精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统.doc

武汉理工大学过程控制及仪表课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 周飞焓 专业班级： 自动化0602 指导教师： 刘红丽 工作单位： 武汉理工大学自动化学院 题 目: 精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统 初始条件：精馏塔液位与出料量输出在一定范围内缓慢均匀变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1）分析被控对象精馏塔特性，设计一种均匀控制系统，绘制系统的结构示意图和原 理方框图，说明其工作原理和工艺流程。2）系统调节过程，控制量和被控量的选择3）系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定。4）系统硬件电路与软件设计5）控制器控制规律的实现以及参数整定6）论文用WORD打印，方框图，流程图，电路图等均用Protel99se、AutoCAD、Visio等软件绘制。时间安排：2010年1月4日至2010年1月15日，具体进度安排见下表具体时间设计内容1月4日指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。学生确定选题，明确设计要求1月5-9日开始查阅资料，完成方案的初步设计1月1114日由指导老师指导完成课设情况。学生修改、完善1月15日撰写课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统的设计，通过均匀控制系统工作原理、工艺流程的分析设计，对该系统调节过程中控制量、被控量的选择，系统各部分的组成和正反作用的确定以及控制器的控制规律与系统参数的整定讨论，使之精馏塔液位与出料量输出在一定范围内均匀缓慢变化，前后设备在物料供求上相互兼顾。关键词：精馏塔 双冲量 均匀控制目录1精馏塔原理12均匀控制系统12.1均匀控制概念12.2均匀控制特点32.3均匀控制系统的结构形式32.3.1简单均匀控制系统32.3.2串级均匀控制系统42.3.3双冲量均匀控制系统53设计原理54控制量与正反作用选择64.1控制量与被控量选择64.2正反作用选择85参数整定96个人小结12参考文献1312精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统1精馏塔原理精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。有板式塔与填料塔两种主要类型。根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。蒸汽由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体则作为釜残液取出。蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度）的特性，实现分离目的的单元操作。蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。2均匀控制系统2.1均匀控制概念均匀控制是指一种控制方案所起的作用而言，因为就方案的结构看，有时像一个简单液位（或压力）定值控制系统，有时又像一个液位与流量（或压力与流量）的串级控制系统。所以要识别一些方案是否起均匀控制作用，或者在怎样的情况下应该设计均匀控制方案，从本质上去认识他们是非常重要的。石油化工生产过程是一个连续生产过程，随着生产的进一步强化，使得前后生产过程的关系更加紧密了，往往出现前一设备的出料直接作为后一设备的进料，而后者的出料又连续输送给其他设备作进料。现以连续精馏的多塔分离过程为例，如图1所示前后精馏塔供求关系。图1 前后精馏塔的供求关系显然作为单个精馏塔，都希望自身操作平衡。对于甲塔来说，塔釜液位往往是一个重要参数，因为它与塔釜的传热和汽化有较大关系（釜内有溢流用的隔板者除外），影响分离效果，为此装有液位控制系统。当液位由于某种干扰而变化时，液位控制器就通过改变出料量来维持液位稳定。而甲塔出料的波动对乙塔来说是一个进料扰动，使乙塔的平衡操作受到破坏，这种影响一直会继续下去，以至整个多塔系统的操作不能稳定。对乙塔来说，他从自身的平衡操作要求出发，希望进料稳定，会提出设置进料流量控制系统。显然，这是与甲塔的液位控制系统的 工作是相互矛盾的，以致两个系统都无法正常工作。为解决这一矛盾，以往靠增加缓冲罐的办法来解决。通过缓冲物料累积量的变化，以达到两塔操作平稳。但这要增加设备投资和扩大装置占地面积，并且有些化工中间产品经缓冲罐后有可能产生其他化学反应，因此也不是一种理想的办法。现在从控制方案上去寻找出路，这要着眼于物料平衡控制，让供求矛盾限制在一定条件下进行渐变，以满足前后两塔的不同要求。对这个例子来说，就是要将前塔塔釜看成一个缓冲罐，利用控制系统充分发挥它的缓冲作用。也就是说，在进料量（前塔）变化时，让塔釜液位在最大允许的限度内平缓变化，从而使输出流量的到平缓（平稳缓变）。因为：要起缓冲作用，就要借助于的变化。例如，变化2，可以调节使H变化1，Q出变化1，这样来发挥贮罐的缓冲作用。由此可见，后塔的进料平缓变化是以前塔液位的波动为代价的。这种能充分发挥贮罐缓冲作用的控制系统，被称为均匀控制。因此，均匀控制不是指控制系统的结构，而是指控制目的而言。是为了使前后设备（或容器）在物料供求上达到相互协调，统筹兼顾。2.2均匀控制系统特点均匀控制的特点有如下三条：(1)表征前后供求关系的两个参数是矛盾的；(2)两个参数应该是缓慢变化的；(3)两个参数只能在允许的范围内波动。如图2所示是反映液位与流量的几种不同变化情况。（a）是单纯的液位定值控制；（b）是单纯的流量定值控制；（c）是实现均匀控制以后，液位与流量都渐变的波动情况，但波动比较缓慢。图2 液位与流量几种不同变化情况2.3均匀控制系统的结构形式2.3.1简单均匀控制系统如图3所示为精馏塔塔底液位与出料流量的均匀控制系统。从方案外表上看，他像一个单回路液位定值控制系统，并且确实常被误解。所不同的主要在于控制器的控制规律选择及参数整定问题上。在所有均匀控制系统中都不需要，也不应该加正微分作用，恰恰相反有时需要加反微分作用，一般采用纯比例控制，有时可用比例积分控制作用。而且在参数整定上，一般比例度要大于100%，且积分时间也要放的相当大，这样才能满足均匀控制要求。该方案结构简单，但他对于克服阀前后压力变化的影响及液位贮罐自衡作用的影响效果较差。简单均匀控制系统适用于：进料量为主干扰，流量波动大，自衡能力弱的对象。（自衡能力弱指：当流量变化很激烈，而液位变化很小）图3 简单均匀控制系统2.3.2串级均匀控制系统如图4所示是蒸馏塔塔底液位与采出流量的串级均匀控制，从外貌看与典型的串级控制系统完全一样，但他的目的是实现均匀控制，增加一个副环流量控制系统的目的是为了消除阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。因此副环与串级控制中的副环一样，副控制器参数整定的要求与前面所讨论的串级控制对副环的要求相同。而主控制器（即液位控制器）则与简单均匀控制的情况作相同处理。图4 串级均匀控制系统其工作过程如下：当甲塔液位上升，导致液位调节器输出增大，流量调节器输出增大，控制阀门缓慢增大；反映在工艺参数上，液位不是立即快速下降 ，而是继续缓慢上升，乙塔的进料量也缓慢增加。液位与流量均缓慢地变化，实现了均匀协调的控制目的；当乙塔的进料量增大，首先通过流量调节器使控制阀门开度缓慢减小；当这一作用使甲塔的液位下降时，液位调节器输出减小，进一步缓慢改变调节阀的开度，使系统工作在新的平衡点。主副控制器一般采用比例或比例积分控制律。主控制器的参数整定与简单均匀控制系统相同，副控制器的参数整定一般为=100200% ，Ti为0.11分钟。2.3.3双冲量均匀控制系统双冲量均匀控制系统就是将两个变量的测量信号通过加法器后作为被控量的控制系统。 将在下面详细讨论。3设计原理精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统如下图5所示：图5 双冲量均匀控制系统原理图双冲量均匀控制系统是串级均匀控制系统的变形，它用一个加法器来代替串级控制系统中的主调节器，把液位与流量的两个测量信号通过加法运算后作为调节器的测量值。如图5所示，以塔釜液位与输出流量信号之差为被控参数，通过均匀控制使两者能均匀缓慢变化。假定该系统采用QDZ仪表构成，刚加法的输出式中：加法器的输出信号； 液位测量值； 流量测量值； 定值器的输出信号； C加法器的可调弹簧系数。在正常情况下，调节C与值，使为左右，调节阀处于适当开度。当流量正常而液位受到扰动上升时，增大，使流量调节器的输出信号增加，从而开大阀门的开度，使流量增大，以使液位恢复正常。当液位正常，而流量受到扰动而增加时，减小，流量调节器的输出减小，因而使流量慢慢减小。用QDZ仪表组成的系统，由于使用可靠，成本低，维修方便，所以应用广。用DDZ-型仪表组成系统，可少用一台恒流给定器。此时加法器的输出为式中：加法器输出电流信号； 液位变送器输出电流信号； 流量变送器的输出电流信号。精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统方框图如图6所示。图6 精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统方框图如图6形式，就可以清楚的看出，它具有串级的优点。其主调节器可看成是的纯比例调节器。副环是流量回路，对于直接进入流量回路的干扰 （如控制阀前后的压力干扰等）通过副环的快速作用，可以得到很快克服。因此控制器参数整定可按串级副控制器原则进行。很显然，由于主调节器（即液位调节器）的放大倍数不能调整，所以要求液位和流量变送范围选择合适。4控制量与正反作用选择4.1控制量与被控量选择生产过程中希望借助自动控制保持恒定值(或按一定规律变化)的变量称为被控变量。在构成一个自动控制系统时，被控变量的选择十分重要、它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关系到控制方案的成败。 被控变量的选择是与生产工艺密切相关的，而影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所有影响因素都要加以自动控制。所以，必须深入实际，调查研究，分析工艺，找出影响生产的关键变量作为被控变量。 所谓“关键”变量，是指这样一些变量：它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制型式：直接指标控制与间接指标控制。直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工艺指标，比如温度、压力、流量、液位、成分等； 间接指标控制：如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质量信号的检测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞后很大，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接控制指标。要正确地选择被控变量，必须了解工艺过程和工艺特点对控制的要求，仔细分析各变量之间的相互关系。选释被控变量时，一般要遵循下列原则。(1)被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。(2)被控变量在工艺操作过程中经常要受到些干扰影响而变化。为维持被控变量的恒定，需要较频繁的调节。(3)尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。(4)被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。(5)选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。(6)被控变量应是独立可控的。 根据以上分析，选择被控量为液位信号，其为直接指标控制，简单易测，十分方便。在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为控制变量，最常见的控制变量是介质的流量。当被控变量选定以后，接下去应对工艺进行分析，找出有哪些因素会影响被控变量发生变化的。一般来说，影响被控变量的外部输入往往有若干个而不是一个，在这些输人中，有些是可控(可以调节)的，有些是不可控的。原则上，是在诸多影响被控变量的输人中选择一个对被控变量影响显著而且可控性良好的输入，作为操纵变量，而其他未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。概括来说，控制变量的选择原则主要有以下几条。(1)控制变量应是可控的，即工艺上允许调节的变量。(2)控制变量一般应比其他干扰对被控变量的影响更加灵敏。为此，应通过合理选择控制变量，使控制通道的放大系数适当大、时间常数适当小(但不宜过小，否则易引起振荡)、纯滞后时间尽量小。为使其他干扰对被控变量的影响减小，应使干扰通道的放大系数尽可能小、时间常数尽可能大。(3)在选择控制变量时，除了从自动化角度考虑外，还要考虑工艺的合理性与生产的经济性。一般说来，不宜选择生产负荷作为控制变量，因为生产负荷直接关系到产品的产量，是不宜经常波动的。另外，从经济性考虑，应尽可能地降低物料与能量的消耗。在本次设计中，选择出料量作为被控变量，均符合上面的原则。4.2正反作用选择自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。也就是说，如果被控变量值偏高，则控制作用应使之降低；相反，如果被控变量值偏低，则控制作用应使之升高。控制作用对被控变量的影响应与干扰作用对被控变量的影响相反，才能使被控变量值回复到给定值。在控制系统中，不仅是控制器，而且被控对象、测量元件及变送器和执行器都有各自的作用方向。所以，在系统投运前必须注意检查各环节的作用方向，其目的是通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向；反之，当环节的输入增加时、输出减少的称“反作用”方向。 对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的，因为当被控变量增加时，其输出量一般也是增加的，所以在考虑整个控制系统的作用方向时，可不考虑测量元件及变送器的作用方向(因为它总是“正”的)，只需要考虑控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向，使它们组合后能起到负反馈的作用。对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀(注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”及“反作用”混淆)。当控制器输出信号(即执行器的输入信号)增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故气开发是“正”方向。反之，由于当气关阀接收的信号增加时，流过阀的流体流量反而减少，所以是“反”方向。 执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来确定。对于被控对象的作用方向，则随具体对象的不同而各不相同。当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象属于“正作用”的。反之，被控变量随操纵变量的增加而降低的对象属于“反作用”的。对于控制器的作用方向是这样规定的：当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，称为“正作用”方向，或者当测量值不变，给定值减小时，控制器的输出增加的称为“正作用”方向。反之，如果测量值增加(或给定值减小)时，控制器的输出减小的称为“反作用”方向。在一个安装好的控制系统中，对象的作用方向由工艺机理可以确定，执行器的作用方向由工艺安全条件可以选定，而控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定，以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。 综上所述，从工艺安全角度，出料量的阀门应该为气开阀，故表现为“正作用”方向，对于流量对象，当控制阀的开度增加时，出料量随之增加，故流量对象表现为“正作用”方向，随着出料量的上升，液位必随之减小，故液位对象表现为“反作用”方向，而在一般情况下，流量检测变送与液位检测变送都表现为“正作用”方向，故为使整个系统满足负反馈，控制器必须为反作用。5参数整定目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律；比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。选择哪种控制规律主要是根据广义对象的特性和工艺的要求来决定的。下面分别说明各种控制规律的特点及应用场合。比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出p与输入偏差e(实际上是指它们的变化量)之间的关系为：比例控制器的可调整参数是比例放大系数或比例度，对于单元组合仪表来说。它们的关系为：比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间具有一一对应关系。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。但是，纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制系统等。比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。它的输出p与输人偏差e的关系为：比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数 (或比例度)和积分时间。比例积分控制器的持点是：由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例、只要偏差存在、控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。所以采用比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的、这是它的显著优点。 但是，加上积分作用，