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1、8.2 自动化仪表概述8.2.1 自动化仪表功能自动化仪表是由若干自动化元件构成的，具有较完善功能的自动化技术工具。它一般同时具有数种功能，如测量、显示、记录或测量、控制、报警等。自动化仪表本身是一个系统，又是整个自动化系统中的一个子系统。自动化仪表是一种“信息机器”，其主要功能是信息形式的转换，将输入信号转换成输出信号。信号可以按时间域或频率域表达，信号的传输则可调制成连续的模拟量或断续的数字量形式。8.2.2 自动化仪表的分类自动化仪表种类繁多，结构形式各异，根据不同的原则可以进行相应的分类。(1) 按仪表的使用来分，可以分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。目前工业上最常用的是电动仪表。电动

2、仪表是以电为能源，信号之间联系方便，适合于长距离传送的集中控制；便于与计算机相连。(2) 按照信息的获得、传递、反映和处理的过程分类分为检测仪表、显示仪表、集中控制装置、控制仪表、执行器。(3) 按仪表的组成形式分类可以分为基地式仪表，这类仪表的特点是将测量、显示、控制等个部分集中组装在意和表壳中，形成一个整体，这种仪表比较适合在现场做就地检测和控制，但不能实现各种参数的集中显示和控制；第二类是单元组合仪表，将对参数的测量及变送显示控制等部分，分别之城能独立工作的单元仪表(简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等)。这些单元以统一的标准相互联系，可以根据不同的要求，方便地将各单元任意组合成

3、个钟控制系统，实用性和灵活性好。8.2.3 仪表的选用原则(1) 符合工艺控制精度、灵敏度要求的高性能智能型仪表。(2) 为节约人力成本，减少维护强度，应选用高稳定性、免维护的智能仪表。(3) 现场变送器须选择带现场显示的，以方便现场检修。(4) 仪表的选择应考虑环境的适应性，特别是各种传感器。因此应尽量选择非接触式的、无阻塞隔膜式、电磁式及可清洗式的传感器。(5) 尽量选用不用断流拆卸式和维护周期较长的仪表方便维护管理。(6) 易燃易爆场合，严格按照有关标准，选择具有防爆性能的产品。(7) 为降低成本，在满足生产方面的要求的前提下，优先选用节能型产品。8.3 自动控制系统概述所谓自动控制系统

4、，即在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。一个化工厂要进行正常的运行，除了要有现场操作人员进行巡视和控制，很大程度上依赖于控制系统的设计和仪表的合理运用，它将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高了控制效率。自动控制是在人工控制的基础上发展而来的，由检测仪表、计算机装置、自控阀门组成的自动控制系统分别代替人的眼睛观察、大脑判断决策、手动操作。仪表和计算机自动控制系统在化工过程中发挥着重要作用。强化化工流程的自动控制，是化工生产过程的发展趋势和方向。化工流程自动化控制具有诸多优点：(1) 提高关键工艺参数

5、的操作精度，从而提高产品质量或收率。(2) 保证化工流程安全、稳定的运行。(3) 对间歇过程，还可以降低批间差异，保证产品质量的稳定性和重复性。(4) 降低工人的劳动强度，减少人为因素对化工生产过程的影响。由此可见，先进的控制系统、合理的控制方案及高素质的操作人员是化工厂安全稳定运行的必要条件。8.3.1 自控系统选择目前的工业自动化控制系统主要有DCS (分布式控制系统)、PLC (可编程逻辑控制器)和FCS (现场总线控制系统)。分布式控制系统( Distributed Control System，英文缩写是DCS )在国内自控行业又称之为集散控制系统，它是计算机技术、控制技术和网络技术

6、高度结合的产物。其控制原理为：现场检测设备从现场采集来的信号经I/O单元的A/D转换，通过I/O总线把数据传到过程接口控制器(PIC) ，在过程站(PCS) 需要时，PIC沿现场总线把数据发送到PCS 的现场总线控制器(FBC) ，FBC对接收到的信号进行滤波和线性化，然后发送到PCS 的CPU。PCS 的CPU 依照系统组态对数据进行处理和运算，并发送所需的数据到网络连接单元(NCU)。网络连接单元通过系统总线与其他站进行通信。DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物，其主要特点是分散控制、集中管理。本项目拟采用最新的现场总线控制系统FCS。现场总线控制系统(FCS)与集散型控系

7、统(DCS) 配合，简单控制系统与复杂控制系统结合，现场仪表检测所得参数经总线送往中央控制室及全厂数据网络，各装置间由现场总线串行，实现数据交换，由此实现对整个生产过程的集中监视与自动控制。8.4设备控制方案本项目使用的现场总线控制系统将控制和仪表，把数字通信网络延伸到工业过程的现场，具有以下的特点：(1) 结构特点现场总线是一种计算机网络，这个网络上的每个节点都是智能化仪表，在现场总线的标准中，一般只包括ISO参考模型中的物理、数据链路层和应用层、如同MiniMAP一样，有的现场总控还具有网络层的功能。(2) 技术特点，许多总线在柔性介质、信息检验、信息纠错、重复地址检测方面具有严格的规定，

8、从而确保线路的通信快速、完全、可靠地进行。1) 全数字化通信。2) 开放性的互联网络，遵守相同的标准。3) 互操作性与互用性，互操作性是指不同的制造厂的现场设备可以互相通信，互用性则是指不同生产厂家的性能类似的设备可以互换而达到互用。4) 系统的全分散式，废弃DSC中的输入/输出单元和控制站，改变了原有DSC集中与分散相结合的体系，大大提高了系统的可靠性。5) 现场设备的智能化，本身具有诊断功能，处理各种参数，自动诊断设备的运行状态。8.4.1 离心泵的基本控制本项目中离心泵的控制主要为流量控制。离心泵的流量控制常见方法有：控制泵的出口阀门开度，控制泵的转速，控制泵的出口旁路等。其中，控制泵的

9、出口阀门开启度的方案虽然使总的机械效率有一定损失，但是简单可行且适用于本项目流程，是应用最为广泛的方案。控制阀位于离心泵出口管线上，控制信号来自相应单元设备的温度、液位、压力等传感器，如图8-1所示。图8-1 离心泵的基本控制方案8.4.2 换热器控制在化工生产过程中，有许多传热设备，由于传热目的不同，被控变量也不同，而换热器有工艺物流与公用工程换热器、工艺物流间换热器、冷凝器和再沸器四种。其中，冷凝器和再沸器属于精馏塔的一部分，在精馏塔设备控制中细述。(1) 工艺物流与公用工程换热器该类换热器的作用是将工艺物流加热或冷却到工艺所需的目标值。常见的干扰包括公用工程的流量、温度，环境温度，换热器

10、的传热系数等。在生产过程中物流的流量和温度都会受到干扰，故采用温度-流量串级控制。对于加热工艺物流的换热器，采用以蒸汽流量为操纵变量，以进料流量为副变量，经加热后的工艺物流的温度为主变量的串级控制。对于冷却工艺物流的换热器，采用以冷却水流量为操纵变量，主变量、副变量同上的串级控制。详见图8-2所示。(2) 工艺物流间换热器该类换热器的作用是用工艺物流将另一股工艺物流加热或冷却到工艺所需的目标值，通过合理设计系统换热网路，实现系统内部的热量集成。由于工艺物流间的换热不能够通过改变载热介质的流量进行调节，为保证系统操作的弹性要求避免换热系统的崩溃，该工艺采用为物流设置旁路调节的控制方案。当物流出口

11、温度不符合要求时通过调整旁路阀门的开度来增加热量供应，以此来使过程稳定。图8-2换热器的基本控制方案8.4.3精馏塔控制只有一股连续进料(双组分或多组分)、塔顶和塔釜各有一股连续出料的蒸馏塔称为简单蒸馏塔。蒸馏塔系统是由简单蒸馏塔、再沸器、冷凝器和回流罐组成，塔釜为液体，塔顶馏出为气体，经冷凝器冷却之后为液体。本项目涉及两种类型精馏塔：简单蒸馏塔、多股进料的精馏塔。由于两种塔的控制方案基本相同，故下面主要以简单蒸馏塔为例进行介绍。精馏塔控制中的主要要求有保证质量标准、保证平稳操作、参数的一些约束条件、节能要求和经济性。其中主要控制要点为：1) 进料的控制液体进料是用泵来调节压力，由调节阀控制进

12、料流量。2) 温度的控制由于采用的是板式塔，故全塔压降和放大效应都很小，AspenPlus软件的模拟值较为准确。测量灵敏板位置的温度，形成信号，调节再沸器中加热介质流量来控制。塔内温度过高过低均会报警。塔顶设有温度指示仪表。3) 压力的控制通过调节塔顶冷凝器中冷却剂流量，而调节冷凝速率，来实现对塔顶压力的控制。并设有安全泄压装置。4) 再沸器的控制虹吸式再沸器主要是液位的控制，通过调节塔底采出量及再沸器加热介质流量来实现对塔釜液位控制调节。5) 回流罐主要是控制液位，采用通过调节回流量来控制液位。由于在本工艺中， 回流量远大于馏出量，调节回流量对液位的控制更加迅速、有效。一般通过顶回流量来控制

13、产品浓度。基本控制方案见图8-3所示。图8-3精馏塔的基本控制方案8.4.4反应器控制反应器是化工生产的中心环节，故反应器的控制也是至关重要。反应器的类型按结构来分可以分为管式、釜式、塔式、固定床和流化床等类型。对于本项目来说，采用的是固定床反应器。对于固定床的反应器来说，返混很小，传热控温不易，故温度的检测与控制是关键所在。固定床反应器是指催化剂床层固定于设备中不动的反应器，流体原料在催化剂作用下进行化学反应以生成所需反应物。固定床反应器的温度控制是十分重要的，任何一个化学反应都有自己最适宜的温度，最适宜的温度综合考虑了化学反应速度，化学平衡和催化剂活性等。温度控制首先是选择一个敏点位置，把

14、感温元件安装在敏点处，以便能够及时反映出整个催化剂床层温度的变化。多段催化剂床层往往要求分段进行温度控制，这样可以使操作更趋加合理化。常见的温控方案主要有1) 改变进料浓度。2) 改变进料温度。3) 改变段间进入的过热蒸汽量。本项目采用的是改变进入的过热蒸汽量，同时本项目采用的反应压力为3bar，压力控制应该是十分关键的，反应器的总控制如图8-7所示。图8-4 反应器的基本控制方案8.5动态模拟与优化Aspen plus进行的是工艺的稳态模拟，是工厂连续操作后，工艺条件处于稳定时，物流参数在某一范围内处于稳定值，因此 Aspen plus模拟得到的是理想情况下的各种物流信息。但是在实际生产中，

15、不可避免会遇到由于设备的故障或者其他的工艺条件改变（开、停车过程）造成流程处于非稳态操作条件下，从而影响的产品的产量和和纯度。在开、停车过程中为了达到产品要求，需要不断调整工艺条件，包括具体的进料量、温度、压力等操作因素，因此在化工生产中，对于设备的控制，或者说是在控制下的设备所具有的抵抗干扰性和操作弹性也具有相当重要的作用。对于干扰因素以及控制系统的性能可通过使用Aspen dynamics实现。使用动态模拟具有以下优点：（1）保证安全性。可以预测设备故障之后的结果。确保厂区能够正常及时处理。（2）提高可操作性。确保一个设备可以在最短时间内在不同的操作点处具有最大的灵活性。（3）解决操作问题

16、。理解操作中出现问题的解决方法，提供安全，高效的解决方案。其控制系统原理如图8-10所示。控制器控制器给定值偏差控制器输出操纵变量现象测量元件变送器被控变量y测定值干扰作用Zf 图8-10 控制系统基本原理8.6 PX提纯塔的动态模拟在本工艺中PX作为终产品，其流量较大；我们利用Aspen dynamics对PX提纯塔进行控制方案的分析和开车过程的模拟。原料在特定的温度和压力下，在精馏塔内通过部分气化和部分冷凝实现组分之间的分离，因此，欲得到特定纯度要求的产品，需对精馏塔的温度、压力进行严格的控制。对于温度、压力的控制可通过简单控制系统很好的实现。对甲醇提纯塔进行动态模拟，在Aspen dyn

17、amics环境下，其控制方案如下图： 精馏塔是利用被分离物料中各组分的相对挥发度不同，通过在精馏塔各个塔板物料的温度、压力的不同，改变其气液平衡组成从而实现物质的分离。其中轻组分经过多次部分汽化在塔顶富集，重组分经过多次部分冷凝最终在塔釜富集。若要得到指定要求的产品纯度和产品产量，需要对精馏塔操作过程中各项工艺参数进行检测和控制。在塔顶压力不变情况下，产品的纯度由塔顶温度控制；塔顶冷凝器负荷是通过塔顶压力控制；回流比是通过塔顶回流罐液位控制。在理想的情况下，由以上的控制系统可以实现指定纯度的产品。在控制中，检测物料组分含量尚有难度，目前对于塔顶、塔底物料纯度的检测是根据在一定压力下，塔顶易挥发组分浓度XD和塔顶温度TD存在单值对应的关系，对于温度检测可以同过简单控制系统实现。8.7 仪表设备维护与检修本项目为新建项目，故需设置一定规模的