合成氨過程的集散控制系統(tǒng)設(shè)計

PAGEPAGE50合成氨過程的集散控制系統(tǒng)設(shè)計摘要本設(shè)計——“合成氨過程的集散控制系統(tǒng)設(shè)計”是針對目前合成氨生產(chǎn)的具體要求及集散控制系統(tǒng)（DCS）發(fā)展的現(xiàn)狀，進(jìn)行研究與設(shè)計，以實現(xiàn)合成氨生產(chǎn)過程自動控制與管理，最終提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益為目的。本文是以我國中大中型氮肥生產(chǎn)企業(yè)為背景，天然氣為原料氣，在分析了合成氨生產(chǎn)過程基本工藝的基礎(chǔ)上，主要對合成氨過程中的合成工段進(jìn)行研究。此次設(shè)計詳細(xì)介紹了此工段中的氫氮比控制，幾乎所有的合成氨裝置對氫氮比的控制都存在一定的問題。氫氮比系統(tǒng)是一個超大時滯系統(tǒng)，大時滯系統(tǒng)的控制問題是過程控制中的難題，超大時滯系統(tǒng)的控制更為困難。針對上述情況，本文設(shè)計了串級加前饋控制系統(tǒng)用于該過程氫氮比在線控制。本文基于浙大中控的JX—300X系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)、界面組態(tài)、操作組態(tài)。在SCKey組態(tài)軟件的環(huán)境下完成了系統(tǒng)組態(tài)，并對其控制功能進(jìn)行分析。DCS組態(tài)試驗結(jié)果表明對于氨合成工段的集散控制系統(tǒng)較常規(guī)（經(jīng)典）控制有明顯的優(yōu)勢，此次設(shè)計基本成功。關(guān)鍵詞集散控制系統(tǒng)；合成氨工段；氫氮比控制；目錄摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ第1章前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11．1問題的提出及研究目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11．2合成氨過程發(fā)展概況．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11．3存在的問題及最新發(fā)展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2第2章合成氨生產(chǎn)過程簡述及控制需求分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32．1合成氨生產(chǎn)過程簡述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32．2合成氨工段的工藝流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42．3控制需求分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4第3章控制方案設(shè)計及論證．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63．1氫氮比控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63．1．1控制對象特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63．1．2工藝對氫氮比的控制要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．73．1．3控制方案設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．83．2惰性氣體含量控制系統(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．103．3合成塔觸媒層溫度控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．113．4循環(huán)氣氨冷器出口溫度和液位控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．123．5氨分離器及冷交換器液位控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13第4章控制系統(tǒng)總體設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154．1JX—300X控制系統(tǒng)簡介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154．1．1JX—300X系統(tǒng)結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154．1．2系統(tǒng)的主要特點．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．164．2儀表設(shè)備選型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．174．2．1選擇原則．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．174．2．2儀表的選型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．204．3系統(tǒng)硬件構(gòu)成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．304．3．1控制站的配置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．314．3．2I/O卡的配置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．314．3．3操作站的配置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．324．3．4工程師站配置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．324．4系統(tǒng)軟件構(gòu)成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33第５章系統(tǒng)組態(tài)及控制功能的實現(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．355．1SCKey組態(tài)軟件簡介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．355．1．1集散控制系統(tǒng)組態(tài)的定義355．1．2SCKey組態(tài)軟件特點355．2總體信息組態(tài)355．2．1主機(jī)設(shè)置355.3控制站組態(tài)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．365．3．1系統(tǒng)I/O組態(tài)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．375．3．2自定義變量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．405．3．3系統(tǒng)控制方案組態(tài)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．415．4操作站組態(tài)．455．4．1系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)畫面組態(tài)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．455．5控制功能分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48第6章結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．49參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．50謝辭．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．51第1章前言1.1問題的提出及研究目的在合成氨工業(yè)中，特別是近代大型合成廠的出現(xiàn)，生產(chǎn)技術(shù)和工藝過程日趨復(fù)雜，對過程自動化提出了更高的要求。在控制方面，除了需要單回路控制、串級控制、比值控制等，還要求實現(xiàn)前饋控制、時滯補(bǔ)償、多變量的相關(guān)控制等新型控制功能，而且常規(guī)儀表具有控制精度低、故障率高、性能不穩(wěn)定、維護(hù)量大、費(fèi)用高等的缺點，因此難以滿足要求[1]。DCS控制系統(tǒng)由于具有集中管理，分散控制，布線簡單，調(diào)試方便等的特點，而且還由于計算機(jī)本身的飛速發(fā)展，其性能不斷提高、價格不斷下降。因此，工業(yè)合成氨的離散控制（DCS）有很大的研究價值和意義。經(jīng)研究與分析，針對DCS應(yīng)用的普及，以及合成氨生產(chǎn)的具體要求，本文主要是對如何將DCS應(yīng)用到合成氨生產(chǎn)過程，進(jìn)行分析與研究，進(jìn)行集散控制系統(tǒng)設(shè)計，以實現(xiàn)在一定程度上節(jié)約人力物力，改善操作人員和維護(hù)人員的工作環(huán)境和勞動強(qiáng)度，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的目的。1.2合成氨過程發(fā)展概況我國大型合成氨廠已建成投產(chǎn)的共20多個，多數(shù)是70、80年代引進(jìn)的裝置。建廠時自動控制設(shè)計多采用電動Ⅲ型儀表，成熟的控制回路和繼電器連鎖控制，基本上滿足單機(jī)組/大容量、連續(xù)化大生產(chǎn)的要求。但是一些節(jié)能效果顯著的復(fù)雜控制回路仍需人工操作、生產(chǎn)調(diào)度、報表等管理工作也皆人工操作，檢測控制系統(tǒng)故障影響生產(chǎn)的事件常有發(fā)生。80年代初，個別大型氨廠開始引進(jìn)單回路調(diào)節(jié)器，DCS取代原來常規(guī)調(diào)節(jié)儀表并自行開發(fā)應(yīng)用軟件，相繼把原來人工調(diào)節(jié)的一些節(jié)能效果顯著的復(fù)雜控制回路引入計算機(jī)控制，對節(jié)能、增產(chǎn)、穩(wěn)定工藝發(fā)揮作用。目前，隨著合成氨工藝生產(chǎn)過程控制水平也得到較大的提高。大中型合成氨裝置已經(jīng)較為普遍的采用分散控制系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，DCS技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展，打破了傳統(tǒng)的DCS的強(qiáng)封閉性，，為企業(yè)實現(xiàn)全廠管控一體化創(chuàng)造了條件。1.3設(shè)計目的及意義對于各個生產(chǎn)企業(yè)而言，合成氨裝置采用集散型控制系統(tǒng)(DCS)在一定程度上節(jié)約人力物力，改善操作人員和維護(hù)人員的工作環(huán)境和勞動強(qiáng)度，在一定程度上提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；對我自己來說，這次畢業(yè)設(shè)計可以使平時在課堂上學(xué)到的理論知識得以實踐，提高動手、思考和解決問題的能力，對畢業(yè)后的工廠工作提供了一個鍛煉的平臺。第2章合成氨生產(chǎn)過程簡述及控制需求分析2.1合成氨生產(chǎn)過程簡述合成氨的制取是氮肥生產(chǎn)的主要過程。在合成氨中，由于合成氣制備的原料、方法，合成氣的凈化，合成塔的設(shè)計等因素的不同，合成氨的生產(chǎn)工藝流程也不同，但大體上分以下三個步驟：原料氣的制備原料氣的凈化氨的合成下面主要介紹以天然氣為原料的合成氨生產(chǎn)工藝機(jī)理，工藝流程圖如圖2.1所示。圖2.1合成氨過程的工藝流程圖已壓縮和脫硫的天然氣和蒸汽按一定比例混合進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐，采用加壓蒸汽轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)半水煤氣，同時在二段轉(zhuǎn)化爐中加入空氣，由于氫氣和氧氣的燃燒放出的熱量而使氣體溫度生高，使轉(zhuǎn)化反應(yīng)趨于完全。同時得到合成氨所需要的氮?dú)?。?jīng)中溫和低溫變換并脫除二氧化碳后，殘余的一氧化碳和二氧化碳經(jīng)過甲烷化催化劑生成甲烷，然后在四個大氣壓下合成氨[3]。在合成氨生產(chǎn)中，氨合成工段是合成氨工廠的心臟部分。氨合成的好壞，直接影響到工廠的產(chǎn)量、原料氣的消耗、壓縮機(jī)能耗的高低，它是合成氨工廠的高產(chǎn)底耗的關(guān)鍵工序。因此，此次設(shè)計要對此工段進(jìn)行詳細(xì)分析與設(shè)計。2.2合成氨工段的工藝流程圖2.2示出了氨廠合成工段工藝流程，在流程中新鮮氣體與循環(huán)氣均由往復(fù)式壓縮機(jī)加壓，設(shè)置水冷器與氨冷凝器兩次產(chǎn)品液氨，氨合成反應(yīng)熱僅用于預(yù)熱進(jìn)塔氣體[2]。此流程特點如下：在原料氣中含有惰性氣體，其雖對催化劑無害，也不參加反應(yīng)，但氣體含量的高低將會影響平衡氨含量。在合成氨中，由于氫、氮?dú)怏w的循環(huán)，惰性氣體含量的高低將逐漸積累，所以為控制原料氣中的惰性氣體含量，需定期排放一部分惰性氣體。流程中放空位置選在惰性氣體含量最高，氨含量較低的位置，這樣原料氣和氨氣的損失少。原料氣在合成塔合成氨后，氣體中的氨含量一般只有10%~20%，因此分離氨后的氫氮比（又稱循環(huán)氣）用循環(huán)機(jī)循環(huán)使用。流程中循環(huán)機(jī)位于第一氨分離器與氨冷凝塔之間，循環(huán)氣溫度低，壓縮省功。新鮮氣在油分離器補(bǔ)入，可以在氨分離器時再次得到凈化，因為氨在冷凝時形成表面積極大的新相，對去除油污以及帶入的微量的二氧化碳、水器極為有利。2.３控制需求分析圖2.2氨合成工段工藝流程圖合成氨生產(chǎn)中，合成氨工段中主要工藝參數(shù)直接影響合成氨的產(chǎn)量及能源消耗等指標(biāo)。因此合成工段中主要工藝參數(shù)的優(yōu)化控制非常重要。為了適應(yīng)生產(chǎn)的要求，以降低噸氨消耗為目標(biāo)，控制參數(shù)有以下幾個：氫氮比控制惰性氣體含量控制合成塔觸媒層溫度控制氨冷出口溫度控制氨分離器及冷交換器液位控制第3章控制方案設(shè)計及論證3.1氫氮比控制在合成氨工段中,氫氮比參數(shù)是最為重要的幾個參數(shù)之一。氫氮比控制的好壞與整個生產(chǎn)的安全及裝置的經(jīng)濟(jì)效益都是直接相關(guān)的。3.1.1控制對象特性分析A．純滯后時間大。從造氣工段到合成工段間隔時間需20-25分鐘，因為通道長，更加大了這個系統(tǒng)的時滯，初步估計這一系統(tǒng)純滯后時間為30分鐘左右，而氫和氮合成過程是一個化學(xué)變化過程，這就決定了該系統(tǒng)的時間常數(shù)T不會太大，從而使得遠(yuǎn)大于1，眾所周知,對于>0.6的系統(tǒng)，PID調(diào)節(jié)器就已經(jīng)不能很好的控制了，對于>1的系統(tǒng)就更無能為力了，所以即使自動控制設(shè)備是很好的DCS，這個環(huán)節(jié)的自動閉環(huán)穩(wěn)定控制仍不能實現(xiàn)。B．無自衡性和蓄存性。合成塔以三比一的關(guān)系消耗氫氣和氮?dú)?，如果補(bǔ)充氣不是以三比一補(bǔ)充，將有氫或氮的積累。這就是對象的無自衡性。已經(jīng)積累的氫或氮將存于循環(huán)氣中不會自行消失，這就是蓄存性。要消除已積累的氫或氮?dú)?，必須有一股與原積累方向相反的氫氣或氮?dú)馊パa(bǔ)充。C．?dāng)_動因素多。歸納起來主要有：原料油田氣系統(tǒng)來的變換氣流量、氫含量氮?dú)饧兌?、以及為降低系統(tǒng)壓力和惰性氣體含量的弛放氣流量等。還有許多不可測的干擾因素。生產(chǎn)實際表明，氫氮比是合成氨裝置中最難控制的一個變量利用常規(guī)PID組成的控制系統(tǒng)因適應(yīng)能力差，滿足不了這一變量的控制要求。多年來，這個生產(chǎn)裝置的氫氮比控制都是通過人工調(diào)節(jié)的，氫氮比控制在2.8~3.2為合格[4]。用手動控制，在裝置穩(wěn)定時可以收到滿意的效果，但裝置情況有變化，例如有大的干擾發(fā)生或處理量發(fā)生變化等，手動控制不能及時跟蹤，這就使得裝置在一段時期內(nèi)不能穩(wěn)定，必然影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。.某些廠的合格率僅為43％左右，嚴(yán)重影響合成氨的產(chǎn)量。上述分析可見，氫氮比環(huán)節(jié)之所以成為一個難控環(huán)節(jié)的原因有二：一是裝置特性的原因，即它是復(fù)雜的大時滯環(huán)節(jié)；二是采用常規(guī)控制的原因，常規(guī)控制對于大時滯強(qiáng)干擾環(huán)節(jié)的控制能力很差。第一個原因是客觀存在，工藝和裝置不能做任何改變。所以要解決氫氮比的控制問題，只能從從第二個原因入手，即要用較好的控制方法對這個環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。為此人們在理論和實踐上都進(jìn)行了大量的研究工作。試用了許多方法，但效果都不理想。無論從理論上還是從實踐上講，尋求高性能的控制策略來構(gòu)成氫氮比計算機(jī)實時控制系統(tǒng)，以改善氫氮比環(huán)節(jié)的控制，顯然是十分必要的。3.1.2工藝對氫氮比的控制要求（1）安全可靠當(dāng)信號中段時，不會引起系統(tǒng)大幅度的波動，遇突然斷電、斷氣情況下具有安全連鎖措施。（2）操作靈活方便顯示、操作、控制系統(tǒng)投運(yùn)，手、自動切換方便。（3）控制穩(wěn)定3.1.3控制方案設(shè)計對于這樣大滯后的自動調(diào)節(jié)，若采用簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)，則超調(diào)量大，過度時間長，系統(tǒng)不穩(wěn)定。綜合前饋和串級控制特點，采用前饋——串級控制較適宜。方案一：主環(huán)信號采用合成塔進(jìn)口氣的氫氮比，副回路采用新鮮氣的氫氮比，從而構(gòu)成一個串級控制系統(tǒng)。同時對原料氣和空氣又組成一個靜態(tài)前饋系統(tǒng)。方案二：以變換出口處氫氮比代替甲烷化后新鮮氣的氫氮比，可提高系統(tǒng)副環(huán)的靈敏性，使系統(tǒng)有所改進(jìn)。方案三：此方案主環(huán)信號采用合成塔出口氣的氫氮比，副回路信號采用低變爐出口變換氫含量，這樣副環(huán)滯后時間小些，提高系統(tǒng)的工作效率，同時為了提高抗干擾能力，取一段爐入口天然氣流量為前饋量，組成一個完整的前饋——串級控制系統(tǒng)。主參數(shù)是工藝操作的重要指標(biāo)，因此，直接取合成塔入口循環(huán)氣氫氮比值，要求氫氮比偏離最佳值越小越好，主環(huán)給出人工給定最佳氫氮比?？刂品桨阜娇驁D、流程圖如圖3.1所示。圖3.1氫氮比控制的方塊圖及流程圖副回路的引入是為了保證主參數(shù)的穩(wěn)定，首先，副回路應(yīng)盡量把影響主參數(shù)最嚴(yán)重、最激烈、最頻繁的主要干擾包括在內(nèi)，并力求包括較多的次要干擾；其次，主、副回路的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。一般主、副回路的時間常數(shù)比為3~10，若，則副回路包括的干擾太少，使副回路克服干擾的能力減弱，考慮到工藝的合理性，最好把調(diào)節(jié)通道的非線性部分包括在副回路內(nèi)。若，則副回路的快速、超前、減少滯后的優(yōu)點發(fā)揮不出來，且容易引起“共振”現(xiàn)象。因此，選取變換氫含量作為副參數(shù)較合理。因為變換氫的變化方向與氫氮比的變化方向一致，進(jìn)入二段爐空氣流量的改變，變換氫首先氫氮比的變化趨勢，因而若變換氫控制在某一數(shù)值上，則循環(huán)氫氮比相對地穩(wěn)定下來。前饋量工藝天然氣流量的引入，增加了系統(tǒng)抗干擾能力，對于進(jìn)入工藝天然氣流量的干擾，能夠快速、及時校正。因此，系統(tǒng)對負(fù)荷改變自適應(yīng)能力增強(qiáng)，穩(wěn)定性提高。3.2惰性氣體含量控制系統(tǒng)在合成系統(tǒng)的循環(huán)氣中，甲烷、氬等惰性氣體的組分積累過多時，將降低合成氨的轉(zhuǎn)化率，影響合成氨的產(chǎn)量。因此需將一部分循環(huán)氣連續(xù)放空，以控制合成回路惰性氣體組成。但是過多的放空弛放氣量又浪費(fèi)了寶貴的氫氮?dú)?，同樣也影響合成氨的產(chǎn)量。因此需根據(jù)惰性氣體含量分析的多少，控制弛放氣的排放量。圖3.2是采用串級加選擇性控制方案的惰性氣含量控制示意圖及相應(yīng)的方框圖。 圖3.2惰性氣含量控制示意圖及相應(yīng)的方框圖在正常情況下是以回路中惰性氣體分率作為主被控變量，以惰性氣體含量為目標(biāo)進(jìn)行控制。由于該對象時間常數(shù)大，純滯后時間長，所以采用串級控制方案，將弛放氣含量構(gòu)成副回路，以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，獲得主被控變量的較理想的控制品質(zhì)當(dāng)壓力超限時，調(diào)節(jié)合成系統(tǒng)壓力的超馳放空控制系統(tǒng)自動取代惰性氣體含量控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，恢復(fù)正常的系統(tǒng)壓力，隨后再重新投入惰性氣體含量控制。3.3合成塔觸媒層溫度控制觸媒層溫度是保證合成塔能穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和延長觸媒壽命的主要工藝指標(biāo)之一。由于合成塔結(jié)構(gòu)不同，相應(yīng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成也不同。對床層內(nèi)設(shè)置冷管的連續(xù)換熱式氨合成塔溫度控制，設(shè)計了串級控制形式的敏點——熱點溫度串級控制方案。此方案通過選擇敏點作為副環(huán)，具有反應(yīng)靈敏的優(yōu)點，可達(dá)到提高調(diào)節(jié)的目的。在合成氨生產(chǎn)過程中，合成塔觸媒層溫度是十分重要的工藝參數(shù)，一般有十多個檢測點，其中溫度最高的一點稱為熱點，而對調(diào)節(jié)量（副線）最敏感的一點稱為敏點?？刂品桨笀D及方塊圖如圖3.3所示。圖3.3合成塔觸媒層溫度控制流程圖及方塊圖3.4氨冷器出口溫度和液位控制為了更好的控制溫度，采用串級控制方案，以溫度回路為主回路，液位為副回路。若氨冷器中的加氨量過大造成液位超限，就回出現(xiàn)氣氨帶液，會造成停車事故。為了保證液位，當(dāng)液位超限時，切斷串級回路，使回路的串級狀態(tài)切換到副回路的自動狀態(tài)，確保液位在安全值內(nèi)，避免發(fā)生生產(chǎn)事故。控制流程圖和方塊圖如圖3.4所示。圖2.4氨冷器出口溫度和液位控制方案圖及流程圖3.5氨分離器及冷交換器液位控制在氨分離器及冷交換器液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，用常規(guī)單回路調(diào)節(jié)，水位測量與給定值進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果調(diào)節(jié)液位調(diào)節(jié)閥開度，從而維持液位恒定。控制方案圖及方塊圖如圖3.7所示。圖3.7氨分離器液位控制流程圖及方塊圖第4章控制系統(tǒng)總體設(shè)計4.1JX—300X簡介4.1.1JX—300X系統(tǒng)結(jié)構(gòu)JX—300X分散控制系統(tǒng)是浙大中控公司于1996年在JX—300系統(tǒng)基礎(chǔ)上充分應(yīng)用最新信號處理技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、可靠的軟件平臺、軟件漢化技術(shù)及現(xiàn)場總線技術(shù)而推出的一個全數(shù)字化、結(jié)構(gòu)靈活、功能完善的新型開放式控制系統(tǒng)。能適應(yīng)更廣泛更復(fù)雜的應(yīng)用要求。JX—300X系統(tǒng)通訊適應(yīng)的軟、硬件可實現(xiàn)與早期廠品JX—100、JX—200、JX—300，以及PLC，企業(yè)管理計算機(jī)網(wǎng)的信息交換，實現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)采集、實時系統(tǒng)查看、實時趨勢瀏覽、報警記錄與查看、開關(guān)量變化記錄與查看、報表數(shù)據(jù)存儲、歷史趨勢存儲與查看、產(chǎn)生過程報表生成與輸出等功能，從而實現(xiàn)整個企業(yè)生產(chǎn)過程的管理、控制全集成自動化。JX—300X基本組成包括工程師站、操作站、控制站和通訊網(wǎng)絡(luò)Ⅱ[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如所示。圖4.1JX—300X系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖工程師站是為專業(yè)工程技術(shù)人員設(shè)計的，內(nèi)裝有相應(yīng)的組態(tài)平臺和系統(tǒng)維護(hù)具。通過系統(tǒng)組態(tài)平臺生成適合于生產(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)庫結(jié)構(gòu)定義、操作組態(tài)、流程圖畫面組態(tài)、報表程序編制等。而使用系統(tǒng)的維護(hù)工具軟件實現(xiàn)過程控制網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、故障診斷、信號調(diào)校等。操作站是由工業(yè)PC機(jī)、CRT、鍵盤、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、多窗口畫面顯示功能可以方便地實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的集中顯示、集中操作和集中管理?？刂普臼窍到y(tǒng)中直接與現(xiàn)場打交道的I/O處理單元，完成整個工業(yè)過程的實時監(jiān)控功能?？刂普究扇哂嗯渲茫`活、合理。在同一系統(tǒng)中，任何信號均可按冗余或不冗余連接，詳見卡件描述。對于系統(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。過程控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工程師站、操作站、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，使得信息傳輸安全、高速。4.1.2系統(tǒng)的主要特點JX-300X覆蓋了大型集散控制系統(tǒng)的安全性、冗余功能、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能、集成的用戶界面及信息存取功能，除了具有模擬量信號輸入輸出、數(shù)字量信號輸入輸出、回路控制等常規(guī)DCS的功能，還具有高速數(shù)字量處理、高速順序事件記錄（SOE）、可編程邏輯控制等特殊功能；它不僅提供功能塊圖、梯形圖等直觀的圖形組態(tài)工具，還提供開發(fā)復(fù)雜高級控制算法（如模糊控制）的類C語言編程環(huán)境SCX。系統(tǒng)規(guī)模變化靈活，可以實現(xiàn)從一個單過程控制，到全廠范圍的自動化集成。系統(tǒng)的主要特點如下：（1）高速、可靠、開放的通訊網(wǎng)絡(luò)SCnetII（2）分散、獨(dú)立、功能強(qiáng)大的控制站（3）多功能的協(xié)議轉(zhuǎn)換接口（4）全智能化設(shè)計（5）任意冗余配置（6）簡單、易用的組態(tài)手段和工具（7）豐富、實用、友好的實時監(jiān)控界面（8）事件記錄功能（9）與異構(gòu)化系統(tǒng)的集成（10）安裝方便，維護(hù)簡單，產(chǎn)品多元化、正規(guī)化4.2儀表設(shè)備選型4.2.1選擇原則根據(jù)控制方案和過程特性、工藝要求，選擇合適的傳感器、變送器、與執(zhí)行器。1．傳感器、變送器的選擇原則根據(jù)控制系統(tǒng)中用于參數(shù)檢測的傳感器、變送器是系統(tǒng)中獲取信息的裝置。傳感器、變送器完成對被控參數(shù)以及其他一些參數(shù)、變量的檢測，并將測量信號傳送到控制器。測量信號是調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制的基本依據(jù)，被控參數(shù)迅速、準(zhǔn)確的測量是實現(xiàn)高性能控制的重要條件。測量不準(zhǔn)確或不及時，會生產(chǎn)失調(diào)、誤調(diào)或調(diào)節(jié)不及時，影響之大不能忽視。因此傳感器、變送器的選擇是過程控制系統(tǒng)設(shè)計中重要一環(huán)[7]。傳感器與變送器的選擇與使用，主要根據(jù)被檢測參數(shù)的性質(zhì)以及控制系統(tǒng)設(shè)計的總體功能要求來決定。被檢測參數(shù)性質(zhì)、測量精度、響應(yīng)速度以及對控制性能要求等都影響傳感器、變送器的選擇與使用，在系統(tǒng)設(shè)計時，要從工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性、可替換性等方面加以綜合考慮。下面結(jié)合過程控制系統(tǒng)設(shè)計，簡要討論傳感器、變送器選擇的一些注意事項及使用中應(yīng)注意的一些事項。（1）傳感器、變送器則量范圍與精度等級的選擇在控制系統(tǒng)設(shè)計時，對要檢測的參數(shù)和變量都有明確的測量精度要求，參數(shù)與變量可能的變化范圍一般都是已知的。因此在傳感器的選擇時，應(yīng)按照生產(chǎn)過程的工藝要求，首先確定傳感器與變送器的測量范圍（量程）與精度等級。（2）盡可能考慮時間常數(shù)小的傳感器、變送器傳感器、變送器都有一定的響應(yīng)時間，特別是測量元件，由于存在熱阻和熱容，本身具有一定的時間常數(shù)，這些時間常數(shù)和純滯后必然造成測量滯后；對于氣動儀表，由于現(xiàn)場傳感器與控制室儀表間的信號通過管道傳遞，還存在一定的傳送滯后。必要時也可以在測量元件以后引入微分環(huán)節(jié)，利用它的超前作用來補(bǔ)償測量元件引起的動態(tài)誤差。對于傳送滯后較大的氣動信號，一般氣壓信號管路不能超過300m，直徑不能小于6mm，或者用閥門定位器、氣動氣動放大器增大輸出功率，以減少傳送滯后。在可能的情況下，現(xiàn)場與控制室之間的信號盡量采用電信號，以減少傳送滯后。（3）合理選擇檢測點、減少測量滯后要合適的選擇測量信號的檢測點，以避免由于傳感器安裝位置不合適引起的滯后。另外，測量位置的選擇還要使檢測參數(shù)能夠真實反映生產(chǎn)過程狀態(tài)，因此盡量將傳感器安裝在能夠直接代表生產(chǎn)過程狀態(tài)的位置。2．執(zhí)行器的選擇原則過程控制使用最多的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成的執(zhí)行器。從提高系統(tǒng)控制品質(zhì)、增強(qiáng)生產(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)備安全性角度，對控制系統(tǒng)設(shè)計中有關(guān)執(zhí)行器選型需要關(guān)注的問題進(jìn)行簡單的說明。（1）調(diào)節(jié)閥工作區(qū)間的選擇在過程控制系統(tǒng)設(shè)計中，確定控制閥的口徑尺寸是選擇控制閥的重要內(nèi)容之一，在正常工況下要求調(diào)節(jié)閥的開度在15%~85%之間。如果調(diào)節(jié)閥口徑選的過小，當(dāng)系統(tǒng)受到較大的擾動時，調(diào)節(jié)閥工作在全開或全關(guān)的飽和狀態(tài)，使系統(tǒng)暫處于失控狀態(tài)，這對擾動偏差的消除不利；同樣，調(diào)節(jié)閥口徑選的過大，閥門長時間處于小開度工作狀態(tài)，閥門的不平衡力較大，閥門調(diào)節(jié)冷敏度低，工作特性差，甚至?xí)a(chǎn)生震蕩或調(diào)節(jié)失靈的情況。因此，調(diào)節(jié)閥口輕選擇一定合適。（2）調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇一般分兩步進(jìn)行。首先要根據(jù)生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)和控制系統(tǒng)的工藝要求，確定工作流量特性的畸變關(guān)系，求出對應(yīng)理想流量特性，確定閥門類型。（3）調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)作用的選擇調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)作用方式的選擇主要以不同生產(chǎn)工藝條件下，人員安全、生產(chǎn)安全、系統(tǒng)及設(shè)備安全的需要為首要依據(jù)。由于工業(yè)生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)閥絕大部分為氣動調(diào)節(jié)閥，所以這里主要討論調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)作用方式選擇。氣開式調(diào)節(jié)閥隨著控制信號的增加而開度加大，當(dāng)無壓力控制信號時，閥門處于全關(guān)閉狀態(tài)；與之相反，氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥隨著信號壓力的增加，閥門逐漸關(guān)小，當(dāng)無信號時，閥門處于全開狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)選擇調(diào)節(jié)閥氣開或氣關(guān)作用方式完全由生產(chǎn)過程的工藝特點和安全要求決定。一般要根據(jù)以下幾條原則進(jìn)行選擇人身安全、系統(tǒng)與設(shè)備安全原則保證產(chǎn)品質(zhì)量原則減少原料和動力浪費(fèi)的經(jīng)濟(jì)原則基于介質(zhì)特點的工藝設(shè)備安全原則4.2.2儀表選型1.氫氮比控制回路的選型A．天然氣回路a．LWQ-C-25型氣體渦輪流量計流量計1）概述LWQ-C-25型氣體渦輪流量計是吸取了國內(nèi)外流量儀表先進(jìn)技術(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，綜合了氣體力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)等理論而自行研制開發(fā)的集溫度、壓力、流量傳感器和智能流量積算儀于一體的新一代高精度、高可靠性的氣體精密計量儀表，具有出色的低壓和高壓計量性能，多種信號輸出方式以及對流體擾動的低敏感性，廣泛適用于天然氣、煤制氣、液化氣、輕烴氣等氣體的計量。2）產(chǎn)品特點

專為燃?xì)庥嬃吭O(shè)計，高靈敏度，高安全性

進(jìn)口優(yōu)質(zhì)專用軸承，使用壽命長

計量室與通氣室隔絕，保證了儀表的安全性

可檢測被測氣體的溫度、壓力和流量，能進(jìn)行流量自動跟蹤補(bǔ)償，并顯示標(biāo)準(zhǔn)狀的氣體體積累積量；可實時查詢溫度壓力數(shù)值

流量范圍寬，重復(fù)性好，精度高（可達(dá)1.0級），壓力損失小

智能化儀表系數(shù)多點非線性修正

內(nèi)置式壓力、溫度傳感器，安全性能高、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀3）技術(shù)參數(shù)：公稱通徑：25（mm）；流量范圍：5—150（m3/h）；工作壓力：4（MPa）；安裝形式：法蘭；精度等級：1.0級使用條件：環(huán)境溫度：-30℃～+60℃；大氣壓力：86KPa～106KPa；介質(zhì)溫度：-30℃～+80℃；相對濕度：5%～95%輸出信號：4~20mADC電流輸出b．NS-I7型壓力變送器（上海天沐自動化有限公司）1）特點：采用進(jìn)口原裝陶瓷壓阻傳感器；傳感器和放大電路高度集成；全體不銹鋼封裝成一體；電路零點和增益無需調(diào)整；結(jié)構(gòu)緊湊、防水、防塵；低價格2）

技術(shù)指標(biāo)：輸入壓力范圍：1MP-10MP過載能力:2倍測量介質(zhì)：對不銹鋼不腐蝕的氣、液體工作方式：絕壓、表壓、差壓工作電壓：24VDC（9～36V）輸出信號：4～20mA或1～5V輸出形式：二線制或三線制工作溫度范圍：-40～85℃c．ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥

1)產(chǎn)品概述ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥是一種壓力平衡調(diào)節(jié)閥。配用多彈簧執(zhí)行機(jī)構(gòu)，總體機(jī)構(gòu)緊湊、重量輕、穩(wěn)定性好。流體通道呈S流線型、壓降損失小，允許壓差大，噪音小，流通能力大。廣泛應(yīng)用于精確控制氣體、流體、蒸汽等介質(zhì)工藝參數(shù)如壓力、流量、溫度、液位保持在給定值。特別適用于允許流量大、壓差大，泄漏量要求不高的場合。

2）主要參數(shù)：信號范圍(KPa):20-100氣源壓力(MPa)：0.14公稱通徑（mm）：40固有流量特性：直線、等百分比公稱壓力（MPa）：4.0工作溫度（℃）：-20-200開關(guān)方式：氣開固有可調(diào)比：50B．蒸汽回路a.XKWJ-ZI/ZII型文丘利渦街流量計流量計1）概述XKWJ-ZI/ZII型文丘利渦街流量計是結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，采用先進(jìn)微處理器、微功耗技術(shù)和文丘利機(jī)構(gòu)及渦街原理開發(fā)出的一種具有國際先進(jìn)水平的新型流量計。它具有功能強(qiáng)大、測量準(zhǔn)確度高、量程范圍寬、管道安裝要求低、壓損小、抗振動能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、操作簡單等優(yōu)點，主要應(yīng)用于工業(yè)管道中天然氣、煤氣、氮?dú)?、壓縮空氣等多種氣體工況體積和標(biāo)況體積流量的計量。2）特點：顯示功能：顯示標(biāo)況瞬時流量、累積流量、溫度、壓力等熱工參數(shù)。微功耗雙電源設(shè)計：內(nèi)部鋰電池供電，工作電流80uA，也可外部供電。零位自調(diào)功能：零位每秒自動調(diào)整，消除零位漂移。斷電保護(hù)功能：采用E2PROM技術(shù)，數(shù)據(jù)能長期保存。輸出信號和通訊功能:4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號、脈沖信號、RS485通訊接口。具有電池失效監(jiān)視功能。具有小信號切除功能。安裝前直管段只需3D，后直管段為1D。壓力損失小，無可動部件，使用壽命長3）技術(shù)參數(shù):測量范圍：30—300m3/h口徑：15-400mm

公稱壓力：1.6Mpa

介質(zhì)溫度：-40℃~+130℃

準(zhǔn)確度：±1.0%

供電電源：內(nèi)部：+3.6V

；外部：+24VDC±10%b.ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥C.空氣控制回路a.XKWJ-ZI/ZII型文丘利渦街流量計b.ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥D.氫氮含量控制回路a.8810G型氣體分析專用色譜儀器8810G型氣體分析專用色譜儀器，專門為高純氣體分析，設(shè)計生產(chǎn)的高性能低價格、實用型的專用氣相色譜儀。本儀器巧妙地將TCD熱導(dǎo)檢測器與FID氫火焰離子檢測器安裝在同一臺儀器上，配備高性能的Ni觸媒轉(zhuǎn)化爐帶六通閥的氣體進(jìn)樣裝置，及專用的色譜柱，組成一套氣體分析色譜儀。本儀器具有穩(wěn)定性好，靈敏度高的優(yōu)點，能分析高純氫、氦、一氧化碳；純氬、氮、氧及各類標(biāo)準(zhǔn)混合氣的分析，是廣大氣體分析色譜儀工作者的得力助手，在氣體分析測試中取得了好的效果。E.氫氣含量控制a.8810G型氣體分析專用色譜儀器2.惰性氣體含量控制回路（1）天然氣和氬的含量8810G型氣體分析專用色譜儀器（2）合成回路壓力a.PG7601氣體活塞壓力計PG7601是7000系列活塞壓力計中覆蓋中低量程的基準(zhǔn)級氣體活塞壓力計，具有手動(手動加碼/手動控制壓力)、半自動(手動加碼/自動控制壓力)和全自動(自動加碼/自動壓力控制)三種選擇，真正現(xiàn)代化活塞壓力計?！疽?guī)格參數(shù)】☆量程：5kPa～7MPa(表壓)

5kPa～7MPa(絕壓)

-90～350kPa(差壓)☆分辨率優(yōu)于1ppm☆靈敏度：直到0.02Pa+0.5ppm☆重復(fù)性：直到±2ppm

☆標(biāo)準(zhǔn)下降速率：可達(dá)0.2mm/minb．壓力變送器：NS-I7型壓力變送器(3)馳放氣流量控制a．XKWJ-ZI/ZII型文丘利渦街流量計b．ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥3．合成塔觸媒層溫度控制（1）熱點溫度a．溫度計

1）簡述工業(yè)用WRR型裝配式熱電偶作為測量溫度的變送器通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用.它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中從0℃到180℃范圍的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。

WRR型

裝配熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。2）主要技術(shù)參數(shù)：測量范圍：0－1800℃精度：±0.25%分度號：B熱惰性級別：4時間常數(shù):〈10m（2）敏點溫度回路a.WRR型裝配式熱電偶b.ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥4．氨冷出口溫度控制（1）氨冷器液位a．液位變送器

1）概述CN213型靜壓液位變送器是利用液體靜壓力與液體高度成正比的這一原理來測量液位的。CN213系列傳感器采用美國進(jìn)口、具有國際先進(jìn)水平的干式陶瓷電容傳感器或帶溫度補(bǔ)償和隔離膜片式擴(kuò)散硅壓

力傳感器，專用微處理電路。采用歐洲先進(jìn)的設(shè)計思路，多種結(jié)構(gòu)形式、多種材料、多種變送器類型、具有廣泛的適

應(yīng)性。2）技術(shù)參數(shù)測量范圍：0～6m測量精度：輸出信號：直流電流4～20MA環(huán)境溫度：-20～85℃相對濕度：85%3）特點·傳感器抗干擾能力強(qiáng)，精度高，可靠性高

·穩(wěn)定性好，靈敏度高

·防水、抗結(jié)露設(shè)計

·適用性廣，可測量多種介質(zhì)，包括強(qiáng)腐蝕性液體

·原理簡單，免維護(hù)，安裝b．ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥（2）氨冷器出口溫度溫度計：WRR型裝配式熱電偶5．氨分離器的液位控制（1）BTY-C型電容式液位計1）工作原理BTY-C型電容式液位計是利用被測液體的液位變化引起電容量的線性變化實現(xiàn)對液位的測量，詳見計量公式。由于電容量的變化只與介電常數(shù)和液位變化量有關(guān)，因此，被測介質(zhì)密度的變化及底部沉淀不會影響測量精度。

該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程中各種容器的液位測量，尤其適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、水、污水等各種帶壓液體、腐蝕性液體的液位測量。

d：極板間距

A：隨液體變化的電容極板面積2）技術(shù)指標(biāo)精度：±0．5%F·S±1.0%F·S輸出：4～20mADC電源：DC24V±10％介質(zhì)溫度：-20℃～150℃環(huán)境溫度：-30℃～70℃環(huán)境濕度：≤85%RH(20℃時)測量范圍：0~6m外殼防護(hù)等級：IP65過程連接：G1＂外螺紋或JB81-59、DN50法蘭或按用戶要求訂做防爆等級：本安型iaIICT2～T5應(yīng)用石油、化工、冶金、制藥、釀造等領(lǐng)域（2）ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥6.氨分離器的液位控制（1）UQZ-53型浮球液位變送器1）用途UQZ-53型浮球液位變送器是UHZ-58C型中遠(yuǎn)傳裝置的拓展產(chǎn)品。輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號于Ⅲ型電動儀表配套可實現(xiàn)液位的自動檢測，控制和記錄。液位變送器適用于煉油、化工、造紙、食品和制藥等行業(yè)污水處理及各類常壓和承壓容器內(nèi)介質(zhì)液位的測量，對于地下貯槽的液位測量尤為理想。液位變送器由不銹鋼及防腐材料制成，且具有隔爆防護(hù)性能2）特點安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單。

性能可靠。

耐腐蝕，防爆。3）結(jié)構(gòu)原理變送器由液位傳感器和電流轉(zhuǎn)換器兩部分組成浮球與液位同步變化，從而使傳感器內(nèi)電阻呈線性變化，再由轉(zhuǎn)換器將這個電阻變化轉(zhuǎn)換成電流并放大至4～20mA直流電流信號輸出4）主要技術(shù)參數(shù)測量范圍：L=0～6000mm內(nèi)由用戶任意選擇輸出信號：4～20mADC

精度：±10.0mm

介質(zhì)粘度：≤1.25St

工作溫度：-40～135℃

工作壓力：1.6、2.5MPa，(PVC材質(zhì)0.6MPa)

環(huán)境溫度：-40～60℃

負(fù)載阻抗：0～250Ω(不包括導(dǎo)線電阻擋200Ω)

供電電壓：24VDC、220VAC、50Hz

連接法蘭：DN150，PN：0.6、1.6、2.5MPA

防爆標(biāo)志：本安型ibⅡCT4，隔爆型dⅡBT4（2）ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥7．冷交換器的液位控制（1）UQZ-53型浮球液位變送器（2）ZXL型氣開式新系列氣動薄膜套筒調(diào)節(jié)閥4.3系統(tǒng)硬件構(gòu)成合成氨過程的合成工段的主要控制參數(shù)有壓力、溫度、流量、液位等，其中：模擬量輸入（AI）：15點模擬量輸出（AO）：9點數(shù)字量輸入（DI）：0點數(shù)字量輸出（DO）：0點4.3.1控制站的配置JX-300XDCS控制站內(nèi)部以機(jī)籠為單位。機(jī)籠固定在機(jī)柜的多層機(jī)架上，每只機(jī)柜最多配置7只機(jī)籠：1只電源箱機(jī)籠和6只卡件機(jī)籠（可配置控制站各類卡件）。由于一臺JX-300XDCS控制站的最大容量是：AI384點；AO128點；DI1024點；DO1024點。而該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)回路輸入輸出參數(shù)都未超過控制站的最大容量，故該系統(tǒng)選用JX—300X控制站一臺，又因控制站要實現(xiàn)的各種功能對生產(chǎn)過程至關(guān)重要。因此，控制站采用冗余配置。4.3.2I/O卡4.3.2.1主控卡及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡的配置主控卡是控制站硬軟件的核心，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制站內(nèi)的所有軟硬件關(guān)系和各項控制任務(wù)，因此冗余配置，以保證實時過程控制的完整性。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡是系統(tǒng)I/O機(jī)籠的核心單元，是主控卡連接I/O卡的中心環(huán)節(jié)，它一方面驅(qū)動SBUS總線（控制站內(nèi)部I/O控制總線），另一方面管理本機(jī)籠的I/O卡件，因此冗余配置。4.3.2.2I/O卡件的配置此環(huán)節(jié)控制回路的輸入輸出信號來選擇I/O卡件。SP313四路電流信號輸入卡：3塊SP314四路電壓信號輸入卡：1塊SP311兩路模擬信號輸入卡：2塊SP322四路模擬信號輸出卡：3塊4.3.3操作站的配置操作站以高性能的工業(yè)控制計算機(jī)為核心，具有大容量的內(nèi)部存儲器和外部存儲器，可以根據(jù)用戶的需要選擇“21/17”顯示器。配置冗余的10MbpsSCnetⅡ網(wǎng)絡(luò)適配器，實現(xiàn)與系統(tǒng)過程控制網(wǎng)連接。操作站支持一機(jī)雙CRT，配有SP032鍵盤、鼠標(biāo)等外部設(shè)備。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場條件，配置操作站一臺，來實現(xiàn)合成工段生產(chǎn)過程的管理與操作。4.3.4工程師站配置工程師站完成實時組態(tài)修改、下裝、傳遞、系統(tǒng)維護(hù)、制表打印、歷史趨勢、打印、故障排除分析等工作，又可作為后備操作站，因此工程師站配置一臺?？刂葡到y(tǒng)的硬件構(gòu)成如表4.1所示。序號設(shè)備及名稱數(shù)量單位1控制站2臺2操作站1臺3工程師站1臺4主控卡2塊5數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡2塊6SP313四路電流信號輸入卡3塊7SP314四路電壓信號輸入卡1塊8SP311兩路模擬信號輸入卡2塊9SP322四路模擬信號輸出卡3塊來自現(xiàn)場的壓力、流量、溫度、液位、分析邊送器的模擬量輸入信號經(jīng)安全柵柜，送至控制柜單元，直至操作站（工程師站）發(fā)出指令，經(jīng)控制站、安全柵，送至現(xiàn)場的調(diào)節(jié)閥元件形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)4.4系統(tǒng)軟件構(gòu)成JX-300X系統(tǒng)軟件基于中文Windows2000/NT開發(fā)，用戶界面友好，所有的命令都化為形象直觀的功能圖標(biāo)，只須用鼠標(biāo)即可輕而易舉地完成操作，使用更方便簡潔；再加上SP032操作員鍵盤的配合，控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)和生產(chǎn)過程實時監(jiān)控快捷方便。JX-300XAdvanTrol軟件包分實時監(jiān)控軟件和系統(tǒng)組態(tài)軟件兩大部分，主要由以下組件組成AdvanTrol實時監(jiān)控軟件SCKey系統(tǒng)組態(tài)軟件SCLangC語言組態(tài)軟件(簡稱SCX語言)SCControl圖形組態(tài)軟件SCDraw流程圖制作軟件SCForm報表制作軟件SCSOESOE事故分析軟件(可選)SCConnectOPCServer軟件(可選)SCViewer離線察看器軟件(可選)SCDiagnose網(wǎng)絡(luò)檢查軟件(可選)第5章系統(tǒng)組態(tài)及控制功能的實現(xiàn)5.1SCKey組態(tài)軟件簡介5.1.1集散控制系統(tǒng)組態(tài)的定義組態(tài)選用DCS系統(tǒng)所提供的軟硬件工具，對所選用的儀表設(shè)備、所需的過程參數(shù)、控制方案運(yùn)行定義和連接，從而滿足工藝控制過程的要求。5.1.2SCKey組態(tài)軟件特點SUPCONDCS系統(tǒng)的SCKey組態(tài)軟件是一個全面支持該系統(tǒng)各類控制方案的組態(tài)軟件平臺。該軟件是運(yùn)用面向?qū)ο螅∣OP）技術(shù)和對象鏈接與嵌入（OLE2）技術(shù)，基于中文Windows系列操作系統(tǒng)開發(fā)的32位應(yīng)用軟件。SCKey組態(tài)軟件通過簡明的下拉菜單和彈出式對話框建立友好的人機(jī)對話界面，并大量采用Windows的標(biāo)準(zhǔn)控件，使操作保持了一致性，易學(xué)易用。該軟件采用分類的樹狀結(jié)構(gòu)管理組態(tài)信息，使用戶能清晰把握系統(tǒng)的組態(tài)狀況。另外，SCKey組態(tài)軟件還提供了強(qiáng)大的在線幫助功能，當(dāng)用戶在組態(tài)過程中遇到了問題，只須按F1鍵或選擇菜單中的幫助項，就可以隨時得到幫助提示。5.2總體信息組態(tài)總體信息組態(tài)是整個組態(tài)信息文件的基礎(chǔ)和核心，包括主機(jī)設(shè)置、編譯、備份數(shù)據(jù)、組態(tài)下載和組態(tài)傳送五個功能。以下各節(jié)分別對它們進(jìn)行說明。5.2.1主機(jī)設(shè)置主機(jī)設(shè)置是對系統(tǒng)各主控制卡與操作站在系統(tǒng)中的位置進(jìn)行組態(tài)。當(dāng)啟動組態(tài)軟件后，選中[總體信息]/<主機(jī)設(shè)置>，打開主機(jī)設(shè)置窗口，開始進(jìn)行主機(jī)的組態(tài)。選擇主控制卡選項卡，對主控制卡進(jìn)行組態(tài)，增加一個主控卡并設(shè)置為冗余；之后，選擇主控制卡選項卡，具體操作同主控卡。（見圖5.1）圖5.1主控制卡及操作站組態(tài)窗口5.3控制站組態(tài)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)點可擴(kuò)展修改，控制站內(nèi)的總線結(jié)構(gòu)也可方便地擴(kuò)展I/O卡件?？刂普窘M態(tài)是指對系統(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部分。控制站組態(tài)流程如圖5.2。5.3.1系統(tǒng)I/O組態(tài)選中[控制站]/<I/O組態(tài)>，即啟動系統(tǒng)的I/O組態(tài)環(huán)境。系統(tǒng)I/O組態(tài)分層進(jìn)行，從掛接在主控制卡上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡組態(tài)開始，然后I/O卡件組態(tài)、信號點組態(tài)，最后為信號點設(shè)置組態(tài)，共四層圖5.2控制站組態(tài)流程5.3.1.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡組態(tài)選中[控制站]/<I/O組態(tài)>菜單項后，I/O輸入窗口被打開，在其中選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡選項卡，看到組態(tài)窗口，在注釋欄中寫入此卡的說明“氨合成工段轉(zhuǎn)發(fā)卡”；在冗余欄中設(shè)置冗余；在地址欄的作用是定義當(dāng)前數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡在掛接的主控制卡上的地址，設(shè)置為“00”。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡組態(tài)圖如圖5.4。圖5.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡組態(tài)圖5.3.1.2I/O卡件組態(tài)I/O卡件組態(tài)是對SBUS-S1網(wǎng)絡(luò)上的I/O卡件型號及地址進(jìn)行組態(tài)。I/O卡件登錄在I/O卡件組態(tài)畫面（見圖5.4）中進(jìn)行。一塊主控制卡的一塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡下可組16塊I/O卡件。圖5.4I/O卡件組態(tài)畫面注釋、地址欄的意義同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡；在型號欄下拉列表中選定當(dāng)前組態(tài)I/O卡件的類型，有SP311兩路模擬信號輸入卡、SP313四路電流信號輸入卡、SP313四路電壓信號輸入卡、SP322四路模擬信號輸入卡等，根據(jù)測量與變送元件的輸出信號選擇卡件；冗余欄中選擇是否冗余。5.3.1.3信號點組態(tài)在某一卡件（例如：溫度、液位四路電流輸入卡）狀態(tài)下，點擊I/O點選項卡進(jìn)入信號點組態(tài)環(huán)境，進(jìn)行該卡件的信號點組態(tài)，如圖5.5所示。在位號欄中輸入當(dāng)前信號點在系統(tǒng)中的位號；注釋、地址欄的意義同前；在類型欄中顯示當(dāng)前信號點信號的輸入/輸出類型，此項系統(tǒng)自動形成；點擊設(shè)置按鈕對信號點參數(shù)進(jìn)行設(shè)置組態(tài)（以合成塔敏點溫度輸入信號為例說明）在位號和注釋欄中自動填入當(dāng)前信號點在系統(tǒng)中的位號及描述，此框消隱不圖5.5信號點組態(tài)畫面及輸入?yún)?shù)設(shè)置窗口可改；信號類型項中列出SUPCONDCS系統(tǒng)支持的17種模擬量輸入信號類型，根據(jù)測量與變送單元的輸出信號確定模擬量輸入信號類型；在上/下限及單位欄設(shè)定信號點的量程最大值、最小值及其單位；在其它欄中可以根據(jù)需要適當(dāng)填寫。5.3.2自定義變量選定[控制組態(tài)]/<自定義變量>菜單項，進(jìn)入如下自定義聲明組態(tài)窗口，其中包括自定義回路組態(tài)、1字節(jié)變量定義、2字節(jié)變量定義、4字節(jié)變量定義、8字節(jié)變量定義五項內(nèi)容。自定義變量的作用是在上下位機(jī)之間建立交流的途徑，上下位機(jī)均可讀可寫。在此部分中，根據(jù)需求定義了六個四字節(jié)變量，如圖5.6所示：圖5.6自定義4字節(jié)變量組態(tài)窗口在位號欄中自定義4字節(jié)變量存放地址；位號、注釋同前；修改權(quán)欄中有觀察、操作員、工程師、特權(quán)四級權(quán)限保護(hù)，根據(jù)需要選擇；在上限、下限這兩欄中寫入對當(dāng)前自定義4字節(jié)變量的限幅值；在數(shù)據(jù)類型中選定當(dāng)前自定義4字節(jié)變量的數(shù)據(jù)類型如浮點、無符號整型等。5.3.3系統(tǒng)控制方案組態(tài)控制方案組態(tài)分為常規(guī)控制方案組態(tài)和自定義控制方案組態(tài)。5.3.3.1常規(guī)控制方案組態(tài)在組態(tài)軟件的主菜單中，選中[控制站]/<常規(guī)控制方案>，啟動系統(tǒng)的常規(guī)控制方案組態(tài)環(huán)境，如圖5.7。點擊后面的設(shè)置按鈕進(jìn)行設(shè)置回路參數(shù)，下面是以合成塔溫度控制回路為例的回路設(shè)置組態(tài)。圖5.7常規(guī)控制方案組態(tài)及設(shè)置窗口回路位號和注釋同前；在回路輸入、輸出欄中，點擊后面的“？”查詢選定；在其他選項中可根據(jù)需求選擇設(shè)置。5.3.3.2自定義控制方案組態(tài)常規(guī)控制回路的輸入和輸出只允許AI和AO，對一些有特殊要求的控制，用戶必須根據(jù)實際需要自己定義控制方案。用戶自定義控制方案可通過SCX語言編程和圖形編程二種方式實現(xiàn)。自定義控制方案從[控制組態(tài)]/<自定義控制方案>開始，首先進(jìn)入組態(tài)窗口，在圖形編輯窗口中，輸入文件名后，點編輯按鈕，打開文件并進(jìn)行編輯、修改。在SCX語言編程框中選定與當(dāng)前控制站相對應(yīng)的SCX語言源代碼文件；旁邊的“？”按鈕提供文件查詢功能；點擊“編輯”按鈕打開此文件進(jìn)行編輯修改。在圖形編程框的相應(yīng)的按鈕的功能同語言編程。在自定義控制方案組態(tài)中，分別對氫氮比控制回路、惰性氣體含量控制回路、氨冷器出口溫度及液位控制回路進(jìn)行組態(tài)?？刂苹芈返墓δ苣K分別如圖5.8、5.9、5.10所示。圖5.8氫氮比控制回路的功能模塊TLX03-2模塊功能是產(chǎn)生串級控制，“EXPV”參數(shù)是串級外環(huán)輸入信號—?dú)涞獨(dú)夂枯斎胄盘?；“INPV”參數(shù)是內(nèi)環(huán)輸入信號—低變換器出口H2含量輸入信號；此模塊的輸出作為TLX03-3模塊的一個輸入。TLX03-25模塊的功能是輸入信號進(jìn)行計算，結(jié)果作為輸出值，此模塊的輸出作為TLX03-3模塊的另一個輸入。TLX03-3模塊的功能是將輸入值相加，并將結(jié)果賦給輸出值，此模塊的輸出作為TLX03-26模塊的輸入；TLX03-26模塊的功能是產(chǎn)生一個單回路PID控制，“PV”參數(shù)是測量值—TLX03-3模塊的輸出值，“MV”是輸出值，給空氣流量調(diào)節(jié)閥。圖5.9惰性氣體含量控制回路功能模塊P1-15模塊、P1-13模塊的功能同TLX03-26，其輸入分別是惰性氣體CH4、Ar含量信號輸入、合成回路壓力輸入信號，P1-15模塊、P1-13模塊的輸出分別作為P1-15模塊的輸入；P1-16模塊的功能是將輸入值中的最大值賦給輸出值，相當(dāng)于高選器，其輸出給P1-17模塊；P1-17是產(chǎn)生串級控制，功能前面介紹過，串級外環(huán)輸入信號是P1-16模塊輸出信號，內(nèi)環(huán)輸入信號是弛放氣流量輸入信號，其輸出給流量調(diào)節(jié)閥，形成閉環(huán)控制回路。圖5.10氨冷器出口溫度及液位控制回路TLX02-1模塊功能產(chǎn)生一個單回路PID控制，其輸入是氨冷器出口溫度輸入信號，其輸出給TLX02-3模塊作為第二個輸入；TLX02-8模塊功能是檢查第一個輸入值是否小于第二個