罐顶氮封压力分程控制系统设计

目录1课程设计题目和要求................................................11.1课程设计题目.................................................11.2设计要求.....................................................12设计方案..........................................................12.1控制系统分析.................................................12.2控制系统的方框图与流程图.....................................23分程控制的介绍....................................................33.1概述.........................................................33.2分成控制的应用场合...........................................43.3压力变送器...................................................63.4控制器的选择.................................................83.4.1可编程数字控制器的主要特点.............................83.4.2DDZ-3控制器的特点.....................................83.4.3控制器的规律选取......................................103.5执行器......................................................103.5.1气动执行器的组成与分类................................113.5.2控制阀的流量特性......................................113.5.3控制阀的结构..........................................123.5.4控制阀的选择..........................................123.6控制器的正反作用方向........................................13总结...............................................................14参考文献...........................................................15课程设计说明书11课程设计题目和要求1.1课程设计题目罐顶氮封压力分程控制系统设计1.2设计要求在炼油厂或石油化工厂中，有许多贮罐存放着各种油品或石油化工产品，这些贮罐建造在室外，为使这些油品或产品不与空气中的氧气接触、被氧化变质，或引起爆炸危险，常采用罐顶充氮气（N2）的办法，使其与外界空气隔绝。实行氮封的技术要求是要始终保持罐内的N2气压为微量正压。贮罐内贮存的物料量增减时，将引起罐顶压力的升降，应及时进行控制，否则将会造成贮罐变形。设计满足上述要求的压力控制系统。2设计方案2.1控制系统分析储存罐中物料的增减会导致氮气封顶压力的变化。当抽取物料时，氮气压力会下降，如不及时向储罐中补充氮气，储罐就会被吸瘪的危险。而当向储罐中打料时，氮封压力又会上升。如不及时排除储罐中部分氮气，储罐有可能被鼓坏。为了维持氮封压力所以选择氮气压力控制变量来保持罐内压力与罐外大气压力平衡。为确保氮气压力随物料的多少而稳定，进而采用分程控制方案。控制对象：油罐被控变量：罐内的氮气压力控制（操纵）变量：氮气输入量与输出量。变送器：一个压力变送器（PT）控制器：一个压力控制器（PC）执行器：控制阀。课程设计说明书22.2控制系统的方框图与流程图分程控制方案须选择分程开关，利用分程开关的特性来控制氮气的进入量和输出量，来保持储罐的压力平衡。流程图如下图1所示。当物料进入储罐内，物料液位增加压力增大，压力检测变送器检测到储罐内压力增加输出电信号传送到压力控制器为保持储罐压力与外界压力平衡，压力控制器控制氮气输出执行器阀度A开大。使储罐内氮气量减少。当物料流出储罐，物料液位减少压力减少，压力检测变送器检测到储罐内压力减少输出电信号传送到压力控制器为保持储罐压力与外界压力平衡，压力控制器控制氮气输入执行器阀度B开大。使储罐内氮气量增加。根据流程图的设计原理方框图如图2所示测量变送设定值控制器控制阀A控制阀B储罐氮气的压力－图2分程控制系统方框图图1分程控制系统流程图课程设计说明书33分程控制的介绍3.1概述在一般的控制系统中，通常是一台控制器的输出信号只控制一个控制阀。但在某些工艺过程中，需要由一台控制器的输出同时去控制两台或两台以上的控制阀的开度，以使每个控制阀的开度，以使每个控制阀在控制器输出的某段信号内全程动作，这中控制系统通常称为分程控制系统。分成一般由附设在控制阀门上的阀门定位器来实现。在如图3所示的分程控制系统中，采用了两台分程控制阀A与B。若要求A阀在20～60kPa信号范围内做全程动作（即由全关到全开或由全开到全关），B阀在60～100kPa信号范围内做全程动作，则可以对附设在控制阀AB上的阀门定位器进行调整，使控制阀A在20～60kPa的输入信号下走完全程，阀门B在60～100kPa的输入信号下走完全程。这样，当控制器信号在小于60kPa范围内变化时，就只有控制阀A随信号压力的变化而改变自己的开度，而控制阀B则处于某个极限位置（全开或全关），其开度不变。当控制阀输出信号在60～100kPa范围内变化时，控制阀A因已移动到极限位置开度不再变化，控制阀B开度却随着信号大小的变化而变化。就控制法的动作方向而言，分成控制系统可以分为两类：一类是两个控制阀同向动作，即两控制阀都随着控制器输出信号的增大或减小同向动作，其过程如图所示，其中图为气开阀的情况，图为气关阀的情况；另一类是两个控制阀异向动作，即随着控制阀输出信号的增大而减小，一个控制阀开大，另一个控制阀则关小，如图所示，其中图时A为气开阀B为气关阀的情况，图B则是B为气开阀A为分程阀同向或异向动作的选择必须根据生产工艺的要求来确定。ABAB课程设计说明书43.2分成控制的应用场合（1）用于扩大控制法的可调范围，以提高控制质量。设控制阀可控制的最小流量为minQ，可控制的最大流量为maxQ，则定义maxQ／minQ=R，其中Ｒ称为阀门的可调比或可调范围。大多数国产阀门的可调比Ｒ等于30，在某些场合不满足要求，希望可以提高可调比Ｒ，适应负荷的大范围变化，改善控制品质，这时可采用分程控制。图中的特性和特性均可。是气开特性，时气关特性。以为例分析如下。设A、B两只阀门均为气开特性，可控制最大流量为均为200，R=30，可控制最小流量为minQ=maxQ/R=6.67。当两只阀门以分程方式工作时，A阀工作于控制信号的20～60kPa段，B阀工作于控制信号的60～100kPa段。这时，对于两只阀门并联而成的起分程控制作用的整体来说可控制最小流量minQ=minQ=6.67可控制最大流量maxQ=maxQ+maxQ=400则R=maxQ/minQ=400/6.67=60可见，可调比增加了一倍。如果A阀maxQ的较小，B阀的maxQ较大，则可调比增加的更多（2）满足工艺操作的特殊要求。在某些间歇式生产化学反应过程中，当反应物投入设备后，为了使其达到反应温度，往往在反应开始前需要给它提供一定的热量。一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行不断释放出热量，这些热量如不及时移走，反应就会越来越激烈，以致会有爆炸的危险。因此对于这种间歇式化学反应器既要考虑反应前图3两个阀门的分程控制特性ABAAAAAAB课程设计说明书5的预热问题，又要考虑反应过程中及时移走反应热的问题。为此设计了如图4所示的分程控制系统。图中温度调节器选择反作用，冷水调节阀选择气关式（A阀），热水调节阀选择气开式（B阀）。该系统工作过程如下:在进行化学反应前的升温阶段，由于温度测量值小于给定值，因此调节器输出增大温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，反应物的温度逐渐提高。当温升使测量值大于给定值时，调节器输出将减小（由于调节器是反作用），随着调节器的输出的减小，B阀将逐，B阀开大，A阀关闭，即蒸汽阀开、冷水阀关，以便使反应器温度升高。当温度达到反应渐关小乃至完全关闭，而A阀则逐渐打开。这时反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水。这样一来，反应所产生的热量就被冷水所带走，从而达到维持反应温度的目的。（3）用于安全生产的保护措施在炼油或石油化工厂存放油品或石油化工产品的储罐。这些油品或石油产品不宜与空气长期接触，因此空气中的氧气会使油品氧化而变质，甚至引起爆炸。图4分程控制系统课程设计说明书6因此常常在储罐上方充以惰性气体N2，以使油品与空气绝缘，为了保证空气不进入储罐，一般要求氮气压力应保持为微正压。3.3压力变送器目前，实际应用的智能差压变送器种类很多，结构各有差异，但从总体结构上看是相似的。比较有代表性的1151智能式变送器和ST3000差压变送器，这两种变送器都是采用HART通信方式进行信息传输的。1151智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，结合HART通信技术开发的一种智能式变送器，具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储等功能，同时又可传输4～20mADC电流信号，特别适用于工业企业对模拟式1151差压变送器的数字化改造，其原理框图如图5（1）传感器部分1151智能式差压变送器检测原件采用电容式压力传感器，传感器部分工作原理与模拟式电容差压变送器相同，此处不再赘述。传感器部分的作用是将输入差压转换成A/D转换器所要求的0到2.5V电压信号。（2）AD7715AD7715是一个带有模拟前置放大器的A/D转换芯片，它可以直接接收传感器的直流低电平输入信号，并输出串行数字信号至CPU。该芯片还具有自校准和系统校准功能，可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响，因此特别适用于智能式变送器。图51151智能式差压变送器原理框图4~20mvHART通信部分WDT监控电路传感器AD7715CPUAD421及电压调整电路CCUCCU△p课程设计说明书7（3）CPU、AD421及电压调整电路CPU是所有智能化仪表的核心，主要完成对输入信号的线性化、温度补偿、数字通信、自诊断等处理。通过AD421及电压调整电路输出一个与被测差压对应的4～20mA直流电流信号和数字信号，作为变送器的输出。（4）HART通讯部分HART通讯部分是实现HART协议物理层的硬件电路，它主要由HT2012,带通滤波器和输出波形整形电路等组成。（5）WDT监控电路WAT（WatchDogTimer）俗称啊“看门狗定时器”，当系统正常工作时，CPU周期性地向WAT发送脉冲信号，此时WAT的输入信号对CPU的工作没有影响。而系统受到外界干扰导致CPU不能正常工作时,WDT在指定时间内未收到脉冲，则WDT输出使CPU不可屏蔽地中断，将正在处理的数据进行保护；同时经过一段等待时间之后，输出复位信号对CPU重新进入正常工作。（6）1151智能式差压变送器的软件1151智能式差压变送器的软件分为两部分，测控程序和通信程序。测控程序包括A/D采样程序、非线性补偿程序、量程转换程序、线性或开方输出程序、阻尼程序以及D/A输出程序等。采样采取定时中断采样，以保证数据采集处理的实时行。ST3000差压变送器的检测元件采用扩散硅压阻传感