10万吨年PVC精馏装置DCS系统设计 毕业论文.doc

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1、摘要 I 1010 万吨万吨/ /年年 PVCPVC 精馏装置精馏装置 DCSDCS 系统设计系统设计 摘要 PVC 材料已经成为我国第一、世界上产量第二大的合成材料，广泛应用于 轻工、建材、农业、日常生活、电力、包装、公共事业等领域。庞大的社会需 求给 PVC 的生产企业带来了前所未有的机遇和挑战。一方面巨大的社会需求使 得企业有充足的生产动力；另一方面由于价格等客观因素的影响使得很多企业 仍使用很落后的生产线。生产的低效率、低性能、低自动化程度是日前亟待解 决的问题。而利用计算机控制技术对生产进行管理以及对生产进行数据采集和 控制，越来越受到人们的关注。DCS 集散控制系统就是顺应这一形势

2、发展起来 的的技术。利用 DCS 控制系统能实现更有效的管理和控制。 本文以某化工厂的 10 万吨/年 PVC 精馏装置 DCS 工程设计为依托。运用 PC 机为上位机，西门子 S7-300 可编程控制器为下位机以及 WinCC 软件的强大 的组态技术实现 PVC 精馏装置的控制和管理。 本文完成的主要工作如下： A. 分析了国内外 PVC 生产的现状、我国在 PVC 生产中的不足以及 DCS 集 散控制系统在该领域的应用情况。 B.结合精馏装置的特点和具体要求确定控制系统的控制装置，完成整个控 制系统的控制的回路的设计。 C.根据工艺控制流程图和自动控制工艺条件表完成管道及仪表流程图的绘 制

3、；再根据控制系统的控制方案和管道仪表流程图完成仪表回路图的绘 制。 D. 根据精馏装置的特点和工艺的具体要求检测仪表、执行机构、辅助仪表 的选型以及仪表安装图的绘制。 E.利用西门子 S7-300 PLC 完成整个控制系统的硬件配置和控制程序的编 写，使用 WinCC 组态软件完成整个系统的软件组态。 关键字关键字：PVC；DCS；PLC；WinCC；仪表；控制系统 Abstract II The DCS engineer design of 100000 tons/year PVC distillation device of a chemical plant Abstract PVC ma

4、terial is a kind of synthetic material that its production has become the first largest in China, and second largest in the world, Widely used in light industry, building materials, agriculture, daily life, electricity, packaging, utilities and other fields. Large social demand has brought unprecede

5、nted opportunities and challenges for PVC production enterprises. On the one hand, huge social demand which makes production firms has plenty of power; On the other hand, due to objective factors such as the price of influence that many companies still use very backward production line. The low effi

6、ciency of production, low performance and low degree of automation is a problem to be solved. The computer control technology is used to analyse the production and management and to data acquisition and control of production, people pay more and more attention to the technology. DCS (distribution co

7、ntrol system) is the technology that conforms to the situation. Using the DCS control system can realize more effective management and control. The research of this thesis is based on the DCS engineer design of 100000 tons/year PVC distillation device of a chemical plant. Using PC as upper machine,

8、Siemens S7-300 programmable controller as the next machine and WinCC softwares powerful configuration technology achieve the control and management of PVC distillation device. The main works accomplished in this paper are as follows: A. Analyzes the production situation of PVC at home and abroad, th

9、e insufficiency in the production of PVC and DCS (distribution control system) and its application in the field. B. According to the characteristics of the distillation unit and the specific requirements determine the control device of control system, complete the whole control systems control circu

10、it design. C. According to the process control flow chart and flow chart of table completed pipeline automatic control technology and instrument drawing; then according to the control scheme of the control system and pipeline flow chart meters complete Abstract III instrument circuit diagram drawing

11、. D. According to the characteristics of the distillation device and process specific requirements complete the selection of the testing instruments, actuators and auxiliary instrument and draw instrument installation diagram E. Using Siemens S7-300 PLC to complete the whole control systems hardware

12、 configuration and control programs, use WinCC configuration software to complete the whole system software configuration. Key words: PVC; DCS; PLC; WinCC; Instrument; The control system 目录 1 目录目录 摘要.I ABSTRACT II 第 1 章 绪论2 1.1 选题的背景及意义3 1.2 国内外 PVC 及 DCS 研究现状和发展动态.4 1.2.1 PVC 的发展现状.4 1.2.2 DCS 系统的发

13、展现状.4 1.2.3 DCS 系统在 PVC 生产中的应用.5 1.3 本论文的主要工作5 第 2 章 PVC 精馏装置 DCS 控制方案设计.7 2.1 PVC 精馏装置主要工艺流程 .7 2.2 PVC 精馏装置控制系统的分析与设计 .7 2.2.1 高沸塔控制系统回路分析.7 2.2.2 低沸塔控制系统回路分析.8 2.2.3 成品冷凝器控制回路分析.9 2.3 PVC 精馏装置管道及仪表流程图的设计 .9 2.4 PVC 精馏装置 DCS 结构设计11 2.4.1 DCS 系统结构简介.11 2.4.2 DCS 系统的优点.12 2.5 DCS 系统的硬件选型 .13 2.5.1 I

14、/O 及存储量的估算.13 2.5.2 PLC 的硬件选型.14 2.6 系统的冗余设计16 2.6.1 冗余原理.16 2.6.2 硬件冗余.16 2.6.3 软冗余设计.18 第 3 章 PVC 精馏装置控制系统仪表选型及图纸设计.20 3.1 仪表的选型20 3.1.1 就地压力表选型.20 3.1.2 温度感应元件选型.21 目录 2 3.1.3 压力变送器选型.22 3.1.4 物位测量仪表的选型.23 3.1.6 气动控制阀选型.24 3.2 PVC 精馏装置控制系统图纸的设计 .27 3.2.1 系统回路图的设计.28 3.2.2 仪表安装图的设计.28 3.2.3 I/O 通道

15、表设计.28 3.2.4 控制室平面布置图设计.28 3.2.5 仪表柜接线图设计.28 3.2.6 仪表柜安装图.29 第 4 章 下位机控制系统的软件设计与实现30 4.1 PVC 精馏装置的控制目标 .30 4.2 PVC 精馏装置的自动控制的软件设计与实现 .30 4.2.1 控制系统的 PID 控制回路的设计.30 4.2.2 PLC 硬件组态.32 4.2.3 程序所用到的模块介绍.33 4.2.4 控制系统 PID 控制 PLC 功能模块的实现36 第 5 章 上位机监控系统的设计39 5.1 WINCC 组态软件介绍及设计原则.39 5.1.1 WinCC 介绍39 5.1.2

16、 监控界面的设计原则.40 5.2 PVC 精馏装置控制系统的组建 .40 5.2.1 PVC 精馏装置项目的建立.41 5.2.2 计算机属性设置.41 5.2.2 建立通讯连接.42 5.2.2 监控数据变量添加.43 5.3 各监控界面的设计与实现45 5.3.1 导航主界面的设计.45 5.3.2 报警页面的设计.46 5.3.3 趋势页面的设计.47 5.3.4 报表页面的设计.49 第 6 章 结论与展望51 目录 3 6.1 结论51 6.2 展望51 附录一 程序54 附录二 图纸目录74 第 1 章 绪论 4 第 1 章 绪论 1.1 选题的背景及意义 聚氯乙烯（PVC）是我

17、国第一、世界上产量第二大的合成材料，广泛应用 于轻工、建材、农业、日常生活、电力、包装、公共事业等领域。中国的 PVC 生产企业与发达国家的发展水平还有差距，突出表现为生产 PVC 产品的精馏装 置容积小、控制手段落后等。许多 PVC 生产厂家仍使用 30m3以下的精馏装置， 整体投资大、运行费用高、生产强度高、没有规模效益等缺点。因此加快精馏 装置大型化步伐，采用 DCS 集散控制系统 SFC 技术实现密闭式加料顺序控制 和批量控制等先进控制技术显得尤为重要。本课题主要有以下几方面： 1、 积极消化国外精馏装置控制技术，推广 DCS 国产化 在 PVC 精馏装置 DCS 控制中，国外 YOK

18、OGA 生产的 CS3000 控制系 统和美国霍尼威尔 HONEWELL 公司的 TDCS3000 由于起步早和强大的研发 投入，占了较大的份额，并有成功的应用。以浙大中控、北京和利时系统工程 股份有限公司和新华控制工程有限公司为代表的我国具有自主知识产权的 DCS 供应商都是在大学或科研院所创办企业的基础上发展起来的，人才资源 比较丰富。在体制上都实行了股份制或合资形式，有较好的运行机制。大体上 在 1998 年左右开始推出自行研制开发的 DCS，依靠自身产品的质量、功能， 良好的服务以及低廉的价格，逐步取得用户的信任，打开了市场。浙大中控于 1997 年推出了全数字化的新一代集散控制系统

19、JX300。吸纳了九十年代微处 理器、CRT 图形显示和网络通讯等领域的最新技术，成为近几年国外著名 DCS 系统在中国市场的最主要竞争对手之一。公司本着不断改进完善系统性 能，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 JX300 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 联锁逻辑控制功能，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。尤其近几年浙大中控发展迅 猛，JX300X 在化工企业如烧碱离子膜和 PVC 乙炔、聚合装置中有许多成功 的案例。 2、提高 DCS 应用水平 1）采用自定义控

20、制与连续控制结合，提高控制质量或控制水平，例如，在批 量控制开始时将控制阀慢慢打开，然后在被控变量达到某一设定值时自动切换 到连续控制等。 第 1 章 绪论 5 2）配方管理和开停车控制等。生产管理和控制结合。 3）将生产过程数据传送到管理部门，用于生产过程的调度、计划等，建立管 理信息系统，将信息集成，实现综合自动化。 3、提高生产控制自动化水平，降低工人生产强度，提高经济效益。 在 PVC 的生产过程中，为了保证生产连续、安全、高效的进行，必须对 其中的过程参数（如温度、压力、物位和流量等）进行检测和控制。由于人不 可能寸步不离、二十四小时的进行观察和控制；再加上人不可能达到像控制系 统的

21、精确控制。所以采用 DCS 集散控制系统既能大大降低人员的劳动强度和 劳动时间，又能保证生产过程连续、高效、安全可靠地进行。从长远来看大大 降低了生产成本，提高了经济效益。 1.2 国内外 PVC 及 DCS 研究现状和发展动态 1.2.1 PVC 的发展现状 聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，简称 PVC）是我国第一、世界第二大通用 型合成树脂材料。由于具有优异的难燃性、耐磨性、抗化学腐蚀性、综合机械 性、制品透明性、电绝缘性及比较容易加工等特点，目前，PVC 已经成为应 用领域最为广泛的塑料品种之一，在工业、建筑、农业、包装、电力、日常生 活、公用事业等领域均有广泛应用，与聚

22、乙烯（PE） 、聚丙烯（PP） 、聚苯乙 烯（PS）和 ABS 统称为五大通用树脂。中国聚氯乙烯产业开始于二十世纪五 十年代。二十世纪九十年代以来，随着中国经济的快速发展，以及建筑行业大 力推广使用节能、节约的建筑材料，使得中国聚氯乙烯产品市场需求急剧增长。 中国聚氯乙烯行业依靠规模扩张的粗放型的发展模式已经难以适应市场要求。 在淘汰落后产能的同时，构建上下游一体化产业链，加大科研投入，采用更加 清洁环保的生产工艺已经成为聚氯乙烯企业可持续发展的主要方向1。 1.2.2 DCS 系统的发展现状 DCS 是集计算机技术控制技术、图形显示技术、通讯技术之最新成果于 一身。以其控制功能强大、人机界面

23、友好、组态灵活方便、管理集中、危险性 分散的优点。具有传统仪表 无法比拟的优越性。自问世以来，随着功能不断 完善，可靠性的逐步提高，管理功能不断增 强。其在化工行业的应用不断扩 大，应用水平也在不断提高。 从全球来看，DCS 主要生产厂家都集中在美、日、德等国。如美国 HONEYWELL 的 TDC3000MICRO TDC3000,TDC3000X 系统等；FOXBORO 的 I/AS；WESTING HOUSE 的 WDPF 系统；WAILEY 的 第 1 章 绪论 6 NETWORK90、INFI90 系统等；日本横河的 CENTUM、CS 系统等； YEWPACK 的 MARK II

24、系统；德国 SIEMENS 的 TELEPERM 系统；ABB 公 司的 MOD300、SIPAOS200 系统等2。 我国国产 DCS 的攻关工作起步较早，基础的引进和吸收工作从 20 世纪 70 年代中期开始。80 年代初期就开始了技术攻关工作。在 80 年代末到 90 年 代初世界著名的 DCS 厂家基本上在中国都成立了合资公司或分支机构，开始 了大规模的市场瓜分工作并在 90 年代初基本完成。当时，我国主要行业如电 力、石化、建材和冶金等合作的 DCS 基本全部进口。从 90 年代初我国开始形 成了几家以自主研制为主的 DCS 专业化公司，如北京的和利时公司和航天测 控公司，杭州的浙大

25、中控公司和威盛公司以及上海的新华公司等。这些公司不 仅占据了一定的市场份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的系 统价格也大幅度下降，为我国自动化推广事业作出了贡献。 1.2.3 DCS 系统在 PVC 生产中的应用 由于 PVC 的生产过程较为复杂，所以采用大型 DCS 控制系统进行控制必 不可少。我国的 PVC 生产过程中既有国产装置，也有引进装置。全国有 60 多 个生产厂。有乙炔与氯化氢反应生产法和乙烯氧氯化法两种流程。PVC 聚合 过程属间歇生产过程，主要是料配比、加料、升温、聚合、出料逻辑顺序控制、 聚合釜温度压力控制和后处理分离精制控制。 在 PVC 生产过程中顺序控制占

26、有很大比重，有近百个切断阀、几十个泵、 马达、开关按照不同的生产要求和时间顺序启动关闭。DCS 控制单元同时具 有反馈模拟控制的顺序控制。PVC 生产可以根据市场需求，调整配方生产多 品种、多型号的产品。因配方改变控制方案随之改变。装置的生产灵活性也是 间歇过程特有的要求。DCS 丰富的计算功能、逻辑功能和通讯能力为多品种 生产提供了便利3。 PVC 聚合温度按照严格的温度曲线实行控制，DCS 逻辑功能和反馈控制 的巧妙结合,将聚合温度偏差控制在 0.02-0.06的范围内同时方便了操作保 证了产品质量。随着 DCS 在 PVC 生产中的应用不断扩大一些优化控制软件也 应运而生。 1.3 本论

27、文的主要工作 本文首先对整个PVC精馏装置工艺流程进行了研究分析，然后对下位机进 行了具体的硬件选型；实现了网络的具体布局，硬件冗余的实现。选用西门子 的STEP7实现对下位机控制程序的开发，基于WinCC 7.0组态软件实现了上位机 第 2 章 PVC 精馏装置 DCS 控制方案设计 7 的监控系统的开发，实现了上位机的监控功能。如：PID控制、各监控界面的 组态。论文基本内容如下： 第二章详细地分析了PVC精馏装置的工艺流程；根据工艺完成了DCS整个 结构的设计；完成了DCS主要硬件的选型（如PLC的选型）；之后进行了系统 的冗余的设计和工艺过程仪表的选型。 第三章在详细分析了PVC精馏装

28、置控制系统的组成，对PVC精馏装置控制 系统的总体控制目标进行了分析。基于PID常规控制理论，主要实现了高沸塔 和低沸塔的液位和温度的PID自动控制，并完成了下位机（PLC）的控制程序的 设计。 第四章基于WinCC软件开发平台，完成了上位机DCS监控系统人机界面的 组态。 第五章进行了PVC精馏装置测控系统的总体设计，其中包括管道及仪表流 程的设计、仪表回路图的设计等各种图纸的设计及绘制。 第六章对全文进行总结，提出了本文的不足之处以及有待完善的地方。 第 2 章 PVC 精馏装置 DCS 控制方案设计 8 第 2 章 PVC 精馏装置 DCS 控制方案设计 2.1 PVC 精馏装置主要工艺

29、流程 PVC 精馏装置工艺流程框图如图 2.1 所示。 全 凝 器 过 料 槽 低 沸 塔 高 沸 塔 成 品 冷 凝 器 成 品 槽 图图 2.1 精馏装置工艺流程框图精馏装置工艺流程框图 由压缩机出来的粗聚氯乙烯选择进入全凝器，使大部分的气体冷凝液化， 经低沸加料槽后，送入低沸塔，未凝气体进入尾气冷凝器，其冷凝液全部进入 低沸塔，经低沸塔塔釜加热器加热将冷凝液中低沸物蒸出，经塔顶冷凝器用 5水控制回路比后，由塔顶汇入尾气冷凝器处理，塔釜氯乙烯进入高沸塔，尾 气冷凝器中的气体经尾排吸附器回收一部分氯乙烯后，惰性气体排空，自低沸 塔流入高沸加料槽的氯乙烯经调节阀控制流量，减压加入高沸塔，高沸塔

30、加热 器将大部分氯乙烯蒸出，分解成粗氯乙烯，经塔顶控制部分回流，大部分粗氯 乙烯进入成品冷凝器，被冷凝的氯乙烯在固碱干燥器中脱水进入单体储槽，按 需要送聚合工序，在高沸塔塔釜分离收集到二氯乙烷（EDC）为主的高沸物进 入高沸物接受曹，定期压入塔，将残液蒸馏，将蒸出的二氯乙烷（EDC）又冷 凝成液体，进行包装外销，未冷凝下来的氯乙烯回到气柜4。 2.2 PVC 精馏装置控制系统的分析与设计 PVC 精馏装置主要由高沸塔、低沸塔和成品冷凝器等组成。整个控制系统 包括高沸塔控制系统、低沸塔控制系统内和成品冷凝器控制系统。 2.2.1 高沸塔控制系统回路分析 1） 高沸塔塔釜液位控制回路 高沸塔塔釜液

31、位控制回路是低沸塔为控制对象，以高沸塔塔釜液位为被控 变量，以出高沸塔的 VCM 为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制的。 根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气开式，流量特性为等百 分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证高沸塔工艺流程的连续进行， 保证高沸塔里的 VCM 液体不被放空，保证设备安全和人身安全，阀处于全关 第 2 章 PVC 精馏装置 DCS 控制方案设计 9 状态，控制增益为正，测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即高沸塔塔底 出料管道流量增加时，被控变量塔釜液位也随着降低，因此被控变量的增益为 负，因整个控制回路增益之积为正，从而推出控制器的增益为正，为

32、正作用。 2） 高沸塔塔顶冷凝器温度控制回路 高沸塔塔顶冷凝器温度控制回路是高沸塔为控制对象，以高沸塔塔顶冷凝 器温度为被控变量，以进高沸塔的 5水为操纵变量，以控制阀作为执行器来 进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流 量特性为等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证高沸塔工艺流 程的连续进行，保证设备安全和人身安全，阀处于全开状态，控制增益为负， 测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即高沸塔水流量增加时，被控变量高 沸塔塔顶冷凝器温度也随着降低，因此被控变量的增益为负，因整个控制回路 增益之积为正，从而推出控制器的增益为负，为反作用。 3） 高沸塔塔釜

33、液相温度控制回路 高沸塔塔釜液相温度控制回路是高沸塔为控制对象，以高沸塔塔釜液相温 度为被控变量，以再沸器的热水为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制 的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流量特性为 等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证高沸塔工艺流程的连续 进行，保证设备安全和人身安全，阀处于全开状态，控制增益为正，测量变送 环节增益为正，当操纵变量增大即进再沸器的热水流量增加时，被控变量塔釜 液相温度随着升高，因此被控变量的增益为正，因整个控制回路增益之积为负， 从而推出控制器的增益为正，为正作用。 2.2.2 低沸塔控制系统回路分析 1） 低沸塔塔釜液位

34、控制回路 低沸塔塔釜液位控制回路是低沸塔为控制对象，以低沸塔塔釜液位为被控 变量，以出低沸塔的 VCM 为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制的。根 据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气开式，流量特性为等百分 比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证低沸塔工艺流程的连续进行， 保证低沸塔里的 VCM 液体不被放空，保证设备安全和人身安全，阀处于全关状 态，控制增益为正，测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即低沸塔塔底出 料管道流量增加时，被控变量塔釜液位也随着降低，因此被控变量的增益为负， 因整个控制回路增益之积为正，从而推出控制器的增益为正，为正作用。 2） 低沸塔塔顶冷凝器温

35、度控制回路 低沸塔塔顶冷凝器温度控制回路是低沸塔为控制对象，以低沸塔塔顶冷凝 第 2 章 PVC 精馏装置 DCS 控制方案设计 10 器温度为被控变量，以进低沸塔的 5C 水为操纵变量，以控制阀作为执行器来 进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流 量特性为等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证低沸塔工艺流 程的连续进行，保证设备安全和人身安全，阀处于全开状态，控制增益为负， 测量变送环节增益为正，当操纵变量增大即低沸塔水流量增加时，被控变量低 沸塔塔顶冷凝器温度也随着降低，因此被控变量的增益为负，因整个控制回路 增益之积为正，从而推出控制器的增益为负，

36、为反作用。 3） 低沸塔塔釜液相温度控制回路 低沸塔塔釜液相温度控制回路是低沸塔为控制对象，以低沸塔塔釜液相温 度为被控变量，以再沸器的热水为操纵变量，以控制阀作为执行器来进行控制 的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流量特性为 等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证低沸塔工艺流程的连续 进行，保证设备安全和人身安全，阀处于全开状态，控制增益为正，测量变送 环节增益为正，当操纵变量增大即进再沸器的热水流量增加时，被控变量塔釜 液相温度随着升高，因此被控变量的增益为正，因整个控制回路增益之积为负， 从而推出控制器的增益为正，为正作用。 2.2.3 成品冷凝器控制回

37、路分析 成品冷凝器出口温度控制回路是以成品冷凝器为控制对象，以成品冷凝器 出口温度为被控变量，以成品冷凝器的水为操纵变量，以控制阀作为执行器来 进行控制的。根据控制阀的作用形式选型的安全原则，控制阀选择气关式，流 量特性为等百分比特性，当控制阀故障引起信号中断时，以保证成品冷凝器连 续进行，保证设备安全和产品质量，阀处于全开状态，控制增益为负，测量变 送环节增益为正，当操纵变量增大即成品冷凝器流量增加时，被控变量成品冷 凝器温度也随着降低，因此被控变量的增益为负，因整个控制回路增益之积为 正，从而推出控制器的增益为负，为反作用。 2.3 PVC 精馏装置管道及仪表流程图的设计 首先根据 PVC

38、 精馏装置的工艺流程图，确定精馏装置的监测点和控制点， 按照管道仪表流程图设计规定(HG20559)，绘制精馏装置工艺和管道仪表流程 图。 管道及仪表流程图又称为 P T液体饱和温度与进口温度的差； Pc计算流量时的允许误差，100kPa； Ps液体的绝对饱和压力。 根据以上公式算出控制阀的流通系数，然后结合 PVC 精馏的工艺要求选择合适 的控制阀，本设计选用的控制阀的数据表如下。 表表 3.6 气动控制阀数据表气动控制阀数据表 工程名称10 万吨/年聚氯乙烯精馏装置自控工程设计设计项目自控设计 编制图号PVC.2501-5 校核 审核 气动控制阀 第 1 页共 1 页 序号12 仪表位号L

39、V-2501/ LV-2502FV-2502 仪表名称平衡笼形气动控制阀 精小型气动中线蝶阀（单 气控） 仪表型号HCB 63235RA-S-N-W7AF4- 10K 第 3 章 PVC 精馏装置控制系统仪表选型及图纸设计 28 管道号EDC2501PG2101 管子规格和材料DN50DN500 法兰标准和规格DN40 PN1.6MPaDN300 PN1.0MPa 型式 阀 体 材料 阀芯型式/流量特 性 等百分比特性等百分比特性 阀座尺寸DN32 内 件 材料不锈钢 碟板：不锈钢； 阀座： 聚四氟乙烯 型号HEP16（防爆）成套配用 规格420mA防爆 420mA 定 位 器气源压力附：减压

40、阀 0.14MPa附：减压阀 0.4MPa 电磁阀 附 件 过滤减压阀成套配用成套配用 气源故障时控制阀的动 作 气开式气开式 弹簧范围20100KPa 0 70 工艺介质FVCMC2H2 最大流量/(m/h)149000 最大流量/(kg/h) 阀前压力（绝） /MPa 0.40.05 阀后压力（绝） /MPa 0.10.04 气体/(kg/m) 密 度 液体蒸汽 /(kg/m) 温度/4010 操 作 条 件 粘度/mPas 计算 Cv 值/开度172380 数量11 第 3 章 PVC 精馏装置控制系统仪表选型及图纸设计 29 用途高/低沸塔塔釜液位控制C2H2 流量控制 备注 3.2

41、PVC 精馏装置控制系统图纸的设计 作为工业生产中的工程设计，绘图是必不可少的一步，只有把绘画的图纸 跟实际生产联系在一起，才可能为实际生产中的设计与施工减少不必要的损失， 本章介绍一下柴油加氢精制装置 DCS 工程设计中各类图纸的绘画。 随着社会的发展，已经有专门的绘图软件来绘制现代工业生产的管道及仪 表流程图。本文使用的是 AutoCad P&ID 2013 软件来绘制柴油加氢精制管道及 仪表流程图。 AutoCad P&ID 软件是一款专门用于设计仪表管道流程图的软件，它里面包 含了实际工业化生产中需要的大多数设备、仪表、控制阀门等。不同的工业管 道更加的与实际结合起来，是现在工业化生产

42、与设计必不可少的一个软件。它 可以形象的表示出实际管道流程图的走向。 3.2.1 系统回路图的设计 在 PVC 精馏生产过程中，主要控制的是低沸塔、高沸塔和成品，冷凝器的 温度、液位。在控制中采用单回路闭环控制。（详见图 SH.201308） 例如，当低沸塔塔顶内温度过高时，温度指示仪表将温度传到控制站，控 制站向温度控制器传达控制命令，温度控制器控制温度调节阀，使低温工艺水 进入低沸塔的流量增大，低沸塔内的温度下降，调节阀开度减小，直到温度回 到合理范围内，这样就达到控制目的，同理当温度过低是，调小调节阀的开度， 直到温度回归到正常范围，整个控制过程简单、有效，突出了 DCS 控制的特点：

43、快速、有效、方便。 （详见图 PVC.2501） 3.2.2 仪表安装图的设计 根据所选择的仪表的型号，然后参考文献，设计出仪表安装图。 （详见图 PVC.2502） 3.2.3 I/O 通道表设计 根据所绘制的工艺管道仪表流程图、选用的仪表类型及控制系统来绘制 DCS-I/O 通道表。I/O 通道作为控制系统输入输出通道，它包括：DCS 监视、 仪表的位号和名称、输入与输出信号以及安全栅和电源等，这样就有利于工程 人员进行 I/O 接线设计。（详见图 PVC.2503） 第 4 章 下位机控制系统的软件设计与实现 30 3.2.4 控制室平面布置图设计 控制室的设计应该考虑下面几个方面： 控

44、制室的位置选择、面积、建筑要求、采光、照明、空调和采暖、供电以 及安全保护等各个方面。 DCS操作室的布置要求： 1) 应该突出人-机接口设备； 2) 控制室的设计应该有利于观察和处理信号装置； 3) 应该留下一定的空间以确保可以有足够的操作范围。（详见图 PVC.2504） 3.2.5 仪表柜接线图设计 为了确保设备与人生安全，仪表柜接线图一定要合理，下面说一下仪表柜 接线图的设计的最基本的要求: 1) 仪表柜的接地要离电气接地的距离应该大于等于 15m； 2) 仪表柜接地的电阻不能大于 4 欧姆；（详见图 PVC.2505） 3.2.6 仪表柜安装图 仪表柜和操作台的安装主要是根据它们各自

45、的尺寸进行安装，所以在安装 图上要把仪表柜和操作台的详细尺寸都标记出来，这样有利于施工人员设计如 何安装。（详见图 PVC.2506） 第 4 章 下位机控制系统的软件设计与实现 31 第 4 章 下位机控制系统的软件设计与实现 4.1 PVC 精馏装置的控制目标 根据 PVC 精馏的工艺要求，对整个控制系统控制变量的控制指标如表 4.1 所示： 表表 4.1 精馏装置主要工艺控制指标精馏装置主要工艺控制指标 低沸塔塔顶温度/1530高沸塔塔釜温度/3040 低沸塔塔釜温度/4050高沸塔压力/MPa0.30.4 低沸塔压力/MPa0.50.55低、高沸塔塔釜液面1/21/3 视镜 高沸塔塔顶

46、温度/2530 4.2 PVC 精馏装置的自动控制的软件设计与实现 4.2.1 控制系统的 PID 控制回路的设计 本文中的控制系统的控制回路均采用单回路的 PID 控制实现。 PID 控制是偏差比例P（proportion）、偏差积分I（integral)、偏差微分 D（differential coefficient）控制的简称。在 PID 调节的设计过程中我们首先 要设计的是 PID 的一个基本的控制流程。 PID 控制的原理框图如图 4.1 所示。 图 4.1 PID 控制的原理框图 PID 控制器是一种基于线性化的控制器，它的控制偏差 e(t) 是根据给定值 r(t)和实际输出值 c

47、(t)的差来实现的。 ( )( )( ).(4.1)e tr tc t 通常，PID 控制器的控制算式8是： 0 1( ) ( )( )( )(4.2) t de t u tKp e te t dtTd Tidt 第 4 章 下位机控制系统的软件设计与实现 32 式中： Kp Ti Td 比例系数 积分时间常数 微分时间常数 三个系数的取定决定着整个 PID 控制系统的好坏，Kp 决定了系统的响应速 度和精度；Ti 决定了系统的稳定精度；Td 值则决定了系统的动态特性；在以微 处理器作为硬件核心的控制系统中，对数据的采集是以采样周期方式进行实时 采集的，因此它是一个离散的时间控制系统。所以，P

48、ID 自动控制是用计算机 算法程序来实现的。因此，我们使用了增量式 PID 控制算法。 根据模拟 PID 控制算法的公式(4.2)，现在用一系列的采样时刻点 kT 来代 替连续的时间 t，用和式替换积分式，以增量替换微分，则可做如下近似变换： 0 00 ( )()( ).(3.3) ()(1)( ) kk T jj tkT e t dte jTTe t e kTe kTde t dtT 上式中 T 为采样周期。 在上述离散化过程中，T 必须足够小，即采样周期需足够短才能保障有足 够的精度将(3.3)式代入(3.2)，得离散形式的 PID 控制规律公式： 0 ( )( )( )( )(1) .(

49、3.4) k j u kKp e kKie jKd e ke k 根据递推原理有： 1 0 (1)(1)( )(1)(2) .(3.5) k j u kKp e kKie jKd e ke k 则用(3.4)减去(3.5)式，得出增量形式的 PID 控制算法公式： ( )( )(1)( )(1)2 (1)(2) .(3.6)u kKp e ke kKie kKd e ke ke k 即： ( )( )( )( )(1) (3.6 1)u kKp e kKie kKde ke k 式中： 第 4 章 下位机控制系统的软件设计与实现 33 0,1,2,3 ( )1 ( ) ( )( )(1) kk u kkk e kk e ke ke kk KpT Ki Ti KpT Kd Td 采样序号，； 第次与第次采样时刻输出增量； 第次采样时刻输入的偏差值； 第次采样时刻偏差值得增量； 积分常数； 微分常数； 由于增量式算法的输出只与前三