塔构件可以实现完全理想的气量分配，关键是控制主副塔塔顶压力差成一定比例，公共精馏区最上面一块板的压力一定时，若左右两边塔顶的压力和公共精馏区的压力差成一定比例，气体即可按比例分配，所以关键在于控制主副塔塔顶压力。由于左侧塔填料较多，压降较大，由于工艺条件上将隔壁塔设置为常压塔，故左侧副塔塔顶回流罐设置与大气相通的阀门，以保持副塔常压，而右侧主塔则通过控制冷剂流量，来控制塔顶压力维持一定正压，这样右侧压差较小，可以将更多的蒸汽分配至右侧，实现稳定操作。塔顶压力较低时，减少冷剂流量，可以使冷凝的气体量减少，更多的气体停留在回流罐内，使压力回升；若压力较高时，可以增大冷剂流量使得冷凝液增多，气压下降。（3）LC0101，LC0102，是默认控制方案中三个塔的塔釜液位控制，当液位提高时，通过提高增加流率，实现控制。（4）TC0101是使用塔釜再沸器控制灵敏板温度，来表征产品的质量。常规寻找灵敏板的方法有斜率判据法、灵敏度判据法、奇异值分解判据等，本文采用的是斜率判据法寻找灵敏板。根据Aspen稳态模拟结果，隔壁塔主塔的灵敏板的位置在第6块板，因此对隔壁塔的温度控制放置在第6块板。同时TC0101之前加入死时间元件，以更好地符合实际情况。添加死时间需要对于控制器的增益和周期进行改动，将在参数整定和动态模拟的过程中加以说明。2.3工程参数整定我们对上述所有控制器进行参数整定，限于篇幅，重点介绍添加死时间元件后温度控制器TC0101的整定过程，对其他仪表的整定过程与之类似，在此从略。（1）双击TC控制器，设置其为“reverse”，点击“initialize Values”进行初始化估值，并设计比例和积分参数，并检查Range范围，如图2-6所示。图2-6 温度控制器的整定（2）采用Aspen Plus中的继电-反馈测试进行整定。打开Aspen Dynamic 中控制器控制面板中的的Tune按钮，用于设定继电-反馈测试的测试方法。首先将所有温度控制器的Test Method都选为Closed loop ATV模式。其次设定Test settings，通常状况下都会将Test settings 都选择为5%。如下图2-7所示：图2-7 温度控制器的整定（3）设定完之后点击菜单栏中的RUN按钮，然后点击控制面板中的Tune面板按下Start test按钮，则控制器开始进行整定测试，经过大致4-6个周期，最后点击Tune面板中的Finishtest按钮完成对控制器的整定。此时，点击PLOT按钮，查看曲线，如果曲线效果不好，可以点击工具栏上的TOOL-run option修改时间。整定过程中的曲线变化