DCS控制系统及其应用

1、DCS控制系统及其应用 小组成员：小组成员： 唐唐 杰杰 陈嘉睿陈嘉睿 迟丽华迟丽华 刘刘 斌斌 陈忠平陈忠平 张居浩张居浩 指导老师：指导老师： 张早校张早校 答辩时间答辩时间: 2014年年5月月 目录目录 1.应用背景 2. DCS简介 3.甲醇工业 4. 模拟仿真 5.总结 小组成员分配任务 全 体 成 员文献资料查阅 迟丽华 陈忠平 甲醇工业过程整 理编写 陈嘉睿 刘 斌系统仿真模拟 唐 杰 张居浩 DCS系统理论整 理编写 全 体 成 员报告PPT汇总整理 小组分工小组分工 应用背景应用背景 美国霍尼威尔（美国霍尼威尔（Honeywell）公司）公司1975年年12月正式向市场推出

2、月正式向市场推出 了世界上第一集散控制系统了世界上第一集散控制系统TDC2000系统。系统。TDC2000的的 推出推出,其重要意义在于提出并实现了集散。其重要意义在于提出并实现了集散。 现代现代DCS 技术特点：全数字化、信息化和集成化。技术特点：全数字化、信息化和集成化。 应用背景应用背景 应用背景应用背景 应用背景应用背景 DCS系统简介系统简介 DCS系统系统 集中控制监控级 分散过程控制级 综合信息管理级 通信网络系统 三站一线三站一线 现场控制站现场控制站 现场控制站功能现场控制站功能 完成对现场的直接控制； 现场I/O驱动，对输入的过程量进行预 处理，将控制量输出到现场； 实时采

3、集现场数据并存储在现场控制 站内的本地数据库中，控制计算，根 据控制算法和检测数据、相关参数进 行计算，得到实施控制的量；通过现 场I/O驱动，。 操作员站操作员站 操作员站一般桌面型通用计算机系统，如图像工作站或个人 计算机等。大尺寸的显示器（CRT或液晶屏），较大的内存 操作员站功能操作员站功能 主要完成人机界面的功能；及HMI的处理，其中包括图形画面的显 示、操作命令的解释与执行、对现场数据和状态的监视及异常报警 、历史数据的存档和报表处理等 操作员站操作员站 操作员站画面可实现多窗口方式显示和操作 工程师站工程师站 工程师站其中一个部分是在线运行的，主要完成对DCS 系统本身运行状态的

4、诊断和监视；另一部分部分是离线 态的组态软件，这是一组软件工具。 工程师站功能工程师站功能 对DCS进行应用组态，定义具体系统完成什么样的控制，控制的输入/输出量 是什么控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设 置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史 数据记录等各个方面功能的定义。 DCS网络网络 主要包括双绞线、同轴电缆、光导纤维，冗余 设计过程简介设计过程简介 DCS系统甲醇与二甲醚生产过程装置 设计可以分为4个过程： 工艺简介 系统结构设计 系统工程控制实施 系统安全性设计 甲醇工艺简介甲醇工艺简介 下图为煤制甲醇简略工艺流框图 空 分 锅

5、 炉 汽 机 制 冷 备 煤 低 温 甲 醇 洗 煤 气 化 煤 气 水 分 离 变 换 冷 却 脱 氧 站 压 缩 甲 醇 合 成 硫 回 收 甲 醇 精 馏 二 甲 醚 氢 回 收 甲醇工艺简介甲醇工艺简介 （1）气化： 主要反应：CmHnSr+m/2O2mCO+(n/2-r)H2+rH2S CO+H2OH2+CO2 反应条件：6.5MPa(G)、1350-1400 （2）变换冷却： 主要反应： CO+H2OH2O+CO2 反应条件：305 、在耐硫变换催化剂作用 （3）低温甲醇洗： 冷甲醇作为吸收溶剂，脱出原料气中的CO2和H2S 反应条件：214810MPa、低于0 （4）甲醇合成 C

6、O,CO2和H2在Cu-Zn催化剂作用下，合成粗甲醇。 反应条件：6.5MPa、235 （5）甲醇精馏 精馏系统由预精馏塔，加压塔，常压塔组成。 （6）二甲醚工艺 主要反应：2CH3OH=CH3OCH3+H2O 将甲醇蒸汽投入有负荷液体催化剂的反应釜内，所得混合气体通 过缓冲剂进行缓冲，再进入冷凝池、冷凝塔经分离后得到产品。 （7）空分装置 本装置工艺为分子筛净化空气、空气增压、氧气和氮气内压缩流 程，全精馏制氩工艺。 （8）热电联产 提供全装置所需蒸汽。 甲醇工艺简介甲醇工艺简介 甲醇装置甲醇装置DCS系统结构设计系统结构设计 1.甲醇装置系统特点 2.DCS系统的网络规划设计 3.DCS系

7、统的控制机柜设计 4.DCS系统的硬件结构设计 5.DCS系统的通信功能设计 1.甲醇装置系统特点 典型多工段多关联串联生产联合装置,故采用多装 置协调控制是DCS系统结构设计需优先考虑的。 将其拆分成几个相对独立的子系统，再由子系统 构成一套母系统，图中三个域要求数据能够互访， 同时，中央集中控制室能够监控其他三个域的数 据。 甲醇装置甲醇装置DCS系统结构设计系统结构设计 甲醇装置DCS系统结构设计 2.DCS系统的网络规划设计 网络需求分析： （1）3个独立域应该有自己独立局域网络、操作员站、 控制员站、控制站、工程师站、历史服务器站以及 交换机，同时域间有网络连接。 （2）需要设立中央

8、控制室，用于监控三个域全部数据。 （3）SIS(安全仪表)系统、高压电器综合控报系统、低 压定期综合控保系统、其他可编程序控制器系统。 （4）因为工厂范围大，所以需要设立远程I/O机柜。 甲醇装置DCS系统结构设计 2.DCS系统的网络规划设计 网络设计思路： （1）交换机分布设计 （2）计算机分布设计 （3）历史站服务器选择设计 甲醇装置DCS系统结构设计 (1) 交换机分布设计 网络分布示意图 甲醇装置DCS系统结构设计 (1) 交换机分布设计 “确定性的实施工业以太网” 历史站服务器节点同交换机通信和不同域间的交换 机级联通信：采用1000Mbps网络 其他节点间的通信：采用100Mbp

9、s网络 选用：3COM,3C17304A,24口10/100M+2口1000M-T+2个 SFP口二层网管交换机，还通过以太网串口接入SIS 系统 甲醇装置DCS系统结构设计 (2) 计算机分布设计 在该项目中要求计算机放机柜室，键盘、鼠标、显示器放操作室。 选用：视频音频长线驱动器LD-8B(40100米)56套 USB延长器UE-1(50米)112套。 优势：采用普通以太网线充当延长线，取材方便，接口通用 将显示器、鼠标、键盘分别用3根不同的延长线有利于故障 分散 相比三线合一的延长线，故障更低，抗干扰性更好。 甲醇装置DCS系统结构设计 (3) 历史站服务器选择设计 选用带SAS硬盘的服

10、务器记录趋势，需配置双硬盘： 一块装操作系统，另一块装趋势文件 服务器的网卡全选用千兆网卡，同时服务器配备4 网卡。两个用于操作员通信，另两个用于控制站通 信。 服务器选用XEON 2.0G(双) /1G/73G*2/四网卡/双 电源/CD/3年，鼠标键盘都用USB接口，便于实施长 线驱动鼠标和键盘。 甲醇装置DCS系统结构设计 3.DCS系统的控制机柜设计 该项目的现场腐蚀气体太浓，要求DCS模块具 有防腐性能，因此采用光缆连接控制器机柜和远 程的I/O机柜，可以构成统一的控制系统。这体 现了HOLLIAS MACS S 系统特有的远程Profibus- DP总线技术。 选用：冗余DP光纤收

11、发器FM1202 远程I/O连接图 甲醇装置DCS系统结构设计 本工程有三个远程控制室，各远程控制室分 属域情况如下： （1）1#远程控制室中的硫回收、变换冷却、脱氧 站属于造气域。 （2）1#远程控制室中的低温甲醇洗、制冷属于空 分域。 （3）2#远程控制室中的压缩机、氢回收、甲醇合 成、甲醇精馏属于空分域。 （4）3#远程控制室中的二甲醚、硫酸罐区、甲醇 罐区、二甲醚罐区属于空分域。 （5）3#远程控制室中的循环水属于热电域。 上面远程站分属域决定了远程站同哪个域的控 制器相连。 甲醇装置DCS系统结构设计 4.DCS系统的硬件结构设计 制气域工艺由3台气化炉和公共部分组成，因此设 计为4

12、个控制站 热电域工艺为3台130吨/小时循环流化床锅炉、一 台25MV汽轮机及公共部分，共4个控制站 空分甲醇域由25000空分装置、低温甲醇洗、制冷、 压缩机、氢回收、甲醇合成、甲醇精馏、二甲醚、 硫酸罐区、甲醇罐区、二甲醚罐区等组成，共分为 6个控制站 甲醇装置DCS系统结构设计 控制室控制室I/O机柜机柜配电柜配电柜继电器柜继电器柜主控机笼主控机笼I/O机笼机笼模块数模块数 DP光纤光纤 收发器收发器 光缆光缆 中央控制室1 热电控制室4114131072 3#远程控制 室（热电域） 12142 350 米 2 造气控制室6124191542 1#远程控制 室（造气域） 16432 20

13、0 米 2 1#远程控制 室（空分域） 2113884 空分控制室211632810 2#远程控制 室 41756+584 3#远程控制 室（空分域） 16402 甲醇装置DCS系统结构设计 4.DCS系统的硬件结构设计 实际上，该工程除上面机柜外，还有放操作员 站、工程师站、服务器的机柜，该项目共有56个操 作员站、51个机柜，7500多点，由4套DCS系统组成 一套大型化工DCS系统。 甲醇装置DCS系统结构设计 5.DCS系统的通信功能设计 这整个系统共有4大类12台设备，可以将各种各样 的通信方式、通信协议全部转换成以太网的标准 OPC2.0协议 采用：hollysysCOMMOPCS

14、VR.1.0通信软件 无论哪台计算机出问题，都不会影响通信接收， 因为在以太网上的所有计算机都可以接收外来通信 数据。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 1.气化域工程实施 2.空分甲醇域工程实施 3.热电域工程实施 甲醇装置DCS系统工程控制实施 1.气化域工程实施 气化域主要控制策略实施： （1）氧煤比控制：通过比值调节器实现，考虑安 全因素，氧过量极易引起爆炸 （2）煤气化过程安全联锁：采取3取2的联锁方式， 优点在于防止仪表的错误信号，提高生产效率 （3）气化炉渣锁程序控制：两个渣锁交替工作， 以保持气化炉内压力 甲醇装置DCS系统工程控制实施 2.空分甲醇域工程实施 空分甲醇系统构成：

15、 空分甲醇系统实际分为两个大的生产装置： 25000m3/h空分装置和30万吨甲醇生产装置。 空分装置作用是分离出氧气提供给气化炉；甲醇装 置主要将水煤气合成甲醇。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 2.空分甲醇域工程实施 空分主要控制策略实施： (1)空分常规控制 (2)空分联锁逻辑 (3)空分分子筛时序控制 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (1)空分常规控制 空压机系统：空压机排气压力调节。 预冷系统：空冷塔液位调节，水冷他液位调节。 纯化系统：污氮进气量调节。 膨胀机系统：增压机出口回流调节；膨胀机进口导 叶手操；膨胀机进口切断阀收操。 换热系统：氧气放空调节，产品氧气流量调节，产 品氮气

16、压力（或流量）调节，氮气去水冷他流量 调节，污氮出分馏塔压力调节。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (1)空分常规控制 分馏系统：下塔液空液位调节，液氮节流进上塔手 操。 氩系统：精氩塔冷凝器液氮液位调节，粗氩塔冷凝 器液空液位调节。 氧压机系统：氧压机吸入压力调节，（透平式）氧 压机排气压力调节，高压旁通量调节（透平式）， 试车用氮气压力调节（透平式），混合气与进口 氧气差压调节。 氮压机系统：氮压机吸入压力调节（透平式），氮 压机排气压力调节（透平式）。 调压系统：吸入氧气压力调节，吸入氮气压力调节。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 （2）空分联锁逻辑 空压机系统：联锁停空压机，联锁防喘振

17、 预冷系统：联锁停水泵和停水冷机组，锁空冷塔排水 阀 纯化系统：联锁电加热器 膨胀机系统：联锁增压机回流阀、膨胀机紧急切断阀。 分馏系统：联锁液氧泵（内压缩流程） 氩系统：联锁粗氩泵 氧压机系统：联锁停氧压机，备用油泵启/停控制， 自动启氧压机时序 氮压机系统：联锁停氮压机，备用油泵启/停控制 甲醇装置DCS系统工程控制实施 分子筛切换(纯化)系统：有两个分子筛吸 附器，交互通过空气和污氮，通过空气的分子 筛处于工作状，分子筛中的吸附剂吸附空气中 的杂质，除去 碳氢化合物等。 （3）空分分子筛时序控制 2 CO 甲醇装置DCS系统工程控制实施 3.甲醇主要控制策略实施 (1)甲醇合成塔热点温度

18、控制策略实施 (2)甲醇精馏回流量控制策略实施 (3)二甲醚控制策略实施 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (1)甲醇合成塔热点温度控制策略实施 甲醇合成反应产生的热量用来生产中压饱和蒸汽。因此，反 应温度可稳定控制在一定范围内。出合成塔的气体入气气换热 器，在此与合成塔入口气体换热，把入塔气加热到触媒活性温 度。 在甲醇合成塔中：因生产负荷变大造成入塔压力变高，按照 放热反应原理，触媒温度应该上升，但实际上触媒温度是先下 降，然后再上升，这就是反向特性。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (1)甲醇合成塔热点温度控制策略实施 反向特性可以采用史密斯预估控制方法原理进行补偿。 史密斯预估控制原理是

19、在常规PID的反馈控制的基础上，引 入一个预估的补偿环节，相当于控制过程尽在时间上推迟了 时间。 ）（sGo ）（sG k s p esG )( )(sR 反馈 预估补偿 干扰F ) s (Y 实施优化的关键技术之一是需要实施优化的关键技术之一是需要DCSDCS控制系统储蓄一段时控制系统储蓄一段时 间的实时数据能力。间的实时数据能力。 补 偿 后 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (2)甲醇精馏回流量控制策略实施 甲醇精馏预塔和主塔的回流量控制甲醇精馏预塔和主塔的回流量控制 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (2)甲醇精馏回流量控制策略实施 稀醇水流量与粗甲醇流量比值调节系统：当甲醇产量增加时，

20、只需开大主塔进料阀，这时主塔得到增加进料的信号，与塔底 得到降低液位的信号，自动调节粗甲醇进料，以保证塔底液位 平衡。粗甲醇的进料量增加使原来回流比失去平衡，通过比值 器自动调节再沸器的冷凝水液位调节器，再通过冷凝水排放阀 调整冷凝水液位i，已达到新的平衡。 回流量 进料量 比值器再沸器液位控制器 冷凝水 排放阀 回流比自动控制示意图 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (2)甲醇精馏回流量控制策略实施 操作变量：冷凝水排放量 选择准则：选择对于被控变量有较大影响的输 入， 每个操作变量的调整范围应该是一个相当大的范 围；选择快速影响被控变量的输入 被测变量：进料量，回流量，冷凝水排放量，再沸 器

21、液位 选择准则：安全有效的操作过程装置要求对关键过 程变量进行在线测量；选择具有足够敏感度的被 测量 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (2)甲醇精馏回流量控制策略实施 选择的测量机构是： 进料量差压式流量计，量程是500m3/h，精度 等级选为2.0级。 回流量差压式流量计，量程是500m3/h，精度 等级选为1.0级。 冷凝水排放量电磁式流量计，量程是200m3/h, 精度等级选为1.5级。 再沸器液位差压式液位计，量程是10m，精度 选为0.5级。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (2)甲醇精馏回流量控制策略实施 变送器：都选择DDZ-型压变送器，防爆安全栅选 为ia级（本安型）。 调节器

22、：PID调节器 执行器：气动执行器+电-气阀门定位器，气动执行 器由气动薄膜执行机构和具有对数流量特性的调 节阀组成。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (3)二甲醚控制策略实施 开车联锁： 温度：控制生产温度为120-250摄氏度可投料 液位稳定：投料后及时通过视镜观察反应釜 内反应情况 压力：在升温过程中，压力会上升，打开气 相管线的蝶阀使流程通畅，并打开相应的放空阀 使反应釜内空气排出，控制生产压力位0.9MPa 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (3)二甲醚控制策略实施 实际工程： 温度：气化塔提馏段温度调节，进口温度调节， 反应器冷激段温度调节，精馏塔提馏段温度调节， 气提塔提馏段温度调

23、节 压力：精馏塔塔顶压力调节，洗涤塔塔顶压力 调节 流量：气化塔进料流量调节，循环也流量调节 液位：气化塔塔釜液位调节，气提塔塔釜液位 调节，闪蒸罐液位调节 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (3)二甲醚控制策略实施 停车联锁： 接停车命令后，停止反应釜进料，其他设备照常 运行。 用压缩机一回一或二回一调整，保证一段进口压 力；若系统为保压短期停车，则控制反应釜压力。 若反应釜液面稳定不再下降/釜内压力不再上升 后，关闭加热器蒸汽阀门，停循环酸泵。 停压缩机，关闭压缩机进出口阀门，关闭送管区 切断阀。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 3.热电域工程实施 热电域系统构成： 热电域DCS系统主要控制

24、三台130吨/小时循环 流化床锅炉和一台25MW汽轮机。 共11个操作员站（1个远程操作站）/1个工程 师站/1对历史站服务器/4对冗余控制站，4台交 换机/中控室14个机柜/1个I/O远程机柜。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 2)热电主要控制回路实施 (1)燃烧控制系统以及主蒸汽压力调节系统 (2)主蒸汽温度控制系统 (3)气包水位控制系统 (4)料层差压控制系统 (5)炉膛负压控制系统 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (1)燃烧控制系统以及主蒸汽压力调节系统 K接通相当于接上外环，主要克服由于并行运行带 来的主管压力的扰动。 控制规则库与床温和炉膛出口温度，相当于内环， 用来克服堵煤异常

25、情况和给煤质与量的不均匀。 一次风的重要作用是保持床的正常流化状态，避 免局部超温结焦现象。二次返料量决定了冷灰再 如炉膛的量，对床温以及负荷出力也有很大影响。 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (2)主蒸汽温度控制系统 过热器温度调节系统 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (2)主蒸汽温度控制系统 操作变量：减温水流量 选择准则：选择对于被控变量有较大影响的输入， 每个操作变量的调整范围应该是一个相当大的范 围；选择快速影响被控变量的输入 被控变量是：主蒸汽温度 选择准则：所选输出变量必须保持在仪器和操作条 件限制之内；选择能直接反映产品质量，或对于 产品质量有较强影响的变量，作为输出变量 甲醇

26、装置DCS系统工程控制实施 选择的被测变量及其测量机构： 过热器温度铜-康铜热电偶，量程是2000， 精度等级是1.0级 减温水流量压差式流量计，量程是150m3/h, 精度等级是2.0级 烟气量转子式流量计，量程是3000m3/h,精度 等级是2.0级 烟气温度铜热电阻温度计，量程是500,精度 等级是2.0级 蒸汽流量转子式流量计，量程是2000m3/h， 精度等级是1.0级 返料量转子式流量计，量程是1000m3/h,精度 等级是1.0级 甲醇装置DCS系统工程控制实施 (2)主蒸汽温度控制系统 变送器：铜-康铜热电偶选择的是DDZ-III型温度变 送器，其他的选择差压变送器。防爆安全栅

27、选为 ia级（本安型） 调节器：PID调节器 执行器： 二次隔离阀执行机构为气动薄膜执行机 构，调节机构为碟阀 一次调节阀，二次调节阀，二次电动阀 执行机构为气动薄膜执行机构，调节机构为直通 双座阀，可调比R取为30 甲醇装置DCS系统工程控制实施 （3）气包水位控制系统 气包水位控制系统可以采用三冲量基础上的 串级控制系统。由于气包水位有一个较宽的范围， 因此采用规则控制可以控制，对测量的干扰更有 适应性，因此外调节器拟用规则调节器。 （4）料层差压控制系统 料层差压控制系统采取间隙排渣手段 （5）炉膛负压控制系统 为了防止炉膛正压,可以在总风量增加动作前， 让引风提高动作,同时需设置引风机

28、开度为低限。 整个系统的过程安全系统设计 多保护层原理 整个系统的过程安全系统设计 在甲醇以及二甲醚的生产装置系统设计中， 这个生产装置安全可靠的设计为整个系统提 供了一层保护， 紧接着的两层是各个分系统的安全防爆珊设 计等 最后一层是安全互锁系统，又称为安全仪表 系统或紧急停车系统。 DCS仿真模拟 因相关软件问题，仿真部分采取 MATLAB的Simulink仿真模拟。 仿真项目：锅炉汽水系统控制方法 的研究 1.控制系统的选择 根据锅炉负荷变化的速度、锅炉的 容量和调节的精度要求。把锅炉汽 包水位控制方式分为两种类型： 1)单冲量给水控制系统，以汽包水位 作为唯一的调节信号。 2）三冲量给

29、水控制系统，以汽包水 位作为主调节信号，给水流量和蒸 汽流量为负调节信号。 图2 三冲量控制系统控制原理图 图3 三冲量控制系统控制系统方框图 1.2最终选型 三冲量控制系统不管如何设置参数， 当负荷发生变化时，此方案中的液 位能保持无差。 对比两种方式的优劣，我们选用前 馈-串级三冲量控制方式。 2.锅炉汽包水位控制系统 的数学模型 2.1.1实验对象：供气流量为120t/h的锅炉。 2.1.2通过实验测得传递函数： 在给水流量单位阶跃扰动下，水位反应曲线 的飞升速度，即水位的变化速度 =0.0529mm/秒。为了提高仿真的速度，取 n=1。一阶滞后环节的时间常数经测量为8.5 秒。因此给水

30、量w与水位H的传递函数为： 在蒸汽流量单位阶跃扰动下，水 位变化的响应速度=0.0747mm/ 秒，即Ta=0.0747mm/秒，增益 系数=2.613，滞后环节的时间常 数=6.7秒，n=2，故蒸汽流量D 与水位H的传递函数为： 2.2仪器的选择与各变送器转换系数的确定 选用的流量计的量程为150t/h，液位变送 器的量程为300mm水柱，所有变送器均 采用的DDZII型组合仪表，其标准信号为 0-10mADC。蒸汽流量变送器、给水流量 变送器、液位变送器的转换系数分别为： 3.系统仿真分析 3.1锅炉汽包水位控制系统稳定性分析 下面利用频域分析法中的伯德图和奈奎斯特图 法来判断系统的稳定性。 闭环系统伯德图 num=0 0 0.0529; den=8.5 1 0; H=tf