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(jí)：專業(yè)班級(jí)： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 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本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：測控技術(shù)與儀學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)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

2、是石油化工生產(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(hào)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、按規(guī)定的書寫格式

3、，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(hào)。 （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(píng)語及成績平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字：

4、 總成績： 年 月 日本科生課程設(shè)計(jì)（論文）器注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III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(duì)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分離質(zhì)量和分

5、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(duì)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(jí)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(jí)控制本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III目錄第 1 章 緒 論.1第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案論證.22.1 系統(tǒng)對(duì)象特性分析.22.2 方案設(shè)計(jì).32.3 確定設(shè)計(jì)方案.5第 3 章 儀表的設(shè)計(jì)選擇.63.1 檢測儀表的選擇設(shè)計(jì).63.1.1 溫度傳感器的選擇設(shè)計(jì).63.1.2 溫度變送器的選擇設(shè)計(jì).73.1.3 壓力傳感器的選

6、擇設(shè)計(jì).83.2 執(zhí)行器的選擇設(shè)計(jì).93.3 電/氣轉(zhuǎn)換器的選擇設(shè)計(jì).113.4 控制器的選擇設(shè)計(jì).113.4.1 溫度控制器的選擇設(shè)計(jì).123.4.2 壓力控制器的選擇設(shè)計(jì).123.5 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本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III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性質(zhì)，使液相中的

7、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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，只要塔壓恒定，塔釜的溫度便反應(yīng)了成分。對(duì)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)。精餾塔溫度是保證分離純度的重要指標(biāo)，塔釜的部分產(chǎn)

8、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(huì)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(duì)精餾塔的平衡操作是十分有利的。控制系統(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(jí)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(jí)控制，均勻控制，比值控制和前饋控制等控制系統(tǒng)經(jīng)常被使用。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III第 2 章 課程

9、設(shè)計(jì)的方案論證2.1 系統(tǒng)對(duì)象特性分析本次設(shè)計(jì)主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，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(duì)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(duì)象為塔釜溫度。蒸汽經(jīng)過再沸器對(duì)其進(jìn)行加熱，因?yàn)闇囟仁蔷s塔分離過程的重要指標(biāo)，所以

10、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(duì)，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)料流量的干擾本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III2.2 方案設(shè)計(jì)通過對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)兩個(gè)方案。 方案一：串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)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，干擾比較劇烈頻繁時(shí)若采用簡單的控制系統(tǒng)便不能

11、滿足工藝控制要求，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級(jí)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(jí)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 X2f 3,f4 -(t)+副對(duì)象壓力變送器溫度變送器X1主調(diào)節(jié)器主對(duì) 象副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥圖 2.1 串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)，其精餾塔塔釜溫度為主調(diào)節(jié)器，蒸汽壓力

12、調(diào)節(jié)器為副調(diào)節(jié)器。串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)對(duì)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(duì)于生產(chǎn)過程的影響。串級(jí)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(duì)負(fù)荷和操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。 串級(jí)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(jí)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。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III方案二：前饋控制系統(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

13、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(duì)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(duì)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(duì)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，前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)和前饋串級(jí)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)

14、偏差仍然存在，對(duì)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(duì)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種擾動(dòng)，控制規(guī)律完全取決于被控對(duì)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

15、對(duì)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)本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III圖 2.4 前饋控制系統(tǒng)示意圖2.3 確定設(shè)計(jì)方案對(duì)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(duì)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，壓力變化 40，干擾幅度較大。并串級(jí)控制系統(tǒng)與前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)比較，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的作用，對(duì)于 40%的擾動(dòng)具有較

16、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?？紤]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(jí)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PCPYLC本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III第 3 章 儀表的設(shè)計(jì)選擇在精餾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(hào)轉(zhuǎn)換的電氣轉(zhuǎn)

17、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(hào)。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)一般為：15V電壓信號(hào)，420mA電流信號(hào)和20100Kpa氣壓信號(hào)。檢測儀表種類繁多，針對(duì)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

18、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(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢（mV）信號(hào)，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(hào)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(hào)本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III關(guān)系接近線性等條件，就可以作為溫度傳

19、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(jí)為 0.2 級(jí)。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(hào) 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

20、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(jí)：A3: 響應(yīng)時(shí)間：50 s 4: 分度號(hào)：B5: 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(hào)要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號(hào)要求。進(jìn)而通過變送器將各種不同的檢測信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。溫度傳感器輸出信號(hào)需經(jīng)溫

21、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(hào)上可分本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III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(hào)補(bǔ)償，信號(hào)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(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換為 15V 或 420mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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

22、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(hào)大于 5V 或小于 1V） 。輸入信號(hào)：各檔熱電勢（適配于各種型號(hào)熱電偶），輸出信號(hào)：15V DC;420mA DC，負(fù)載電阻：0500，環(huán)境溫度：540，相對(duì)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(duì)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

23、，經(jīng)常會(huì)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(huì)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、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III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

24、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)?？刂葡到y(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(hào)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

25、臺(tái)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(duì)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 0-1034kPa2: 精度等級(jí)：0.5%3: 輸出信號(hào)：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)

26、控制器送來的控制信號(hào)本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III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(hào)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(hào)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)

27、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(hào)時(shí)閥門全開，隨著壓力信號(hào)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(hào)時(shí)閥門全閉，隨著壓力信號(hào)增大閥門逐漸開大。對(duì)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)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(duì)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

28、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(duì)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(duì)流量與相對(duì)開度呈百分比流量特性。經(jīng)過對(duì)比之后，選用型號(hào)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。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III圖 3.5 執(zhí)

29、行器實(shí)物圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III3.3 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(hào)，必須使用電/氣轉(zhuǎn)換器把控制器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為20100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)。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(hào)，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(hào)：420mA2: 輸出訊號(hào)：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

30、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(duì)溫度控制器和壓力控制器進(jìn)行選型。控制儀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PID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(hào)，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)本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III順序

31、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?？刂葡到y(tǒng)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)按照工作特性，正負(fù)號(hào)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(duì)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(hào)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)器輸出減小時(shí)取“-”；在此串級(jí)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(duì)象，主、副控制器及調(diào)節(jié)閥的關(guān)系，對(duì)于主對(duì)象溫度的控制，溫度控制器選為反作用。對(duì)于副對(duì)象壓力的控

32、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(jí)，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(duì)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)物圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III3.

33、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(hào)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)

34、整定過程包括：過程擾動(dòng)產(chǎn)生，擾動(dòng)響應(yīng)評(píng)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(duì)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：)1-3(.)()(1)()(10dttdeTdtteTteKtyDlp本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III比例環(huán)節(jié)：成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e（t） ，偏差一旦產(chǎn)生，控制器

35、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(hào)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(hào)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(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，進(jìn)而得到優(yōu)化的控制性能。本設(shè)計(jì)中，通過串級(jí)系統(tǒng)的主副回路來對(duì)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(duì)象傳遞函數(shù)分別為：主對(duì)象函數(shù)：)2-3(.162.51042sssG副對(duì)象函數(shù)： )3-3.(.15114sss

36、G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） 。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III第 4 章 系統(tǒng)仿真或模擬調(diào)試根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖使用 MATLAB 對(duì)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)滿足工藝要求。 在精餾塔溫度串級(jí)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(jí)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(duì)副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化

37、，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(jí)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(duì)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(duì)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)楦被芈愤M(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 MATLAB 仿真圖 1根據(jù)精餾塔溫度控制系統(tǒng)的工藝要求：800 2。系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸入值