精馏塔提馏段的温度控制设计.docx

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精馏塔提馏段的温度控制设计

、

成绩

过程控制仪表课程设计

设计题目精馏塔提馏段的温度控制系统

学生姓名XX

专业班级自动化XXXX班

学号XXXXXXXXXXX

指导老师XXX

2019年XX月XX日

{

《过程控制仪表》课程设计评分标准表

姓名：

XX学号：

XXXXXXXXX

设计报告（40分）

分析过程/仪表选型

合理

较合理

不合理

报告格式

规范

较规范

不规范

学习态度

好

较好

差

设计仿真（20分）

仿真模型

合理

较合理

不合理

参数设置/调整

合理

基本合理

有缺陷

仿真结果及分析

全部完成

部分完成

失败

设计图纸（20分）

仪表及选型

良

合格

不合格

图纸规范

良

合格

不合格

答辩情况（20分）

合格

基本合格

不合格

总评

1设计报告得分：

分；

2设计仿真得分：

分；

3图纸绘制得分：

分；

4答辩情况得分：

分；

总分：

分。

老师签名：

2019年12月31日

课程设计的最终成绩采取“优秀”、“良好”、“中等”、“及格”和“不及格”五级记分。

100-90分（优秀）、89-80（良好）、79-70（中等）、69-60（及格）、低于60（不及格）

《过程控制仪表课程设计》任务书

课程设计的内容和要求：

题目：

精馏塔提馏段的温度控制系统

一、设计任务、内容

（1）熟悉控制系统的工艺流程；

（2）选择控制系统各环节仪表，仪表选型及参数的确定，包括检测元件、变送器、调节器、执行器、显示仪表等部分；

（3）明确各部分的作用及数学模型，仿真分析系统的控制效果；

（4）仪表控制系统及各单元仪表简介；

（5）给出仪表系统设计方案，画出各仪表间的配接图。

二、设计要求

（1）编写过程控制仪表设计说明书。

内容包括：

控制系统的简单介绍，工艺流程分析；

各环节仪表的选型、仪表的工作原理及性能指标；

控制系统的仿真分析（Matlab/Simulink）;

仪表间的配接说明。

（2）绘制工艺流程原理框图。

（3）给出系统仪表型号清单。

（4）绘制仪表盘电气接线图，端子接线图。

三、时间进度安排：

布置设计任务，查阅资料

确定设计方案

仪表选型、参数计算及仿真

绘制仪表盘接线图、撰写设计说明书

1.设计任务与要求

设计任务

过程控制仪表课程设计，是《自动化仪表与装置》课程中的后续课程，实践教学环节，也是一次全面的专业知识的运用和实践。

⑴巩固和深化所学课程的知识：

通过课程设计，要求学生初步学会运用本门课程和其它相关课程的基本知识和方法，来解决工程实际中的具体的设计问题，检验学生对本门课程及相关课程内容的掌握的程度，以进一步巩固和深化所学课程的知识。

⑵培养学生的设计、实践能力：

通过课程设计，从方案选择、设计计算到绘制图纸、编写设计说明书，可以培养学生对工程设计的独立工作能力，树立正确的设计思想，掌握自动控制系统中各环节使用仪表的基本方法和步骤，为以后从事工程设计打下良好的基础。

⑶使学生能熟悉和运用设计资料，学会查阅相关文献，如有关国家标准、手册、图册等，以完成作为工程技术人员在工程设计方面所必须的基本训练。

设计要求

（1）编写过程控制仪表设计说明书。

内容包括：

控制系统的简单介绍，工艺流程分析；各环节仪表的选型、仪表的工作原理及性能指标；控制系统的仿真分析；仪表间的配接说明。

（2）绘制工艺流程原理框图。

（3）给出系统仪表型号清单。

（4）绘制仪表盘电气接线图，端子接线图。

2.系统简介

精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节，精馏过程是一个复杂的传质传热过程,表现为:

过程变量多,被控变量多,可操纵的变量也多，精馏塔的控制直接影响到工厂的产品的质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视。

各塔工艺结构特点有千差万别，这需要深入分析特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案设计和研究，其自动控制系统的核心在于品质指标的设定、被控变量和操作变量的选择。

在精馏塔的控制系统设计中，应选取馏出产品的质量指标、蒸馏产品的产量指标和蒸馏过程

的能耗指标作为主要控制目标，同时还要考虑其他约束条件。

精馏塔是一个典型的多变量控制对象，其调节参数的多种组合可构成多种调节回路，也就有许多调节方案。

在设计精馏塔控制系统时应该以产品质量为核心指标，参数的选择和调节应围绕产品质量和安全生产为前提。

本文设计的按提馏段指标的精馏塔控制方案，以提馏段温度作为馏出产品质量的间接控制指标，以调节再沸器加热量和冷凝器冷却介质作为主要控制手段。

3.设计方案及仪表选型

控制方案的确定

该方案以精馏塔塔板提馏段温度为被控变量，以加热蒸汽量为操纵变量，构成主闭环控制系统。

提馏段温控采用提馏段温度参数作为间接质量指标，由于提馏段温度对馏出产品质量影响权重较大，且提馏段温度和产品质量指标间的容量滞后很小，因而能够较快速地反映提馏段产品情况，具有响应快速、控制及时的特点，其动态过程也能比较快地收敛，液相进料量或进料成分的变化很快影响塔底的成分。

提馏段温控的另一个特点是在保持塔底产品质量的前提下，塔顶馏出产品质量也能得到保证，因而这种控制策略在蒸馏塔控制系统中得到了广泛应用。

图是精馏塔底部示意图，在再沸器中，用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽，然后在塔釜中与下降物料进行传热传质。

为了保证生产过程顺利进行，需要把提馏段温度θ保持恒定。

为此在蒸汽管路上装上一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。

从调节阀动作到温度θ发生变化，需要相继通过很多热容积。

实践证明加热蒸汽压力的波动对θ的影响很大。

此外，还有来自液相加料方面的各种干扰，包括它的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质过程，以及再沸器中传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度θ。

很明显当加热蒸汽压力波动较大时，如果采用如图所示的简单单回路温度控制系统，控制品质一般不能满足生产需要。

图单回路温度控制

本系统为了较好的达到控制目标采，用如图所示的提馏段温串级控制系统，与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环----双闭环或称双环。

串级控制系统在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相同，就其主回路外环来看是一个定值控制系统，而副回路内环则为一个随动系统。

与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。

其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统有如下几点的改善：

1）改善了被控过程的动态特性提高了系统的工作频率。

2）对二次扰动有很强的克服能力。

3）提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。

综上所述根据系统工艺要求决定在系统设计中采用闭环串级控制方式。

系统原理及方框图

温度串级控制系统。

副调节器QC2根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，这样就可以在加热蒸汽压力波动的情况下，仍能保持蒸汽流量稳定。

但副调节器QC2的给定值则受主调节器θC1的控制，后者根据温度θ改变蒸汽流量给定值Qr，从而保证在发生进料方面的扰动的情况下仍能保持温度θ满足要求。

用这个方法以非常有效地克服蒸汽压力波动对于温度θ的影响，因为流量自稳定系统的动作很快，蒸汽压力变化所引起的流量波动在2至3s以内就消除了，而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度θ的影响是很微小的。

图为系统原理图。

图串级温度控制

串级控制系统方框图如图所示，它有俩个闭环系统：

副环是流量自稳定系统，主环是温度控制系统。

给定温度设定值，将温度传感器的值与设定值相比较，把偏差值送入主PID调节器，流量测量的值反馈到副PID调节器，只要主副PID参数设置的合理，就能够使系统达到稳定。

图串级控制系统方框图

仪表选型

检测元件

本系统检测元件选择铠装热电偶，铠装热电偶具有热响应时间小，可弯曲安装使用，测量范围大，机械强度高，耐压性能好等特点，图为实物图。

铠装热电偶主要技术参数：

1）精度等级：

I级或II级

2）公称直径：

Φ1

3）弯曲直径：

R≥5D

4）公称压力：

常压

测量500℃以上的高温，它可以直接测量各种生产过程中从0℃~800℃范围内的液体、蒸汽和其气体介质以及固体表面的温度，铠装热电偶响应时间T=（秒）。

图铠装电偶实物图

变送器

本系统的变送器用于温度的变送和流量的变送，其中的温度变送器，较为常用的有模拟式温度变送器，一体化温度变送器以及智能式温度变送器三种。

本系统采用智能式温度变送器中的OHR-M2型热电偶温度变送器，还可以与检测元件热电偶相匹配。

将温度信号线性转换为统一标准信号。

本系统选择OHR-M2热电偶温度变送器，接线端子图为图。

蒸汽流量变送器采用DN-15型涡街流量计，涡街流量计采用压电应力式传感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。

有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，是一种比较先进、理想的测量仪器，其接线端子图为。

温度变送器主要技术参数如表，流量变送器主要技术参数如表所示。

表温度变送器主要技术参数

输出信号

4-20mA、0-20mA、0-10mA、1-5V、0-5V、0-10V

电源

DC20-32V

功耗

一进一出功耗：

≤1W；一进二出、二进二出功耗；≤

工作温度

-10-50℃

相对湿度

25％-85％RH

保存温度

-10-60℃

温度漂移

％FS/℃

最小分辨率

℃

安装方式

35mmDIN导轨安装

表涡街流量计主要参数

公称通径（mm）

15、20、25、40、50、65、80、100、125、150、200、250、300

公称压力（MPa）

DN15-DN200,DN250-DN300

介质温度（℃）

压电式：

40-150，40-260，40-330；电容式：

40-400，40-500

本体材料

1Cr18Ni9Ti

允许振动加速度

压电式：

电容式：

准确度

±1％R,±％R;

范围度

1：

6-1：

30

供电电压

传感器：

DC+12V,DC+24V;变送器：

DC+12V,DC+24V

输出信号

电流：

4-20mA

环境条件

温度-20℃-55℃，相对湿度5％-90％，大气压力86-106kPA

适用介质

气体、液体、蒸汽

图涡街流量计接线端子

图温度变送器接线端子图

调节器

调节器是自动控制系统的核心仪表，它的基本功能是将来自变送器的测量信号与给定信号相比较，并对由此产生的偏差进行比例、积分或微分处理后，输出调节信号控制执行器的动作，以实现对不同被测或被控参数如温度、压力、流量或者液位等的自动调节作用。

本系统被测参数为温度，需要用到两个调节器，具体型号为DDZ-III型CWP-C805智能PID调节器。

调节器接线端子图如图。

主要技术参数如表。

图PID调节器接线端子图

表PID调节器主要技术参数

测量超限显示

“1----”或“-1---”

测量精度

3次/秒（25°C）％FS≤150PPM

隔离耐压

DC500V

连续模拟量

（25°C）％≤250Ω.VRL≥500K0-10MA4-20MA0-20MA

变送器配电电压

DC22V-28V（短路最大电流小于等于35MA）

SSR触发电平电压

恒流20MA输出（最大电压DC8V-14V）

继电器触点容量

AC220V/3A

继电器触点寿命

100000次

工作环境

温度0-50°C相对湿度≤85％RH

工作电源

（5W）AC220V50HZ

执行器

本系统选用SDV-05型电动执行器。

DKZ型直行程电动执行机构是DDZ型电动单元组合仪表中的执行单元，它接受调节单元（或计算机）信号，自动地操纵执行机构完成调节任务，广泛地用于电站、化工、石油、冶金、建材、供热、轻工、水处理等行业。

它可以输出力和直线位移。

SDV系列电动执行器中采用了先进的智能数字技术和高度集成的模块化、机电一体化设计，可直接接收计算机或仪表等输出的4～20mADC或1～5VDC标准信号，实现对电动阀门的智能控制和精确定位，图为执行器接线端子图。

执行器主要技术参数如表所示：

图执行器接线端子图

表执行器技术参数

项目机型

SDV-05

电源

AC24/110/220/380V，DC24/220V

输出力矩

动作范围

0-90°±5°

工作时间

20秒

保护装置

过热保护

环境温度

-30℃～+60℃

额定电流

绝缘电阻

100MΩ/DC500V

耐压值

AC1500V60秒

手动操作

附带手柄操作

限位

电气，机械二重限位

防水性

相当于IP67

安装角度

可任意角度安装

位置测量

可选装开关或电位计

4.系统仿真分析

在MATLAB中进行仿真，Step代表给定一次温度，Gain1与TransferFcn2分别代表流量变送跟温度变送，经过多次调节主、副PID调节器参数，使输出响应趋于稳定，TransferFcn代表调节阀，TransferFcn1代表蒸汽管路系统。

主调节器PIDController1采用PID控制，副调节器PIDController采用PI控制，图为仿真图。

对于蒸汽流量对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为式和式：

（TransferFcn）

（Gain1）（）

其中K2=，T2=90，Kd2=10。

对于提馏段温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为式和式：

（TransferFcn1）（）

（TransferFcn2）（）

其中Kp1=10，Tp1=-120，Tp2=-300，Kd1=1，Td1=60。

图MATLAB仿真图

在调整参数初期，系统出现了振荡，从图中可看出响应曲线大约呈：

1衰减振荡，由响应曲线不难看出，系统响应速度比较快，但超调过大，超调约为50%，系统的稳定性较差，振荡幅度大。

最后，需要对主控制器参数进行反复调整，经过反复试验和查阅相关书籍以及网上资料后，得出一套能使系统输出响应较符合预期的参数。

P1、I1、D1表示主调节器参数，P2、D2、I2表示副调节器参数，N1、N2为调节器默认数值，具体参数如表。

图为初期实验阶段响应曲线，图为符合预期的输出响应曲线。

表主副PID调节器参数对比

出现振荡时数值

符合要求时数值

P1

I1

D1

40

91

N1

100

100

P2

90

60

I2

120

100

D2

0

0

N2

100

100

图初期实验阶段响应

图符合预期的输出响应

5.控制系统仪表配接图及说明

配接图见附图所示。

温度变送器OHR-M2的9、10脚接K型热电偶，7、8脚接20V-32V电源，3、4脚分别接到主调节器的3、5脚。

涡街流量计1、2脚接到副调节器的3、5脚，执行器输入端接到副调节器的7、8脚。

主调节器的7、8输出脚接到副调节器的1、3脚。

主副调节器15、16脚接220V电源,执行器N、L脚接220V电源。

6.仪表型号清单

表仪表清单

编号

名称

个数

型号

1

温度变送器

1

OHR-M2型

2

热电偶

1

K型

3

涡街流量计

1

DN-15

4

DDZ-III调节器

2

CWP-C805

5

电子式电动执器

1

SDV-05型

7.总结

本次课程设计所做的题目是精馏塔提馏段的温度控制系统，最终选定串级控制，对它进行控制系统设计。

在本次课程设计中，先分析了单回路的优缺点，后来确定了温度串级控制系统的流程图，然后根据自己的理解又加了些自己的东西，虽然调整PID参数时花费时间较长，但是通过查找各种资料数据最后还是解决了问题。

通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。

我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。

与此同时，在团队的协作中使我在与人共事之中学会交流学会合作。

参考文献

[1]黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京：

清华大学出版社，2011

[2]周泽魁.控制仪表与计算机控制装置[M].北京：

化学工业出版社，2002

[3]张毅，张宝芬，曹丽等.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京：

化学工业

出版社，2012

[4]薛定宇.控制系统计算机辅助设计---MATLAB语言与应用[M].北京：

清华大

学出版社，2012

[5]胡寿松.自动控制原理[M].北京：

科学出版社，

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