基于JX-300XP的板式精餾塔DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、第 I 頁(yè) 共 I 頁(yè) 目 次 1 引言.11.1 課題背景及依據(jù).11.2 板式精餾塔的控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀.21.3 板式精餾塔的簡(jiǎn)述.21.4 DCS 系統(tǒng)的簡(jiǎn)述 .31.5 本課題主要研究的內(nèi)容.52 系統(tǒng)理論的分析及控制方案的確定.62.1 板式精餾塔控制系統(tǒng)研究的對(duì)象及要求.62.2 板式精餾塔控制方案的比較與確定.142.3 板式精餾塔控制系統(tǒng)的組成及其工作原理.163 板式精餾塔控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).193.1 精餾塔的監(jiān)控測(cè)試點(diǎn)的確定.193.2 精餾塔控制系統(tǒng)的 DCS 硬件設(shè)計(jì) .203.3 系統(tǒng)硬件的安裝 .234 精餾塔控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).244.1 控制系統(tǒng)在 DCS

2、 中的實(shí)現(xiàn) .254.2 精餾塔的組態(tài)設(shè)計(jì) .265 系統(tǒng)組態(tài)與實(shí)時(shí)監(jiān)控的連接與調(diào)試 .375.1 系統(tǒng)組態(tài)與實(shí)時(shí)監(jiān)控的連接 .375.2 系統(tǒng)調(diào)試.375.3 其它控制量的控制趨勢(shì)圖 .40結(jié) 論.42致 謝.43參 考 文 獻(xiàn).44 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 1 頁(yè) 共 45 頁(yè)1 1 引言引言精餾是煉油、化工、輕工、等生產(chǎn)部門(mén)中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)分離過(guò)程，其目的是將混合液中各組成分離開(kāi)，成為具有一定純度的產(chǎn)品或半產(chǎn)品。例如煉油廠通過(guò)精溜將石油分離成為汽油、煤油、柴油等產(chǎn)品；酒精生產(chǎn)廠用精餾塔將雜質(zhì)除去，得到一定純度的酒精。精餾過(guò)程的實(shí)質(zhì)，是利用混合物中的不同發(fā)揮

3、度，即同一溫度下，這種性質(zhì)的不同壓力的蒸汽，使液相轉(zhuǎn)移到氣相，汽相重組轉(zhuǎn)移到液體中，從而達(dá)到分離的目的。隨著石油化工的迅速發(fā)展，精餾操作的應(yīng)用越來(lái)越廣，分離物料的組分越來(lái)越多，分離的產(chǎn)品純度要求越來(lái)越高，對(duì)精餾過(guò)程的控制也提出了越來(lái)越高的要求，也越來(lái)越被人們所重視。精餾過(guò)程通過(guò)精餾塔、再沸器、冷凝器等設(shè)備完成。再沸器為混合物液相中輕組分的轉(zhuǎn)移提供能量；冷凝器將塔頂來(lái)的上升蒸氣冷凝為液相，并提供精餾所需回流。精餾塔是實(shí)現(xiàn)混合物組分分離的主要設(shè)備，一般為圓柱型體，內(nèi)部裝有提供汽液分離的塔板或填料，塔身設(shè)有混合物進(jìn)料口和產(chǎn)品出料口。精餾過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。表現(xiàn)為：過(guò)程變量多，被控變量多，可

4、操縱的變量也多；過(guò)程動(dòng)態(tài)和機(jī)理復(fù)雜，例如，非線性、時(shí)變、關(guān)聯(lián)；控制方案多樣，例如，同一被控變量可以采用不同的控制方案，控制方案的適應(yīng)面廣等。因此，熟悉工藝過(guò)程和內(nèi)在特性，對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要。1.11.1 課題課題背景及依據(jù)背景及依據(jù)乙醇水是工業(yè)上最常見(jiàn)的溶劑，也是非常重要的化工原料之一，是無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)致癌性、無(wú)污染和腐蝕性小的液體混合物。因其良好的理化性能，而被廣泛的應(yīng)用于化工、日化、醫(yī)藥等行業(yè)。近些年來(lái)，由于燃料價(jià)格的上漲，乙醇燃料越來(lái)越有取代傳統(tǒng)燃料的趨勢(shì)已在很多地方的公交車(chē)和出租車(chē)中使用了。長(zhǎng)期以來(lái)，乙醇多以蒸餾法產(chǎn)生，但是由于乙醇水體系有共沸現(xiàn)象，普通的精餾對(duì)于得到高純度的乙醇

5、來(lái)說(shuō)產(chǎn)量不好。但是由于常用的多為其水溶液，因此，研究和改進(jìn)乙醇水體系的精餾設(shè)備是非常重要的。塔設(shè)備是最常用的精餾裝置，無(wú)論是填料塔還是板式塔都在化工生產(chǎn)過(guò)程 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 2 頁(yè) 共 45 頁(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是在本設(shè)計(jì)中對(duì)填料塔和板式塔經(jīng)行比較后，確認(rèn)板式塔在本設(shè)計(jì)的應(yīng)用中比填料塔好。因此，本設(shè)計(jì)采用板式精餾塔的控制系統(tǒng)。1.21.2 板式精餾塔的控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀板式精餾塔的控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀板式精餾塔控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要運(yùn)用了 DCS 控制系統(tǒng)。DCS（分布式集散控制系統(tǒng)）的應(yīng)用日益普遍的原因之一是：DCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊、

6、智能信號(hào)裝置和過(guò)程調(diào)節(jié)裝置與 PC 之間的數(shù)據(jù)傳輸，把 I/O 通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用減少到最小，從而使成本費(fèi)用大大的節(jié)省。其原因之二是：DCS 具有“開(kāi)放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散 I/O 裝置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備11。DCS 最早是 1975 年出現(xiàn)的。30 年來(lái)，隨著市場(chǎng)用戶需求的不斷提高，電子、計(jì)算機(jī)軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人因工程的發(fā)展，各 DCS 廠家激烈的競(jìng)爭(zhēng)和兼并及技術(shù)的融合，促使 DCS 技術(shù)平臺(tái)的水平不斷提高。我們可以吧 Honeywell等公司在 20 世紀(jì) 70 年代推出的先期系統(tǒng)作為第一代 DCS.各公司在 20 世紀(jì) 80年代中

7、期推出的系統(tǒng)，如 Honeywell 推出的 TDC-3000，西屋公司的 WDPF 系統(tǒng)，橫河公司的 CENTUM-XL 等稱為第二代 DCS。自從 FOXBORO 公司推出 I/A Series以后，各公司積極地研發(fā)并推進(jìn)開(kāi)放技術(shù)，開(kāi)始擴(kuò)展 DCS 的信息管理功能，我們可以把 20 世紀(jì) 90 年代初期與中期推出的各 DCS 稱為第三代 DCS。20 世紀(jì) 90年代末至 21 世紀(jì)初，幾大 DCS 廠家進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的功能范圍，改變了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的方式-由原來(lái)完全自主開(kāi)發(fā)變?yōu)榧砷_(kāi)發(fā)，紛紛推出新一代的 DCS。這一代 DCS 具有鮮明的共性：全面支持企業(yè)信息化，系統(tǒng)構(gòu)成集成化，混合控制功能兼

8、容，硬件進(jìn)一步分散化、智能化和低成本化，系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)放化，應(yīng)用系統(tǒng)專業(yè)化。目前國(guó)產(chǎn) DCS 的技術(shù)水平已達(dá)到或接近國(guó)外廠家同類 DCS 的水平，并占據(jù)了相當(dāng)多的市場(chǎng)份額。北京和利時(shí)公司（Hollysys）推出 MACS-Smartpro 第四代 DCS 系統(tǒng)，浙大中控公司(SUPCON)推出 Webfield(ECS)系統(tǒng)，上海新華公司推出了 XDPF-400 系統(tǒng)。161.31.3 板式精餾塔的簡(jiǎn)述板式精餾塔的簡(jiǎn)述精餾塔是均相混合物分離的過(guò)程的主要單元設(shè)備，精餾操作既可采用板式 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 3 頁(yè) 共 45 頁(yè)塔，也可采用填料塔，板式塔為逐級(jí)接觸型氣液傳

9、質(zhì)設(shè)備，從 1813 年Cellier 首次提出泡罩塔至今，板式塔出現(xiàn)了許多不同類型的塔板。最常用的板式塔有泡罩塔，篩板塔和浮閥塔。篩板塔是最早出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)型式之一，在 1832 年以用于生產(chǎn)。當(dāng)時(shí)，對(duì)篩板的操作性能認(rèn)識(shí)不足，由于篩板塔設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致操作性能很差，而同一時(shí)期開(kāi)發(fā)的泡罩塔則能穩(wěn)定地操作。因此泡罩塔從 19 世紀(jì)中期直至 20 世紀(jì) 40 年代，始終在塔設(shè)備中占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位。但是泡罩塔雖然操作穩(wěn)定，卻存在著不少缺點(diǎn)，如造價(jià)高，壓降大，液壓面落差大等。20 世紀(jì) 50 年代，研究人員對(duì)篩板塔做了大量的研究工作，取得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)深入研究篩板的操作性能后認(rèn)為。篩板塔是操作性能

10、良好的設(shè)備。1.41.4 DCSDCS 的概述的概述1.4.1 DCS 系統(tǒng)的組成特點(diǎn)分散型綜合控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡(jiǎn)稱 DCS）又稱為集散控制系統(tǒng)，它綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)，通信技術(shù)和顯示技術(shù)，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入了一個(gè)新階段。DCS 系統(tǒng)以其靈活，模塊化結(jié)構(gòu)，安全，可靠，危險(xiǎn)分散，功能齊全以及對(duì)大規(guī)模系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)成為當(dāng)代自動(dòng)化控制的主流系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)的基本組成都包括分散的過(guò)程控制裝置、集中操作管理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)三部分。分散過(guò)程控制裝置部分由多回路控制器、單回路控制器、多功能控制器、可編程序邏輯控制器及數(shù)據(jù)采集裝置的組成，它相當(dāng)于車(chē)間操

11、作管理級(jí)和過(guò)程控制裝置級(jí)。集中操作和管理部分由操作站、管理機(jī)和外部設(shè)備如打印機(jī)、拷貝機(jī)等組成，相當(dāng)于車(chē)間操作管理級(jí)和全廠優(yōu)化、調(diào)度管理級(jí)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。每級(jí)之間以及每級(jí)內(nèi)的計(jì)算機(jī)或微處理器則由通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是 DCS 的基本和核心，實(shí)現(xiàn)將分散的信息綜合、管理的信息分散的功能。它的主要特點(diǎn)是信息的集成化、DCS 、PLC 和 FCS 相互融合形成混合控制系統(tǒng)、開(kāi)放性、低成本。 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 4 頁(yè) 共 45 頁(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)主要有軸電纜、雙紋線、光纖以及射頻等。同軸電纜帶寬較高，傳輸距離可達(dá)幾公里。同軸電纜目前主要應(yīng)用在環(huán)形和總線型網(wǎng)絡(luò)中，

12、其成本中等。雙紋線近年來(lái)在桌面接入系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在星型網(wǎng)絡(luò)中。光纖損耗低，傳輸距離遠(yuǎn)，通信容量大，而且光纖抗電磁干擾能力強(qiáng)。應(yīng)該說(shuō)，光纖是工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。選擇什么樣的傳輸介質(zhì)往往跟網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系有關(guān)，例如星型結(jié)構(gòu)通常選用雙絞線，這取決于節(jié)點(diǎn)的能力、節(jié)點(diǎn)之間的距離及環(huán)境因素等。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用任何傳輸介質(zhì)，取決于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求。對(duì)于總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般采用雙紋線和同軸電纜，而不選用光纖。有線方式在應(yīng)用范圍、組網(wǎng)靈活性等方面都存在著一定的不足。相反，采用無(wú)線射頻的方式則可以超越地域上的限制，大大提高系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上的靈活性。因此，近年來(lái)，無(wú)線 DCS 越來(lái)越受到人

13、們的重視11。1.4.2 JX300XP 系統(tǒng)概述浙大中控推出的全數(shù)字化的新一代集散控制系統(tǒng) JX300XP，大限度的滿足應(yīng)用需求的原則，應(yīng)用了最新的信號(hào)處理技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、可靠地軟件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，采用了高性能的微處理器和成熟的先進(jìn)控制算法，全面提高了 JX300X 的功能和性能，使其兼具了高速可靠的數(shù)據(jù)輸入、輸出、運(yùn)算、過(guò)程控制功能和 PLC 連鎖邏輯控制功能，能適應(yīng)更廣泛更復(fù)雜的應(yīng)用要求，成為一個(gè)全數(shù)字化。結(jié)構(gòu)靈活、功能完善的新型開(kāi)放式集散控制系統(tǒng)。 JX-300XP DCS 由操作站、控制站、過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)等組成。 工程師站是為專業(yè)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)的， 內(nèi)裝有

14、相應(yīng)的組態(tài)平臺(tái)和系統(tǒng)維護(hù)工具。通過(guò)系統(tǒng)組態(tài)平臺(tái)生成適合于生產(chǎn)工藝要求的應(yīng)用系統(tǒng)，具體功能包括：系統(tǒng)生成、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)定義、操作組態(tài)、流程圖畫(huà)面組態(tài)、報(bào)表程序編制等。而使用系統(tǒng)的維護(hù)工具軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、故障診斷、信號(hào)調(diào)校等。操作站是由工業(yè) PC 機(jī)、CRT、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)等組成的人機(jī)系統(tǒng)，是操作人員完成過(guò)程監(jiān)控管理任務(wù)的環(huán)境。高性能工控機(jī)、卓越的流程圖機(jī)能、多 窗口畫(huà)面顯示功能可以方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程信息的集中顯示、 集中操作和集中管理。控制站直接與現(xiàn)場(chǎng)打交道的 I/O 處理單元，完成整個(gè)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能?？刂普究扇哂嗯渲?，靈活、合理。在同一系統(tǒng)中，任何信號(hào)均可按冗余或不冗余連接

15、，詳見(jiàn)卡件描述。對(duì)于系統(tǒng)中重要的公用部件，建議采用 100%冗余，如主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和電源箱。過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工程師站、操作站、 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 5 頁(yè) 共 45 頁(yè)控制站的連接，完成信息、控制命令等傳輸，雙重化冗余設(shè)計(jì)，使得信息傳輸安全、高速。DCS 采用三層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如下圖 1.2 所示：集散控制系統(tǒng)的基本組成部分包括分散的過(guò)程過(guò)程控制裝置、集中操作管理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)三個(gè)部分。如圖 1.1 所示。圖 1.1 三層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最上層為信息管理網(wǎng)，采用符合 TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)，連接了各個(gè)控制裝置的網(wǎng)橋以及企業(yè)內(nèi)各類管理計(jì)算機(jī)，用于工廠級(jí)的信息

16、傳送和管理，是實(shí)現(xiàn)全廠綜合管理的信息通道。中間層為過(guò)程控制網(wǎng)，采用了雙高速冗余工業(yè)以太網(wǎng) Scnet作為其過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)，連接操作站、工程師站與控制站等，傳輸各種實(shí)時(shí)信息。底層網(wǎng)絡(luò)為控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò) SBUS，采用主控制卡指揮式令牌網(wǎng)，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信協(xié)議，是控制站各卡件之間進(jìn)行信息交換的通道9。1.51.5 本課題主要研究的內(nèi)容本課題主要研究的內(nèi)容本課題是針對(duì)某 8 層塔板的板式精餾塔，需對(duì)進(jìn)料（乙醇和水的混合溶液）在塔頂分離出純度達(dá) 80%以上的乙醇產(chǎn)品，先利用化工原理知識(shí)為精餾的工程設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，再用組態(tài)軟件編寫(xiě)組態(tài)控制程序，并在實(shí)際的精餾塔上運(yùn)行調(diào)試通過(guò)，采用合理的控制策略，力求混合物的分

17、離純度達(dá)到 80%以上。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括儀表選型、DCS 硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工藝流程圖的繪制以及上位機(jī)組態(tài)程序設(shè)計(jì)等，后期調(diào)試階段主要通過(guò)工程參數(shù)整定方法來(lái)確定各環(huán)節(jié)的 PID 調(diào) 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 6 頁(yè) 共 45 頁(yè)節(jié)參數(shù)。 儀表的選型要突出實(shí)用、可靠、先進(jìn)的原則，控制系統(tǒng)采用浙江中控 DCS系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)輸入輸出的點(diǎn)數(shù)，給出 DCS 需要的卡件類型和數(shù)目清單。2 2 系統(tǒng)理論的分析及控制方案的確定系統(tǒng)理論的分析及控制方案的確定2.12.1 板式精餾塔控制系統(tǒng)研究的對(duì)象及要求板式精餾塔控制系統(tǒng)研究的對(duì)象及要求2.1.1 研究對(duì)象a)全塔物料的衡算(1)料液及塔頂、

18、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù)原料液組成：3508.0184246584658Fx塔頂產(chǎn)品組成：61.0182046804680Dx塔底產(chǎn)品組成：2069. 0186046404640Wx(2)平均摩爾質(zhì)量加料板：KmolKgFM/8224.273508. 01183508. 046塔頂： KmolKgMD/08.3561.011861.046塔底： KmolKgMW/7932.232069. 01182069. 046(3)物料衡算總物料衡算：F=D+W 其中：F-原料液流量 D-塔頂產(chǎn)品流量 W-塔地產(chǎn)品流量加加加加加加加加加加加加加F 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 7 頁(yè) 共

19、45 頁(yè)hKmolF/7188. 08224.2720易揮發(fā)組分的衡算：WDFWxDxFx2069. 061. 03508. 07188. 0WD由上以得：2566. 02069. 061. 02069. 03508. 07188. 0WDWFxxxxFD所以4622. 02566. 07188. 0DFW回收率乙醇回收率：%075.62%1003508. 07188. 061. 02566. 0%100FFxDDxD水的回收率：%55.78%1003508. 017188. 02069. 014622. 0%10011FxFWxWWb)塔板數(shù)的確定(1)逐板計(jì)算法介紹假設(shè)塔頂冷凝器為全凝器泡

20、點(diǎn)回流，回流比為 2，塔釜為間接器加熱，如圖 2-1 所示.因塔頂采用全凝器，故從塔頂?shù)谝粔K板（即最上一層塔板）上升的蒸氣進(jìn)入冷凝器后被全部冷凝，塔頂餾出液及回流液組成即為第一塊塔板上升蒸氣組成，即Dxy 1而離開(kāi)第一塊塔板的液相組成與從該板上的蒸氣組成滿足相平衡關(guān)系，因此可由汽-液平衡方程求得，即1111 yaayx第二塊理論塔板上升的蒸氣組成與第一塊塔板下降的液體組成滿足精餾段操作線方程，即 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 8 頁(yè) 共 45 頁(yè)DxRxRRy11112同理，與滿足相平衡方程，可求出，而與滿足精餾段操作線方程，可計(jì)算出，以此類推，重復(fù)計(jì)算，直到計(jì)算到（即精

21、餾段與提溜段操作線的交點(diǎn)）后，再改用相平衡方程和提溜段操作線方程計(jì)算提溜段每段塔板組成，至為止。在計(jì)算過(guò)程中沒(méi)使用一次相平衡方程表示需要一塊理論板對(duì)于間接蒸汽加熱的再沸器，認(rèn)為離開(kāi)它的氣液兩相達(dá)到平衡，故再沸器相當(dāng)于一塊理論板。所以提溜段所需的理論板數(shù)應(yīng)為計(jì)算機(jī)中使用相平衡關(guān)系上網(wǎng)次數(shù)減 1。精餾塔所需的總理論板數(shù)為。加加NNN(2)確定精餾塔的理論塔板根據(jù)上面的數(shù)據(jù)分析和逐板計(jì)算法的介紹可以確定精餾塔的理論板數(shù)。已知塔頂冷凝器為全凝器泡點(diǎn)回流，回流比 R 為 2。在操作條件下，物系的相對(duì)發(fā)揮度 a 為 1.7。所以精餾段操作線方程為：,361. 032111nDnnxRxxRRy提溜段操作線

22、方程為：1242. 04137. 1111mWmmxDRWxxDRqFRDy相平衡方程方程為：yyyaayx7 . 07 . 11利用操作線方程、提溜段操作線方程和相平衡方程，可自上而下逐板計(jì)算所需理論板數(shù)。因塔頂為全凝器，則。61. 01Dxy由相平衡方程求得第一塊板下降液體組成為：4792. 061. 07 . 07 . 161. 07 . 07 . 1111yyx利用精餾段操作線計(jì)算第二塊板上升蒸汽組成為:5228. 0361. 04792. 032361. 03212xy 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 9 頁(yè) 共 45 頁(yè)交替使用精餾段操作線方程提溜段操作線方程、

23、和相平衡方程直到，然后改用提溜段操作線方程，直到為止，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表Fnxx Wnxx 2.1。表 2.1 各層塔板上的氣液組成板號(hào)12345y0.610.52880.46450.35220.1535x0.4790.39180.337xF0.24230.0964xW精餾塔內(nèi)理論塔板數(shù)為 5-1= 4 塊，其中精餾段 2 塊，第 3 塊為進(jìn)料板。(3)實(shí)際塔板數(shù)已知全塔效率 ET=0.52 所以實(shí)際板數(shù) NP=NT/ET=4/0.52=8 實(shí)際塔板數(shù)為 8 層，其中精餾段為 2 提餾段為 2 層。此設(shè)計(jì)研究的對(duì)象時(shí)板式精餾塔的控制系統(tǒng)。由于對(duì)精餾塔的控制要求較高所以設(shè)計(jì)每個(gè)控制環(huán)節(jié)時(shí)要全方面的考慮

24、。如圖 2.1 所示，是八層板式精餾塔的結(jié)構(gòu)圖。TT21冷卻水進(jìn)TT22LT53LT52TT31TT32LT51調(diào)壓加熱模塊冷卻水出P101P103C101C102C103C104E101E102FT12P104P102C105V1圖 2.1 八層板式精餾塔的結(jié)構(gòu)圖機(jī)械設(shè)備： 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 10 頁(yè) 共 45 頁(yè)精餾塔主體 C101原料預(yù)熱盤(pán)管式換熱器 E101塔頂盤(pán)管式冷凝器 E102 與回流罐 C102塔頂產(chǎn)品罐 C105 與塔底產(chǎn)品罐 C104原料罐 C103動(dòng)力設(shè)備電加熱器塔頂產(chǎn)品計(jì)量泵 P102、塔頂回流計(jì)量泵 P104、進(jìn)料計(jì)量泵 P105進(jìn)料

25、初始進(jìn)料泵 P101、塔底殘液出料泵 P103檢測(cè)儀表：Pt100 熱電阻溫度傳感器塔底液位與回流罐液位傳感變送器進(jìn)料、塔頂產(chǎn)品與回流計(jì)量泵冷卻水渦輪流量計(jì) FT12執(zhí)行機(jī)構(gòu)：用于調(diào)節(jié)冷卻水量的比例調(diào)節(jié)閥 V1用于自動(dòng)啟停塔底殘液出料泵的開(kāi)關(guān)繼電器用于調(diào)節(jié)塔底加熱功率的單相可控硅調(diào)壓裝置用于調(diào)節(jié)進(jìn)料、塔頂產(chǎn)品與回流量的進(jìn)口計(jì)量泵 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 11 頁(yè) 共 45 頁(yè)則精餾塔的配置和硬件清單如表 2.2 所示。表 2.2 精餾塔的配置和硬件清單配置序號(hào)型號(hào)及名稱單位數(shù)量功能材質(zhì)產(chǎn)地1原料儲(chǔ)罐只1用于實(shí)驗(yàn)原料存儲(chǔ)，采用鏡面不銹鋼材質(zhì)浙江中控2精餾塔只1用于實(shí)驗(yàn)

26、水和酒精的分離實(shí)驗(yàn)，采用鏡面不銹鋼材質(zhì)浙江中控3水泵只11、輸送原料液至精餾塔塔釜2、輸送殘液至精餾塔廢料罐浙江中控4計(jì)量泵只41、用于精確計(jì)量回流的產(chǎn)品流量2、用于精確計(jì)量產(chǎn)品的流量3、用于精確計(jì)量進(jìn)料的流量4、塔底殘液出料流量顯示 FI12浙江中控5不銹鋼管道只若干6不銹鋼閥門(mén)只若干7對(duì)象框架個(gè)1提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置浙江中控8對(duì)象電氣柜個(gè)1提供設(shè)備用電浙江中控9鉑熱電阻只10檢測(cè)精餾塔塔節(jié)溫度檢測(cè)精餾塔塔釜溫度檢測(cè)精餾塔進(jìn)料溫度檢測(cè)精餾塔產(chǎn)品出料溫度浙江中控 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 12 頁(yè) 共 45 頁(yè)10差壓變送器只1測(cè)量塔釜液位浙江中控11壓力變送器只2測(cè)量塔

27、頂和塔釜壓力浙江中控12渦輪流量計(jì)只1塔頂冷卻水流量檢測(cè)浙江中控13比例閥只1塔頂冷卻水流量調(diào)節(jié)浙江中控控制系統(tǒng)硬件配置1SP202系統(tǒng)機(jī)柜1含威圖溫度控制器2電源(24V)1按照液位、壓力、流量的參數(shù)和結(jié)構(gòu)選擇測(cè)控儀表的型號(hào)如表 2.3 所示。表 2.3 精餾塔控制的所需儀表序號(hào)檢測(cè)點(diǎn)名稱及型號(hào)1原料進(jìn)塔溫度 TT21鉑熱電阻 Pt1002塔頂回流溫度 TT22鉑熱電阻 Pt1003各塔段溫度 TT31-TT37鉑熱電阻 Pt1004塔頂蒸汽溫度 T40鉑熱電阻 Pt1005塔底液位傳感器 LT51壓力變送器6回流罐液位傳感器 LT52壓力變送器7進(jìn)料流量顯示 FI11計(jì)量泵8塔底殘液出料流

28、量顯示 FI12計(jì)量泵9塔頂回流計(jì)量泵流量顯示 FI13計(jì)量泵10塔頂產(chǎn)品計(jì)量泵流量顯示 FI14計(jì)量泵11冷卻水渦輪流量計(jì) FT15渦輪流量計(jì)2.1.2 板式精餾塔控制要求精餾塔的控制目標(biāo)是保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使回收率最高、能耗最低，或使總收益最大，或總成本最小。精餾過(guò)程是在一定約束條件下進(jìn)行的。因此，精餾塔的控制要求可從質(zhì)量指標(biāo)產(chǎn)品能量和能量消耗三方面考慮。a)質(zhì)量指標(biāo) 精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)指塔頂或/和塔底產(chǎn)品的純度。通常，滿足一端的產(chǎn)品質(zhì)量，即塔頂或塔底產(chǎn)品之一達(dá)到規(guī)定純度，而另一端產(chǎn)品的純度維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。也可以是塔頂和塔底的產(chǎn)品均滿足一定的純度要求。二元精餾的混合 本本科科畢畢

29、業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 13 頁(yè) 共 45 頁(yè)物中只有兩種組分，因此，質(zhì)量指標(biāo)是塔頂產(chǎn)品中輕組分和塔底產(chǎn)品重組分的純度（含量）滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。產(chǎn)品純度并非越純?cè)胶?，原因是純度越高，?duì)控制系統(tǒng)的偏離度要求越高，操作成本的提高與產(chǎn)品的價(jià)格并不成比例增加；純度要求應(yīng)與使用要求適應(yīng)。b)產(chǎn)品產(chǎn)量在滿足產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的前提下，產(chǎn)品的產(chǎn)量也是重要的控制指標(biāo)。產(chǎn)品收率定義為產(chǎn)品產(chǎn)量與進(jìn)料中該產(chǎn)品組分的量之比。即ziFPiR式中，P 是產(chǎn)品的產(chǎn)量；F 是進(jìn)料量；是進(jìn)料中該組分的含量。生產(chǎn)效益除產(chǎn)品純度與產(chǎn)品收率間關(guān)系外，還須考慮能量消耗因素。產(chǎn)品產(chǎn)量越多，所需能量也越大。產(chǎn)品產(chǎn)量與物料平衡有關(guān)

30、。即應(yīng)滿足下列物料平衡關(guān)系?？偽锪掀胶?F=D+B輕組分物料平衡BBxDDxzFF式中 F 是進(jìn)料量；D 是塔頂餾出液量；B 是塔底釜液采出量；是進(jìn)料中輕組分含量；和是塔頂和塔底餾出液中輕組分含量。式是二元精餾時(shí)輕組分物料平衡式。因此，產(chǎn)品產(chǎn)量應(yīng)滿足物料平衡約束。c)能量平衡和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)精餾過(guò)程是能耗大戶。再沸器需要加熱量，冷凝器需要消耗冷卻量，此外，精餾塔、附屬設(shè)備和管線等也有熱量損耗。精餾塔中上升蒸汽量越多，輕組分越容易從塔頂餾出，但消耗能量也越大，單位進(jìn)料量能耗增加到一定數(shù)值后，如果繼續(xù)增加塔內(nèi)上升蒸汽量、產(chǎn)品產(chǎn)量的同時(shí)，考慮降低能量消耗，使能量平衡，實(shí)現(xiàn)較好經(jīng)濟(jì)性。d)約束條件精餾過(guò)程

31、是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。為滿足穩(wěn)定和安全操作要求，對(duì)精餾他操作參數(shù)有一定的約束條件。為了使塔能正常工作，必須滿足一些約束條件，例如，塔內(nèi)汽液兩相流速既不能過(guò)高，引起液泛；又不能過(guò)低，引起塔板 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 14 頁(yè) 共 45 頁(yè)效率大幅度下降。最好是操作在接近液泛泛點(diǎn)附近。對(duì)于用再沸器作加熱裝置的精餾塔，還要求加熱溫差不能大到超過(guò)“臨界溫差”等。e)氣相速度限。精餾塔上升蒸汽速度的最大限值。當(dāng)上升蒸汽速度過(guò)高時(shí)，造成霧沫夾帶，塔板上的液體不能向下流，下層塔板的氣相組分倒流到上層塔板，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。破壞正常的氣液平衡關(guān)系，使精餾塔不能正常進(jìn)行組分分離；f)

32、最小氣相速度限。精餾塔上升蒸汽速度的最小限值。當(dāng)上升蒸汽速度過(guò)低時(shí)，上升蒸汽不能托起上層的液相，造成 NO 液，使板效率下降，精餾操作不能正常進(jìn)行。g)操作壓力限。每個(gè)精餾塔都存在著一個(gè)最大操作壓力限值。精餾塔的操作壓力過(guò)大，影響塔內(nèi)的氣液平衡，超過(guò)這個(gè)壓力，塔的安全就沒(méi)有保障。h)臨界溫度限。根據(jù)能量平衡關(guān)系，再沸器兩側(cè)的溫度差低于臨界溫度限時(shí)，再沸器的給熱系數(shù)急劇下降，傳熱量下降，嚴(yán)重時(shí)不能保證精餾塔的正常傳熱需要。因此，再沸器有臨界溫度限的約束。冷凝器冷卻能力與塔壓和塔頂餾出產(chǎn)品組分有關(guān)。同樣，冷卻量也有限值，才能保證合適的回流溫度，使精餾塔能夠正常操作。因此，冷凝器也有臨界溫度限的約束

33、等13。2.22.2 板式精餾塔控制方案的比較與確定板式精餾塔控制方案的比較與確定2.2.1 精餾塔的類型的比較與確定分離乙醇-水二元混合物，由板式塔與填料塔比較知：板式塔直徑放大時(shí)，塔板效率比較穩(wěn)定,且持液量較大，液氣比適應(yīng)范圍大，因此本次精餾塔設(shè)備選擇板式塔。篩板塔是降液管塔板中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的，它與泡罩塔比較具有下列優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)能力大 10-15%，板效率提高 15%左右，而壓降可降低 30%左右，另外篩板塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消耗金屬少，塔板的造價(jià)可減少 40%左右，安裝容易，也便于清洗檢修。因此，本設(shè)計(jì)采用篩板塔比較合適。2.2.2 控制方案的的簡(jiǎn)述與設(shè)計(jì)a)控制方案的簡(jiǎn)述精餾塔控制系統(tǒng)的控制方案中

34、最常用的有單回路控制和串級(jí)控制兩種。在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了能更清楚的表示一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)各個(gè)組成環(huán)節(jié)之間的相互影響和信號(hào)聯(lián)系，便于對(duì)控制系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來(lái)表示 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 15 頁(yè) 共 45 頁(yè)控制系統(tǒng)的組成。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用 y 表示被控變量，即對(duì)象的輸出；引起被控變量波動(dòng)的外來(lái)因素稱為干擾作用，用 f 表示；如果用一方塊表示控制閥，那么，出料流量即為控制閥方塊的輸出信號(hào)。出料流量信號(hào) q 在方塊圖中把控制閥和對(duì)象連接在一起。測(cè)量元件及邊上變送器的輸入信號(hào) z 進(jìn)入比較機(jī)構(gòu)，與工藝上希望保持的被控變量數(shù)值，即給定值 x 進(jìn)行比較，得出

35、偏差信號(hào) e，為了能更清楚的說(shuō)明其比較作用，在圖中把它單獨(dú)畫(huà)出來(lái)。用同一種形式的方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)。所以，為了便于分析，用方塊圖來(lái)表示控制方案中的單回路控制、串級(jí)控制等常規(guī)控制方案?？刂破骺刂崎y對(duì)象操縱變量測(cè)量元件變送器xypqz圖 2.2 單回路控制系統(tǒng)方塊圖主控制器副控制器執(zhí)行器副對(duì)象主對(duì)象副測(cè)量變送主控制器變量圖 2.3 串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖b）板式精餾塔控制設(shè)計(jì)精餾塔自動(dòng)控制的主要目的是使塔頂和塔底的產(chǎn)品滿足質(zhì)量要求。這方面的要求不高，以及擾動(dòng)不多的時(shí)候，由前面靜態(tài)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關(guān)系進(jìn)行控制已能達(dá)到目的。下面來(lái)對(duì)

36、本設(shè)計(jì)選定的精餾塔來(lái)全方位的設(shè)計(jì)。(1) 進(jìn)料流量的自動(dòng)控制。將進(jìn)料初始加料泵 P101 切換成進(jìn)料計(jì)量泵P105，以遠(yuǎn)程方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)料量 FT11 的定值控制。 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 16 頁(yè) 共 45 頁(yè)(2) 冷卻水量的自動(dòng)控制。以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 V1 與冷卻水渦輪流量計(jì) FT12 組成流量單回路控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)冷卻水量 FT12 的定值控制。(3) 塔頂蒸汽回流溫度的串級(jí)控制。以冷卻水量單回路控制為內(nèi)回路，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水量 FT12 的設(shè)定值，以最終控制回流液的回流溫度 TT22。(4) C101 塔底液位的區(qū)間控制。以開(kāi)關(guān)方式控制磁力泵 P103 的啟停，

37、以使塔底液位在一定范圍內(nèi)變化。另外，當(dāng)塔底液位過(guò)低時(shí)，通過(guò)減少塔底加熱量甚至切斷加熱器的電源，以確保精餾塔操作的安全性。(5) 回流罐 C102 液位的均勻控制。通過(guò)調(diào)節(jié)塔頂回流計(jì)量泵 P104 的轉(zhuǎn)速以控制塔頂回流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)回流罐 C102 液位 LT52 的均勻控制。這里， “均勻控制”是指在控制回流罐 C102 液位的同時(shí)，也要求塔頂回流量變化平緩。(6) 塔頂產(chǎn)品出料量與回流量的比值控制。以遠(yuǎn)程方式自動(dòng)調(diào)節(jié)塔頂產(chǎn)品出料計(jì)量泵的抽出量，以保持塔頂產(chǎn)品出料量與回流量的比值保持不變。(7) 精餾段靈敏溫度的串級(jí)控制。以塔頂產(chǎn)品出料量與回流量的比值控制為內(nèi)回路，當(dāng)精餾段靈敏溫度與設(shè)定溫度相比

38、偏高時(shí)，減少塔頂產(chǎn)品出料計(jì)量泵 P102 的抽出量，由此導(dǎo)致回流罐液位上升，再由回流罐 C102 液位控制系統(tǒng)改變塔頂回流量，最終使精餾段靈敏溫度下降；反之也然。(8) 提餾段靈敏溫度的單回路控制。當(dāng)提餾段靈敏溫度與設(shè)定溫度相比偏高時(shí)，通過(guò)調(diào)壓模塊減少塔底加熱量，以使提餾段靈敏溫度下降；而當(dāng)提餾段靈敏溫度偏低時(shí)，通過(guò)調(diào)壓模塊增大塔底加熱量，以達(dá)到提高提餾段靈敏溫度的目的。(9) 精餾塔的控制目標(biāo)，除保證操作平穩(wěn)以外，通常還需要控制塔頂與/或塔底產(chǎn)品的純度或質(zhì)量。對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，假設(shè)介質(zhì)體系為水-酒精，則塔頂產(chǎn)品的純度即為塔頂產(chǎn)品的酒精含量。假設(shè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作壓力為常壓，且基本不變，則塔頂產(chǎn)品

39、的酒精含量與精餾段靈敏溫度（位置待定）或塔頂溫度TT31 基本對(duì)應(yīng)。同理，塔底產(chǎn)品的酒精含量與提餾段靈敏溫度（位置待定）或塔底溫度 TT32 基本對(duì)應(yīng)。因此，精餾塔的控制目標(biāo)可轉(zhuǎn)化為精餾段與提餾段靈敏溫度的控制問(wèn)題。2.32.3 板式精餾塔控制系統(tǒng)的組成及其工作原理板式精餾塔控制系統(tǒng)的組成及其工作原理2.3.1 板式精餾塔控制系統(tǒng)的組成 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 17 頁(yè) 共 45 頁(yè) 板式精餾塔控制系統(tǒng)主要由精餾塔裝置、測(cè)量?jī)x表裝置、DCS 控制柜、和計(jì)算機(jī)組成的。該系統(tǒng)可以分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：a) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由精餾塔裝置

40、組成的，它是按照控制機(jī)構(gòu)給予的信號(hào)經(jīng)行操作整個(gè)板式精餾的過(guò)程。b) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在控制過(guò)程中信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)是由測(cè)量?jī)x表裝置組成的。在板式精餾中主要檢測(cè)的是流量、壓力、液位、溫度等。c) 控制機(jī)構(gòu)：在板式精餾塔控制系統(tǒng)中，控制機(jī)構(gòu)則是由 DCS、PC 機(jī)組成。它是把 PC 機(jī)上所設(shè)置的信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)的傳送到 DCS 控制系統(tǒng)中來(lái)執(zhí)行精餾塔的工作。2.3.2 板式精餾塔控制系統(tǒng)的工作原理當(dāng)原料（乙醇和水及少量雜的混合物）經(jīng)進(jìn)料管由精餾塔進(jìn)料板處流入塔內(nèi)，開(kāi)始精餾操作；當(dāng)釜中的料液建立起適當(dāng)液位時(shí)，再沸器進(jìn)行加熱，使之部分氣化返回塔內(nèi)。氣相沿塔上升直至塔頂，由塔頂冷凝器將其進(jìn)行全部或部分冷凝。將塔頂

41、蒸汽凝液部分作為塔頂產(chǎn)品取出，稱為餾出物。另一部分凝液作為回流返回塔頂?；亓饕簭乃斞厮飨拢谙陆颠^(guò)程中與來(lái)自塔頂?shù)纳仙羝啻文嫦蚪佑|和分離。當(dāng)流至塔底時(shí)，被再沸器加熱部分氣化，其氣相返回塔內(nèi)作為氣相回流，而其液相則作為塔底產(chǎn)品采出。2.3.3 板式精餾塔控制的擾動(dòng)分析在精餾塔的操作中有各種擾動(dòng)因素。比如影響物料平衡的因素、影響熱量平衡的因素等。同時(shí)，物料平衡和熱量平衡之間又是相互影響的。在各種擾動(dòng)因素中，有些是可控的，有些則是不可控的?，F(xiàn)作如下分析。a)進(jìn)料流量 F 在很多情況下是不可控制的，它的變化通常難以完全避免。如在本設(shè)計(jì)中精餾塔位于整個(gè)工藝生產(chǎn)過(guò)程的起點(diǎn)，要使流量 F 恒定，并無(wú)

42、困難，可采用定值控制.b)進(jìn)料成分 ZF 一般是不可控的，它的變化也是難以避免的，它由上一工序或原料情況所確定。c)精料溫度（或熱焓）一般是不可控的。進(jìn)料溫度在有些情況下本來(lái)就比較恒定，比如在將上一塔的釜液送往下一塔繼續(xù)精餾時(shí)。在其余情況下，可先將進(jìn)料預(yù)熱，并對(duì)進(jìn)料溫度進(jìn)行定值控制。進(jìn)料通常是液態(tài)，也可以是氣態(tài)， 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 18 頁(yè) 共 45 頁(yè)有時(shí)也會(huì)遇到氣液混合物的情況，此時(shí)氣、液兩相的比例宜恒定，也就是說(shuō)，進(jìn)料的熱焓要恒定。d)蒸氣壓力的變動(dòng)可以通過(guò)總管壓力控制的方法消除，也可以在串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路中（如采用對(duì)蒸氣流量的串級(jí)控制系統(tǒng)）予以克服。

43、e)冷卻水的壓力波動(dòng)也可以用類似方式解決。f)冷卻水溫度的變化通常比較和緩，主要受季節(jié)的影響。g)壞境溫度的變化一般影響較小，但是也有特殊情況。近年來(lái)，直接用大氣冷卻的冷凝器使用已較多一遇氣候突變，特別是暴風(fēng)雨，對(duì)回流液溫度有很大影響，為此可采用內(nèi)回流控制。從上分析中可以看到，精餾操作中被控變量多，可以選用的操縱變量也多，又可有各種不同的組合，所以精餾塔的控制方案頗多。同時(shí)，各精餾塔的工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又是千差萬(wàn)別的，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)精餾塔控制方案時(shí)，更需深入分析工藝特點(diǎn)，了解精餾塔特性，以設(shè)計(jì)出比較完善、合理的控制方案。2.4 板式精餾塔控制系統(tǒng)的安全性問(wèn)題2.4.1 滿足工藝和操作要求設(shè)計(jì)出的

44、流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要求較高，這就要求流量和壓力穩(wěn)定，入塔的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定從而需要采取相應(yīng)的措施。板式精餾塔的操作要點(diǎn)主要是注意各塔板溫度，控制塔頂、塔釜溫度在范溫度圍內(nèi)，另外重要的一點(diǎn)，不要輕易去動(dòng)回流量。當(dāng)塔的平衡建立后，不要輕易調(diào)節(jié)回流量，盡量通過(guò)微調(diào)節(jié)塔釜蒸汽的流量來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。2.4.2 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求要節(jié)省電能和熱能的消耗，減少設(shè)備及基建費(fèi)用。如前所述蒸餾中如能適當(dāng)?shù)乩盟?、塔底的廢熱，就能節(jié)約很多的生蒸汽和冷卻水，也能減少很多電能的消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另一方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對(duì)操作費(fèi)和設(shè)

45、備費(fèi)都有影響。同樣，回流比的大小對(duì)操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大的影響。2.4.3 保證生產(chǎn)安全酒精屬易燃物料，不能讓其蒸汽彌漫車(chē)間，也不能使用容易發(fā)生火花的設(shè)備。塔是指在常壓下的操作，塔內(nèi)壓力過(guò)大或塔聚凝而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 19 頁(yè) 共 45 頁(yè)到破壞，因而需要安全裝置。3 3 板式精餾塔控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)板式精餾塔控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.13.1 精餾塔的監(jiān)控測(cè)試點(diǎn)的確定精餾塔的監(jiān)控測(cè)試點(diǎn)的確定(1)按照板式精餾塔的工藝監(jiān)控要求，統(tǒng)計(jì)其監(jiān)測(cè)點(diǎn)、控制點(diǎn)，采用 JX-300XP 設(shè)計(jì)精餾塔的集散控制系統(tǒng)。板式精餾塔的工藝結(jié)構(gòu)圖如圖 3.1 所示。

46、本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 20 頁(yè) 共 45 頁(yè)12345678FI2TE4TE3TE6TE5TE7TE9TE8TE10LT2FE5TE11C104殘液罐C105產(chǎn)品罐C103原料罐C102塔釜P102殘液泵P101進(jìn)料泵V4進(jìn)料泵閥V3原料罐排空閥PT1LT1TE2TT10TT9TT8TT7TT6TT5TT4TT3TT2V6預(yù)熱器排空閥V10塔釜排空閥E101預(yù)熱器E102冷凝器V8塔釜加料閥V20 殘液罐排空閥V16產(chǎn)品罐排空閥FI1V15產(chǎn)品罐排氣閥V19殘液罐排氣閥V11冷凝器排氣閥V13冷凝器排空閥V7進(jìn)料調(diào)節(jié)閥V5進(jìn)料回流閥V18殘液回收閥V14產(chǎn)品回收閥

47、V17殘液調(diào)節(jié)閥V1原料罐加料閥V2產(chǎn)品罐排氣閥TE1TT1P104產(chǎn)品計(jì)量泵P103回流計(jì)量泵V12冷凝水調(diào)節(jié)閥FIT5FI3FI4TT11V9殘液泵閥圖 3.1 板式精餾塔的工藝結(jié)構(gòu)圖(2)板式精餾塔的監(jiān)控點(diǎn)、測(cè)試點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)如表 3.1 所示。表 3.1 板式精餾塔的監(jiān)控測(cè)試點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)序號(hào)監(jiān)控測(cè)試點(diǎn)1塔釜溫度2節(jié)塔一溫度 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 21 頁(yè) 共 45 頁(yè)3節(jié)塔二溫度4節(jié)塔三溫度5節(jié)塔四溫度6節(jié)塔五溫度7節(jié)塔六溫度8節(jié)塔七溫度9節(jié)塔頂溫度10進(jìn)料溫度11回流穩(wěn)度12塔釜液位13塔釜壓力14回流槽液位15冷卻水流量16回流泵計(jì)量泵控制17產(chǎn)品計(jì)量泵控制18

48、進(jìn)料計(jì)量泵控制19加熱控制20冷卻水控制3.23.2 精餾塔控制系統(tǒng)的精餾塔控制系統(tǒng)的 DCSDCS 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)板式精餾塔的硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)板式精餾塔的檢測(cè)和控制要求，可設(shè)計(jì)出一個(gè)控制站、一個(gè)工程師站、多個(gè)操作員站，以及多個(gè)類型的輸入輸出卡件，分別有過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò) SCnet II 和控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò) SUBS 連接通信。在板式精餾塔過(guò)程控制系統(tǒng)中硬件的設(shè)計(jì)其核心是控制站的設(shè)計(jì)。a)控制站硬件 控制站是系統(tǒng)中直接與現(xiàn)場(chǎng)打交道的 I/O 處理單元，完成整個(gè)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。通過(guò)軟件設(shè)置和硬件的不同配置可構(gòu)成不同功能的控制結(jié)構(gòu)，如過(guò)程控制站、邏輯控制站、數(shù)據(jù)采集站?？刂普局饕袡C(jī)柜、機(jī)

49、籠、供電單元和各類卡件（包括主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和各種信號(hào)輸入/輸出）組成，其核心是主控制卡。主控制卡通常插在過(guò)程控制站最上部機(jī)籠內(nèi)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充各種更能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入輸出，同時(shí)完成過(guò)程控制中的數(shù) 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 22 頁(yè) 共 45 頁(yè)據(jù)采集、回路控制、順序控制以及包括優(yōu)化控制等各種控制算法11。主控制卡必須插在機(jī)籠最左端的兩個(gè)槽位。在一個(gè)控制站內(nèi)，主控制卡通過(guò) SBUS 網(wǎng)絡(luò)可以掛接 8 個(gè) I/O 或遠(yuǎn)程 I/O 單元（即 8 個(gè)機(jī)籠） 。主控制卡是控制站的核心，可以冗余配置，保證實(shí)時(shí)過(guò)程控制的完整性。主控制卡的高度模塊化結(jié)構(gòu)，用簡(jiǎn)單

50、的配置方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的過(guò)程控制。每臺(tái)板式精餾塔控制站的硬件清單和I/O 接口的分配如下表 3.2 和 3.3 所示。表 3.2 精餾塔控制的硬件部件及其名稱清單序號(hào)部件號(hào)部件名稱0XP243X主控制卡1XP2215V 電源卡件2XP233數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡3XP000保護(hù)卡4XP313420mA 電流輸入卡件5XP313420mA 電流輸入卡件6XP313420mA 電流輸入卡件7XP322420mA 電流輸出卡件8XP322420mA 電流輸出卡件表 3.3 精餾塔控制的相對(duì)應(yīng)的 I/O 接口控制站 XP243X 的 I/O 接口序號(hào)名稱位號(hào)作用0電流卡 00TI101塔釜溫度 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)

51、計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 23 頁(yè) 共 45 頁(yè)電流卡 00TI102節(jié)塔一溫度電流卡 00TI103節(jié)塔二溫度電流卡 00TI104節(jié)塔三溫度電流卡 00TI105節(jié)塔四溫度電流卡 00TI106節(jié)塔五溫度1電流卡 01TI107節(jié)塔六溫度電流卡 01TI108節(jié)塔七溫度電流卡 01TI109節(jié)塔頂溫度電流卡 01TI110進(jìn)料溫度電流卡 01TI111回流穩(wěn)度電流卡 01LI101塔釜液位2電流卡 02PT101塔釜壓力電流卡 02LI102回流槽液位電流卡 02FT102冷卻水流量電流卡 02備用電流卡 02備用電流卡 02備用3輸出卡 03FV101回流泵計(jì)量泵控制輸出卡 03FV

52、101產(chǎn)品計(jì)量泵控制輸出卡 03FV101進(jìn)料計(jì)量泵控制輸出卡 03HV101加熱控制4輸出卡 04FV101冷卻水控制輸出卡 04備用輸出卡 04備用輸出卡 04備用b)操作站硬件 DCS 操作站的硬件基本組成包括：工控 PC 機(jī)（IPC） 、彩色顯示器、鼠標(biāo)、Scnet網(wǎng)卡、專用操作員鍵盤(pán)、操作臺(tái)、打印機(jī)等。DCS 的工程師站的硬件配置與操作站的硬件配置基本一致，無(wú)特殊要求，而他們的區(qū)別在于系統(tǒng)軟件的配置不同，工程師站除了安裝有操作、監(jiān)視等基本功能的軟件外，還裝有相應(yīng)的系統(tǒng)組態(tài)、維護(hù)等工程師站應(yīng)用的工具軟件。c)通信網(wǎng)絡(luò)DCS 的通信網(wǎng)絡(luò)分三層：第一層網(wǎng)絡(luò)是信息管理網(wǎng)；第二層網(wǎng)絡(luò)是過(guò)程控

53、本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 24 頁(yè) 共 45 頁(yè)制網(wǎng)，稱為 Scnet；第三層網(wǎng)絡(luò)是控制站內(nèi)部 I/O 控制總線，稱為 SBUS。DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖 3.2 所示。圖 3.2 DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖3.33.3 系統(tǒng)硬件的安裝系統(tǒng)硬件的安裝3.3.1 板式精餾塔 DCS 控制柜的安裝a)控制站安裝 現(xiàn)場(chǎng)控制站的安裝主要是機(jī)籠內(nèi)主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡及 IO 卡件的安裝。安裝卡件過(guò)程中應(yīng)注意正確設(shè)置地址開(kāi)關(guān)、冗余方式的選著跳線、配電選著跳線、信號(hào)類型選著跳線。b)操作站安裝操作站可安裝于平臺(tái)式操作臺(tái)或立式操作臺(tái)中。在板式精餾塔中我們選著立式操作臺(tái)比較方便、易于安

54、裝連接。c)通信網(wǎng)絡(luò)安裝 網(wǎng)絡(luò)安裝主要分為操作站網(wǎng)卡安裝、控制站主控制卡安裝、通信網(wǎng)絡(luò)連接三部分。在板式精餾控制系統(tǒng)中操作站網(wǎng)卡采用以太網(wǎng)接口卡、控制站主控制卡網(wǎng)絡(luò)地址的設(shè)置完成后用雙絞線將系統(tǒng)中各站連接至以太網(wǎng)接線器，構(gòu)成過(guò) 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 25 頁(yè) 共 45 頁(yè)程控制網(wǎng)。3.3.2 安裝注意事項(xiàng)a)卡件安裝注意事項(xiàng)(1)各種卡件在保存運(yùn)送時(shí)，應(yīng)包裝在防靜電袋里，不可隨意放置。(2)插拔卡件前，須戴上接地良好的防靜電手腕，或進(jìn)行必要的人體放電。(3)不要直接用手接觸卡件上的元器件、焊點(diǎn)等。(4)正確的設(shè)置地址開(kāi)關(guān)、冗余方式選擇跳線、配電選擇跳線、信號(hào)類型選

55、擇跳線等。(5)在將卡件插入機(jī)籠時(shí)注意將卡件的印刷電路板插入相應(yīng)的導(dǎo)軌中，不要歪斜。(6)在將卡件插入導(dǎo)軌后推到底，均勻用力，將卡件的插針插入母板的歐式插座中，然后將鎖扣扣住。b)纜線連接注意事項(xiàng)(1)各端子連接線應(yīng)采用柔性好、易彎曲的細(xì)線。剛硬纜線會(huì)增加接線難度，而且在接線端子上施加過(guò)分力量易導(dǎo)致對(duì)端子的損害。(2)選擇正確的纜線規(guī)格、類型。(3)當(dāng)相鄰卡件設(shè)置成冗余方式時(shí)，采用并聯(lián)冗余接線即相鄰的端子對(duì)應(yīng)相連。(4)網(wǎng)絡(luò)連接采用 5 類或超 5 類無(wú)屏蔽雙絞線或帶屏蔽雙絞線。(5)暴露在地面的雙絞線必須使用保護(hù)套管。電氣干擾嚴(yán)重場(chǎng)所，雙絞線必須使用金屬保護(hù)套管并可靠接地。3.3.3 板式精

56、餾塔的實(shí)際的 I/O 接口圖實(shí)際板式精餾塔的 I/O 接口圖如圖 3.3 所示。 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 26 頁(yè) 共 45 頁(yè)圖 3.3 實(shí)際 I/O 接口圖4 4 精餾塔控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)精餾塔控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 27 頁(yè) 共 45 頁(yè)4.14.1 控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng)在 DCSDCS 中的實(shí)現(xiàn)中的實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制就是在 DCS 系統(tǒng)中，通過(guò)組態(tài)將系統(tǒng)軟件包中的相應(yīng)功能模塊按照控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)際儀表方案進(jìn)行組合、分配，使 DCS 系統(tǒng)具有針對(duì)該裝置的過(guò)程監(jiān)視功能。通過(guò)應(yīng)用軟件的組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的

57、控制、顯示、操作、通信、維護(hù)、管理等功能。組態(tài)是用 DCS 控制系統(tǒng)所提供的功能模塊或算法組成所需的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成所需功能；操作站的顯示組態(tài)則是用 DCS 控制系統(tǒng)所提供的組態(tài)編輯軟件組成所需的各種顯示畫(huà)面。為了完成這些特定的功能，采用 DCS 提供的組態(tài)語(yǔ)言編寫(xiě)有關(guān)程序也屬于組態(tài)范圍。DCS 系統(tǒng)的組態(tài)包括系統(tǒng)組態(tài)、畫(huà)面組態(tài)和控制組態(tài)。其中，系統(tǒng)組態(tài)完成系統(tǒng)的各設(shè)備間的連接；畫(huà)面組態(tài)完成操作站的各種畫(huà)面及其之間的連接；控制組態(tài)完成各種控制器、過(guò)程裝置的控制結(jié)構(gòu)連接、參數(shù)設(shè)置等。此外，趨勢(shì)顯示、歷史數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)報(bào)表打印及畫(huà)面拷貝等組態(tài)常作為畫(huà)面組態(tài)或控制組態(tài)的一部分來(lái)完成，也可以分開(kāi)進(jìn)行。4

58、.24.2 精餾塔的組態(tài)設(shè)計(jì)精餾塔的組態(tài)設(shè)計(jì) 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 28 頁(yè) 共 45 頁(yè)板式精餾塔集散控制系統(tǒng)的軟件組態(tài)包括控制站組態(tài)、操作站組態(tài)和操作小組組態(tài)。本設(shè)計(jì)采用 DCS 系統(tǒng)的組態(tài)工作是通過(guò)組態(tài)軟件 SCKey 來(lái)完成。該軟件用戶界面良好，操作方便，充分支持各種控制方案，所以系統(tǒng)組態(tài)工作流程圖如4.1 所示?？刂普綢/O組態(tài)數(shù)據(jù)組設(shè)置操作小組設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)組態(tài)傳送與下載系統(tǒng)組態(tài)保存編譯報(bào)表制作流程圖制作操作站標(biāo)準(zhǔn)畫(huà)面組態(tài)網(wǎng)絡(luò)策略設(shè)置自定義折線表組態(tài)自定義控制方案組態(tài)常規(guī)控制方案組態(tài)控制站自定義變量組態(tài)系統(tǒng)總體組態(tài)用戶授權(quán)管理工程設(shè)計(jì)二次計(jì)算組態(tài)圖

59、4.1 系統(tǒng)組態(tài)工作流程圖4.2.1 控制站組態(tài)的設(shè)計(jì) 本本科科畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說(shuō)說(shuō)明明書(shū)書(shū)（論論文文）第 29 頁(yè) 共 45 頁(yè)控制站由主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、I/O 卡件、供電單元等構(gòu)成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展修改，控制站內(nèi)的總線結(jié)構(gòu)也可方便地?cái)U(kuò)展 I/O 卡件?？刂普窘M態(tài)是指對(duì)系統(tǒng)硬件和控制方案的組態(tài)，主要包括 I/O 組態(tài)、自定義變量、常規(guī)控制方案、自定義控制方案和折線表定義等五個(gè)部分11，如圖 4.2 所示?？乜刂浦普菊窘M組態(tài)態(tài)系系統(tǒng)統(tǒng)單單元元登登陸陸數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)卡卡組組態(tài)態(tài)I/O卡卡件件組組態(tài)態(tài)信信號(hào)號(hào)點(diǎn)點(diǎn)組組態(tài)態(tài)信信號(hào)號(hào)點(diǎn)點(diǎn)參參數(shù)數(shù)設(shè)設(shè)置置組組態(tài)態(tài)自自定定義義變變量量折折線線表表組

60、組態(tài)態(tài)系系統(tǒng)統(tǒng)控控制制方方案案組組態(tài)態(tài)常常規(guī)規(guī)控控制制方方案案自自定定義義控控制制方方案案自自定定義義一一字字節(jié)節(jié)變變量量自自定定義義二二字字節(jié)節(jié)變變量量自自定定義義四四字字節(jié)節(jié)變變量量自自定定義義八八字字節(jié)節(jié)變變量量自自定定義義回回路路圖 4.2 控制站組態(tài)流程a）板式精餾塔控制系統(tǒng) I/O 組態(tài)在 I/O 組態(tài)中，主要有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡組態(tài)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡型號(hào)為 XP233，根據(jù)要求設(shè)置兩臺(tái)精餾塔控制系統(tǒng)的組態(tài)要求，其中包括 3 個(gè)電流卡和 2 個(gè)輸出卡。電流卡件型號(hào)是 XP313(I)的 6 路電流信號(hào)輸入卡，輸出卡件型號(hào)是 XP322 的 4路模擬信號(hào)輸出卡，如圖 4.3 所示。 圖 4.3 I