精餾塔塔釜溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 過程控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 院（系）： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 設(shè)計(jì)題目精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)精餾塔是石油化工生產(chǎn)過程中的主要裝置，通過精餾操作可將由多組分組成的混合物分離成較純組分的產(chǎn)品。精餾塔溫度是保證分離純度的重要指標(biāo)，塔釜的部分產(chǎn)品經(jīng)過再沸器回流到塔內(nèi)，一方面保證精餾塔溫度恒定，另一方面保證生產(chǎn)的連續(xù)性。工藝要求塔釜溫度控制在

2、800 ±0.5 。在生產(chǎn)過程中蒸汽壓力變化劇烈，而且幅度大，有時(shí)從0.5Mpa突然下降到0.3Mpa，壓力變化了40%。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1、確定控制方案并繪制工藝節(jié)點(diǎn)圖、方框圖；2、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號(hào)和參數(shù)；3、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式；4、仿真分析/實(shí)驗(yàn)測試分析；5、按規(guī)定的書寫格式，撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書一份；設(shè)計(jì)說明書應(yīng)在4000字以上。技術(shù)參數(shù)測量范圍：01000 ； 控制溫度：800 ±0.5 ；最大偏差：1.5。工作計(jì)劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（2天，分散完成）2、確定系統(tǒng)的控制方案，繪制工藝

3、節(jié)點(diǎn)圖、方框圖。（1天，實(shí)驗(yàn)室完成）3、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號(hào)。（2天，分散完成）4、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式。（實(shí)驗(yàn)室1天）5、MATLAB仿真分析或?qū)嶒?yàn)測試分析、答辯。（3天，實(shí)驗(yàn)室完成）6、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書。（1天，分散完成）指導(dǎo)教師評語及成績平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字： 總成績： 年 月 日注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 摘 要本系統(tǒng)利用工業(yè)生產(chǎn)過程控制采用串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)。通過選用鉑銠10鉑熱電偶傳感器、ZMAP-16P DN15氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、DT2031數(shù)字調(diào)節(jié)器、熱電

4、偶溫度變送器來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括控制方案的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)各儀表選型，軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)仿真四大部分。軟件設(shè)計(jì)采用DCS組態(tài)來完成，并完成了系統(tǒng)監(jiān)控畫面。系統(tǒng)仿真采用MATLAB進(jìn)行仿真，并得出仿真圖。本系統(tǒng)便是基于工業(yè)生產(chǎn)過程控制采用串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)，通過對工業(yè)生產(chǎn)過程控制，來實(shí)現(xiàn)對精餾塔塔釜溫度的控制。此次設(shè)計(jì)就是要設(shè)計(jì)一個(gè)精餾塔塔釜溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)。要求當(dāng)物料進(jìn)入精餾塔時(shí)，塔釜的溫度可控并且溫度恒定，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。關(guān)鍵詞：精餾；溫度控制；PID目 錄 第1章 緒論1第2章 控制方案的設(shè)計(jì)32.1 設(shè)計(jì)要求32.2 方案設(shè)計(jì)32.2.1 塔釜溫度的前饋控制42.2.2

5、 塔釜溫度的串級(jí)控制52.2.3 塔釜溫度的反饋控制6第3章 系統(tǒng)各儀表選型83.1 溫度傳感器的選擇83.2 執(zhí)行器的選擇83.3 調(diào)節(jié)器的選擇93.4 壓力變送器的選擇93.5 溫度變送器的選擇103.6 控制器的正反作用選擇10第4章 軟件設(shè)計(jì)114.1 系統(tǒng)控制流程圖114.2 DCS組態(tài)11第5章 系統(tǒng)仿真145.1 PID控制器的參數(shù)整定145.2 湊試法確定PID參數(shù)145.3 切線法確定被控對象的傳函155.4 系統(tǒng)matlab仿真分析17第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)19參考文獻(xiàn)20第1章 緒論精餾塔是進(jìn)行精餾的一種塔式汽液接觸裝置。有板式塔與填料塔兩種主要類型。根據(jù)操作方式又可分為連

6、續(xù)精餾塔與間歇精餾塔。蒸氣由塔底進(jìn)入。蒸發(fā)出的氣相與下降液進(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)(低沸點(diǎn))組分不斷地向氣相中轉(zhuǎn)移，氣相中的難揮發(fā)(高沸點(diǎn))組分不斷地向下降液中轉(zhuǎn)移，氣相愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，從而達(dá)到組分分離的目的。由塔頂上升的氣相進(jìn)入冷凝器，冷凝的液體的一部分作為回流液返回塔頂進(jìn)入精餾塔中，其余的部分則作為餾出液取出。塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器，加熱蒸發(fā)成氣相返回塔中，另一部分液體作為釜?dú)堃喝〕觥Ｕ麴s的基本原理是將液體混合物多次部分氣化和部分冷凝,利用其中各組份揮發(fā)度不同（相對揮發(fā)度，）的特性，實(shí)現(xiàn)分離目的的

7、單元操作。蒸餾按照其操作方法可分為：簡單蒸餾、閃蒸、精餾和特殊精餾等。近年來出現(xiàn)的超重力精餾技術(shù)，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的數(shù)百至千倍重力的超重力場代替常規(guī)的重力場，極大地強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過程，將傳質(zhì)單元高度降低1個(gè)數(shù)量級(jí)。從而使巨大的塔設(shè)備變?yōu)楦叨炔坏?米的超重力精餾機(jī)，達(dá)到增加效率、縮小體積的目的。超重力精餾改變了傳統(tǒng)的塔設(shè)備精餾模式，只要在室內(nèi)廠房里就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)精餾過程。對社會(huì)的發(fā)展而言可節(jié)省鋼材資源，延長地球資源的使用年限；對企業(yè)的發(fā)展而言，可以節(jié)約場地與空間資源，減少污染排放，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善經(jīng)營管理模式，降低生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，增加生產(chǎn)的安全性。精餾塔是化工生產(chǎn)中分離互溶液體混合物的典型分離設(shè)備

8、。它是依據(jù)精餾原理對液體進(jìn)行分離，即在一定壓力下，利用互溶液體混合物各組分的沸點(diǎn)或飽和蒸汽壓不同，使輕組份（即沸點(diǎn)較低或飽和蒸汽壓較高的組分）汽化。經(jīng)多次部分液相汽化和部分氣相冷凝，使氣相中的輕組分和液相中的重組分濃度逐漸升高，也就是說在提餾段上升的輕組分的易揮發(fā)組分逐漸增多，難揮發(fā)組分逐漸減少，而下降液相中易揮發(fā)組分逐漸減少，難揮發(fā)組分逐漸增多，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的，滿足化工連續(xù)化生產(chǎn)的需要。精餾塔塔釜溫度控制的穩(wěn)定與否直接決定了精餾塔的分離質(zhì)量和分離效果，控制精餾塔的塔釜溫度是保證產(chǎn)品高效分離，進(jìn)一步得到高純度產(chǎn)品的重要手段。維持正常的塔釜溫度，可以避免輕約分流失，提高物料的回收率；也可減少

9、殘余物料的污染作用。影響精餾塔溫度不穩(wěn)定的因素主要是來自外界來的干擾（如進(jìn)料流量，溫度及成分等的變化對溫度的影響）。一般情況下精餾塔塔釜的溫度，我們是通過控制精餾塔釜內(nèi)靈敏板的溫度來控制的。靈敏板是當(dāng)外界條件或負(fù)荷改變時(shí)精餾塔內(nèi)溫度變化最靈敏的一塊塔板。以往調(diào)節(jié)只是采用靈敏板溫度調(diào)節(jié)器單一回路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)反應(yīng)慢，時(shí)間滯后，對精餾操作而言，產(chǎn)品的純度很難保證。從上述干擾分析來看，有些干擾是可控的，有些干擾是不可控的。從而選擇一種可靠并且穩(wěn)定的控制系統(tǒng)來控制精餾塔塔釜的溫度是非常重要的。第2章 控制方案的設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)要求精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：1塔釜溫度控制在800±0.

10、5；2生產(chǎn)過程中蒸汽壓力變化劇烈，而且幅度大，要保證精餾塔正常工作；3塔釜及相關(guān)期間要經(jīng)濟(jì)實(shí)用。2.2 方案設(shè)計(jì)精餾塔的干擾因素： 1.進(jìn)料量波動(dòng)的影響； 2.進(jìn)料成分波動(dòng)的影響； 3.進(jìn)料溫度波動(dòng)的影響； 4.蒸汽壓力波動(dòng)的影響； 5.回流量和冷劑量波動(dòng)的影響。精餾塔的擾動(dòng)如圖2-1： 圖2-1系統(tǒng)擾動(dòng)根據(jù)擾動(dòng)的分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要考慮前饋，反饋和串級(jí)三種控制方案。2.2.1 塔釜溫度的前饋控制首先介紹什么叫靜態(tài)前饋控制，即靜態(tài)前饋控制的原理。所謂靜態(tài)前饋控制原理就是指前饋控制器的輸出信號(hào)僅僅隨著輸入信號(hào)（干擾信號(hào)）d大小的函數(shù)，而與時(shí)間因子t無關(guān)。因此，前饋控制作用可以簡化為： （2-1

11、）通常將上式的關(guān)系近似的表示為線性關(guān)系，則前饋控制器就僅僅參考器靜態(tài)放大系數(shù)作為矯正的依據(jù)，即： （2-2）式中，分別為干擾通道和控制通道的放大系數(shù)，一般來說可以用實(shí)驗(yàn)方法來獲得，如果有條件列寫對象有關(guān)參數(shù)的靜態(tài)方程，則可以通過計(jì)算來確定。在精餾塔塔釜的溫度控制中，擾動(dòng)可以測量但是不好控制，并且干擾幅度較大。蒸汽壓力的變化是塔釜溫度的主要干擾量，控制對象則是塔釜的溫度。塔釜溫度前饋控制的系統(tǒng)框圖和塔釜溫度前饋控制工節(jié)結(jié)點(diǎn)圖如2-2、2-3所示： 擾動(dòng)前饋控制器檢測變送 擾動(dòng)通道執(zhí)行器被控對象 輸出 圖2-2塔釜溫度前饋控制的系統(tǒng)框圖精餾塔 蒸汽 f(x) FY 圖2-3塔釜溫度前饋控制工藝節(jié)點(diǎn)

12、圖2.2.2 塔釜溫度的串級(jí)控制串級(jí)控制系統(tǒng)就是兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。為了提高精餾效率和保證產(chǎn)品純度，我們采用靈敏板溫度調(diào)節(jié)器與再沸器加熱蒸汽流量調(diào)節(jié)器串級(jí)控制系統(tǒng)來對靈敏板溫度進(jìn)行控制。其中靈敏板溫度調(diào)節(jié)器是主調(diào)節(jié)器，再沸器加熱蒸汽流量調(diào)節(jié)器是副調(diào)節(jié)器。

13、塔釜溫度串級(jí)控制工藝結(jié)點(diǎn)圖如2-4所示：塔釜溫度串級(jí)控制示意圖如圖2-5所示：TCTT精餾塔 設(shè)定值PCPT 蒸汽 圖2-4塔釜溫度串級(jí)控制工藝節(jié)點(diǎn)圖主對象壓力變送器溫度變送器 設(shè)定值 被控變量副對象執(zhí)行器副控制器主控制器 圖2-5塔釜溫度串級(jí)控制的系統(tǒng)框圖通過實(shí)際改造和使用，串級(jí)調(diào)節(jié)與單回路控制相比較，串級(jí)控制有許多優(yōu)點(diǎn)：1、抗干擾性強(qiáng)。由于主回路的存在，進(jìn)入副回路的干擾影響大為減小。同時(shí)，由于串級(jí)控制系統(tǒng)增加了一個(gè)副回路，具有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器，大大提高了調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，從而也就提高了對干擾的克服能力，尤其對于進(jìn)入副回路的干擾。表現(xiàn)更為突出。2、及時(shí)性好。串級(jí)控制對克服容量滯后大的對象特別

14、有效。3、適應(yīng)能力強(qiáng)。串級(jí)控制系統(tǒng)就其主回路來看，它是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，但其副回路對主調(diào)節(jié)器來說，卻是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)對象操作條件和負(fù)荷的變化情況不斷糾正副調(diào)節(jié)器的給定值，以適應(yīng)操作條件和負(fù)荷的變化。通過采用串級(jí)控制系統(tǒng)，塔釜溫度控制更加平穩(wěn)，產(chǎn)品純度很高，隨著控制系統(tǒng)軟件和硬件的不斷發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)集散型控制系統(tǒng)的應(yīng)用和普及，精餾塔的分離質(zhì)量將會(huì)越來越好，分離精度也將會(huì)越來越高。2.2.3 塔釜溫度的反饋控制在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。反饋控制系統(tǒng)由控制器、控制對象和反饋通路組成如圖2-

15、3所示。圖中帶叉號(hào)的圓圈為比較環(huán)節(jié)，用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號(hào)。這一環(huán)節(jié)在具體系統(tǒng)中可能與控制器一起統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)器。以爐溫控制為例，受控對象為爐子；輸出變量為實(shí)際的爐子溫度;輸入變量為給定常值溫度,一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測量，代表爐溫的熱電動(dòng)勢與給定電壓相比較，兩者的差值電壓經(jīng)過功率放大后用來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。塔釜溫度反饋控制的系統(tǒng)框圖和塔釜溫度反饋控制的工藝節(jié)點(diǎn)圖如圖2-6、2-7所示：設(shè)定值 擾動(dòng) 被控對象被控對象執(zhí)行器控制器 檢測變送 圖2-6 塔釜溫度反饋控制的系統(tǒng)框f(x)TCTYTT精餾塔 設(shè)定值 蒸汽 圖2-7塔釜溫度反饋控制的工藝節(jié)點(diǎn)圖同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，

16、閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動(dòng)變量可以測量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)本身的工作效果，反過來又作為信息指導(dǎo)該系統(tǒng)的工作，叫做反饋調(diào)節(jié)。開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制

17、精度，在擾動(dòng)變量可以測量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)的控制(即前饋控制)作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。由于前饋控制因不含時(shí)間因子，比較簡單，在一般情況下，不需要專用的補(bǔ)償器，單元組合儀表便可以滿足使用要求。由于本設(shè)計(jì)主要考慮物料、壓力等物理量對精餾塔釜溫度的影響，并且干擾變化劇烈，幅度大，有時(shí)從0.5Mpa突然下降到0.3Mpa，壓力變化40。干擾幅度較大，所以應(yīng)用串級(jí)控制系統(tǒng)。第3章 系統(tǒng)各儀表選型3.1 溫度傳感器的選擇熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢（mV）信號(hào)，配以測量毫伏的指示儀表或變送器可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量指示或溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換。具有穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好、體積小、響應(yīng)時(shí)間較

18、小等優(yōu)點(diǎn)、熱電偶一般用于500°C以上的高溫，可以在1600°C高溫下長期使用。熱電阻也可以作為溫度傳感元件。大多數(shù)電阻的阻值隨溫度變化而變化，如果某材料具備電阻溫度系數(shù)大、電阻率大、化學(xué)及物理性能穩(wěn)定、電阻與溫度的關(guān)系接近線性等條件，就可以作為溫度傳感元件用來測溫，稱為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。大多數(shù)金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。鉑銠10鉑熱電偶傳感器測溫范圍在01600，WRP型鉑銠10鉑熱電偶性能可靠、耐高溫、抗氧化，可長期工作在01600環(huán)境下。3.2 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中夜起著重

19、要的作用，它直接實(shí)施控制系統(tǒng)的動(dòng)作就好像人體的五官和手腳一樣，大腦是調(diào)節(jié)器，而手就是執(zhí)行器。執(zhí)行器是一種現(xiàn)場類儀表因此它的精度、使用壽命、抗干擾和環(huán)境的適應(yīng)能力等就是人們所關(guān)注的指標(biāo)?？刂破鞯膭?dòng)作是由調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)通過各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，在由電信號(hào)作為控制信號(hào)的控制系統(tǒng)中，目前廣泛使用的是以下三種控制方式：1.按動(dòng)力來源分，有氣動(dòng)和電動(dòng)兩大類；2.按動(dòng)作極性分，有正作用和反作用兩大類；3.按動(dòng)作特性分，有比例和積分兩大類。ZMAP-1.6Mpa氣開式ZMAP-16P DN15氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 PN1.6MPa。特點(diǎn)：1.采用平衡式閥芯結(jié)構(gòu)，軸向不平衡力小，允許壓差大，穩(wěn)定性好。2.套筒

20、互換性強(qiáng)，拆裝方便，容易維修。3.全金屬閥芯結(jié)構(gòu)適用多種工作場合，達(dá)到IV級(jí)泄漏標(biāo)準(zhǔn)，ZXMQ型軟密封結(jié)構(gòu)閥 芯達(dá)到VI級(jí)泄漏標(biāo)準(zhǔn)。4.閥體按流體力學(xué)原理設(shè)計(jì)成等截面低流阻流道，可調(diào)范圍大，固有可調(diào)比為50， 額定流量系數(shù)增大30。5.執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用多彈簧結(jié)構(gòu)，高度減少30。重量減輕30。6.ZJHPW型波紋管密封型調(diào)節(jié)閥，對移動(dòng)的閥桿形成了完全的密封，堵絕流體外漏。7.ZJHPJ型調(diào)節(jié)閥帶有保溫夾套，用于流體冷卻后易結(jié)晶、凝固造成堵塞的場合3.3 調(diào)節(jié)器的選擇調(diào)節(jié)器是控制系統(tǒng)的大腦和指揮中心，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心所在，輸入信號(hào)進(jìn)入調(diào)節(jié)器，并且按照調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，即進(jìn)行大腦的信號(hào)處理，

21、運(yùn)算處理的結(jié)果作為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，完成指揮控制系統(tǒng)的任務(wù)。 DT2031數(shù)字調(diào)節(jié)器是基于電動(dòng)單元組合儀表進(jìn)行升級(jí)，采用數(shù)字化控制技術(shù)的新型過程控制儀表，是一種智能型調(diào)節(jié)器，儀表的內(nèi)部有功能強(qiáng)大的微處理器，根據(jù)不同要求進(jìn)行組態(tài)設(shè)定。DT2031數(shù)字調(diào)節(jié)器是基于電動(dòng)單元組合儀表進(jìn)行升級(jí)，采用數(shù)字化控制技術(shù)的新型過程控制儀表，是一種智能型調(diào)節(jié)器，儀表的內(nèi)部有功能強(qiáng)大的微處理器，根據(jù)不同要求進(jìn)行組態(tài)設(shè)定。實(shí)現(xiàn)具有微分前饋功能的PID，PI，PD，P控制方案，操作，組態(tài)，設(shè)定方便，性能價(jià)格比高，可用于電力、冶金、石油、化工等領(lǐng)域的自動(dòng)化控制。DT2031數(shù)字調(diào)節(jié)器支持4-20mA、0

22、-10mA信號(hào)輸入，輸出；外部給定電壓和跟蹤電壓可選擇1-5V或0-10V。3.4 壓力變送器的選擇壓力變送器也稱差變送器，主要由測壓元件傳感器、模塊電路、顯示表頭、表殼和過程連接件等組成。它能將接收的氣體、液體等壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電流電壓信號(hào)，以供給指示報(bào)警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。壓力變送器測量原理是：流程壓力和參考?jí)毫Ψ謩e作 變送器用于集成硅壓力敏感元件的兩端，其差壓使硅片變形（位移很小，僅m級(jí)），以使硅片上用半導(dǎo)體技術(shù)制成的全動(dòng)態(tài)惠斯登電橋在外部電流源驅(qū)動(dòng)下輸出正比于壓力的mV級(jí)電壓信號(hào)。由于硅材料的強(qiáng)性極佳，所以輸出信號(hào)的線性度及變差指標(biāo)均很高。工作時(shí)，

23、壓力變送器將被測物理量轉(zhuǎn)換成mV級(jí)的電壓信號(hào)，并送往放大倍數(shù)很高而又可以互相抵消溫度漂移的差動(dòng)式放大器。放大后的信號(hào)經(jīng)電壓電流轉(zhuǎn)換變換成相應(yīng)的電流信號(hào)，再經(jīng)過非線性校正，最后產(chǎn)生與輸入壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流電壓信號(hào)。壓力變送器根據(jù)測壓范圍可分成一般壓力變送器（0.001MPa20MPa）和微差壓變送器（030KPa）兩種。HSL-3051型壓力變送器，傳感器是采用引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的高精度小型化智能傳感器，在轉(zhuǎn)換原理上利用數(shù)字化補(bǔ)償技術(shù)對溫度、靜壓進(jìn)行補(bǔ)償，提高了測量精度，降低了溫度漂移。具有長期穩(wěn)定性好，可靠性高，自診斷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。以其極高的性能價(jià)格比，而成為變送器市場的主流產(chǎn)品。

24、詳細(xì)參數(shù)供電電源:15-36 VDC(標(biāo)定電壓24VDC) 輸出信號(hào):(4-20)mA(二/三線制)、帶Hart協(xié)議工作溫度:放大器工作在-29 +93; 敏感元件工作在-40 +1043.5 溫度變送器的選擇熱電偶溫度變送器由基準(zhǔn)源、冷端補(bǔ)償、放大單元、線性化處理、V/I轉(zhuǎn)換、斷偶處理、反接保護(hù)、限流保護(hù)等電路單元組成。它是將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢經(jīng)冷端補(bǔ)償放大后，再帽由線性電路消除熱電勢與溫度的非線性誤差，最后放大轉(zhuǎn)換為4-20mA電流輸出信號(hào)。為防止熱電偶測量中由于電偶斷絲而使控溫失效造成事故，變送器中還設(shè)有斷電保護(hù)電路。當(dāng)熱電偶斷絲或接解不良時(shí)，變送器會(huì)輸出最大值(28mA)以使儀表切斷電

25、源。在量程范圍內(nèi)輸出4-20mA直流信號(hào)，與熱電偶或熱電阻的輸入信號(hào)成線性或與溫度成線性。智能型溫度變送器輸出4-20mA直流信號(hào)同時(shí)疊加符合hart標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通信；隔離式溫度變送器：輸入與輸出相隔離，隔離電壓500V，增加了抗共模干擾能力，更適合與計(jì)算機(jī)連網(wǎng)使用。3.6 控制器的正反作用選擇控制閥：氣開式取“+”號(hào)，氣關(guān)式取“-”號(hào)；控制器：正作用取“+”號(hào)，反作用取“-”號(hào)；對象：當(dāng)控制閥的物料或能量增加的時(shí)候，若被控量隨之增加取“+”號(hào)，反之取“-”號(hào)；變送器：一般為正環(huán)節(jié)；氣開閥隨著控制信號(hào)的增大而開度增大，當(dāng)無壓力控制信號(hào)的時(shí)候，閥門處于全關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)物料及蒸汽壓力加大的時(shí)候閥門處于氣

26、開狀態(tài)；當(dāng)物料流量增加的時(shí)候，輸出物料也會(huì)增加，同時(shí)精餾塔本身容量的限制會(huì)控制這個(gè)流量的大小，所以控制器選擇反作用，調(diào)節(jié)器即為正作用。第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)控制流程圖 本系統(tǒng)利用工業(yè)生產(chǎn)過程控制采用串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)。通過選用溫度傳感器采入塔釜溫度設(shè)定值和實(shí)際值，在通過計(jì)算機(jī)計(jì)算控制器輸出值，然后發(fā)出命令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)的控制流程圖如圖4-1所示： 開始初始化 輸入設(shè)定值 調(diào)節(jié)閥關(guān)閉 塔釜溫度測量 塔釜溫度大于設(shè)定值 Y 調(diào)節(jié)閥打開 塔釜溫度小于設(shè)定值 N Y 到達(dá)設(shè)定值 Y 結(jié)束 圖4-1系統(tǒng)控制流程圖4.2 DCS組態(tài)DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫(Distr

27、ibuted Control System)，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。DCS系統(tǒng)是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷興起和過程控制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運(yùn)而生的綜合控制系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和多媒體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可提供窗口友好的人機(jī)界面和強(qiáng)大的通訊功能。是完成過程控制、過程管理的現(xiàn)代化設(shè)備。通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對象進(jìn)行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號(hào)及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報(bào)警畫面，從而

28、方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。 如圖4-2為組態(tài)畫面，圖4-3為系統(tǒng)監(jiān)控畫面，圖4-4為總貌畫面設(shè)置，圖4-5為趨勢組態(tài)設(shè)置。 圖4-2組態(tài)畫面 圖4-3系統(tǒng)監(jiān)控畫面 圖4-4總貌畫面設(shè)置 圖4-5趨勢組態(tài)設(shè)置第5章 系統(tǒng)仿真5.1 PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要

29、依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參

30、數(shù)。 PID參數(shù)的設(shè)定：是靠經(jīng)驗(yàn)及工藝的熟悉，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線，從而調(diào)整PID的大小。 比例I/微分D=2，具體值可根據(jù)儀表定，再調(diào)整比例帶P，P過頭，到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間長，P太短，會(huì)震蕩，永遠(yuǎn)也打不到設(shè)定要求。  溫度T: P=2060%,T=180600s,D=3-180s  壓力P: P=3070%,T=24180s,  液位L: P=2080%,T=60300s,  流量L: P=40100%,T=660s。5.2 湊試法確定PID參數(shù)增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并

31、產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時(shí)間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。增大微分時(shí)間亦有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減少，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動(dòng)的抑制能力減弱，對擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，在微分的整定步驟。5.3 切線法確定被控對象的傳函獲取被控對象的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先決條件，只有得到被控對象的數(shù)學(xué)模型，才能分析對象的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而設(shè)計(jì)出合理的控制系統(tǒng)通常將獲取對象數(shù)學(xué)模型的過程稱為建模。常用的建模方法有兩種，即理論建模法和實(shí)驗(yàn)建模法。理論建模主要是通過對對象機(jī)理的分析，并在一定的假

32、設(shè)條件下求出其動(dòng)態(tài)方程，然后進(jìn)行線性化處理。該方法比較復(fù)雜，一般只用于描述新研制對象的動(dòng)態(tài)特性。對于熱工被控對象，較多的采用實(shí)驗(yàn)的方法測定其動(dòng)態(tài)特性，然后根據(jù)其動(dòng)態(tài)特性求取其數(shù)學(xué)模型，這也是工程中常用的行之有效的方法。目前應(yīng)用較多的是階躍響應(yīng)曲線法，即當(dāng)對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在對象的輸入端人為的加以階躍擾動(dòng)信號(hào)，同時(shí)觀察被調(diào)量的響應(yīng)特性曲線，然后由該曲線求出被控對象的傳遞函數(shù)。 由階躍響應(yīng)曲線求取對象的近似傳遞函數(shù)有切線法、兩點(diǎn)法、半對數(shù)法等多種方法，每種方法都具有各自的特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況使用。限于篇幅，在這里簡單介紹切線法求對象的近似傳遞函數(shù)。如表5-1所示：根據(jù)表中信息可以得出：

33、主對象中的K=5，T=3，所以：主對象的傳遞函數(shù)為：副對象中的K=2，T=2，所以：主對象的傳遞函數(shù)為： 表5-1用切線法求有自平衡能力對象的傳遞函數(shù)內(nèi)容被控對象單容有自平衡能力對象多容有自平衡能力對象 階躍響應(yīng)曲線傳遞函數(shù)一般表達(dá)式 切線法步驟1. 作穩(wěn)態(tài)值的漸進(jìn)線,則；2. 作響應(yīng)曲線起始點(diǎn)的切線于點(diǎn)M，則線段OM在時(shí)間軸上的投影就為時(shí)間常數(shù)步驟1. 作穩(wěn)態(tài)值的漸進(jìn)線,則；2. 作響應(yīng)曲線拐點(diǎn)P的切線分別交線和時(shí)間軸于M和N，時(shí)間常數(shù)T。ON= NH=T 5.4 系統(tǒng)matlab仿真分析本次設(shè)計(jì)使用串級(jí)控制系統(tǒng)，通過操縱蒸汽流量來控制提餾段的溫度，獲得良好的抗擾性能，從而達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求。

34、在設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)溫度控制器，在通過計(jì)算機(jī)仿真來進(jìn)一步揭示串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。如圖5-1、5-2所示：主控制器設(shè)置為P=2，I=0.5，D=0。副控制器參數(shù)設(shè)置為P=3，I=0.1，D=0。脈沖設(shè)置為在第0秒為800。 圖4.1串級(jí)控制系統(tǒng)圖 圖5-1無擾動(dòng)仿真 圖5-2無擾動(dòng)仿真圖如圖可看出波形先振蕩，隨后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。還可以看出超調(diào)時(shí)間為3.4秒，穩(wěn)態(tài)值為800，最大值為900.所以超調(diào)量可以計(jì)算得： 超調(diào)量=0.125 增加擾動(dòng)，再次進(jìn)行仿真模擬觀察，如5-3,5-4所示：擾動(dòng)設(shè)置為在第3秒為200。 圖5-3擾動(dòng)仿真 圖5-4擾動(dòng)仿真圖如圖可看出波形先振蕩，隨后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。又因?yàn)樵黾訑_動(dòng)，波形在第3秒出現(xiàn)振蕩，隨后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)對精餾塔塔釜溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要利用多種器件來完成系統(tǒng)控制，充分結(jié)合所學(xué)的知識(shí)來完成，使本系統(tǒng)成功的對精餾塔塔釜溫度的調(diào)節(jié)與控制，具有良好的使用性和經(jīng)濟(jì)型，為精餾塔溫度的控制起到了積極的作用。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、靈活，具有良好的使用價(jià)值和市場經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通過本設(shè)計(jì)，對過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識(shí)。同時(shí)溫習(xí)了過程控制的知識(shí)，學(xué)習(xí)了MAT