基于DCS的精馏塔工艺流程.docx

1、基于DCS的精馏塔工艺流程 第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义 随着现代化工的飞速发展，生产规模的不断扩大，工艺过程越趋复杂，对工艺流程前后工序相互关联紧密，充分利用能源等提出的要求，DCS控制系统已发展为过程控制的主流。它在工业过程控制领域发挥了越来越重要的作用，广发应用于各种行业的生产过程中。生产设备自动化程度的提高有利于降低工厂生产成本，促进生产线的柔性化和集成化，有利于提高产品的质量，产量以及产品的竞争力。从某种意义上说，DCS控制技术为我们创造了不可忽视的经济效益和社会效益。 精馏塔作为石油化工生产过程的一个十分重要的环节，对其实现科学的控制直接决定着产品的质量、产量和能耗。这

2、也是工业自动化领域里的一个长期的研究课题。1.2本课题的主要研究内容本课题的主要内容是根据精馏塔的工艺流程，控制系统要求等，分析影响精馏塔控制的主要参数，提出合理的控制方案并绘出其相应的控制流程图，最后，应用JX-300XP DCS控制系统实现精馏塔的过程监视，数据收集，数据处理，数据存储，报警和登陆，过程控制等功能。第二章工艺过程分析2.1精馏系统工艺过程分析2.1.1工艺流程简介 本设计流程是利用精馏方法，在精馏塔中将乙醇从塔釜混合物中分离出来。精馏是将液体混合物部分气化，利用其中各组分相对挥发度的不同，通过液相和气相间的质量传递来实现对混合物的分离。本装置中将由于乙醇的沸点较低，易挥发，

3、故采用加热精馏，经气化的乙醇蒸汽经冷凝，可得到较高纯度的乙醇。 原料（乙醇和水及少量杂的混合物）经进料管由精馏塔进料板处流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分气化返回塔内。气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸汽凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。另一部分凝液作为回流返回塔顶。回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔顶的上升蒸汽多次逆向接触和分离。当流至塔底时，被再沸器加热部分气化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。2.1.2工艺过程分析 精馏塔的操作是从物料平衡，热量平衡，相平衡及精馏塔的性能等几个

4、方面考虑的，通过控制系统建立并调节塔的操作条件，使精馏塔满足分离要求。 精馏塔操作控制的典型参数中，有六个流量参数：进料量，塔顶和塔釜产品流量，冷凝量，蒸发量和回流量。此外，还有压力，塔釜液位，回流罐液位，塔顶产品组成和塔釜产品组成等参数。 压力和液位控制是为了建立稳定操作条件。液位恒定阻止了液位积累，压力恒定阻止了气体积累。对于一个连续系统，若不组织积累就不可能取得稳定操作，也就不可能稳定。压力是精馏塔操作的主要控制参数，压力除影响气体积累外，还影响冷凝，蒸发，温度，组成，相对挥发度等塔内发生的几乎所有过程。 产品组成控制可以直接使用产品组成测定值，也可以采用代表产品组成的物性，如密度，蒸汽

5、压，最常用的是采用灵敏点温度。1.压力控制 精馏塔对压力的平衡要求很严格。一旦压力大幅度波动，塔釜液位，回流液位紧跟着波动，进而影响物料平衡，热量平衡，相平衡三大平衡，从而使整个操作系统处于不平稳状态，影响到产品质量及产量。例如从提高产品质量来说，压力越高，沸点越接近，气液两相越难分离，显然降低压力可以提高产品质量。但降低操作压力是以增加冷却介质的用量或降低冷却介质温度为前提的，因此降低操作压力是有限的。由此可见，压力控制对精馏塔的操控有主导作用。 一般情况下，冷却介质，加热介质的温度，压力，流量都会影响到压力的平稳，因此可以根据控制要求选择其中之一作为操纵变量来控制精馏塔的操作压力。2.液位

6、控制 （1）塔釜液位控制：塔釜液位既不能空也不能满，塔釜液位满，容易淹住返塔口，造成热虹吸效果差，影响重沸器换热效果。塔釜液位空，易造成重沸器内液位液化气蒸干，蒸干后，再有液化气下到重沸器，马上急剧气化，冲塔造成整个塔的操作全部混乱。塔釜液化气主要受塔釜产品产出量，塔压力，塔釜温度等影响，可根据造成塔釜液位变化的原因进行调节。一般塔釜液位用塔釜产品产出量进行控制。 （2）回流罐液位控制：回流罐液位既不能满也不能空。回流罐空，造成回流泵抽空停泵，则全塔停工。回流罐满，造成塔内气相介质无法冷却使得塔内压力急剧上升，易造成安全阀起跳或全塔操作混乱。影响回流罐液位的因素有塔顶产品产出量，压力，釜温，顶

7、温，回流量等。一般回流罐液位用釜温或塔顶产品产出量控制。3.流量控制精馏塔操作控制中有六个流量参数：进料量，塔顶和塔釜产品流量，冷凝量，蒸发量和回流量。而流量的波动又会影响压力的平稳，所以精馏塔的流量控制是必不可少的。但是，并不是说所有的流量都要控制，不同的控制方案选择的控制流量参数也不同，精馏塔的控制一般包括物料平衡控制方案和热量平衡控制方案，可以根据所选择的控制方案来选择需要控制的流量参数。4.温度控制 温度控制是最常用的产品组成控制手段。温度控制的前提是控制温度能正确反应其组成的变化。若温度控制不能与组成很好关联，或对组成变化反应不灵敏，则温度控制将失去作用，因此，一般采用提馏段灵敏板温

8、度作为主要参数，以实现对塔的间接分离质量控制。第三章 DCS系统选型3.1 DCS系统概述70年代，大规模集成电路问世，微处理器（MICROPROCESSOR-u P）的诞生，控制技术，显示技术，计算机技术，通信技术（即所谓的4C技术）等的进一步发展，人们为继承常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，进一步提高控制系统安全性和可靠性，降低成本，开发研制以微处理器为基础的新型控制系统-分散控制系统分散型综合控制系统（Distributed Control System，简称DCS）又称为集散控制系统，它综合了计算机技术，控制技术，通信技术和显示技术，使控制系统结构进入了一个新阶段。DCS系统以其灵活

9、，模块化结构，安全，可靠，危险分散，功能齐全以及对大规模系统经济性好等特点成为当代自动化控制的主流系统。3.2 DCS系统的结构与特点3.2.1 DCS系统的基本组成 集散控制系统的产品众多，但从系统的结构分析，都是由三部分组成，即分散过程控制装置部分，操作管理装置部分以及通信系统部分组成。 （1） 分散过程控制装置部分 它的主要功能是分散的过程控制，是系统与过程的接口。其结构特征: 需适应恶劣的工业生产过程环境 分散过程控制装置的一部分设备需安装在现场所处的环境差，因此，要求分散过程控制装置能适应环境的温度，湿度变化；适应电网电压波动的变化；适应工业环境中兽王电磁干扰的影响；适应环境介质的影

10、响。 分散控制 分散过程控制装置体现了控制分散的系统构成。它把区域分散的过程控制装置用分散的控制实现。它把监视和控制分离，把危险分散，使得系统的可靠性提高。 实时性 分散过程控制装置直接与过程进行联系，为能准确反映过程参数的变化，它应具有实时性强的特点。从装置来看，它要有快的时钟频率，足够的字长。从软件来看，运算的程序应精炼，实时和多任务作业。 独立性 相对于集散控制系统，分散过程装置具有较强的独立性。在上一级设备出现故障或与上一级的通信失败的情况下，它还能正常运行，从而也使过程控制和操作得以进行。因此，对它的可靠性要求也相对更高。 目前的分散过程控制装置部分由回路控制器、多功能控制器、可编程

11、序逻辑控制器及数据采集装置等组成。它相当于现场控制级和过程控制装置级，实现与过程的连接。3.2.2 DCS系统的特点 常规模拟仪表组成的过程控制系统与集中式计算机过程控制系统都有其固有的局限性。而DCS系统在工业控制上具有上述两种系统所无法比拟的优越性。（1）控制功能完善。集散控制系统的控制单元具有连续、离散、批量控制等高级功能，可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制及逻辑控制；可以实现监控、显示、打印、报警、历史数据存储等日常全部操作。（2）系统扩展灵活。集散系统多采用模块式结构，可以灵活地组建单回路、多回路、大、中、小等各类系统。由于系统采用局域网络，系统的扩展变得异常方便，

12、局域网节点可以灵活地接入各种单元或其他网络。（3）完善的人-机联系和集中监控功能。CRT屏幕可将整个工厂的生产状况，单元的数据及时、准确的展现在操作者面前；同时，CRT操作站还能够适应现代管理中对画面和报表的各种要求，从而实现真正的集中操作和管理。（4）安全可靠性高。由于采用了多微机分散控制结构，危险分散，系统中关键设备采用双重或多重冗余设有自动备用系统和完善的自诊断功能；现场信号的采集采用分布式，采集的信号经智能前端处理成数据信号，抗干扰的能力增强。（5）安装调试简单。集散系统各单元安装在标准机框内，模件之间采用多芯电缆，标准化接插件相连；现场与控制室之间只需1-2根屏蔽电缆进行数据通讯，布

13、线量大大减少。系统采用专业软件调试，安装调试时间仅为常规仪表的一半。（6）具有良好的性能价格比。鉴于上述优良的性能及布线、安装、调试费用等的大幅度下降，DCS系统规模越大，平均每个回路的投资越省。3.2.3 DCS系统的传输媒介 网络传输介质主要有轴电缆、双纹线、光纤以及射频等。同轴电缆带宽较高，传输距离可达几公里。同轴电缆目前主要应用在环形和总线型网络中，其成本中等。双纹线近年来在桌面接入系统中得到了广泛的应用，尤其是在星型网络中。光纤损耗低，传输距离远，通信容量大，而且光纤抗电磁干扰能力强。应该说，光纤是工业控制通信网络的一个重要的发展趋势。选择什么样的传输介质往往跟网络的拓扑关系有关，例

14、如星型结构通常选用双绞线，这取决于节点的能力、节点之间的距离及环境因素等。环形拓扑结构可以采用任何传输介质，取决于网络技术要求。对于总线型拓扑结构，一般采用双纹线和同轴电缆，而不选用光纤。 有线方式在应用范围、组网灵活性等方面都存在着一定的不足。相反，采用无线射频的方式则可以超越地域上的限制，大大提高系统实现上的灵活性。因此，近年来，无线DCS越来越受到人们的重视。3.2.4 DCS通讯网络1.实时性要求 与普通局域网不同，工业LAN对实时性要求比较高。一般是通过牺牲信道利用率来保证通信的实时性。为了保证DCS通信网络的实时性，一般采取以下几种措施。（1）限定通信网络上每一个取得通信权的时间上

15、限值，从而避免某些站长时间的占用通信资源而破坏其他站的实时性。（2）保证在某一固定周期内，通信网的各站均有机会取得通信权，以防个别站长时间得不到通信权而使其实时性降低。这一固定周期越短，则网络的整体实时性越高。（3）既可以采取静态方式赋予某些站较高的优先权，也可以采取动态的方式临时赋予某此通信任务以较高的优先权，以满足各个站对实时性的不同要求。（4）应该力求使通信协议简单。OSI标准协议共有七层，层数的增多会使有效传输率降低而影响实时性。因此，工业LAN采用的通信协议一般应该分层少且使用简化与压缩型通信协议。MAP（Manufacture Automation Protocol）协议为了适应高

16、实时性要求，在协议中专构建立； 支持压缩型协议的Mini MAP系统，可使实时性提高3到5倍。 另外，提高通信速率也可以提高实时性。因此应采取优良的通信介质，如光导纤维等。2.通信网络协议标准及其开放性 DCS系统通信网络基本上是基于IEEES02局域网通信协议标准的。在DCS网络中主要使用或所关联的是3种通信协议网络，即：IEEE802.3.IEEE02.4以及IEEE802.5a。 目前，IEEE802已被国际标准化组织推荐为局域网国际标准，并定名为ISODP8802/X，但在实际的应用中，各DCS厂家仍然采用不同的802通讯标准和不同的操作系统，实际上并没有真正的开放。美国General

17、 Motons 公司以ISO7层模式为依据，从制造业自动化局部区域网络的角度提出了MAP规程，得到了工业控制领域的认可。 MAP协议基于IEEE802标准，其逻辑链路子层与802.2标准中的非应答无连接服务基本符合。而介质访问控制子层与802.4基本一致，故MAP协议也具备令牌总线的优点。MAP代表着工业控制系统网络通讯结构的发展方向。目前，各主要DCS系统正在向MAP协议靠拢，以便真正走向开放，融合。3.2.5 JX-300XP系统简介1.JX300XP系统概述浙大中控推出的全数字化的新一代集散控制系统JX300XP，大限度的满足应用需求的原则，应用了最新的信号处理技术、高速网络通信技术、可

18、靠地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JX300X的功能和性能，使其兼具了高速可靠的数据输入、输出、运算、过程控制功能和PLC连锁逻辑控制功能，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、功能完善的新型开放式集散控制系统。 JX-300XP D由操作站、控制站、过程控制网络等组成。 工程师站是为专业工程技术人员设计的， 内装有相应的组态平台和系统维护工具。通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制等。而使用系统的维护工具软件实现过程控制

19、网络调试、故障诊断、信号调校等。操作站是由工业 PC 机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的环境。高性能工控机、卓越的流程图机能、多 窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、 集中操作和集中管理。控制站直接与现场打交道的 I/O 处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。控制站可冗余配置，灵活、合理。在同一系统中，任何信号均可按冗余或不冗余连接，详见卡件描述。对于系统中重要的公用部件，建议采用100%冗余，如主控制卡、数据转发卡和电源箱。 过程控制网络实现工程师站、操作站、控制站的连接，完成信息、控制命令等传输，双重化冗余设计，使得信息传

20、输安全、高速。2.JX300XP DCS系统的整体结构JX300XP DCS采用三层通信网络结构。如下图3-1所示：图3-1 JX300XP 系统结构图最上层为信息管理网，采用符合TCP/IP协议的以太网，连接了各个控制装置的网桥以及企业内各类管理计算机，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。中间层为过程控制网，采用了双高速冗余工业以太网Scnet作为其过程控制网络，连接操作站、工程师站与控制站等，传输各种实时信息。底层网络为控制站内部网络SBUS，采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。3.系统主要性能指标 系统规模 过程控制网络

21、 SCnet 连接系统的工程师站、 操作站和控制站， 完成站与站之间数据交换。SCnet 可以接多个 SCnet 子网，形成一种组合结构。每个 SCnet 网理论上最多可带 1024 个节点，最远可达 10,000 米。目前已实现的 1 个控制区域包括 15个控制站、32 个操作站或工程师站，总容量 15360 点。 控制站规模 JX-300X DCS 控制站内部以机笼为单位。机笼固定在机柜的多层机架上，每只机柜最多配置 7 只机笼：1 只电源箱机笼和 6 只卡件机笼（可配置控制站各类卡件）。 卡件机笼根据内部所插卡件的型号分为两类：主控制机笼（配置主控制卡）和 I/O机笼（不配置主控制卡）。

22、每类机笼最多可以配置 20 块卡件，即除了最多配置互为冗余的主控制卡和数据转发卡各一对外，还可以配置 16 块各类 I/O 卡件。4.可靠性 控制站通过 SBUS 网络构成了一种更分散的控制结构，提高了系统的可靠性。 系统的每一块卡件均带有专用的微处理器，负责该卡件的控制、检测、运算、 处理及故障诊断等，提高了每块卡件的自洽性，使系统的可靠性和安全性成倍上升。 系统的模拟量输入（AI）卡件采用了智能调理和先进的信号前端处理技术，由卡件上的微处理器控制，将信号调理和 A/D 转换合二为一，使每块模拟量输入卡具有信号智能调理和处理的能力，提高了 I/O 卡件的可靠性、独立性，同时也有助于功能扩展。

23、 机笼内部采用板级热冗余技术，卡件可根据需要实现 11 热备份：当任一设置为冗余方式的工作卡件发生故障时，备用卡件即迅速自动切换，整个系统仍按原进程工作，不影响整个系统的工作状态。用户可以根据需要，对 I/O 卡选择全冗余、部分冗余或不冗余。系统通过软、硬件措施，确保冗余 I/O 卡之间满足输入 / 输出相容性原则。信号全部采用磁隔离或光电隔离技术，将干扰拒之于系统之外。通道之间的隔离消除了信号之间的串模干扰影响，提高了信号处理的可靠性。为抑制交流电源噪声干扰系统正常工作，安装了电源低通滤波器，并采用带屏蔽层的变压器，使控制站与其他的供电电路相隔离。同时在布线和接地方面逻辑电路、模拟电路的布线

24、尽量分开，直流供电备有良好的退耦电路。所有智能卡件通过先进的硬件设计和周密的软件配合，都实现了带电插拔的功能，以满足系统在运行过程中的维修需要。7.JX300XP DCS系统设计DCS系统是硬件、系统软件和应用软件三部分的有机结合体。所以DCS系统的设计内容主要包括硬件设计和应用软件的设计。JX300XP DCS系统的硬件设计包括：通信系统：通信系统是选择DCS系统的关键环节之一。随着计算机网络通信技术的发展和市场的需求，大多数DCS系统都以开放系统为标准来设计其通信系统。人机接口：人机接口是DCS系统的操作站部分。接口单元：这里的接口单元是指DCS系统与本系统之外产品的接口单元。主要有DCS

25、系统与上位计算机的接口，与气相工业色谱的接口及与可编程控制器的接口。（1）控制站硬件 控制站是系统中直接与现场打交道的I/O处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。通过软件设置和硬件的不同配置可构成不同功能的控制结构，如过程控制站、逻辑控制站、数据采集站。控制站主要有机柜、机笼、供电单元和各类卡件（包括主控制卡、数据转发卡和各种信号输入/输出）组成，其核心是主控制卡。主控制卡通常插在过程控制站最上部机笼内，通过系统内高速数据网络扩充各种更能，实现现场信号的输入输出，同时完成过程控制中的数据采集、回路控制、顺序控制以及包括优化控制等各种控制算法。 JX300XP DCS控制站以机笼为单位。机笼

26、固定在机柜的多层机架上，每只机柜最多配置7只机笼：1只电源箱机笼和6只卡件机笼（可配置控制站类卡件）。卡件机笼根据内部所插卡件的型号分为两类：主控制机笼和I/O机笼。每类机笼最多可以配置20块卡件，即除了最多配置互为冗余的主控制卡和数据转发卡各一对外，还可以配置16块各类I/O卡件。 主控制卡必须插在机笼最左端的两个槽位。在一个控制站内，主控制卡通过SBUS网络可以挂接8个I/O或远程I/O单元（即8个机笼）。主控制卡是控制站的核心，可以冗余配置，保证实时过程控制的完整性。主控制卡的高度模块化结构，用简单的配置方法实现复杂的过程控制。（2）操作站硬件 JX300XP DCS操作站的硬件基本组成

27、包括：工控PC机（IPC）、彩色显示器、鼠标、Scnet网卡、专用操作员键盘、操作台、打印机等。JX300XP DCS的工程师站的硬件配置与操作站的硬件配置基本一致，无特殊要求，而他们的区别在于系统软件的配置不同，工程师站除了安装有操作、监视等基本功能的软件外，还装有相应的系统组态、维护等工程师站应用的工具软件。（3）通信网络 JX300XP DCS的通信网络分三层：第一层网络是信息管理网；第二层网络是过程控制网，称为Scnet；第三层网络是控制站内部I/O控制总线，称为SBUS。JX300XP DCS系统网络结构如下图3-2所示。图3-2 JX300XP DCS 系统网络结构示意图8.JX3

28、00XP DCS系统软件 用于给CS、OS、MFS进行组态的专用软件，包括：SCKey（系统组态）、SCDiagnose（系统诊断）、SCControl（图形化组态）等工具软件包，称之为组态软件包。用于过程实时监视、操作、记录、打印、事故报警等功能的人机接口软件成为实时监控软件AdvanTrol。 JX300XP系统组态软件包包括基本组态软件SCKey、流程图制作软件SCDraw、报表制作软件SCForm；用于控制站编程的程序语言SCLang、图形化组态软件SCControl等。各功能软件之间通过对象链接与嵌入技术，动态的实现模块间各种数据、信息通讯、控制管理。该软件包以SCKey系统组态软件

29、为核心，各模块彼此配合相互协调，共同构成了一个全面支持JX300XP系统结构及功能组态的软件平台。系统组态软件包在系统的工程师站上运行，在未设工程师站的系统中亦可在操作站上运行。几种组态软件的功能介绍：（1）基本组态软件SCKey 系统基本组态指完成对系统硬件构成的软件设置，如设置系统网络节点、冗余状况、控制周期；I/O卡件的数量、地址、冗余状况、类型；设置每个I/O点的类型、处理方法、报警选项和其他特殊的设置；选择控制方案；定义操作画面。（2）报表制作软件 JX300XP系统中的自动报表系统分为组态和实时运行两部分。其中，报表制作部分在SCForm报表制作软件中实现，实时运行部分与Advan

30、Trol监控软件集成在一起。（3）流程图制作软件 流程图制作软件SCDraw是基于Windows NT操作系统设计开发的全中文界面的绘图工具软件，具有良好的用户界面。流程图制作软件绘图功能齐全，支持多种编辑功能并提供标准图形库，可满足大多数用户的需求。该软件还支持在画面的基础上的各类动态参数的直接数据组态，这些动态参数在实时监控软件的流程图画面中可以进行实时观察和操作。3.2.6测控仪表选型 在工业生产过程中，为了正确指导生产操作、保证生产安全运行、提高产品质量和实现生产过程自动化，一项必不可少的工作是准确而及时地检测出生产过程中的各个参数，例如压力、流量、物位及温度等。用来检测这些参数的技术

31、工具称为检测仪表。用来将这些残顺转化为一定的便于传送的信号的仪表通常称为传感器。当传感器的输出单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。在生产过程中需要测量的参数是多种多样的，相应的测量方法及仪表的结构原理也各不同，但从测量过程的结构原理也各不相同，但从测量过程的实质来看，都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。各测量仪表不论采用哪一种原理，它们都是将被测参数经一次或多次信号能量转换最后获得一种测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。 本小结主要介绍有关压力、流量、温度、液位的检测方法、检测仪表及相应的传感器和变送器。1.压力变送器

32、BPK-ZK智能型压力变送器仪表性能： 测量、显示、控制一体化，安装使用方便。零位、量程可用电位器调整。模拟输出多种标准形式供用户选择多点继电器输出接口，易于控制。是指针式电接点压力表的理想替代品。2.流量传感器概述：LUGB系列漩涡流量传感器是采用国际先进技术而推出的新型流量传感器，它具有测量范围广、压损小、性能稳定、安全可靠、准确度高和安装使用方便等优点特别是解决了耐高温、抗振动等关键性问题。广泛应用于过热蒸汽、饱和蒸汽、压缩气体和一般气体，以及各种液体的质量流量和体积流量的测量。3.液位测量仪表（1）概述：FGA系列磁浮子液位计，利用浮力和磁耦合原理，将液位的准确性地传递到指示器上，清晰地指示出液位的高度。指示器和贮罐是完全隔离的，因此绝对保证使用安全。该液位计还可以配备液位报警开关和液位远传变送器。液位报警开关可实现液位上