基于JX_300XP的板式精馏塔DCS控制系统的设计说明

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1、. . . . 学习好帮手 目 次 1 引言1 1.1 课题背景及依据1 1.2 板式精馏塔的控制系统国内外的现状2 1.3 板式精馏塔的简述2 1.4 DCS 系统的简述 3 1.5 本课题主要研究的内容5 2 系统理论的分析及控制方案的确定6 2.1 板式精馏塔控制系统研究的对象及要求6 2.2 板式精馏塔控制方案的比较与确定.14 2.3 板式精馏塔控制系统的组成及其工作原理.16 3 板式精馏塔控制系统的硬件设计.19 3.1 精馏塔的监控测试点的确定.19 3.2 精馏塔控制系统的 DCS 硬件设计 .20 3.3 系统硬件的安装 .23 4 精馏塔控制系统的软件设计.24 4.1

2、控制系统在 DCS 中的实现 .25 4.2 精馏塔的组态设计 .26 5 系统组态与实时监控的连接与调试 .37 5.1 系统组态与实时监控的连接 .37 5.2 系统调试.37 5.3 其它控制量的控制趋势图 .40 结 论.42 致 谢.43 参 考 文 献44 . . . . 学习好帮手 1 1 引言引言 精馏是炼油、化工、轻工、等生产部门中应用极为广泛的传质分离过程， 其目的是将混合液中各组成分离开，成为具有一定纯度的产品或半产品。例如 炼油厂通过精溜将石油分离成为汽油、煤油、柴油等产品；酒精生产厂用精馏 塔将杂质除去，得到一定纯度的酒精。精馏过程的实质，是利用混合物中的不 同发挥度

3、，即同一温度下，这种性质的不同压力的蒸汽，使液相转移到气相， 汽相重组转移到液体中，从而达到分离的目的。 随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分离物料的组分越 来越多，分离的产品纯度要求越来越高，对精馏过程的控制也提出了越来越高 的要求，也越来越被人们所重视。 精馏过程通过精馏塔、再沸器、冷凝器等设备完成。再沸器为混合物液相 中轻组分的转移提供能量；冷凝器将塔顶来的上升蒸气冷凝为液相，并提供精 馏所需回流。精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备，一般为圆柱型体，内 部装有提供汽液分离的塔板或填料，塔身设有混合物进料口和产品出料口。 精馏过程是一个复杂的传质传热过程。表现为：过程变量多

4、，被控变量多， 可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂，例如，非线性、时变、关联；控制 方案多样，例如，同一被控变量可以采用不同的控制方案，控制方案的适应面 广等。因此，熟悉工艺过程和内在特性，对控制系统的设计十分重要。 1.11.1 课题课题背景及依据背景及依据 乙醇水是工业上最常见的溶剂，也是非常重要的化工原料之一，是无色、 无毒、无致癌性、无污染和腐蚀性小的液体混合物。因其良好的理化性能，而 被广泛的应用于化工、日化、医药等行业。近些年来，由于燃料价格的上涨， 乙醇燃料越来越有取代传统燃料的趋势已在很多地方的公交车和出租车中使用 了。 长期以来，乙醇多以蒸馏法产生，但是由于乙醇水体系有共沸

5、现象，普 通的精馏对于得到高纯度的乙醇来说产量不好。但是由于常用的多为其水溶液， 因此，研究和改进乙醇水体系的精馏设备是非常重要的。 塔设备是最常用的精馏装置，无论是填料塔还是板式塔都在化工生产过程 . . . . 学习好帮手 中得到了广泛的应用。但是在本设计中对填料塔和板式塔经行比较后，确认板 式塔在本设计的应用中比填料塔好。因此，本设计采用板式精馏塔的控制系统。 1.21.2 板式精馏塔的控制系统国内外的现状板式精馏塔的控制系统国内外的现状 板式精馏塔控制系统的设计主要运用了 DCS 控制系统。DCS（分布式集散控 制系统）的应用日益普遍的原因之一是：DCS 系统实现了数字和模拟输入/输出

6、 模块、智能信号装置和过程调节装置与 PC 之间的数据传输，把 I/O 通道分散到 实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用减少到最小，从而使成本费用 大大的节省。其原因之二是：DCS 具有“开放”的通信接口，允许用户选用不 同制造商生产的分散 I/O 装置和现场设备11。 DCS 最早是 1975 年出现的。30 年来，随着市场用户需求的不断提高，电子、 计算机软件、硬件、网络技术和人因工程的发展，各 DCS 厂家激烈的竞争和兼 并及技术的融合，促使 DCS 技术平台的水平不断提高。我们可以吧 Honeywell 等公司在 20 世纪 70 年代推出的先期系统作为第一代 DCS.各公司在

7、20 世纪 80 年代中期推出的系统，如 Honeywell 推出的 TDC-3000，西屋公司的 WDPF 系统， 横河公司的 CENTUM-XL 等称为第二代 DCS。自从 FOXBORO 公司推出 I/A Series 以后，各公司积极地研发并推进开放技术，开始扩展 DCS 的信息管理功能，我 们可以把 20 世纪 90 年代初期与中期推出的各 DCS 称为第三代 DCS。20 世纪 90 年代末至 21 世纪初，几大 DCS 厂家进一步提升了系统的功能范围，改变了系统 开发的方式-由原来完全自主开发变为集成开发，纷纷推出新一代的 DCS。这一 代 DCS 具有鲜明的共性：全面支持企业信

8、息化，系统构成集成化，混合控制功 能兼容，硬件进一步分散化、智能化和低成本化，系统平台开放化，应用系统 专业化。 目前国产 DCS 的技术水平已达到或接近国外厂家同类 DCS 的水平，并占据 了相当多的市场份额。北京和利时公司（Hollysys）推出 MACS-Smartpro 第四 代 DCS 系统，浙大中控公司(SUPCON)推出 Webfield(ECS)系统，上海新华公司 推出了 XDPF-400 系统。16 1.31.3 板式精馏塔的简述板式精馏塔的简述 精馏塔是均相混合物分离的过程的主要单元设备，精馏操作既可采用板式 . . . . 学习好帮手 塔，也可采用填料塔，板式塔为逐级接触

9、型气液传质设备，从 1813 年 Cellier 首次提出泡罩塔至今，板式塔出现了许多不同类型的塔板。最常用的 板式塔有泡罩塔，筛板塔和浮阀塔。 筛板塔是最早出现的结构型式之一，在 1832 年以用于生产。当时，对筛板 的操作性能认识不足，由于筛板塔设计不合理导致操作性能很差，而同一时期 开发的泡罩塔则能稳定地操作。因此泡罩塔从 19 世纪中期直至 20 世纪 40 年代， 始终在塔设备中占有绝对的优势地位。但是泡罩塔虽然操作稳定，却存在着不 少缺点，如造价高，压降大，液压面落差大等。20 世纪 50 年代，研究人员对 筛板塔做了大量的研究工作，取得了大量的试验数据。通过深入研究筛板的操 作性

10、能后认为。筛板塔是操作性能良好的设备。 1.41.4 DCSDCS 的概述的概述 1.4.1 DCS 系统的组成特点 分散型综合控制系统（Distributed Control System，简称 DCS）又称为 集散控制系统，它综合了计算机技术，控制技术，通信技术和显示技术，使控 制系统结构进入了一个新阶段。DCS 系统以其灵活，模块化结构，安全，可靠， 危险分散，功能齐全以及对大规模系统经济性好等特点成为当代自动化控制的 主流系统。 集散控制系统的基本组成都包括分散的过程控制装置、集中操作管理系统 和通信系统三部分。 分散过程控制装置部分由多回路控制器、单回路控制器、多功能控制器、 可编程

11、序逻辑控制器及数据采集装置的组成，它相当于车间操作管理级和过程 控制装置级。 集中操作和管理部分由操作站、管理机和外部设备如打印机、拷贝机等组 成，相当于车间操作管理级和全厂优化、调度管理级，实现人机接口。 每级之间以及每级内的计算机或微处理器则由通信系统进行数据通信，数 据通信系统是 DCS 的基本和核心，实现将分散的信息综合、管理的信息分散的 功能。 它的主要特点是信息的集成化、DCS 、PLC 和 FCS 相互融合形成混合控制 系统、开放性、低成本。 . . . . 学习好帮手 网络传输介质主要有轴电缆、双纹线、光纤以及射频等。同轴电缆带宽较 高，传输距离可达几公里。同轴电缆目前主要应用

12、在环形和总线型网络中，其 成本中等。双纹线近年来在桌面接入系统中得到了广泛的应用，尤其是在星型 网络中。光纤损耗低，传输距离远，通信容量大，而且光纤抗电磁干扰能力强。 应该说，光纤是工业控制通信网络的一个重要的发展趋势。选择什么样的传输 介质往往跟网络的拓扑关系有关，例如星型结构通常选用双绞线，这取决于节 点的能力、节点之间的距离及环境因素等。环形拓扑结构可以采用任何传输介 质，取决于网络技术要求。对于总线型拓扑结构，一般采用双纹线和同轴电缆， 而不选用光纤。 有线方式在应用范围、组网灵活性等方面都存在着一定的不足。相反，采 用无线射频的方式则可以超越地域上的限制，大大提高系统实现上的灵活性。

13、 因此，近年来，无线 DCS 越来越受到人们的重视11。 1.4.2 JX300XP 系统概述 浙大中控推出的全数字化的新一代集散控制系统 JX300XP，大限度的满 足应用需求的原则，应用了最新的信号处理技术、高速网络通信技术、可靠地 软件平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟 的先进控制算法，全面提高了 JX300X 的功能和性能，使其兼具了高速可靠的 数据输入、输出、运算、过程控制功能和 PLC 连锁逻辑控制功能，能适应更广 泛更复杂的应用要求，成为一个全数字化。结构灵活、功能完善的新型开放式 集散控制系统。 JX-300XP DCS 由操作站、控制站、过程控制

14、网络等组成。 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 维护工具。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

15、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、 . . . . 学习好帮手 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。 DCS 采用三层通信网络结构。如下图 1.2 所示：集散控制系统的基本组成 部分包括分散的过程过程控制装置、集中操作管理系统和通信系统三个部分。 如图 1.1 所示。 图 1.1 三层通信网络结构 最上层为信息管理网，采用符合 TCP/IP 协议的以太网，连接了各个控制装 置的网桥以及企业内各类管理计算机，用于工厂级的信息传送和管理，是实现 全厂综合管理的信息通道。中间层为过程控制网，采用了双高速冗余工业以太 网 Scnet作为其过程控制网络，连接操作站、工程师站与控制站等，传输各 种实时信息。底层网络为控制站内部网络 SBUS，采用主控制卡指挥式令牌网， 存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道9。 1.51.5 本课题主要研究的内容本课题主要研究的内容 本课题是针对某 8 层塔板的板式精馏塔，需对进料（乙醇和水的混合溶液） 在塔顶分离出纯度达 80%以上的乙醇产品，先利用化工原理知识为精馏的工程 设计提供理论指导，再用组态软