【正文】 系統(tǒng)概述 浙大中控推出的全數(shù)字化的新一代集散控制系統(tǒng) JX— 300XP，大限度的滿足應(yīng)用需求的原則，應(yīng)用了最新的信號(hào)處理技 術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、可靠地軟件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù)，采用了高性能的微處理器和成熟的先進(jìn)控制算法，全面提高了 JX— 300X 的功能和性能，使其兼具了高速可靠的數(shù)據(jù)輸入、輸出、運(yùn)算、過程控制功能和 PLC 連鎖邏輯控制功能，能適應(yīng)更廣泛更復(fù)雜的應(yīng)用要求，成為一個(gè)全數(shù)字化。 JX300XP DCS 由操作站、控制站、過程控制網(wǎng)絡(luò)等組成。通過系統(tǒng)組態(tài)平臺(tái)生成適合于生產(chǎn)工藝要求的應(yīng)用系統(tǒng) ，具體功能包括：系統(tǒng)生成、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)定義、操作組態(tài)、流程圖畫面組態(tài)、報(bào)表程序編制等。 操作站是由工業(yè) PC機(jī)、 CRT、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等組成的人機(jī)系統(tǒng)，是操作人員完成過程監(jiān)控管理任務(wù)的環(huán)境。 控制站直接與現(xiàn)場打交道的 I/O 處理單元，完成整個(gè)工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。在同一系統(tǒng)中，任何信號(hào)均可按冗余或 不冗余連接，詳見卡件描述。過程控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工程師站、操作站、控制站的連接，完成信息、控制命令等傳輸，雙重化冗余設(shè)計(jì)，使得信息傳輸安全、高速。如下圖 ：集散控制系統(tǒng)的基本組成部分包括分散的過程過程控制裝置、集中操作管理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)三個(gè)部分。 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 5 頁 共 45 頁 圖 三層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 最上層為信息管理網(wǎng)，采用符合 TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)，連接了各個(gè)控制裝置的網(wǎng)橋以及企業(yè)內(nèi)各類管理計(jì) 算機(jī)，用于工廠級的信息傳送和管理，是實(shí)現(xiàn)全廠綜合管理的信息通道。底層網(wǎng)絡(luò)為控制站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò) SBUS，采用主控制卡指揮式 令牌網(wǎng)，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信協(xié)議，是控制站各卡件之間進(jìn)行信息交換的通道 [9]。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括儀表選型 、 DCS 硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工藝流程圖的繪制以及上位機(jī)組態(tài)程序設(shè)計(jì)等，后期調(diào)試階段主要通過工程參數(shù)整定方法來確定各環(huán)節(jié)的 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)。 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 6 頁 共 45 頁 2 系統(tǒng)理論的分析及控制方案的確定 板式精餾塔控制系統(tǒng)研究的對象及要求 研究對象 a)全 塔物料的衡算 (1)料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù) 原料液組成： ?? 35 184246584658 ???Fx 塔頂產(chǎn)品組成： 182046804680 ???Dx 塔底產(chǎn)品組成： 186046404640 ???Wx (2)平均摩爾質(zhì)量 加料板： ?? K m o lKgFM /8 2 2 5 0 5 0 ?????? 塔頂： ?? K m olKgM D / ?????? 塔底： ?? K m o lKgM W / ?????? (3)物料衡算 總物料衡算： F=D+W 其中： F原料液流量 D塔頂產(chǎn)品流量 W塔地產(chǎn)品流量 加料板的平摩爾質(zhì)量 原料質(zhì)量?F hK m o lF /7 1 8 2 2 20 ?? 易揮發(fā)組分的衡算： WDF WxDxFx ?? ????? WD 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 7 頁 共 45 頁 由上以得： ?? ?? ?? ?????? WD WF xx xxFD 所以 ????? DFW 回收率 乙醇回收率： %% %100 ??? ???? FFx DDxD? 水的回收率： ?? ?? ?? ?? %% %10011 ???? ???????FxF WxWW? b)塔板數(shù)的確定 (1)逐板計(jì)算法介紹 假設(shè)塔頂冷凝器為全凝器泡點(diǎn)回流，回流比為 2，塔釜為間接器加熱，如圖21 所示 .因塔頂采用全凝器，故從塔頂?shù)谝粔K板（即最上一層塔板）上升的蒸氣進(jìn)入冷凝器后被全部冷凝，塔頂餾出液及回流液組成即為第一塊塔板上升蒸氣組成，即 Dxy ?1 而離開第一塊塔板的液相組成與從該板上的蒸氣組成滿足相平衡關(guān)系，因此可由汽 液平衡方程求得，即 ?? 111 1 yaa yx ??? 第二塊理論塔板上升的蒸氣組成與第一塊塔板下降的液體組成滿足精餾段操作線方程，即 DxRxR Ry 111 12 ???? 同理，與滿足相平衡方程，可求出，而與滿足精餾段操作線方程，可計(jì)算出，以此類推，重復(fù)計(jì)算，直到計(jì)算到（即精餾段與提溜段操作線的交點(diǎn)）后，再改用相平衡方程和提溜段操作線方程計(jì)算提溜段每段塔板組成，至為止。所以提溜段所需的 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 8 頁 共 45 頁 理論板數(shù)應(yīng)為計(jì)算機(jī)中使用相平衡關(guān)系上網(wǎng)次數(shù)減 1。 (2)確定精餾塔的理論塔板 根據(jù)上面的數(shù)據(jù)分析和逐板計(jì)算法的介紹可以確定精餾塔的理論板數(shù)。在操作條件下，物系的相對發(fā)揮度 a 為 。因塔頂為全凝器，則 ?? Dxy 。 表 各層塔板上的氣液組成 板號(hào) 1 2 3 4 5 y x xF xW 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 9 頁 共 45 頁 精餾塔內(nèi)理論塔板數(shù)為 51= 4 塊，其中精餾段 2塊，第 3塊為進(jìn)料板。 此設(shè)計(jì)研究的對象時(shí)板式精餾塔的控制系統(tǒng)。如圖 所示，是八層板式精餾塔的結(jié)構(gòu)圖。 表 精餾塔的配置和硬件清單 配置 序號(hào) 型號(hào)及名稱 單位 數(shù)量 功能材質(zhì) 產(chǎn)地 1 原料儲(chǔ)罐 只 1 用于實(shí)驗(yàn)原料存儲(chǔ)，采用鏡面不 銹鋼材質(zhì) 浙江中控 2 精餾塔 只 1 用于實(shí)驗(yàn)水和酒精的分離實(shí)驗(yàn)， 采用鏡面不銹鋼材質(zhì) 浙江中控 3 水泵 只 1 輸送原料液至精餾塔塔釜 輸送殘液至精餾塔廢料罐 浙江中控 4 計(jì)量泵 只 4 用于精確計(jì)量回流的產(chǎn)品流量 用于精確計(jì)量產(chǎn)品的流量 用于精確計(jì)量進(jìn)料的流量 塔底殘液出料流量顯示 FI12 浙江中控 5 不銹鋼管道 只 若干 6 不銹鋼閥門 只 若干 7 對象框架 個(gè) 1 提供實(shí)驗(yàn) 設(shè)備布置 浙江中控 8 對象電氣柜 個(gè) 1 提供設(shè) 備用電 浙江中控 9 鉑熱電阻 只 10 檢測精餾塔塔節(jié)溫度 檢測精餾塔塔釜溫度 檢測精餾塔進(jìn)料溫度 檢測精餾塔產(chǎn)品出料溫度 浙江中控 10 差壓變送器 只 1 測量塔釜液位 浙江中控 11 壓力變送器 只 2 測量塔頂和塔釜壓力 浙江中控 12 渦輪流量計(jì) 只 1 塔頂冷卻 水流量檢測 浙江中控 13 比例閥 只 1 塔頂冷卻水流量調(diào)節(jié) 浙江中控 控制系統(tǒng)硬件配置 1 SP202 系統(tǒng)機(jī)柜 1 含威圖溫度 控制器 2 電源 (24V) 1 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 12 頁 共 45 頁 按照液位、壓力、流量的參數(shù)和結(jié)構(gòu)選擇測控儀表的型號(hào)如表 所示。 精餾過程是在一定約束條件下進(jìn)行的。 a)質(zhì)量指標(biāo) 精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)指塔頂或 /和塔底產(chǎn)品的純度。也可以是塔頂和塔底的產(chǎn)品均滿足一定的純度要求。產(chǎn)品純度并非越純越好，原因是純度越高，對控制系統(tǒng)的偏離度要求越高，操作成本的提高與產(chǎn)品的價(jià)格并不成比例增加；純度要求應(yīng)與使用要求適應(yīng)。產(chǎn)品收率定義為產(chǎn)品產(chǎn)量與進(jìn)料中該產(chǎn)品組分的量之比。 生產(chǎn)效益除產(chǎn)品純度與產(chǎn)品收率間關(guān)系外，還須考慮能量消耗因素。 產(chǎn)品產(chǎn)量與物料平衡有關(guān)。 總物料平衡 F=D+B 輕組分物料平衡 BBxDDxzFF ?? 式中 F 是 進(jìn)料量； D 是塔頂餾出液量； B 是塔底釜液采出量；是進(jìn)料中輕組分含量；和是塔頂和塔底餾出液中輕組分含量。因此，產(chǎn)品產(chǎn)量應(yīng)滿足物料平衡約束。再沸器需要加熱量，冷凝器需要消耗冷卻量，此外，精餾塔、附屬設(shè)備和管線等也有熱量損耗。 d)約束條件 精餾過程是 一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程。 為了使塔能正常工作，必須滿足一些約束條件，例如，塔內(nèi)汽液兩相流速既不能過高，引起液泛；又不能過低，引起塔板效率大幅度下降。對于用再沸器作加熱裝置的精餾塔，還要求加熱溫差不能大到超過“臨界溫差”等。精餾塔上升蒸汽速度的最大限值。破壞正常的氣液平衡關(guān)系，使精餾塔不能正常進(jìn)行組 分分離； f)最小氣相速度限。當(dāng)上升蒸汽速度過低時(shí)，上升蒸汽不能托起上層的液相，造成 NO 液，使板效率下降，精餾操作不能正常進(jìn)行。每個(gè)精餾塔都存在著一個(gè)最大操作壓力限值。 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 14 頁 共 45 頁 h)臨界溫度限。因此，再沸器有臨界溫度限的約束。同樣，冷卻量也有限值，才能保證合適的回流溫度，使精餾塔能夠正常操作。 板式精餾塔控制方案的比較與確定 精餾塔的類型的比較與確定 分離乙醇 水二元混合物，由板式塔與填料塔比較知：板式塔直徑放大時(shí)，塔板效率 比 較穩(wěn)定 ,且持液量較大，液氣比適應(yīng)范圍大，因此本次精餾塔設(shè)備選擇板式塔。因此，本設(shè)計(jì)采用篩板塔比較合適。在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了能更清楚的表示一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)各個(gè)組成環(huán)節(jié)之間的相互影響和信號(hào)聯(lián)系，便于對控制系統(tǒng)分析研究，一般都用方塊圖來表示控制系統(tǒng)的組成。出料流量信號(hào) q在方塊圖中把控制閥和對象連接在一起。用同一種形式的方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)。 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 15 頁 共 45 頁 圖 單回路控制系統(tǒng)方塊圖 圖 串級 控制系統(tǒng)方塊圖 b）板式精餾塔控制設(shè)計(jì) 精餾塔自動(dòng)控制的主要目的是使塔頂和塔底的產(chǎn)品滿足質(zhì)量要求。下面來對本設(shè)計(jì)選定的精餾塔來全方位的設(shè)計(jì)。將進(jìn)料初始加料泵 P101 切換成進(jìn)料計(jì)量泵 P105，以遠(yuǎn)程方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)料量 FT11 的定值控制。以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 V1 與冷卻水渦輪流量計(jì) FT12 組成流量單回路控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn) 冷卻水量 FT12 的定值控制。以冷卻水量單回路控制為內(nèi)回路，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水量 FT12 的設(shè)定值，以最終控制回流液的回流溫度 TT22。以開關(guān)方式控制磁力泵 P103 的啟停，以使塔底液位在一定范圍內(nèi)變化。 (5) 回流罐 C102 液位的均勻控制。這里，“ 均勻控制”是指在控制回流罐 C102 液位的同時(shí)，也要求塔頂回流量變化平緩。以遠(yuǎn)程方式自動(dòng)調(diào)節(jié)塔頂產(chǎn)品出料計(jì)量泵的抽出量，以保持塔頂產(chǎn)品出料量與回流量的比值保持不變。以塔頂產(chǎn)品出料量與回流量的比值控制為內(nèi)回路，當(dāng)精餾段靈敏溫度與設(shè)定溫度相比偏高時(shí)，減少塔頂產(chǎn)品出料計(jì)量泵P102 的抽出量，由此導(dǎo)致回流罐液位上升，再由回流罐 C102 液位控制系統(tǒng)改變塔頂回流量，最終使精餾段靈敏溫度下降；反之也然。當(dāng)提 餾段靈敏溫度與設(shè)定溫度相比偏高時(shí)，通過調(diào)壓模塊減少塔底加熱量，以使提餾段靈敏溫度下降；而當(dāng)提餾段靈敏溫度偏低時(shí)，通過調(diào)壓模塊增大塔底加熱量，以達(dá)到提高提餾段靈敏溫度的目的。對于上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，假設(shè)介質(zhì)體系為水 酒精，則塔頂產(chǎn)品的純度即為塔頂產(chǎn)品的酒精含量。同理，塔底產(chǎn)品的酒精含量與提餾段靈敏溫度（位置 待定）或塔底溫度TT32 基本對應(yīng)。 板式精餾塔控制系統(tǒng)的組成及其工作原理 板式精餾塔控制系統(tǒng)的組成 板式精餾塔控制系統(tǒng)主要由精餾塔裝置、測量儀表裝置、 DCS 控制柜、和計(jì)算機(jī)組成的。 b) 信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)：在控制過程中信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)是由測量儀表裝置組成的。 c) 控制機(jī)構(gòu)：在板式精餾塔控制系統(tǒng)中，控制機(jī)構(gòu)則是由 DCS、 PC 機(jī)組成。 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 17 頁 共 45 頁 板式精餾塔控制系統(tǒng)的工作原理 當(dāng)原料（乙醇和水及少量雜的混合物）經(jīng)進(jìn)料管由精餾塔進(jìn)料板處流入塔內(nèi)，開始精餾操作；當(dāng)釜中的料液建立起適當(dāng)液位時(shí)，再沸器進(jìn)行加熱，使之部分氣化返回塔內(nèi)。將塔頂蒸汽凝液部分作為塔頂產(chǎn)品取出，稱為餾出物?；亓饕簭乃斞厮飨?，在下降過程中與來自塔頂?shù)纳仙羝啻文嫦蚪佑|和分離。 板式精餾塔控制的擾動(dòng)分析 在精餾塔的操作中有各種擾動(dòng)因素。同時(shí)，物料平衡和熱量平衡之間又是相互影響的。現(xiàn)作如下分析。如在本設(shè)計(jì)中精餾塔位于整個(gè)工藝生 產(chǎn)過程的起點(diǎn)，要使流量 F 恒定，并無困難，可采用定值控制 . b)進(jìn)料成分 ZF 一般是不可控的，它的變化也是難以避免的，它由上一工序或原料情況所確定。進(jìn)料溫度在有些情況下本來就比較恒定，比如在將上一塔的釜液送往下一塔繼續(xù)精餾時(shí)。進(jìn)料通常是液態(tài)，也可以是氣態(tài)，有時(shí)也會(huì)遇到氣液混合物的情況，此時(shí)氣、液兩相的比例宜恒定，也就是說，進(jìn)料的熱焓要恒定。 e)冷卻水的壓力波動(dòng)也可以用類似方式解決。 g)壞境溫度的變化一般影響較小，但是也有特殊情況。 從上分析中可以看到，精餾操作中被控變量多，可以選用的操縱變量也多， 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 18 頁 共 45 頁 又可有各種不同的組合，所以精餾塔的控制方案頗多。 板式精餾塔控制系統(tǒng)的安全性問題 滿足工藝和操作要求 設(shè)計(jì)出的流程和設(shè)備，首先必須保證產(chǎn)品達(dá)到任務(wù)規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要求較高，這就要求流量和壓力穩(wěn)定，入塔的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定從而需要采取相應(yīng)的措施。當(dāng)塔的平衡建立后，不要輕易調(diào)節(jié)回流量，盡量通過微調(diào)節(jié)塔釜蒸汽的流量來達(dá)到 調(diào)節(jié)的目的。如前所述蒸餾中如能適當(dāng)?shù)乩盟?、塔底的廢熱，就能節(jié)約很多的生蒸汽和冷卻水，也能減少很多電能的消耗。同樣，回流比的大小對操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)也有很大的影響。塔是指在常壓下的操作，塔內(nèi)壓力過大或塔聚凝而產(chǎn)生真空，都會(huì)使塔受 到破壞，因而需要安全裝置。板