1、1 概述隨著現代工業生產過程向著大型，連續和強化方面發展，對控制系統的控制品質提出了日益增長的要求。次設計的關注的精餾塔就是一個多輸入多輸出的多變量過程，內在機理較復雜，動態響應遲緩，變量之間相互關聯，對其的控制提出了較高的要求，其中對回流罐液位的調節影響著精餾塔頂部的壓力及溫度的平衡，起著對精餾過程中的緩沖及保護作用，對回流罐液位的調節對精餾過程的穩定進行起著不可忽視的作用，所以確定回流罐液位的控制方案是相當重要的。本次設計的總目標，就是在可能獲得的條件下，以最經濟的途徑和方法監測及調節回流罐中的液位，所以需要在充分了解聲場過程的工藝流程的基礎上選擇合適的控制方法，從而實現目標。2 精餾塔的

2、工藝流程根據本次設計條件及要求，我們必須精餾及精餾塔有一定的了解。精餾的基本原理是將液體混合物部分氣化，利用其中各組分揮發度不同的特性，實現分離的目的的單元操作。蒸餾按其操作方法可分為：簡單蒸餾,閃蒸，精餾和特殊精餾等。精餾塔是一種進行精餾的塔式氣液接觸裝置，蒸汽由塔底進入，與下降液進行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發（低沸點）組分不斷的向蒸汽中轉移，蒸汽中的難揮發（高沸點）組分不斷的向下降液中轉移，蒸汽愈接近塔頂，其易揮發組分愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發組分則愈富集，達到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸汽進入冷凝器，冷凝的液體一部分送入再沸器，熱蒸發后，蒸汽返回塔中，另一部分液體作

3、為殘液取出。一般精餾裝置由精餾塔，再沸器，冷凝器，回流罐等設備組成。精餾塔是一個多輸入多輸出的多變過程，內在機理較復雜，動態響應遲緩，變量之間相互關聯，不同的塔工藝結構差別很大，而工藝對控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個極為重要的課題。而從能耗的角度來看，精餾塔是三傳一反典型單元操作中能耗最大的設備，因此，精餾塔的節能控制也是十分重要的。下圖是一典型的精餾塔結構圖。3 精餾塔的控制3.1精餾塔的控制目標精餾塔的控制目標是：在保證產品質量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使總效益最大，成本最小。精餾過程是在一定的約束條件下進行的。因此，精餾塔的控制要求可從質量指標、產

4、品質量、能量消耗和約束條件四方面考慮。1) 質量指標控制。精餾塔的質量指標是指塔頂或塔底的純度。通常，滿足一端的產品質量，即塔頂或塔底產品之一達到規定純度，而另一端產品的純度維持在規定范圍內。所謂的產品純度，就二元精餾來說，其質量指標是指塔頂產品中輕組分含量和塔底產品中重組分含量。對于多元精餾而言，則以關鍵組分的含量來表示。關鍵組分是指對產品質量影響較大的組分。產品組分含量非越純越好，原因是，純度越高，對控制系統的偏離度要求越高 ，操作成本的提高和產品的價格并不成比例增加，因此純度要求應與使用要求相適應。2) 物料平衡控制。進出物料平衡，即塔頂、塔底采出量應和進料量相平衡，維持塔的正常平穩操作

5、，以及上下工序的協調工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）與塔釜液位一定為目標的。3) 能量平衡控制。要保證精餾塔產品質量、產品產量的同時，考慮降低能量的消耗，使能量平衡，實現較好的經濟性。4) 約束控制條件。精餾過程是復雜傳質和傳熱過程。為了滿足穩定和安全操作的要求，對精餾塔操作參數有一定的約束條件。氣相速度限：精餾塔上升蒸汽速度的最大限。當上升速度過高時，造成霧沫帶，塔板上的液體不能向下流，下層塔板的氣相組分倒流到上層塔板，出現液泛現象。最小氣相速度限：指精餾塔上升蒸汽速度的最小限值。當上升蒸汽速度過低時，上升蒸汽不能托起上層的液相，造成漏夜，使塔板效率下降，精餾操作不能正常進行。操作壓

6、力限：每一個精餾塔都存在最大操作壓力限制。臨界溫度限：保證精餾塔的正常傳熱需要、保證合適的回流溫度，使精餾塔能夠正常操作。3.2精餾塔的擾動分析影響物料平衡的因素包括精料量和進料成分的變化、塔頂餾出物及底部出料量的變化。影響能量平衡的因素主要包括進料溫度的變化、再沸器加熱量和冷凝器冷卻量的變化及塔的環境溫度變化等。（1） 精料量和進料成分：進料流量通常不可控大但可測。當進料流量變化較大時，對精餾塔的操作會造成很大的影響。這時可將進料流量作為前饋信號，引到控制系統中組成前饋-反饋控制系統。進料成分影響物料平衡和能量平衡，但進料成分通常不可控，多數情況下也是難以測量的。（2） 進料溫度和進料熱焓值

7、：進料溫度和熱焓值影響精餾塔的能量平衡?？刂撇呗允遣捎谜羝麎毫Γɑ蛄髁浚┒ㄖ悼刂疲蚋鶕狃s段產品的質量指標，組成串級控制。（3） 再沸器加熱蒸汽壓力：再沸器加熱蒸汽壓力影響精餾塔的能量平衡?？刂撇呗允墙M成塔壓的定值控制，或將冷卻水壓力作為串級控制系統的付被控變量進行控制。（4） 冷卻水壓力和溫度：冷卻水溫度的變化通常不大，對冷卻水可不進行控制。使用風冷式控制時策略是根據塔壓進行浮動塔壓控制。（5） 環境溫度：環境溫度的變化較小，且變化幅度不大，因此，一般不用控制。4.回流罐液位控制的設計4.1 回流罐工作原理及分析回流指在精餾操作中，從精餾塔頂部引出的上升蒸汽經冷凝器冷凝后，一部分液體作為餾

8、出液（塔頂產品）送出塔外，另一部分液體送回塔內，后者稱為回流。精餾塔回流罐相當于一個緩沖罐，回流罐保持塔頂來的冷凝液和送出回流液的平衡就可以了，通常流量最大，也即停留時間最短的時間為剛開車時的全回流狀態。采用立式或臥式都可以，主要是回流罐的容積足夠即可，由于回流罐一般設置在精餾廠房里，高度有限，所以容積較大的一般采用臥式以滿足儲罐的空間高度限制，對于小型的回流罐則可以采用立式的，以節省占地面積。回流罐的裝填系統與一般的儲罐沒有什么差別，可以取到0.8-0.85.化工廠是普遍采用臥式回流罐，也叫塔頂冷凝受槽，優點一：是方便外操作人員讀取溫度、液位、壓力等指標；優點二：臥式更利于冷凝液在其中分層，

9、一部分回流，一部分作為輸出介質。優點三：降低重心，安裝方便。立式受槽應該是氣液分離器居多，利用重力沉降等原理，更有利于分離。4.2 回流罐液位控制方式的選擇通過對精餾塔整體控制系統的分析，發現精餾塔是一個多變量被控對象，需要對主要的次要的干擾提前發現及控制，而串級控制能夠很好的滿足回流罐液位的控制。故本次設計采用串級控制方法來控制回流罐的液位。對于回流罐來說包括兩個變量，溫度變化和液位變化，通過這兩個變量影響控制器控制液位，精餾塔屬于大型生產設備，變量變化慢，慣性大，具有一定的純滯后，又為了防止精餾塔產生較大的超調而超過回流罐上限溫度，需要提前對精餾塔溫度進行控制，在安全溫度的前提下控制液位，

10、使用串級控制系統能取得較好的結果。4.3 回流罐傳遞函數的確定回流罐的模型與水箱模型類似，進料口相當于水箱的流入端，回流與頂端產品的流出相當于水箱的流出。流入量與流出量之間的差值等于儲存量的變化率： (4-1)式中A為橫截面積，是由控制閥開度變化引起的，即： (4-2)閥門1、2的流出量為：Q1=hR1, Q2 =hR2 (4-3)式中R為流出側負載閥門的阻力（液阻），可知兩閥門的液阻基本不變：將式（3-1）、式（3-2）、帶入式（3-3），得： R1 R2AdhR1 +（R1+R2）h=kR1R2u (4-4)令T=R1 R2, K=kR1R2上式即可寫成： Tdhdt+(R1+R2)h=K

11、u (4-5)于是求得傳遞函數為： Gs=H(s)U(s)=KTs+R1+R2 (4-6)4.4 串級控制部分設計串級控制系統的一般采用兩個控制器，一個控制器稱為主控制器，另一個控制器稱為副控制器?？刂破鞯妮敵鲎鳛楦笨刂破鞯脑O定，然后由副控制器的輸出去操縱調節閥。在串級控制系統中通常要有兩個被控對象，即主對象（本次設計中為拱頂溫度）和副對象（本次設計中為空氣流量對象），相應的有兩個被控參數，主被控參數（本次設計中為檢測的拱頂溫度）和副被控參數（本次設計中為檢測的空氣流量）。主被控參數的信號送往主控制器控制煤氣切斷閥和放風閥的開度，而副被控參數的信號被送往副控制器作為測量，這樣就構成了兩個閉合回

12、路，即主回路（外環）和副回路（內環）。下圖是一典型串級系統控制結構圖。若Gc1s,GC2(s)是主副調節器傳遞函數;GP1s,Gp2(s) 是主、副對象傳遞函數;Gm1s,Gm2(s)是主、副變送器傳遞函數，Gvs是調節閥傳遞函數。Gd2s是二次干擾通道的傳遞函數。是主副控制參數。是一、二次干擾。串級系統主要是用來克服進入副回路的二次干擾的。對圖4-1所示的方框圖進行分析可知，內環具有快速作用，它能夠有效的克服二次干擾的影響。當二次干擾經過干擾通道環節后進入復環，首先影響副參數，于是副調節器立即動作，力圖消弱干擾對的影響。顯然，干擾經過復環的抑制后在進入主環，對的影響有較大的減弱。按圖4-1所

13、示的串級系統，可以寫出二次干擾至主參數的傳遞函數是：由式（4-1）（4-2）比較可知單回路系統比串級系統少了一項。在串級系統主環工作頻率下，這項乘機的數值比較大，而且隨著副調節器比例增益的增大而加大；而分母第二項串級又多一個。一般情況下，副調節器的比例增益是大于1的。因此可以說，串級控制系統的結構使二次干擾對主參數這一通道的動態增益明顯減小。當二次干擾出現時，很快就被副調節器所克服。由于內環起了改善對象動態特性的作用，因此可以加大主調節器的增益，提高系統的工作頻率。本設計采用串級控制系統有比較顯著地有點：改善了對象特征，起了超前控制的作用；改善了對象動態特性，提高了工作頻率，提高了控制器總放大

14、倍數，增強了抗干擾能力；具有一定的自適應能力，適合負荷和操作條件的變化。串級控制系統的設計原則：在選擇副參數時，必須把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中；選擇副參數時，進行副回路的設計時，應使主、副對象的時間常數適當匹配；方案應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟性。主控制器：主環是一個定值控制系統，主控制器的控制規律的選擇與簡單控制系統類似。但采用串級控制系統的主變量往往是比較重要的參數，工藝要求嚴格，一般不允有余差。因此，通常都采用比例積分控制規律，但是由于本設計滯后較大，采用比例積分微分控制規律。副控制器：副環是一個隨動系統，副變量的控制可以有余差。因此，副控制器一般采

15、用比例控制規律即可，而且比例度通常取得很小，這樣比例增益大，控制作用強，余差也不大。如果引入積分作用，會使控制作用趨勢變緩，并可能帶來積分飽和現象。但當流量為副變量時，由于對象的時間常數和時滯都很小，為使副環在需要時可以單獨使用，需要引入積分作用，使得在單獨使用時，系統也能穩定工作。這時副控制器采用比例積分控制規律，比例度取得較大且帶積分作用。主副控制器正反作用的選擇：控制器的正反作用選擇的順序應該是先副后主。副控制器處于副環中，這時副控制器作用方向的選擇與簡單控制系統類似，使副環的開環放大倍數的符號為“負”即可，即副環內個環節的放大倍數的乘積為負。為使主環的開環放大倍數的符號為負，選擇主控制

16、器的作用方向也與簡單控制系統類似，而且更為簡單。因為互換的作用方向總是正的，主測量變送器為正作用單元，因此主控制器的正反作用僅取決于主對象。當主對象為正作用時，主控制器應選擇反作用，反之亦然，主控制器的正反作用與控制閥的正反作用無關。串級控制系統應用中一般要分主、副控制器來選擇控制規律。本次的液位控制系統中的串級控制的主、副控制器控制規律選擇都應按照工藝要求來進行，主控制器選用PID控制規律，副控制器選P控制規律；采用串級控制系統和簡單控制系統相比，之死多一點測量變送元件和一個調節器，增加的儀表投資并不多，但是控制想過卻有顯著地提高。我們將溫度及液位變化作為一、二次擾動，液位及溫度的檢測與反饋

17、作為主、副變送器，液位作為主被控對象，可以得出回流罐液位控制的結構圖。圖4-2回流罐液位控制結構圖圖4-3主程序流程圖5 控制檢測元件與參數的選擇5.1測量技術性能指標 誤差和精度檢測儀表的精度反映測量值接近真實值的準確程度，一般用一系列誤差來衡量。1)絕對誤差 絕對誤差指儀表指示值與被測參數真值之間的差值，實際上通常采用多次測量結果的算術平均值或用精度較高的標準表的指示值作為約定真值。2)引用誤差 把絕對誤差折合成標尺范圍的百分數表3)精度等級按儀表工業規定，去掉最大引用誤差的“±”號和“%”號，稱為儀表的精度等級，目前以系列化，只能從下列系數中選取最接近的合適數值作為精度等級，即

18、0.005,0.02,0.05,0.1，0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等根據此次設計的生產產品的精度不是很高，可以選用0.51.0精度等級靈敏度與靈敏限靈敏度表示儀表對被測參數變化反應的能力，是指儀表達到穩態后輸出增量與輸入增量之比。靈敏限是指引起儀表的指針發生可見變化的被測參數的最小變化量。一般，儀表的靈敏限數值不大于儀表允許誤差絕對值的一半?；夭钤谕饨鐥l件不變的情況下，當被測參數從小到大（正行程）和從大到?。ǚ葱谐蹋r，同一輸入的兩個相應輸出值常常不相等。兩者絕對值之差的最大值和儀表量程之比的百分數稱為回差。5.2調節閥的選擇對于一個具體的控制系統來講，要根據以下幾

19、條原則選擇調節閥的開閉形式：1) 首先要從生產安全出發，即當氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出，或控制器膜片破裂，漏氣等而使調節閥無法正常工作，以至于閥芯回復到無源的初始狀態（氣開發回復到全閉，氣關閥恢復到全開）時，應該確保生產工藝的安全，不致發生事故。2)從產品的質量出發，當調節閥處于無能源狀態而恢復到初始位置時，不應該降低產品的質量。3）從降低原料，成品，動力順好來考慮，避免造成不必要的浪費。4）從介質的特點考慮，如如精餾塔加熱的熱水調節閥一般選用氣開式，以保證在調節閥失去能源時處于全閉狀態，減少能源的浪費。本次設計考慮到生產過程及原料等因素，故回流閥采用氣關式。圖5.2-1回流閥參數結

20、構圖圖5.2-2回流閥5.3檢測和執行元件的選擇本系統的回流閥液位控制設計應有溫度檢測、液位檢測等構成。通過檢測這些主要參數，使其能對精餾塔溫度、回流罐液位控制。5.3.1 檢測元件溫度檢測：在設計的過程中，我們采用平Pt100熱電阻進行溫度檢測，采用三線制接線法減小測量誤差，以達到實驗的要求，經過溫度變送裝置送出4-20mA信號。圖5.3.1-1 pt100熱電阻液面檢測：對于回流罐來說，因為流量大，不能選取靜壓式的測量元件，只能選擇電容式液位計。主要參數: 工作電源：AC220V±10% 或 DC24V 功耗： < 3W 響應延時：< 23秒 儀表工作環境溫度： -2

21、045 探極工作（介質）溫度： 普通型：-2060 中溫型：-40200 高溫型：-40800介質壓力： 壓力型3MPa（其余型號為常壓） 輸出方式：420mA變送信號 負載能力： 600歐姆 檢測范圍： 11000p 傳感器防護等級：IP65 精度：±1%F.S圖5.3.1-2電容式液位計執行元件本系統可采用調節閥實現執行元件的功能，通過對自動調節閥開度的大小，從而控制流量，從而控制精餾塔溫度及回流罐液面的高度，對于調節閥的選擇，從安全生產的角度來說，我們可以選擇氣開的調節閥，同時調節閥應該在智能控制的基礎上兼有人工操作，本系統的選用的調節儀表為DDZ-111型調節器，用直流24V

22、電源，以直流4-20mA為現場傳輸型號，以直流1-5V和直流4-20mA為控制器聯絡信號，通過采取了安全設施，能應用于易燃易爆場合，因而使用非常便捷。圖5.3.2-1 DDZ-型調節器圖5.3.2-2 DDZ調節器6 控制系統的整定串級控制系統投運順序是先副環后主環，要求必須保證無擾動切換，而且應該是無平衡無擾動切換，串級控制系統常用的控制其參數整定方法有:逐步逼近法，兩步法，一步法。現介紹逐步逼近法，逐步逼近法就是在主回路斷開的情況下，求取副控制器的整定參數，然后將副控制器的參數設置在求取值的數值上，使串級控制主回路閉合求取主控制器的整定參數，再將控制器的參數設置在所求的數值上，進行整定，求出第二次副控制器的整定參數值，比較上述兩次的整定參數和控制質量，