精餾塔提餾段的溫度控制設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 成績 過程控制儀表課程設(shè)計設(shè)計題目 精餾塔提餾段的溫度控制系統(tǒng) 學生姓名 XX 專業(yè)班級 自動化XXXX班 學 號 XXXXXXXXXXX 指導(dǎo)老師 XXX 2019年XX月XX日專心-專注-專業(yè)過程控制儀表課程設(shè)計評分標準表姓名：XX 學號：XXXXXXXXX設(shè)計報告（40分）分析過程/儀表選型合理較合理不合理報告格式規(guī)范較規(guī)范不規(guī)范學習態(tài)度好較好差設(shè)計仿真（20分）仿真模型合理較合理不合理參數(shù)設(shè)置/調(diào)整合理基本合理有缺陷仿真結(jié)果及分析全部完成部分完成失敗設(shè)計圖紙（20分）儀表及選型良合格不合格圖紙規(guī)范良合格不合格答辯情況（20分）合格基本合格不合格總評1 設(shè)計報

2、告得分 ： 分；2 設(shè)計仿真得分： 分；3 圖紙繪制得分： 分；4答辯情況得分： 分； 總分： 分。 老師簽名： 2019年12月31日 課程設(shè)計的最終成績采取“優(yōu)秀”、“良好”、“中等”、“及格”和“不及格”五級記分。100-90分（優(yōu)秀）、89-80（良好）、79-70（中等）、69-60（及格）、低于60（不及格）過程控制儀表課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計的內(nèi)容和要求：題目：精餾塔提餾段的溫度控制系統(tǒng)一、設(shè)計任務(wù)、內(nèi)容（1）熟悉控制系統(tǒng)的工藝流程；（2）選擇控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)儀表，儀表選型及參數(shù)的確定，包括檢測元件、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、顯示儀表等部分；（3）明確各部分的作用及數(shù)學模型，仿真分析系

3、統(tǒng)的控制效果；（4）儀表控制系統(tǒng)及各單元儀表簡介；（5）給出儀表系統(tǒng)設(shè)計方案，畫出各儀表間的配接圖。二、設(shè)計要求（1）編寫過程控制儀表設(shè)計說明書。內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)的簡單介紹，工藝流程分析；各環(huán)節(jié)儀表的選型、儀表的工作原理及性能指標；控制系統(tǒng)的仿真分析（Matlab/Simulink）;儀表間的配接說明。（2）繪制工藝流程原理框圖。（3）給出系統(tǒng)儀表型號清單。（4）繪制儀表盤電氣接線圖，端子接線圖。三、時間進度安排：2019.11.4.11.10. 布置設(shè)計任務(wù)，查閱資料2019.11.1111.17. 確定設(shè)計方案2019.11.1812.1. 儀表選型、參數(shù)計算及仿真2019.12.2.1

4、2.15. 繪制儀表盤接線圖、撰寫設(shè)計說明書目錄1.設(shè)計任務(wù)與要求1.1 設(shè)計任務(wù)過程控制儀表課程設(shè)計，是自動化儀表與裝置課程中的后續(xù)課程，實踐教學環(huán)節(jié)，也是一次全面的專業(yè)知識的運用和實踐。 鞏固和深化所學課程的知識：通過課程設(shè)計，要求學生初步學會運用本門課程和其它相關(guān)課程的基本知識和方法，來解決工程實際中的具體的設(shè)計問題，檢驗學生對本門課程及相關(guān)課程內(nèi)容的掌握的程度，以進一步鞏固和深化所學課程的知識。 培養(yǎng)學生的設(shè)計、實踐能力：通過課程設(shè)計，從方案選擇、設(shè)計計算到繪制圖紙、編寫設(shè)計說明書，可以培養(yǎng)學生對工程設(shè)計的獨立工作能力，樹立正確的設(shè)計思想，掌握自動控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)使用儀表的基本方法和步

5、驟，為以后從事工程設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。 使學生能熟悉和運用設(shè)計資料，學會查閱相關(guān)文獻，如有關(guān)國家標準、手冊、圖冊等，以完成作為工程技術(shù)人員在工程設(shè)計方面所必須的基本訓練。1.2 設(shè)計要求（1）編寫過程控制儀表設(shè)計說明書。內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)的簡單介紹，工藝流程分析；各環(huán)節(jié)儀表的選型、儀表的工作原理及性能指標；控制系統(tǒng)的仿真分析；儀表間的配接說明。（2）繪制工藝流程原理框圖。（3）給出系統(tǒng)儀表型號清單。（4）繪制儀表盤電氣接線圖，端子接線圖。2.系統(tǒng)簡介 精餾操作是煉油、化工生產(chǎn)過程中的一個十分重要的環(huán)節(jié)，精餾過程是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程,表現(xiàn)為:過程變量多,被控變量多,可操縱的變量也多，精餾塔的

6、控制直接影響到工廠的產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和能量的消耗，因此精餾塔的自動控制長期以來一直受到人們的高度重視。各塔工藝結(jié)構(gòu)特點有千差萬別，這需要深入分析特性，結(jié)合具體塔的特點，進行自動控制方案設(shè)計和研究，其自動控制系統(tǒng)的核心在于品質(zhì)指標的設(shè)定、被控變量和操作變量的選擇。在精餾塔的控制系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)選取餾出產(chǎn)品的質(zhì)量指標、蒸餾產(chǎn)品的產(chǎn)量指標和蒸餾過程的能耗指標作為主要控制目標，同時還要考慮其他約束條件。精餾塔是一個典型的多變量控制對象，其調(diào)節(jié)參數(shù)的多種組合可構(gòu)成多種調(diào)節(jié)回路，也就有許多調(diào)節(jié)方案。在設(shè)計精餾塔控制系統(tǒng)時應(yīng)該以產(chǎn)品質(zhì)量為核心指標，參數(shù)的選擇和調(diào)節(jié)應(yīng)圍繞產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)為前提。本文設(shè)計的按提

7、餾段指標的精餾塔控制方案，以提餾段溫度作為餾出產(chǎn)品質(zhì)量的間接控制指標，以調(diào)節(jié)再沸器加熱量和冷凝器冷卻介質(zhì)作為主要控制手段。3.設(shè)計方案及儀表選型3.1控制方案的確定該方案以精餾塔塔板提餾段溫度為被控變量，以加熱蒸汽量為操縱變量，構(gòu)成主閉環(huán)控制系統(tǒng)。 提餾段溫控采用提餾段溫度參數(shù)作為間接質(zhì)量指標，由于提餾段溫度對餾出產(chǎn)品質(zhì)量影響權(quán)重較大，且提餾段溫度和產(chǎn)品質(zhì)量指標間的容量滯后很小，因而能夠較快速地反映提餾段產(chǎn)品情況，具有響應(yīng)快速、控制及時的特點，其動態(tài)過程也能比較快地收斂，液相進料量或進料成分的變化很快影響塔底的成分。提餾段溫控的另一個特點是在保持塔底產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，塔頂餾出產(chǎn)品質(zhì)量也能得到保

8、證，因而這種控制策略在蒸餾塔控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。圖3.1是精餾塔底部示意圖，在再沸器中，用蒸汽加熱塔釜液產(chǎn)生蒸汽，然后在塔釜中與下降物料進行傳熱傳質(zhì)。為了保證生產(chǎn)過程順利進行，需要把提餾段溫度保持恒定。為此在蒸汽管路上裝上一個調(diào)節(jié)閥，用它來控制加熱蒸汽流量。從調(diào)節(jié)閥動作到溫度發(fā)生變化，需要相繼通過很多熱容積。實踐證明加熱蒸汽壓力的波動對的影響很大。此外，還有來自液相加料方面的各種干擾，包括它的流量、溫度和組分等，它們通過提餾段的傳質(zhì)過程，以及再沸器中傳熱條件（塔釜溫度、再沸器液面等），最后也影響到溫度。很明顯當加熱蒸汽壓力波動較大時，如果采用如圖3.1所示的簡單單回路溫度控制系統(tǒng)，控制品

9、質(zhì)一般不能滿足生產(chǎn)需要。圖3.1 單回路溫度控制本系統(tǒng)為了較好的達到控制目標采，用如圖3.2所示的提餾段溫串級控制系統(tǒng)，與單回路控制系統(tǒng)相比有一個顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上多了一個副回路，形成了兩個閉環(huán)-雙閉環(huán)或稱雙環(huán)。 串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上與電力傳動自動控制系統(tǒng)中的雙環(huán)系統(tǒng)相同，就其主回路外環(huán)來看是一個定值控制系統(tǒng)，而副回路內(nèi)環(huán)則為一個隨動系統(tǒng)。與單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器與一個控制器（調(diào)節(jié)器），增加的投資并不多（對計算機控制系統(tǒng)來說僅增加了一個測量變送器），但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統(tǒng)有如下幾點的改善：1)

10、 改善了被控過程的動態(tài)特性提高了系統(tǒng)的工作頻率。 2) 對二次擾動有很強的克服能力。 3) 提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。 綜上所述根據(jù)系統(tǒng)工藝要求決定在系統(tǒng)設(shè)計中采用閉環(huán)串級控制方式。3.2系統(tǒng)原理及方框圖溫度串級控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器QC2根據(jù)加熱蒸汽流量信號控制調(diào)節(jié)閥，這樣就可以在加熱蒸汽壓力波動的情況下，仍能保持蒸汽流量穩(wěn)定。但副調(diào)節(jié)器QC2的給定值則受主調(diào)節(jié)器C1的控制，后者根據(jù)溫度改變蒸汽流量給定值Qr，從而保證在發(fā)生進料方面的擾動的情況下仍能保持溫度滿足要求。用這個方法以非常有效地克服蒸汽壓力波動對于溫度的影響，因為流量自穩(wěn)定系統(tǒng)的動作很快，蒸汽壓力變化所引

11、起的流量波動在2至3s以內(nèi)就消除了，而這樣短暫時間的蒸汽流量波動對于溫度的影響是很微小的。圖3.2為系統(tǒng)原理圖。圖3.2 串級溫度控制串級控制系統(tǒng)方框圖如圖3.3所示，它有倆個閉環(huán)系統(tǒng)：副環(huán)是流量自穩(wěn)定系統(tǒng)，主環(huán)是溫度控制系統(tǒng)。給定溫度設(shè)定值，將溫度傳感器的值與設(shè)定值相比較，把偏差值送入 主PID 調(diào)節(jié)器，流量測量的值反饋到副PID調(diào)節(jié)器， 只要主副PID 參數(shù)設(shè)置的合理，就能夠使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。圖3.3 串級控制系統(tǒng)方框圖3.3儀表選型3.3.1檢測元件本系統(tǒng)檢測元件選擇鎧裝熱電偶，鎧裝熱電偶具有熱響應(yīng)時間小，可彎曲安裝使用，測量范圍大，機械強度高，耐壓性能好等特點，圖3.4為實物圖。鎧裝熱電

12、偶主要技術(shù)參數(shù)： 1)精度等級：I級或II級 2)公稱直徑：1 3)彎曲直徑：R5D 4）公稱壓力：常壓測量500以上的高溫，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中從0800范圍內(nèi)的液體、蒸汽和其氣體介質(zhì)以及固體表面的溫度，鎧裝熱電偶響應(yīng)時間T=0.5（秒）。圖3.4 鎧裝電偶實物圖3.3.2 變送器本系統(tǒng)的變送器用于溫度的變送和流量的變送，其中的溫度變送器，較為常用的有模擬式溫度變送器，一體化溫度變送器以及智能式溫度變送器三種。本系統(tǒng)采用智能式溫度變送器中的OHR-M2型熱電偶溫度變送器，還可以與檢測元件熱電偶相匹配。將溫度信號線性轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標準信號。本系統(tǒng)選擇OHR-M2熱電偶溫度變送器，接線端子圖

13、為圖3.6。蒸汽流量變送器采用DN-15型渦街流量計，渦街流量計采用壓電應(yīng)力式傳感器，可靠性高，可在-20+250的內(nèi)工作。有模擬，也有數(shù)字信號輸出，容易與計算機等數(shù)字系統(tǒng)配套使用，是一種比較先進、理想的測量儀器，其接線端子圖為3.5。溫度變送器主要技術(shù)參數(shù)如表3.1，流量變送器主要技術(shù)參數(shù)如表3.2所示。表3.1 溫度變送器主要技術(shù)參數(shù)輸出信號4-20mA、0-20mA、0-10mA、1-5V、0-5V、0-10V電源DC20-32V功耗一進一出功耗：1W；一進二出、二進二出功耗；1.4W工作溫度-10-50相對濕度25-85RH保存溫度-10-60溫度漂移0.0075FS/最小分辨率0.1

14、安裝方式35mmDIN導(dǎo)軌安裝表3.2 渦街流量計主要參數(shù)公稱通徑（mm）15、20、25、40、50、65、80、100、125、150、200、250、300公稱壓力（MPa）DN15-DN200 4.0,DN250-DN300 1.6介質(zhì)溫度（）壓電式：40-150，40-260，40-330；電容式：40-400，40-500本體材料1Cr18Ni9Ti允許振動加速度壓電式：0.2g 電容式：1.0-2.0g準確度±1R,±1.5R;范圍度1：6-1：30供電電壓傳感器：DC+12V,DC+24V;變送器：DC+12V,DC+24V輸出信號電流：4-20mA環(huán)境條件

15、溫度-20-55，相對濕度5-90，大氣壓力86-106kPA適用介質(zhì)氣體、液體、蒸汽圖3.5 渦街流量計接線端子圖3.6 溫度變送器接線端子圖3.3.3調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器是自動控制系統(tǒng)的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較，并對由此產(chǎn)生的偏差進行比例、積分或微分處理后，輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行器的動作，以實現(xiàn)對不同被測或被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或者液位等的自動調(diào)節(jié)作用。本系統(tǒng)被測參數(shù)為溫度，需要用到兩個調(diào)節(jié)器，具體型號為DDZ-III型CWP-C805智能PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器接線端子圖如圖3.7。主要技術(shù)參數(shù)如表3.3。圖3.7 PID調(diào)節(jié)器接線端子圖表3.3 PID調(diào)節(jié)器

16、主要技術(shù)參數(shù)測量超限顯示“1-”或“-1-”測量精度3次/秒（25°C） 0.5FS150PPM隔離耐壓DC 500V連續(xù)模擬量（25°C） 0.5FS.IRL250.VRL500K 0-10MA 4-20MA 0-20MA變送器配電電壓DC22V-28V(短路最大電流小于等于35MA)SSR觸發(fā)電平電壓恒流20MA輸出（最大電壓DC8V-14V）繼電器觸點容量AC220V/3A繼電器觸點壽命次工作環(huán)境溫度0-50°C 相對濕度85RH工作電源（5W）AC220V 50HZ3.3.4執(zhí)行器本系統(tǒng)選用SDV-05型電動執(zhí)行器。DKZ型直行程電動執(zhí)行機構(gòu)是DDZ型電動

17、單元組合儀表中的執(zhí)行單元，它接受調(diào)節(jié)單元（或計算機）信號，自動地操縱執(zhí)行機構(gòu)完成調(diào)節(jié)任務(wù)，廣泛地用于電站、化工、石油、冶金、建材、供熱、輕工、水處理等行業(yè)。它可以輸出力和直線位移。SDV系列電動執(zhí)行器中采用了先進的智能數(shù)字技術(shù)和高度集成的模塊化、機電一體化設(shè)計，可直接接收計算機或儀表等輸出的 420mADC 或 15VDC 標準信號，實現(xiàn)對電動閥門的智能控制和精確定位，圖3.8為執(zhí)行器接線端子圖。執(zhí)行器主要技術(shù)參數(shù)如表3.4所示：圖3.8 執(zhí)行器接線端子圖表3.4 執(zhí)行器技術(shù)參數(shù)項目機型SDV-05電源AC24/110/220/380V，DC24/220V輸出力矩50N.M動作范圍0-90&#

18、176;±5°工作時間20秒保護裝置過熱保護環(huán)境溫度-30+60額定電流0.2A絕緣電阻100M/DC500V耐壓值A(chǔ)C1500V 60秒手動操作附帶手柄操作限位電氣，機械二重限位防 水 性相當于IP67安裝角度可任意角度安裝位置測量可選裝開關(guān)或電位計4.系統(tǒng)仿真分析在MATLAB中進行仿真，Step代表給定一次溫度，Gain1與Transfer Fcn2分別代表流量變送跟溫度變送，經(jīng)過多次調(diào)節(jié)主、副PID調(diào)節(jié)器參數(shù)，使輸出響應(yīng)趨于穩(wěn)定，Transfer Fcn代表調(diào)節(jié)閥，Transfer Fcn1代表蒸汽管路系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器PID Controller1采用PID控制，副調(diào)

19、節(jié)器PID Controller采用PI控制，圖4.1為仿真圖。對于蒸汽流量對象，假設(shè)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為式4.1和式4.2： （Transfer Fcn） (4.1)（Gain1） （4.2）其中K2=0.1，T2=90，Kd2=10。對于提餾段溫度對象，假設(shè)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為式4.3和式4.4：（Transfer Fcn1） （4.3） （Transfer Fcn2） （4.4）其中Kp1=10，Tp1=-120，Tp2=-300，Kd1=1，Td1=60。圖4.1 MATLAB仿真圖在調(diào)整參數(shù)初期，系統(tǒng)出現(xiàn)了振蕩，從圖4.2中可看出響應(yīng)曲線大約呈2.5：

20、1衰減振蕩，由響應(yīng)曲線不難看出，系統(tǒng)響應(yīng)速度比較快，但超調(diào)過大，超調(diào)約為50%，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，振蕩幅度大。最后，需要對主控制器參數(shù)進行反復(fù)調(diào)整，經(jīng)過反復(fù)試驗和查閱相關(guān)書籍以及網(wǎng)上資料后，得出一套能使系統(tǒng)輸出響應(yīng)較符合預(yù)期的參數(shù)。P1、I1、D1表示主調(diào)節(jié)器參數(shù)，P2、D2、I2表示副調(diào)節(jié)器參數(shù)，N1、N2為調(diào)節(jié)器默認數(shù)值，具體參數(shù)如表4.1。圖4.2為初期實驗階段響應(yīng)曲線，圖4.3為符合預(yù)期的輸出響應(yīng)曲線。表4.1主副PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對比 出現(xiàn)振蕩時數(shù)值符合要求時數(shù)值P 10.40.7I 10.0060.00186D 14091N1100100P 29060I 2120100D 200N2100100圖4.2初期實驗階段響應(yīng)圖4.3符合預(yù)期的輸出響應(yīng)5.控制系統(tǒng)儀表配接圖及說明配接圖見附圖所示。溫度變送器OHR-M2的9、10腳接K型熱電偶，7、8腳接20V-32V電