丙烯腈装置计算机控制系统设计毕业论文

1、丙烯腈装置计算机控制系统设计摘要丙烯腈是一种重要的有机化工原料 , 在合成树脂、合成纤维、合成橡胶等高分 子材料中占有显著的地位并有着广阔的应用前景。本文以丙烯氨氧化制丙烯腈工艺为背景，对丙烯腈装置计算机控制系统进行设 计。首先阐述丙烯氨氧化制丙烯腈的工艺流程，丙烯腈装置发展现状及发展趋势。 然后根据丙烯腈装置实际应用的需要，从丙烯腈装置控制系统的反应器、换热器、 反应器提出相应的设计方案。在控制中结合单回路控制算法实现丙烯腈装置温度， 流量，压力等控制。其次进行丙烯腈装置控制系统的硬件结构，根据丙烯腈装置控 制系统对仪表，执行器，DCS进行选型。最后采用力控软件完成丙烯腈装置的系统 各种组态

2、，包括 I/O 组态，数据转发卡组态， I/O 卡件登录，信号点组态，信号点 参数设置组态，系统控制方案组态，流程图组态和监控画面设计。本文设计的系统以丙烯腈装置控制系统为主体，预计能完成丙烯腈装置的生产 控制和监控， 实现对其生产过程温度， 压力等的控制和生产工艺参数实时采集统计、 优化、报警等功能，实现丙烯腈生产过程的自动化控制和管理。关键词 ：丙烯腈 ; 自动控制 ; 监控 ; 组态The Control System Design of Acrylonitrile Unit ofComputerAbstractAcrylonitrile is a kind of important o

3、rganic chemical raw materials, synthetic resin, synthetic fiber, synthetic rubber and so on occupies a significant place in polymer material and has a broad applicatio n prospect.Based on the backgro und of propyle ne ammoxidati on to acry Ion itrile tech no logy, computer control system of acryloni

4、trile unit was designed. First in this paper, the process of propylene ammoxidation to acryIonitrile acryIonitrile unit development present situation and development trend. Then according to the need of the acryIonitrile plant application, from the device control system of the reactor, heat exchange

5、r, acrylonitrile reactor is put forward the corresponding design scheme. In the control algorithm combined with single loop control in acrylonitrile unit temperature, flow, pressure con trol, etc. Next to acrylo nitrile unit control system hardware structure, based on the acrylo ni trile pla nt con

6、trol system hardware structure, comb ined with actual control circuit hardware design is introduced. Finally with the help of acrylonitrile unit force con trol software, system con figuratio n, in cludi ng the I/O con figurati on, data forward ing card configuration, I/O card login, signal point con

7、figuration, signal point parameter configuration, system control scheme configuration and flow chart of design con figurati on and mon itori ng picture.System design in this paper with acrylonitrile unit control system as the main body, is expected to complete the acrylo ni trile pla nt product ion

8、con trol and mon itori ng, impleme nt the product ion process temperature, pressure con trol and product ion process parameters such as real-time collecti on and statistics, optimizati on, alarm fun cti ons, and realize the automati on of acrylo nitrile producti on process con trol and man ageme nt.

9、Key words : acryIonitrile,;automatic control,;monitoring;configuration目录1 绪论 11.1课题研究的背景和意义 11.2 丙烯腈的用途 11.3丙烯腈生产技术现状概述 2231.4丙烯腈的国内市场 31.5 丙烯腈的生产技术 42 丙烯氨氧化制丙烯腈化工工艺 52.1 丙烯氨氧化法简介 52.2丙烯氨氧化制丙烯腈工艺流程 52.3工艺参数对丙烯氨氧化制丙烯腈的影响 62.4 丙烯氨氧化制丙烯腈装置设备简介 92.5 丙烯氨氧化反应装置的控制方案 1.1.111113172.6丙烯氨氧化反应的安全生产和 “三废”处理 181

10、818183 丙烯腈装置计算机控制系统配置 193.1仪表选型 19温度测量仪表选型 19压力测量仪表选型 19流量测量仪表选型 193.2执行器选型 203.3 DCS型号选择214 监控设计系统及实现 224.1 组态软件的介绍 224.2监控级组态程序设计 244.3监控界面设计 25主界面设计 25历史报表界面设计 26实时曲线界面设计 27远程监控界面设计 27报警报表界面设计 28实时数据库及控制策略 295 结束语 31参考文献 32谢辞 331绪论1.1课题研究的背景和意义丙烯腈是一种重要的有机化工原料，在合成树脂、合成纤维、合成橡胶等高分 子材料中占有显著的地位并有着广阔的应

11、用前景。除此之外，丙烯腈聚合物与丙烯腈衍生物也广泛应用于国民经济的多个领域。2011年，由于亚洲需求增长速度超出预期，全球丙烯腈的总需求量达到 500万t,比2009年的总需求量增加了约7% 世界丙烯腈主要消费地区是亚洲、欧洲和北美。亚洲最大的丙烯腈消费地区，占全 球总消费量的64%左右，而中国则是亚洲地区最大的丙烯腈消费国。欧洲地区丙烯腈消费量占20%左右，美洲地区丙烯腈消费量约占11%。中国依然 是丙烯腈进口国，2011年丙烯腈进口量比上年有所增加，达到 48.15万t，出口量 为零。2009-2011年，中国丙烯腈进口量占总消费比率保持在 30%以上，但随着国 内丙烯腈生产能力提升，这一

12、比例在未来几年会逐渐下降。未来几年，ABS树脂，丙烯酰胺和丁腈橡胶将成为丙烯腈需求的亮点。国内丙烯腈市场将迎来新的高速发 展时期。因此，丙烯腈装置计算机控制系统设计这个课题在工程生产中有一定的实 用性。1.2丙烯腈的用途丙烯腈是合成纤维，合成橡胶和合成树脂的重要单体。由丙烯腈制得聚丙烯腈 纤维即腈纶，其性能极似羊毛，因此也叫合成羊毛。丙烯腈与丁二烯共聚可制得丁 腈橡胶，具有良好的耐油性，耐寒性，耐磨性，和电绝缘性能，并且在大多数化学 溶剂，阳光和热作用下，性能比较稳定。丙烯腈与丁二烯、苯乙烯共聚制得ABSW脂，具有质轻、耐寒、抗冲击性能较好等优点。丙烯腈水解可制得丙烯酰胺和丙烯酸及其酯类。它们

13、是重要的有机化工原料，丙烯腈还可电解加氢偶联制得己二腈， 由己二腈加氢又可制得己二胺，己二胺是尼龙 66原料。可制造抗水剂和胶粘剂等, 也用于其他有机合成和医药工业中，并用作谷类熏蒸剂等。此外，该品也是一种非 质子型极性溶剂、作为油田泥浆助剂 PAC142原料。1.3丙烯腈生产技术现状概述世界生产情况2011年，世界丙烯腈产能约为 640万t/a，产量580万t/a，负荷率为91% 英国英力士集团公司（INEOS在收购了 BP公司和BASF公司的丙烯腈业务之后， 产能达到135.5万t/a，成为全球最大的丙烯腈生产商。近年来，发达国家丙烯腈产业萎缩，全球丙烯腈生产在向亚洲转移。据报道， 日本旭

14、化成旗下子公司旭化成化学（AKC）是目前世界上第二大丙烯腈供应商，也是亚洲最大的供应商，公司表示将通过产能扩张来进一步扩大公司的丙烯腈 业务。该公司表示将在韩国蔚山新建一套大型丙烯腈生产装置，拟建装置产能24.5万t/a，2011年5月开始动工建设，2013年投产。AKC新工厂将在位于韩国蔚山的全资子公司Tong suh石化生产基地建设，2011年8月，该公司与沙伯公司（SABIQ在沙特朱拜勒合资建设20万t/a丙烯腈项目， 该项目采用丙烷原料工艺，2013年建成投产。根据旭化成化学预测，未来丙烯腈需 求将继续强劲增长，特别是诸如中国、韩国和台湾等亚洲市场需求将更加强劲。旭 化成目前拥有丙烯腈

15、总生产能力 95万t/a，其中包括在日本水岛30万t/a，川崎 15万t/a，在韩国蔚山30万t/a，在泰国马塔堡工业区20万t/a （已经于2011年 12月建成投产）。待韩国蔚山和沙特朱拜勒的丙烯腈装置建成后，旭化成公司丙烯 腈总产能将达到139.5万t/a。中国生产情况2011 年中国丙烯腈总产能 129 万 t/a, 总产量约为 111 万 t ，负荷率为 86%。 由于国内市场丙烯腈的下游需求旺盛，对丙烯腈的需求潜力仍然巨大。上海赛科石 化公司拟建 1 套 26 万 t/a 丙烯腈新装置，现已通过环保审批。 2011 年 3 月中旬， 由中国万达集团总投资 39 亿元的 26 万 t

16、/a ，丙烯腈项目在山东东营港经济开发区 开工建设。项目占地面积 15 万 m2 ，主要建设 26万 t/a 丙烯腈生产装置、 8 万 t/a 聚甲基丙烯酸甲酯（ PMM）A 生产装置、原料成品罐区等辅助生产设施以及循环水、 变配电系统等公用工程。 11.4 丙烯腈的国内市场2011 年，占丙烯腈消费比例最高的腈纶市场行情低迷， 国内腈纶厂整体负荷处 于中等水平，另一主要下游产品 ABS生产也不温不火，没有出现对丙烯腈的旺盛需 求。受棉花、粘胶低迷影响，腈纶棉纱出货滞缓；同时齐鲁石化腈纶装置、吉盟腈 纶装置和奇峰腈纶装置在 2011 年的 5 月进行检修，对原料丙烯腈的需求更一步减 少。国内通

17、胀势头没有得到有效控制，抑制通胀仍是我国宏观调控的首要目标；美 国信用评级降低，保护主义抬头，对中国腈纶、 ABS丙烯酰胺等出口产品进行打 压；腈纶纤维价格下跌，ABS生产商开工不足，丙烯酰胺生产商库存量增加等，都 减少了丙烯腈市场的需求量西美信息研究员苏燕军表示：虽然原料丙烯供不应求的 形势依然严峻， 随着新产能的投产， 国内丙烯腈的供应将不断提升。 未来几年， ABS 树脂，丙烯酰胺和丁腈橡胶将成为丙烯腈需求的亮点。国内丙烯腈市场将迎来新的 高速发展时期。总的来看，未来几年我国丙烯腈需求将以年均 7%-8%的速度增长。1.5 丙烯腈的生产技术丙烯氨氧化法制丙烯腈是当今世界上生产丙烯腈的主要

18、方法。目前丙烯腈的世界年产量约6Mt。以丙烯和氨气为原料生产丙烯腈，副产乙腈和氢氰酸。该法原料易 得、工序简单、操作稳定、产品精制方便 , 经过近几十年的发展 , 技术日趋成熟。目 前主要技术改进集中在催化剂、流化床反应器以及节能降耗等方面。催化剂是丙烯腈合成的关键 , 许多公司都着重于高性能催化剂的开发。目前国内主要采用的催化剂为 MB-82和MB-86,特别是M-86达到了国际水平,与最新的 C-49MC相当。对流化床反应器改进主要集中在气体分布、旋风分离器、催化剂补加 方式等方面。我国目前也自行开发出具有国际先进水平的新型流化床布气系统、 PV 型旋风分离器等。在节能降耗方面包括萃取塔侧

19、线出料、提高脱氰塔的分离效率、 增设废热锅炉等。 32丙烯氨氧化制丙烯腈化工工艺2.1丙烯氨氧化法简介丙烯氨氧化时，除了生成丙烯腈外，还生成少量乙腈，丙烯醛，丙烯酸，丙酮等副产物及一氧化碳，二氧化碳，水等深度氧化产物。丙烯氨氧化生成丙烯腈的反应机理，目前有两种观点：一种认为是丙烯首先脱氢生成烯丙基，烯丙基与 晶格氧作用生成了丙烯醛，然后丙烯醛与吸附态的一 NH2结合，失去一个水分子后 形成了丙烯腈，这两步法机理；另一种观点认为丙烯脱氢生成烯丙基，烯丙基直接 氧化生成丙烯腈，而不需要经过生成丙烯醛这一步骤，这是一步法机理。反应历程大致如下：k1CH3CH= CH2 CH2 =CHCN+H 2OO

20、2 NH 3k?k3CH3CH=CH 2CH2=CHCHO2二chcn-1 -1 -1ki=0.195s ,k2=0.005s ,k3=0.4s在无丙烯存在时，氨与氧反应生成氮气与水。3k42NH 3+2- O 2 N 2+3H 2O丙烯醛与丙烯腈均会深度氧化成一氧化碳，二氧化碳和水。42.2丙烯氨氧化制丙烯腈工艺流程丙烯氨氧化制工艺流程一般分为反应，回收，精制三部分。丙烯和氨蒸发混合后进入反应器，与压缩机送来的空气中的氧在催化剂作用下发生化学反应，生成丙烯腈、乙腈、氢氰酸、水、丙烯醛及丙烯酸等物质，形成反应气体。这其中还包 括未反应的丙烯、氨及氧等物质，反应气体经旋风分离器除催化剂后，进入急

21、冷塔 下段进行急冷和洗涤 , 除去反应气体携带的催化剂粉尘和反应生成的聚合物 , 并 由塔底排出 ,送界区外处理。洗涤后的反应气体进入急冷塔中段 ,加入浓硫酸 , 浓硫 酸与反应气体中的氨发生中和反应 , 生成的硫铵液送硫铵液贮罐。反应气体除氨后 进入急冷塔上段进行降温 , 降温后进入吸收塔 , 回收丙烯腈和其他水溶性有机反 应产物。吸收塔顶排出未被吸收的 CO、CO2、N 2 及烃类等物质 , 吸收塔釜液进入 萃取塔进行萃取 , 从萃取塔侧线抽出含有乙腈、水及少量氢氰酸的混合物 , 并把混 合物打入乙腈塔进行汽提 , 得到粗乙腈 , 一部分回用 , 一部分送乙腈炉焚烧。萃取 塔顶分离出的丙烯

22、腈、氢氰酸及水蒸气等物质进入脱氰塔 , 经减压精馏后 , 塔顶蒸 出氢氰酸 , 塔釜出来的丙烯腈含有少量水 , 再经脱水塔除水后 , 得到丙烯腈成品。 工艺流程图见图 2.1 。52.3 工艺参数对丙烯氨氧化制丙烯腈的影响（1）原料纯度与配比 一般采用的丙烯原料是由裂解气分离取得的丙烷 - 丙烯 馏分。丙烯与空气配比： 根据丙烯氧化反应方程， 丙烯与氧的理论配比应为： 1:1.5 ， 但考虑到副反应及深度氧化反应增加了氧的消耗量，故用氧量高于理论值。而导致 随空气带人的氮也就多， 造成丙烯浓度下降， 降低了生产能力， 也使动力消耗增加， 也促进了深度氧化副反应的发生。丙烯与氨配比：丙烯在催化剂

23、上可氧化成丙烯醛 或氨氧化生成丙烯腈，丙烯与氨的配比决定了两个产物的生成比。丙烯与水蒸汽： 水蒸气的加入不会影响丙烯氨氧化反应，却可避免丙烯腈深度氧化，提高丙烯的转 化率和丙烯腈的产率。（2）反应温度 反应温度对于反应速率与选择性有影响， 当反应温度低于 350 摄氏度时，几乎不生成丙烯腈，要获得高收率丙烯腈，必须控制较高的反应温度。 图 是丙烯在某催化剂上反应温度对主副产物收率的影响，可以看出有一温度适 宜值，小于此温度，丙烯腈收率随温度升高而增加；高于此温度时，连串副反应增 强，导致丙烯腈，乙腈收率均下降。各催化剂活性不同适应反应温度也不同。见图 2.2 所示。（3）反应压力 在加压下反应

24、虽可加快速度， 提高设备生产能力； 但经验发现， 随着反应压力的提高，丙烯转化率，丙烯腈单程转化率和选择性均下降，而副产物 乙腈，丙烯醛的单程收率却在增加，故丙烯氨氧化反应一般采用常压操作。（4）接触时间 丙烯氨氧化反应在催化剂表面进行，原料气体在催化剂表面 需要停留一段时间，该时间与原料气体在催化剂床层中的停留时间有关，这个停留 时间又称为接触时间。丙烯腈的收率随接触时间的增长而增加，而副产物的转化变 化不大，所以可以控制足够的接触时间，提高丙烯腈的转化率 . 6图2.2反应温度的影响t/ C产物进料丙烯摩尔比2.4丙烯氨氧化制丙烯腈装置设备简介丙烯腈装置设备比较多除了反应器外还有塔类设备、

25、泵类设备、热冷交换设备、 容器类设备、储罐及其他类设备。本装置集成化、自动化程度较高，主要设备见表2.3。表2.3丙烯腈装置主要设备主要设备操作压力(Mpa操作温度C)介质反应器0.072435/450丙烯、氨、丙烯腈、氰化氢、乙腈急冷塔0.2681.2/82.6反应生成物、硫酸水吸收塔0.01436有机物、水回收塔0.02114/66有机物、水乙腈塔0.02乙腈、水丙烯腈、氢氰脱氢氰塔0.07574.7酸、水成品塔0.03665丙烯腈丙烯制冷机4.138343丙烯半成品罐0.0448.6丙烯腈丙烯罐区0.2-23/50丙烯液氨罐区2.2-23/50液氨丙烯腈罐区常压小于20丙烯腈2.5丙烯氨

26、氧化反应装置的控制方案透平压缩机的压强控制方案压缩机的出口压力与转速有关系，当转速增加时，出口压力及流量都会变化，如果流量不变，出口压力就会上升。因此采用调节蒸汽透平入口蒸汽量从而改变压缩机转速的方法控制压缩机出口压力的控制方案如图2.4所示图2.4压缩机出口压力控制空气压缩机的流量控制方案压气机和泵同为输送流体的机械，其区别在于压气机是提高气体压力。气体是 可以压缩的，所以考虑压力对密度的影响。压气机的种类很多，按其作用原理不同 可分为离心式和往复式两大类；按进、出口压力高低的差别，科分为真空泵、鼓风 机、压缩机类型，在制定控制方案时必须考虑到各自的特点。压气机的控制方案与泵的控制方案由很多

27、相似之处，被控变量同样是流量或者压力，控制手段大体可分为三类1直接控制流量对于低压的离心式鼓风机，一般可在其出口直接用控制阀控制流量。由于管径较大，执行器可采用蝶阀。其余情况下，为了防止出口压力过高，通常在入 口端控制流量。因为气体的可压缩性，所以这种控制方案对于往复式压缩机也是适 用的。在控制阀关小时，会在压缩机入口端引成负压，这就意味着，吸入同样容积 的气体，其质量流量减少了。流量降低到额定值的50%-70%以下时，负压严重，压缩机效率大为降低。这种情况下，可采用分程控制方案，如图2.5所示。出口流量控制其FC操纵两个控制阀。吸入阀只能关小到一定开度，如果需要流量更小，则 应打开旁路阀2吗

28、，以避免入口端负压严重。为了减少阻力损失，对大型压缩机， 往往不用控制吸入阀的方法，而用调整导向叶片角度的方法。图2.5分程控制方案2控制旁路流量在丙烯氨氧化反应中采用控制旁路流量，它和泵的控制方案相同见图2.6对于压缩比很高的多段压缩机，从出口直接旁路回到入口是不适宜的。这样控制阀 前后压差太大，功率损耗太大。为了解决这个问题，可以在中间某段安装控制阀，使其回到入口段，用一只控制阀可满足一定工作范围的需要3调节转速压气机的流量控制可以通过调节原动机的转速来达到，这种控制方案效率最 高，节能最好，问题在于调速机构一般比较复杂，没有前两种方法简便。换热器的控制方案换热器的目的是为了使工艺介质加热

29、（或冷却）到某一温度，自动控制的目的就 是要通过改变换热器的热负荷，以保证工艺介质在换热器出口的温度恒定在给定值 上。当换热器两侧流体在传热过程中均不引起相变化时，可采用几种控制方案。1控制热载体的流量图2.7表示利用控制载热体流量来稳定被加热介质出口温度的控制方案，从传 热基本方程式可以解释这种方案的工作原理。若不考虑热损失，则热流体失去的热 量该等于冷流体获得的热量。改变载热体流量是应用最为普遍的控制方案，多适用于载热体流量的变化对温 度影响较灵敏的场合。如果载热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，或者采用以温度为主变量、流量为副变量的串级控制系统如图 2.8所示图2.7改变载热体流量控制温

30、度载热体图2.8 换热器串级控制系统2控制热载体旁路流量在丙烯氨氧化反应过程中采用控制载热体旁路流量，当载热体是工艺流体，其流量不允许变动时，可采用图2.9所示的控制方案。这种方案的工作原理与前一种 方案相同，也是利用改变温差 Tm的手段来达到问百度控制的目的。这里，采用三 通控制阀来改变进入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入 换热体的流量，又可以保证载流体总流量不受影响。这种方案在载热体为工艺组要 介质时，极为常见。旁路的流量一般不用直通阀来直接进行控制，这是由于在换热器内部流体阻力 小的时候，控制阀前后压降很小，这样就使控制阀的口径要选的很大，而且阀的流 量特性容易发生

31、畸变。图2.9 用载热体旁路控制温度3控制被加热流体自身流量如图2.10所示，控制阀安装在被加热流体进入换热器的管道上。被加热流体 流量越大，出口温度就越低，因为流体流速越快，与热流体换热必然不充分，出口 温度一定会下降。这种控制方案，只能用在工艺介质的流量允许变化的场合，否则 可考虑采用下一种控制方案。4当被加热流体的总流量不允许控制，而且换热器的传热面积由余量时，可将 一小部分被加热流体由旁路直接流到出口处，使冷热物料混合来控制温度，如图 2.11所示。这种控制方案从工作原理来说与第三种方案相同，即都是通过改变被 加热流体自身流量来控制出口温度的，只是在改变流量的方法上采用三通控制阀， 改

32、变进入换热器的被加入介质流量与旁路流量的比例，这一点与第二种方案相似。由于此方案中载热体一直处于最大流量，而且要求传热面积有较大的裕量，因 此在通过换热器的被加热介质流量较小时，就不太经济。图2.10用介质自身流量控制被加热流体图2.11用介质旁路控制温度整体控制方案整体控制方案如图2.12所示（至有反应部分不包含回收和精制部分）。图2.12丙烯腈装置整体控制方案2.6 丙烯氨氧化反应的安全生产和“三废”处理安全生产丙烯氨氧化反应属于强放热反应，而且丙烯腈生产中的原料和得到的产品大部 分都具有易燃，易爆，有毒和具腐蚀性的特点，操作人员在生产中要注意防毒，防 火和防爆。由于氢氰酸，丙烯腈等腈化物

33、均有剧毒，在生产过程中，必须做好安全 防护。可燃性气体与空气或氧气混合，在一定浓度范围内遇到明火，静电火花或者 高温会发生爆炸，可燃物浓度低于爆炸极限下限或者高于爆炸极限上限都不会引起 爆炸。废水处理纵观全流程，可以知道有两股废水，一股是从急冷塔下部排出，另一股是从萃 取塔下部排出。 对于急冷塔废水，其内主要含有催化剂聚合物渣滓和丙烯酸，以 及少量的CAN和AN等，这股废水首先要经催化剂沉降槽，分离出催化剂后，进如 焚烧炉处理。产生的能量供工艺流程使用。 对于萃取塔废水，其内部主要含聚合 物渣滓和轻有机物。可以用蒸发器处理，大部分净水可回收使用，少部分用汽提塔 脱除轻组分后，用生化方法处理废水

34、。废气，废渣处理流程基本不产生废渣，唯一的废渣来源就是活性已无法满足工艺要求的催化 剂，一般催化剂的寿命为两年左右，废催化剂可回收做其他用途。另外，产生的废气主要是CO2有必要的话可以用碱液吸收处理。3 丙烯腈装置计算机控制系统配置3.1 仪表选型温度测量仪表选型在化工生产中，温度的测量与控制有着重要的作用。任何一种化工生产过程都 伴随着物质的物理和化学性质的改变，都必然有能量的交换和转化，其中最普遍的 交换形式是热交换形式。丙烯氨氧化反应在空气预热器中与流化床反应器出口物料 进行热交换，预热至 300 摄氏度左右，所以需采用温度计（测量 600摄氏度以下的 测温仪表）可以选用热电阻，测量精度

35、高，便于远距离，多点，集中测量和自动控 制。但不能测高温，需注意环境温度的影响。压力测量仪表选型在化工生产中， 压力是重要的操作参数之一， 特别在化工， 炼油等生产过程中。 丙烯氨氧化反应中需将空气经过压缩机加压到 250 千帕左右，可以选取弹性式压力 计。这种仪表具有结构简单，使用可靠，读数清晰，牢固可靠，价格低廉，测量范 围宽以及有足够的精度等优点。是在工业中应用最为广泛的一种测压仪表。流量测量仪表选型在化工和炼油生产过程中，为了有效的进行生产和操作控制，经常需要测量生 产过程中各种介质（液体，气体和蒸汽等）的流量，以便为生产操作和控制提供依 据。在丙烯氨氧化制丙烯腈反应中需控制丙烯和氨的

36、流量，应采用漩涡流量计。漩 涡流量计又称涡街流量计。 它可以用来测量各种管道中的液体， 气体和蒸汽的流量， 是目前工业控制，能演计量及节能管理中常用的新型流量仪表。漩涡流量计的特点是精确度高，测量范围宽，没有运动部件，无机械磨损，维护方便，压力损失小， 节能效果明显。 83.2 执行器选型执行器是自动控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接受控制器送来的 控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的 范围内。执行器按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。根据气动执行器用压缩 空气作为能源、其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维护方便、 防火防爆，而且

37、价格较低，因此广泛的应用于化工、炼油等生产过程中。它可以方 便地与气动仪表配套使用。即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电 - 气 阀门定位器将电信号转换为 0.02-0.1Mpa 的标准气压信号。电动执行器的能源使用 方便，信号传递迅速，但由于它结构复杂、防爆性能差，故较少应用。液动执行器 在化工、炼油等生产过程中基本上不使用。 9所以在丙烯腈装置中采用气动执行器，气动执行器由执行机构和控制机构两部 分组成。执行机构是执行器的推动装置， 它按控制信号压力的大小产生相应的推力， 推动控制机构动作，所以它是将的大小转换为阀杆位移的装置。控制机构是执行器 的控制部分，它直接与被控介质接触，控

38、制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转 换为流过阀的流量装置。在本设计中选用温州博恩自控阀门 TBN系列气动执行器。ZXLS气开型新系列 气动薄膜套筒调节阀是一种压力平衡调节阀。 配用多弹簧执行机构， 总体机构紧凑、 重量轻、稳定性好。流体通道呈 S流线型、压降损失小，允许压差大，噪音小，流 通能力大。广泛应用于精确控制气体、流体、蒸汽等介质工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许流量大、压差大，泄漏量要求不高的场合。采用平衡式阀芯结构，轴向平衡力小，允许压差，稳定性好。套筒互换性强，拆装方便，容易维修。全金属阀芯结构适用多种工作场合，达到IV级泄漏标准，ZXMO 型软密封结

39、构阀芯达到VI级泄漏标准，ZXM型软密封结构阀芯达到VI级泄漏标准。3.3 DCS型号选择丙烯腈装置采用的分散控制系统（DCS是日本横河生产的CENTUM CS-3OO0 系统主要有现场控制站（I/O站）、数据通讯系统、人机接口单元（操作员站 OPS 工程师站ENS）、机柜、电源等，其组成见图3.1示意。系统具备开放的体系结构， 可以提供多层开放数据接口。通过 DCS对工艺过程进行集中控制、监测记录和报 警。装置的主要操作参数均引入控制室，由DCS进行实时控制，完成数据采集、信息处理、过程控制、安全报警等系统功能，对影响装置正常操作或产品质量的工 艺参数在中央控制室内均设置越线报警。10Eth

40、e rn«tProfibuK-DP些I 廉什期丿CJ?主打刺器图3.1 DCS 结构示意图4 监控设计系统及实现4.1 组态软件的介绍基于工控机的分布式控制系统的软件设计方案基本有两种：一种是利用高级语 言visual Basic、visual C+等开发环境进行控制软件的开发；一种是购置商业的 控制软件开发系统 , 在这种环境下开发的控制软件为组态软件。三维力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件 , 根 据其最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成 , 它提供了良好的用户开发界面和简洁的工程实现方法 , 只要将其预设置的各种软件 模块

41、进行简单的“组态” , 便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能 ,缩短了 自动化工程师的系统集成的时间 , 大大的提高了集成效率。所以本设计采用力控组 态软件对监控层进行组态设计。 11力控软件包括：工程管理器！人机界面VIEW实时数据库DB I/O驱动程序/控制策略生成器以及各种网络服务组件等。(1) 工程管理器 (project Manager)工程管理器用于创建工程 ！ 工程管理等用于创建、删除、备份、恢复、 选择当前工程等。(2) 开发系统 (Draw)开发系统是一个集成环境 , 可以创建工程画面 ,配置各种系统参数 , 启动力控其 它程序组件等。(3) 界面运行系统 (view)

42、界面运行系统用来运行由开发系统 Draw创建的画面，脚本、动画连接等工程。(4) 实时数据库 (DB)实时数据库是力控软件系统的数据处理核心 , 构建分布式应用系统的基础。它 负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理 等。(5) I/O 驱动程序 (I/OSERVER)I/O 驱动程序负责力控与 I/O 设备的通信 " 它将 I/O 设备寄存器中的数据读出后 传送到力控的数据库 , 然后在界面运行系统的画面上动态显示。(6) 网络通信程序 (NetClient/NetServer)网络通信程序采用TCP/IP通信协议,可利用Intranet/lnter

43、net实现不同网络结点上力控之间的数据通信。(7) 通信程序 (PortServer)通信程序支持串口、 电台、拨号、移动网络通信。 通过力控在两台计算机之间 , 使用RS232C接 口 ,可实现一对一 (1:1方式)的通信；如果使用RS485总线,还可实现 一对多台计算机(1：N方式)的通信，同时也可以通过电台、MODEM移动网络的方式 进行通信。(8) Web 服务器程序(Web Server)Web服务器程序可为处在世界各地的远程用户实现在台式机或便携机上用标准 浏览器实时监控现场生产过程。(9) 控制策略生成器 (StrategyBuilder)控制策略生成器是面向控制的新一代软件逻辑

44、自动化控制软件, 采用符合ECll31 一3标准的图形化编程方式 ,提供包括:变量、数学运算、逻辑功能、程序控 制、常规功能、控制回路、数字点处理等在内的十几类基本运算块 , 内置常规 PID、 比值控制、开关控制、斜坡控制等丰富的控制算法。同时提供开放的算法接口 , 可 以嵌入用户自己的控制程序。控制策略生成器与力控的其它程序组件可以无缝连接。其力控组态软件如图 4.1 所示12图4.1力控组态软件4.2监控级组态程序设计丙烯腈生产过程自动控制系统是三级监控模式，网络监控级主要面向总工程师等高级技术管理者；上位监控级主要面向操作人员，完成对下位机的监控、数据管理、报警处理等功能；下位机控制级

45、面向生产过程，完成对丙烯腈生产过程的温度、 压力、流量等信号的采集及过程控制等，并将数据时时传送给监控级，同时将处理后 的结果或开关量输出至外部仪表。自动控制系统的硬件结构一旦确定，软件设计就将决定系统功能的强弱。13监控级的软件设计是在三维力控 PCAuto3.6开发环境下进行的。根据控制系统 的实际配置与工艺要求，上位工控机的主要任务是与控制级进行通讯，分配任务给 下控制级，以达到开关量控制、状态显示、模拟量控制和数据存储等目的，具体设计要求如下：(1) 实现设备运行状态的动态工况显示及设备运行控制(2) 实现现场数据的实时监测和趋势显示。(3) 实现工艺运行和工艺参数的精确控制。(4)

46、实现各种数据的存储及历史运行数据查询。(5) 实现报警处理。(6) 实现远程监控。4.3监控界面设计根据以上软件设计要求，设计出主界面模块、历史报表模块、实时曲线模块、报警报表模块、远程监控模块、五大部分，图4.2为监控级软件结构图。图4.2监控级软件结构图主界面设计主界面是监控软件的初始画面，调用数据处理模块、通讯模块等，实现丙烯腈生 产过程的动画显示，控制各设备的运行状态，显示工艺参数的情况，并连接其它控制 界面。其中有主界面模块、历史报表模块、实时曲线模块、报警报表模块、远程监控模块，点击鼠标左键即可进入。如图 4.3主界面设计所示。丙机捽制系统富朋Em图4.3主界面设计历史报表界面设计

47、数据报表是工业生产中不可缺少的统计工具，它能将生产过程中的各类信息如：生产数据、统计数据以直观的表格形式进行反映，为生产管理人员提供有效的分析工具。历史报表从数据库中按照一定的采样方式获取一个或多个点的历史数据 以表格的形式显示出来，历史报表可以使用相关函数查询指定时间段的历史数据进 行显示。图4.4是历史报表界面。J力史报表urn图4.4历史报表界面实时曲线界面设计实时曲线是根据实时数据库中的数据随时间变化而绘出的二维曲线图。实时曲 线引用的变量必须是数据库型变量，并且这些数据库型变量所连接的数据库点参数 必须指定实时数据。图4.5是实时曲线界面。实吋1111线U0唯記UWfrt mt 帀

48、* 冃 ii BMR* VMMSB n 耳甘 FIw ciIQ # 討Z-Tllt rpn nItHf（誉户用i mi«.+*!图4.5 实时曲线界面远程监控界面设计流程监控界面可以对流程控制所需的泵和阀门进行控制，并且显示压缩机和反 应器所需控制的变量进行实时显示。以判断工艺上的反应是否正常。还可以对工艺 流程进行通过输入给定值进行控制，观察各个控制点的数据变化。图4.6是远程监控界面。远程监控界而申It藝剤1人80Frcm圧乩迅fit金岸HF机斤就姑辛佰222Tcng&ttFUO177 .QTC02444.0«*»*图4.6 远程监控界面报警报表界面设

49、计监控的对象或设备发生异常的时候，需要通过报警来通知操作人员控制过程和 系统的情况，力控软件能及时将控制过程和系统的运行情况以声音等形式通知操作 人员,同时要求操作人员做出响应。报警数据是在实时数据库中处理和保存。各种 报警参数是数据库点的基本参数,在用数据库管理器(DB Manager)进行点组态时同 时设置点的报警参数。报警记录是用来显示和确认报警数据的窗口。由开发系统 Draw在工程画面中创建,而由界面运行系统View运行显示。报警记录是利用访问实 时数据库的报警文件来进行查询的，不但可以访问本地的历史报警数据，还可以访 问远程数据库的历史.报警数据,构成分布式的，网络化的报警系统。实时

50、报警只反映当前未确认和确认的报警，经过处理后，一个变量的报警将返回到正常状态，这个变量的报警状态将变为恢复“状态”本控制系统的报警包括设报警报表丄上J全st子蛊圮也"一攵 门二.二:打如Mt上J备故障报警和工艺参数高限报警，实时报警界面见图4.714博恒 站 *lJ|I-'JL9UMMI 1D "泄 IA炉（EUR庄誉川/ 9. E H<LEiLa t测HI2J&I3/U4U LILO图4.7实时报警界面实时数据库及控制策略力控软件的实时数据库系统由管理器和运行系统组成，实时数据库将组态数据、实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上。实时数据库

51、运行系统 可以完成对生产实时数据的各种操作：如实时数据处理、历史数据存储、统计数据 处理、报警处理、数据服务请求处理等。管理器是管理实时数据库的开发环境(DbManager),由Db Manager可以生成实时数据库的基础组态数据,来供运行系统调用。 本设计软件实时数据库的设计首先确定的是 I/O设备连接。I/O设备连接是确定数 据来源于I/O设备的过程。I/O设备的含义是指在控制系统中完成数据采集与控制 过程的物理设备。图4.8为I/O实时数据库。控制策略反应各个两之间的函数关系， 通过各种函数的计算，使得各个控制量得到适当合适的控制。图4.9为控制策略图。DEC说删CLINK p/omsi

52、WU原史莹教1二羊一彗僅说量XQLtl:电址山事量暮序黠最小U尾抚回PValSdL枕：第二当這底呈FJ、IX;电址7竜呈寄百關杲J'-tO捷大;200PV-lfi3k01FV-ptc.LiiL：a常呈空再朋累小m昼玄.也oPV-134ttO2炉腕盘度WiLUrtt址导堂量吿甘器是小菠St：5UOPV=ls5加PV=P1C：H1址:c罕塑寄存器fedo気丈皿PVhlfi6f-3 LF .'-PtC-i-iliL； ：1塔星爭祚盟臭卜;0杲丸血PV-laJfJlSU第一岂逍密量汁定值“士丄:屯址"京量奇廿器呆小:U矗.£:如FA1£8Mg串二首适呈绪是值.FV=P1C：电址:：當呈芟序誥最J"捷弋辿0PVkis9tdDlsp换热黑溫矍给丘直m:；也址;2岸昼