1、遼 寧 工 業 大 學 過程控制系統 課程設計（論文）題目： 精餾塔溫度控制系統設計 院（系）： 電氣工程學院 專業班級： 自動化093 學 號： 090302074 學生姓名： 楊昌寶 指導教師： （簽字）起止時間： 課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：自動化 學 號090302074學生姓名楊昌寶專業班級093課程設計（論文）題目精餾塔溫度控制系統設計課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現功能在精餾塔的精餾過程中，由蒸汽加熱塔釜底部留出液體，變為蒸汽與進料逆向流動進行熱交換，其間需要控制提餾段的溫度恒定。液體進料量是隨上游產量變化，波動較大；

2、試設計精餾塔提餾段溫度控制系統，采用適合的控制算法，輸入設定溫度值，并實時顯示當前溫度。設計任務及要求1、確定控制方案并繪制P&ID圖、系統框圖；2、選擇傳感器、變送器、控制器、執行器，給出具體型號和參數；3、確定控制器的控制規律以及控制器正反作用方式；4、若設計由計算機實現的數字控制系統，應給出系統硬件電氣連接圖及程序流程圖；5、在實驗室進行計算機軟件仿真，并給出仿真結果；6、按規定的書寫格式，撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在4000字以上。技術參數測量范圍：01000；控制溫度：6505； 最大偏差：10。進度計劃1、布置任務，查閱資料，理解掌握系統的控制要求。（2天，分散完成）2

3、、確定系統的控制方案，繪制P&ID圖、系統框圖。（1天，實驗室完成）3、選擇傳感器、變送器、控制器、執行器，給出具體型號和參數。（2天，分散完成）4、確定控制器的控制規律、控制器正反作用方式以及保證系統無余差。（實驗室1天）5、仿真分析或實驗測試、答辯。（3天，實驗室完成）6、撰寫、打印設計說明書（1天，分散完成）指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要隨著石油化工的迅速發展，精餾操作的應用越來越廣，分流物料的組分越來越多，分離的產品純度越來越高。采用提餾段溫度作為間接質量指標，它能夠

4、較直接地反映提餾段產品的情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地確保塔底產品的質量達到規定值。所以，在以塔底采出為主要產品、對塔釜成分要求比對餾出液高時，常采用提餾段溫度控制方案。由于精餾塔操作受物料平衡和能量平衡的制約，鑒于單回路控制系統無法滿足精餾塔這一復雜的、綜合性的控制要求，設計了基于串級控制的精餾塔提餾段溫度控制系統。精餾塔的大多數前饋信號采用進料量。當進料量來自上一工序時，除了多塔組成的塔系中可采用均勻控制或串級均勻控制外，還有用于克服進料擾動影響的控制方法前饋反饋控制。前饋控制是一種預測控制，通過對系統當前工作狀態的了解，預測出下一階段系統的運行狀況。如果與參考值有偏差，那么就提前給

5、出控制信號，使干擾獲得補償，穩定輸出，消除誤差。前饋的缺點是在使用時需要對系統有精確的了解，只有了解了系統模型才能有針對性的給出預測補償。但在實際工程中，并不是所有的干擾都是可測的，并不是所有的對象都是可得到精確模型的，而且大多數控制對象在運行的同時自身的結構也在發生變化。所以僅用前饋并不能達到良好的控制品質。這時就需要加入反饋，反饋的特點是根據偏差來決定控制輸入，不管對象的模型如何，也不管外界的干擾如何，只要有偏差，就根據偏差進行糾正，可以有效的消除穩態誤差。解決前饋不能控制的不可測干擾。 前饋反饋綜合控制在結合二者的優點后，可以提高系統響應速度關鍵詞：提餾段 溫度 前饋-反饋 串級控制目

6、錄第1章 緒 論1第2章 控制方案22.1 概述22.2系統組成的總體結構2第3章 系統儀表選擇73.1 檢測變送器的原理73.1.1 溫度變送器的選擇73.1.2 流量變送器的選擇83.1.3 液位變送器的選擇93.2 執行器的選擇103.3 調節器的選擇103.4 調節器與執行器、檢測變送器的選型11第4章 系統仿真134.1串級控制系統matlab仿真分析134.2液位控制系統仿真分析14第5章課程設計總結16參考文獻17第一章 緒論精餾操作是煉油、化工生產過程中的一個十分重要的環節。精餾塔的控制直接影響到工廠的產品的質量、產量和能量的消耗，因此精餾塔的自動控制長期以來一直受到人們的高度

7、重視。精餾塔是一個多輸入多輸出的對象，它由很多級塔板組成，內在機理復雜，對控制要求又大多較高。這些都給自動控制帶來一定的困難。同時各塔工藝結構特點有千差萬別，這需要深入分析特性，結合具體塔的特點，進行自動控制方案設計和研究。精餾塔的控制最終目標是：在保證產品質量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使總收益最大。在這個情況為了更好實現精餾的目標就有了提餾段溫度控制系統的產生。按提餾段指標的控制方案：當塔釜液為主要產品時，常常按提餾段指標控制。如果是液相進料，也常采用這類方案。這是因為在液位相進料時，進料量的變化，首先影響到塔底產品濃度，塔頂或精餾段塔板上的溫度不能很好地反映濃度的變化，所以采用提

8、餾段控制溫度比較及時。另外如果對釜底出料的成分要求高于塔頂出料，塔頂或精餾段板上溫度不能很好反映組分變化和實際操作回流比大于幾倍最小回流比時，可采用提餾段控制。提餾段溫度是衡量質量指標的間接指標，而以改變再沸器加熱量作為控手段的方案，就是提餾段溫控。第2章 課程設計的方案2.1概述本次設計主要是綜合應用所學知識，設計精餾塔提餾段溫度控制系統，能夠較全面地鞏固和應用過程控制系統課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握精餾塔提餾段溫度控制系統設計的基本方法。應用場合: 主要使用于精餾塔提餾段溫度控制對塔底產品成分的要求比對塔頂產品成分的要求嚴格全部為液相進料塔頂或精餾段溫度不能很好的反應組成的變

9、化，即組成變化時，精餾段塔板溫度變化不顯著，或進料含比塔頂產品更輕的影響溫度和成分關系的輕雜質。采用回流控制時，回流量較大，它的微小變化對產品成分影響不顯著，而變化較大又會影響精餾塔平穩操作的場合。系統功能介紹: 影響精餾塔溫度不穩定的因素主要是來自外界來的干擾（如進料流量，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靈敏板的溫度來控制的。靈敏板是當外界條件或負荷改變時精餾塔內溫度變化最靈敏的一塊塔板。以往調節只是采用靈敏板溫度調節器單一回路調節，調節反應慢，時間滯后，對精餾操作而言，產品的純度很難保證。精餾塔是一個多輸入多輸出的對象，它由很多級塔板組

10、成，內在機理復雜，對控制要求大多較高。精餾塔的控制最終目標是：在保證產品質量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使總收益最大。在這個情況為了更好實現精餾的目標就有了提餾段溫度控制系統的產生。 2.2.系統組成的總體結構精餾塔的控制目標應是：在保證產品質量合格的前提下，使塔的總收益（利潤）最大或成本最小。具體對一個精餾塔來說，需從四個方面考慮，設置必要的控制系統。（1）產品質量指標控制 塔頂或塔底產品之一合乎規定的分離純度，另一端產品成分應維持在規定的范圍內。在某些特定的條件下也有要求塔頂和塔底產品均保證一定純度的要求。（2）產品產量符合物料平衡原則，塔頂、塔底的平均采出量應等于平均進料量，而且

11、這兩個采出量的變動應該比較緩和，以維持塔的正常平穩操作，以及上下工序的協調工作。為此，必須對冷凝液罐（回流罐）和塔釜液位進行控制，使其介于規定的上、下限之間。（3）能量平衡控制 應使精餾塔的輸入、輸出能量維持平衡，使塔的操作壓力維持穩定。實現較好的經濟性。（4）約束條件控制為保證精餾塔正常而安全穩定地運行，必須使某些操作限制在約束條件之內。常用的精餾塔限制條件有氣相速度限、最小相速度限、操作壓力限和臨界溫差限等。所謂氣相速度限，即塔內氣相上升速度過高時，霧沫夾帶十分嚴重，實際上液相將從下面塔板倒流到上面塔板，產生泛液，破壞正常操作。最小相速度限，精餾塔上升蒸汽速度的最小限值。當上升蒸汽速度過低

12、時，上升蒸汽不能托起上層的液相，造成漏液，使板效率下降，精餾操作不能正常進行。 操作壓力限，每個精餾塔都存在著一個最大操作壓力限，精餾塔的操作壓力過大，影響塔內的氣液平衡，超過這個壓力，塔的安全就沒有保障。 臨界溫差限主要是指再沸器兩側的溫差限度，當這一溫差低于臨界溫差時，給熱系數會急劇下降，傳熱量會隨之下降，將不能保證塔的正常傳熱的需要。2.2.1控制方案的選擇由于精餾塔是以復雜控制系統，根據不同的控制要求，控制方案多種多樣。方案一： 提餾段前饋反饋控制其P&ID圖如下圖所示：圖2.1提餾段前饋反饋控制 精餾塔提餾段溫度為主被控變量、再沸器蒸汽流量為副被控變量的串級控制系統和進料量為前饋信號

13、組成的相乘型前饋反饋控制系統。從前饋原理角度看，反饋信號來自提餾段溫度，前饋信號來自進料流量，反饋信號和前饋信號進行相乘運算，運算結果作為再沸器加熱蒸汽流量控制器的設定。從比值控制原理角度看，進料流量與加熱蒸汽量應保持一定比值關系，當提餾段溫度有偏差時應調整該比值。在前饋-反饋控制回路中，根據安全運行準則，當系統出現故障時，蒸汽閥門應處于關閉狀態，所以選擇閥門1為氣開閥，所以。根據工藝條件確定副被控對象的特性。閥打開，蒸汽量增加，可確定。根據負反饋準則，選反作用控制器，即：。蒸汽量增加，提餾段溫度升高，。根據負反饋準則，選反作用控制器，即。副控制器是反作用，主控制器從串級切換到主控時，主控制器

14、的作用方式不變。前饋-反饋控制部分的結構框圖如圖下圖所示圖2.2 系統結構框圖方案二： 如下圖所示在蒸汽輸入端引入串級控制系統，在塔釜出料端引入選擇性控制系統。其P&ID圖如下圖所示 圖2.3 精餾塔提餾段復雜控制系統蒸汽輸入端串級控制系統串級控制系統就是兩只調節器串聯起來工作，其中一個調節器的輸出作為另一個調節器的給定值的系統。整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節器、調節閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括

15、在副回路范圍內的擾動。為了提高精餾效率和保證產品純度，我們采用靈敏板溫度調節器與再沸器加熱蒸汽流量調節器串級控制系統來對靈敏板溫度進行控制。其中靈敏板溫度調節器是主調節器，再沸器加熱蒸汽流量調節器是副調節器，對映的主被控變量為提餾段溫度，副被控變量為蒸汽流量。串級控制部分的結構框圖如圖下圖所示 圖2.4 串級控制部分結構框圖在串級控制回路中，根據安全運行準則，當系統出現故障時，蒸汽閥門應處于關閉狀態，所以選擇閥門1為氣開閥，所以。 根據工藝條件確定副被控對象的特性。閥打開，蒸汽量增加，可確定。 根據負反饋準則，選反作用控制器，即：。蒸汽量增加，提餾段溫度升高，。 根據負反饋準則，選反作用控制器

16、，即。副控制器是反作用，主控制器從串級切換到主控時，主控制器的作用方式不變。通過實際改造和使用，串級控制系統增加副控制回路，是控制系統性能得到改善，表現在下列方面。1、抗干擾性強。由于主回路的存在，進入副回路的干擾影響大為減小。同時，由于串級控制系統增加了一個副回路，具有主、副兩個調節器，大大提高了調節器的放大倍數，從而也就提高了對干擾的克服能力，尤其對于進入副回路的干擾。表現更為突出。2、及時性好。串級控制對克服容量滯后大的對象特別有效。3、適應能力強。串級控制系統就其主回路來看，它是一個定值控制系統，但其副回路對主調節器來說，卻是一個隨動控制系統，主調節器能夠根據對象操作條件和負荷的變化情

17、況不斷糾正副調節器的給定值，以適應操作條件和負荷的變化。4、能夠更精確控制操縱變量的流量。當副被控變量是流量時，未引入流量副回路，控制閥的回差、閥前壓力的波動都會影響到操縱變量的流量，使它不能與主控制器輸出信號保持嚴格的對應關系。采用串級控制系統后，引入流量副回路，使流量測量值與主控制器輸出一一對應，從而能夠更精確控制操縱變量的流量。通過采用串級控制系統，塔釜溫度控制更加平穩，產品純度很高，隨著控制系統軟件和硬件的不斷發展和完善，計算機集散型控制系統的應用和普及，精餾塔的分離質量將會越來越好，分離精度也將會越來越高。第3章 系統儀表選擇3.1 檢測變送器的原理檢測變送環節的作用是將工業生產過程

18、的參數（流量、壓力、溫度、物位、成分等）經檢測、變送單元轉換為標準信號。在模擬儀表中，標準信號通常采用4-20mA,1-5V,0-10mA電流或電壓信號，20-100kPa氣壓信號；在現場總線儀表中，標準信號為數字信號。圖3-1為檢測變送環節的工作原理 圖3.1 檢測變送環節工作原理圖 檢測元件和變送器的基本要求是準確、迅速和可靠。準確指檢測元件和變送器能正確反映被控或被測變量，誤差應??；迅速指能及時反映被控或被測變量的變化；可靠是檢測元件和變送器的基本要求，它應能在環境工況下長期穩定運行。 溫度變送器的選擇一、溫度變送器介紹 SBWR系列熱電偶溫度變送器是DDZ-S系列儀表中的現場安裝式溫度

19、變送器單元。它采用二線制傳送方式（兩根導線作為電源輸入，信號輸出的公用傳輸線）。將熱電偶信號變換成與輸入信號或與溫度信號成線性的420mA的輸出信號。 變送器可以安裝于熱電偶的接線盒內與之形成一體化結構。它作為新一代測溫儀表可廣泛應用于冶金、石油、化工、電力、輕工、紡織、食品、國防以及科研等工業部門。二、特點 1采用硅橡膠密封結構，因此耐震，耐濕，適合在惡劣現場環境中安裝使用。 2現場安裝于熱電偶的接線盒內，直接輸出420mA，這樣既省去昂貴的補償導線費用，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。 3變送器具有輸入端開路指示功能，熱電偶溫度變送器具有冷端溫度自動補償功能。 4精度高、功耗低、

20、使用環境溫度范圍寬，工作穩定可靠。 5應用面廣，既可與熱電偶形成一體化現場安裝結構，也可作為功能模塊安裝在檢測設備中。 6智能型溫度變送器可使用帶HART協議的通訊設備、一臺PC機，設置變送器的型號、分度號及被測溫度的量程范圍。 7數顯型溫度變送器可按用戶實際需要調整變送器顯示屏的顯示方向。三、主要技術指標輸入：熱電偶 K型、E型、B型、S型、T型、J型、N型輸出：在量程范圍內輸出420mA直流信號。與熱電偶輸入的毫伏信號成線性；或與溫度信號成線性。 隔離溫度變送器，輸入與輸出相隔離，隔離電壓為0.5KV增加抗共模干擾能力，更適合計算機聯網使用?；菊`差：*0.5FS傳送方式：二線制顯示方式：

21、（數顯型）LCD四位顯示，熱電偶開路時顯示E標志且輸出大于20mA。工作電源：變送器工作電源電壓最低12V，最高35V，額定工作電壓24V。負 載：極限負載電阻按下式計算：RL(max)=50(Vmin-12)（即24V時，負載電阻可在0600范圍內選擇用）額定負載250。正常工作環境：a）環境溫度250C800C（常規型）250C700C（數顯型）b）相對濕度595c）機械振動f50Hz，振幅 0.15mmd）周圍空氣中不含有對鉻、鎳鍍層、有色金屬及其它合金起腐蝕作用的介質。環境溫度影響：0.05/10C 流量變送器的選擇本系統選擇電磁流量計TI046D，法拉第電磁感應定律指出，導體在磁場中

22、運動時會產生感應電壓。在電磁儀表中，流動介質相當于運動的導體。與流速成比例的感應電壓用兩個測量電極檢出并傳送到放大器。流體體積根據管道直徑進行計算，恒定磁場由交變極性的開關直流電流產生。工作原理如圖3.2所示 圖3.2 電磁流量計的測量原理Ue = B L vQ = A vUe = 感應電壓B = 磁感應強度（磁場）L = 電極間距V = 流速Q = 體積流量A = 管道截面積I = 電流強度該流量計電源為3-30V的直流電，測量范圍0.01 10 m / s，輸出可選擇電流輸出或脈沖輸出。在本系統中選擇電流輸出，其大小為4 - 20 mA。 液位變送器的選擇本系統選擇YSB型液位變送器，YS

23、B型液位變送器分一體式液位變送器和分體式液位變送器，采用24V直流供電，具有420mADC兩線制或15VDC三線制標準信號輸出。它采用先進的壓阻式硅傳感器，具有體積小，重量輕，安裝、調試和使用方便等優點。廣泛試用于：油田、煤油廠、化工廠、水處理廠、水庫油井、油罐、水箱、水罐、水處理池、供水池、配水池等無腐蝕性、腐蝕性靜態、動態液體的液位測量和控制。壓阻式硅傳感器，其敏感部件是由沉積硅制成的惠斯登電橋，橋路電阻沉積在基片上，由于二者材料特性相同，所以漂移極小，非常穩定，且使用激光刻蝕的電阻實現070范圍內的整體溫度補償功能并進行校準，無需外部電阻。3.2 執行器的選擇 執行器位于控制回路的最終端

24、，因此，又稱為最終元件。執行器直接與被控介質接觸，在高低溫、高壓、腐蝕性、粉塵和爆炸性環境運行時，執行器的選擇尤為重要。控制器的動作是由調節器的輸出信號通過各種執行機構來實現的，在由電信號作為控制信號的控制系統中，目前廣泛使用的是以下三種控制方式：1 按動力來源分，有氣動和電動兩大類；2 按動作極性分，有正作用和反作用兩大類；3 按動作特性分，有比例和積分兩大類。本系統采用智能直行程電動調節閥，用來對控制回路的流量進行調節。電動調節閥的型號為QSVP-16K。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執行機構一體化、可靠性強、操作方便等優點。電源為單相220V，控制

25、信號為4-20mA或1-5VDC，輸出為4-20mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。3.3 調節器的選擇調節器是系統的大腦和指揮中心，是整個控制系統的核心所在，輸入信號進入調節器，并且按照調節器的控制規律進行計算，即進行大腦的信號處理，運算處理的結果作為輸出信號控制執行機構的動作，完成指揮控制系統的任務。本系統選擇DDZ-型PID調節器。DDZ-型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應了大型工業生產的防爆要求。DDZ-型儀表具有以下主要特點：（1）采用國際電工委員會（IEC）推薦的統一信號標準，現場傳輸信號為DC 4-20mA，控制室聯絡信號為DC

26、 1-5V，信號電流與電壓的轉換電阻為250。（2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。（3）整套儀表可構成安全火花型防爆系統。DDZ-型儀表室按國家防爆規程進行設計的，而且增加了安全柵，實現了控制室與危險場所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險的場所中使用。DTZ-2400 DDZ-型PID調節器的接線端子圖如圖3.3,主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。調節器接收變送器送來的測量信號(DC 4-20mA或DC 1-5V），在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在PD與PI電路中進行PID運算，

27、最后由輸出電路轉換為4-20mA直流電流輸出。圖3.3 DTZ-2400 DDZ-型PID調節器的接線端子圖 DTZ-2400儀表技術參數:1、輸入信號： 15V.DC2、內給定信號：15V.DC3、外給定信號：420mA.DC4、調節作用： 比例+積分+微分；比例帶：2500%； 積分時間：0.012.5分；微分時間：0.0410分（可切除）5、輸入、給定指示表： 指示范圍：0100%；誤差：1%6、輸出指示表：指示范圍：0100%；誤差：25%7、輸出信號：420mA.DC3.4 調節器與執行器、檢測變送器的選型調節器、執行器、變送器的控制信號均采用國際標準信號制，即420mA直流電流和15V直流電壓。信號電流和電壓的轉換電