完整版基于S200PLC的精馏温度控制系统的2毕业设计论文Word文件下载.docx
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KEYWORDS:
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目 录
前 言1
第1章绪论2
1.1精馏塔的发展过程2
1.1.1精馏塔简介2
1.1.2精馏塔的发展过程2
1.2自动化技术在精馏塔控制系统中的应用。
5
1.2.1自动化技术概况5
1.2.2精馏过程的控制目标5
1.2.3精馏过程的基本自动控制7
1.3论文选题的目的和意义8
1.4论文的主要工作和技术线路9
1.4.1论文主要工作9
1.4.2论文技术路线10
第2章精馏温控系统工艺流程11
2.1精馏温控系统原理11
2.2温控系统的工艺流程14
第3章精馏系统的硬件设计16
3.1硬件配置16
3.1.1PLC的选择16
3.1.2热电偶19
3.1.3EM231模拟量输入模块20
3.2IO分配表和硬件连接图21
第4章温控系统软件设计23
4.1编程软件的功能及选用23
4.2PID控制算法描述26
4.3程序流程图及程序29
4.3.1程序流程图29
4.3.2程序31
第5章上位机监控系统设计35
5.1上位机监控软件设计35
结 论38
谢辞39
参考文献40
附 录42
外文资料翻译45
前 言
自从中国加入WTO后,中国市场包括石化市场日趋受到国外的严重冲击已是当今不争的事实,然而石化工业如何适应未来这种新的生产局面、参与市场竞争已经成为极为严重的问题,降低加工成本、提高经济效益、提高产品质量和开发高附加值的精细化工产品已成为当今中国石化工业面临的紧要工作。
而精馏系统又是石化工业的重中之重。
从精馏设备的历史发展来看,精馏技术与石油、化学加工工业的发展是相辅相成、相互刺激、共同进步的发展关系。
精馏技术的任何进步,都会极大刺激化学加工工业的技术发展,同样在石油、化学加工工业发展的每一个历史阶段都会对精馏设备技术提出更高的要求。
然而精馏塔温度控制系统更是精馏工艺的重要部分。
精馏塔温度控制系统主要由PLC控制程序和WINCC人机监控界面实现塔内温度的实时调节与监控。
在精馏塔产品的分馏过程中,温度是一个最为关键的控制量。
当塔底温度过高且塔顶温度过低时,过多的原料会以气体的形式蒸发反之,当塔底的温度过低时,则会成过多的釜残,导致物料损耗大。
国外精馏系统发展的相当先进。
国外新型板式塔的发展是将MD塔板的悬挂降液管技术移植到常规板式塔上,增加了塔板的鼓泡面积,提高了塔设备的处理能力。
在20世纪80年代初期,国外开发了一种超重力精馏分离传质机器一Higee。
这种超重力离心分离机具有极为优良的传质效率和处理能力特性。
目前,国内精馏塔设备的温度控制系统一般采用温控仪+继电器进行控制,虽具有价格优势,但在控制功能上受到许多限制,如精度差,超调量大以及无法实施综合控制与监控等,因此,很难满足生产的要求。
针对以上情况,开发了一种以西门子S7-200PLC为核心的精馏塔温度控制系统。
该控温系统具有控温精度高和硬件简单的特点。
第1章绪论
1.1精馏塔的发展过程
1.1.1精馏塔简介
精馏塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的的设备之一。
它可使气(或汽)液或液液两相之间进行紧密接触,达到相际传质及传热的目的。
可在塔设备中完成的常见的单元操作有:
精馏、吸收、解吸和萃取等。
此外,工业气体的冷却与回收气体的湿法净制和干燥,以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。
1.1.2精馏塔的发展过程
塔设备的广泛应用是伴随着十九世纪初期迅猛发展的炼油工业,并且随着炼油和石化企业的不断发展而成为主导的工业单元操作过程。
1.阶段I:
20~50年代:
1920年,有溢流的泡罩塔板开始应用于炼油工业,开创了一个新的炼油时代。
泡罩塔板对设计水平要求不高、对各类操作的适应能力强、对操作控制要求低等特性在当时被认为是无可替代的板型。
泡罩塔是1813年Cellier提出的,它在化工生产中一直占有重要的地位。
从1832年开始用于酿造工业,是出现较早并获得广泛应用的一种塔型。
工业规模的填料塔始于1881年的蒸馏操作中,1904年才用于炼油工业,当时的填料是碎砖瓦、小石块和管子缩节等。
20世纪初,随着炼油工业的发展和石油化学工业的兴起,塔设备开始被广泛采用,并逐渐积累了有关设计、制造、安装、操作等方面的数据和经验。
当时,炼油工业中多用泡罩塔,无机酸碱工业则以填料塔为主,则筛板塔因当时尚无精确的设计方法和操作经验,故未能广泛使用。
2.阶段II(50~70年代):
浮阀塔板的开发
FRI的成立系统化的设计方法,1955年Monsanto公司的Bolles发表了著名的“泡罩塔板设计手册”,首先提出了科学的、规范化塔板设计技术,该方法到目前为止仍然广泛流行。
大孔筛板的研究这批新型塔盘的出现,不仅为创建综合性能更好的塔型打开了思路,而且为接着发生的设备大型化后选择塔型指出了方向。
在此期间,许多学者总结了塔设备长期操作的经验,并对筛板塔作了系统研究,认为设计合理筛板塔,不仅保留了制造方便、用材省、处理能力大等优点,而且操作负荷在较大范围内变动时,仍能保持理想的效率。
近年来,随着对筛板塔研究工作的不断深入和设计方法的日趋完善,筛板塔已成为生产上最为广泛采用的塔型之一。
3.阶段III(70~90年代):
大型液体分布器的基础研究,使得填料塔的放大研究成功,在减压塔中应用获得极大的经济效益和社会效益。
计算机应用辅助馏塔放大效应的研究,计算塔板效率精馏过程设计。
新型高性能浮阀塔板的开发及应用。
从20世纪60年代起,由于化工机械制造业成功地解决了高压离心式压缩机的转动密封和高温高压废热锅炉的结构强度设计等技术关键,使化肥和石油化工的生产,在能量综合利用方面提高到一个新水平,继而带动了整个化学、炼油工业向大型化方向迅速发展。
据有关资料报道,炼油装置的年处理能力也达1000万吨,年产60~90万吨的乙烯工厂、60万吨的甲醇工厂、45万吨的氯乙烯工厂、34万吨的低密度聚乙烯工厂、31.5万吨的苯乙烯工厂以及22.5万吨的异丙苯工厂,也将相继兴建。
在大型装置中,塔设备的单台规模也随之增大。
直径在10m以上的板式塔时有出现(如某炼油厂的减压蒸馏塔塔径为12.2m,并在酝酿设计18m直径的塔),塔板数多达上百块,塔的高度达80余米,设备重量有几百吨(操作时的最大塔重可达1500吨);
填料塔的最大直径也有15m,塔高达100m。
近年来,由于出现了世界性的能源危机,暴露出设备大型化带来的不容忽视的问题:
大型设备必须保证在全负荷下长期连续运转,否则经济损失将是非常巨大的。
在此期间,为了满足设备大型化以及化工工艺方面提出的高压、减压、高操作弹性等特殊要求,又出现了很多新型塔盘,但按其结构特点,仍属泡罩、筛板、浮阀、舌型等几种典型塔型的改进或相互结合。
4.阶段IV(80末-至今):
新型高性能塔板的开发及工业应用塔板设计、开发更趋于科学化的方向
这一时期,新型填料也有了较多的发展。
属于颗粒型填料的有:
海佐涅尔(Hydronyl)填料、阶梯环(Cascademiniring)填料、多角螺旋填料、金属鞍环填料(Intaloxmetalpakcing)、比阿雷茨基环(Bialeckiring)、莱瓦填料(Levapak)以及它们的改进型式。
属于规整填料的有:
苏采尔填料(Sulzerpacking)、重叠式丝网波纹板填料、重叠式金属波形板填料、格利希栅格填料(Glitschgrid)、格子填料、拉伸金属板网填料、塑料蜂窝填料、Z形格子填料、Perform喷射式填料和脉冲填料(Impulsepacking)等。
同时,还创建了使小球浮动莱强化传质的湍球塔[1]。
我国塔设备技术的发展,经历了一个漫长的过程。
新中国成立以后,随着国民经济的发展,陆续建立了一批现代化的石油化工装置。
随着这些装置引进的新型塔设备,不仅在操作、使用这些设备方面提供了大量的第一手资料,还带动了塔设备的科研、设计工作,加速了这方面的技术开发。
目前,我国常用的板式塔型仍为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌形塔等,填料种类除拉西环、鲍尔环外,阶梯环以及波纹填料、金属丝网填料等规整填料也常采用。
近年来,参考国外塔设备技术的发展动向,加强了对筛板塔的科研工作,提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型。
对多降液管塔盘、导向筛板、网孔塔盘等,也都作了较多的研究,并推广应用于生产。
其他如大孔径筛板、双孔径筛板、穿流式可调开孔率筛板、浮阀-筛板复合塔盘,以及喷杯塔盘、角钢塔盘、旋流塔盘、喷旋塔盘、旋叶塔盘等多种塔型和金属鞍环填料的流体力学性能、传质性能和几何结构等方面的试验工作,也在进行,有些已取得了一定的成果或用于生产。
1.2.1自动化技术概况
自动化控制技术是综合运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术,对化学工业生产过程实现检测、控制、优化达到增加产量,提高质量、降低消耗、确保安全的一种综合性技术,现已成为衡量化学工业现代化水平的重要标志是之一。
精馏过程一个非常复杂的传质传热过程,其内在机理复杂,具有较长死时延滞、相互关联的多变量系统,动态特性分析复杂且困难,难以进行变量配对,约束条件复杂,工艺对控制质量提出的要求又较高,这些使其成为过程控制界多年来理论研究和实践的热点,所以自动化控制技术在精馏塔操作过程中的应用是极为重要的课题之一。
近20年来,有关精馏过程的自动化控制技术的研究热点大致包括:
开发和应用线性多变量控制技术、自适应控制、预测控制、推理控制和鲁棒控制算法,进行精馏塔自动控制系统设计;
将非线性控制技术应用于精馏塔的控制;
将神经网络、模糊控制等智能控制方法应用于精馏塔;
考虑精馏过程的节能设计,应用先进控制与优化策略实现精馏塔的节能优化运行。
此外,人们还开发出了一些专用或通用的商业化软件,应用于精馏塔的控制。
1.2.2精馏过程的控制目标
精馏过程的控制目标是在保证产品质量合格的前提下,保证总收益最大、成本最小,也就是使塔的回收率最高、能耗最低。
精馏过程是在一定约束条件下进行的,可从四个方面来衡量自动化控制技术的应用。
1.控制产品质量
精馏塔的产品质量,是指塔顶或塔釜产品的纯度要符合要求。
通常,满足一端的产品质量,即塔顶(或塔釜)产品达到规定纯度,而另一端产品的纯度维持在规定范围内即可。
但是,产品组分含量并非越纯越好,原因是纯度越高,对控制系统的控制精度要求就越高,操作成本的提高和产品的价格并不成比例增加,因此纯度要求应与使用要求适应。
为此,应当取塔顶或塔釜的产品质量作为被控变量,这样的控制系统称为质量控制系统,它需要能测出产品成分的分析仪表。
由于目前被测物料种类繁多,还不能相应地生产处多钟测量滞后小而又精确的分析仪表。
所以,质量控制系统目前并不多见,而是通过能间接控制质量的温度控制系统来代替。
2.控制精馏塔的物料平衡
控制精馏塔的物料平衡,就是为了保证塔的平稳操作,保证进出物料平衡,即塔顶、塔釜采出量应和进料量相平衡,而且两个采出量变化要缓慢,保证上下工序之间的协调工作。
为此,必须对冷凝液罐(回流罐)与塔釜液位进行控制,使其介于规定上、下限之间。
控制操作符合约束条件为了保证正常操作,满足稳定和安全运行,需规定某些参数的极限值作为约束条件。
常用的精馏过程的约束条件有以下几点:
(1)液泛限:
是指精馏过程中上升蒸汽速度的最大限。
当蒸汽上升速度过高时,造成雾沫夹带十分严重,出现液泛现象,破坏正常操作。
(2)漏液限:
是指精馏过程中上升蒸汽速度的最小限。
当上升蒸汽速度过低时,不能托起上层的液相,会造成漏液现象,精馏操作不能正常进行,塔板效率下降。
为了防止液泛现象和漏液现象,可以通过塔压降或者压力差来监视气相速度,一般控制气相速度在液泛附近略小于液泛点比较好。
通常在塔顶与塔釜间装有测量压差的仪表,有的还装有报警装置。
(3)压力限:
一般是指最大操作压力限。
就是说塔的操作压力不能过大,否则会影响塔内汽液平衡,容器的安全无法保证,严重越限时甚至会影响到安全生产。
(4)正常传热临界温度限:
主要是指再沸器两侧的温差限度,当这一温差高于临界温差时,给热系数会急剧下降,传热量也会随之下降,不能保证塔的正常传热需求。
同时,为了保证精馏过程中的需要,也要有合适的回流温度。
3.控制精馏塔平稳操作
为了保证塔的平稳操作,必须将进塔之前的主要可控干扰尽可能的克服,同时尽可能缓和一些不可控的主要干扰。
例如:
可设置进料的温度控制、加热剂和冷却剂的压力控制、进料量的均匀控制系统等。
控制塔内压力稳定,对精馏过程的平衡操作是十分必要的。
4.控制能耗和经济效益
石油化工的能耗约占全国工业总能耗的15%,而精馏过程的能耗要占整个石油化工行业总能耗的40%,因此,必须要做好精馏过程的节能。
精馏过程的能量消耗主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗,精馏塔和附属设备及管线也要散失一部分能量。
此外,精馏过程必须从经济效益来衡量,在保证产品质量的前提下,能量消耗尽可能要小,经济效益要尽可能的大[2]。
1.2.3精馏过程的基本自动控制
1.被控变量和操纵变量的配对选择
精馏过程有多个被控变量和多个操纵变量,合理选择它们的配对,能有效地减少系统的关联,并能使精馏塔的平稳操作。
被控变量和操纵变量配对选择有三条准则:
(1)当只需要控制塔的一端产品时,应选用物料平衡方式控制该端产品的质量。
(2)塔两端产品流量较小者,应作为操纵变量去控制塔的产品质量。
(3)当塔两端产品均需按质量控制时,一般对含纯产品较少、杂质较多的一端采用物料平衡方式控制其质量,对含纯产品较多、杂质较少的一端采用能量平衡方式控制其质量。
2.精馏过程的控制方案
(1)按产品成分或物性直接控制。
利用成分分析器,例如:
红外分析器、色谱仪、密度计、干点和闪点以及初馏点分析器等,分析出塔顶(或塔釜)的产品成分并作为被控变量,用回流量(或再沸器加热量)作为控制手段组成成分控制系统,可实现按产品成分的直接控制。
(2)按照温度间接控制。
由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物,在一定塔压下,温度与成分之间仍有较好的对应关系,误差较小。
因此,绝大多数精馏塔在当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。
精馏段和提馏段的温度控制以产品的质量为控制目标,根据温度检测点的位置不同,有塔顶(或塔釜)温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。
精馏段温度控制的操纵变量可选择回流量或塔顶采出量。
也可将塔釜采出量作为操纵变量。
采用塔顶温度作为被控变量,能够直接反映产品质量,但因邻近塔顶处塔板之间的温度差很小,该控制方案对温度检测装置提出较高要求,因此,采用塔顶温度控制塔顶产品质量的控制方案很少采用,主要用于石油产品按沸点的粗级切割馏分处理。
提馏段温度控制的操纵变量可选择再沸器加热蒸汽量或塔釜采出量。
也可将塔顶采出量作为操纵变量,但应用较少。
控制策略与精馏段温度控制类似。
(3)按照温差间接控制。
采用温差作为衡量质量指标的间接变量,是为了消除塔压波动对产品质量的影响。
精密精馏时,用温度作为被控变量就能很好地代表产品的成分,温度的变化可能是成分和压力两个变量都变化的结果。
可以在塔顶(或塔釜)附近的一块塔板上检测出该板温度,再在灵敏板上也检测出温度,由于压力波动对每块塔板的温度影响是基本相同的,只要将上述检测到的两个温度相减,压力的影响就消除了[3]。
1.3论文选题的目的和意义
精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。
它是依据精馏原理对液体进行分离,即在一定压力下,利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同,使轻组份(即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分)汽化。
经多次部分液相汽化和部分气相冷凝,使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高,从而实现分离的目的,满足化工连续化生产的需要。
精馏塔塔釜温度控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果,控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离,进一步得到高纯度产品的重要手段。
维持正常的塔釜温度,可以避免轻组分流失,提高物料的回收率,也可减少残余物料的污染作用。
影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰(如进料流量,温度及成分等的变化对温度的影响)。
一般情况下精馏塔塔釜的温度,我们是通过控制精馏塔釜内灵敏板的温度来控制的。
灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。
以往调节只是采用灵敏板温度调节器单一回路调节,调节反应慢,时间滞后,对精馏操作而言,产品的纯度很难保证。
精馏塔是一个多输入多输出的对象,它由很多级塔板组成,内在机理复杂,对控制要求又大多较高。
这些都给自动控制带来一定的困难。
同时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。
精馏塔的控制最终目标是:
在保证产品质量的前提下,使回收率最高,能耗最小,或使总收益最大。
在这个情况为了更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。
国外新型板式塔的发展是将MD塔板悬挂降液管技术移植到常规板式塔上,增加了塔板的鼓泡面积,提高了塔设备的处理能力。
这种超重力离心分离机具有极为优良的传质效率和处理
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