【文章內(nèi)容簡介】 比控制一般在 ~ 合格。若用手動來控制，那么在裝置穩(wěn)定時可以收到滿意的效果，但是裝置情況將有變化，比如大的干擾發(fā)生或者處理量發(fā)生變化等，手動控制不能及時的跟蹤。這就使裝置在一段時期內(nèi)不穩(wěn)定，將必然影響該產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。.大多廠合格率僅有 43％左右，這嚴重影響了合成氨產(chǎn)量。綜合上述分析，氫氮比成為難控環(huán)節(jié)原因有二：一是該裝置的特性原因，它是一個復雜的大時滯環(huán)節(jié)；二是所用 DCS 的控制算法原因，即在 DCS 中其使用算法基本都是 PID，然而 PID 對于此大時滯的強干擾環(huán)節(jié)控制能力相當?shù)牟?。第一個原因是客觀存在，工藝與裝置是不能夠做任何的改變。因此要解決此氫氮比控制問題。只有從第二個的原因下手，所以要用好的控制方案對該環(huán)節(jié)進行一定控制。為此在理論與實踐上人們進行了許多研究工作，試用了大量方法，但是效果都不太理想。無論是從理論還是實踐來講，尋求高性能的控制策略來構(gòu)成氫氮比計算機實時控制系統(tǒng)，以改善氫氮比環(huán)節(jié)的控制。 由于上述對象的特性，決定了氫氮比控制系統(tǒng)的設計要克服大時滯和多種干擾，下面介紹幾種氫氮比控制方案，皆采用計算機控制的復雜控制回路。 幾種控制方案的介紹 氫氮比自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)本系統(tǒng)適用于以天然氣為原料的中小型合成氨系統(tǒng)，核心控制部件采用了OMRONSYSMAC 系列 PLC,上位機構(gòu)成實時監(jiān)控系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)具有控制準確、可靠性高、功能強、觀察直觀、操作簡便等優(yōu)點.系統(tǒng)功能:氫氮比的自動調(diào)節(jié)。補充氣體中，氫、甲烷的檢測和動態(tài)曲線分析。循環(huán)氣體中，氫、甲烷的檢測和動態(tài)曲線分析。合成系統(tǒng)壓力的檢測和動態(tài)曲線顯示。氣柜出口流量的檢測和動態(tài)曲線顯示。氣柜出口氫氣的檢測和動態(tài)曲線分析。工作流量的檢測和動態(tài)曲線顯示。四川理工學院畢業(yè)（設計）論文10系統(tǒng)壓力補充甲烷循環(huán)甲烷補充氫補充氫 上位機出口氣體出口氣體1爐工控2爐工控3爐工控5爐工控4爐工控氫氮比自調(diào)微機H2 分析儀H2 分析儀CH4 分析儀CH4 分析儀壓力變送器氣體流量計H2 分析儀合成氣柜測量控制裝置CH4 分析儀CH4 分析儀CH4 分析儀CH4 分析儀CH4 分析儀圖 23 氫氮比自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)系統(tǒng)原理:從合成實時采集補充氣體中的補充氫和甲烷，通過氫和甲烷分析儀到上位機檢測和分析。采集循環(huán)氣體中的循環(huán)氫、循環(huán)甲烷，通過氫分和甲烷分析儀到上位機檢測和分析。采集氣柜出口流量、氫氣成份到上位機進行檢測和分析。采集工空氣體流量到上位機進行檢測和分析根據(jù)采集到的實時樣氣中的補充氫、循環(huán)氫、氣柜出口氫、工業(yè)空氣流量、氣柜流量，經(jīng)過對數(shù)據(jù)庫的分析與比較，預測氫氮比的漲躍情況，并得出加氮量或減氮量，通過上位機給出加減氮信號，經(jīng) PLC 給出控制信號到流量控制系統(tǒng)進行實時調(diào)節(jié)，使實測曲線與最佳工況的理想曲線相吻合，從而達到氫氮比自調(diào)的目的。效益分析:利用此自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有利于轉(zhuǎn)化的平衡反應，對 COCO、殘余CHHN2 等氣體的穩(wěn)定性顯著提高。爐膛溫度、非催化溫度和觸煤層溫度波動小、穩(wěn)定?？杀苊馕锪媳仁д{(diào)、壓力波動、控制系統(tǒng)造成的超溫和析炭大幅度降低天然氣消耗，確保氫氮比穩(wěn)定，減少合成放氨量，增加合成氨產(chǎn)量。使觸煤層的壽命顯著延長。 三回路串級調(diào)節(jié)控制方案 系統(tǒng)要求 ① 氫氮比（H 2/N2）控制在 177。尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應用設計11② 該系統(tǒng)應保證：增加負荷時先加原料氣，后加空氣；減負荷時先減空氣，后減原料氣。在任何情況下，空氣不能過量，以避免二段爐超溫而燒壞觸媒。③ 當外界干擾不大于儀表全量程的 5%時，無需人為干擾，能自動調(diào)節(jié)，保證 H2/N2比在控制指標范圍內(nèi)。④ 當系統(tǒng)中的測量儀表出現(xiàn)故障或某過程的測量值超限時，系統(tǒng)應能自動切換到安全狀態(tài)（DCS 控制） ，不影響最終輸出信號。原控制方案（DCS 實現(xiàn)）圖 24 原控制方案① 合成氣的質(zhì)量分析儀 AT0 提出兩個信號 H2 和 N2，兩個信號經(jīng)過運算后得到氫氮四川理工學院畢業(yè)（設計）論文12比 H2/N2，氫氮比控制的好壞，ARC6 的 OP 值作 ARC3 調(diào)節(jié)器的 RSP（遠程給定）值。② ARC3 調(diào)節(jié)器的 PV 值來分析表的 AT1，它的前饋信號來自水碳比 W/C 比控制回路中的原料氣低選信號（前饋信號被切除） 。ARC3 的 OP 值作為 FRC3 調(diào)節(jié)器的RSP（遠程給定）值。③ FRC3 的 PV 值是由 FT10TT10PT101 通過溫壓補償運算后得來的，F(xiàn)RC3 輸出到 FV3 調(diào)節(jié)閥，控制加入系統(tǒng)的空氣量。④ PRC48 是一個獨立的單回路調(diào)節(jié)器，它的輸出控制 101J 的轉(zhuǎn)速，以保持 101J 出口壓力的穩(wěn)定。⑤ 回路的投用及切除，可按標準的串級回路進行，不必考慮切換時的平衡及擾動問題。 依據(jù)現(xiàn)場工藝及工廠所提出要求,提出了三回路串級的調(diào)節(jié)控制方案。主回路為氫氮比的控制回路。輸入量是氫氮比實際值。氫氮比的給定值是由 DCS 通過通訊方式給出，輸出作為副回路的給定值；副回路為低變出口氫含量控制回路，輸入量為低變出口的氫含量，輸出作為次副回路的給定值；次副回路為空氣流量控制回路，輸入為空氣流量，輸出值經(jīng)通訊方式直接送給 DCS，再由 DCS 送給現(xiàn)場的空氣流量控制閥，同時提出三個對回路影響較大的量作為前饋量。H /N .PV2H .N .CH24空氣原料氣 一段轉(zhuǎn)換 二段轉(zhuǎn)換 高低變 凈化 壓縮 合成氨AT0AT1ARC6ARC3FRC3TD106圖 25 氫氮比控制原理圖普里森回流FRC1根據(jù)現(xiàn)場實際情況：第一回路時滯大約是 8 到 10 分鐘，第二回路時滯大約是 10到 15 分鐘，第三回路時滯很小。因此前兩個的回路因盡量保證在不超調(diào)情況下進行很尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應用設計13慢的調(diào)節(jié)。且把前饋能加到副回路中，保證空氣的流量能及時的進行調(diào)節(jié)。在介紹完上面的氫氮比控制方案后，上面的控制方案還存在許多不足之處，所以決定采用具有采樣—前饋的串級控制系統(tǒng)，下面我來介紹一下該控制系統(tǒng)。 采樣前饋、串級氫氮比控制系統(tǒng)從圖 25 可以看出，前饋信號是負荷變化，該信號與調(diào)節(jié)器 GCI 的輸出信號相乘，不是相加，是由工藝要求決定的，實際上這是一個變比值控制方案，或者是一個負荷跟蹤控制。SP空氣壓力負荷H2/N2－副調(diào)GC1＋－＋雙向限幅主調(diào)GC1 低限高限副對象GP2主對象GP1運算單元 1運算單元 2運算單元 3圖 26 采樣 前饋、串級氫/氮比控制系統(tǒng)方塊圖從圖 26 可以看出，前饋信號是負荷變化，該信號與調(diào)節(jié)器 GCI 的輸出信號相乘，不是相加，是由工藝要求決定的，實際上這是一個變比值控制方案，或者是一個負荷跟蹤控制，用 27 圖說明其工作過程。從前向通道看是一個比值控制系統(tǒng)原料氣折合成氫量作為主物料信號，乘上一個比值系數(shù) K，就得到空氣調(diào)節(jié)閥的輸入信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)閥，以得與總氫量成正比的氮量。由于某種干擾使氫氮比偏離給定值，則通過調(diào)節(jié) GCI 的輸出信號的變化來修正比值系數(shù) K，使氫/ 氮比值回到給定上來。四川理工學院畢業(yè)（設計）論文14H 2 H /N2N 2SP－T0K GV GPGC1圖 27 比值部分方塊圖基于超馳控制軟保護思想，結(jié)合工藝過程，采取多種形式的保護措施，其中有定值雙向限幅和活限幅。定值雙向限幅是認為地將采樣調(diào)節(jié)器的輸出信號限制在規(guī)定范圍內(nèi)，以免在比值信號不正常時，副調(diào)節(jié)器的給定值不正常?；钕薹矠楸ＷC系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)而設置，即在空氣流量信號出現(xiàn)異常情況時能使空氣得流量保持在其工藝生產(chǎn)的過程中不至于停車的允許范圍內(nèi)，活限幅的低限值是由負荷量大小來確定的，高限值隨空氣壓力而變。為了克服大純滯后，采用了本身就具有抑制保護作用的采樣調(diào)節(jié)器。其基本的設計思想就是在一個適當采樣周期內(nèi)，能根據(jù)偏差來預估出整個周期需要的控制作用。然后在實際采樣的接通時間 R 這樣一個較小的時間間隔（RT0）來完成整個控制周期T0 所需要的控制作用。其余時間(T0R) 調(diào)節(jié)器保持某個適當?shù)妮敵鲋挡蛔?，等待下一個周期反映調(diào)節(jié)效果后來休正調(diào)節(jié)作用。尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應用設計15第 3 章 集散控制系統(tǒng) 集散型系統(tǒng)的歷史和發(fā)展DCS 是繼 1969 年 PLC 問世后，由 HONEYWELL 公司在 1975 年首先推出的系統(tǒng)。即：TDC2022 它只含有模擬量的控制。隨后，相繼有數(shù)十家的美國儀表公司也推出了自己系統(tǒng)。同時，由于 DCS 高額利潤，使負責制造該傳動設備的公司與計算機的公司也開始涉及 DCS 的開發(fā)、生產(chǎn)。從不同方向發(fā)展起來的 DCS 在結(jié)構(gòu)上、軟件方面有些區(qū)別。儀表公司開發(fā)的 DCS的控制器的軟件部分比較符合儀表工程人員應用的習慣，特別是組態(tài)方式比較方便。傳動公司設計的 PLC 部分比較好。計算機公司設計的 DCS 的人機界面比較友好。相繼出現(xiàn)的 DCS 有 MAXRSMODⅢ、N90、D/WDPF、MICRO、ECS1200；日本橫河的YEPARK MARKⅡ、東芝的 TOSDIC；，英國的 P4000；德國的 TELEPERM、PROCONTROL P、瑞典的 AC210 等。在硬件結(jié)構(gòu)、軟件應用和網(wǎng)絡協(xié)議方面，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，大約有三次比較大的變革。表現(xiàn)在操作站、DCS 網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線的出現(xiàn)三個方面。七十年代操作站的硬件、操作系統(tǒng)、監(jiān)控軟件都是專用的，由各 DCS 廠家自己開發(fā)的，操作站也沒有動態(tài)流程圖，只有文本顯示。通訊網(wǎng)絡的協(xié)議基本上都是采用輪詢方式的，在網(wǎng)絡上設交通指揮器。八十年代就發(fā)生變化了，通訊網(wǎng)絡較多地使用令牌方式。九十年代操作站出現(xiàn)了通用操作站，打開了 DCS 形成的自動化“孤島”。自動化“孤島”的形成，既有歷史原因，也有商業(yè)原因，而更重要的是商業(yè)原因。九十年代末 DCS 通訊網(wǎng)絡有部分開始采用以太網(wǎng)。21 世紀初 DCS 和 MIS 系統(tǒng)相結(jié)合，組成綜合管理信息系統(tǒng)。DCS的信號送到全廠和存入工廠數(shù)據(jù)庫，供管理人員查詢。MIS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，載體采用光纖網(wǎng)和電話線網(wǎng)相結(jié)合的方式。傳輸數(shù)據(jù)多的地方采用光纖，數(shù)據(jù)少的地方用電話線，很像公共交通中的高速公路和國道聯(lián)合使用一樣。稱為對稱數(shù)字訂戶線（SDSL）技術(shù)。國內(nèi)已有非對稱數(shù)字訂戶線（ADSL）技術(shù)?？偟膩砜?，DCS 本身的 I/O 板變化主要體現(xiàn)在 I/O 板 A/D 的轉(zhuǎn)換位數(shù)。操作站的變化體現(xiàn)在軟、硬件的改變，通訊網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、協(xié)議的改進。控制器相對來講變化要小的多。它只是由于芯片水平的提高而作一些調(diào)整。功能塊的算法和組態(tài)方式是不變的。操作站主要表現(xiàn)在由專用機變化到通用機，監(jiān)控軟件由專用逐漸變化到通用。如普通微機（PC 機）和小型機、FIX 和 INTOUCH用于操作站。專用操作站的硬件在 90 年代初就被淘汰。四川理工學院畢業(yè)（設計）論文16后來專用操作系統(tǒng)也被淘汰。目前許多 DCS 系統(tǒng)的操作系統(tǒng)采用 UNIX 或其變種，也有中、小系統(tǒng)采用 NT。相比較來看，UNIX 的穩(wěn)定性要好一些，采用 NT 系統(tǒng)死機現(xiàn)象發(fā)生較多。DCS 的另一個重要發(fā)展是：現(xiàn)場總線作為控制器的輸入、輸出。把現(xiàn)場總線作為DCS 的輸入、輸出板，目的是解決遠程信號的數(shù)據(jù)傳輸問題。如把 HART 總線做成 DCS的一種輸入板，可以有 16 個變送器連接在 HART 總線上。又如 LONWORKS 總線作為MOORE 的 353 回路控制器的輸入、輸出。把兩個控制回路的控制器的控制回路增加到25 個控制回路。同時還能有 100 個開關(guān)量。變送器、執(zhí)行機構(gòu)和 DCS 的控制器的距離可達 1 公里以上。不僅解決了遠程信號的數(shù)據(jù)傳輸問題，還節(jié)省了連接電纜。 系統(tǒng)概要DCS 即所謂的分布式控制系統(tǒng)，也稱為集散控制系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機控制系統(tǒng)。在本次設計中我選用了國內(nèi)和利時公司開發(fā)的HS2022。HS2022 系統(tǒng)是一套分層分布式的大型綜合控制系統(tǒng)，它通過多層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡將各種不同的設備掛在一起，實現(xiàn)各部分信息共享和協(xié)調(diào)工作，從而完成綜合控制與管理功能。系統(tǒng)適用于生產(chǎn)設備，生產(chǎn)裝置或生產(chǎn)過程以及工廠，企業(yè)的綜合生產(chǎn)過程管理的控制。 系統(tǒng)構(gòu)成HS2022 系統(tǒng)分為三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，不同的網(wǎng)絡適應不同層次和規(guī)模的控制和管理任務，這種分層結(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng)的整體可靠性和效率，也使得系統(tǒng)的配置更為靈活，適應于各種規(guī)模的控制和管理場合。 系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元(1) 現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站主要由主控軟件和輔助組件構(gòu)成。主控組件包括主控模塊，I/O 模塊，系統(tǒng)電源模塊，總線底板的插件箱。輔助組件除不包括主控模塊外，其余部分和主控組件一樣?，F(xiàn)場控制站主要完成現(xiàn)場信號的輸出輸入及回路控制。一個現(xiàn)場控制站由一個主控組件及 0～～～3 個輔助組件構(gòu)成。(2) 操作員站尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應用設計17操作員站由工控機（IPC ）及操作員站軟件構(gòu)成，它主要完成系統(tǒng)與操作員之間的人機界面功能，包括現(xiàn)場狀態(tài)的顯示，報警，報表及操作命令的執(zhí)行等功能。(3) 工程師站工程師站由 IBM PC 兼容微機及工程師組態(tài)軟件構(gòu)成，它主要完成 HS2022 系統(tǒng)的配置，控制回路組態(tài)及下裝目標運行系統(tǒng)到操作員站和現(xiàn)場控制站的功能。工程師站中裝載了操作員軟