甘油生产过程控制系统.docx

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甘油生产过程控制系统

《甘油过程控制系统》

课程设计

目录

一、课题的背景及意义1

1.1课题的背景1

1.2课题研究的意义2

二、技术方案的论证2

2.1工艺过程与控制要求2

2.2监控系统的结构与功能4

三、监控过程原理及技术特征6

3.1监控过程及原理6

3.2控制算法8

3.3总体性能指标9

四、系统方案的实施10

4.1现场采集系统的研制10

4.1.1系统变量的分析与选择10

4.1.2传感器的选择与转换电路设计11

4.2现场控制系统的研制16

4.2.1现场控制系统配置要求16

4.2.2现场控制系统硬件设计17

4.2.3PLC工作流程20

4.3控制系统算法研制21

4.3.1自适应模糊PID控制系统的结构22

4.3.2自适应模糊PID控制器的设计23

4.3.3控制系统算法的实现25

4.4上位机监控系统的开发26

4.4.1上位机监控系统的组成26

4.4.2上位机监控系统的设计流程27

4.4.3实时数据库的构造与数据处理的设计29

4.4.4主控窗口与用户窗口组态的设计29

4.4.5设备窗口与运行策略的设计34

4.4.6报警处理与数据报表设计35

4.4.7实时趋势曲线和历史趋势曲线设计37

一、课题的背景及意义

1.1课题的背景

随着计算机技术与过程控制技术的发展，人们对过程控制的目标已经提高到完善生产管理、提高产品质量、节约能源降及低生产成本的水平上来；这样就对当前过程控制的发展提出了很多新的要求，如何利用计算机管理与控制技术对生产过程进行更好的管理与控制，已越来越为企业所关注，实现整个生产流水线监控，实现企业的管控一体化已成为企业发展的必由之路。

甘油是一种重要的化工原料，在工业、医药及日常生活中用途十分广泛，目前大约有1700多种用途。

我国每年约有1/4的需求依靠进口来解决。

甘油的来源一般有两条途径，一是制皂废液，另一途径是油脂水解废水。

制皂废液经净化处理和浓缩得到的粗甘油，甘油浓度一般为80％左右，其中含有大量的杂质，主要有8％左右的NaCI、1％-2％的NaS04、1.5％-3％的有机杂质、7％左右的水分以及少量的易挥发性杂质；油脂水解废水经净化和浓缩制得的粗甘油质量较制皂废液制得的好，甘油含量一般在88％左右，也含有少量水以及2％-3％的有机杂质和无机杂质。

而食用、药用、化妆品用和其他工业用甘油都对甘油的质量要求较高，因此，粗甘油必须进行精制。

甘油的精炼过程非常复杂，而且条件较为恶劣，它涉及到温度、压力、流量、物位等大量物理参数，包括物理变化、化学反应等复杂过程。

针对甘油生产工艺这样复杂的生产过程，自动控制的主要目标是在保证人身和设备安全的情况下，稳定生产工艺状况，避免人为因素造成产品质量和产量的剧烈波动，确保生产能够获得最大的效益。

这就对生产过程自动化控制提出了更高的要求。

必须通过先进的控制手段实现关键工艺参数的稳定化监控，保证生产产量和质量目标的实现，以获得最大的生产效益。

目前，大型的石化、化工等行业已采用DCS用于生产过程的监控，但由于成套的DCS一则价格昂贵，一套中型的DCS价格动则几百万，甚至上千万，成本太高，对中小型企业根本吃不消；二则一般的DCS系统封闭，兼容性不好。

鉴如此，开发成本低，兼容性好的具有自主产权的监控系统不但适应市场的需求，具有较好的经济价值，而且具有较高的社会价值。

1.2课题研究的意义

通过本项目的研究开发，不但能实现对现场工艺参数准确控制，而且通过监控网络能动态监测作业流程、主要设备的运行状态，还能读取现场数据、对数据进行分析，对异常工况进行声光报警和数据查询打印，提高了工业控制的自动化水平，实现了管控一体化，改善了生产的劳动条件，提高了甘油生产的产量与质量，提高经济效益。

二、技术方案的论证

2.1工艺过程与控制要求

1．工艺过程

甘油精炼的工艺流程是将粗甘油通入蒸馏釜，因粗甘油溶液属多相混合物系，蒸馏时可视粗甘油中的有机盐、无机盐以及难挥发的其他杂质为高沸点组分，视粗甘油中的甘油、水及其他易挥发性杂质（如醛、酮等）为低沸点组分。

在一定条件（温度、压力）下，高沸点组分留在蒸馏釜中，低沸点组分从粗甘油中汽化分离出来，而低沸点组分在汽化后成为以甘油和水蒸气为主体的混合气体，将其通入冷凝器组，利用甘油与水沸点的差异，通过多次部分冷凝后即可得到纯度较高的精甘油。

整个流程如图2-1所示

图2-1甘油精炼监控工艺流程图

2．控制要求

（1）甘油产品质量控制

粗甘油经蒸馏釜加热蒸馏，再经冷凝器组冷凝的到的精甘油必须符合规定的纯度，同时保证产品损失小于规定值。

（2）物料平衡和能量平衡控制

进出蒸馏釜和冷凝器组的物料和能量应保持平衡。

（3）约束条件控制

甘油在常压下沸点是290℃，在205℃或稍高温度时，甘油随着受热时间的长短而有一定程度的聚合和分解，要求蒸馏采用真空蒸馏，以使甘油蒸溜在较低温度下进行，同时为保证蒸馏釜的正常、安全操作，蒸馏釜内的操作压力必须维持稳定。

（4）经济效益控制

达到上述基本目标的同时，蒸馏过程需要获得最大的产品回收率和最小的能量消耗，即优化塔的操作。

2.2监控系统的结构与功能

整个监控控制系统分监控层和现场控制层两层；甘油监控系统组成如图2-2所示

图2-2甘油监控系统组成

1．现场控制层的组成与作用：

由进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、冷凝器组温度控制系统、真空压力控制系统、恒压供水控制系统和流程巡检系统六个子控制系统构成，用于对现场流程进行测量与控制，其中进料控制系统、蒸馏釜温度控制系统、真空压力控制系统公用一套PLC控制，冷凝器组温度控制系统和恒压供水控制系统公用一套PLC控制，流程巡检系统的数据采集以上两套PLC的数据。

（1）进料控制系统

由PLC、液位传感器、进料调节阀组成定值闭环控制系统。

其原理是由液位传感器检测出蒸馏釜液位，送入PLC与设定值比较后，按设计的控制规律控制进料调节阀，使蒸馏釜液位保持恒定，以保持蒸馏釜的物料平衡。

（2）蒸馏釜温度控制系统

由PLC、温度传感器、加热油流量调节阀组成定值闭环控制系统。

其原理是由温度传感器检测出蒸馏釜出口温度，与设定值比较后，按设计的控制策略控制加热油调节阀，使蒸馏釜出口温度保持恒定，从而保证产品的质量。

（3）真空压力控制系统

由PLC、真空压力传感器、真空压力调节阀组成定值闭环控制系统。

其原理是由真空压力传感器检测出真空压力，与PLC设定值比较后，按控制规律控制真空压力变频电机，使蒸馏釜内真空压力和冷凝器内真空压力保持恒定。

（4）恒压供水控制系统

由PLC、压力传感器、冷凝水压力调节阀组成定值闭环控制系统。

其原理是由压力传感器检测出冷凝水压力，与PLC设定值比较后，按控制规律控制恒压供水变频电机，使冷凝水压力保持恒定，以保持冷凝组用水的稳定。

（5）冷凝器组温度控制系统

由一个PLC、四个温度传感器、四个冷凝器温度调节阀组成四个相互独立的定值闭环控制系统。

其原理是由四个温度传感器分别检测出四个冷凝器温度，与PLC的设定值比较后，按控制规律分别控制四个冷凝器温度调节阀，使四个冷凝器温度保持恒定（冷凝器共六个串联连接，其中前两个采用自然冷却方式不用控制）。

（6）流程巡检系统

由PLC、液位传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器及TP200文本显示器组成。

按一定周期巡回检测蒸馏釜出口液位、温度、六个凝器温度、真空压力、冷凝水压力及粗甘油进料量、三个等级的精甘油流量并显示，同时显示甘油精炼的成品率。

2．监控层的组成与作用：

监控层硬件由装有MCGS的工控机、各种参数显示器和打印机构成。

软件环境由“组态环境”和“运行环境”组成。

作用：

一方面可以通过网络接受来自现场控制层的各种信息进行显示、分析和处理，对现场层进行监视；另一方面，可以按照工艺要求，通过网络对现场控制层下达指令，对现场控制层进行控制。

三、监控过程原理及技术特征

3.1监控过程及原理

监控系统有单机控制和联机控制两种工作方式：

1．单机控制工作方式：

包括单步操作、单控制系统操作和异常操作三种形式，主要是为设备安装、调试检修需要设计。

原理：

单步操作为开环控制，以检查与控制单个电气设备运行状况；单控制系统操作为闭环控制，以检查现场控制层单闭环控制系统的运行状态；异常操作为生产运行发生异常工况时，系统及时切换到规定的处理程序。

2．联机控制工作方式：

包括监控层对现场控制层实时监控，现场控制层对现场流程实时测量与控制。

工作原理及过程：

系统启动后，首先启动真空控制系统、恒压供水控制系统、流程巡检系统，在真空作用下将粗甘油吸入蒸馏釜，通入蒸馏釜粗甘油液位不能太高，也不能太低，太高易泛液，太低设备有危险，由进料控制系统控制蒸馏釜的液位。

当蒸馏釜粗甘油液位到达工艺设定液位后，启动蒸馏釜温度控制系统，在蒸馏釜温度控制系统作用下，将由甘油、水及其他易挥发性杂质等组成的低沸点组分汽化，和由有机盐、无机盐以及难挥发的其他杂质等组成的高沸点组分分离，分离的工艺温度由蒸馏釜温度控制系统实现。

汽化分离后的低沸点组分进入冷凝器组；高沸点组分保留在蒸馏釜中，由监控系统控制定时排放到废液渣罐中。

汽化后的低沸点组分依次进入冷凝器组冷凝，利用甘油与低沸点组分中的其它组分沸点不同进行分离。

冷凝器组由六个冷凝器用管道串连组成，1#与2#冷凝器用空气冷凝，3#至6#冷凝器用冷却水冷凝，3#至6#冷凝器的冷却工艺温度由冷凝器组温度控制系统实现；冷却用水由恒压供水控制系统实现。

因工艺条件要求，整个蒸馏过程必须在真空环境下进行，同时蒸馏釜进料、甘油由蒸馏釜进入冷凝器组也用到真空。

真空度控制由真空控制系统完成。

控制系统流程如图3-1所示

图3-1控制系统流程

3.2控制算法

由于蒸馏釜温度、液位与冷凝器温度的被控参数具有时变、非线性特点，常规的PID控制很难达到理想的控制精度要求，而且常规的PID控制有对不同的控制对象采用不同的PID参数要求，PID参数调整极不方便。

为改变常规PID控制以上弱点，本项目采用自适应模糊PID控制方法以提高系统的控制精度、安全性和可靠性。

即模拟人的控制行为，利用人的经验知识实现对蒸馏釜温度、液位与冷凝器温度等被控参数的控制。

蒸馏釜温度控制系统设计成以温度偏差和偏差变化率为输入量、加热油调节阀流量为输出量的双输入单输出模糊控制器进行控制；进料控制系统设计成以液位偏差和偏差变化率为输入量、进料调节阀流量为输出量的双输入单输出模糊控制器进行控制；冷凝器温度控制系统设计成分别以各个冷凝器的温度偏差和偏差变化率为输入量、各个冷凝器的调节阀流量为输出量的双输入单输出模糊控制器进行控制。

真空压力控制系统、恒压供水控制系统采用增量式PID控制。

3.3总体性能指标

1．针对甘油精炼设备特点，采用先进的控制策略实现对温度、压力、流量、液位等现场参数的准确控制。

温度控制范围与精度：

0~300℃；误差≤±0.5%

压力控制范围与精度：

0~10Mpa；误差≤±0.5%

液位控制范围与精度：

0.05~10m；误差≤±0.5%

2．实现整个生产流水线监控，实现企业的管控一体化。

动态监测作业流程；主要设备的运行状态；显示主要参数的实时曲线及历史曲线；显示和记录主要参数的实时数据和历史数据。

3．数据的处理分析与报警。

能对采集数据进行存储；能对被控参数进行趋势分析；对监控参数能实施越限报警；自动生成异常状态数据库。

4．查询功能。

能查询各种监控参数的历史数据，各种参数的曲线及趋势，能自动生成各种监控参数的报表并具有打印功能。

四、系统方案的实施

4.1现场采集系统的研制

4.1.1系统变量的分析与选择

1．被控变量的选择

被控变量的选择依据：

根据