辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔塔釜温度控制系统的设计院（系）：指导教师：（签字）起止时间：课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要本系统利用工业生产过程控制采用串级控制系统实现精馏塔塔釜温度控制系统。

通过选用铂铑10－铂热电偶传感器、ZMAP-16P DN15气动调节阀、DT2031数字调节器、热电偶温度变送器来实现。

系统设计主要包括控制方案的设计和系统各仪表选型，软件设计，系统仿真四大部分。

软件设计采用DCS组态来完成，并完成了系统监控画面。

系统仿真采用MATLAB进行仿真，并得出仿真图。

本系统便是基于工业生产过程控制采用串级控制系统实现精馏塔塔釜温度控制系统，通过对工业生产过程控制，来实现对精馏塔塔釜温度的控制。

此次设计就是要设计一个精馏塔塔釜温度的串级控制系统。

要求当物料进入精馏塔时，塔釜的温度可控并且温度恒定，保证生产的连续性。

关键词：精馏；温度控制；PID目录第1章绪论 (1)第2章控制方案的设计 (3)2.1设计要求 (3)2.2方案设计 (3)2.2.1 塔釜温度的前馈控制 (4)2.2.2 塔釜温度的串级控制 (5)2.2.3 塔釜温度的反馈控制 (6)第3章系统各仪表选型 (8)3.1温度传感器的选择 (8)3.2执行器的选择 (8)3.3调节器的选择 (9)3.4压力变送器的选择 (9)3.5温度变送器的选择 (10)3.6控制器的正反作用选择 (10)第4章软件设计 (11)4.1系统控制流程图 (11)4.2DCS组态 (11)第5章系统仿真 (14)5.1PID控制器的参数整定 (14)5.2凑试法确定PID参数 (14)5.3切线法确定被控对象的传函 (15)5.4系统MATLAB仿真分析 (17)第6章课程设计总结 (19)参考文献 (20)第1章绪论精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置。

有板式塔与填料塔两种主要类型。

根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。

蒸气由塔底进入。

蒸发出的气相与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向气相中转移，气相中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，气相愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，从而达到组分分离的目的。

由塔顶上升的气相进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。

塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，加热蒸发成气相返回塔中，另一部分液体作为釜残液取出。

蒸馏的基本原理是将液体混合物多次部分气化和部分冷凝,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度，α）的特性，实现分离目的的单元操作。

蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。

近年来出现的超重力精馏技术，利用高速旋转产生的数百至千倍重力的超重力场代替常规的重力场，极大地强化气液传质过程，将传质单元高度降低1个数量级。

从而使巨大的塔设备变为高度不到2米的超重力精馏机，达到增加效率、缩小体积的目的。

超重力精馏改变了传统的塔设备精馏模式，只要在室内厂房里就可以实现连续精馏过程。

对社会的发展而言可节省钢材资源，延长地球资源的使用年限；对企业的发展而言，可以节约场地与空间资源，减少污染排放，提高产品质量，改善经营管理模式，降低生产劳动强度，增加生产的安全性。

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，也就是说在提馏段上升的轻组分的易挥发组分逐渐增多，难挥发组分逐渐减少，而下降液相中易挥发组分逐渐减少，难挥发组分逐渐增多，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，可以避免轻约分流失，提高物料的回收率；也可减少残余物料的污染作用。

影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰（如进料流量，温度及成分等的变化对温度的影响）。

一般情况下精馏塔塔釜的温度，我们是通过控制精馏塔釜内灵敏板的温度来控制的。

灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。

以往调节只是采用灵敏板温度调节器单一回路调节，调节反应慢，时间滞后，对精馏操作而言，产品的纯度很难保证。

从上述干扰分析来看，有些干扰是可控的，有些干扰是不可控的。

从而选择一种可靠并且稳定的控制系统来控制精馏塔塔釜的温度是非常重要的。

第2章控制方案的设计2.1设计要求精馏塔塔釜温度控制系统的设计要求如下：1．塔釜温度控制在800±0.5℃；2．生产过程中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，要保证精馏塔正常工作；3．塔釜及相关期间要经济实用。

2.2方案设计精馏塔的干扰因素：1.进料量波动的影响；2.进料成分波动的影响；3.进料温度波动的影响；4.蒸汽压力波动的影响；5.回流量和冷剂量波动的影响。

精馏塔的扰动如图2-1：图2-1系统扰动根据扰动的分析，系统设计方案主要考虑前馈，反馈和串级三种控制方案。

首先介绍什么叫静态前馈控制，即静态前馈控制的原理。

所谓静态前馈控制原理就是指前馈控制器的输出信号仅仅随着输入信号（干扰信号）d 大小的函数，而与时间因子t 无关。

因此，前馈控制作用可以简化为：（2-1）通常将上式的关系近似的表示为线性关系，则前馈控制器就仅仅参考器静态放大系数作为矫正的依据，即：0/)(K K K s W d f t -== （2-2）式中，d K ，0K 分别为干扰通道和控制通道的放大系数，一般来说f K 可以用实验方法来获得，如果有条件列写对象有关参数的静态方程，则可以通过计算来确定。

在精馏塔塔釜的温度控制中，扰动可以测量但是不好控制，并且干扰幅度较大。

蒸汽压力的变化是塔釜温度的主要干扰量，控制对象则是塔釜的温度。

塔釜温度前馈控制的系统框图和塔釜温度前馈控制工节结点图如2-2、2-3所示：图2-2塔釜温度前馈控制的系统框图)(d f M f =串级控制系统就是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。

副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。

二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

为了提高精馏效率和保证产品纯度，我们采用灵敏板温度调节器与再沸器加热蒸汽流量调节器串级控制系统来对灵敏板温度进行控制。

其中灵敏板温度调节器是主调节器，再沸器加热蒸汽流量调节器是副调节器。

塔釜温度串级控制工艺结点图如2-4所示：塔釜温度串级控制示意图如图2-5所示：图2-4塔釜温度串级控制工艺节点图图2-5塔釜温度串级控制的系统框图通过实际改造和使用，串级调节与单回路控制相比较，串级控制有许多优点：1、抗干扰性强。

由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。

同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。

表现更为突出。

2、及时性好。

串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。

3、适应能力强。

串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。

通过采用串级控制系统，塔釜温度控制更加平稳，产品纯度很高，随着控制系统软件和硬件的不断发展和完善，计算机集散型控制系统的应用和普及，精馏塔的分离质量将会越来越好，分离精度也将会越来越高。

2.2.3塔釜温度的反馈控制在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。

反馈控制系统由控制器、控制对象和反馈通路组成如图2-3所示。

图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。

这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。

以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。

炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。

塔釜温度反馈控制的系统框图和塔釜温度反馈控制的工艺节点图如图2-6、2-7所示：图2-6 塔釜温度反馈控制的系统框由于前馈控制因不含时间因子，比较简单，在一般情况下，不需要专用的补偿器，单元组合仪表便可以满足使用要求。

由于本设计主要考虑物料、压力等物理量对精馏塔釜温度的影响，并且干扰变化剧烈，幅度大，有时从0.5Mpa突然下降到0.3Mpa，压力变化40％。

干扰幅度较大，所以应用串级控制系统。

第3章系统各仪表选型3.1温度传感器的选择热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。

具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。

大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。

热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

铂铑10－铂热电偶传感器测温范围在0~1600℃，WRP型铂铑10－铂热电偶性能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在0~1600℃环境下。

3.2执行器的选择执行器在控制系统中夜起着重要的作用，它直接实施控制系统的动作就好像人体的五官和手脚一样，大脑是调节器，而手就是执行器。

执行器是一种现场类仪表因此它的精度、使用寿命、抗干扰和环境的适应能力等就是人们所关注的指标。

控制器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛使用的是以下三种控制方式：1.按动力来源分，有气动和电动两大类；2.按动作极性分，有正作用和反作用两大类；3.按动作特性分，有比例和积分两大类。