精餾塔提餾段的溫度控制設(shè)計

1、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(xué)生姓名XX專業(yè)班級自動化XXXX班學(xué)號XXXXXXXXXXX指導(dǎo)老師XXX2019年XX月XX日過程控制儀表課程設(shè)計評分標(biāo)準(zhǔn)表姓名：XX學(xué)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(xué)習(xí)態(tài)度好較好差仿真模型合理較合理不合理設(shè)計仿真（20分）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)計圖紙儀表及選型良合格不合格（20分）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1設(shè)計報告得分：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；總評總

2、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)容熟悉控制系統(tǒng)的工藝流程；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；明確各部分的作用及數(shù)學(xué)模型，仿真分析系統(tǒng)的控制效果；儀表控制系統(tǒng)及各單元儀表簡介；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)計要求編寫過程控制儀表

3、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(biāo)；控制系統(tǒng)的仿真分析(Matlab/Simulink);儀表間的配接說明。繪制工藝流程原理框圖。給出系統(tǒng)儀表型號清單。繪制儀表盤電氣接線圖，端子接線圖。三、時間進(jìn)度安排：20191141110布置設(shè)計任務(wù)，查閱資料2019.11111117確定設(shè)計方案2019.11.18121儀表選型、參數(shù)計算及仿真20191221215繪制儀表盤接線圖、撰寫設(shè)計說明書1目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 設(shè)計任務(wù)與要求1設(shè)計任務(wù)1設(shè)

4、計要求1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 系統(tǒng)簡介1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 設(shè)計方案及儀表選型23.1控制方案的確定2系統(tǒng)原理及方框圖3儀表選型4 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 系統(tǒng)仿真分析10 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 控制系統(tǒng)儀表配接圖及說明13 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 儀表型號清單13 HYPERLINK

5、l bookmark73 o Current Document 7.總結(jié)14 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 參考文獻(xiàn)14 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(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，也是一次全面的專業(yè)知識的運(yùn)用和實(shí)踐。鞏固和深化所學(xué)課程的知識：通過課程設(shè)計，要求學(xué)生初步學(xué)會運(yùn)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(shí)際中的具體的設(shè)計問題，檢驗(yàn)學(xué)生對本門課程及相關(guān)課程內(nèi)容的掌握的程度，以進(jìn)一步鞏固和深化所學(xué)課程的知識。培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、實(shí)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、

6、編寫設(shè)計說明書，可以培養(yǎng)學(xué)生對工程設(shè)計的獨(dú)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驟，為以后從事工程設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。使學(xué)生能熟悉和運(yùn)用設(shè)計資料，學(xué)會查閱相關(guān)文獻(xiàn)，如有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、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(xùn)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(biāo)；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。系統(tǒng)簡介精餾操作是煉油、化工生產(chǎn)過程中的一

7、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(diǎn)有千差萬別，這需要深入分析特性，結(jié)合具體塔的特點(diǎn)，進(jìn)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(biāo)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(biāo)、蒸餾產(chǎn)品的產(chǎn)量指標(biāo)和蒸餾過程的能耗指標(biāo)作為主要控制目標(biāo)，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

8、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(biāo)，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)計的按提餾段指標(biāo)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(biāo)，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。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(biāo)，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(biāo)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(diǎn)，其動態(tài)過程也能比較快地收斂，液相進(jìn)料量或進(jìn)料成分的

9、變化很快影響塔底的成分。提餾段溫控的另一個特點(diǎn)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(jìn)行傳熱傳質(zhì)。為了保證生產(chǎn)過程順利進(jìn)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e發(fā)生變化，需要相繼通過很多熱容積。實(shí)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

10、），最后也影響到溫度e。很明顯當(dāng)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(dá)到控制目標(biāo)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(jī)控制系統(tǒng)來說僅增加了一個測量變送器），但控制

11、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(diǎn)的改善：1）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(qiáng)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eC1的控制，后者根據(jù)溫度e改變蒸汽流量給定值Qr,從而保證在發(fā)生進(jìn)料方面的擾動的情況下仍能保持溫度。滿足要求。用

12、這個方法以非常有效地克服蒸汽壓力波動對于溫度e的影響，因?yàn)榱髁孔苑€(wěn)定系統(tǒng)的動作很快，蒸汽壓力變化所引起的流量波動在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e的影響是很微小的。圖3.2為系統(tǒng)原理圖。加熱蟲汽進(jìn)料塔底部圖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(dá)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

13、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(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性能好等特點(diǎn)，圖3.4為實(shí)物圖。鎧裝熱電偶主要技術(shù)參數(shù):1）精度等級：I級或II級2）公稱直徑：13）彎曲直徑：R25D4）公稱壓力：常壓測量500C以上的高溫，它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中從0C800C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(shí)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

14、測元件熱電偶相匹配。將溫度信號線性轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。本系統(tǒng)選擇OHR-M2熱電偶溫度變送器，接線端子圖為圖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-20C+250C的工作溫度范圍內(nèi)工作。有模擬標(biāo)準(zhǔn)信號，也有數(shù)字脈沖信號輸出，容易與計算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用，是一種比較先進(jìn)、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、O-lOmA、1-5V、0-5V、0-10V電源DC20-32V功耗一進(jìn)一出功耗：W1W；進(jìn)二

15、出、二進(jìn)二出功耗；W1.4W工作溫度-10-50C相對濕度25%-85%RH保存溫度-10-60C溫度漂移0.0075%FS/C最小分辨率0.1C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-DN2004.0,DN250-DN3001.6介質(zhì)溫度（C）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(zhǔn)確度1%R,1.5%R;范圍度1：6-

16、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)境條件溫度-20C-55C，相對濕度5%-90%，大氣壓力86-106kPA適用介質(zhì)氣體、液體、蒸汽圖3.6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(jìn)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(shí)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

17、線端子圖如圖3.7。主要技術(shù)參數(shù)如表3.3。當(dāng)幵廠E|fr供電電輝131415o|ooBoTC二線制S宀2（W二+i模擬*or二SSR卿節(jié)油出圖3.7PID調(diào)節(jié)器接線端子圖表3.3PID調(diào)節(jié)器主要技術(shù)參數(shù)測量超限顯示“1”或“-1”測量精度3次/秒(25C)0.5%FSW150PPM隔離耐壓DC500V連續(xù)模擬量(25C)0.5%FS.IRLW250Q.VRL三500K0-10MA4-20MA0-20MA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(diǎn)容量AC220V/3A繼電器觸點(diǎn)壽命100000次工作環(huán)

18、境溫度0-50C相對濕度W85%RH工作電源(5W)AC220V50HZ3.3.4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(jī)構(gòu)是DDZ型電動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(jī)）信號，自動地操縱執(zhí)行機(jī)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)行器中米用了先進(jìn)的智能數(shù)字技術(shù)和高度集成的模塊化、機(jī)電一體化設(shè)計，可直接接收計算機(jī)或儀表等輸出的420mADC或15VDC標(biāo)準(zhǔn)信號，實(shí)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：4-20f

19、flAUT4-20mA220VAO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(xiàng)目機(jī)型SDV-05電源AC24/110/220/380V,DC24/220V輸出力矩50N.M動作范圍0-905工作時間20秒保護(hù)裝置過熱保護(hù)環(huán)境溫度-30C+60C額定電流0.2A絕緣電阻100MQ/DC500V耐壓值A(chǔ)C1500V60秒手動操作附帶手柄操作限位電氣，機(jī)械二重限位防水性相當(dāng)于IP67安裝角度可任意角度安裝位置測量可選裝開關(guān)或電位計系統(tǒng)仿真分析在MATLAB中進(jìn)行仿真，Step代表給定一次溫度，Gainl與TransferFcn2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

20、出響應(yīng)趨于穩(wěn)定，TransferFcn代表調(diào)節(jié)閥，TransferFcn1代表蒸汽管路系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器PIDControllerl采用PID控制，副調(diào)節(jié)器PIDController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：Gp2Q(s)K2f(s)Ts+1v2TransferFcn)(4.l)GK(Gain1)(4.2)d2P(s)d2v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：Gp1T(s)Q(S)Kp(Ts+1)(Ts+1)P1p2e-TpTr

21、ansferFcnl)4.3)Gd1Kdl(Ts+1)d1exdTransferFcn2)4.4)其中Kp1=10，Tp1=-120，Tp2=-300，Kd1=1，Td1=60。PIC(3)DID(s)P1DCortrollerlGainlS0s+1TransferFcn2PIDCdntrollerTransferFenTransferFml103&DDD&220s*1ScopeTransportDelsy圖4.1MATLAB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2.5：1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

22、較差，振蕩幅度大。最后，需要對主控制器參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)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、II、D1表示主調(diào)節(jié)器參數(shù)，P2、D2、12表示副調(diào)節(jié)器參數(shù)，Nl、N2為調(diào)節(jié)器默認(rèn)數(shù)值，具體參數(shù)如表4.1。圖4.2為初期實(shí)驗(yàn)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)振湯時數(shù)值符合要求時數(shù)值P10.40.7I10.0060.00186D14091N1100100P29060I2120100D200N2100100MiScopesXFileToolsViewSimulationHelp*題十喝Ql|留F辺FE3F，CursorValue0000e+00t000e+00n口u31*PeakFinder和SettingsSettingswMeasureimentGIimiED000e+0075ODD76.DOOg1/AT圖4.2初期實(shí)驗(yàn)階段響應(yīng)1OOOs+OO斗iScopefileToolsViewSimulationHelp:X：F車fraceSelection71XStepV乍tPeakFinder審xValue0nOQe+OOT5.00C1.000e+00AY1.000e+0013.333mHz-5Q&Q.G00卜SettingsrTCiirwrMeasnrepnEPits駐Sett