1、青岛科技大学本科毕业设计第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义 随着现代化工的飞速发展，生产规模的不断扩大，工艺过程越趋复杂，对工艺流程前后工序相互关联紧密，充分利用能源等提出的要求，DCS控制系统已发展为过程控制的主流。它在工业过程控制领域发挥了越来越重要的作用，广发应用于各种行业的生产过程中。生产设备自动化程度的提高有利于降低工厂生产成本，促进生产线的柔性化和集成化，有利于提高产品的质量，产量以及产品的竞争力。从某种意义上说，DCS控制技术为我们创造了不可忽视的经济效益和社会效益。 精馏塔作为石油化工生产过程的一个十分重要的环节，对其实现科学的控制直接决定着产品的质量、产量和能耗。这也是
2、工业自动化领域里的一个长期的研究课题。1.2 本课题的主要研究内容本课题的主要内容是根据精馏塔的工艺流程，控制系统要求等，分析影响精馏塔控制的主要参数，提出合理的控制方案并绘出其相应的控制流程图，最后，应用JX-300XP DCS控制系统实现精馏塔的过程监视，数据收集，数据处理，数据存储，报警和登陆，过程控制等功能。第二章 工艺过程分析2.1 精馏系统工艺过程分析2.1.1工艺流程简介 本设计流程是利用精馏方法，在精馏塔中将乙醇从塔釜混合物中分离出来。精馏是将液体混合物部分气化，利用其中各组分相对挥发度的不同，通过液相和气相间的质量传递来实现对混合物的分离。本装置中将由于乙醇的沸点较低，易挥发
3、，故采用加热精馏，经气化的乙醇蒸汽经冷凝，可得到较高纯度的乙醇。 原料（乙醇和水及少量杂的混合物）经进料管由精馏塔进料板处流入塔内，开始精馏操作；当釜中的料液建立起适当液位时，再沸器进行加热，使之部分气化返回塔内。气相沿塔上升直至塔顶，由塔顶冷凝器将其进行全部或部分冷凝。将塔顶蒸汽凝液部分作为塔顶产品取出，称为馏出物。另一部分凝液作为回流返回塔顶。回流液从塔顶沿塔流下，在下降过程中与来自塔顶的上升蒸汽多次逆向接触和分离。当流至塔底时，被再沸器加热部分气化，其气相返回塔内作为气相回流，而其液相则作为塔底产品采出。2.1.2工艺过程分析 精馏塔的操作是从物料平衡，热量平衡，相平衡及精馏塔的性能等几
4、个方面考虑的，通过控制系统建立并调节塔的操作条件，使精馏塔满足分离要求。 精馏塔操作控制的典型参数中，有六个流量参数：进料量，塔顶和塔釜产品流量，冷凝量，蒸发量和回流量。此外，还有压力，塔釜液位，回流罐液位，塔顶产品组成和塔釜产品组成等参数。 压力和液位控制是为了建立稳定操作条件。液位恒定阻止了液位积累，压力恒定阻止了气体积累。对于一个连续系统，若不组织积累就不可能取得稳定操作，也就不可能稳定。压力是精馏塔操作的主要控制参数，压力除影响气体积累外，还影响冷凝，蒸发，温度，组成，相对挥发度等塔内发生的几乎所有过程。 产品组成控制可以直接使用产品组成测定值，也可以采用代表产品组成的物性，如密度，蒸
5、汽压，最常用的是采用灵敏点温度。1.压力控制 精馏塔对压力的平衡要求很严格。一旦压力大幅度波动，塔釜液位，回流液位紧跟着波动，进而影响物料平衡，热量平衡，相平衡三大平衡，从而使整个操作系统处于不平稳状态，影响到产品质量及产量。例如从提高产品质量来说，压力越高，沸点越接近，气液两相越难分离，显然降低压力可以提高产品质量。但降低操作压力是以增加冷却介质的用量或降低冷却介质温度为前提的，因此降低操作压力是有限的。由此可见，压力控制对精馏塔的操控有主导作用。 一般情况下，冷却介质，加热介质的温度，压力，流量都会影响到压力的平稳，因此可以根据控制要求选择其中之一作为操纵变量来控制精馏塔的操作压力。2.液
6、位控制 （1）塔釜液位控制：塔釜液位既不能空也不能满，塔釜液位满，容易淹住返塔口，造成热虹吸效果差，影响重沸器换热效果。塔釜液位空，易造成重沸器内液位液化气蒸干，蒸干后，再有液化气下到重沸器，马上急剧气化，冲塔造成整个塔的操作全部混乱。塔釜液化气主要受塔釜产品产出量，塔压力，塔釜温度等影响，可根据造成塔釜液位变化的原因进行调节。一般塔釜液位用塔釜产品产出量进行控制。 （2）回流罐液位控制：回流罐液位既不能满也不能空。回流罐空，造成回流泵抽空停泵，则全塔停工。回流罐满，造成塔内气相介质无法冷却使得塔内压力急剧上升，易造成安全阀起跳或全塔操作混乱。影响回流罐液位的因素有塔顶产品产出量，压力，釜温，
7、顶温，回流量等。一般回流罐液位用釜温或塔顶产品产出量控制。3.流量控制精馏塔操作控制中有六个流量参数：进料量，塔顶和塔釜产品流量，冷凝量，蒸发量和回流量。而流量的波动又会影响压力的平稳，所以精馏塔的流量控制是必不可少的。但是，并不是说所有的流量都要控制，不同的控制方案选择的控制流量参数也不同，精馏塔的控制一般包括物料平衡控制方案和热量平衡控制方案，可以根据所选择的控制方案来选择需要控制的流量参数。4.温度控制 温度控制是最常用的产品组成控制手段。温度控制的前提是控制温度能正确反应其组成的变化。若温度控制不能与组成很好关联，或对组成变化反应不灵敏，则温度控制将失去作用，因此，一般采用提馏段灵敏板
8、温度作为主要参数，以实现对塔的间接分离质量控制。第三章 DCS系统选型3.1 DCS系统概述70年代，大规模集成电路问世，微处理器（MICROPROCESSOR-u P）的诞生，控制技术，显示技术，计算机技术，通信技术（即所谓的4C技术）等的进一步发展，人们为继承常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，进一步提高控制系统安全性和可靠性，降低成本，开发研制以微处理器为基础的新型控制系统-分散控制系统分散型综合控制系统（Distributed Control System，简称DCS）又称为集散控制系统，它综合了计算机技术，控制技术，通信技术和显示技术，使控制系统结构进入了一个新阶段。DCS系统以其灵
9、活，模块化结构，安全，可靠，危险分散，功能齐全以及对大规模系统经济性好等特点成为当代自动化控制的主流系统。3.2 DCS系统的结构与特点3.2.1 DCS系统的基本组成 集散控制系统的产品众多，但从系统的结构分析，都是由三部分组成，即分散过程控制装置部分，操作管理装置部分以及通信系统部分组成。 （1） 分散过程控制装置部分 它的主要功能是分散的过程控制，是系统与过程的接口。其结构特征: 需适应恶劣的工业生产过程环境 分散过程控制装置的一部分设备需安装在现场所处的环境差，因此，要求分散过程控制装置能适应环境的温度，湿度变化；适应电网电压波动的变化；适应工业环境中兽王电磁干扰的影响；适应环境介质的
10、影响。 分散控制 分散过程控制装置体现了控制分散的系统构成。它把区域分散的过程控制装置用分散的控制实现。它把监视和控制分离，把危险分散，使得系统的可靠性提高。 实时性 分散过程控制装置直接与过程进行联系，为能准确反映过程参数的变化，它应具有实时性强的特点。从装置来看，它要有快的时钟频率，足够的字长。从软件来看，运算的程序应精炼，实时和多任务作业。 独立性 相对于集散控制系统，分散过程装置具有较强的独立性。在上一级设备出现故障或与上一级的通信失败的情况下，它还能正常运行，从而也使过程控制和操作得以进行。因此，对它的可靠性要求也相对更高。 目前的分散过程控制装置部分由回路控制器、多功能控制器、可编
11、程序逻辑控制器及数据采集装置等组成。它相当于现场控制级和过程控制装置级，实现与过程的连接。3.2.2 DCS系统的特点 常规模拟仪表组成的过程控制系统与集中式计算机过程控制系统都有其固有的局限性。而DCS系统在工业控制上具有上述两种系统所无法比拟的优越性。（1）控制功能完善。集散控制系统的控制单元具有连续、离散、批量控制等高级功能，可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制及逻辑控制；可以实现监控、显示、打印、报警、历史数据存储等日常全部操作。（2）系统扩展灵活。集散系统多采用模块式结构，可以灵活地组建单回路、多回路、大、中、小等各类系统。由于系统采用局域网络，系统的扩展变得异常方便
12、，局域网节点可以灵活地接入各种单元或其他网络。（3）完善的人-机联系和集中监控功能。CRT屏幕可将整个工厂的生产状况，单元的数据及时、准确的展现在操作者面前；同时，CRT操作站还能够适应现代管理中对画面和报表的各种要求，从而实现真正的集中操作和管理。（4）安全可靠性高。由于采用了多微机分散控制结构，危险分散，系统中关键设备采用双重或多重冗余设有自动备用系统和完善的自诊断功能；现场信号的采集采用分布式，采集的信号经智能前端处理成数据信号，抗干扰的能力增强。（5）安装调试简单。集散系统各单元安装在标准机框内，模件之间采用多芯电缆，标准化接插件相连；现场与控制室之间只需1-2根屏蔽电缆进行数据通讯，
13、布线量大大减少。系统采用专业软件调试，安装调试时间仅为常规仪表的一半。（6）具有良好的性能价格比。鉴于上述优良的性能及布线、安装、调试费用等的大幅度下降，DCS系统规模越大，平均每个回路的投资越省。3.2.3 DCS系统的传输媒介 网络传输介质主要有轴电缆、双纹线、光纤以及射频等。同轴电缆带宽较高，传输距离可达几公里。同轴电缆目前主要应用在环形和总线型网络中，其成本中等。双纹线近年来在桌面接入系统中得到了广泛的应用，尤其是在星型网络中。光纤损耗低，传输距离远，通信容量大，而且光纤抗电磁干扰能力强。应该说，光纤是工业控制通信网络的一个重要的发展趋势。选择什么样的传输介质往往跟网络的拓扑关系有关，
14、例如星型结构通常选用双绞线，这取决于节点的能力、节点之间的距离及环境因素等。环形拓扑结构可以采用任何传输介质，取决于网络技术要求。对于总线型拓扑结构，一般采用双纹线和同轴电缆，而不选用光纤。 有线方式在应用范围、组网灵活性等方面都存在着一定的不足。相反，采用无线射频的方式则可以超越地域上的限制，大大提高系统实现上的灵活性。因此，近年来，无线DCS越来越受到人们的重视。3.2.4 DCS通讯网络1.实时性要求 与普通局域网不同，工业LAN对实时性要求比较高。一般是通过牺牲信道利用率来保证通信的实时性。为了保证DCS通信网络的实时性，一般采取以下几种措施。（1）限定通信网络上每一个取得通信权的时间
15、上限值，从而避免某些站长时间的占用通信资源而破坏其他站的实时性。（2）保证在某一固定周期内，通信网的各站均有机会取得通信权，以防个别站长时间得不到通信权而使其实时性降低。这一固定周期越短，则网络的整体实时性越高。（3）既可以采取静态方式赋予某些站较高的优先权，也可以采取动态的方式临时赋予某此通信任务以较高的优先权，以满足各个站对实时性的不同要求。（4）应该力求使通信协议简单。OSI标准协议共有七层，层数的增多会使有效传输率降低而影响实时性。因此，工业LAN采用的通信协议一般应该分层少且使用简化与压缩型通信协议。MAP（Manufacture Automation Protocol）协议为了适应高实时性要求，在协议中专构建立； 支持压缩型协议的Mini MAP系统，可使实时性提高3到5倍。 另外，提高通信速率也可以提高实时性。因此应采取优良的通信介质，如光导纤维等。2.通信网络协议标准及其开放性 DCS系统通信网络基本上是基于IEEES02局域网通信协议标准的。在DCS网络中主要使用或所关联的是3种通信协议网络，即：IEEE802.3.IEEE02.4以及IEEE80
