DCS控制系统及其应用课件

1、DCS控制系统及其应用小组成员： 唐 杰 陈嘉睿 迟丽华 刘 斌 陈忠平 张居浩 指导老师： 张早校 答辩时间: 2014年5月第1页，共87页。目录1.应用背景2. DCS简介3.甲醇工业 4. 模拟仿真 5.总结第2页，共87页。小组成员分配任务全 体 成 员文献资料查阅迟丽华 陈忠平甲醇工业过程整理编写陈嘉睿 刘 斌系统仿真模拟唐 杰 张居浩DCS系统理论整理编写全 体 成 员报告PPT汇总整理小组分工第3页，共87页。应用背景美国霍尼威尔（Honeywell）公司1975年12月正式向市场推出了世界上第一集散控制系统TDC2000系统。TDC2000的推出,其重要意义在于提出并实现了集

2、散。第4页，共87页。现代DCS 技术特点：全数字化、信息化和集成化。第5页，共87页。应用背景第6页，共87页。应用背景第7页，共87页。应用背景第8页，共87页。DCS系统简介DCS系统集中控制监控级分散过程控制级综合信息管理级通信网络系统第9页，共87页。三站一线第10页，共87页。现场控制站第11页，共87页。现场控制站功能完成对现场的直接控制；现场I/O驱动，对输入的过程量进行预处理，将控制量输出到现场；实时采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中，控制计算，根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的量；通过现场I/O驱动，。第12页，共87页。操作员站操作员站一

3、般桌面型通用计算机系统，如图像工作站或个人计算机等。大尺寸的显示器（CRT或液晶屏），较大的内存第13页，共87页。操作员站功能主要完成人机界面的功能；及HMI的处理，其中包括图形画面的显示、操作命令的解释与执行、对现场数据和状态的监视及异常报警、历史数据的存档和报表处理等第14页，共87页。操作员站操作员站画面可实现多窗口方式显示和操作第15页，共87页。工程师站工程师站其中一个部分是在线运行的，主要完成对DCS系统本身运行状态的诊断和监视；另一部分部分是离线态的组态软件，这是一组软件工具。第16页，共87页。工程师站功能对DCS进行应用组态，定义具体系统完成什么样的控制，控制的输入/输出量

4、是什么控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义。第17页，共87页。DCS网络主要包括双绞线、同轴电缆、光导纤维，冗余第18页，共87页。设计过程简介DCS系统甲醇与二甲醚生产过程装置设计可以分为4个过程：工艺简介系统结构设计系统工程控制实施系统安全性设计第19页，共87页。甲醇工艺简介下图为煤制甲醇简略工艺流框图空分锅炉汽机制冷备煤低温甲醇洗煤气化煤气水分离变换冷却脱氧站压缩甲醇合成硫回收甲醇精馏二甲醚氢回收第20页，共87页。甲醇工艺简介（1）气化： 主要反应：CmHnSr+m

5、/2O2mCO+(n/2-r)H2+rH2S CO+H2OH2+CO2 反应条件：6.5MPa(G)、1350-1400（2）变换冷却： 主要反应： CO+H2OH2O+CO2 反应条件：305 、在耐硫变换催化剂作用（3）低温甲醇洗： 冷甲醇作为吸收溶剂，脱出原料气中的CO2和H2S 反应条件：214810MPa、低于0 （4）甲醇合成 CO,CO2和H2在Cu-Zn催化剂作用下，合成粗甲醇。 反应条件：6.5MPa、235 第21页，共87页。（5）甲醇精馏 精馏系统由预精馏塔，加压塔，常压塔组成。（6）二甲醚工艺 主要反应：2CH3OH=CH3OCH3+H2O 将甲醇蒸汽投入有负荷液体催

6、化剂的反应釜内，所得混合气体通过缓冲剂进行缓冲，再进入冷凝池、冷凝塔经分离后得到产品。（7）空分装置 本装置工艺为分子筛净化空气、空气增压、氧气和氮气内压缩流程，全精馏制氩工艺。（8）热电联产 提供全装置所需蒸汽。甲醇工艺简介第22页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计1.甲醇装置系统特点2.DCS系统的网络规划设计3.DCS系统的控制机柜设计4.DCS系统的硬件结构设计5.DCS系统的通信功能设计第23页，共87页。1.甲醇装置系统特点典型多工段多关联串联生产联合装置,故采用多装置协调控制是DCS系统结构设计需优先考虑的。 将其拆分成几个相对独立的子系统，再由子系统构成一套母系统，图中三个

7、域要求数据能够互访，同时，中央集中控制室能够监控其他三个域的数据。甲醇装置DCS系统结构设计第24页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计2.DCS系统的网络规划设计网络需求分析：（1）3个独立域应该有自己独立局域网络、操作员站、控制员站、控制站、工程师站、历史服务器站以及交换机，同时域间有网络连接。（2）需要设立中央控制室，用于监控三个域全部数据。（3）SIS(安全仪表)系统、高压电器综合控报系统、低压定期综合控保系统、其他可编程序控制器系统。（4）因为工厂范围大，所以需要设立远程I/O机柜。第25页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计2.DCS系统的网络规划设计网络设计思路：（1）交换机

8、分布设计（2）计算机分布设计（3）历史站服务器选择设计第26页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计(1) 交换机分布设计网络分布示意图第27页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计(1) 交换机分布设计“确定性的实施工业以太网” 历史站服务器节点同交换机通信和不同域间的交换机级联通信：采用1000Mbps网络其他节点间的通信：采用100Mbps网络 选用：3COM,3C17304A,24口10/100M+2口1000M-T+2个SFP口二层网管交换机，还通过以太网串口接入SIS系统 第28页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计(2) 计算机分布设计在该项目中要求计算机放机柜室，键盘、鼠标、

9、显示器放操作室。选用：视频音频长线驱动器LD-8B(40100米)56套 USB延长器UE-1(50米)112套。优势：采用普通以太网线充当延长线，取材方便，接口通用 将显示器、鼠标、键盘分别用3根不同的延长线有利于故障分散 相比三线合一的延长线，故障更低，抗干扰性更好。第29页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计(3) 历史站服务器选择设计 选用带SAS硬盘的服务器记录趋势，需配置双硬盘：一块装操作系统，另一块装趋势文件 服务器的网卡全选用千兆网卡，同时服务器配备4网卡。两个用于操作员通信，另两个用于控制站通信。 服务器选用XEON 2.0G(双) /1G/73G*2/四网卡/双电源/CD

10、/3年，鼠标键盘都用USB接口，便于实施长线驱动鼠标和键盘。第30页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计3.DCS系统的控制机柜设计 该项目的现场腐蚀气体太浓，要求DCS模块具有防腐性能，因此采用光缆连接控制器机柜和远程的I/O机柜，可以构成统一的控制系统。这体现了HOLLIAS MACS S 系统特有的远程Profibus-DP总线技术。选用：冗余DP光纤收发器FM1202远程I/O连接图第31页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计本工程有三个远程控制室，各远程控制室分属域情况如下：（1）1#远程控制室中的硫回收、变换冷却、脱氧站属于造气域。（2）1#远程控制室中的低温甲醇洗、制冷属于空

11、分域。（3）2#远程控制室中的压缩机、氢回收、甲醇合成、甲醇精馏属于空分域。（4）3#远程控制室中的二甲醚、硫酸罐区、甲醇罐区、二甲醚罐区属于空分域。（5）3#远程控制室中的循环水属于热电域。上面远程站分属域决定了远程站同哪个域的控制器相连。第32页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计4.DCS系统的硬件结构设计制气域工艺由3台气化炉和公共部分组成，因此设计为4个控制站热电域工艺为3台130吨/小时循环流化床锅炉、一台25MV汽轮机及公共部分，共4个控制站空分甲醇域由25000空分装置、低温甲醇洗、制冷、压缩机、氢回收、甲醇合成、甲醇精馏、二甲醚、硫酸罐区、甲醇罐区、二甲醚罐区等组成，共分为

12、6个控制站第33页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计控制室I/O机柜配电柜继电器柜主控机笼I/O机笼模块数DP光纤收发器光缆中央控制室1热电控制室41141310723#远程控制室（热电域）12142350米2造气控制室61241915421#远程控制室（造气域）16432200米21#远程控制室（空分域）2113884空分控制室2116328102#远程控制室41756+5843#远程控制室（空分域）16402总计2145147958828第34页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计4.DCS系统的硬件结构设计 实际上，该工程除上面机柜外，还有放操作员站、工程师站、服务器的机柜，该项目

13、共有56个操作员站、51个机柜，7500多点，由4套DCS系统组成一套大型化工DCS系统。第35页，共87页。甲醇装置DCS系统结构设计5.DCS系统的通信功能设计 这整个系统共有4大类12台设备，可以将各种各样的通信方式、通信协议全部转换成以太网的标准OPC2.0协议采用：hollysysCOMMOPCSVR.1.0通信软件 无论哪台计算机出问题，都不会影响通信接收，因为在以太网上的所有计算机都可以接收外来通信数据。第36页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施1.气化域工程实施2.空分甲醇域工程实施3.热电域工程实施第37页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施1.气化域工程实施

14、气化域主要控制策略实施：（1）氧煤比控制：通过比值调节器实现，考虑安全因素，氧过量极易引起爆炸（2）煤气化过程安全联锁：采取3取2的联锁方式，优点在于防止仪表的错误信号，提高生产效率（3）气化炉渣锁程序控制：两个渣锁交替工作，以保持气化炉内压力第38页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施2.空分甲醇域工程实施 空分甲醇系统构成：空分甲醇系统实际分为两个大的生产装置：25000m3/h空分装置和30万吨甲醇生产装置。空分装置作用是分离出氧气提供给气化炉；甲醇装置主要将水煤气合成甲醇。第39页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施2.空分甲醇域工程实施 空分主要控制策略实施：(1)空分常

15、规控制(2)空分联锁逻辑(3)空分分子筛时序控制第40页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(1)空分常规控制空压机系统：空压机排气压力调节。预冷系统：空冷塔液位调节，水冷他液位调节。纯化系统：污氮进气量调节。膨胀机系统：增压机出口回流调节；膨胀机进口导叶手操；膨胀机进口切断阀收操。换热系统：氧气放空调节，产品氧气流量调节，产品氮气压力（或流量）调节，氮气去水冷他流量调节，污氮出分馏塔压力调节。第41页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(1)空分常规控制分馏系统：下塔液空液位调节，液氮节流进上塔手操。氩系统：精氩塔冷凝器液氮液位调节，粗氩塔冷凝器液空液位调节。氧压机系统：氧压机吸

16、入压力调节，（透平式）氧压机排气压力调节，高压旁通量调节（透平式），试车用氮气压力调节（透平式），混合气与进口氧气差压调节。氮压机系统：氮压机吸入压力调节（透平式），氮压机排气压力调节（透平式）。调压系统：吸入氧气压力调节，吸入氮气压力调节。第42页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施（2）空分联锁逻辑空压机系统：联锁停空压机，联锁防喘振预冷系统：联锁停水泵和停水冷机组，锁空冷塔排水阀纯化系统：联锁电加热器膨胀机系统：联锁增压机回流阀、膨胀机紧急切断阀。分馏系统：联锁液氧泵（内压缩流程）氩系统：联锁粗氩泵氧压机系统：联锁停氧压机，备用油泵启/停控制，自动启氧压机时序氮压机系统：联锁停氮压

17、机，备用油泵启/停控制第43页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施 分子筛切换(纯化)系统：有两个分子筛吸附器，交互通过空气和污氮，通过空气的分子筛处于工作状，分子筛中的吸附剂吸附空气中的杂质，除去 碳氢化合物等。（3）空分分子筛时序控制 第44页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施3.甲醇主要控制策略实施(1)甲醇合成塔热点温度控制策略实施(2)甲醇精馏回流量控制策略实施(3)二甲醚控制策略实施第45页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(1)甲醇合成塔热点温度控制策略实施 甲醇合成反应产生的热量用来生产中压饱和蒸汽。因此，反应温度可稳定控制在一定范围内。出合成塔的气体入气

18、气换热器，在此与合成塔入口气体换热，把入塔气加热到触媒活性温度。在甲醇合成塔中：因生产负荷变大造成入塔压力变高，按照放热反应原理，触媒温度应该上升，但实际上触媒温度是先下降，然后再上升，这就是反向特性。第46页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(1)甲醇合成塔热点温度控制策略实施 反向特性可以采用史密斯预估控制方法原理进行补偿。史密斯预估控制原理是在常规PID的反馈控制的基础上，引入一个预估的补偿环节，相当于控制过程尽在时间上推迟了时间。反馈预估补偿干扰F实施优化的关键技术之一是需要DCS控制系统储蓄一段时间的实时数据能力。补偿后第47页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(2)

19、甲醇精馏回流量控制策略实施 甲醇精馏预塔和主塔的回流量控制第48页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(2)甲醇精馏回流量控制策略实施 稀醇水流量与粗甲醇流量比值调节系统：当甲醇产量增加时，只需开大主塔进料阀，这时主塔得到增加进料的信号，与塔底得到降低液位的信号，自动调节粗甲醇进料，以保证塔底液位平衡。粗甲醇的进料量增加使原来回流比失去平衡，通过比值器自动调节再沸器的冷凝水液位调节器，再通过冷凝水排放阀调整冷凝水液位i，已达到新的平衡。 回流量进料量比值器再沸器液位控制器冷凝水排放阀回流比自动控制示意图第49页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(2)甲醇精馏回流量控制策略实施 操

20、作变量：冷凝水排放量选择准则：选择对于被控变量有较大影响的输 入，每个操作变量的调整范围应该是一个相当大的范围；选择快速影响被控变量的输入被测变量：进料量，回流量，冷凝水排放量，再沸器液位选择准则：安全有效的操作过程装置要求对关键过程变量进行在线测量；选择具有足够敏感度的被测量第50页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(2)甲醇精馏回流量控制策略实施 选择的测量机构是：进料量差压式流量计，量程是500m3/h，精度等级选为2.0级。回流量差压式流量计，量程是500m3/h，精度等级选为1.0级。冷凝水排放量电磁式流量计，量程是200m3/h,精度等级选为1.5级。再沸器液位差压式液位计

21、，量程是10m，精度选为0.5级。第51页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(2)甲醇精馏回流量控制策略实施 变送器：都选择DDZ-型压变送器，防爆安全栅选为ia级（本安型）。调节器：PID调节器执行器：气动执行器+电-气阀门定位器，气动执行器由气动薄膜执行机构和具有对数流量特性的调节阀组成。第52页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(3)二甲醚控制策略实施开车联锁： 温度：控制生产温度为120-250摄氏度可投料 液位稳定：投料后及时通过视镜观察反应釜内反应情况 压力：在升温过程中，压力会上升，打开气相管线的蝶阀使流程通畅，并打开相应的放空阀使反应釜内空气排出，控制生产压力位

22、0.9MPa第53页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(3)二甲醚控制策略实施实际工程： 温度：气化塔提馏段温度调节，进口温度调节，反应器冷激段温度调节，精馏塔提馏段温度调节，气提塔提馏段温度调节 压力：精馏塔塔顶压力调节，洗涤塔塔顶压力调节 流量：气化塔进料流量调节，循环也流量调节 液位：气化塔塔釜液位调节，气提塔塔釜液位调节，闪蒸罐液位调节第54页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(3)二甲醚控制策略实施停车联锁：接停车命令后，停止反应釜进料，其他设备照常运行。用压缩机一回一或二回一调整，保证一段进口压力；若系统为保压短期停车，则控制反应釜压力。若反应釜液面稳定不再下降/釜

23、内压力不再上升后，关闭加热器蒸汽阀门，停循环酸泵。停压缩机，关闭压缩机进出口阀门，关闭送管区切断阀。第55页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施3.热电域工程实施热电域系统构成： 热电域DCS系统主要控制三台130吨/小时循环流化床锅炉和一台25MW汽轮机。 共11个操作员站（1个远程操作站）/1个工程师站/1对历史站服务器/4对冗余控制站，4台交换机/中控室14个机柜/1个I/O远程机柜。第56页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施2)热电主要控制回路实施(1)燃烧控制系统以及主蒸汽压力调节系统(2)主蒸汽温度控制系统(3)气包水位控制系统(4)料层差压控制系统(5)炉膛负压控制

24、系统第57页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(1)燃烧控制系统以及主蒸汽压力调节系统 K接通相当于接上外环，主要克服由于并行运行带来的主管压力的扰动。 控制规则库与床温和炉膛出口温度，相当于内环，用来克服堵煤异常情况和给煤质与量的不均匀。一次风的重要作用是保持床的正常流化状态，避免局部超温结焦现象。二次返料量决定了冷灰再如炉膛的量，对床温以及负荷出力也有很大影响。第58页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(2)主蒸汽温度控制系统 过热器温度调节系统第59页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(2)主蒸汽温度控制系统 操作变量：减温水流量 选择准则：选择对于被控变量有较大

25、影响的输入，每个操作变量的调整范围应该是一个相当大的范围；选择快速影响被控变量的输入被控变量是：主蒸汽温度选择准则：所选输出变量必须保持在仪器和操作条件限制之内；选择能直接反映产品质量，或对于产品质量有较强影响的变量，作为输出变量第60页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施选择的被测变量及其测量机构：过热器温度铜-康铜热电偶，量程是2000，精度等级是1.0级减温水流量压差式流量计，量程是150m3/h,精度等级是2.0级烟气量转子式流量计，量程是3000m3/h,精度等级是2.0级烟气温度铜热电阻温度计，量程是500,精度等级是2.0级蒸汽流量转子式流量计，量程是2000m3/h，精度

26、等级是1.0级返料量转子式流量计，量程是1000m3/h,精度等级是1.0级 第61页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施(2)主蒸汽温度控制系统变送器：铜-康铜热电偶选择的是DDZ-III型温度变送器，其他的选择差压变送器。防爆安全栅选为ia级（本安型）调节器：PID调节器执行器： 二次隔离阀执行机构为气动薄膜执行机构，调节机构为碟阀 一次调节阀，二次调节阀，二次电动阀执行机构为气动薄膜执行机构，调节机构为直通双座阀，可调比R取为30第62页，共87页。甲醇装置DCS系统工程控制实施（3）气包水位控制系统 气包水位控制系统可以采用三冲量基础上的串级控制系统。由于气包水位有一个较宽的范围

27、，因此采用规则控制可以控制，对测量的干扰更有适应性，因此外调节器拟用规则调节器。（4）料层差压控制系统 料层差压控制系统采取间隙排渣手段（5）炉膛负压控制系统 为了防止炉膛正压,可以在总风量增加动作前，让引风提高动作,同时需设置引风机开度为低限。第63页，共87页。整个系统的过程安全系统设计多保护层原理第64页，共87页。整个系统的过程安全系统设计 在甲醇以及二甲醚的生产装置系统设计中， 这个生产装置安全可靠的设计为整个系统提供了一层保护， 紧接着的两层是各个分系统的安全防爆珊设计等 最后一层是安全互锁系统，又称为安全仪表系统或紧急停车系统。 第65页，共87页。DCS仿真模拟因相关软件问题，

28、仿真部分采取MATLAB的Simulink仿真模拟。仿真项目：锅炉汽水系统控制方法的研究第66页，共87页。1.控制系统的选择根据锅炉负荷变化的速度、锅炉的容量和调节的精度要求。把锅炉汽包水位控制方式分为两种类型：1)单冲量给水控制系统，以汽包水位作为唯一的调节信号。2）三冲量给水控制系统，以汽包水位作为主调节信号，给水流量和蒸汽流量为负调节信号。第67页，共87页。图2 三冲量控制系统控制原理图第68页，共87页。图3 三冲量控制系统控制系统方框图第69页，共87页。1.2最终选型三冲量控制系统不管如何设置参数，当负荷发生变化时，此方案中的液位能保持无差。对比两种方式的优劣，我们选用前馈-串

29、级三冲量控制方式。第70页，共87页。2.锅炉汽包水位控制系统的数学模型 2.1.1实验对象：供气流量为120t/h的锅炉。 2.1.2通过实验测得传递函数： 在给水流量单位阶跃扰动下，水位反应曲线的飞升速度，即水位的变化速度=0.0529mm/秒。为了提高仿真的速度，取n=1。一阶滞后环节的时间常数经测量为8.5秒。因此给水量w与水位H的传递函数为：第71页，共87页。在蒸汽流量单位阶跃扰动下，水位变化的响应速度=0.0747mm/秒，即Ta=0.0747mm/秒，增益系数=2.613，滞后环节的时间常数=6.7秒，n=2，故蒸汽流量D与水位H的传递函数为：第72页，共87页。2.2仪器的选

30、择与各变送器转换系数的确定选用的流量计的量程为150t/h，液位变送器的量程为300mm水柱，所有变送器均采用的DDZII型组合仪表，其标准信号为0-10mADC。蒸汽流量变送器、给水流量变送器、液位变送器的转换系数分别为： 第73页，共87页。3.系统仿真分析3.1锅炉汽包水位控制系统稳定性分析下面利用频域分析法中的伯德图和奈奎斯特图法来判断系统的稳定性。闭环系统伯德图 num=0 0 0.0529; den=8.5 1 0; H=tf(num,den);Gm,Pm,Wcp,Wcg=margin(H); bode(H) grid on第74页，共87页。相位裕量Y=67.44850,说明系统稳定。第75页，共87页。开环系统奈氏轨迹： num1=0 1