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进度计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。
（2天）
2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。
（1天）
3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。
4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。
（1天）
调节阀的气开气关形式以及流量特性选择。
5、上机实现系统的模拟运行、答辩。
6、撰写、打印设计说明书（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
在催化裂化装置、延迟焦化装置和加氢裂化装置等一般均需设置胺液脱硫，脱硫后的富液须经溶剂再生装置进行再生，溶剂再生的好坏直接关系到脱硫效果，所以溶剂再生是胺液脱硫中很重要的一部分。
本次设计关注的再生塔顶回流罐液位控制系统。
本次设计串级控制系统,回流罐高3m,控制目标回流罐液位50%，控制范围30%-70%，在此系统中采用RCY系列液位变送器，选用LWY涡轮流量计，气动HTS单座调节阀，以及7TWP-TP803控制器，运用PID算法，对回流罐液位进行控制。
传感器变送器将检测到的模拟信号转换成4～20mA的电流信号。
变送器输出的标准信号送入控制器中，控制器通过分析比较所测参数与预设参数之后输出控制信号，执行器根据传送过来的信号进行变化，最终达到对回流罐液位的控制。
本设计对系统的串级控制进行仿真，通过仿真进一步的验证了本设计将液位控制在0.9m~2.1m的可行性。
关键词：
回流罐；
液位；
串级；
控制方案
目录
第1章绪论4
第2章课程设计的方案论证5
2.1系统对象特性分析5
2.2系统方案论证6
2.3确定设计方案7
2.4系统组成总体结构8
第3章各种仪表的设计选择9
3.1传感器的选择设计9
3.1.1液位传感器的选择设计9
3.1.2流量传感器的选择和设计11
3.2回流量调节阀的选择12
3.3控制器的选择设计13
3.1PID控制算法15
第4章系统仿真或模拟调试16
第5章课程设计总结20
参考文献21
第1章绪论
近年来，我国加工进口原油量在逐年增加，炼厂的加工装置规模也在不断扩大，尤其是原油含硫量的增加，国家对油品质量和环保要求日益严格，需要脱硫的介质也越来越多。
溶剂再生发展经
历了3个阶段。
本次设计的是再生塔顶回流罐液位控制系统，采用串级控制系统，串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。
液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。
液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。
而串级控制系统则可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。
本设计中回流罐设计高度3m，正常液位高度50%，即1.5m.控制范围30%-70%。
本论文论述了一个液位-流量串级控制系统的设计方法和步奏，介绍了PID参数整定方法与过程，介绍了对液位和流量进行检测和转换的常用元件，应用阶跃响应去向推导了广义对象的传递函数。
简单论述了串级控制系统的有点，讨论了他对控制效果的改善作用，并使用仿真软件对该系统进行了仿真。
第2章课程设计的方案论证
2.1系统对象特性分析
酸性气体
再生装置工艺过程可分为溶剂配制、溶剂换热、溶剂再生和退溶剂等4部分，装置外的富液经富液加压泵进入溶剂再生塔上部，液体中的H2S和部分CO2被解析出来，经塔顶空冷器和塔顶后冷器冷凝冷却至40℃进入塔顶回流罐，罐顶的酸性气进入硫磺回收装置，罐底的酸性水经塔顶回流泵加压后返回再生塔顶部作回流。
具体流程如图2.1所示。
冷凝器
塔顶回流罐
再生塔
塔顶回流泵
图2.1工艺流程图
在回流罐液位控制系统的设计中，被控参数是回流罐也为高度。
主对象是液位，副对象分别是回流量。
回流量的大小会直接影响液位的变化。
液位与回流量形成串级系统，液位变送器实时监测回流罐液位高度，给定液位与测量液位经液位传感变送器分析与比较将信号传送到回流量流量传感变送器，回流量传感变送器将信号传送到控制器，进而控制阀门开度，影响其回流量大小。
2.2系统方案论证
根据上面设计任务，回流罐高3m,控制目标回流罐液位50%，控制范围30%-70%，可满足要求的设计方案有两种：
单回路控制系统，串级控制系统。
方案一：
采用流量单回路定值控制：
通过给定一个设定值，直接控制液位高度至该设定值。
该控制方法简单，但自控性差，当塔底温度因其他原因未达到预期温度时，该控制将不能进行调节。
本系统中回流罐液位为被控参数，液位发生变化时，液位变送器LT将反映液位高低的检测信号送往液位控制器LC；
控制器根据实际检测值与液位设定值得偏差情况，输出控制信号给执行器（调节阀），改变调节阀开度，调节回流罐输出流量以维持液位稳定,如图2.2为单回路系统控制图。
LCC
LT
再生塔
图2.2单回路控制系统示意图
方案二：
采用流量和液位的串级控制：
串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，当被控过程的滞后较大，干扰比较剧烈频繁时若采用简单的控制系统便不能满足工艺控制要求，在系统结构上，串级控制系统包括两个控制回路，通过副回路的引入不仅能够迅速克服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰，进而使系统控制品质显著提高。
串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过它们的协调工作，使主参数能够准确的控制在工艺规定的范围之内。
本系统中，回流罐液位高度是主要被控参数，液位传感变送器实时检测回流罐液位变化，将信号进而传送给液位控制器，与此同时流量传感变送器将所检测的信号传送给流量控制器，由液位控制器和流量控制器一起决定进而控制执行器，通过回流罐液位变化改变回流量，最终实现液位恒定。
如图2.3所示为串级系统流程图。
FC
LC
FT
图2.3串级控制系统示意图
2.3确定设计方案
综上所述，方案二中串级控制系统，由于引入副回路，使系统控制品质相对于单回路控制系统显著提高。
在结构上，串级系统有两个闭合回路：
主回路和副回路，主、副调节器串联工作；
主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。
本设计中，再生塔回流罐液位是关键参数，回流量则为影响液位的主要干扰。
采用串级控制系统，主回
路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过他们的协调工作，使主参数能够准确地控制在工艺规定的范围内。
2.4系统组成总体结构
串级系统主要应用于对象滞后较大、纯滞后时间较长、扰动幅值较大、负荷变化频繁、剧烈的被控过程。
由串级控制系统框图，可以分析再生塔顶回流罐液位控制系统的生产工艺过程：
当回流罐液位过低时，液位传感器检测到液位信号与设定值比较，产生的偏差促使执行器开始工作。
回流罐出液阀开度变小，罐内液位升高。
当回流罐液位过高时，检测的信号与设定值比较，使调节阀开度怎大，使罐内液位降低从而达到稳定回流罐液位的作用。
串级控制系统框图如图2.4所示。
回流罐液位（主参数）与回流量（副参数）组成的串级控制方案，适用回流量为主要干扰的场合。
f1,f2
f3,f4
X2
X1
输出
主对象
主调节器
副调节器
调节阀
副对象
+
-
液位变送器
流量变送器
图2.4串级控制系统框图
第3章各种仪表的设计选择
本设计中采用串级控制系统实现，包括五种仪表：
液位传感变送器、流量传感变送器、液位控制器、流量控制器、流量调节阀。
3.1传感器的选择设计
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定的相应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置.常用标准信号一般为：
1~5V电压信号，4~20mA电流信号和20~100Kpa气压信号.传感器的功用是一感二传,即感受被测信息,并传送出去.传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成,如图3.1所示.
被测量
电量
转换元件
转换电路
敏感元件
图3.1传感器组成框图
3.1.1液位传感器的选择设计
对于本设计的工艺要求回流罐液位控制在30%-70%，控制精度1级和实际生产的考虑，采用CYG2304液位变送器。
CYG2304铠装插入式液位变送器探头采瑞士进口芯体和进口不锈钢隔离膜片的高准确度、高稳定性力敏芯片经合理精密的结构设计和厚膜技术进行温度补偿、信号放大、V/I转换，对不锈钢壳体进行全密封焊接，安装方式以法兰连接和直接插入该变送器广泛用于水厂、炼油厂、化工厂、玻璃厂、污水处理厂等对各种液体静态、动态液位的测量。
零点和量程的校准在中继盒中进行。
CYG2304液位变送器如图3.2所示
图3.2CYG2304液位变送器
技术参数
●检测范围：
0.2~5m
●精度:
0.2级、0.5级
●承压范围:
-0.1MPa~10MPa
●探极耐温:
-50~250℃
●环境温度:
-20~60℃
●储存温度：
-55℃～+125℃
●输出信号:
4～20mA
●供电电压:
12～28VDC（需经安全栅供电）
●固定方式:
螺纹安装M20×
1.5、M27×
2，
法兰安装DN25、DN40、DN50。
特殊规格可按要求定制
●接湿材质:
316不锈钢、1Gr18Ni19Ti或聚四氟乙烯
●长期稳定性:
≤0.2%FS/年，
●温度漂移：
≤0.02%FS/℃（在0～70℃范围内）
●防爆等级：
本安ExiaⅡCT6隔爆ExdⅡCT5
●防护等级：
IP67
●本安参数：
Ui：
28VDC，Ii：
93mA，Pi：
0.65W，Ci：
0.042uf，Li：
0mH
3.1.2流量传感器的选择和设计
回流罐液位控制系统要求控制回流量的输出流量，回流液中可能包含酸性液体，因此，要选用具有防腐功能的变送器。
本设计采用LWY现场显示电池供电智能液体涡轮流量计。
用途：
LWY涡轮流量计具有精度高、重复性好、寿命长操作简单等特点。
可广泛用于石油、化工、造纸等行业测量液体的体积瞬时流量和体积总量。
LWY涡轮流量计如图3.3所示
图3.3LWY涡轮流量计
特点：
1.压力损失小，叶轮具有防腐功能。
2.具有较高的抗电磁干扰和抗震动能力，性能可靠工作寿命长。
3.采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强，功耗低，性能优越，具有非线性精度补偿功能的智能显示器。
修正公式精度优于±
0.02%。
4.仪表系数由按键在线设置，显示在LCD屏上，LCD屏直观清晰，可靠性高。
5.采用EEPROM对累积流量、仪表系数进行掉电保护。
保护时间大于10年。
主要技术参数：
1流量计规格：
LWY
2精确度：
0.5级，1.0级。
3使用条件:
（1）环境温度：
-20℃-50℃。
（2）相对湿度：
5%-95%。
（3）被测介质温度：
-20℃-120℃。
（4）大气压力：
86Kpa-106Kpa。
4显示方式：
LWY现场显示：
7位LCD显示累积流量，单位（m3）。
7位LCD显示瞬时流量，单位（m3）
5输出功能：
LWY可带脉冲输出或4-20mA两线制电流输出。
6供电电源：
LWY3V锂电池安装于仪表内部可连续使用五年以上。
3.2回流量调节阀的选择
应用场合:
应用于硫磺回收装置中再生塔顶回流罐液位控制，再生塔顶回流罐液位控制通过控制回流量控制回流罐液位。
本设计采用气动HTS单座调节阀，HTS单座调节阀阀芯采用上导向结构,阀结构紧凑,有呈S流线型的通道,使其压降损失小,流量大,可调范围广,流量特性精度高,符合IEC534-2标准。
调节阀的泄漏量符合ANSIB16.104标准。
调节阀配用多弹簧薄膜执行机构，其结构紧凑，输出力大，适用于控制各种不同温度压力的流体。
图3.4气动HTS单座调节阀
1.公称通径：
20、25、40、50、65、80mm
2.公称压力：
ANSI1251.6、6.4MPa
3.连接型式：
法兰连接：
FF、RF、RJ、LG、沟槽型
4.焊接连接：
嵌接焊SW材料：
铸钢（ZG230-450）
5.适用温度：
常温型-40℃--230℃
中温型-40℃--450℃
低温型-196℃---40℃
6.阀芯形式：
单座柱塞式
7.流量特性：
等百分比（%）、线性（L）
8.供气压力：
140~400KPa（HA型）、400~500KPa（VA6型、VP型）
9.作用形式：
气-关式或气-开式
10.附件：
定位器、行程开关、阀位传送器、手轮机构等
气开、气关的选择
由于调节阀由执行机构和阀门组装而成，然而执行机构有正反作用两种，阀门也有正反作用两种，因此组装而成的气动调节器有气开式调节阀和气关式调节阀两种形式。
气关式调节阀是无压力信号时阀门全开，随着压力信号的增大，阀门逐渐关小。
相比气关式调节阀，气开式调节阀工作特性与之相反，无压力信号时阀门全开，随着压力信号增大阀门逐渐开大。
对于调节阀的选择，一般可以考虑以下几个方面：
调节阀结构的选择，气开式与气关式的选择，调节阀流量特性的选择，调节阀口径的选择。
在回流罐液位控制系统中，回流罐是主被控对象，回流量输出为控制对象，回流罐液位为主被控变量，回流量流量为副被控参数。
在副回路中，随着回流量的增大，流量传感器的输出信号也增大。
由上述可知，调节阀是气开式的。
为了确保被控对象，调节器及执行器所组成的系统是负反馈，副调节器就应该是反作用。
3.3控制器的选择设计
V10FD流量型控制器，采用先进的微电脑芯片技术，专门用于处理设备的流量型控制。
该控制器可用于由多阀或多路阀组成的系统的独立控制，具有瞬时流
量，剩余量和积累量显示，程序预设定，系统运行状态显示与其他控制设备连锁控制等特殊功能。
V10FD控制器单独或组合使用，就可以完成设备一个或一组罐的自动控制。
V10FD控制器如图3.5所示。
图3.5V10FD控制器实物图
技术指标V10FD-M质量流量控制器
量程范围10SLM～30SLM
测控范围控制器阀控范围50:
1流量计量程比100:
1
准确度±
1.0%F.S
线性±
0.5%F.S
重复精度±
0.2%F.S
响应时间<
2s<
0.8s
数字量RS232/485,MODBUS协议
模拟量0～5V、4～20mA、1～5V
供电±
15VDC,24VDC
工作温度0～50℃
工作压力工作压差：
0.1～0.5MPa工作压降：
<
0.01MPa
最大耐压3MPa、10MPa
电气连接DB15孔
漏率1×
10-9SCCSHe
温度系数±
0.025%F.S/℃
底座材质316L
密封材料氟橡胶,氯丁橡胶，丁晴橡胶
输出信号4~20mADC
在此串级控制系统中，变送器一般为“+”，气开式调节阀为“+”，通过系统中主副对象与主副控制器的关系，控制器选为反作用。
PID控制算法
PID控制的各种常见的控制规律如下：
比例积分微分调节（PID调节）
（3-1）
或
（3-2）
式中:
u（t）－调节器的输出信号
e（t）－调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差
kp－调节器的比例系数
Ti－调节器的积分时间
Td－调节器的微分时间
本设计中主调节器的整定参数为
为60、
为0.5、
为0.05，副调节器的整定参数
为0.005。
串级控制系统中副控制对象空气流量
为一阶惯性纯滞后
（3-3）
主对象为液位
二阶惯性纯滞后
（3-4）
第4章系统仿真或模拟调试
一般来说，对于串级控制系统，主变量不允许有余差。
而对副变量的要求一般都不是很严格，允许它有波动和余差。
为了主变量的稳定，主调节器必须具有积分作用。
因此，主调节器通常都选用比例积分规律。
有时，对象控制通道容量滞后比较大，为了克服容量滞后，选用比例积分微分三作用的调节器作为主调节器。
副调节器的给定值随主调节器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副调节器一般不设置积分作用，微分作用也不需要，因为当副调节器有微分作用时，一旦主调节器的输出稍有变化，执行机构就将大幅度地变化。
但副调节器容量滞后比较大时，可以适当加一点微分作用，一般情况下，副调节器只需用比例作用就可以了。
本系统的液位对象容量滞后比较大，故主调节器选用比例积分微分调节作用，而流量对象时间常数很小，副调节器只用比例作用。
图4.1系统总体框图
系统由串级控制系统所组成，其中副控制对象回流量
（4-1）
一阶惯性纯滞后
（4-2）
无干扰下MATLAB中仿真框图，如图4.2所示：
图4.2系统仿真框图
图4.3仿真曲线
调试结果参数记录：
，
在现场生产时会有各种各样的干扰所以在进行仿真的时候需要加入一定的干扰，加入一次干扰后的的仿真框图如图4.4
图4.4加入一次干扰后的的仿真框图
图4.5施加一次干扰后的仿真曲线
加入二次干扰后的的仿真框图如图4.6
图4.6加入二次干扰后的的仿真框图
图4.7加入二次干扰后的的仿真曲线图
由仿真结果可见由于副控回路的存在，很好的控制了二次扰动对系统的影响，说明采用串级控制能够有效的克服进入副控回路的干扰。
系统要求液位波动范围为30%-70%，仿真结果说明本设计能够满足控制要求。
第5章课程设计总结
本次设计论述了工业生产过程中最常见的液位-流量串级串级控制系统，具有较大的实际意义。
在本次设计中应用了过程控制系统、自动控制原理、控制仪表、MATLAB仿真等相关知识，对设备的选型与计算，再结合工业硫磺回收装置，设计了一个再生塔顶回流罐液位控制系统。
在此系统中采用RCY系列液位变送器，选用LWY涡轮流量计，气动HTS单座调节阀，以及7TWP-TP803控制器，运用PID算法，对回流罐液位进行控制。
通过过程控制系统的选择，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一，合理选择气动阀的气开气关方式以及控制器的正反作用的分析。
通过软件对本次设计进行模拟仿真，得到了科学准确的数据，更有利的说明本设计是能实现任务要求的。
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