甲醇蒸发氧化过程控制系统中的DCS部分设计

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 过程控制系统过程控制系统 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 甲醇蒸发氧化过程控制系统中的甲醇蒸发氧化过程控制系统中的DCSDCS部分设计部分设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化122122 学学 号：号： 120302050120302050 学生姓名：学生姓名： 殷青松殷青松 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2015.12.21-2015.12.312015.12.21-2015.12.31 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 自动化 学 号120302050学生姓名殷青松专业班级自动化 课程设计 （论文） 题目 甲醇蒸发氧化过程控制系统中的甲醇蒸发氧化过程控制系统中的DCS部分设计部分设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能：课题完成的功能： 蒸发氧化是甲醇生产过程中的重要工序之一。对该过程的集散控制系统进行概要设计，并具体控制站 和操作站的组态设计和软件开发。 设计任务及要求：设计任务及要求： 1、设计蒸发氧化过程的控制方案，并给出控制器的算法； 2、DCS 要求采用浙大中控 JX-300XP 系 统； 3、完成控制站的组态，包括主控制卡、数据转发卡、I/O 卡件、I/O 信号等； 4、完成操作站的组 态，包括分组画面、一览画面、趋势画面、总貌画面、流程图画面等。 技术参数：技术参数： 1、 温度范围为 0-800 2、 液位范围为 0-100m； 3、 气体流量范围为 0-2500 Nm3/h； 4、 压力范围为0-600KPa 进度计划 1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2 天） ；2、设计系统的结构原理图（1 天） ； 3、仪表、控制系统等设备的选型（1 天） ；4、控制方案设计及实现（4 天） ；5、撰写课设论文（1.5 天） ； 6、设计结果考核（0.5天） ； 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） II 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） III 摘 要 甲醇蒸发氧化制甲醛是化工中常见的制甲醛的方法。蒸发氧化要严格控制甲 醇、空气和水蒸气的比例，所以需要对流量进行控制。 流量的检测和控制在现代工业生产自动化中具有重要的地位。根据工艺要求 设计供料系统的控制方案保证生产能够安全有效地进行。 此次课设采用单闭环比值控制。测量与变送器为流量计，自动控制器为浙大 中控 JX300-XP DCS 集散控制系统，执行器为电动调节阀。 关键词：甲醇蒸发氧化；浙大中控；集散控制系统 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 甲醇氧化制甲醛的方案 .3 2.1 甲醇氧化制甲醛的工艺流程概述 .3 2.2 系统控制方案 .4 第 3 章 硬件设计 .7 3.1 JX-300XP 控制系统概述 .7 3.2 JX-300XP 控制系统特点 .7 3.3 JX300-XP 系统规模 .7 3.4 JX300-XP 系统配置 .8 3.5 I/O 分配 .8 3.5.1 根据测点清单，填写测点统计表 .9 3.5.2 系统的 I/O 卡件布置图 .10 3.6 仪表仪器选型 .10 第 4 章 软件设计 .12 4.1 系统组态简介 .12 4.2 系统组态 .12 第 5 章 系统测试与分析 .17 5.1 系统仿真 .17 5.2 系统仿真测试与分析.17 第 6 章 课程设计总结 .20 参考文献 .21 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，化学式 CH3OH。又称“木醇”或“木 精” 。是无色有酒精气味易挥发的液体。有毒，误饮 510 毫升能双目失明，大 量饮用会导致死亡。用于制造甲醛和农药等，并用作有机物的萃取剂和酒精的变 性剂等。 用于制造甲醛和农药（杀虫剂、杀虫螨） 、医药（磺胺类、霉素类）等的原 料，合成对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯的原料之一，醋酸、 氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等多种有机产品等，并用作有机物的萃取剂和酒精的 变性剂等。 甲醇无色澄清液体，有刺激性气味。微有乙醇样气味，易挥发，易流动，燃 烧时无烟有蓝色火焰，能与水、醇、醚等有机溶剂互溶，能与多种化合物形成共 沸混合物，能与多种化合物形成混合溶液，溶解性能优于乙醇，能溶解多种无机 盐类，如碘化钠、氯化钙、硝酸铵、硫酸铜、硝酸银、氯化铵和氯化钠等。 目前国内外工业甲醛生产均使用甲醇为原料，生产工艺有银催化氧化法、铁 钼催化氧化法以及甲缩醛氧化法等，其中绝大多数采用银催化氧化法。 国内最常用的银触媒介法生产工艺，采用不锈钢填料，二次吸收，循环氧化 工艺。目的是为了达到最大的甲醇转化率，最少的能耗。 甲醇氧化及氧化温度的控制，空气流量和甲醇蒸发量配比控制，这二项工艺 参数的控制是甲醛生产最核心的环节。 反应原理当甲醇、空气和水蒸气的原料 混合进入反应器，在银催化剂上发生催化剂作用而生成甲醛时，其主要反应是氧 化，脱氢反应。 甲醇氧化反应(1)在 200E 左右开始进行，因此经预热进入反应器的原料混合 器，必须用电热器点火燃烧，当催化床温度升至 200E 左右，反应(1)开始缓慢进 行，它是一个放热反应，放出的热量使催化床随着温度的升高至使氧化反应(1)不 断加快，所以，点火后催化床的温度升高非常迅速。甲醇脱氢反应(2)在低温时几 乎不进行，当催化床温度达 600左右，反应(2)成为生成醛的主要反应之一。 脱氢反应是一个强吸热反应，故有反应(2)的发生。对控制催化床的温度升高 是有利的。脱氢反应是一个可逆反应，所谓可逆反应就是甲醇脱氢生成醛的同时， 甲醛与氢也可向生成甲醇的方向进行，这类反应在化学反应中可用可逆符号来代 替的。当原料混合气中的氧与脱氢反应生成的氢化合为水时，可使脱氢反应不断 向生成甲醛的方向。DCS 自上世纪 70 年代问世以来，各国公司各自推出了多种 不同设计、风格各异的 DCS，即使是同一厂家，其早期产品和近期产品也有很大 本科生课程设计（论文） 2 差异。但是，尽管种种 DCS 千差万别，其核心结构却基本上是一致的，即所谓 “三点一线”式结构。 “一线”是指 DCS 的骨架计算机网络， “三点”则是连接 在网络上的三种不同类型的节点。这三种不同类型的节点是：面向被控过程现场 的现场 I/O 控制站；面向操作人员的操作站；面向 DCS 监控管理人员的工程师站。 一般情况下，一个 DCS 中只需配置一台工程师站，而现场 I/O 控制站和操作员站 的数量则根据实际要求配置。这三种节点通过系统网络互相连接并相互交换信息， 协调各方面的工作共同完成 DCS 的整体功能。 DCS 是一种模拟数字混合系统，它是在常规组合模拟仪表与计算机集中 DDC 的基础上发展形成的。其变送、执行单元仍然采用 420 mA 的模拟仪表， 控制计算、监控与人机界面采用多个 CPU 递阶构成的集中与分散相结合的分散 控制系统。常规的模拟仪表组成的过程控制系统存在许多局限性，如难以实现多 变量相关对象的控制；难以实现复杂的高级控制算法和参数的集中显示操作；由 于生产工艺过程的复杂和规模的扩大，就要增加仪表，相应的模拟仪表也要增大。 而计算机集中 DDC 控制会导致危险的集中。虽不难实现用一台计算机控制几十 个甚至上百个回路，但这样必然降低系统的安全性能。DCS 吸收了模拟仪表和计 算机集中控制 DDC 的优点，将多台微机分散应用于过程控制，整个装置继承了 常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人机交 互差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在监视、操作与管 理三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 甲醇氧化制甲醛的方案 2.1 甲醇氧化制甲醛的工艺流程概述 甲醇氧化制甲醛的工艺流程如图 2.1 所示 图 2.1 工艺流程图 甲醇氧化制甲醛的工艺流程如图 2.1 所示，原料甲醇用泵送入高位槽 1，以 一定的流量经过过滤器 2 进入蒸汽加热的蒸发器 3.同时，由鼓风机 7 将已除尘和 其他杂质的空气定量地送入蒸发器的底部。空气鼓泡通过被加热到 319-323K 的 甲醇层时被甲醇蒸气所饱和，每升甲醇蒸气和空气的混合物中甲醇的含量约 0.5g。为了控制甲醇被氧化的速度，通过蒸气分离缸 19，在甲醇和空气的混合物 中加入一定量的水蒸汽。为了保证混合气能在反应器内迅速反应，以及避免混合 气中存在甲醇凝液，所以通过过热器 4 进行加热。过热混合气为了阻止氧化器中 可能发生燃烧波及到蒸发系统，要经过阻火器 5 和过滤器 8 除去铁杂质后，才进 入氧化反应器 9，在催化剂的作用下，温度控制在 653-956K 左右，进行氧化和脱 本科生课程设计（论文） 4 氢反应。 从氧化器出来的气体进入第一吸收塔 10，将大部分甲醛吸收；未被吸收的气 体再进入第二吸收塔 11 底部，从塔顶加入一定量的冷却水进行吸收。由第二吸 收塔塔底采出的稀甲醛溶液经循环泵 18 打入第一、第二吸收塔，作为吸收的一 部分。自第一吸收塔塔底引出的吸收液经冷却后，即为含 10%甲醇的甲醛水溶液。 甲醇的存在可以防止甲醛的聚合，甲醛的产率约 80%。 为了确保生产的安全进行，最大限度地提高生产效率，应对整个生产过程进 行分析。本项目将根据甲醇氧化制甲醛的工艺要求，确定参与反应的物料流量控 制方案，并根据确定的控制方案和企业自动化水平，以及自动化仪表和装置的发 展情况，选择控制仪表、流量检测仪表和执行装置。 为了保证以上的物料的配比，要对其流量进行控制。空气是通过鼓风机加入 其流程，在甲醇蒸发器中与甲醇蒸汽混合，形成二元混合气体。甲醇液体通过离 心泵加入甲醇蒸发器。因此，空气与甲醇的进入量基本稳定，可以设置简单的控 制系统来完成。空气流量采用流量单回路控制系统，二通过控制甲醇蒸发器的液 位定值控制，保证甲醇气体的流量稳定。合理设置两个控制系统的设定值，就可 以保证二元混合气中的醇氧摩尔比。 二元混合气要加入一定量的蒸汽，形成三元混合气体。由于水蒸汽的含量决 定反应速度和效率，所以，根据蒸汽加入量控制二元混合气体的流量。 2.2 系统控制方案 甲醇氧化制甲醛控制方案如图 2.2 所示： 外部干扰 偏差 e 测量 变 送 比值计算 器 控制器输出 被控对 象 测量元件变送器 控制阀输出 本科生课程设计（论文） 5 图 2.2 控制方案图 方案控制过程所用一些硬件设备如下： 1 自动控制器采用浙大中控 JX300-XP 集散控制系统 DCS。它接受变送器 送来的信号，与工艺要求的压力大小相比较，得出偏差，并按运算规律得出结果 用特定信号电流或电压发送出去。2 执行器电动动调节阀，通过接收工业自 动化控制系统的信号（如：420mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积 大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。3 测 量元件与变送器流量计。流量计是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一， 在过程自动化仪表与装置中，流量仪表有两大功用：作为过程自动化控制系统的 检测仪表和测量物料数量的总量表。 表 2.1 JX-300X 控制系统控制方案 序号注释回路位号控制方案 MVPV 00 甲醇气体流量控 制 FIC-201 单回路 FV-201FI-201 01 蒸发器液位控制 LIC-201 单回路 LV-201LI-201 02 蒸发器压力控制 PIC-201 单回路 PV-201PI-201 (1)甲醇气体流量控制， 单回路，其控制框图如下。 图 2.2 甲醇气体流量控制方框图 (2) 蒸发器液位控制，单回路，其控制框图如下。 PID调节器调节器输出 甲醇气体流 量控制 流量控制 + - PID调节器调节器输出 蒸发器液位 控制 液位控制 + - 本科生课程设计（论文） 6 图 2.3 甲醇气体流量控制方框图 (3) 蒸发器压力控制，单回路，其控制框图如下。 图 2.4 甲醇气体流量控制方框图 化工各种反应对参与化学反应的物料比都有一定的要求。甲醇氧化制甲醛生 产所需的三种原料必须保持一定的比例，即甲醇气：空气：水蒸汽 =1：（1.71.9）：（0.70.9） 。本次采用单闭环比值控制。 比值控制系统（流量比值控制系统）：实现两个或两个以上参数符合一定比 例关系的控制系统。 单闭环比值控制不但能实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且可以克服 副流量本身干扰对比值的影响，主副流量的比值较为精确。 总物料量不固定，对于负荷变化幅度大，物料又直接去化学反应器的场合是 不适合的。当主流量出现大幅度波动时，副流量给定值大幅度波动，在调节的一 段时间里，比值会偏离工艺要求的流量比，不适用于要求严格动态比的场合。适 用于主物料在工艺上不允许进行控制的场合。 PID调节器调节器输出 蒸发器压力 控制 压力控制 + - 本科生课程设计（论文） 7 第 3 章 硬件设计 3.1 JX-300XP 控制系统概述 JX300-XP 系统是属于浙大中控 SUPCON 技术有限公司 WebField 系列控制 系统，它是在 JX-100，JX-200， JX-300，的基础上开发出来的新一代集散控制 系统，该系统充分应用了最新信号处理技术，高速网络通信技术，可靠的的软件 平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进 控制算法，全面提高了 JX300-XP 的功能和性能，能适应更广泛更复杂的应用要 求，成为一个全数字化、结构灵活、功能完善的开放式集散控制系统。全面提高 了系统的功能和性能，具有全智能化，任意冗余，扩展性好和灵活配置等特点。已被 广泛应用在小，中，大规模的工业生产控制中。 3.2 JX-300XP 控制系统特点 可靠：可靠：全智能化设计，真正热冗余技术，故障自诊断到卡件级，部件可带电 更换，确保系统长期安全、可靠地运行。 先进：先进：控制网络采用标准 10M/100M 冗余工业以太网，信息高速、准确、可 靠；提供 HART、FF 现场总线接口，实现分散 I/O 站。 方便：方便：Windows 2000 中文操作平台，稳定性和操作方便性大为提高；标准 IEC61131-3 组态平台，LD、FBD、SFC 和 C 语言组态，方便实现理想的控制策 略。 灵活：灵活：采用 OPC、ODBC 开放式通用数据接口，可方便嵌入第三方产品。 集成：集成：通过 PIMS 可方便实现全厂控制系统与管理系统的信息共享。 3.3 JX300-XP 系统规模 JX-300XP 系统规模包括 15 个现场控制站（FCS）,32 个操作站（OPS,包括工 程师站和操作员站） ，总容量 15360 点，单个控制站最多可带 6 个 I/O 单元（机笼） 每个 I/O 单元可放置 16 块 I/O 卡件。 本科生课程设计（论文） 8 3.4 JX300-XP 系统配置 SCnetII 中，最多有 63 个控制站，72 个操作站，操作站包括工程师站和操作 员站，本次课程设计中控制站和操作站地址分配如表 3.1 所示。 表 3.1 控制站与操作站地址分配 类型数量IP 地址备注 控制站1128.128.1.02包括主控卡和数据转发卡且均冗余配 置 主控制卡注释：1#主控卡，2#主控卡 数据转发卡注释：1#数据转发卡,2#数 据转发卡 工程师站1128.128.1.130注释：工程师站 130 操作员站2128.128.1.131,128.128.1.132注释：操作员站 131,、操作员站 132 3.5 I/O 分配 表 3.2 I/O 点分配表 序号位号描述IO类型选择卡件 1LI101蒸发器液位AI不配电 420mAXP313 2LI102吸收塔液位AI不配电 420mAXP313 3PI101蒸发器压力AI不配电 420mAXP313 4PI102蒸汽压力AI不配电 420mAXP313 5FI101甲醇蒸汽流量AI不配电 420mAXP313 7FI103尾气流量AI不配电 420mAXP313 8FI104甲醇流量AI不配电 420mAXP313 9FI105空气流量AI不配电 420mAXP313 10FI101氧化温度 11TCSXP314 11FI102氧化温度 12TCSXP314 12FI103氧化温度 13TCS XP314 13FI104氧化温度 14TCS XP314 本科生课程设计（论文） 9 14FI105氧化温度 15RTDPT100 XP316 15KI301泵开关指示DI XP363 16KI303泵开关指示DIXP363 17KI305泵开关指示DIXP363 18KI302泵开关操作DOXP362 19KI304泵开关操作DOXP362 20KI306泵开关操作DOXP362 21FV101甲醇蒸汽流量 调节 AO正输出 XP322 22FV103尾气流量调节AO正输出XP322 23FV104甲醇流量调节AO正输出 XP322 24FV105空气流量调节AO正输出 XP322 3.5.1 根据测点清单，填写测点统计表 表 3.3 填写测点统计表如下图所示 信号类型卡件型号点数卡件数目配套端子 板型号 端子板数 目 备 用 点 数 电流 信号 XP31391* 2 +1XP520R23 热电 偶 XP31441XP52012 AI 热电 阻 XP31611XP52013 AO输出XP32241* 2 +1XP520R24 输入XP36331XP52015开 关 量 信 号 输出XP36231XP52015 本科生课程设计（论文） 10 3.5.2 系统的 I/O 卡件布置图 根据控制系统统计所用卡件系统 I/O 卡件布置图如下。 表 3.4 系统 I/O 卡件布置图 123400010203040506070809101 1 12131415 冗余冗余冗余 冗余 X P 2 4 3 X P 2 4 3 X P 2 3 3 X P 2 3 3 X P 3 1 6 X P 3 1 4 X P 3 1 3 X P 3 1 3 X P 3 1 3 X P 3 2 2 X P 3 2 2 X P 3 2 2 X P 3 6 3 X P 3 6 2 3.6 仪表仪器选型 仪表选型原则: 实际上在生产过程自动化中，不仅需要制定合理的自动化方案，而且还需要 正确地选用自动化仪表，控制仪表的种类和型号繁多，所以仪表选型时要考虑以 下几点： 第一，工艺过程的条件：首先要考虑工艺过程的温度、压力、流量、精度、 腐蚀性、毒性、脉动等因素，这是决定仪表选型的重要条件，它们关系到仪表的 选型合理性和仪表的使用寿命，并直接影响到仪表能否投运，生产能否正常进行 和车间的保安、防火等问题 第二，安装地点和安装方式：仪表安装地点和安装方式的不同对仪表的选型 也有影响 第三，测量及调节的准确性：既要根据工艺上的不同要求考虑，选用不同精 度等级仪表和不同调节方式的调节。调节阀是控制系统的重要一环，不可以忽视。 仪表要与经济性结合考虑。 第四，统一性：从便于维修和管理的角度出发，注意要选用仪表的类型的统 本科生课程设计（论文） 11 一性。 在自动控制系统中，由于设定值与测量值比较产生了偏差，所以控制器将偏 差信号按一定的数学关系，转换为控制作用，进行 PID 运算。将变送器送来的 1- 5VDC 测量信号与 1-5VDC 给定信号进行比较得到偏差信号，PID 运算输出 4- 20MADC 信号，最后通过执行器实现过程参数的自动控制。 F 型流量控制器流量计：检测管道流量和控制流量，测量范围:0.5-100 立方 /每小时，公称通径:DN15 - DN75，测量精度:2%，公称压力:0-1.5（Mpa） ，适用 范围:需要测量或控制流量的装置。 电动执行器：优点是电动执行器的优点是能源取用方便，信号传输速度快， 传输距离远，便于集中控制，灵敏度和精度较高，与电动调节仪表配合方便，安 装接线简单。缺点是结构复杂，推力小，平均故障率高于气动调节机构，适用于 防爆要求不高，气源缺乏的场所。 缺点是电动执行机构的缺点主要有：结构较复杂，更容易发生故障，且由于 它的复杂性，对现场维护人员的技术要求就相对要高一些；电机运行要产生热， 如果调节太频繁，容易造成电机过热，产生热保护，同时也会加大对减速齿轮的 磨损；另外就是运行较慢，从调节器输出一个信号，到调节阀响应而运动到那个 相应的位置，需要较长的时间，这是它不如气动、液动执行器的地方。 本科生课程设计（论文） 12 第 4 章 软件设计 4.1 系统组态简介 集散控制系统实际应用于生产过程控制时，需要根据设计要求，预先将硬 件设备和各种软件功能模块组织起来，以使系统按特定的状态运行。集散控制系 统所提供的功能模块、组态编辑软件以及组态语言，组成所需的系统结构和操作 画面，完成所需的功能。集散控制系统的组态包括系统组态、画面组态和控制组 态 4.2 系统组态 系统的组态包括总体结构组态，对主控制卡、I/O 卡件、各个 I/O 点以及操作 站的组态，常规控制方案组态，操作站标准画面组态等，其组态步骤如下：系统 总体结构组态：就是对整个系统组态过程中最先做的工作，其目的是确定构成控 制系统的规模，即控制站和操作站节点的数量。登录。在桌面上点击 Sckey 软件， 点击新建组态，点击确定，为新建的组态文件选择保存路径。主机设置。在组态 界面的工具栏中点击命令按钮主机，弹出主机设置界面，点击主控制卡页面，点 击增加命令，选择相应系统的主控制卡型号，本次应用 XP243X，再进行各类参 数设置，如 IP 地址，是否冗余，注释等。然后选择操作站页面，点击增加命令， 增加 1 个工程师站，2 个操作员站，进行各类参数设置，如 IP 地址类型等。如下 图 4.1 为主控制卡组态。 （1） 图 4.1 为主控制卡组态 本科生课程设计（论文） 13 如下图 4.2 为操作站组态。 图 4.2 为操作站组态结果 如下图对 I/O 卡件组态，选择进入 I/O 卡件组态界面。 图 4.3 为 I/O 卡件组态结果 本科生课程设计（论文） 14 对 I/O 点组态结果如下。 图 4.4 为 I/O 点组态结果 操作站标准画面组态。 系统的标准画面组态是指对系统已定义格式的标准画面进行组态。其中包括控制 分组，趋势画面，数据一览，总貌画面等操作画面的组态。组态结果如下。 图 4.5 总貌画面 本科生课程设计（论文） 15 图 4.6 趋势组态设置 图 4.7 分组画面 本科生课程设计（论文） 16 图 4.8 数据一览设置效果 图 4.9 流程图画面 本科生课程设计（论文） 17 第 5 章 系统测试与分析 5.1 系统仿真 集散控制系统（DCS）是应用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、 管理而对现场装置的控制分散的基本控制技术。集散控制系统的重要组成部分是 组态软件。工业自动化组态软件的出现为解决实际工程中的问题提供了一种新的 方法，它能够使用户根据自己的控制对象和控制目的任意组态，使自动化工程人 员能够面向问题的设计。 5. 2 系统仿真测试与分析 5.2 图 5.1 系统总貌仿真 图 5.2 系统控制回路分组画面 本科生课程设计（论文） 18 调整画面以数值，趋势图及内部仪表的形式显示位号所有的信息。 图 5.3 实时监控调整画面 图 5.4 趋势画面 本科生课程设计（论文） 19 图 5.5 数据一览 图 5.6 索引换面 本科生课程设计