【正文】 F3 FT1003 回路 流量 1 Kg/h F4 FT1004 回路 流量 2 Kg/h F5 FT1005 D101 廢氣 進 反應器流量 Kg/h F6 FT1006 D101 催化劑流量 Kg/h F7 FT1007 廢氣出料流量 Kg/h T1 TT1001 H101 電加熱器溫度 ℃ T2 TT1002 D101 反應器 溫度 ℃ 表 32 被控變量 本科畢 業(yè)設計 14 操縱變量 位號 名稱 備注 V1 V01 廢氣 進料流量調節(jié)閥 / V2 V02 管道 流量調節(jié)閥 1 / V3 V03 管道 流量調節(jié)閥 2 / V4 V04 催化劑進料閥 / 電壓 V05 電壓調節(jié)器 用電路控制 表 33 操縱變量 閥門特性選取 選擇控制閥工作流量特性的目的是通過控制閥調節(jié)機構的增益來補償因對象增益變化而造成開環(huán)總增益的變化的影響。 回路說明 控制目標 E101 流量 控制 控制 進氣流量相對恒定，保證熱交換后的溫度達到一定值 H101 加熱溫度 控制 保證加熱溫度恒定 D101 催化劑 進料量控制 保證 催化劑進料量，控制產品質量 D101 溫度 控制 保證 塔溫 相對恒定 管道流量控制 保證 管道流量 相對恒定 節(jié)能控制 在滿足工藝要求的同時，盡量降低能耗 安全控制 保證工序的正常安全運行，故障報警 表 31 正常工況回路說明與控制目標 被控變量與操作變量的選擇 分析系統(tǒng)的控制要求與控制目標，可知 反應器溫度 、 壓力，廢氣進料量 ， 電加熱器溫度 ，等為被控變量。 本科畢業(yè)設計 12 第四章 控制方案儀表硬件選型 13 第三章 催化燃燒 工藝控制方案設計 控制目標分析 在正常工況過程中，根據工藝要求和裝置特性 可以設計催化燃燒 工藝控制方案可將控制任務分為四大部分：正常工況回路說明與控制目標常規(guī)回路控制；節(jié)能控制；安全控制。 催化劑進料的流量 催化劑濃度影響著催化燃燒的反應速率， 催化劑實質上是參加了化學反應的，我所以在反應物充分的條件下，催化劑的量越多，濃度越高，與反應物接觸的量就越多，單位時間內產生的中間物就越多，得到的最后產物就越多，但前提必須是加入的所有催化劑都要與反應物能充分接觸，才會使 化學反應速率 越大。進料溫度一般是可控可測的，多數情況下，進料溫度較恒定，因此控制策略是不進行控制。因此，控制策略是盡量控制上一工序的操作，從外圍入手，使進料成分保持恒定見小其變化對于 后續(xù)催化燃燒反應 的影響 [1]。 進料流量影響物料平衡，也影響能量平衡。當進料流量需要定值控制時，從工藝的角度看，有時需要增加中間儲罐或者容器，以便緩沖上一工序的出料量。 進料流量與進料成分 進料流量是上工序的出料，因此，通常是不可控但可測的，當進料流量變化較大時，對 后續(xù) 的操作會造成很大的影響。物料平衡和能量平衡之間有相互影響。影響物料平衡的因素主要包括進料量和進料成分的變化 及催化劑進料 的變化。 催化燃燒 工藝擾動分析 和其他化工過程一樣， 燃燒 過程是在一定物料平衡和能量平衡的基礎上進行的。當手動調整閥門時，流量在較短時間內就能變化完畢，反應比較靈敏。由于噪聲頻率很高，雖然幅度變化不大，但若加上微分控 制器其輸出容易出現波動，反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。噪聲是一種頻率很高，變化無常的流體本科畢業(yè)設計 10 流動。這是由于管道中的流動正常時都呈現湍流狀態(tài)，流量雖然平穩(wěn)，流體內部卻在騷動。 流量特性 在此工藝裝置中，流量檢測包括 廢氣進料濃度，廢氣進催化燃燒反應器流量等。對于前者而言，管道容積較小，時間常數較小，控制比較靈敏，一般不需要加入微分作用。 壓力特性 在此裝置中，壓力的檢測包括各個泵口的壓力以及 反應器 的壓力。因此，征對溫度遲滯大的特性，我們要在溫度控制系統(tǒng)中增加微分作用。一般來說，溫度的慣性很大，容量滯后大，有的過程時間常數能達十幾分鐘。 溫度特性 在此工藝裝置中，溫度檢測包括進出 廢氣出電加熱器的 溫度， 催化燃燒反應器 的溫度。 整個裝置主要涉及到的工藝參數為：溫度，流量，壓力等。 其主要設備為：催化燃燒反應器 1個，板式換熱器 1 個，電加熱器 1 個。催化燃燒處理后高溫尾氣將熱量傳遞給處理的低溫尾氣后，經尾氣洗滌塔洗滌后由尾氣洗滌塔放空煙囪排入大氣。不同的評估用客戶機、開放性接口 (開放性數據庫接口： ADO， OLEDB，SQL；編程接口： VBScript 和有訪問 COM 對象模型和 API 功能的 ANS I C)以及各種任選件 (WinCC/Dat Monitor, WinCC/Connectivity Pack， WinCC, Industrial Data Bridge)構成了靈活而高效的集成 監(jiān)控平臺 的基礎 ， 這樣就可以與生產和公司管理層軟件 (MES 和 ERP)相連接 。 WinCC 提供了所 有最重要的通訊通道，用于連接到 SIMATIC S5/S7/505 控制器 (例如通過 S7 協(xié)議集 )的通訊，以及如 PROFIBUSDP/ FMS、 DDE(動態(tài)數據交換 )和 OPC， (用于過程控制的 OLE)等非專用通道；亦能以附加件的形式獲得其它通訊通道。 WinCC 監(jiān)控平臺設計軟件有著 通用的應用程序，適合所有工業(yè)領域的解決方案； 擁有 多語言支持，全球通用 ； 它 可以集成到所有自動化解決方案內 ， 內置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進行組態(tài) ， 可基于 Web 持續(xù) 延展，采本科畢業(yè)設計 6 用開放性標準，集成簡便； 而且它 集成的 Historian 系統(tǒng) 可以 作為 IT 和商務集成的平臺 ， 可用選件和附加件進行擴展，適用于所有工業(yè)和技術領域的解決方案。 WinCC 是一個功能強大、接口豐富的監(jiān)控系統(tǒng)，既可以用來完成小規(guī)模、簡單的過程監(jiān)控應用，也可以用來完成復雜的應用。它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面和簡潔的使用方法，其設置的各種軟件模塊可以非常容易的實現和完成監(jiān)控層的各項功能，為自動化工程技術人員提供了一種設計控制策略及控制界面的工具。隨著工業(yè)自動化水平的提高，以及計算機技術的廣泛 應用，人們對工業(yè)監(jiān)控軟件的通用性和靈活性提出了更高的要求。隨著 OPC 技術的廣泛應用，國內流行的監(jiān)控組態(tài)軟件，如 RSVIEW3 Ifix、 WinCC、 MCGS、 Kingview 等全面支持 OPC 技術，即這些組態(tài)軟件提供了可以訪問數據庫的 OPC 服務器，任一客戶端無需了解接口特性，只要按照 OPC 規(guī)范編寫客戶端服務程序即可讀取和寫入監(jiān)控組態(tài)軟件實時數據庫中的數據。 在工業(yè)過程的實際應用中，大多數監(jiān)控組態(tài)軟件都擁有開發(fā)商自主開發(fā)的專有實時數據庫和歷史數據庫。 OPC以其獨有的開放性、互連性、高效性和產業(yè)性占據了主導地位。大量的文獻表明了采用 DDE 數據交換技術實現組態(tài)軟件和 MALAB 的數據通信的有效性。該版本的核心在于引入了新一代的代碼生成產品： MATLAB Coder、 Simulink Coder 和 Embedded Coder。 MATLAB 所具備的強有力的計算功能和圖形表現，以及各種工具箱提供的豐富的專用函數，為設計研究人員避免重復繁瑣的計算和編程，更快、更好、更準確地進行控制系統(tǒng)分析和設計提供了極大的幫助。它集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便、界面友好的用戶環(huán)境。然而在眾多控制系統(tǒng)設計與仿真軟件中， MATLAB 以其強大的計算功能、豐富方便的圖形功能、模塊化的計算方法，以及動態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink，脫穎而出成為控制系統(tǒng)設計和仿真領域中的佼佼者，同時也成為了當今 最流行的科學工程語言 [5,6]。我國的科學工作者和教育工作者也逐漸認識到 MATLAB 語言的重要性，并且在很多高校的本科 自動控制原理實驗教學中得到應用 [2,3,4]。例如，溫度或帶壓力補償的溫度等作為間接質量指標，操縱變量可以采用進料量，冷卻劑量或加熱劑量，也可以采用進料溫度等進行外圍控制 [1]。 3）反應器冷卻劑量或加熱劑量的控制 當反應物量穩(wěn)定后，由反應物帶入反應器的熱量就基本恒定，如果能夠控制放熱反應器的冷卻劑量或吸熱反應器的加熱劑量，就能夠使反應過程的熱量平衡，使副反應減少，及時地移熱或加熱，有利于反映向正方向進行，因此，可采用對冷卻劑量或加熱劑量進行定值控制或將反應物量作為前饋信號組成前饋 反饋控制系統(tǒng)。 2）流量的比值控制 多個反應物料之間的配比恒定是保證反應向正方向進行所必需的，因此，不僅要靜態(tài)保持相應的比值關系，還需要在動態(tài)時保證相應的比值關系，有時，需要根據反應的轉化率或溫度等指標及時調整相應的比值。通常，穩(wěn)定外圍的控制一句物料平衡和能量平衡進行，采用的基本控制方法 如下： 1）反應物流量的控制 為保證進入反應器物料的恒定，可采用參加反應物料的定值控制，同時，控制生成物流量，使由反應物帶入反應器的熱量和由生成物帶走的熱量也能夠平衡。 化學反應器的基本控制策略 影響化學反應的擾動主要來自外部，因此控制外圍是反應器控制的基本控制策略。預熱廢氣的熱源溫度一般都超過催化劑的活性溫度。當催化反應 開始后，可盡量以回收的反應熱來預熱廢氣。預熱裝置加熱后的熱氣可采用換熱器和床層內布管的方式。因為催化劑都有一個催化活性溫度，對催化燃燒來說催化劑是起燃溫度，必須使廢氣和床層的溫度達到起燃溫度才能進行催化燃燒，因此，必須設置預熱裝置。 : 為了避免催化劑床層的堵塞和催化劑中毒， 廢氣在進入床層之前必須進行預處理，以除去廢氣中的粉塵、液滴及催化劑的毒物。 3)催化燃燒的工藝組成：不同的排放場合和不同的廢氣，有不同的工藝流程。例如反應 A+B→ C 是通過中間活性結合物 (AB)過渡而成的，即： A+B→ [AB]→ C，其反應速度較慢。 2)催化作用機理：在一個化學反應過程中，催化劑的加入并不能改變原有的化學平衡，所改變的僅是化學反應的速度，而在反應前后，催化劑本身的性質并不發(fā)生變化。 本科畢業(yè)設計 2 催化燃燒 基本原理 催化燃燒是借助催化劑在低溫下 (200～ 400℃ )下，實現 對有機物的完全氧化，因此，能耗少，操作簡便，安全，凈化效率高，在有機廢氣特別是回收價值不大的有機廢氣凈化方面，比如化工，噴漆、絕緣材料、漆包線、涂料生產等行業(yè)應用較廣，已有不少定型設備可供選用。雖然仿真代替不了實際中的生產情況，但可以模擬、驗證該方案的可行性。 但由于催化燃燒過程會有大量易燃易爆化學氣體，且往往采用高溫高壓操作方式，因此實驗室很難建立實驗裝置展開相關的工程應用研究。直接燃燒是通過 800～ 900 ℃ 高溫直接氧化尾氣中的有害物質為 CO2和水，脫除效率可超過 99%， 但直接燃燒成本價高 ；催化燃燒是借助于催化劑的作用，使有害物質的分解溫度降低到 280～ 450 ℃ ，催化燃燒法具起燃溫度較低、氧化溫度低、能耗低、效率高， NOx生成量極少，無二次污染物 等優(yōu)點 。 PTA氧化尾氣中 VOCs（ 揮發(fā)性有機化合物 ） 含量為中、低濃度，若采用 回收技術法 ，存在處理效率低、裝置體積大、成本高等缺點。 由石油化工、輕工、印刷行業(yè)以及機動車發(fā)動機排出的揮發(fā)性有機化合物（ Volatile anic pounds，簡稱 VOCs）廢氣，已成為大氣中的重要污染源之一。再 運用 OPC 通訊技術實現了 MATLAB 與 WinCC 間數據的實時交換。并根據系統(tǒng)的特性與要求選擇，確定自動閥門的流量特性與 氣動特性。本 論文以 低濃度有機廢氣過程 為研究對象， 進行工藝過程自動控制部分設計，研究內容如下： 1. 本文針對低濃度有機廢氣催化燃燒 工藝流程 ，認真 分析 催化燃燒反應器、換熱器的 機理特性， 合理確定自動控制回路的被控變量與操縱變量配對模式，分別采用 PID 控制策略、前饋控制和串級控制策略設計了控制過程方案。I 畢業(yè)設計 (論文 ) 課題名稱 低濃度有機廢氣催化燃燒 工藝過程自動控制設計 院（系） 專 業(yè) 姓 名 學 號 指導教師 2020 年 5 月 25 日I 低濃度有機廢氣催化燃燒工藝過程 自動控制設計 摘要 PTA 氧化反應尾氣是 PTA 裝置排出的數量最大的有害氣體， 其中 VOCs的含量為 中、低濃度 ， 若采用 回收技術法 ，存在處理效率低、裝置體積大、成本高等缺點。降解技術中目前較為成熟的 是 催化燃燒技術 ，借助于催化劑的作用 使有害物質的分解溫度降低到 280～ 450 ℃ ， 具起燃溫度較低、氧化溫度低、能耗低、效率高， NOx 生成量極少，無二次污染物等優(yōu)點 。 2. 根據自控設計行業(yè)標準分別對控制所需壓力、溫度、流量等儀表進行選型，給出具體的型號。 3. 采用西門子公司 Simatic WinCC 工控組態(tài)軟件設計催化燃燒過程上層集成監(jiān)控平臺， 用電腦將過程變量存檔并實現歷史數據的存檔與顯示。 關鍵詞：催化燃燒 控制系統(tǒng)設計 儀表選型 WinCC 集成監(jiān)控 MATLAB 本科畢業(yè)設計 II