精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)

1、 遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：題目：精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學(xué)學(xué) 號：號： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 起止時(shí)間：起止時(shí)間：2014-12-15至至2014-12-26 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：測控技術(shù)與儀 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級 設(shè)計(jì)題目精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)。精餾塔是石油化

2、工生產(chǎn)過程中的主要裝置，通 過精餾操作可將由多組分組成的混合物分離成較純組分的產(chǎn)品。精餾塔溫度是保證 分離純度的重要指標(biāo)，塔釜的部分產(chǎn)品經(jīng)過再沸器回流到塔內(nèi)，一方面保證精餾塔 溫度恒定，另一方面保證生產(chǎn)的連續(xù)性。工藝要求塔釜溫度控制在 800 2 。在生 產(chǎn)過程中蒸汽壓力變化劇烈，而且幅度大，有時(shí)從 0.5Mpa 突然下降到 0.3Mpa，壓 力變化了 40%。 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 1、確定控制方案并繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖； 2、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號和參數(shù)； 3、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式，確定閥的流量特性和 開閉形式； 4、進(jìn)行模擬調(diào)試或仿真； 5、

3、按規(guī)定的書寫格式，撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書一份；設(shè)計(jì)說明書在 4000 字以 上。 技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù) 測量范圍：01000 ； 控制溫度：800 2 ； 最大偏差：50。 工作計(jì)劃 1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。 （2 天 ） 2、確定系統(tǒng)的控制方案，繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖。 （1 天 ） 3、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號。 （2 天 ） 4、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式。 （ 1 天） 調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)形式以及流量特性選擇。 （ 1 天） 5、上機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模擬運(yùn)行、答辯。 （2 天 ） 6、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書（1 天 ） 指導(dǎo)教師評語及成績

4、 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字： 總成績： 年 月 日 器注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 摘 要 精餾是把液體混合物進(jìn)行多次部分汽化，同時(shí)又把產(chǎn)生的蒸汽多次部分冷凝， 使混合物分離為所要求組分的操作過程，是在石油及化工等眾多生產(chǎn)過程中廣泛 應(yīng)用的一種傳質(zhì)方法，通過精餾，使混合物料中的各組分分離，分別達(dá)到規(guī)定的 純度。精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的多變量過程，內(nèi)在機(jī)理比較復(fù)雜，動(dòng)態(tài)響應(yīng) 遲緩，變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對控制提出的要 求又較高，確定精餾塔的控制方案是一個(gè)十分重要的課題。精餾塔塔釜溫度控制 的穩(wěn)定與否直接決定了精餾塔的

5、分離質(zhì)量和分離效果，控制精餾塔的塔釜溫度是 保證產(chǎn)品高效分離，進(jìn)一步得到高純度產(chǎn)品的重要手段。對于精餾塔工作受物料 平衡和能量平衡的制約，鑒于單回路控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)無法滿足精餾塔這 一復(fù)雜的、綜合性的控制要求，因此設(shè)計(jì)了基于串級控制的精餾塔塔釜溫度控制 系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：精餾；多輸入多輸出；串級控制 目錄 第 1 章 緒 論.1 第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案論證.2 2.1 系統(tǒng)對象特性分析.2 2.2 方案設(shè)計(jì).3 2.3 確定設(shè)計(jì)方案.5 第 3 章 儀表的設(shè)計(jì)選擇.6 3.1 檢測儀表的選擇設(shè)計(jì).6 3.1.1 溫度傳感器的選擇設(shè)計(jì).6 3.1.2 溫度變送器的選擇設(shè)計(jì).7 3.1.3

6、 壓力傳感器的選擇設(shè)計(jì).8 3.2 執(zhí)行器的選擇設(shè)計(jì).9 3.3 電/氣轉(zhuǎn)換器的選擇設(shè)計(jì).11 3.4 控制器的選擇設(shè)計(jì).11 3.4.1 溫度控制器的選擇設(shè)計(jì).12 3.4.2 壓力控制器的選擇設(shè)計(jì).12 3.5 PID 控制算法.13 第 4 章 系統(tǒng)仿真或模擬調(diào)試.15 第 5 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié).18 參考文獻(xiàn).19 第 1 章 緒 論 隨著當(dāng)今世界石油化工業(yè)的迅猛崛起，人們也開始重視起石油化學(xué)的加工技 術(shù)，而其中精餾操作的應(yīng)用也越來越廣。精餾使混合物料中的各組分分離，達(dá)到 規(guī)定的純度。分離的機(jī)理是利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同（沸點(diǎn)不同） ，也 就是同一溫度下，各組分的蒸汽分壓不同這一

7、性質(zhì)，使液相中的低沸物和高沸物 進(jìn)行互相轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)分離。在實(shí)際生產(chǎn)過程中精餾操作可分為間歇精餾和連 續(xù)精餾兩種。對于石油化工的生產(chǎn)等大型生產(chǎn)過程，主要是采用連續(xù)精餾。精餾 塔可分為精餾段，提餾段各塔板，進(jìn)料板，塔頂冷凝器及回流罐，塔釜等。 精餾塔的控制目標(biāo)為，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的合格前提下，使塔的總效益最大或 者生產(chǎn)成本達(dá)到最小化。溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)是精餾塔質(zhì)量控制中應(yīng)用最早同 樣也是最為普通的一種。對于二元精餾塔而言，在一定壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品的成 分有單值對應(yīng)關(guān)系，只要塔壓恒定，塔釜的溫度便反應(yīng)了成分。對于多元精餾塔 而言，壓力一定而保持一定的溫度，成分的誤差便可忽略不計(jì)。精餾塔溫度是保

8、證分離純度的重要指標(biāo)，塔釜的部分產(chǎn)品經(jīng)過再沸器回流到塔內(nèi)，其主要干擾因 素為進(jìn)料狀態(tài)，即進(jìn)料流量，進(jìn)料溫度及進(jìn)料成分等。此外，冷劑與加熱劑的壓 力和溫度及環(huán)境溫度也會影響精餾塔的平衡操作。因此，在精餾塔方案確定時(shí)將 進(jìn)料狀態(tài)，進(jìn)料溫度等加以定值控制是對精餾塔的平衡操作是十分有利的?？刂?系統(tǒng)大體可分為簡單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)，具體包括結(jié)構(gòu)簡單的單回路控制 系統(tǒng)和復(fù)雜的串級控制系統(tǒng)，前饋控制系統(tǒng)，大滯后控制系統(tǒng)，比值控制系統(tǒng)， 均勻控制系統(tǒng)和分程控制系統(tǒng)等。在實(shí)際精餾塔的整體控制方案中，簡單的單回 路控制系統(tǒng)不能滿足高精度的工藝要求，因此串級控制，均勻控制，比值控制和 前饋控制等控制系統(tǒng)經(jīng)常被

9、使用。 第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案論證 2.1 系統(tǒng)對象特性分析 本次設(shè)計(jì)主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計(jì)精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)，并在實(shí) 踐的基本技能方面進(jìn)行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“過程控制系 統(tǒng)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法。 應(yīng)用場合:煉油、化工生產(chǎn)中的主要裝置。 系統(tǒng)功能介紹:精餾塔是石油化工生產(chǎn)過程中的主要裝置。對于由多組分組成 混合物，利用其組分的不同揮發(fā)度，通過精餾操作將其分離成較純的組分的產(chǎn)品。 在精餾塔分離過程中塔釜溫度是保證產(chǎn)品分離純度的重要指標(biāo)，因此控制塔釜溫 度在控制系統(tǒng)中尤為重要。在此系統(tǒng)中控制變量為蒸汽流量，被控對象為塔釜溫 度。蒸汽經(jīng)過再沸器對其進(jìn)行加

10、熱，因?yàn)闇囟仁蔷s塔分離過程的重要指標(biāo)，所 以蒸汽流量的控制是精餾塔的工藝要求的決定性因素蒸汽壓力是系統(tǒng)的主要干擾 因素。 。精餾塔是一個(gè)多變量的被控過程，可供選擇的被控變量和操作變量眾多 的，選定一種變量配對，就組成了一種控制方案。 精餾塔的主要干擾因素有以下幾點(diǎn)： 1: 蒸汽壓力的干擾 2: 進(jìn)料組分的干擾 3: 進(jìn)料溫度的干擾 4: 進(jìn)料流量的干擾 2.2 方案設(shè)計(jì) 通過對于精餾塔中蒸汽壓力，進(jìn)料組分和進(jìn)料流量等的干擾因素的分析，控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案擬定為串級控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)兩個(gè)方案。 方案一：串級控制系統(tǒng) 串級控制系統(tǒng)是在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，當(dāng)被控過程的滯后較 大，干

11、擾比較劇烈頻繁時(shí)若采用簡單的控制系統(tǒng)便不能滿足工藝控制要求，在系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，通過副回路的引入不僅能夠迅速克 服作用于副回路的干擾，也能加速克服主回路的干擾，進(jìn)而使系統(tǒng)控制品質(zhì)顯著 提高。串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，通過它 們的協(xié)調(diào)工作，使主參數(shù)能夠準(zhǔn)確的控制在工藝規(guī)定的范圍之內(nèi)。 + + f 1,f2 X2 f 3,f4 - - (t) + 副對象 壓力變送器 溫度變送器 X1 主調(diào)節(jié)器主對 象 副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥 圖 2.1 串級控制系統(tǒng)框圖 本設(shè)計(jì)中，主被控變量為溫度，副被控變量為蒸汽壓力。為保證精餾塔溫度 恒定和生產(chǎn)的連續(xù)性，將精餾

12、塔塔釜溫度調(diào)節(jié)器和蒸汽壓力調(diào)節(jié)器構(gòu)成串級控制 系統(tǒng)，其精餾塔塔釜溫度為主調(diào)節(jié)器，蒸汽壓力調(diào)節(jié)器為副調(diào)節(jié)器。串級控制系 統(tǒng)之所以適合蒸餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)可以歸納為以下幾個(gè)原因：串級控制系統(tǒng) 對進(jìn)入副回路的干擾有很大的克服能力，這便可以防止蒸汽壓力變化劇烈對于生 產(chǎn)過程的影響。串級控制系統(tǒng)改善了被控過程的特性，提高了系統(tǒng)的工作效率， 充分保證了精餾塔的分離純度。對負(fù)荷和操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。 串級控制系統(tǒng)在精餾塔控制中經(jīng)常用于質(zhì)量反饋控制系統(tǒng)。精餾塔塔釜溫度控制 系統(tǒng)采用串級控制系統(tǒng)可以保證主被控變量的控制質(zhì)量，作為操作的變量，一般 狀態(tài)下保持穩(wěn)定有利于工藝的平穩(wěn)操作。 方案二：前饋控

13、制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，立即將其測量出來，通過前饋控制器， 根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)而改變控制變量，以抵消擾動(dòng)對被控參數(shù)的影響。精餾塔塔 釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中蒸汽壓力主要干擾，進(jìn)料流量及進(jìn)料組分等為次要干擾。 前饋控制系統(tǒng)是一種預(yù)測控制，通過對于當(dāng)前系統(tǒng)工作的了解進(jìn)而預(yù)測出下一階 段系統(tǒng)的運(yùn)行情況。本設(shè)計(jì)中主要干擾為蒸汽壓力，采用前饋控制系統(tǒng)可以直接 根據(jù)蒸汽壓力的變化，通過一個(gè)前饋控制器 PC 直接控制調(diào)節(jié)閥，這樣可在精餾 塔塔釜溫度變化之前，及時(shí)對蒸汽壓力這一主要干擾進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而保證精餾塔 塔釜的正常工作。 前饋控制系統(tǒng)多種多樣，根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為靜態(tài)前饋控制，動(dòng)態(tài)前饋控制，前 饋

14、反饋復(fù)合控制系統(tǒng)和前饋串級復(fù)合控制系統(tǒng)等。靜態(tài)前饋控制結(jié)構(gòu)簡單并且易 于實(shí)現(xiàn)，但在擾動(dòng)影響下動(dòng)態(tài)偏差仍然存在，對于擾動(dòng)頻繁且要嚴(yán)格控制的動(dòng)態(tài) 偏差的精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)，顯然靜態(tài)控制無法滿足生產(chǎn)工藝的精度要求， 靜態(tài)特性前饋控制是動(dòng)態(tài)特性前饋控制的一種特殊形式，并且動(dòng)態(tài)前饋與其他控 制系統(tǒng)相比結(jié)構(gòu)簡單易于控制，因此本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)。 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)可分為以下幾點(diǎn):基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)對被控量的影響， 又可稱為擾動(dòng)補(bǔ)償。在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，前饋控制“及時(shí)”動(dòng)作。前饋控制屬于開環(huán) 控制，只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)處于穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)就穩(wěn)定工作。其中擾動(dòng)只代表 可測不可控干擾。一種前饋控制只能克服一

15、種擾動(dòng)，控制規(guī)律完全取決于被控對 象的特性。同樣前饋控制也存在著明顯的局限性：在實(shí)際的工業(yè)過程中干擾很多， 不可能對每個(gè)干擾設(shè)計(jì)一套檢測裝置和前饋控制器。決定前饋控制特性的被控過 程的特性的精確表達(dá)式很難能到在物理上很難實(shí)現(xiàn)。 圖 2.3 前饋控制系統(tǒng)框圖 + + Y(s) F(s) Gm(s) Go(s)Gv(s) Gb(s) Gf(s) 圖 2.4 前饋控制系統(tǒng)示意圖 2.3 確定設(shè)計(jì)方案 對于本設(shè)計(jì)的要求，不需要專用的補(bǔ)償器，單元組合儀表便可以滿足使用要 求。由于考慮物料、壓力等物理量對精餾塔釜溫度的影響，并且干擾變化劇烈， 幅度大，有時(shí)從 0.5Mpa 突然下降到 0.3Mpa，壓力變

16、化 40，干擾幅度較大。并 串級控制系統(tǒng)與前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)比較，串級控制系統(tǒng)由于副回路的作用，對 于 40%的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服能力。在精餾塔塔釜控制系統(tǒng)中不僅要排除干擾的 影響，同時(shí)也要保證工藝生產(chǎn)的正常工作，一方面保證精餾塔溫度恒定，另一方 面保證生產(chǎn)的連續(xù)性。考慮工藝要求塔釜溫度控制在 800 2 。 精餾塔溫度控制系統(tǒng)通過串級系統(tǒng)的主副控制器實(shí)行溫度控制，主回路是定 值控制系統(tǒng)，副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)壓力恒定時(shí)，精餾塔分離過程正常運(yùn)行， 當(dāng)蒸汽壓力出現(xiàn)劇變時(shí)，由副回路進(jìn)行克服干擾，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。 塔釜產(chǎn)品 蒸汽 再沸器 精餾塔 PC PY LC 第 3 章 儀表的設(shè)計(jì)選擇 在精餾

17、塔塔釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，共有檢測儀表類中的溫度傳感器、溫度 變送器及壓力變送器，實(shí)行操作環(huán)節(jié)的執(zhí)行器，進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換的電氣轉(zhuǎn)換器和進(jìn) 行指揮的控制儀表。各類儀表的準(zhǔn)確選型是控制系統(tǒng)能夠完成工藝要求的前提。 3.1 檢測儀表的選擇設(shè)計(jì) 在工業(yè)生產(chǎn)中，為了有效地控制生產(chǎn)過程，保證生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量，必須 及時(shí)檢測出生產(chǎn)過程中有關(guān)參數(shù)。檢測儀表將生產(chǎn)過程的參數(shù)，經(jīng)檢測和變送轉(zhuǎn) 換為標(biāo)準(zhǔn)信號。標(biāo)準(zhǔn)信號一般為：15V電壓信號，420mA電流信號和 20100Kpa氣壓信號。檢測儀表種類繁多，針對生產(chǎn)過程中不同參數(shù)和不同的工 作條件不同的功能要求，相應(yīng)的檢測方法及儀表的結(jié)構(gòu)也各不相同。 圖3.1 檢測儀表

18、工作原理圖 3.1.1 溫度傳感器的選擇設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中，在精餾塔塔釜處需要進(jìn)行溫度的測量。溫度在工藝控制中是一個(gè) 極為重要參數(shù)，不能夠直接測量，只能通過各種間接方法測量，分為接觸式測量 方法和非接觸式測量方法。溫度傳感元件多種多樣，可分為熱電偶、熱電阻和集 成溫度傳感元件。 熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢（mV）信號，配以 測量毫伏的指示儀表或變送器可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量指示或溫度信號的轉(zhuǎn)換。具有 穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好、體積小、響應(yīng)時(shí)間較小等優(yōu)點(diǎn)、熱電偶一般用于500C以上的 高溫，可以在1600C高溫下長期使用。 熱電阻也可以作為溫度傳感元件。大多數(shù)電阻的阻值隨溫度變化而變化，如 果

19、某材料具備電阻溫度系數(shù)大、電阻率大、化學(xué)及物理性能穩(wěn)定、電阻與溫度的 生產(chǎn)參數(shù) 檢測元件變送器 標(biāo)準(zhǔn)信號 關(guān)系接近線性等條件，就可以作為溫度傳感元件用來測溫，稱為熱電阻。熱電阻 分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。大多數(shù)金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高 而增加，而大多數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。 在本設(shè)計(jì)中塔釜溫度應(yīng)控制為 800 2，溫度測量范圍 01000，通過計(jì)算 溫度精度等級為 0.2 級。通過工藝要求和實(shí)際生產(chǎn)的考慮，本設(shè)計(jì)采用鉑銠 30-鉑 銠 6 B 型號 WRR-130 溫度傳感器。鉑銠熱電偶在熱電偶系列中具有準(zhǔn)確度最高、 穩(wěn)定性最好、測溫溫區(qū)寬、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，鉑銠

20、熱電偶又稱高溫貴金屬熱電 偶，鉑銠有單鉑銠（鉑銠 10-鉑銠）和雙鉑銠（鉑銠 30-鉑銠 6）之分，它們作為 溫度測量傳感器，通常與溫度變送器、調(diào)節(jié)器及顯示儀表等配套使用，組成過程 控制系統(tǒng) WRR-130 采用貴金屬高純鉑金為負(fù)極，鉑銠合金為正極，用于粉未冶 金，燒結(jié)光亮爐，真空爐，冶煉爐及多種耐火材料、陶瓷、瓷器燒制，外管材質(zhì) 為剛玉，測量溫度為 0-1800。其具體技術(shù)指標(biāo)如下： 1: 測溫范圍： 01800 2: 允差等級：A 3: 響應(yīng)時(shí)間：50 s 4: 分度號：B 5: 外形尺寸：16*700（mm） 6: 規(guī)格尺寸：0.5 絲徑,0.4 絲徑,0.3 絲徑 圖 3.2 溫度傳感

21、器實(shí)物圖 3.1.2 溫度變送器的選擇設(shè)計(jì) 由于檢測信號要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號要求。進(jìn)而通過變 送器將各種不同的檢測信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。溫度傳感器輸出信號需經(jīng)溫度 變送器轉(zhuǎn)換之后，才能與調(diào)節(jié)閥控制器進(jìn)行配合工作。溫度變送器從信號上可分 為模擬式數(shù)字式兩類，模擬式與數(shù)字式優(yōu)點(diǎn)各不同，數(shù)字式以 CPU 為核心，具 有信號補(bǔ)償，信號轉(zhuǎn)換等多種功能。模擬式由模擬器件構(gòu)成，輸出模擬信號。 本設(shè)計(jì)選用 DDZ-型系列 DBWM 型熱電偶變送器，DBWM 型熱電偶變送 器是 DBW 型熱電偶變送器改進(jìn)產(chǎn)品，DBWM 型熱電偶變送器可與各種類型熱電 偶傳感器配套使用，將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換為

22、 15V 或 420mA 標(biāo)準(zhǔn)信號供給指 示儀，模擬調(diào)節(jié)器，可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器，分散系統(tǒng)及工業(yè)過程控制機(jī),可由 DC24V 直接供電，具有本質(zhì)安全防爆功能。DBWM 型熱電偶變送器采用四線制 連接方式，由于在電路上采用了高性能的功能模塊結(jié)構(gòu)方式，使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊， 體積縮小，重量輕安裝調(diào)校簡單，維護(hù)工作量小，且具有斷偶報(bào)警功能（輸入信 號大于 5V 或小于 1V） 。輸入信號：各檔熱電勢（適配于各種型號熱電偶），輸 出信號：15V DC;420mA DC，負(fù)載電阻：0500，環(huán)境溫度：540， 相對濕度：1075%，供電電源：24V1.2V DC，消耗功率：2.5W。 圖 3.3 溫度變送器實(shí)物圖

23、 3.1.3 壓力傳感器的選擇設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中，蒸汽壓力是精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)的主要干擾，因此在蒸汽進(jìn) 入管道處需要對蒸汽壓力進(jìn)行測量。壓力是工業(yè)生產(chǎn)的重要參數(shù)，在化工煉油等 生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會遇到壓力和真空度的測量，其中包括比大氣壓力高很多的高 壓，超高壓和比大氣壓力低很多的真空度的測量。在精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)中， 蒸汽壓力為主要干擾，變化劇烈，而且幅度大，有時(shí)從 0.5Mpa 突然下降到 0.3Mpa，壓力變化了 40%。在系統(tǒng)中，如果干擾不能得到合理的控制，將會影響 生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。 壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自 控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通

24、、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石 化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。壓力傳感器種類很多，傳統(tǒng)的 測量方法是利用彈性元件的位移和變形來表示，但是它的體積大，笨重并且輸出 非線性。隨著現(xiàn)代電子科技大迅猛發(fā)展，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和良好的彈 性研制出的半導(dǎo)體力敏傳感器。其具有體積小，重量輕及靈敏度高的特點(diǎn)。 控制系統(tǒng)中，蒸汽壓力變化劇烈并且幅度大，有時(shí)從 0.5Mpa 下降到 0.3Mpa，壓力變化 40%，為滿足精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)的工藝要求和測量壓力 的精度，本設(shè)計(jì)選用電氣性壓力計(jì)中的電容式差壓傳感器。電容性差壓傳感器是 一種利用電容敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系

25、的電量輸出的壓力傳感 器，其結(jié)構(gòu)緊湊，電路獨(dú)特，測量精度高。本設(shè)計(jì)選用型號為羅斯蒙特 3051TA 型壓力變送器，羅斯蒙特 3051TA 型壓力變送器集傳感器電子技術(shù)和單隔離膜片 與一體，由一臺設(shè)備完成檢測變送的功能，利用數(shù)字化補(bǔ)償技術(shù)對溫度、靜壓進(jìn) 行了補(bǔ)償，提高了測量精度，降低了溫度漂移。3051 系列智能變送器具有設(shè)計(jì)原 理新穎、品種規(guī)格齊全、安裝使用簡便、安全防爆等特點(diǎn)。尤以精度高、體積小、 重量輕、調(diào)整方便、長期穩(wěn)定性好、單向過載保護(hù)能力強(qiáng)、適用于惡劣場所使用 而著稱。3051TA 型壓力傳感器具體技術(shù)指標(biāo)如下： 1: 測量范圍：0-10 至 0-1034kPa 2: 精度等級：0.

26、5% 3: 輸出信號：420（mA） 4: 接口尺寸：M20X1.5（mm） 5: 測量介質(zhì)：液體、氣體或蒸汽 圖 3.4 壓力傳感器實(shí)物圖 3.2 執(zhí)行器的選擇設(shè)計(jì) 執(zhí)行器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的操作環(huán)節(jié)，其作用是根據(jù)控制器送來的控制信號 改變所操作介質(zhì)的大小，將被控變量維持在所要求的數(shù)值上。自動(dòng)調(diào)節(jié)閥是能夠 按照輸入的控制信號自動(dòng)改變開度的閥門，調(diào)節(jié)閥按照工作能源形式分為氣動(dòng)， 液動(dòng)和電動(dòng)三大類。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥用壓縮空氣作為工作能源，在易燃易爆環(huán)境中工 作，廣泛應(yīng)用于化工煉油的等生產(chǎn)過程中。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用電源，其特點(diǎn)能源取用 方便，信號傳遞迅速等。液動(dòng)調(diào)節(jié)閥用液壓進(jìn)行推動(dòng)，推力很大。調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu) 形式

27、主要根據(jù)工藝條件，如使用溫度，壓力及介質(zhì)的物理特性，化學(xué)特性等來選 擇，一般可分為直通單座閥，直通雙座閥和蝶閥等。 精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于化工煉油生產(chǎn)，因此本設(shè)計(jì)選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。 由于調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組裝而成，然而執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正反作用兩種，閥門也 有正反作用兩種，因此組裝而成的氣動(dòng)調(diào)節(jié)器有氣開式調(diào)節(jié)閥和氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥兩 種形式。氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥是無壓力信號時(shí)閥門全開，隨著壓力信號的增大，閥門逐 漸關(guān)小。相比氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，氣開式調(diào)節(jié)閥工作特性與之相反，無壓力信號時(shí)閥 門全閉，隨著壓力信號增大閥門逐漸開大。對于調(diào)節(jié)閥的選擇，一般可以考慮以 下幾個(gè)方面：調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的選擇，氣開式與氣關(guān)式的選擇，調(diào)

28、節(jié)閥流量特性的選 擇，調(diào)節(jié)閥口徑的選擇。由于本設(shè)計(jì)用于控制蒸汽流量，精餾塔塔釜溫度受蒸汽 壓力的變化影響大，為了使溫度保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)蒸汽突然增大或者降低 時(shí)應(yīng)保持蒸汽壓力恒定，閥開度隨著蒸汽壓力的增大而增大。因此本設(shè)計(jì)選用氣 開式調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的選擇除了以上參考因素還應(yīng)考慮閥門的流量特性，通過調(diào) 節(jié)閥的工藝要求來對流量特性進(jìn)行選擇，在本控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥的閥開度隨之 蒸汽的增大而增大，即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)隨之增大，由此看出相對流量與相對開 度呈百分比流量特性。 經(jīng)過對比之后，選用型號ZMAP型氣動(dòng)氣開式薄膜調(diào)節(jié)閥，高壓單座調(diào)節(jié)閥 是一種上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥，結(jié)構(gòu)緊湊，壓降損失小，流量大，可

29、調(diào)范圍廣。公 稱通徑：25、40、50、80mm。公稱壓力：ANSI 900、1500、2500 JIS 63K。以不 銹鋼，碳鋼等材料為制作材料，采用法蘭連接形式，具有等百分比特性和線性特 性。 圖 3.5 執(zhí)行器實(shí)物圖 3.3 電/氣轉(zhuǎn)換器的選擇設(shè)計(jì) 為了使氣動(dòng)執(zhí)行器能夠接收電動(dòng)控制器的輸出信號，必須使用電/氣轉(zhuǎn)換器把 控制器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換為20100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用EPC系 列DQ-3型電/氣轉(zhuǎn)換器。此種電氣轉(zhuǎn)換器體積小，靈敏度高，安裝方便，是直動(dòng) 式(無反饋)儀表，可以得到高功率的氣動(dòng)輸出信號，現(xiàn)場可直接改變作用方式， 供氣范圍寬、適應(yīng)各種不同場合使用并且具有防

30、爆功能。DQ-3型電/氣轉(zhuǎn)換器具 體技術(shù)指標(biāo)如下： 1: 輸入信號：420mA 2: 輸出訊號：20100kPa 3: 儀表精度：0.5% 4: 轉(zhuǎn)換器內(nèi)阻：250 圖3.6 電/氣轉(zhuǎn)換器實(shí)物圖 3.4 控制器的選擇設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中，共有塔釜溫度和蒸汽壓力兩處需要控制，因此需要對溫度控制器 和壓力控制器進(jìn)行選型?？刂苾x表一般可分為基地式控制儀表，單元組合式控制 儀表和以微處理器為中心的控制儀表。按照控制規(guī)律又可分為雙位控制，比例控 制，比例積分控制和比例微分控制?？刂破饔挚煞譃槟M式控制器，數(shù)字式PID 控制器和可編程邏輯控制器。模擬式控制器是用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能，經(jīng)歷了 型，型和型。數(shù)字式P

31、ID控制器是以微處理器為基礎(chǔ)的多功能控制儀表， 可接受多路模擬量及開光量輸入信號，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)算控制，并具有通信及故 障診斷功能?？删幊踢壿嬁刂破骱喎QPLC，基于微機(jī)技術(shù)解決生產(chǎn)中大量的開關(guān) 順序控制問題，可編程控制器最大特點(diǎn)在于可編程序，可通過改變軟件來改變控 制方式。 控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)按照工作特性，正負(fù)號作以下規(guī)則： 1 調(diào)節(jié)閥：氣開式取“+”，氣關(guān)式取“-”； 2 被控對象：若控制變量增加時(shí)，被控參數(shù)隨之增加取“+”；反之，則取 “-”； 3 變送器：輸出信號隨被測變量增加而增大，取“+”；反之取“-”； 4 調(diào)節(jié)器：測量輸入增加，調(diào)節(jié)器輸出增大時(shí)取“+”；測量輸入增加時(shí)， 調(diào)節(jié)器

32、輸出減小時(shí)取“-”； 在此串級控制系統(tǒng)中，溫度變送器為“+”，壓力變送器為“+”，氣開式調(diào) 節(jié)閥為“+”，通過系統(tǒng)中主、副對象，主、副控制器及調(diào)節(jié)閥的關(guān)系，對于主 對象溫度的控制，溫度控制器選為反作用。對于副對象壓力的控制，壓力控制器 為反作用。 3.4.1 溫度控制器的選擇設(shè)計(jì) 為滿足精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)的工藝要求，本設(shè)計(jì)選用 DDZ-型儀表。 型儀表 DT2031 數(shù)字調(diào)節(jié)器是基于電動(dòng)單元組合儀表進(jìn)行升級，采用數(shù)字化控 制技術(shù)的新型過程控制儀表，是一種智能型調(diào)節(jié)器，環(huán)境溫度：050相對濕 度：1085%，RH 大氣壓力：86106Kpa，外磁場強(qiáng)度：400Nm。儀表的內(nèi) 部有功能強(qiáng)大的微

33、處理器，根據(jù)不同要求進(jìn)行組態(tài)設(shè)定。實(shí)現(xiàn)具有微分前饋功能 的 PID，PI，PD，P 控制方案，操作，組態(tài)，設(shè)定方便，性能價(jià)格比高，可用于 電力、冶金、石油、化工等領(lǐng)域的自動(dòng)化控制。 圖3.6 溫度控制器實(shí)物圖 3.4.2 壓力控制器的選擇設(shè)計(jì) 在精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)中，為滿足蒸汽壓力的控制，選用型號為 YK306S 的壓力控制器。YK 系列壓力控制器產(chǎn)品用作壓力控制和壓力保護(hù)，當(dāng) 系統(tǒng)壓力到調(diào)定值時(shí)，開關(guān)自動(dòng)切斷（或接通）電路，除自動(dòng)復(fù)位型外，還備有 高壓手動(dòng)復(fù)位型，高低壓手動(dòng)復(fù)位型。具有刻度指示的壓力和壓差調(diào)節(jié)，壓力和 壓差調(diào)節(jié)的精度高，重復(fù)動(dòng)作點(diǎn)穩(wěn)定并且適用介質(zhì)為壓縮空氣、水、油等多種多

34、 種物質(zhì)。 YK306S 壓力控制器測量精度為 0.05Mpa，測量范圍為 03.0 Mpa，外形尺寸為 108*102*50（mm） 。 圖 3.7 壓力控制器實(shí)物圖 3.5 PID 控制算法 PID 控制是一種線性控制方法，控制參數(shù)整定過程包括：過程擾動(dòng)產(chǎn)生，擾 動(dòng)響應(yīng)評估及控制器參數(shù)的計(jì)算。根據(jù)給定值 r（t）與實(shí)際輸出值 y（t）構(gòu)成控制 偏差 e（t） ，即 e（t）= r（t）-y（t） 。對偏差 e（t）進(jìn)行比例，積分和微分運(yùn)算。將三 種運(yùn)算的結(jié)果相加，就得到 PID控制器的控制輸出 u（t） 。 在連續(xù)時(shí)間域中，PID控制器算法的表達(dá)式如下： 式中：Kp 為比例系數(shù)，Ti 為積

35、分時(shí)間常數(shù)，Td 為微分時(shí)間常數(shù)。 PID 控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下： 比例環(huán)節(jié)：成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 e（t） ，偏差一旦產(chǎn)生，控制 )1-3(. )( )( 1 )()( 1 0 dt tde Tdtte T teKty D l p 器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于 積分時(shí)間常數(shù) Ti,Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢，調(diào)節(jié)誤差的微分輸出，誤差突變時(shí)， 能及時(shí)控制，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正 信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，進(jìn)而得到優(yōu)化的控

36、制性能。 本設(shè)計(jì)中，通過串級系統(tǒng)的主副回路來對精餾塔塔釜溫度進(jìn)行控制。主回路 中以精餾塔塔釜為主要控制參數(shù)，塔釜溫度是精餾塔分離工藝重要參數(shù)。主回路 中主副對象傳遞函數(shù)分別為： 主對象函數(shù)： )2-3(. 162 .51 04 2 s s sG 副對象函數(shù)： )3-3.(. 151 1 4s s sG 為滿足精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)的工藝要求，本設(shè)計(jì)中主調(diào)節(jié)器采用比例積 分微分控制（PID 控制） ，副調(diào)節(jié)器采用比例控制（P 控制） 。 第 4 章 系統(tǒng)仿真或模擬調(diào)試 根據(jù)串級控制系統(tǒng)方框圖使用 MATLAB 對系統(tǒng)的階躍響應(yīng)進(jìn)行仿真，通過 觀察仿真圖進(jìn)行判斷系統(tǒng)控制器參數(shù)選擇是否使系統(tǒng)滿足工藝

37、要求。 在精餾塔 溫度串級控制系統(tǒng)中，我們以塔釜溫度為主要被控參數(shù)，塔釜溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn) 質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格，又因?yàn)榫s塔串級控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，選擇 PID 調(diào)節(jié)作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律?？刂聘眳?shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制 質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，所以 副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇了 P 控制。整定串級控制系統(tǒng)的參數(shù)為最佳值，用 MATLAB 仿真。通過仿真曲線來對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定，改變主副調(diào)節(jié)器參數(shù) 來使過渡過程的遞減比為 4：1。本設(shè)計(jì)采用一步整定法來對主副控制器的參數(shù)進(jìn) 行整定，先將副控制器一次放好，不再變動(dòng)，然后按照一般單回路孔控制系統(tǒng) 的整定方法直接整定主控制器參數(shù) 。副控制器選擇比例調(diào)節(jié)規(guī)律 ，因?yàn)楦被?路進(jìn)行壓力控制， 為使遞減比滿足要求，將 副回路中 Kp=5，主回路中 Kp=2.2，Ti=30,Td=2。圖 4.1 MATLAB 仿真框圖 圖 4.2