精馏塔塔釜温度控制系统的设计.docx
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精馏塔塔釜温度控制系统的设计
精馏塔塔釜温度控制系统的设计
本科生课程设计 辽宁工业大学 过程控制系统课程设计 题目:
精馏塔塔釜温度控制系统的设计 院:
电气工程学院 专业班级:
学 号:
学生姓名:
指导教师:
起止时间:
1 本科生课程设计 课程设计任务及评语 院:
电气工程学院 教研室:
自动化学号设计题目实现功能设计精馏塔塔釜温度控制系统精馏塔是石油化工生产过程中的主要装置,通过精馏操作可将多组分组成的混合物分离成较纯组分的产品。
精馏塔温度是保证分离纯度的重要指标,塔釜的部分产品经过再沸器回流到塔内,一方面保证精馏塔温度恒定,另一方面保证生产的连续性。
工艺要求学生姓名专业班级精馏塔塔釜温度控制系统的设计课程设计任务塔釜温度控制在800±℃。
在生产过程中蒸汽压力变化剧烈,而且幅度大,有时从突然下降到,压力变化了40%。
设计任务及要求1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图;2、选择传感器、变送器、控制器、执行器,给出具体型号和参数;3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式;4、仿真分析/实验测试分析;5、按规定的书写格式,撰写、打印设计说明书一份;设计说明书应在4000字以上。
技术参数测量范围:
0~1000℃;控制温度:
800±℃;最大偏差:
℃;1、布置任务,查阅资料,理解掌握系统的控制要求。
2、确定系统的控制方案,绘制工艺节点图、方框图。
工作计划3、选择传感器、变送器、控制器、执行器,给出具体型号。
4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。
5、MATLAB仿真分析或实验测试分析、答辩。
6、撰写、打印设计说明书 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 2 本科生课程设计 摘要 精馏是在石油、轻工、化工等生产过程中,需要将原料、中间产物或粗产品中的组成部分进行分离的最常用的方法,是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的传质过程,通过精馏过程,使混合物料中的各组分分离,分别达到规定的纯度。
分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同,使液相中的轻组分和汽相中的重组分相互转移,从而实现分离。
精馏装置精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。
精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程,内在机理较为复杂、动态响应迟缓、变量之间相互关联,不同的塔结构差别很大,而工艺对控制的要求又较高,所以确定精馏塔塔釜温度的控制方案是一个极为重要的课题。
此次设计就是要设计一个精馏塔塔釜温度的串级控制系统。
要求当物料进入精馏塔时,塔釜的温度可控并且温度恒定,保证生产的连续性。
关键词:
精馏;温度控制;PID 3 本科生课程设计 目录 第1章绪论..............................................1第2章控制方案的设计....................................2 设计要求......................................................2方案设计......................................................2塔釜温度的前馈控制........................................2塔釜温度的串级控制........................................3方案选择......................................................4 第3章系统各仪表选型....................................5 系统方框图.........................................................................................................5温度传感器的选择.............................................................................................5执行器的选择.....................................................................................................5调节器的选择.....................................................................................................6控制器的正反作用选择.....................................................................................6调节器与执行器、传感器的选型.....................................................................6 第4章系统仿真..........................................7第5章课程设计总结.....................................10
本科生课程设计 第2章控制方案的设计 设计要求 1.塔釜温度控制在800±℃; 2.生产过程中蒸汽压力变化剧烈,而且幅度大,要保证精馏塔正常工作;3.塔釜及相关期间要经济实用。
方案设计 精馏塔的干扰因素:
1.2.3.4.5. 进料量波动的影响;进料成分波动的影响;进料温度波动的影响;蒸汽压力波动的影响;回流量和冷剂量波动的影响。
精馏塔的扰动如图:
图系统扰动 根据扰动的分析,系统设计方案主要考虑前馈和串级两种控制方案。
塔釜温度的前馈控制 首先介绍什么叫静态前馈控制,即静态前馈控制的原理。
所谓静态前馈控制原理就是指前馈控制器的输出信号仅仅随着输入信号d大小的函数,而与时间因子t无关。
因此,前馈控制作用可以简化为:
2 本科生课程设计 Mf=f(d) 通常将上式的关系近似的表示为线性关系,则前馈控制器就仅仅参考器静态放大系数作为矫正的依据,即:
Wt(s)=-kf=-kd/ko 式中,kd,ko分别为干扰通道和控制通道的放大系数,一般来说kf可以用实验方法来获得,如果有条件列写对象有关参数的静态方程,则可以通过计算来确定。
在精馏塔塔釜的温度控制中,扰动可以测量但是不好控制,并且干扰幅度较大。
蒸汽压力的变化是塔釜温度的主要干扰量,控制对象则是塔釜的温度。
塔釜温度前馈控制的系统框图如下:
扰动设定值被控变量调节器执行器控制对象变送器 图塔釜温度前馈控制 塔釜温度的串级控制 串级控制系统就是两只调节器串联起来工作,其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
整个系统包括两个控制回路,主回路和副回路。
副回路副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动:
作用在主被控过程上的,而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动:
作用在副被控过程上的,即包括在副回路范围内的扰动。
为了提高精馏效率和保证产品纯度,我们采用灵敏板温度调节器与再沸器加热蒸汽流量调节器串级控制系统来对灵敏板温度进行控制。
其中灵敏板温度调节器是主调节器,再沸器加热蒸汽流量调节器是副调节器。
3 本科生课程设计 塔釜温度串级控制示意图如图:
图塔釜温度串级控制示意图 TTTCPCPT精馏塔通过实际改造和使用,串级调节与单回路控制相比较,串级控制有许多优点:
1、抗干扰性强。
于主回路的存在,进入副回路的干扰影响大为减小。
同时,于串级控制系统增加了一个副回路,具有主、副两个调节器,大大提高了调节器的放大倍数,从而也就提高了对干扰的克服能力,尤其对于进入副回路的干扰。
表现更为突出。
2、及时性好。
串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。
3、适应能力强。
串级控制系统就其主回路来看,它是一个定值控制系统,但其副回路对主调节器来说,却是一个随动控制系统,主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值,以适应操作条件和负荷的变化。
通过采用串级控制系统,塔釜温度控制更加平稳,产品纯度很高,随着控制系统软件和硬件的不断发展和完善,计算机集散型控制系统的应用和普及,精馏塔的分离质量将会越来越好,分离精度也将会越来越高。
方案选择 于前馈控制因不含时间因子,比较简单,在一般情况下,不需要专用的补偿器,单元组合仪表便可以满足使用要求。
于本设计主要考虑物料、压力等物理量对精馏塔釜温度的影响,并且干扰变化剧烈,幅度大,有时从突然下降到,压力变化40%。
干扰幅度较大,所以应用串级控制系统。
4 本科生课程设计 第3章系统各仪表选型 系统方框图 主控制器副控制器执行器副对象主对象温度变送器温度变送器 图系统方框图 温度传感器的选择 热电偶作为温度传感元件,能将温度信号转换成电动势信号,配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。
具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温,可以在1600°C高温下长期使用。
热电阻也可以作为温度传感元件。
大多数电阻的阻值随温度变化而变化,如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件,就可以作为温度传感元件用来测温,称为热电阻。
热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加,而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。
铂铑10-铂热电偶传感器测温范围在0~1600℃,WRP型铂铑10-铂热电阻性能可靠、耐高温、抗氧化,可长期工作在0~1600℃环境下。
执行器的选择 调节器是控制系统的大脑和指挥中心,是整个控制系统的核心所在,输入信号进入调节器,并且按照调节器的控制规律进行计算,即进行大脑的信号处理,运算处理的结果作为调节器的输出信号控制执行机构的动作,完成指挥控制系统的任务。
执行器在控制系统中夜起着重要的作用,它直接实施控制系统的动作就好像 5 本科生课程设计 人体的五官和手脚一样,大脑是调节器,而手就是执行器。
执行器是一种现场类仪表因此它的精度、使用寿命、抗干扰和环境的适应能力等就是人们所关注的指标。
控制器的动作是调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的,在电信号作为控制信号的控制系统中,目前广泛使用的是以下三种控制方式:
1.按动力来源分,有气动和电动两大类;2.按动作极性分,有正作用和反作用两大类;3.按动作特性分,有比例和积分两大类。
调节器的选择 调节器是控制系统的大脑和指挥中心,是整个控制系统的核心所在,输入信号进入调节器,并且按照调节器的控制规律进行计算,即进行大脑的信号处理,运算处理的结果作为调节器的输出信号控制执行机构的动作,完成指挥控制系统的任务。
控制器的正反作用选择 控制阀:
气开式取“+”号,气关式取“-”号;控制器:
正作用取“+”号,反作用取“-”号; 对象:
当控制阀的物料或能量增加的时候,若被控量随之增加取“+”号,反之取“-”号; 变送器:
一般为正环节; 气开阀随着控制信号的增大而开度增大,当无压力控制信号的时候,阀门处于全关闭状态; 当物料及蒸汽压力加大的时候阀门处于气开状态; 当物料流量增加的时候,输出物料也会增加,同时精馏塔本身容量的限制会控制这个流量的大小,所以控制器选择反作用,调节器即为正作用。
调节器与执行器、传感器的选型 调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制,即4~20mA直流电流和1~5V直流电压。
信号电流和电压的转换电阻为250Ω。
器件选型如表所示:
表器件选型 调节器DDZ-Ⅱ型PID调节器 温度传感器WRP系列热电偶传感器执行器气开式6
本科生课程设计 第4章系统仿真 串级控制系统matlab仿真分析 本次设计使用串级控制系统,通过操纵蒸汽流量来控制提馏段的温度,获得良好的抗扰性能,从而达到产品质量要求。
在设计中主要设计温度控制器,在通过计算机仿真来进一步揭示串级控制系统的特点,并与温度单回路控制系统做比较。
图串级控制系统图 7 本科生课程设计 串级控制系统仿真图 图 改变P值再次进行仿真模拟观察Kc=10,Ti=1,D=0采用PID控制器,有仿真图可看出随着P的增大,系统的变化情况:
图串级控制系统图 8 本科生课程设计 图串级控制系统仿真图 这里Kc=10,Ti=1,D=0采用PID控制器,有仿真图可看出随着P的增大,系统稳定性增强,振荡幅度降低。
9 本科生课程设计 第5章课程设计总结 对精馏塔塔釜温度控制系统的设计,需要利用多种器件来完成系统控制,充分结合所学的知识来完成,使本系统成功的对精馏塔塔釜温度的调节与控制,具有良好的使用性和经济型,为精馏塔温度的控制起到了积极的作用。
整个系统结构简单,操作方便、灵活,具有良好的使用价值和市场经济价值。
通过本设计,对过程控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。
同时温习了过程控制的知识,学习了MATLAB的应用和VISIO的应用。
在本次设计中,应用的串级控制系统对于扰动的处理非常好,可以更好的处理系统的扰动因素。
选用的温度传感器和相应的调节器、执行器都很好的完成了工作,器件经济实用,维护方便。
但也有不足之处,比如在仿真的时候参数整定不太好,仿真效果不好。
有些气开、气关模式的选择还有待商榷。
10 本科生课程设计
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