7甲醇蒸发氧化过程控制系统中的DCS部分设计课件.docx
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7甲醇蒸发氧化过程控制系统中的DCS部分设计课件
辽宁工业大学
过程控制系统课程设计（论文）
题目：
甲醇蒸发氧化过程控制系统中的DCS部分设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
自动化122
学号：
120302050
学生姓名：
殷青松
指导教师：
（签字）
起止时间：
2015.12.21-2015.12.31
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化
学号
120302050
学生姓名
殷青松
专业班级
自动化
课程设计（论文）题目
甲醇蒸发氧化过程控制系统中的DCS部分设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能：
蒸发氧化是甲醇生产过程中的重要工序之一。
对该过程的集散控制系统进行概要设计，并具体控制站和操作站的组态设计和软件开发。
设计任务及要求：
1、设计蒸发氧化过程的控制方案，并给出控制器的算法；2、DCS要求采用浙大中控JX-300XP系统；3、完成控制站的组态，包括主控制卡、数据转发卡、I/O卡件、I/O信号等；4、完成操作站的组态，包括分组画面、一览画面、趋势画面、总貌画面、流程图画面等。
技术参数：
1、温度范围为0-800℃
2、液位范围为0-100m；
3、气体流量范围为0-2500Nm3/h；
4、压力范围为0-600KPa
进度计划
1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；2、设计系统的结构原理图（1天）；
3、仪表、控制系统等设备的选型（1天）；4、控制方案设计及实现（4天）；5、撰写课设论文（1.5天）；
6、设计结果考核（0.5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
甲醇蒸发氧化制甲醛是化工中常见的制甲醛的方法。
蒸发氧化要严格控制甲醇、空气和水蒸气的比例，所以需要对流量进行控制。
流量的检测和控制在现代工业生产自动化中具有重要的地位。
根据工艺要求设计供料系统的控制方案保证生产能够安全有效地进行。
此次课设采用单闭环比值控制。
测量与变送器为流量计，自动控制器为浙大中控JX300-XP DCS集散控制系统，执行器为电动调节阀。
关键词：
甲醇蒸发氧化；浙大中控；集散控制系统
目录
第1章绪论1
第2章甲醇氧化制甲醛的方案3
2.1甲醇氧化制甲醛的工艺流程概述3
2.2系统控制方案4
第3章硬件设计7
3.1JX-300XP控制系统概述7
3.2JX-300XP控制系统特点7
3.3JX300-XP系统规模7
3.4JX300-XP系统配置8
3.5I/O分配8
3.5.1根据测点清单，填写测点统计表9
3.5.2系统的I/O卡件布置图10
3.6仪表仪器选型10
第4章软件设计12
4.1系统组态简介12
4.2系统组态12
第5章系统测试与分析17
5.1系统仿真17
5.2系统仿真测试与分析17
第6章课程设计总结20
参考文献21
第1章绪论
甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，化学式CH3OH。
又称“木醇”或“木精”。
是无色有酒精气味易挥发的液体。
有毒，误饮5～10毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。
用于制造甲醛和农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。
用于制造甲醛和农药（杀虫剂、杀虫螨）、医药（磺胺类、霉素类）等的原料，合成对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯的原料之一，醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多种有机产品等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变性剂等。
甲醇无色澄清液体，有刺激性气味。
微有乙醇样气味，易挥发，易流动，燃烧时无烟有蓝色火焰，能与水、醇、醚等有机溶剂互溶，能与多种化合物形成共沸混合物，能与多种化合物形成混合溶液，溶解性能优于乙醇，能溶解多种无机盐类，如碘化钠、氯化钙、硝酸铵、硫酸铜、硝酸银、氯化铵和氯化钠等。
目前国内外工业甲醛生产均使用甲醇为原料，生产工艺有银催化氧化法、铁钼催化氧化法以及甲缩醛氧化法等，其中绝大多数采用银催化氧化法。
国内最常用的银触媒介法生产工艺，采用不锈钢填料，二次吸收，循环氧化工艺。
目的是为了达到最大的甲醇转化率，最少的能耗。
甲醇氧化及氧化温度的控制，空气流量和甲醇蒸发量配比控制，这二项工艺参数的控制是甲醛生产最核心的环节。
反应原理当甲醇、空气和水蒸气的原料混合进入反应器，在银催化剂上发生催化剂作用而生成甲醛时，其主要反应是氧化，脱氢反应。
甲醇氧化反应
（1）在200E左右开始进行，因此经预热进入反应器的原料混合器，必须用电热器点火燃烧，当催化床温度升至200E左右，反应
（1）开始缓慢进行，它是一个放热反应，放出的热量使催化床随着温度的升高至使氧化反应
（1）不断加快，所以，点火后催化床的温度升高非常迅速。
甲醇脱氢反应
（2）在低温时几乎不进行，当催化床温度达600℃左右，反应
（2）成为生成醛的主要反应之一。
脱氢反应是一个强吸热反应，故有反应
（2）的发生。
对控制催化床的温度升高是有利的。
脱氢反应是一个可逆反应，所谓可逆反应就是甲醇脱氢生成醛的同时，甲醛与氢也可向生成甲醇的方向进行，这类反应在化学反应中可用可逆符号来代替的。
当原料混合气中的氧与脱氢反应生成的氢化合为水时，可使脱氢反应不断向生成甲醛的方向。
DCS自上世纪70年代问世以来，各国公司各自推出了多种不同设计、风格各异的DCS，即使是同一厂家，其早期产品和近期产品也有很大差异。
但是，尽管种种DCS千差万别，其核心结构却基本上是一致的，即所谓“三点一线”式结构。
“一线”是指DCS的骨架计算机网络，“三点”则是连接在网络上的三种不同类型的节点。
这三种不同类型的节点是：
面向被控过程现场的现场I/O控制站；面向操作人员的操作站；面向DCS监控管理人员的工程师站。
一般情况下，一个DCS中只需配置一台工程师站，而现场I/O控制站和操作员站的数量则根据实际要求配置。
这三种节点通过系统网络互相连接并相互交换信息，协调各方面的工作共同完成DCS的整体功能。
DCS是一种模拟数字混合系统，它是在常规组合模拟仪表与计算机集中DDC的基础上发展形成的。
其变送、执行单元仍然采用4～20 mA 的模拟仪表，控制计算、监控与人机界面采用多个CPU递阶构成的集中与分散相结合的分散控制系统。
常规的模拟仪表组成的过程控制系统存在许多局限性，如难以实现多变量相关对象的控制；难以实现复杂的高级控制算法和参数的集中显示操作；由于生产工艺过程的复杂和规模的扩大，就要增加仪表，相应的模拟仪表也要增大。
而计算机集中DDC控制会导致危险的集中。
虽不难实现用一台计算机控制几十个甚至上百个回路，但这样必然降低系统的安全性能。
DCS吸收了模拟仪表和计算机集中控制DDC的优点，将多台微机分散应用于过程控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人机交互差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在监视、操作与管理三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。
第2章
甲醇氧化制甲醛的方案
甲醇氧化制甲醛的工艺流程概述
甲醇氧化制甲醛的工艺流程如图2.1所示
图2.1工艺流程图
甲醇氧化制甲醛的工艺流程如图2.1所示，原料甲醇用泵送入高位槽1，以一定的流量经过过滤器2进入蒸汽加热的蒸发器3.同时，由鼓风机7将已除尘和其他杂质的空气定量地送入蒸发器的底部。
空气鼓泡通过被加热到319-323K的甲醇层时被甲醇蒸气所饱和，每升甲醇蒸气和空气的混合物中甲醇的含量约0.5g。
为了控制甲醇被氧化的速度，通过蒸气分离缸19，在甲醇和空气的混合物中加入一定量的水蒸汽。
为了保证混合气能在反应器内迅速反应，以及避免混合气中存在甲醇凝液，所以通过过热器4进行加热。
过热混合气为了阻止氧化器中可能发生燃烧波及到蒸发系统，要经过阻火器5和过滤器8除去铁杂质后，才进入氧化反应器9，在催化剂的作用下，温度控制在653-956K左右，进行氧化和脱氢反应。
从氧化器出来的气体进入第一吸收塔10，将大部分甲醛吸收；未被吸收的气体再进入第二吸收塔11底部，从塔顶加入一定量的冷却水进行吸收。
由第二吸收塔塔底采出的稀甲醛溶液经循环泵18打入第一、第二吸收塔，作为吸收的一部分。
自第一吸收塔塔底引出的吸收液经冷却后，即为含10%甲醇的甲醛水溶液。
甲醇的存在可以防止甲醛的聚合，甲醛的产率约80%。
为了确保生产的安全进行，最大限度地提高生产效率，应对整个生产过程进行分析。
本项目将根据甲醇氧化制甲醛的工艺要求，确定参与反应的物料流量控制方案，并根据确定的控制方案和企业自动化水平，以及自动化仪表和装置的发展情况，选择控制仪表、流量检测仪表和执行装置。
为了保证以上的物料的配比，要对其流量进行控制。
空气是通过鼓风机加入其流程，在甲醇蒸发器中与甲醇蒸汽混合，形成二元混合气体。
甲醇液体通过离心泵加入甲醇蒸发器。
因此，空气与甲醇的进入量基本稳定，可以设置简单的控制系统来完成。
空气流量采用流量单回路控制系统，二通过控制甲醇蒸发器的液位定值控制，保证甲醇气体的流量稳定。
合理设置两个控制系统的设定值，就可以保证二元混合气中的醇氧摩尔比。
二元混合气要加入一定量的蒸汽，形成三元混合气体。
由于水蒸汽的含量决定反应速度和效率，所以，根据蒸汽加入量控制二元混合气体的流量。
系统控制方案
甲醇氧化制甲醛控制方案如图2.2所示：
外部干扰
偏差e
图2.2控制方案图
方案控制过程所用一些硬件设备如下：
1自动控制器——采用浙大中控JX300-XP 集散控制系统DCS。
它接受变送器送来的信号，与工艺要求的压力大小相比较，得出偏差，并按运算规律得出结果用特定信号电流或电压发送出去。
2执行器——电动动调节阀，通过接收工业自动化控制系统的信号（如：
4~20mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。
实现自动化调节功能。
3测量元件与变送器——流量计。
流量计是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一，在过程自动化仪表与装置中，流量仪表有两大功用：
作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。
表2.1JX-300X控制系统控制方案
序号
注释
回路位号
控制方案
MV
PV
00
甲醇气体流量控制
FIC-201
单回路
FV-201
FI-201
01
蒸发器液位控制
LIC-201
单回路
LV-201
LI-201
02
蒸发器压力控制
PIC-201
单回路
PV-201
PI-201
（1）甲醇气体流量控制，单回路，其控制框图如下。
图2.2甲醇气体流量控制方框图
（2）蒸发器液位控制，单回路，其控制框图如下。
图2.3甲醇气体流量控制方框图
（3）蒸发器压力控制，单回路，其控制框图如下。
图2.4甲醇气体流量控制方框图
化工各种反应对参与化学反应的物料比都有一定的要求。
甲醇氧化制甲醛生产所需的三种原料必须保持一定的比例，即甲醇气：
空气：
水蒸汽=1：
（1.7~1.9）：
（0.7~0.9）。
本次采用单闭环比值控制。
比值控制系统（流量比值控制系统）：
实现两个或两个以上参数符合一定比例’关系的控制系统。
单闭环比值控制不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以克服副流量本身干扰对比值的影响，主副流量的比值较为精确。
总物料量不固定，对于负荷变化幅度大，物料又直接去化学反应器的场合是不适合的。
当主流量出现大幅度波动时，副流量给定值大幅度波动，在调节的一段时间里，比值会偏离工艺要求的流量比，不适用于要求严格动态比的场合。
适用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。
第3章硬件设计
JX-300XP控制系统概述
JX300-XP系统是属于浙大中控SUPCON技术有限公司WebField系列控制系统，它是在JX-100，JX-200，JX-300，的基础上开发出来的新一代集散控制系统，该系统充分应用了最新信号处理技术，高速网络通信技术，可靠的的软件平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了JX300-XP的功能和性能，能适应更广泛更复杂的应用要求，成为一个全数字化、结构灵活、功能完善的开放式集散控制系统。
全面提高了系统的功能和性能，具有全智能化，任意冗余，扩展性好和灵活配置等特点。
已被广泛应用在小，中，大规模的工业生产控制中。
JX-300XP控制系统特点
可靠：
全智能化设计，真正热冗余技术，故障自诊断到卡件级，部件可带电更换，确保系统长期安全、可靠地运行。
先进：
控制网络采用标准10M/100M冗余工业以太网，信息高速、准确、可靠；提供HART、FF现场总线接口，实现分散I/O站。
方便：
Windows2000中文操作平台，稳定性和操作方便性大为提高；标准IEC61131-3组态平台，LD、FBD、SFC和C语言组态，方便实现理想的控制策略。
灵活：
采用OPC、ODBC开放式通用数据接口，可方便嵌入第三方产品。
集成：
通过PIMS可方便实现全厂控制系统与管理系统的信息共享。
JX300-XP系统规模
JX-300XP系统规模包括15个现场控制站（FCS）,32个操作站（OPS,包括工程师站和操作员站），总容量15360点，单个控制站最多可带6个I/O单元（机笼）每个I/O单元可放置16块I/O卡件。
JX300-XP系统配置
SCnetII中，最多有63个控制站，72个操作站，操作站包括工程师站和操作员站，本次课程设计中控制站和操作站地址分配如表3.1所示。
表3.1控制站与操作站地址分配
类型
数量
IP地址
备注
控制站
1
128.128.1.02
包括主控卡和数据转发卡且均冗余配置
主控制卡注释：
1#主控卡，2#主控卡
数据转发卡注释：
1#数据转发卡,2#数据转发卡
工程师站
1
128.128.1.130
注释：
工程师站130
操作员站
2
128.128.1.131,128.128.1.132
注释：
操作员站131,、操作员站132
I/O分配
表3.2I/O点分配表
序号
位号
描述
IO
类型
选择卡件
1
LI101
蒸发器液位
AI
不配电4~20mA
XP313
2
LI102
吸收塔液位
AI
不配电4~20mA
XP313
3
PI101
蒸发器压力
AI
不配电4~20mA
XP313
4
PI102
蒸汽压力
AI
不配电4~20mA
XP313
5
FI101
甲醇蒸汽流量
AI
不配电4~20mA
XP313
7
FI103
尾气流量
AI
不配电4~20mA
XP313
8
FI104
甲醇流量
AI
不配电4~20mA
XP313
9
FI105
空气流量
AI
不配电4~20mA
XP313
10
FI101
氧化温度11
TC
S
XP314
11
FI102
氧化温度12
TC
S
XP314
12
FI103
氧化温度13
TC
S
XP314
13
FI104
氧化温度14
TC
S
XP314
14
FI105
氧化温度15
RTD
PT100
XP316
15
KI301
泵开关指示
DI
XP363
16
KI303
泵开关指示
DI
XP363
17
KI305
泵开关指示
DI
XP363
18
KI302
泵开关操作
DO
XP362
19
KI304
泵开关操作
DO
XP362
20
KI306
泵开关操作
DO
XP362
21
FV101
甲醇蒸汽流量调节
AO
正输出
XP322
22
FV103
尾气流量调节
AO
正输出
XP322
23
FV104
甲醇流量调节
AO
正输出
XP322
24
FV105
空气流量调节
AO
正输出
XP322
根据测点清单，填写测点统计表
表3.3填写测点统计表如下图所示
信号类型
卡件型号
点数
卡件数目
配套端子板型号
端子板数目
备用点数
AI
电流信号
XP313
9
1*2+1
XP520R
2
3
热电偶
XP314
4
1
XP520
1
2
热电阻
XP316
1
1
XP520
1
3
AO
输出
XP322
4
1*2+1
XP520R
2
4
开关量信号
输入
XP363
3
1
XP520
1
5
输出
XP362
3
1
XP520
1
5
系统的I/O卡件布置图
根据控制系统统计所用卡件系统I/O卡件布置图如下。
表3.4系统I/O卡件布置图
1
2
3
4
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
冗余
冗余
冗余
冗余
X
P
2
4
3
X
P
2
4
3
X
P
2
3
3
X
P
2
3
3
X
P
3
1
6
X
P
3
1
4
X
P
3
1
3
X
P
3
1
3
X
P
3
1
3
X
P
3
2
2
X
P
3
2
2
X
P
3
2
2
X
P
3
6
3
X
P
3
6
2
仪表仪器选型
仪表选型原则:
实际上在生产过程自动化中，不仅需要制定合理的自动化方案，而且还需要正确地选用自动化仪表，控制仪表的种类和型号繁多，所以仪表选型时要考虑以下几点：
第一，工艺过程的条件：
首先要考虑工艺过程的温度、压力、流量、精度、腐蚀性、毒性、脉动等因素，这是决定仪表选型的重要条件，它们关系到仪表的选型合理性和仪表的使用寿命，并直接影响到仪表能否投运，生产能否正常进行和车间的保安、防火等问题
第二，安装地点和安装方式：
仪表安装地点和安装方式的不同对仪表的选型也有影响
第三，测量及调节的准确性：
既要根据工艺上的不同要求考虑，选用不同精度等级仪表和不同调节方式的调节。
调节阀是控制系统的重要一环，不可以忽视。
仪表要与经济性结合考虑。
第四，统一性：
从便于维修和管理的角度出发，注意要选用仪表的类型的统一性。
在自动控制系统中，由于设定值与测量值比较产生了偏差，所以控制器将偏差信号按一定的数学关系，转换为控制作用，进行PID运算。
将变送器送来的1-5VDC测量信号与1-5VDC给定信号进行比较得到偏差信号，PID运算输出4-20MADC信号，最后通过执行器实现过程参数的自动控制。
F型流量控制器流量计：
检测管道流量和控制流量，测量范围:
0.5-100立方/每小时，公称通径:
DN15-DN75，测量精度:
2%，公称压力:
0-1.5（Mpa），适用范围:
需要测量或控制流量的装置。
电动执行器：
优点是电动执行器的优点是能源取用方便，信号传输速度快，传输距离远，便于集中控制，灵敏度和精度较高，与电动调节仪表配合方便，安装接线简单。
缺点是结构复杂，推力小，平均故障率高于气动调节机构，适用于防爆要求不高，气源缺乏的场所。
缺点是电动执行机构的缺点主要有：
结构较复杂，更容易发生故障，且由于它的复杂性，对现场维护人员的技术要求就相对要高一些；电机运行要产生热，如果调节太频繁，容易造成电机过热，产生热保护，同时也会加大对减速齿轮的磨损；另外就是运行较慢，从调节器输出一个信号，到调节阀响应而运动到那个相应的位置，需要较长的时间，这是它不如气动、液动执行器的地方。
第4章软件设计
系统组态简介
集散控制系统实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的状态运行。
集散控制系统所提供的功能模块、组态编辑软件以及组态语言，组成所需的系统结构和操作画面，完成所需的功能。
集散控制系统的组态包括系统组态、画面组态和控制组态
系统组态
系统的组态包括总体结构组态，对主控制卡、I/O卡件、各个I/O点以及操作站的组态，常规控制方案组态，操作站标准画面组态等，其组态步骤如下：
系统总体结构组态：
就是对整个系统组态过程中最先做的工作，其目的是确定构成控制系统的规模，即控制站和操作站节点的数量。
登录。
在桌面上点击Sckey软件，点击新建组态，点击确定，为新建的组态文件选择保存路径。
主机设置。
在组态界面的工具栏中点击命令按钮主机，弹出主机设置界面，点击主控制卡页面，点击增加命令，选择相应系统的主控制卡型号，本次应用XP243X，再进行各类参数设置，如IP地址，是否冗余，注释等。
然后选择操作站页面，点击增加命令，增加1个工程师站，2个操作员站，进行各类参数设置，如IP地址类型等。
如下图4.1为主控制卡组态。
（1）
图4.1为主控制卡组态
如下图4.2为操作站组态。
图4.2为操作站组态结果
如下图对I/O卡件组态，选择进入I/O卡件组态界面。
图4.3为I/O卡件组态结果
对I/O点组态结果如下。
图4.4为I/O点组态结果
操作站标准画面组态。
系统的标准画面组态是指对系统已定义格式的标准画面进行组态。
其中包括控制分组，趋势画面，数据一览，总貌画面等操作画面的组态。
组态结果如下。
图4.5总貌画面
图4.6趋势组态设置
图4.7分组画面
图4.8数据一览设置效果
图4.9流程图画面
第5章系统测试与分析
系统仿真
集散控制系统（DCS）是应用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理而对现场装置的控制分散的基本控制技术。
集散控制系统的重要组成部分是组态软件。
工业自动化组态软件的出现为解决实际工程中的问题提供了一种新的方法，它能够使用户根据自己的控制对象和控制目的任意组态，使自动化工程人员能够面向问题的设计。
5.
2系统仿真测试与分析
图5.1系统总貌仿真
图5.2系统控制回路分组画面
调整画面以数值，趋势图及内部仪表的形式显示位号所有的信息。
图5.3实时监控调整画面
图5.4趋势画面
图5.5数据一览
图5.6索引换面
第6章课程设计总结
蒸发氧化是甲醇生产过程中的重要工序之一，化工各种反应对参与化学反应的物料比都有一定的要求，为了确保生产的安全进行且最大限度地提高生产效率，应对整个生产过程进行分析，采取合理的控制方案与控制系统。
本次课设是基于JX300-XPDCS控制系统的甲醇蒸发氧
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