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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化0602 指导教师： 工作单位： 武汉理工大学自动化学院 题 目: 精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统 初始条件：精馏塔液位与出料量输出在一定范围内缓慢均匀变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1）分析被控对象精馏塔特性，设计一种均匀控制系统，绘制系统的结构示意图和原 理方框图，说明其工作原理和工艺流程。2）系统调节过程，控制量和被控量的选择3）系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定。4）系统硬件电路与软件设计5）控制器控制规律的实现以及参数整定6）论文用WORD
2、打印，方框图，流程图，电路图等均用Protel99se、AutoCAD、Visio等软件绘制。时间安排：2010年1月4日至2010年1月15日，具体进度安排见下表具体时间设计内容1月4日指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。学生确定选题，明确设计要求1月5-9日开始查阅资料，完成方案的初步设计1月1114日由指导老师指导完成课设情况。学生修改、完善1月15日撰写课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统的设计，通过均匀控制系统工作原理、工艺流程的分析设计，对该系统调节过程中控
3、制量、被控量的选择，系统各部分的组成和正反作用的确定以及控制器的控制规律与系统参数的整定讨论，使之精馏塔液位与出料量输出在一定范围内均匀缓慢变化，前后设备在物料供求上相互兼顾。关键词：精馏塔 双冲量 均匀控制目录1精馏塔原理12均匀控制系统12.1均匀控制概念12.2均匀控制特点32.3均匀控制系统的结构形式32.3.1简单均匀控制系统32.3.2串级均匀控制系统42.3.3双冲量均匀控制系统53设计原理54控制量与正反作用选择64.1控制量与被控量选择64.2正反作用选择85参数整定96个人小结12参考文献13精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统1精馏塔原理精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接
4、触装置，又称为蒸馏塔。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。蒸汽由塔底进入，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)组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，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，达到组分分离的目的。由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，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，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体则作为釜残液取出。蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥
5、发度不同（相对挥发度）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。2均匀控制系统2.1均匀控制概念均匀控制是指一种控制方案所起的作用而言，因为就方案的结构看，有时像一个简单液位（或压力）定值控制系统，有时又像一个液位与流量（或压力与流量）的串级控制系统。所以要识别一些方案是否起均匀控制作用，或者在怎样的情况下应该设计均匀控制方案，从本质上去认识他们是非常重要的。石油化工生产过程是一个连续生产过程，随着生产的进一步强化，使得前后生产过程的关系更加紧密了，往往出现前一设备的出料直接作为后一设备的进料，而后者的出料又连续输送给其他设备作进料。现以连续精
6、馏的多塔分离过程为例，如图1所示前后精馏塔供求关系。图1 前后精馏塔的供求关系显然作为单个精馏塔，都希望自身操作平衡。对于甲塔来说，塔釜液位往往是一个重要参数，因为它与塔釜的传热和汽化有较大关系（釜内有溢流用的隔板者除外），影响分离效果，为此装有液位控制系统。当液位由于某种干扰而变化时，液位控制器就通过改变出料量来维持液位稳定。而甲塔出料的波动对乙塔来说是一个进料扰动，使乙塔的平衡操作受到破坏，这种影响一直会继续下去，以至整个多塔系统的操作不能稳定。对乙塔来说，他从自身的平衡操作要求出发，希望进料稳定，会提出设置进料流量控制系统。显然，这是与甲塔的液位控制系统的 工作是相互矛盾的，以致两个系统
7、都无法正常工作。为解决这一矛盾，以往靠增加缓冲罐的办法来解决。通过缓冲物料累积量的变化，以达到两塔操作平稳。但这要增加设备投资和扩大装置占地面积，并且有些化工中间产品经缓冲罐后有可能产生其他化学反应，因此也不是一种理想的办法。现在从控制方案上去寻找出路，这要着眼于物料平衡控制，让供求矛盾限制在一定条件下进行渐变，以满足前后两塔的不同要求。对这个例子来说，就是要将前塔塔釜看成一个缓冲罐，利用控制系统充分发挥它的缓冲作用。也就是说，在进料量（前塔）变化时，让塔釜液位在最大允许的限度内平缓变化，从而使输出流量的到平缓（平稳缓变）。因为：要起缓冲作用，就要借助于的变化。例如，变化2，可以调节使H变化1
8、，Q出变化1，这样来发挥贮罐的缓冲作用。由此可见，后塔的进料平缓变化是以前塔液位的波动为代价的。这种能充分发挥贮罐缓冲作用的控制系统，被称为均匀控制。因此，均匀控制不是指控制系统的结构，而是指控制目的而言。是为了使前后设备（或容器）在物料供求上达到相互协调，统筹兼顾。2.2均匀控制系统特点均匀控制的特点有如下三条：(1)表征前后供求关系的两个参数是矛盾的；(2)两个参数应该是缓慢变化的；(3)两个参数只能在允许的范围内波动。如图2所示是反映液位与流量的几种不同变化情况。（a）是单纯的液位定值控制；（b）是单纯的流量定值控制；（c）是实现均匀控制以后，液位与流量都渐变的波动情况，但波动比较缓慢。
9、图2 液位与流量几种不同变化情况2.3均匀控制系统的结构形式2.3.1简单均匀控制系统如图3所示为精馏塔塔底液位与出料流量的均匀控制系统。从方案外表上看，他像一个单回路液位定值控制系统，并且确实常被误解。所不同的主要在于控制器的控制规律选择及参数整定问题上。在所有均匀控制系统中都不需要，也不应该加正微分作用，恰恰相反有时需要加反微分作用，一般采用纯比例控制，有时可用比例积分控制作用。而且在参数整定上，一般比例度要大于100%，且积分时间也要放的相当大，这样才能满足均匀控制要求。该方案结构简单，但他对于克服阀前后压力变化的影响及液位贮罐自衡作用的影响效果较差。简单均匀控制系统适用于：进料量为主干
10、扰，流量波动大，自衡能力弱的对象。（自衡能力弱指：当流量变化很激烈，而液位变化很小）图3 简单均匀控制系统2.3.2串级均匀控制系统如图4所示是蒸馏塔塔底液位与采出流量的串级均匀控制，从外貌看与典型的串级控制系统完全一样，但他的目的是实现均匀控制，增加一个副环流量控制系统的目的是为了消除阀前后压力干扰及自衡作用对流量的影响。因此副环与串级控制中的副环一样，副控制器参数整定的要求与前面所讨论的串级控制对副环的要求相同。而主控制器（即液位控制器）则与简单均匀控制的情况作相同处理。图4 串级均匀控制系统其工作过程如下：当甲塔液位上升，导致液位调节器输出增大，流量调节器输出增大，控制阀门缓慢增大；反映
11、在工艺参数上，液位不是立即快速下降 ，而是继续缓慢上升，乙塔的进料量也缓慢增加。液位与流量均缓慢地变化，实现了均匀协调的控制目的；当乙塔的进料量增大，首先通过流量调节器使控制阀门开度缓慢减小；当这一作用使甲塔的液位下降时，液位调节器输出减小，进一步缓慢改变调节阀的开度，使系统工作在新的平衡点。主副控制器一般采用比例或比例积分控制律。主控制器的参数整定与简单均匀控制系统相同，副控制器的参数整定一般为=100200% ，Ti为0.11分钟。2.3.3双冲量均匀控制系统双冲量均匀控制系统就是将两个变量的测量信号通过加法器后作为被控量的控制系统。 将在下面详细讨论。3设计原理精馏塔液位与出料量的双冲量
12、均匀控制系统如下图5所示：图5 双冲量均匀控制系统原理图双冲量均匀控制系统是串级均匀控制系统的变形，它用一个加法器来代替串级控制系统中的主调节器，把液位与流量的两个测量信号通过加法运算后作为调节器的测量值。如图5所示，以塔釜液位与输出流量信号之差为被控参数，通过均匀控制使两者能均匀缓慢变化。假定该系统采用QDZ仪表构成，刚加法的输出式中：加法器的输出信号； 液位测量值； 流量测量值； 定值器的输出信号； C加法器的可调弹簧系数。在正常情况下，调节C与值，使为左右，调节阀处于适当开度。当流量正常而液位受到扰动上升时，增大，使流量调节器的输出信号增加，从而开大阀门的开度，使流量增大，以使液位恢复正
13、常。当液位正常，而流量受到扰动而增加时，减小，流量调节器的输出减小，因而使流量慢慢减小。用QDZ仪表组成的系统，由于使用可靠，成本低，维修方便，所以应用广。用DDZ-型仪表组成系统，可少用一台恒流给定器。此时加法器的输出为式中：加法器输出电流信号； 液位变送器输出电流信号； 流量变送器的输出电流信号。精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统方框图如图6所示。图6 精馏塔液位与出料量的双冲量均匀控制系统方框图如图6形式，就可以清楚的看出，它具有串级的优点。其主调节器可看成是的纯比例调节器。副环是流量回路，对于直接进入流量回路的干扰 （如控制阀前后的压力干扰等）通过副环的快速作用，可以得到很快克服。
14、因此控制器参数整定可按串级副控制器原则进行。很显然，由于主调节器（即液位调节器）的放大倍数不能调整，所以要求液位和流量变送范围选择合适。4控制量与正反作用选择4.1控制量与被控量选择生产过程中希望借助自动控制保持恒定值(或按一定规律变化)的变量称为被控变量。在构成一个自动控制系统时，被控变量的选择十分重要、它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关系到控制方案的成败。 被控变量的选择是与生产工艺密切相关的，而影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所有影响因素都要加以自动控制。所以，必须深入实际，调查研究，分析工艺，找出影响生产的关键变量作为被控变量。 所谓“关键”变量，是指这样一些变量：它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制型式：直接指标控制与间接指标控制。直接指标控制：被控变量本身就是需要控制的工艺指标，比如温度、压力、流量、液位、成分等； 间接指标控制：如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变
