1、过程控制工程课程设计1过程控制工程课程设计任务书设计名称：扬子烯烃厂丁二烯装置控制模拟设计 设计时间： 2006.2.202006.3.10 姓 名： 毛磊 班 级： 自动化 0201 学 号： 05 号 南京工业大学自动化学院2006 年 3 月过程控制工程课程设计21.课程设计内容：学习过程控制工程课程和下厂毕业实习 2 周后，在对扬子烯烃厂丁二烯装置的实际过程控制策略、实习环节的控制系统以及相应的组态软件有一定的认识和了解的基础上，针对扬子烯烃厂丁二烯装置，设计一个复杂控制系统（至少包含一个复杂回路和 3-5 个简单回路） ，并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达
2、到要求的控制效果。1) 独立完成设计任务，每个人根据下厂具体实习装置，确定自己的课程设计题目，每 1-3 人/组；2) 选用一种组态软件（例如：采用力控组态软件）绘制系统工艺流程图；3) 绘制控制系统原有的控制回路；4) 利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软件，对控制系统进行组态；5) 改进原有的控制回路，增加 1-2 个复杂回路，并进行组态；6) 调节控制参数，使性能指标达到要求；7) 写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计做出评价，对自己整个设计工作中经验教
3、训，总结收获。2. 进度安排 （ 时间 3 周）1) 第 1 周 选用一种组态软件绘制系统工艺流程图；绘制控制系统原有的控制回路；2) 第 2 周 利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软件，对控制系统进行组态；3) 第 3 周(1-3) 改进原有的控制回路，增加 1-2 个复杂回路，并进行组态；调节控制参数，使性能指标达到要求；4) 第 3 周(4) 书写课程设计说明书5) 第 3 周(5) 演示、答辩过程控制工程课程设计3过程控制工程课程设计报告书课程设计名称：扬子烯烃厂丁二烯装置控制模拟设计 设计时间： 2006.2.202006.3.10 姓 名： 毛 磊 班 级
4、： 自动化 0201 学 号： 05 号 南京工业大学自动化学院2006 年 3 月过程控制工程课程设计4（一）课程设计目的过程控制工程课程设计密切结合过程工业实际的实践性教育环节之一，是学习完过程控制工程课程和下厂实习后进行的一次全面的综合练习。其目的在于加深对过程控制工程设计思想的理解，掌握过程控制领域常用和有效的控制方案和控制系统，掌握过程工业典型操作单元的控制方案和系统特点；并接受严格和系统的实验操作训练，从而为以后的毕业环节工作和担负实际工程任务打下良好和坚实的基础。过程控制工程课程设计是是学生在校期间必须接受的一项工程训练。在课程设计过程中，在教师指导下，运用工程的方法，通过一个简
5、单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。1) 通过课程设计，应能加强学生如下能力的培养：2) 独立工作能力和创造力；3) 综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；4) 查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；5) 工程绘图的能力；6) 编写技术报告和编制技术资料的能力。（二）先修课程要求熟悉控制原理、检测仪表、控制仪表、过程控制工程、集散控制系统等课程的专业知识，掌握控制系统设计的基本原理，掌握控制系统工程制图的原理、方法，熟悉带控制点的工
6、艺流程图，熟悉各控制设备的操作要领，具备综合应用所学基础理论和专业知识解决控制工程中一般技术问题的能力；具有独立完成控制工程项目设计的初步能力。（三）编写规范写出不少于 5000 字的课程设计说明书。说明书中除了在封面应有题目、班级、姓名、学号和课程设计日期、地点以外，其正文一般有如下几个方面的内容：1) 学生要认真复习教材，阅读有关规范、设计手册等资料，独立按时完成任务；2) 设计工艺流程和要求的简单说明；3) 装置原有控制回路和重要控制策略介绍；4) 确定控制方案，利用组态软件进行组态仿真设计的过程5) 控制参数调整步骤和方法；6) 仪表的选型，编写有关的仪表信息设计文件。课程设计成绩过程
7、控制工程课程设计5四、课程设计内容（包括：现场的实际过程控制策略、以及相应的组态软件介绍，针对具体被控对象，设计4-5 个简单回路和至少包含一个复杂控制系统的控制策略，并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果，写出设计说明书。设计说明书包括：设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等步骤做出说明，并对所完成的设计做出评价，总结整个设计工作中经验教训和收获。 ）过程控制工程课程设计6过程控制工程课程设计报告书“过程控制工程课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分，通过对扬子石化实际丁二烯车间生产流程的认识、控制方案的选择以及现场工程
8、图纸的绘制等基础设计的学习，培养了自己理论与实践相结合能力、工程设计能力和创新能力。过程控制系统设计是为实现生产过程自动化，应用图纸资料和文字资料来表达设计思想和工程实现方法。设计大致可以分为两个阶段：设计前期工作和设计工作。在设计前期工作中，要查阅一些现场生产技术资料，这主要以我们在扬子石化生产实习时所搜集的一些资料为主，同时还要根据具体情况确定自己想要实现的自动控制范围，进而再对被控对象动态特性进行分析，确定控制系统的被调量和调节量，确定控制质量指标和报警设限，最后根据对现场安全等方面因素的考虑，提出仪表选型原则，包括现场测量、检测变送、调节以及执行仪表的选型。在第二阶段也就是设计工作中，
9、要根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，完成控制系统原理图，根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，利用组态软件（力控软件、MCGS 组态软件等）完成控制系统工艺流程图，然后根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表型号，再对所设计的系统进行仿真试验，并进行 PID 调节器参数整定，调试出比较理想的过程控制实时曲线图。一、丁二烯车间 DA-107 的现场实际过程控制策略DA-107 是第二精馏塔，它的作用是脱除第一精馏塔塔釜液中的高沸物，例如顺丁烯 -2、丁二烯 -1，2 、乙基乙炔和碳五等等，该塔一共有 85 块塔板，其中第 30 块塔板为进料塔板。DA-106 釜液去 DA-1
10、07 的流量由 LICA-119 控制，产品丁二烯在丁二烯产品冷却器冷至 40以下，并送入丁二烯产品检验槽，EA-129 出口管线及 DA-107 塔顶馏出管线分别连续地加入 TBC。DA-107 的塔顶操作压力为 0.430.03MPaG，该压力是由 PICA-120 调节 EA-118 冷却水流量来控制。在回流方面，工艺设计的回流量为 28.08t/h；实际操作的回流量=采出量（4.05.0） 。釜液流量的设计值为 230kg/h，此值随 DA-107 进料中高沸物如顺丁烯 -2、丁二烯 -1，2 、乙基乙炔和碳五的含量而变化，丁二烯 -1，3 维持在过程控制工程课程设计70.15kg/k
11、g 以下，釜液中丁二烯 -1，2 的含量可以有一定压力下的釜温来估算。当产品丁二烯 -1，3 中杂质顺丁烯 -2含量超过允许限度时，不管需要的回流量供给多少，也要增大塔釜液的排放。DA-107 的釜温设计值为 62.5，实际操作温度为 52-66，而该温度随塔釜组分和操作压力而变化，原料中高沸物含量增加，则釜温会略有上升。再沸器 EA-119 和 EA-120 系立式热虹吸型再沸器，分别以循环正气冷凝液、循环热溶剂作热源，通过 LICA-122 调节蒸气冷凝液的流量来控制 DA-107 塔釜液位。产品丁二烯中丁二烯 -1，3 的纯度应维持在 0.98kg/kg 以上，产品丁二烯中丁二烯 -1，
12、3 和顺丁烯 -2含量通过取样分析检测，产品丁二烯中杂质如羟基化合物、二聚物、过氧化物等也通过取样分析检验。来自各再沸器和热交换器的所有蒸汽冷凝液（STC）全部送入蒸汽冷凝液罐（FA-113） 。而FA-113 中的 STC 则由蒸汽冷凝液泵（GA-118A/B）送入 EA-119（第二精馏塔蒸汽冷凝再沸器） ，向再沸器提供热量。再沸器出口（EEA-119）的大部分 STC 送入 EA-105（第一汽提塔冷凝器） ；一部分经二甲胺萃取塔水进料泵（GA-130A/B）升压后送入 DA-109 作为二甲胺萃取剂用；一小部分 STC 送出界区，其流量由 LICA-121 控制，在 EA-105 中，
13、STC 被第一汽提塔馏出气的潜热和显热加热，然后返回 FA-113。二、力控 2.6 版组态软件简介在此次课程设计的第二阶段设计工作中，要根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，完成控制系统原理图，并利用组态软件完成简单的控制系统工艺流程图，我选择使用的是力控 2.6 版组态软件。力控 2.6 版是一个面向方案的 HMI/SCADA 平台软件。它基于流行的 32 位 Windows 平台，丰富的I/O 驱动能够连接到各种现场设备。分布式实时数据库系统，可提供访问工厂和企业系统数据的一个公共入口。内置 TCP/IP 协议的网络服务程序可以使用户充分利用 Intranet 或 Intern
14、et 的网络资源。重新设计的实时数据库管理器，全屏浏览编辑，组态过程更加方便、灵活、高效。新增内置数据表，具备标准关系数据库所具有的基本特征和功能，免去在向管理信息系统延伸时必须捆绑各种关系数据库所带来的烦恼。最值得一提的是其中的控制策略生成器，力控的新一代产品-控制策略生成器（Strategy Builder）是优异的自动化控制解过程控制工程课程设计8决方案。与传统的 DCS、PLC 控制系统相比，它充分体现了控制功能丰富、系统组建灵活、扩展方便的特点。力控控制策略生成器是一个既可以运行在Windows98/2000/NT 环境，又可以运行于 Windows CE、DOS 等嵌入式环境的控制
15、功能软件模块。它采用功能框图的方式为用户提供组态界面，具备与实时数据库、图形界面系统通讯的功能。在力控的控制策略生成器中，一个应用程序中可以有很多控制策略，但只能有一个主策略。主策略首先被执行，主策略可以调用其他策略。策略嵌套最多为 4 级，即 03 级，在这 4 级中，0 级最高，3级最低。高级策略可以调用低级策略，而低级策略不可以调用高级策略。除 3级最多可以有 127 个策略外，其他 3 个级别分别最多可以有 255 个策略。控制策略由一些基本功能块组成，一个功能块代表一种操作、算法或变量。功能块是策略的基本执行元素，类似一个集成电路块，有若干个输入和输出，每一个输入和输出管脚都有唯一的
16、名称。力控的控制策略是在控制策略生成器中编辑生成的，在控制策略存盘时自动对策略进行编译，同时检查语法错误，编译也可以手动进行。控制策略生成器采用符合 IEC1131-3 标准的图形化编程方式，其基本功能块分为 5 类：变量功能块、数学运算功能块、程序控制功能块、逻辑功能块和控制算法功能块。变量功能块用来为其他功能块提供初始操作数、最终运算结果的变量连接。在每一个变量功能块的属性框中都可以选择变量数据源/目的名称及其参数名称。共有常数、输入变量、输出变量、系统变量、全局输入变量和全局输出变量等 6 个变量功能块。数学运算功能块可完成变量的计算处理。共有加法、减法、乘法、除法、乘方、取余、绝对值、
17、正弦、余弦、正切、反正弦、反余弦、反正切、自然底幂数、平方根、常用对数、自然对数和取整等 18 个数学运算功能块。逻辑功能块根据所选的算法执行逻辑功能，每个逻辑块最多有 4 个输入，并产生单一布尔输出。功能块可以要求实型输入或布尔型输入。实型输入可以是外部输入、内部输入和逻辑模块的输出。共有与、或、异或、非、与非、或非、2 个输入 ON 限定或门、3 个输入 ON 限定或门、3个变量一致性检查、选择开关、定长脉冲、最大时限脉冲、最小时限脉冲、延时、开延时、关延时、看门狗、RS 触发器、变化检测、带死区的等于比较、带死区的不等于比较、带死区的大于比较、带死区的大于等于比较、带死区的小于比较、带死
18、区的小于等于比较、选通器等 26 个逻辑功能块。程序控制功能块过程控制工程课程设计9用于不同控制策略之间的嵌套。共有跳转、调用子策略、返回和注释等 4 个功能块。控制算法功能块主要用于完成各种模拟型的控制策略。共有纯滞后补偿、滤波器、一阶传递函数、模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出、计时器、计数器、PID 控制器、线性变换、开关控制器 51、开关控制器 13、三者取中、限值器、累计器、比例器、温压补偿、高低选和平均、通用线性化、比值控制器、斜坡控制器、数字组合点、计算器、条件动作表、加权平均等近 30 个功能块。同时提供开放的算法接口，可以嵌入用户自己的控制程序。另外，控制策略生成器与力控
19、的其它程序组件可以无缝连接。丰富的 I/O 设备驱动支持，能够连接到各种现场设备。增强的 I/O 框架，增加了 I/O 冗余，更好的开放性和灵活性；同时提供开放式的 I/O 开发 SDK 及源码。力控 2.6 版组态软件还全面支持 OLE、ActiveX、DDE,完整的 OPC Client，标准的 SQL/ODBC API 接口； 精确的内部时钟系统，调度周期可精确至 1 毫秒；更快的网络通信速度，以满足构建大型、复杂 SCADA 系统的需求。力控提供多种通信方法，除 TCP/IP 网络通信组件外，使用力控远程拨号通信组件，可以实现对远程现场生产过程的实时监控。三、PID 控制策略、设计思想
20、、方案确定及原理分析在做到选择被控对象模型，利用组态软件，对控制系统进行组态同时改进原有的控制回路并再次进行组态的时候，我的设计思想主要是采用 PID 控制策略。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制。PID 控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或者得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。PID 控制，实际中多采用的有 P、PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统
21、的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，但是当仅有比例控制时系统输出存在系统稳态误差，不能满足工业生产要求。在积分（I）控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，过程控制工程课程设计10如果在进入稳态后存在稳态误差，则这个控制系统是有稳态误差的。为了消除这个存在的稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，
22、比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在微分（D）控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分也就是与误差的变化率成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值
23、，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。在这次课程设计调试中，我采用的是临界比例法，首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作，然后仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期，最后在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数，使得系统输出值非周期的趋于设定值，并且系统的超调量、上升时间、稳态误差等性能指标均在允许范围内。四、针
24、对具体被控对象，设计简单回路和复杂控制系统的控制策略分析针对具体被控对象的具体分析后，我利用组态软件进行动态仿真设计设计了几个简单回路和一个串级控制系统的控制策略，后经调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果，包括 FA-113 的液位 PID 控制、EA-120 的温度PID 控制、FA-116 的液位比值控制、EA-118 的出口流量对 DA-107 塔顶压力的PID 控制和 FA-116 流向塔釜 DA-107 的压力流量串级控制。在 FA-113 的液位过程控制工程课程设计11PID 控制中，操纵变量选择从 EA-105 流入 FA-113 液体的流量，被控变量则是FA-113
25、里的液位，从安全因素考虑，控制阀选择气关型（K V0） ，当操纵变量增加时被控变量随之增加（K P0） ，因而 KC0，控制器为正作用。就 EA-120的温度 PID 控制而言，操纵变量选择流出 EA-120 的液体流量，被控变量是 EA-120 的罐内温度，出于安全考虑，控制阀选择气开型（K V0） ，当操纵变量增加时被控变量随之降低（K P0） ，因而 KC0，控制器为正作用。在 EA-118 的出口流量对 DA-107 塔顶压力的 PID 控制中，操作变量选择 EA-118 的出口流量，被控变量是 DA-107 的塔顶压力，从控制自身和安全因素考虑，控制阀选择气开型（K V0） ，当操纵
26、变量增加时被控变量随之降低（K P0） ，因而 KC0，控制器为正作用。在 FA-116 流向塔釜 DA-107 的压力流量串级控制中，主被控变量是 DA-107 的塔釜内压力，副被控变量是 FB-2001 流向 DA-107 塔釜的流量，控制阀选择气关型（K V0） ，阀门打开，FB-2001 流向 DA-107 塔釜的流量增加（K P20） ，副控制器选择正作用 KC20，当 FB-2001 流向 DA-107 塔釜的流量增加时，DA-107 的塔釜内压力增大（K P10） ，因而 KC10 主控制器选择反作用。五、元器件选择（仪表选型）序号 位号 指标名称 单位 设计值 控制范围1 PI
27、C-118 FA-113 压力 MPaG 0.01 0.010.052 FIC-137 FA-113 温度 97.6 9843 TI-500-29 FA-113STC 使用温度 10024 PIA-119 DA-107 塔釜压力 MPaG 0.46 0.480.035 TR-300-6 DA-107 塔釜温度 62.5 52666 FIC-139 DA-107 回流量 t/h 采出量4.0 采出量（3.85.4）7 TI-500-30 DA-107 塔顶温度 44.8 4858 PICA-120 DA-107 塔顶压力 MPaG 0.40 0.430.03六、设计评价，总结整个设计工作中经验教
28、训和收获这次课程设计只有短短的三周时间，自己设计的一些控制策略要求得到了较为理想的结果。同时给我带来的影响确是很大的，理论知识、下厂实习、课程设计这三者有机的结合起来是我看到了自己的不足，但也给了我前进的动力，自己开始明确了一些前进的方向，仅靠书本上的知识是站不住的，因为现实总是在变化，需要自己有一些创新的勇气与能力，才能真正做到活学活用，不足过程控制工程课程设计12是我看到了想要做好课程设计乃至毕业设计需要多方面的能力，这并不局限于本专业知识，掌握计算机某些软件的应用也很重要，这次过程控制工程课程设计使我获益匪浅，我会沿着专业方向继续努力。过程控制工程课程设计附图：过程控制工程课程设计13过程控制工程课程设计14过程控制工程课程设计15控制策略：
