精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统设计

精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统设计

张娜黄跃娟魏颖唐世超

1.哈尔滨华德学院；2.机器人工程学院150025

摘要：随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分流物料的组分越来越多，分离的产品的纯度也越来越高。精馏塔塔釜温度作为间接质量指标，能够直接地反映精馏塔塔釜产品的情况。将精馏塔塔釜温度恒定后，就能较好地确保塔底产品的质量达到规定值。由于精馏塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，且单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂的、综合性的控制要求，本文设计了基于串级控制的精馏塔塔釜温度控系统。本文章主要以精馏塔塔釜为研究对象，在分析其工艺流程和系统构成的基础上，结合实际系统，进行了温度和流量等影响因素方面的控制系统设计，详细设计了精馏过程的控制方案，包括前馈控制、反馈控制和串级控制。根据设计的需求，选用S7-224XP型PLC。温度变送器选用镍铬-镍硅，流量变送器选用涡街流量计，执行器选用QSVP-16K电磁调节阀，控制器选用智能直行程电动调节阀，对各器件进行严格的选型，最后利用MATLAB进行仿真，达到了设计的要求。

关键词：串级控制；流量；温度变送；PID调节；参数整定

1引言

过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能，成为以表征生产过程的参量为被控制量，使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。

2硬件设计

本设计的任务是用组态软件设计精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统；精馏塔釜温度是保证产品分离纯度的重要指标，工艺上要求温度偏差≤±1.5℃，所以将塔釜温度作为衡量质量指标的间接指标，而以给再沸器提供热量的蒸汽流量作为控制手段的方案，组成单回路控制系统。

3软件设计

在本控制系统中，PV1（塔釜温度传感器）将检测到的塔釜温度信号转化为电流信号送入EM231模块A接口，PV2（流量传感器）检测到流量开度信号转化为电压信号送入EM231模块的B路。两路模拟信号转化为数字信号送入PLC，PLC再通过PID模块进行PID调节控制。

在精馏塔温度串级控制系统中，以塔釜温度为主要被控参数，精馏塔串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规律。

控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以副调节器调节规律选择P控制。

主调节器：P=2；

I=0.454；

D=0；

SN=33；

CF=0；

ADDR=1；

SV=8；

DIH=50；

DIL=0；

副调节器：P=1；

在比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。此时的比例作用的条件下仿真。在系统稳定运行大约900s后，突加幅值为设定值40%的二次阶跃扰动信号时仿真。主、副调节器参数整定好以后得到系统响应曲线。在40%的蒸汽扰动下，观察塔釜温度的响应曲线。

将副调节器的比例放大系数调到1.0实际运行表明，塔釜温度的最大偏差未超过1.5℃，完全满足了工艺要求。

对系统进行系统建模，最终确定了系统的算法，并用MATLAB对系统进行仿真，在实验中进行多次校正，最终确定了PID的最优值。

4调试

将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。

5小结

本文章在西门子S7-200系列PLC和组态软件组态王的基础上，成功设计出了精馏塔的温度蒸汽流量串级控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。再加上由组态王设计的人机界面，整个系统操作简单，控制方便，大大提高了系统的自动化程度和实用性。

该精馏塔的温度蒸汽流量串级控制系统也有一些有不足的地方需要改进，编程时用了编程软件自带的PID指令向导模块，这样虽然方便，但是使得控制系统超调量和调节时间都稍微偏大，若不直接调用该模块，而是自己编写PID控制子程序的话，控制效果可能会更好。

日后，随着对PLC硬件系统和通信方式的深入了解，还可以丰富远程控制指令，通过构建复杂的多级网络适应大型的工业控制，使该系统运行时更加稳定可靠，性能更加完善。

参考文献：

[1]邵裕森，戴先中.过程控制工程.机械工业出版社，2010

[2]廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社，2009