罐顶氮封压力分程控制系统设计.docx

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罐顶氮封压力分程控制系统设计

目 录

1课程设计题目和要求  1

1.1课程设计题目  1

1.2设计要求  1

2设计方案  1

2.1控制系统分析  1

2.2控制系统的方框图与流程图  2

3分程控制的介绍  3

3.1概述  3

3.2分成控制的应用场合  4

3.3压力变送器  6

3.4控制器的选择  8

3.4.1可编程数字控制器的主要特点  8

3.4.2DDZ-3控制器的特点  8

3.4.3控制器的规律选取  10

3.5执行器  10

3.5.1气动执行器的组成与分类  11

3.5.2控制阀的流量特性  11

3.5.3控制阀的结构  12

3.5.4控制阀的选择  12

3.6控制器的正反作用方向  13

总结  14

参考文献  15

1课程设计题目和要求

1.1课程设计题目

罐顶氮封压力分程控制系统设计

1.2设计要求

在炼油厂或石油化工厂中，有许多贮罐存放着各种油品或石油化工产品，这些贮罐建造在室外，为使这些油品或产品不与空气中的氧气接触、被氧化变质，或引起爆炸危险，常采用罐顶充氮气（N2）的办法，使其与外界空气隔绝。

实行氮封的技术要求是要始终保持罐内的N2气压为微量正压。

贮罐内贮存的物料量增减时，将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否则将会造成贮罐变形。

设计满足上述要求的压力控制系统。

2设计方案

2.1控制系统分析

储存罐中物料的增减会导致氮气封顶压力的变化。

当抽取物料时，氮气压力会下降，如不及时向储罐中补充氮气，储罐就会被吸瘪的危险。

而当向储罐中打料时，氮封压力又会上升。

如不及时排除储罐中部分氮气，储罐有可能被鼓坏。

为了维持氮封压力所以选择氮气压力控制变量来保持罐内压力与罐外大气压力平衡。

为确保氮气压力随物料的多少而稳定，进而采用分程控制方案。

控制对象：

油罐

被控变量：

罐内的氮气压力

控制（操纵）变量：

氮气输入量与输出量。

变送器：

一个压力变送器（PT）

控制器：

一个压力控制器（PC）

执行器：

控制阀。

2.2控制系统的方框图与流程图

分程控制方案须选择分程开关，利用分程开关的特性来控制氮气的进入量和输出量，来保持储罐的压力平衡。

流程图如下图1所示。

当物料进入储罐内，物料液位增加压力增大，压力检测变送器检测到储罐内压力增加输出电信号传送到压力控制器为保持储罐压力与外界压力平衡，压力控制器控制氮气输出执行器阀度A开大。

使储罐内氮气量减少。

当物料流出储罐，物料液位减少压力减少，压力检测变送器检测到储罐内压力减少输出电信号传送到压力控制器为保持储罐压力与外界压力平衡，压力控制器控制氮气输入执行器阀度B开大。

使储罐内氮气量增加。

根据流程图的设计原理方框图如图2所示

3分程控制的介绍

3.1概述

在一般的控制系统中，通常是一台控制器的输出信号只控制一个控制阀。

但在某些工艺过程中，需要由一台控制器的输出同时去控制两台或两台以上的控制阀的开度，以使每个控制阀的开度，以使每个控制阀在控制器输出的某段信号内全程动作，这中控制系统通常称为分程控制系统。

分成一般由附设在控制阀门上的阀门定位器来实现。

在如图3所示的分程控制系统中，采用了两台分程控制阀A与B。

若要求A阀在20～60kPa信号范围内做全程动作（即由全关到全开或由全开到全关），B阀在60～100kPa信号范围内做全程动作，则可以对附设在控制阀AB上的阀门定位器进行调整，使控制阀A在20～60kPa的输入信号下走完全程，阀门B在60～100kPa的输入信号下走完全程。

这样，当控制器信号在小于60kPa范围内变化时，就只有控制阀A随信号压力的变化而改变自己的开度，而控制阀B则处于某个极限位置（全开或全关），其开度不变。

当控制阀输出信号在60～100kPa范围内变化时，控制阀A因已移动到极限位置开度不再变化，控制阀B开度却随着信号大小的变化而变化。

就控制法的动作方向而言，分成控制系统可以分为两类：

一类是两个控制阀同向动作，即两控制阀都随着控制器输出信号的增大或减小同向动作，其过程如图所示，其中图为气开阀的情况，图为气关阀的情况；另一类是两个控制阀异向动作，即随着控制阀输出信号的增大而减小，一个控制阀开大，另一个控制阀则关小，如图所示，其中图时A为气开阀B为气关阀的情况，图B则是B为气开阀A为分程阀同向或异向动作的选择必须根据生产工艺的要求来确定。

3.2分成控制的应用场合

（1）用于扩大控制法的可调范围，以提高控制质量。

设控制阀可控制的最小流量为

，可控制的最大流量为

，则定义

／

=R，其中Ｒ称为阀门的可调比或可调范围。

大多数国产阀门的可调比Ｒ等于30，在某些场合不满足要求，希望可以提高可调比Ｒ，适应负荷的大范围变化，改善控制品质，这时可采用分程控制。

图中的特性和特性均可。

　是气开特性，时气关特性。

以为例分析如下。

设A、B两只阀门均为气开特性，可控制最大流量为均为200，R=30，可控制最小流量为

=

/R=6.67。

当两只阀门以分程方式工作时，A阀工作于控制信号的20～60kPa段，B阀工作于控制信号的60～100kPa段。

这时，对于两只阀门并联而成的起分程控制作用的整体来说

可控制最小流量 

=

=6.67

可控制最大流量

=

+

=400

则      

=

/

=400/6.67=60

可见，可调比增加了一倍。

如果A阀

的较小，B阀的

较大，则可调比增加的更多

（2）满足工艺操作的特殊要求。

在某些间歇式生产化学反应过程中，当反应物投入设备后，为了使其达到反应温度，往往在反应开始前需要给它提供一定的热量。

一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行不断释放出热量，这些热量如不及时移走，反应就会越来越激烈，以致会有爆炸的危险。

因此对于这种间歇式化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又要考虑反应过程中及时移走反应热的问题。

为此设计了如图4 所示的分程控制系统。

图中温度调节器选择反作用，冷水调节阀选择气关式（A阀），热水调节阀选择气开式（B阀）。

该系统工作过程如下:

在进行化学反应前的升温阶段，由于温度测量值小于给定值，因此调节器输出增大温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，反应物的温度逐渐提高。

当温升使测量值大于给定值时，调节器输出将减小（由于调节器是反作用），随着调节器的输出的减小，B阀将逐，B阀开大，A阀关闭，即蒸汽阀开、冷水阀关，以便使反应器温度升高。

当温度达到反应渐关小乃至完全关闭，而A阀则逐渐打开。

这时反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水。

这样一来，反应所产生的热量就被冷水所带走，从而达到维持反应温度的目的。

（3）用于安全生产的保护措施

在炼油或石油化工厂存放油品或石油化工产品的储罐。

这些油品或石油产品不宜与空气长期接触，因此空气中的氧气会使油品氧化而变质，甚至引起爆炸。

因此常常在储罐上方充以惰性气体N2，以使油品与空气绝缘，为了保证空气不进入储罐，一般要求氮气压力应保持为微正压。

3.3压力变送器

目前，实际应用的智能差压变送器种类很多，结构各有差异，但从总体结构上看是相似的。

比较有代表性的1151智能式变送器和ST3000差压变送器，这两种变送器都是采用HART通信方式进行信息传输的。

1151智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，结合HART通信技术开发的一种智能式变送器，具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储等功能，同时又可传输4～20mADC电流信号，特别适用于工业企业对模拟式1151差压变送器的数字化改造，其原理框图如图5

△p

（1）传感器部分 1151智能式差压变送器检测原件采用电容式压力传感器，传感器部分工作原理与模拟式电容差压变送器相同，此处不再赘述。

传感器部分的作用是将输入差压转换成A/D转换器所要求的0到2.5V电压信号。

（2）AD7715 AD7715是一个带有模拟前置放大器的A/D转换芯片，它可以直接接收传感器的直流低电平输入信号，并输出串行数字信号至CPU。

该芯片还具有自校准和系统校准功能，可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响，因此特别适用于智能式变送器。

（3）CPU、AD421及电压调整电路CPU是所有智能化仪表的核心，主要完成对输入信号的线性化、温度补偿、数字通信、自诊断等处理。

通过AD421及电压调整电路输出一个与被测差压对应的4～20mA直流电流信号和数字信号，作为变送器的输出。

（4）HART 通讯部分 HART通讯部分是实现HART协议物理层的硬件电路，它主要由HT2012,带通滤波器和输出波形整形电路等组成。

（5）WDT监控电路 WAT（WatchDogTimer）俗称啊“看门狗定时器”，当系统正常工作时，CPU周期性地向WAT发送脉冲信号，此时WAT的输入信号对CPU的工作没有影响。

而系统受到外界干扰导致CPU不能正常工作时,WDT在指定时间内未收到脉冲，则WDT输出使CPU不可屏蔽地中断，将正在处理的数据进行保护；同时经过一段等待时间之后，输出复位信号对CPU重新进入正常工作。

（6）1151智能式差压变送器的软件 1151智能式差压变送器的软件分为两部分，测控程序和通信程序。

测控程序包括A/D采样程序、非线性补偿程序、量程转换程序、线性或开方输出程序、阻尼程序以及D/A输出程序等。

采样采取定时中断采样，以保证数据采集处理的实时行。

ST3000差压变送器的检测元件采用扩散硅压阻传感器，但与模拟式扩散硅差压变压器所不同的是，ST3000差压变送器所采用的是复合型传感器，该传感器再单个芯片上形成差压测量用、温度测量用和静压测量用三种感测元件。

被测差压作用于正、负压侧隔离膜片，通过填充液传递到复合传感器，使传感器的扩散电阻阻值发生变化，导致惠斯顿电桥的输出电压发生变化，这一变化经A/D转换送入微处理器。

于此同时，复合传感器上的两种辅助传感器〔温度传感器和静压传感器〕检测出环境温度和静压参数，也经A/D转换送入微处理器。

微处理器根据各种补偿数据〔如差压、温度、静压特性参数和输入输出特性等〕，对这三种数字信号进行运算处理，然后得到与被测差压行对应的4～20mA直流电流信号和数字信号，作为变送器的输出。

ST3000差压变送器采用复合传感器和综合误差自动补偿技术，有效克服了扩散硅压阻传感器对温度和静压变化敏感以及存在非线性的缺点，提高了变送器的测量精度，同时扩宽了量程范围。

综上所述该方案选用1151智能式差压变送器

3.4控制器的选择

控制器是在模拟仪表，计算机控制和集散控制系统发展的基础上以微处理器为核心，能实现高级过程控制的一种新型的数字控制仪

3.4.1可编程数字控制器的主要特点

（1）功能丰富它具有丰富的运算和控制功能。

控制器的多种运算和控制功能是由若干个运算模块和控制模块来实现的，他根据系统需要将这些模块灵活组态，便可完成数十种运算公式和实现各种复杂了的控制算法。

它具有良好的通讯功能。

控制器具有准通讯接口，可以与局部显示操作站连接，实现小规模系统的集中监视和操作，还可以通过与数据总线遇上位机连接，形成中、大规模的多级、分散型综合控制系统。

控制器大都具有停电恢复处理功能与自诊断功能，以提高控制器的在线利用率。

（2）通用性强可变数字控制其采用盘装方式和标准尺寸，输入输出信号采用统一的标准信号1～5VDC和4～20mADC，与模拟式仪表可兼容。

可变数字控制器的显示和操作方式也沿袭模拟式仪表的人-机联系方式，易于被人们所接受，便于推广使用。

在编程工作上采用POL语言，不需要专门的软件知识，便于学习，易于掌握。

（3）可靠性好这类控制器的内部结构是完全微机化的。

通过硬件和软件两方面采取里一系列措施，可以是控制器的硬件故障率降低，软件上可开发自诊断功能、连锁保护功能等，因此控制器具有安全可靠＋、维护方便的优点。

压力控制器的选择：

根据工艺要求压力控制器具有精确度高，灵敏度好反映快的特点故选择DDZ-3控制器。

3.4.2DDZ-3控制器的特点

（1）电器零点不是从零开始的，且不与机械零点重合，因此，不但充分利用运算放大器的线性段，而且容易识别断电、断线等故障；

（2）本信号控制的电流/电压转换电阻为250Ω，如果更换电阻，便可接受1：

5的电流信号，例如1～5mA、10～50mA，DC信号；

（3）由于联络信号为1～5VDC，可采用并联信号制，因此干扰少，连接方便。

由于采用了线性集成电路，给仪表带来了如下优点：

（1）由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高；

（2）由于集成运算放大器高增益的特点，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到了提高；

（3）由于采用集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。

DDZ-3控制器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（包括硬手动和软手动两种）切换电路、输入电路及指示电路等组成，其方框图6所示。

在图6中，控制器接受变送器送来的测量信号（4～20mA或1～5DC），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号。

为了适应后面单电源供电的运算放大器的电平要求，在输入电路中还对偏差信号进行电平移动。

经过电平移动的偏差信号，在PID运算电路中运算后，由输出电路转换为4～20mA的直流电流输出。

控制器的给定值可由“内给定”或“外给定”两种方式取得，用切换开关S6进行选择。

当控制器工作于“内给定”方式时，给定电压控制器内部的高精度稳压电源取得。

当控制器需要由计算机或另外的控制器供给给定信号时，开关S6切换到“外给定”位置上，由外来的4～20mA电流流过250Ω精密电阻产生1～5V的给定电压。

综上所述，该方案采用可编程数字控制器。

3.4.3控制器的规律选取

控制器的控制规律有双位控制规律、比例〔p〕控制规律、积分〔I〕控制规律和积分〔D〕控制规律。

这几种基本控制规律有的可以单独使用，如双位控制、比例控制；有的需要组合使用，如比例积分〔PI〕控制、比例微分〔PD〕控制。

比例积分微分〔PID〕控制。

（1）双位控制

双位控制器是一种价格低廉、性能简单的控制器，一般适用于对控制质量要求不太高，控制对象是单容的，且容量较大，纯滞后较小，负荷变化又不太剧烈的场合。

（2）比例控制

比例控制规律在大多数工业对象控制中都适用。

单纯的比例空盒子适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。

（3）比例积分控制

比例积分控制是目前应用最广泛的一种控制规律，多用于工业生产中液位、压力、流量等控制系统。

由于引入积分与作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获得较好的控制质量。

但是积分作用的引入，会使系统的稳定性变差。

对于有较大惯性滞后的控制系统，要尽可能避免使用积分控制作用。

（4）比例积分控制

微分控制作用的特点是：

动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。

因此，不能单独使用微分控制规律、

（5）比例积分微分（PID）控制

最为理想的控制当属比例积分微分控制（简称PID控制）规律。

它集三者之长，既有比例作用的及时迅速，又有几分作用的消除余差能力，还有几分作用的超前控制功能。

该方案采用比例积分微分控制。

3.5执行器

执行器时构成自动控制系统不可缺少的重要部分。

从结构来说，执行器一般由执行机构和调节机构两部分组成。

其中，执行机构时执行器的推动部分，他按照控制器所给信号的大小，产生推力或位移；调节机构是执行器的调节部分，最常见的是控制阀，他接受执行机构的操纵，改变阀芯与阀座间的流通面积，调节工艺介质流量。

气动执行器具有结构简单、工作可靠、价格便宜、防火防爆灯优点。

3.5.1气动执行器的组成与分类

⑴组成

气动执行器一般由气动执行机构和控制阀两部分组成，根据需要还可以配上阀门定位器和手轮机构等附件。

气动薄膜控制阀就是一种典型的气动执行器。

气动执行机构接受控制器的输出气压信号（0.02～0.1MPa），按一定的规律转换成推力，去推动控制阀。

控制阀为执行器的控制机构部分，它与被调节介质直接接触，在气动执行机构的推动下，是阀门产生一定的位移，用改变阀芯与阀座间的流通面积，来控制被调节介质的流量。

⑵气动执行机构的分类

气动执行机构主要有薄膜式与活塞式两种，其次还有长行程执行机构与滚筒膜片执行机构等。

3.5.2控制阀的流量特性

控制阀的流量特性是指被调节介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）之间的关系，即

/

=

（l/L）

式中

/

—相对量，即控制阀某一开度流量与全开式流量之比;

l/L——相对开度，即控制阀某一开度行程与全开时行程之比。

流量特性能直接影响到自动控制系统的控制质量和稳定性，因而要合理选用。

（1）在控制阀前后压差保持不变时得到的流量特性成为理想流量特性。

控制阀的理想流量特性取决于阀芯的形状，不同的阀芯曲面可得到不同的流量特性。

典型的理想流量特性有直线、等百分比（对数）、快开和抛物线型。

（2）在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。

控制阀的工作流量特性与实际的管道系统有关。

3.5.3控制阀的结构

（1）控制阀是按信号压力的大小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，以达到调节流量的目的。

根据不同的使用要求，控制阀结构有很多种类

直通单座控制阀

直通双座控制阀

角形控制阀

高压控制阀

三通控制阀

蝶阀

隔膜控制阀

笼式阀

凸轮挠曲阀

球阀

（2）气动薄膜控制阀选用正确与否是很重要的，选用控制阀时，一般要根据被调介质的特点、控制要求、安装特点等因素，参考各种类型控制阀的特点合理的选用，在具体选用时，一般应考虑下列几个主要方面的问题。

3.5.4控制阀的选择

（1）控制阀的尺寸选择

在节流式测量原理中，对不可压缩的流体，流经控制阀的流量可写为

令

代入上式得 

C称为控制阀的流量系数，确定C后就可选择阀门的尺寸。

（2）控制阀的结构形式主要根据工艺条件，如温度、压力及戒指的物理、化学特性（如腐蚀性、粘稠等）来选择。

控制阀的结构形式确定以后，还需要确定控制阀的流量特性（即阀芯的形状）。

一般是先按控制系统的特点来选择法的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。

使控制阀安装在具体的管道系统中，畸形后的工作流量特性能满足控制系统对它的要求。

所以该方案使用的是等百分比流量特性。

（3）气开式与气关式的选择

气动执行器有气开式与气关式两种形式。

气压信号增强时阀关小，气压信号减小时阀开大的为气关式；反之，为气开式。

电动执行器的气开或气关式由执行结构的正、反作用及控制阀的正、反来确定。

当气压信号增加时，阀杆下移的成为正作用；当气压信号增加时，阀杆上移的成为反作用；控制阀的正、反作用是这样定义的：

当阀杆下移时，是通过的介质流量减少的称为正作用；当阀杆下移时，使通过的介质流量增加的称之为反作用。

控制阀的正、反作用是由阀芯、阀座的相对位置来确定的执行器。

考虑到储罐中物料量增减会导致氮封压力的变化，本方案中需采用A阀为气关式，B阀为气开式，他们的特性如图7所示。

当储罐压力升高，压力控制器的输出降低，B阀将关闭，而A阀将打开，于是通过放空的办法将管内的压力降下来。

当储罐内压力降低，控制器输出将变大，此时A阀将关闭，B阀将打开，于是氮气被补充加入储罐中以提高储罐的压力。

3.6控制器的正反作用方向

控制系统中的对象、变送器、控制器、执行器都有作用方向。

所谓作用方向，就是指输入变化后，输出变化的方向，当输入增大（减小）时，输出也增大（减小），称为“正作用”方向；相反，如果输出随着输入的增大（减小）而减小（增大），则为“反作用”方向。

为使控制系统构成负反馈，则四个环节的放大倍数的乘积应为“负”值。

通过对各环节的作用方向进行分析，控制器为正作用方向。

总结

一周的过程控制与自动化仪表课程设计结束了,在社会这样一个大群体里面,沟通自然是为人处世的基本,如何协调彼此的关系值得我们去深思和体会.在实习设计当中依靠与被依靠对我的触及很大,有些人很有责任感,把这样一种事情当成是自己的重要任务,并为之付出了很大的努力,不断的思考自己所遇到的问题.而有些人则不以为然,总觉得自己的弱势…..其实在生活中这样的事情也是很多的,当我们面对很多问题的时候所采取的具体行动也是不同的,这当然也会影响我们的结果.很多时候问题的出现所期待我们的是一种解决问题的心态,而不是看我们过去的能力到底有多强,那是一种态度的端正和目的的明确,只有这样把自己身置于具体的问题之中,我们才能更好的解决问题.

在这种相互协调合作的过程中,口角的斗争在所难免,关键是我们如何的处理遇到的分歧,而不是一味的计较和埋怨.这不仅仅是在类似于这样的协调当中,生活中的很多事情都需要我们有这样的处理能力,面对分歧大家要消除误解,相互理解,增进了解,达到谅解…..也许很多问题没有想象中的那么复杂,关键还是看我们的心态,那种处理和解决分歧的心态,因为毕竟我们的出发点都是很好的.

课程设计也是一种学习同事优秀品质的过程,比如我组的袁倩倩同学,人家的确有种耐得住寂寞的心态.确实她在学习上取得了很多傲人的成绩,但是我所赞赏的还是她追求的过程,当遇到问题的时候,那种斟酌的态度就值得我们每一位学习,人家是在用心造就自己的任务,而且孜孜不倦,追求卓越.我们过去有位老师说得好,有有些事情的产生只是有原因的,别人能在诸如学习上取得了不一般的成绩,那绝对不是侥幸或者巧合,那是自己付出劳动的成果的彰显,那是自己辛苦过程的体现.这种不断上进,认真一致的心态也必将导致一个人在生活和学习的各个方面做的很完美,有位那种追求的锲而不舍的过程是相同的,这就是一种优良的品质,它将指引着一个人意气风发,更好走好自己的每一步.

历时将近一周的时间终于将这篇课设报告写完，在课设报告的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。

尤其要强烈感谢我的课设指导老师—王蕊老师，她对我们进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行课设报告的修改和改进。

另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。

在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！

感谢这篇课设报告所涉及到的各位学者。

本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇课设报告的写作。

在今后的学习中,一定要戒骄戒躁,态度端正,虚心认真….要永远的记住一句话:

态度决定一切.

参考文献

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化学工业出版社，2003

（2）陆建国. 工业电器与自动化. 北京：

化学工业出版社，2005

（3）杨丽明，张光新.  化工自动化及仪表. 北京：

化学工业出版社，2004

（4）罗家谦.化工仪表维修工. 北京：

化学工业出版社，2004

（5）朱晓青.过程检测控制技术与应用. 北京：

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