过程控制课程设计

辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔塔内压力控制系统设计院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：起止时间：本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号学生姓名专业班级设计题目精馏塔塔内压力控制系统设计课程设计（论文）任务设计任务设计精馏塔塔内压力控制系统设计，精馏塔塔内压力的单位阶跃响应曲线实验数据如下：设计要求1、根据实验数据辨识对象的数学模型，设计一个无差控制系统，确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。4、若设计由数字控制系统实现应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数测量范围：0-5大气压，控制压力：1±0.1大气压，超调量小于等于25%；工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天）2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。（2天）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式（1天），调节阀的气开气关形式以及流量特性选择。（1天）5、上机实现系统的模拟运行或仿真、答辩。（2天）6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：指导教师签字：总成绩：年月日本科生课程设计（论文）II摘要精馏塔是石油、化学加工工业(CPI)中使用量最大、能耗最高、应用面极广的分离单元操作设备。本设计采用单回路控制系统对塔内压力进行实时控制，采用PID算法的DTZ—2100控制器对HK-613系列通用型压力变送器采集到的塔内压力值进行处理，并将控制信号传递给ZXS型新系列气动薄膜角形单座调节阀，令其对冷却量进行控制，从而达到对塔内压力的控制。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大生产设备自动化程度的提高，有利于降低工厂成本、促进生产线的柔性化和集成化，有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。从某种意义上说，高效的精馏塔控制技术为我们创造了不可忽视的经济效益和社会效益。关键词：精馏塔；分离单元；PID算法本科生课程设计（论文）III目录第1章绪论......................................................11.1研究背景及意义..............................................11.2当前发展状况................................................2第2章系统方案设计.............................................52.1概述........................................................52.1.1系统对象特性分析.......................................52.1.2系统方案论证...........................................52.1.3系统组成总体结构.......................................6第3章仪表选型..................................................83.1压力变送器选择..............................................83.2执行器的选择................................................93.3控制器的选择................................................93.4控制规律的选择.............................................11第4章系统仿真.................................................124.1控制系统参数计算............................................124.2控制系统matlab仿真........................................13第5章课程设计总结............................................16参考文献.........................................................17本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1研究背景及意义精馏是化工、石油化工、炼油生产过程中应用极为广泛的传质传热过程。而石油化工是基础性产业，它为农业、能源、交通、机械、电子、纺织、轻工、建筑、建材等工农业和人民日常生活提供配套和服务，在国民经济中占有举足轻重的地位，在现代生活中，几乎随时随地都离不开化工产品，从衣、食、住、行等物质生活到文化艺术、娱乐等精神生活，都需要化工产品为之服务。精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同挥发度，将各组分分离并达到规定的纯度要求。精馏过程的实质是利用混合物中各组分具有不同的挥发度，即同一温度下各组分的蒸汽分压不同，使液相中轻组分转移到气相，气相中的重组分转移到液相，实现组分的分离。1.精馏过程的核心在于回流，而回流必须消耗大量能量。降低能耗是精馏过程发展的重大课题。除了选择经济上合理的回流比外，主要的节能措施有：热泵精馏。将塔顶蒸气绝热压缩（见热力学过程）升温后，重新作为再沸器的热源(见热泵蒸发)；2.多效精馏：精馏装置由压力依次降低的若干个精馏塔组成，前一精馏塔塔顶蒸气用作后一精馏塔再沸器的加热蒸气（见多效蒸发）；3.采用高效精馏塔，可用较小的回流比；采用高效换热器，可降低传热温度差，这样就可以减少有效能损失。4.采用电子计算机对过程进行有效控制，减小操作裕度，确保过程在最低能耗下进行。精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。精馏塔是石油、化学加工工业(CPI)中使用量最大、能耗最高、应用面极广的分离单元操作设备。从精馏设备的历史发展来看，精馏技术与石油、化学加工本科生课程设计（论文）2工业的发展是相辅相成、相互刺激、共同进步的发展关系。精馏技术的任何进步，都会极大刺激化学加工工业的技术发展，同样在石油、化学加工工业发展的每一个历史阶段都会对精馏设备技术提出更高要求。当前填料塔技术已经基本可以满足不远未来的需求，板式塔技术依然是未来发展的主流。现有新型板式塔技术的发展主要是传统简单技术的深化和传统简单技术的复杂化，前者可以很好地满足现有生产局面对塔内件的要求，而后者将发展成未来板式塔的主流。精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。它是依据精馏原理对液体进行分离，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组份（即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化。经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产的需要。精馏塔塔釜温度控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温度是保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。维持正常的塔釜温度，可以避免轻组分流失，提高物料的回收率，也可减少残余物料的污染作用。随着现代化工的飞速发展，生产规模的不断扩大，工艺过程越趋复杂，对工艺流程前后工序相互关联紧密，充分利用能源等提出的要求，精馏塔在工业过程控制领域发挥了越来越重要的作用，广泛应用于各种行业的生产过程中。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大生产设备自动化程度的提高，有利于降低工厂成本、促进生产线的柔性化和集成化，有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。从某种意义上说，高效的精馏塔控制技术为我们创造了不可忽视的经济效益和社会效益。1.2当前发展状况图1.1精馏塔历史发展本科生课程设计（论文）3阶段I:（20~50年代）：1920年，有溢流的泡罩塔板开始应用于炼油工业，开创了一个新的炼油时代。泡罩塔板对设计水平要求不高、对各类操作的适应能力强、对操作控制要求低等特性在当时被认为是无可替代的板型。Rachig环填料塔主要应用于较小直径的无机分离塔设备中，同时也开发了Pall环,标志着现代乱堆填料的诞生。阶段II：(50～70年代)∶消除放大效应的研究:AIChE研究，浮阀塔板的开发，FRI的成立，系统化的设计方法：1955年，Monsanto公司的Bolles发表了著名的“泡罩塔板设计手册”，首先提出了科学的、规范化塔板设计技术，该方法到目前为止仍然广泛流行，大孔筛板的研究。阶段III：(70～90年代):大型液体分布器的基础研究,使得填料塔的放大研究成功，并在减压塔中应用获得极大的经济效益和社会效益，通过计算机对辅助精馏塔放大效应的研究,计算塔板效率和精馏过程设计，新型高性能浮阀塔板的开发及应用。阶段IV(80末-至今)∶新型高性能塔板的开发及工业应用，塔板设计、开发更趋于科学化的方向。鉴于精馏塔塔设备在炼油和石化工业中的作用、重要地位和当今我国石化工业面临的形势，按照塔内件研究的历史发展规律，结合我国精馏塔塔设备操作现状和现有塔内件的技术水平，提出现阶段和未来的塔内件开发方向可以从三个主要方面拓展：1.精馏塔塔内件实用技术是指针对当前的常规生产实际和特殊体系，以扩能、增效、降耗为目的，以实现“安、稳、长、满、优”为目标，在现有塔板新技术基础上进行的更优性能精馏塔塔内件开发和拓展，以使当前企业尽快摆脱困境，更好地适应即将面临的激烈国际石化市场的竞争。2.精馏塔塔内件实用技术是未来生产发展赶超国外的必要准备之一。过去我国精馏塔塔内件大多数是国外2O世纪50~70年代塔板技术的消化吸收、国产化和改进深化研究。真正自主开发的塔内件技术极少。为了适应未来国际石化市场的竞争，赶超国际水平，Sina—pac应该开展一些超前的高性能技术，例如CSI超大型处理能力塔板，形成自己的特色。3.精馏设备是规模经济，精馏塔塔设备大型化已经受到重视。尽管当前的原油减压塔已经实现9m塔径的超大型规模，但由于减压塔放大效应最低而采用常规技术放大的成功率较高。对于常压、加压体系，超大型塔设备的建立必须先期进行超大型塔设备的应用基础研究。精馏塔塔设备本科生课程设计（论文）4科学化设计是未来塔设备的发展方向，现有经验设计技术难以适应未来塔设备科学化设计的要求，因此需要开展科学化塔内件设计技术的技术储备。本科生课程设计（论文）5第2章系统方案设计2.1概述本设计为单回路控制系统。通过压力传感器对精馏塔塔内压力进行实时测量，同时将对应的电信号传递给PID控制器进行处理，并由控制器输出控制信号控制执行器的阀门开度，实现对精馏塔塔内压力的动态控制。对化工、石油化工、炼油生产的精馏具有重要作用。本设计要求设计一个精馏塔塔内压力的无差控制系统，要求测量范围为0-5MPa，控制压力为：1±0.1大气压，超调量为小于等于