合成氨过程的集散控制系统设计

PAGEPAGE50合成氨过程的集散控制系统设计摘要本设计——“合成氨过程的集散控制系统设计”是针对目前合成氨生产的具体要求及集散控制系统（DCS）发展的现状，进行研究与设计，以实现合成氨生产过程自动控制与管理，最终提高企业经济效益为目的。本文是以我国中大中型氮肥生产企业为背景，天然气为原料气，在分析了合成氨生产过程基本工艺的基础上，主要对合成氨过程中的合成工段进行研究。此次设计详细介绍了此工段中的氢氮比控制，几乎所有的合成氨装置对氢氮比的控制都存在一定的问题。氢氮比系统是一个超大时滞系统，大时滞系统的控制问题是过程控制中的难题，超大时滞系统的控制更为困难。针对上述情况，本文设计了串级加前馈控制系统用于该过程氢氮比在线控制。本文基于浙大中控的JX—300X系统进行系统组态、界面组态、操作组态。在SCKey组态软件的环境下完成了系统组态，并对其控制功能进行分析。DCS组态试验结果表明对于氨合成工段的集散控制系统较常规（经典）控制有明显的优势，此次设计基本成功。关键词集散控制系统；合成氨工段；氢氮比控制；目录摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ第1章前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11．1问题的提出及研究目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11．2合成氨过程发展概况．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11．3存在的问题及最新发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2第2章合成氨生产过程简述及控制需求分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32．1合成氨生产过程简述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32．2合成氨工段的工艺流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42．3控制需求分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4第3章控制方案设计及论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63．1氢氮比控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63．1．1控制对象特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63．1．2工艺对氢氮比的控制要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．73．1．3控制方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．83．2惰性气体含量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．103．3合成塔触媒层温度控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．113．4循环气氨冷器出口温度和液位控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．123．5氨分离器及冷交换器液位控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13第4章控制系统总体设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154．1JX—300X控制系统简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154．1．1JX—300X系统结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154．1．2系统的主要特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．164．2仪表设备选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．174．2．1选择原则．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．174．2．2仪表的选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．204．3系统硬件构成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．304．3．1控制站的配置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．314．3．2I/O卡的配置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．314．3．3操作站的配置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．324．3．4工程师站配置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．324．4系统软件构成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33第５章系统组态及控制功能的实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．355．1SCKey组态软件简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．355．1．1集散控制系统组态的定义355．1．2SCKey组态软件特点355．2总体信息组态355．2．1主机设置355.3控制站组态．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．365．3．1系统I/O组态．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．375．3．2自定义变量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．405．3．3系统控制方案组态．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．415．4操作站组态．455．4．1系统标准画面组态．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．455．5控制功能分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48第6章结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．49参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．50谢辞．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．51第1章前言1.1问题的提出及研究目的在合成氨工业中，特别是近代大型合成厂的出现，生产技术和工艺过程日趋复杂，对过程自动化提出了更高的要求。在控制方面，除了需要单回路控制、串级控制、比值控制等，还要求实现前馈控制、时滞补偿、多变量的相关控制等新型控制功能，而且常规仪表具有控制精度低、故障率高、性能不稳定、维护量大、费用高等的缺点，因此难以满足要求[1]。DCS控制系统由于具有集中管理，分散控制，布线简单，调试方便等的特点，而且还由于计算机本身的飞速发展，其性能不断提高、价格不断下降。因此，工业合成氨的离散控制（DCS）有很大的研究价值和意义。经研究与分析，针对DCS应用的普及，以及合成氨生产的具体要求，本文主要是对如何将DCS应用到合成氨生产过程，进行分析与研究，进行集散控制系统设计，以实现在一定程度上节约人力物力，改善操作人员和维护人员的工作环境和劳动强度，提高企业的经济效益的目的。1.2合成氨过程发展概况我国大型合成氨厂已建成投产的共20多个，多数是70、80年代引进的装置。建厂时自动控制设计多采用电动Ⅲ型仪表，成熟的控制回路和继电器连锁控制，基本上满足单机组/大容量、连续化大生产的要求。但是一些节能效果显著的复杂控制回路仍需人工操作、生产调度、报表等管理工作也皆人工操作，检测控制系统故障影响生产的事件常有发生。80年代初，个别大型氨厂开始引进单回路调节器，DCS取代原来常规调节仪表并自行开发应用软件，相继把原来人工调节的一些节能效果显著的复杂控制回路引入计算机控制，对节能、增产、稳定工艺发挥作用。目前，随着合成氨工艺生产过程控制水平也得到较大的提高。大中型合成氨装置已经较为普遍的采用分散控制系统。随着科学技术的进步，DCS技术突飞猛进发展，打破了传统的DCS的强封闭性，，为企业实现全厂管控一体化创造了条件。1.3设计目的及意义对于各个生产企业而言，合成氨装置采用集散型控制系统(DCS)在一定程度上节约人力物力，改善操作人员和维护人员的工作环境和劳动强度，在一定程度上提高企业的经济效益；对我自己来说，这次毕业设计可以使平时在课堂上学到的理论知识得以实践，提高动手、思考和解决问题的能力，对毕业后的工厂工作提供了一个锻炼的平台。第2章合成氨生产过程简述及控制需求分析2.1合成氨生产过程简述合成氨的制取是氮肥生产的主要过程。在合成氨中，由于合成气制备的原料、方法，合成气的净化，合成塔的设计等因素的不同，合成氨的生产工艺流程也不同，但大体上分以下三个步骤：原料气的制备原料气的净化氨的合成下面主要介绍以天然气为原料的合成氨生产工艺机理，工艺流程图如图2.1所示。图2.1合成氨过程的工艺流程图已压缩和脱硫的天然气和蒸汽按一定比例混合进入一段转化炉，采用加压蒸汽转化法生产半水煤气，同时在二段转化炉中加入空气，由于氢气和氧气的燃烧放出的热量而使气体温度生高，使转化反应趋于完全。同时得到合成氨所需要的氮气。经中温和低温变换并脱除二氧化碳后，残余的一氧化碳和二氧化碳经过甲烷化催化剂生成甲烷，然后在四个大气压下合成氨[3]。在合成氨生产中，氨合成工段是合成氨工厂的心脏部分。氨合成的好坏，直接影响到工厂的产量、原料气的消耗、压缩机能耗的高低，它是合成氨工厂的高产底耗的关键工序。因此，此次设计要对此工段进行详细分析与设计。2.2合成氨工段的工艺流程图2.2示出了氨厂合成工段工艺流程，在流程中新鲜气体与循环气均由往复式压缩机加压，设置水冷器与氨冷凝器两次产品液氨，氨合成反应热仅用于预热进塔气体[2]。此流程特点如下：在原料气中含有惰性气体，其虽对催化剂无害，也不参加反应，但气体含量的高低将会影响平衡氨含量。在合成氨中，由于氢、氮气体的循环，惰性气体含量的高低将逐渐积累，所以为控制原料气中的惰性气体含量，需定期排放一部分惰性气体。流程中放空位置选在惰性气体含量最高，氨含量较低的位置，这样原料气和氨气的损失少。原料气在合成塔合成氨后，气体中的氨含量一般只有10%~20%，因此分离氨后的氢氮比（又称循环气）用循环机循环使用。流程中循环机位于第一氨分离器与氨冷凝塔之间，循环气温度低，压缩省功。新鲜气在油分离器补入，可以在氨分离器时再次得到净化，因为氨在冷凝时形成表面积极大的新相，对去除油污以及带入的微量的二氧化碳、水器极为有利。2.３控制需求分析图2.2氨合成工段工艺流程图合成氨生产中，合成氨工段中主要工艺参数直接影响合成氨的产量及能源消耗等指标。因此合成工段中主要工艺参数的优化控制非常重要。为了适应生产的要求，以降低吨氨消耗为目标，控制参数有以下几个：氢氮比控制惰性气体含量控制合成塔触媒层温度控制氨冷出口温度控制氨分离器及冷交换器液位控制第3章控制方案设计及论证3.1氢氮比控制在合成氨工段中,氢氮比参数是最为重要的几个参数之一。氢氮比控制的好坏与整个生产的安全及装置的经济效益都是直接相关的。3.1.1控制对象特性分析A．纯滞后时间大。从造气工段到合成工段间隔时间需20-25分钟，因为通道长，更加大了这个系统的时滞，初步估计这一系统纯滞后时间为30分钟左右，而氢和氮合成过程是一个化学变化过程，这就决定了该系统的时间常数T不会太大，从而使得远大于1，众所周知,对于>0.6的系统，PID调节器就已经不能很好的控制了，对于>1的系统就更无能为力了，所以即使自动控制设备是很好的DCS，这个环节的自动闭环稳定控制仍不能实现。B．无自衡性和蓄存性。合成塔以三比一的关系消耗氢气和氮气，如果补充气不是以三比一补充，将有氢或氮的积累。这就是对象的无自衡性。已经积累的氢或氮将存于循环气中不会自行消失，这就是蓄存性。要消除已积累的氢或氮气，必须有一股与原积累方向相反的氢气或氮气去补充。C．扰动因素多。归纳起来主要有：原料油田气系统来的变换气流量、氢含量氮气纯度、以及为降低系统压力和惰性气体含量的弛放气流量等。还有许多不可测的干扰因素。生产实际表明，氢氮比是合成氨装置中最难控制的一个变量利用常规PID组成的控制系统因适应能力差，满足不了这一变量的控制要求。多年来，这个生产装置的氢氮比控制都是通过人工调节的，氢氮比控制在2.8~3.2为合格[4]。用手动控制，在装置稳定时可以收到满意的效果，但装置情况有变化，例如有大的干扰发生或处理量发生变化等，手动控制不能及时跟踪，这就使得装置在一段时期内不能稳定，必然影响产品的产量和质量。.某些厂的合格率仅为43％左右，严重影响合成氨的产量。上述分析可见，氢氮比环节之所以成为一个难控环节的原因有二：一是装置特性的原因，即它是复杂的大时滞环节；二是采用常规控制的原因，常规控制对于大时滞强干扰环节的控制能力很差。第一个原因是客观存在，工艺和装置不能做任何改变。所以要解决氢氮比的控制问题，只能从从第二个原因入手，即要用较好的控制方法对这个环节进行控制。为此人们在理论和实践上都进行了大量的研究工作。试用了许多方法，但效果都不理想。无论从理论上还是从实践上讲，寻求高性能的控制策略来构成氢氮比计算机实时控制系统，以改善氢氮比环节的控制，显然是十分必要的。3.1.2工艺对氢氮比的控制要求（1）安全可靠当信号中段时，不会引起系统大幅度的波动，遇突然断电、断气情况下具有安全连锁措施。（2）操作灵活方便显示、操作、控制系统投运，手、自动切换方便。（3）控制稳定3.1.3控制方案设计对于这样大滞后的自动调节，若采用简单调节系统，则超调量大，过度时间长，系统不稳定。综合前馈和串级控制特点，采用前馈——串级控制较适宜。方案一：主环信号采用合成塔进口气的氢氮比，副回路采用新鲜气的氢氮比，从而构成一个串级控制系统。同时对原料气和空气又组成一个静态前馈系统。方案二：以变换出口处氢氮比代替甲烷化后新鲜气的氢氮比，可提高系统副环的灵敏性，使系统有所改进。方案三：此方案主环信号采用合成塔出口气的氢氮比，副回路信号采用低变炉出口变换氢含量，这样副环滞后时间小些，提高系统的工作效率，同时为了提高抗干扰能力，取一段炉入口天然气流量为前馈量，组成一个完整的前馈——串级控制系统。主参数是工艺操作的重要指标，因此，直接取合成塔入口循环气氢氮比值，要求氢氮比偏离最佳值越小越好，主环给出人工给定最佳氢氮比。控制方案方框图、流程图如图3.1所示。图3.1氢氮比控制的方块图及流程图副回路的引入是为了保证主参数的稳定，首先，副回路应尽量把影响主参数最严重、最激烈、最频繁的主要干扰包括在内，并力求包括较多的次要干扰；其次，主、副回路的时间常数应适当匹配。一般主、副回路的时间常数比为3~10，若，则副回路包括的干扰太少，使副回路克服干扰的能力减弱，考虑到工艺的合理性，最好把调节通道的非线性部分包括在副回路内。若，则副回路的快速、超前、减少滞后的优点发挥不出来，且容易引起“共振”现象。因此，选取变换氢含量作为副参数较合理。因为变换氢的变化方向与氢氮比的变化方向一致，进入二段炉空气流量的改变，变换氢首先氢氮比的变化趋势，因而若变换氢控制在某一数值上，则循环氢氮比相对地稳定下来。前馈量工艺天然气流量的引入，增加了系统抗干扰能力，对于进入工艺天然气流量的干扰，能够快速、及时校正。因此，系统对负荷改变自适应能力增强，稳定性提高。3.2惰性气体含量控制系统在合成系统的循环气中，甲烷、氩等惰性气体的组分积累过多时，将降低合成氨的转化率，影响合成氨的产量。因此需将一部分循环气连续放空，以控制合成回路惰性气体组成。但是过多的放空弛放气量又浪费了宝贵的氢氮气，同样也影响合成氨的产量。因此需根据惰性气体含量分析的多少，控制弛放气的排放量。图3.2是采用串级加选择性控制方案的惰性气含量控制示意图及相应的方框图。 图3.2惰性气含量控制示意图及相应的方框图在正常情况下是以回路中惰性气体分率作为主被控变量，以惰性气体含量为目标进行控制。由于该对象时间常数大，纯滞后时间长，所以采用串级控制方案，将弛放气含量构成副回路，以改善系统的动态特性，获得主被控变量的较理想的控制品质当压力超限时，调节合成系统压力的超驰放空控制系统自动取代惰性气体含量控制系统，对系统压力进行调节，恢复正常的系统压力，随后再重新投入惰性气体含量控制。3.3合成塔触媒层温度控制触媒层温度是保证合成塔能稳产、高产和延长触媒寿命的主要工艺指标之一。由于合成塔结构不同，相应的控制系统构成也不同。对床层内设置冷管的连续换热式氨合成塔温度控制，设计了串级控制形式的敏点——热点温度串级控制方案。此方案通过选择敏点作为副环，具有反应灵敏的优点，可达到提高调节的目的。在合成氨生产过程中，合成塔触媒层温度是十分重要的工艺参数，一般有十多个检测点，其中温度最高的一点称为热点，而对调节量（副线）最敏感的一点称为敏点。控制方案图及方块图如图3.3所示。图3.3合成塔触媒层温度控制流程图及方块图3.4氨冷器出口温度和液位控制为了更好的控制温度，采用串级控制方案，以温度回路为主回路，液位为副回路。若氨冷器中的加氨量过大造成液位超限，就回出现气氨带液，会造成停车事故。为了保证液位，当液位超限时，切断串级回路，使回路的串级状态切换到副回路的自动状态，确保液位在安全值内，避免发生生产事故。控制流程图和方块图如图3.4所示。图2.4氨冷器出口温度和液位控制方案图及流程图3.5氨分离器及冷交换器液位控制在氨分离器及冷交换器液位调节系统中，用常规单回路调节，水位测量与给定值进行PID运算，运算结果调节液位调节阀开度，从而维持液位恒定。控制方案图及方块图如图3.7所示。图3.7氨分离器液位控制流程图及方块图第4章控制系统总体设计4.1JX—300X简介4.1.1JX—300X系统结构JX—300X分散控制系统是浙大中控公司于1996年在JX—300系统基础上充分应用最新信号处理技术、高速网络技术、可靠的软件平台、软件汉化技术及现场总线技术而推出的一个全数字化、结构灵活、功能完善的新型开放式控制系统。能适应更广泛更复杂的应用要求。JX—300X系统通讯适应的软、硬件可实现与早期厂品JX—100、JX—200、JX—300，以及PLC，企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络环境下的实时数据采集、实时系统查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变化记录与查看、报表数据存储、历史趋势存储与查看、产生过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成自动化。JX—300X基本组成包括工程师站、操作站、控制站和通讯网络Ⅱ[5]。系统结构图如所示。图4.1JX—300X系统结构图工程师站是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组态平台和系统维护具。通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制等。而使用系统的维护工具软件实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。操作站是由工业PC机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的环境。高性能工控机、卓越的流程图机能、多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、集中操作和集中管理。控制站是系统中直接与现场打交道的I/O处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。控制站可冗余配置，灵活、合理。在同一系统中，任何信号均可按冗余或不冗余连接，详见卡件描述。对于系统中重要的公用部件，建议采用100%冗余，如主控制卡、数据转发卡和电源箱。过程控制网络实现工程师站、操作站、控制站的连接，完成信息、控制命令等传输，双重化冗余设计，使得信息传输安全、高速。4.1.2系统的主要特点JX-300X覆盖了大型集散控制系统的安全性、冗余功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规DCS的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（SOE）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供功能块图、梯形图等直观的图形组态工具，还提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类C语言编程环境SCX。系统规模变化灵活，可以实现从一个单过程控制，到全厂范围的自动化集成。系统的主要特点如下：（1）高速、可靠、开放的通讯网络SCnetII（2）分散、独立、功能强大的控制站（3）多功能的协议转换接口（4）全智能化设计（5）任意冗余配置（6）简单、易用的组态手段和工具（7）丰富、实用、友好的实时监控界面（8）事件记录功能（9）与异构化系统的集成（10）安装方便，维护简单，产品多元化、正规化4.2仪表设备选型4.2.1选择原则根据控制方案和过程特性、工艺要求，选择合适的传感器、变送器、与执行器。1．传感器、变送器的选择原则根据控制系统中用于参数检测的传感器、变送器是系统中获取信息的装置。传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送到控制器。测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确的测量是实现高性能控制的重要条件。测量不准确或不及时，会生产失调、误调或调节不及时，影响之大不能忽视。因此传感器、变送器的选择是过程控制系统设计中重要一环[7]。传感器与变送器的选择与使用，主要根据被检测参数的性质以及控制系统设计的总体功能要求来决定。被检测参数性质、测量精度、响应速度以及对控制性能要求等都影响传感器、变送器的选择与使用，在系统设计时，要从工艺的合理性、经济性、可替换性等方面加以综合考虑。下面结合过程控制系统设计，简要讨论传感器、变送器选择的一些注意事项及使用中应注意的一些事项。（1）传感器、变送器则量范围与精度等级的选择在控制系统设计时，对要检测的参数和变量都有明确的测量精度要求，参数与变量可能的变化范围一般都是已知的。因此在传感器的选择时，应按照生产过程的工艺要求，首先确定传感器与变送器的测量范围（量程）与精度等级。（2）尽可能考虑时间常数小的传感器、变送器传感器、变送器都有一定的响应时间，特别是测量元件，由于存在热阻和热容，本身具有一定的时间常数，这些时间常数和纯滞后必然造成测量滞后；对于气动仪表，由于现场传感器与控制室仪表间的信号通过管道传递，还存在一定的传送滞后。必要时也可以在测量元件以后引入微分环节，利用它的超前作用来补偿测量元件引起的动态误差。对于传送滞后较大的气动信号，一般气压信号管路不能超过300m，直径不能小于6mm，或者用阀门定位器、气动气动放大器增大输出功率，以减少传送滞后。在可能的情况下，现场与控制室之间的信号尽量采用电信号，以减少传送滞后。（3）合理选择检测点、减少测量滞后要合适的选择测量信号的检测点，以避免由于传感器安装位置不合适引起的滞后。另外，测量位置的选择还要使检测参数能够真实反映生产过程状态，因此尽量将传感器安装在能够直接代表生产过程状态的位置。2．执行器的选择原则过程控制使用最多的是执行机构和调节阀组成的执行器。从提高系统控制品质、增强生产系统及设备安全性角度，对控制系统设计中有关执行器选型需要关注的问题进行简单的说明。（1）调节阀工作区间的选择在过程控制系统设计中，确定控制阀的口径尺寸是选择控制阀的重要内容之一，在正常工况下要求调节阀的开度在15%~85%之间。如果调节阀口径选的过小，当系统受到较大的扰动时，调节阀工作在全开或全关的饱和状态，使系统暂处于失控状态，这对扰动偏差的消除不利；同样，调节阀口径选的过大，阀门长时间处于小开度工作状态，阀门的不平衡力较大，阀门调节冷敏度低，工作特性差，甚至会产生震荡或调节失灵的情况。因此，调节阀口轻选择一定合适。（2）调节阀的流量特性的选择调节阀的流量特性的选择一般分两步进行。首先要根据生产过程的工艺参数和控制系统的工艺要求，确定工作流量特性的畸变关系，求出对应理想流量特性，确定阀门类型。（3）调节阀的气开、气关作用的选择调节阀气开、气关作用方式的选择主要以不同生产工艺条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依据。由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以这里主要讨论调节阀的气开、气关作用方式选择。气开式调节阀随着控制信号的增加而开度加大，当无压力控制信号时，阀门处于全关闭状态；与之相反，气关式调节阀随着信号压力的增加，阀门逐渐关小，当无信号时，阀门处于全开状态。控制系统选择调节阀气开或气关作用方式完全由生产过程的工艺特点和安全要求决定。一般要根据以下几条原则进行选择人身安全、系统与设备安全原则保证产品质量原则减少原料和动力浪费的经济原则基于介质特点的工艺设备安全原则4.2.2仪表选型1.氢氮比控制回路的选型A．天然气回路a．LWQ-C-25型气体涡轮流量计流量计1）概述LWQ-C-25型气体涡轮流量计是吸取了国内外流量仪表先进技术经过优化设计，综合了气体力学、流体力学、电磁学等理论而自行研制开发的集温度、压力、流量传感器和智能流量积算仪于一体的新一代高精度、高可靠性的气体精密计量仪表，具有出色的低压和高压计量性能，多种信号输出方式以及对流体扰动的低敏感性，广泛适用于天然气、煤制气、液化气、轻烃气等气体的计量。2）产品特点

专为燃气计量设计，高灵敏度，高安全性

进口优质专用轴承，使用寿命长

计量室与通气室隔绝，保证了仪表的安全性

可检测被测气体的温度、压力和流量，能进行流量自动跟踪补偿，并显示标准状的气体体积累积量；可实时查询温度压力数值

流量范围宽，重复性好，精度高（可达1.0级），压力损失小

智能化仪表系数多点非线性修正

内置式压力、温度传感器，安全性能高、结构紧凑、外形美观3）技术参数：公称通径：25（mm）；流量范围：5—150（m3/h）；工作压力：4（MPa）；安装形式：法兰；精度等级：1.0级使用条件：环境温度：-30℃～+60℃；大气压力：86KPa～106KPa；介质温度：-30℃～+80℃；相对湿度：5%～95%输出信号：4~20mADC电流输出b．NS-I7型压力变送器（上海天沐自动化有限公司）1）特点：采用进口原装陶瓷压阻传感器；传感器和放大电路高度集成；全体不锈钢封装成一体；电路零点和增益无需调整；结构紧凑、防水、防尘；低价格2）

技术指标：输入压力范围：1MP-10MP过载能力:2倍测量介质：对不锈钢不腐蚀的气、液体工作方式：绝压、表压、差压工作电压：24VDC（9～36V）输出信号：4～20mA或1～5V输出形式：二线制或三线制工作温度范围：-40～85℃c．ZXL型气开式新系列气动薄膜套筒调节阀

1)产品概述ZXL型气开式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。

2）主要参数：信号范围(KPa):20-100气源压力(MPa)：0.14公称通径（mm）：40固有流量特性：直线、等百分比公称压力（MPa）：4.0工作温度（℃）：-20-200开关方式：气开固有可调比：50B．蒸汽回路a.XKWJ-ZI/ZII型文丘利涡街流量计流量计1）概述XKWJ-ZI/ZII型文丘利涡街流量计是结合国内外先进技术，采用先进微处理器、微功耗技术和文丘利机构及涡街原理开发出的一种具有国际先进水平的新型流量计。它具有功能强大、测量准确度高、量程范围宽、管道安装要求低、压损小、抗振动能力强、性能稳定可靠、操作简单等优点，主要应用于工业管道中天然气、煤气、氮气、压缩空气等多种气体工况体积和标况体积流量的计量。2）特点：显示功能：显示标况瞬时流量、累积流量、温度、压力等热工参数。微功耗双电源设计：内部锂电池供电，工作电流80uA，也可外部供电。零位自调功能：零位每秒自动调整，消除零位漂移。断电保护功能：采用E2PROM技术，数据能长期保存。输出信号和通讯功能:4～20mA标准电流信号、脉冲信号、RS485通讯接口。具有电池失效监视功能。具有小信号切除功能。安装前直管段只需3D，后直管段为1D。压力损失小，无可动部件，使用寿命长3）技术参数:测量范围：30—300m3/h口径：15-400mm

公称压力：1.6Mpa

介质温度：-40℃~+130℃

准确度：±1.0%

供电电源：内部：+3.6V

；外部：+24VDC±10%b.ZXL型气开式新系列气动薄膜套筒调节阀C.空气控制回路a.XKWJ-ZI/ZII型文丘利涡街流量计b.ZXL型气开式新系列气动薄膜套筒调节阀D.氢氮含量控制回路a.8810G型气体分析专用色谱仪器8810G型气体分析专用色谱仪器，专门为高纯气体分析，设计生产的高性能低价格、实用型的专用气相色谱仪。本仪器巧妙地将TCD热导检测器与FID氢火焰离子检测器安装在同一台仪器上，配备高性能的Ni触媒转化炉带六通阀的气体进样装置，及专用的色谱柱，组成一套气体分析色谱仪。本仪器具有稳定性好，灵敏度高的优点，能分析高纯氢、氦、一氧化碳；纯氩、氮、氧及各类标准混合气的分析，是广大气体分析色谱仪工作者的得力助手，在气体分析测试中取得了好的效果。E.氢气含量控制a.8810G型气体分析专用色谱仪器2.惰性气体含量控制回路（1）天然气和氩的含量8810G型气体分析专用色谱仪器（2）合成回路压力a.PG7601气体活塞压力计PG7601是7000系列活塞压力计中覆盖中低量程的基准级气体活塞压力计，具有手动(手动加码/手动控制压力)、半自动(手动加码/自动控制压力)和全自动(自动加码/自动压力控制)三种选择，真正现代化活塞压力计。【规格参数】☆量程：5kPa～7MPa(表压)

5kPa～7MPa(绝压)

-90～350kPa(差压)☆分辨率优于1ppm☆灵敏度：直到0.02Pa+0.5ppm☆重复性：直到±2ppm

☆标准下降速率：可达0.2mm/minb．压力变送器：NS-I7型压力变送器(3)驰放气流量控制a．XKWJ-ZI/ZII型文丘利涡街流量计b．ZXL型气开式新系列气动薄膜套筒调节阀3．合成塔触媒层温度控制（1）热点温度a．温度计

1）简述工业用WRR型装配式热电偶作为测量温度的变送器通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用.它可以直接测量各种生产过程中从0℃到180℃范围的液体、蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

WRR型

装配热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。2）主要技术参数：测量范围：0－1800℃精度：±0.25%分度号：B热惰性级别：4时间常数:〈10m（2）敏点温度回路a.WRR型装配式热电偶b.ZXL型气开式新系列气动薄膜套筒调节阀4．氨冷出口温度控制（1）氨冷器液位a．液位变送器

1）概述CN213型静压液位变送器是利用液体静压力与液体高度成正比的这一原理来测量液位的。CN213系列传感器采用美国进口、具有国际先进水平的干式陶瓷电容传感器或带温度补偿和隔离膜片式扩散硅压

力传感器，专用微处理电路。采用欧洲先进的设计思路，多种结构形式、多种材料、多种变送器类型、具有广泛的适

应性。2）技术参数测量范围：0～6m测量精度：输出信号：直流电流4～20MA环境温度：-20～85℃相对湿度：85%3）特点·传感器抗干扰能力强，精度高，可靠性高

·稳定性好，灵敏度高

·防水、抗结露设计

·适用性广，可测量多种介质，包括强腐蚀性液体

·原理简单，免维护，安装b．ZXL型气开式新系列气动薄膜套筒调节阀（2）氨冷器出口温度温度计：WRR型装配式热电偶5．氨分离器的液位控制（1）BTY-C型电容式液位计1）工作原理BTY-C型电容式液位计是利用被测液体的液位变化引起电容量的线性变化实现对液位的测量，详见计量公式。由于电容量的变化只与介电常数和液位变化量有关，因此，被测介质密度的变化及底部沉淀不会影响测量精度。

该产品广泛应用于工业过程中各种容器的液位测量，尤其适用于强酸、强碱、水、污水等各种带压液体、腐蚀性液体的液位测量。

d：极板间距

A：随液体变化的电容极板面积2）技术指标精度：±0．5%F·S±1.0%F·S输出：4～20mADC电源：DC24V±10％介质温度：-20℃～150℃环境温度：-30℃～70℃环境湿度：≤85%RH(20℃时)测量范围：0~6m外壳防护等级：IP65过程连接：G1＂外螺纹或JB81-59、DN50法兰或按用户要求订做防爆等级：本安型iaIICT2～T5应用石油、化工、冶金、制药、酿造等领域（2）ZXL型气开式新系列气动薄膜套筒调节阀6.氨分离器的液位控制（1）UQZ-53型浮球液位变送器1）用途UQZ-53型浮球液位变送器是UHZ-58C型中远传装置的拓展产品。输出4～20mA标准电流信号于Ⅲ型电动仪表配套可实现液位的自动检测，控制和记录。液位变送器适用于炼油、化工、造纸、食品和制药等行业污水处理及各类常压和承压容器内介质液位的测量，对于地下贮槽的液位测量尤为理想。液位变送器由不锈钢及防腐材料制成，且具有隔爆防护性能2）特点安装方便、结构简单。

性能可靠。

耐腐蚀，防爆。3）结构原理变送器由液位传感器和电流转换器两部分组成浮球与液位同步变化，从而使传感器内电阻呈线性变化，再由转换器将这个电阻变化转换成电流并放大至4～20mA直流电流信号输出4）主要技术参数测量范围：L=0～6000mm内由用户任意选择输出信号：4～20mADC

精度：±10.0mm

介质粘度：≤1.25St

工作温度：-40～135℃

工作压力：1.6、2.5MPa，(PVC材质0.6MPa)

环境温度：-40～60℃

负载阻抗：0～250Ω(不包括导线电阻挡200Ω)

供电电压：24VDC、220VAC、50Hz

连接法兰：DN150，PN：0.6、1.6、2.5MPA

防爆标志：本安型ibⅡCT4，隔爆型dⅡBT4（2）ZXL型气开式新系列气动薄膜套筒调节阀7．冷交换器的液位控制（1）UQZ-53型浮球液位变送器（2）ZXL型气开式新系列气动薄膜套筒调节阀4.3系统硬件构成合成氨过程的合成工段的主要控制参数有压力、温度、流量、液位等，其中：模拟量输入（AI）：15点模拟量输出（AO）：9点数字量输入（DI）：0点数字量输出（DO）：0点4.3.1控制站的配置JX-300XDCS控制站内部以机笼为单位。机笼固定在机柜的多层机架上，每只机柜最多配置7只机笼：1只电源箱机笼和6只卡件机笼（可配置控制站各类卡件）。由于一台JX-300XDCS控制站的最大容量是：AI384点；AO128点；DI1024点；DO1024点。而该系统的调节回路输入输出参数都未超过控制站的最大容量，故该系统选用JX—300X控制站一台，又因控制站要实现的各种功能对生产过程至关重要。因此，控制站采用冗余配置。4.3.2I/O卡4.3.2.1主控卡及数据转发卡的配置主控卡是控制站硬软件的核心，它负责协调控制站内的所有软硬件关系和各项控制任务，因此冗余配置，以保证实时过程控制的完整性。数据转发卡是系统I/O机笼的核心单元，是主控卡连接I/O卡的中心环节，它一方面驱动SBUS总线（控制站内部I/O控制总线），另一方面管理本机笼的I/O卡件，因此冗余配置。4.3.2.2I/O卡件的配置此环节控制回路的输入输出信号来选择I/O卡件。SP313四路电流信号输入卡：3块SP314四路电压信号输入卡：1块SP311两路模拟信号输入卡：2块SP322四路模拟信号输出卡：3块4.3.3操作站的配置操作站以高性能的工业控制计算机为核心，具有大容量的内部存储器和外部存储器，可以根据用户的需要选择“21/17”显示器。配置冗余的10MbpsSCnetⅡ网络适配器，实现与系统过程控制网连接。操作站支持一机双CRT，配有SP032键盘、鼠标等外部设备。根据生产现场条件，配置操作站一台，来实现合成工段生产过程的管理与操作。4.3.4工程师站配置工程师站完成实时组态修改、下装、传递、系统维护、制表打印、历史趋势、打印、故障排除分析等工作，又可作为后备操作站，因此工程师站配置一台。控制系统的硬件构成如表4.1所示。序号设备及名称数量单位1控制站2台2操作站1台3工程师站1台4主控卡2块5数据转发卡2块6SP313四路电流信号输入卡3块7SP314四路电压信号输入卡1块8SP311两路模拟信号输入卡2块9SP322四路模拟信号输出卡3块来自现场的压力、流量、温度、液位、分析边送器的模拟量输入信号经安全栅柜，送至控制柜单元，直至操作站（工程师站）发出指令，经控制站、安全栅，送至现场的调节阀元件形成一个闭环控制系统4.4系统软件构成JX-300X系统软件基于中文Windows2000/NT开发，用户界面友好，所有的命令都化为形象直观的功能图标，只须用鼠标即可轻而易举地完成操作，使用更方便简洁；再加上SP032操作员键盘的配合，控制系统设计实现和生产过程实时监控快捷方便。JX-300XAdvanTrol软件包分实时监控软件和系统组态软件两大部分，主要由以下组件组成AdvanTrol实时监控软件SCKey系统组态软件SCLangC语言组态软件(简称SCX语言)SCControl图形组态软件SCDraw流程图制作软件SCForm报表制作软件SCSOESOE事故分析软件(可选)SCConnectOPCServer软件(可选)SCViewer离线察看器软件(可选)SCDiagnose网络检查软件(可选)第5章系统组态及控制功能的实现5.1SCKey组态软件简介5.1.1集散控制系统组态的定义组态选用DCS系统所提供的软硬件工具，对所选用的仪表设备、所需的过程参数、控制方案运行定义和连接，从而满足工艺控制过程的要求。5.1.2SCKey组态软件特点SUPCONDCS系统的SCKey组态软件是一个全面支持该系统各类控制方案的组态软件平台。该软件是运用面向对象（OOP）技术和对象链接与嵌入（OLE2）技术，基于中文Windows系列操作系统开发的32位应用软件。SCKey组态软件通过简明的下拉菜单和弹出式对话框建立友好的人机对话界面，并大量采用Windows的标准控件，使操作保持了一致性，易学易用。该软件采用分类的树状结构管理组态信息，使用户能清晰把握系统的组态状况。另外，SCKey组态软件还提供了强大的在线帮助功能，当用户在组态过程中遇到了问题，只须按F1键或选择菜单中的帮助项，就可以随时得到帮助提示。5.2总体信息组态总体信息组态是整个组态信息文件的基础和核心，包括主机设置、编译、备份数据、组态下载和组态传送五个功能。以下各节分别对它们进行说明。5.2.1主机设置主机设置是对系统各主控制卡与操作站在系统中的位置进行组态。当启动组态软件后，选中[总体信息]/<主机设置>，打开主机设置窗口，开始进行主机的组态。选择主控制卡选项卡，对主控制卡进行组态，增加一个主控卡并设置为冗余；之后，选择主控制卡选项卡，具体操作同主控卡。（见图5.1）图5.1主控制卡及操作站组态窗口5.3控制站组态控制站由主控制卡、数据转发卡、I/O卡件、供电单元等构成。系统网络节点可扩展修改，控制站内的总线结构也可方便地扩展I/O卡件。控制站组态是指对系统硬件和控制方案的组态，主要包括I/O组态、自定义变量、常规控制方案、自定义控制方案和折线表定义等五个部分。控制站组态流程如图5.2。5.3.1系统I/O组态选中[控制站]/<I/O组态>，即启动系统的I/O组态环境。系统I/O组态分层进行，从挂接在主控制卡上的数据转发卡组态开始，然后I/O卡件组态、信号点组态，最后为信号点设置组态，共四层图5.2控制站组态流程5.3.1.1数据转发卡组态选中[控制站]/<I/O组态>菜单项后，I/O输入窗口被打开，在其中选择数据转发卡选项卡，看到组态窗口，在注释栏中写入此卡的说明“氨合成工段转发卡”；在冗余栏中设置冗余；在地址栏的作用是定义当前数据转发卡在挂接的主控制卡上的地址，设置为“00”。数据转发卡组态图如图5.4。图5.3数据转发卡组态图5.3.1.2I/O卡件组态I/O卡件组态是对SBUS-S1网络上的I/O卡件型号及地址进行组态。I/O卡件登录在I/O卡件组态画面（见图5.4）中进行。一块主控制卡的一块数据转发卡下可组16块I/O卡件。图5.4I/O卡件组态画面注释、地址栏的意义同数据转发卡；在型号栏下拉列表中选定当前组态I/O卡件的类型，有SP311两路模拟信号输入卡、SP313四路电流信号输入卡、SP313四路电压信号输入卡、SP322四路模拟信号输入卡等，根据测量与变送元件的输出信号选择卡件；冗余栏中选择是否冗余。5.3.1.3信号点组态在某一卡件（例如：温度、液位四路电流输入卡）状态下，点击I/O点选项卡进入信号点组态环境，进行该卡件的信号点组态，如图5.5所示。在位号栏中输入当前信号点在系统中的位号；注释、地址栏的意义同前；在类型栏中显示当前信号点信号的输入/输出类型，此项系统自动形成；点击设置按钮对信号点参数进行设置组态（以合成塔敏点温度输入信号为例说明）在位号和注释栏中自动填入当前信号点在系统中的位号及描述，此框消隐不图5.5信号点组态画面及输入参数设置窗口可改；信号类型项中列出SUPCONDCS系统支持的17种模拟量输入信号类型，根据测量与变送单元的输出信号确定模拟量输入信号类型；在上/下限及单位栏设定信号点的量程最大值、最小值及其单位；在其它栏中可以根据需要适当填写。5.3.2自定义变量选定[控制组态]/<自定义变量>菜单项，进入如下自定义声明组态窗口，其中包括自定义回路组态、1字节变量定义、2字节变量定义、4字节变量定义、8字节变量定义五项内容。自定义变量的作用是在上下位机之间建立交流的途径，上下位机均可读可写。在此部分中，根据需求定义了六个四字节变量，如图5.6所示：图5.6自定义4字节变量组态窗口在位号栏中自定义4字节变量存放地址；位号、注释同前；修改权栏中有观察、操作员、工程师、特权四级权限保护，根据需要选择；在上限、下限这两栏中写入对当前自定义4字节变量的限幅值；在数据类型中选定当前自定义4字节变量的数据类型如浮点、无符号整型等。5.3.3系统控制方案组态控制方案组态分为常规控制方案组态和自定义控制方案组态。5.3.3.1常规控制方案组态在组态软件的主菜单中，选中[控制站]/<常规控制方案>，启动系统的常规控制方案组态环境，如图5.7。点击后面的设置按钮进行设置回路参数，下面是以合成塔温度控制回路为例的回路设置组态。图5.7常规控制方案组态及设置窗口回路位号和注释同前；在回路输入、输出栏中，点击后面的“？”查询选定；在其他选项中可根据需求选择设置。5.3.3.2自定义控制方案组态常规控制回路的输入和输出只允许AI和AO，对一些有特殊要求的控制，用户必须根据实际需要自己定义控制方案。用户自定义控制方案可通过SCX语言编程和图形编程二种方式实现。自定义控制方案从[控制组态]/<自定义控制方案>开始，首先进入组态窗口，在图形编辑窗口中，输入文件名后，点编辑按钮，打开文件并进行编辑、修改。在SCX语言编程框中选定与当前控制站相对应的SCX语言源代码文件；旁边的“？”按钮提供文件查询功能；点击“编辑”按钮打开此文件进行编辑修改。在图形编程框的相应的按钮的功能同语言编程。在自定义控制方案组态中，分别对氢氮比控制回路、惰性气体含量控制回路、氨冷器出口温度及液位控制回路进行组态。控制回路的功能模块分别如图5.8、5.9、5.10所示。图5.8氢氮比控制回路的功能模块TLX03-2模块功能是产生串级控制，“EXPV”参数是串级外环输入信号—氢氮气含量输入信号；“INPV”参数是内环输入信号—低变换器出口H2含量输入信号；此模块的输出作为TLX03-3模块的一个输入。TLX03-25模块的功能是输入信号进行计算，结果作为输出值，此模块的输出作为TLX03-3模块的另一个输入。TLX03-3模块的功能是将输入值相加，并将结果赋给输出值，此模块的输出作为TLX03-26模块的输入；TLX03-26模块的功能是产生一个单回路PID控制，“PV”参数是测量值—TLX03-3模块的输出值，“MV”是输出值，给空气流量调节阀。图5.9惰性气体含量控制回路功能模块P1-15模块、P1-13模块的功能同TLX03-26，其输入分别是惰性气体CH4、Ar含量信号输入、合成回路压力输入信号，P1-15模块、P1-13模块的输出分别作为P1-15模块的输入；P1-16模块的功能是将输入值中的最大值赋给输出值，相当于高选器，其输出给P1-17模块；P1-17是产生串级控制，功能前面介绍过，串级外环输入信号是P1-16模块输出信号，内环输入信号是弛放气流量输入信号，其输出给流量调节阀，形成闭环控制回路。图5.10氨冷器出口温度及液位控制回路TLX02-1模块功能产生一个单回路PID控制，其输入是氨冷器出口温度输入信号，其输出给TLX02-3模块作为第二个输入；TLX02-8模块功能是检查第一个输入值是否小于第二个