基于plc和opc在氨合成塔溫度控制系統設計畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 理，一般不能隨便倒在合成塔附近的地上堆積，而應該備有噴水器，以保持催化劑潮濕，并及時地將它運走，或盡快地散開在敞開的地面上鋪成一薄層。在大多數合成塔內件結構比較復雜，不能利用人孔直接卸出催化劑的場合，也可以利用真空提取裝置通過頂蓋卸出催化劑，但必須有充足的氮氣來加以保護，防止空氣進入而造成過熱。在氮氣不足時，需要用一個循環泵將催化劑從合成塔內件中抽出。 系統概述氨合成循環包括合成塔、循環機、一系列的換熱器以及分離器等，其中氨合成塔是中心，本文針對合成塔進行討論。在合成塔中進行氨合成反應,反應時體積縮小，從熱力學和動力性的考慮應有催化劑的幫助，并在加壓和升溫的條件下進行，要求反應氣體預熱至一定溫度以后，再進入催化劑床層，而且隨著反應的不斷進行，又要求反應溫度逐漸降低，以保證催化劑床層具有最適宜的溫度分部。同時，由于反應是放熱的，因此可以利用反應熱本身來加熱反應氣體至入口溫度水平。所以，過程是所謂“自熱的”.在實際生產中，經常可以用兩種方法來實現這樣的最適宜溫度分布：一種是多層床，每床層中反應是在絕熱下進行的，而在層間進行冷卻調節，反應和冷卻依次交替進行；另一種是單層床，用埋在床層中的換熱管（即所謂“冷管”）間接進行連續的換熱、反應氣體的預熱和產品的冷卻大都在合成塔的下部（床外）換熱器中進行，通過換熱，以保證反應氣體達到要求的入口溫度水平，黨催化劑老化時，要求入口溫度升高。因此，換熱器必須具有足夠大的換熱面來滿足它。這樣大小的換熱面積對新催化劑肯定是太大的，所以需要設一個冷氣旁路線（冷副線閥）來調節換熱以后的氣體溫度，以保證所需的溫度水平[9]。中型合成氨廠廣為采用的“三套管”式合成塔，其上部是催化劑床層，床內用三重套管作冷管，來移去反應熱：下部是分成兩段的換熱器。反應氣體主流從高壓外胴頂部進入合成塔，通過外胴和內件胴體間的環隙向下，至底部，折入下部換熱器的殼程，依次經下段和上段與產品氣流間接換熱。冷副線氣體從此處加入，與主氣流混合，通過改變冷副線的分率，將氣體溫度調節至所需的液化劑床層入口溫度，反應氣體進入冷管的內管向上流。因為內管是由兩重套管組成的死氣層，所以可以認為在內管中基本上是絕熱的，至內管的頂端折向下,在內外套管的環隙中流過，并不斷與床層換熱，溫度隨之上升，到催化劑床層下端進入中心管向上，中心管內設有電加熱器，開工升溫時使用，正常生產時中心管僅作為氣體通道，在中心管頂部氣流折向下，進入催化劑床層。在催化劑床層中，先經過絕熱層，氣體溫度單值地升高；再是冷管冷卻層，使反應熱不斷地移去，床層溫度經過一最高點即“熱點”以后，逐漸下降，并盡可能接近于最適宜溫度分布，最后出催化劑床層。然后氣體繼續通過上段換熱器管程，由于傳熱溫度有所降低，到上段換熱器管程出口，引至廢熱鍋爐，回收利用部份反應熱副產蒸汽，產品氣體溫度進一步降低，然后又回入下段換熱器管程，最后與反應氣體換熱后出塔。從上看出，下部換熱器殼程的出口溫度，也是催化劑床層的進口溫度；而催化劑床層的出口溫度，也是下部換熱器管程的進口溫度，它們是床層和換熱器的聯結點同時表征著床層和換熱器狀態。第4章 控制策略的選擇 氨合成塔控制系統分析 控制方案的選取對于控制系統的選取，應當根據具體的控制對象、控制要求，經濟指標等諸多因素，選用合適的控制系統。第三章分析了氨合成系統的工藝流程和對象特性，下面分析影響床層溫度的主要干擾因素。影響床層溫度的主要干擾因素有：1. 氣體成分(1)氫氮比這是僅次于負荷變化的一項主要干擾因素。由于流程長,惰性氣體多,而且有累積特性,本工段無法控制。(2)合成塔進口氨含量在分離能力確定的情況下,塔進口氨含量取決于氨蒸發器出口循環氣溫度。有關資料介紹,經動態測試此溫度每變化3時,塔內催化劑層溫度出現最大偏差,熱點可達15。如果帶氨,會造成合成塔事故性垮溫。(3)有害氣體CO+CO2進入工段之前應降低到25106以下,否則將導致催化劑中毒,因而切氣會造成負荷大幅度波動,對控制的干擾更大。(4)惰性氣體CH4和Ar具有累積特性,使得溫度波動。2. 負荷影響一般中小型合成氨廠的開停機,加減量機會多,干擾影響比較大,干擾的階躍特征明顯。這對系統的影響比氣體成分更顯著。負荷增加,溫度上升；負荷減少,溫度下降。由于負荷的變化,升、降溫速率也發生變化,但是負荷的變化主要是由全廠總的生產能力所決定,基本來自外工段的干擾。3. 循環量變化循環量實際是一種調節手段,而不是一種干擾；但是因其他原因改變循環量,也會對系統造成干擾。循環量改變空速,空速大,移出的熱量多,溫度下降。反之,溫度上升。當循環機開機數一定時,通常通過調節近路閥,調節循環量的大小。手動操作中,手動近路閥是動作十分頻繁的操作手段。自動調節中,自控近路閥則常用來克服其他干擾。4. 催化劑活性隨著催化劑使用壽命的延續,其活性逐漸衰變,熱點位置下移。不同的催化劑,不同使用條件,衰變的規律也不同。本文以三套管式氨合成塔為對象進行分析研究。由以上分析，選取催化劑床層頂部位置為測溫點，對一次副線流量為控制通道，一次副線流量調節閥為控制閥。采用單回路控制系統。控制系統原理如圖21所示。由控制系統原理圖可知，當干擾如負荷出現擾動，使得原來的穩態遭到破壞，熱點溫度偏離穩態值。控制器得到輸入信號后調節副回路控制閥來改變副回路氣體流量，使合成反應向原有的平衡進行，經過一段時間的調整后，熱點溫度將重新達到新設定值或其附近，系統恢復穩定平衡工況。對于一般用前饋控制來解決系統滯后的問題，由于氨合成系統各種干擾的相互作用以及各種干擾難以測量，因此很難選擇合適的前饋控制器來解決此問題。PID調節是歷史最悠久的、控制性能最強的基本調節方式。PID調節原理簡單、易于整定、使用方便；PID調節可用于補償系統使之達到大多數品質指標的要求。 被控對象的數學模型在建立控制系統數學模型的過程中，其主要工作是確定被控對象的數學模型。然而，許多工業對象結構及內部工藝過程復雜，使得按對象內部發生的物理、化學過程確定對象及系統的微分方程十分困難。此外，應用分析法確定被控對象及控制系統數學模型時，常采用一些假設和近似，對于復雜的被控對象，其錯綜復雜的相互作用可能會對近似確定的數學模型產生估計不到的影響。因此，即使在已用得到數學模型的情況下，仍希望通過實驗測定法加以驗證。對于正常運行中的控制系統或對象，用實驗測定其動態特性時，對正常生產會有些影響，所得結果頗為粗略，但仍不失為了解對象或系統的簡易途徑，在工程實踐中應用較廣[10]。要采用溫度控制的方案，則必須確定檢測點位置。在不同位置的溫度響應情況差異很大。從控制角度看檢測點的選擇應為變化靈敏，對控制能提供正確的信息。由仿真分析可知，我們可以找到一個維持穩定操作的內在規律，就是當參數變化時，如果能采取相應措施，把床層頂部溫度始終維持基本恒定，則結果就可以使自熱欲度保持在合適的范圍內，而不致失去穩定性。從此就明白地揭示了對象氨合成塔這樣復雜的一個反應器，但在操作時只需控制好一個參數，即催化劑床層頂部溫度，就可以有效地維持穩定操作，這樣為制定控制方案提出了理論依據和便捷的途徑[11]。因此催化劑床層頂部位置是比較理想的溫度檢測點位置。考慮實際控制的需要，有必要探求簡單而又切實可行的控制模型，從已獲得的動態響應曲線出發，對一次副線流量通道，對建議的檢測點位置可采用的結構形式作為其簡化控制模型[12]。采用實驗測定法測量被控對象的數學模型，并用有延遲一階慣性環節擬合的近似法求其傳遞函數。這種近似擬合的精度雖然不高，但實踐表明它可以成功地運用于PID調節器的參數整定[13]。下面為某化工廠合成氨系統中氨合成塔的延遲一階慣性環節擬合的近似法得其傳遞函數如式（41）所示。 (41)對傳遞函數進行整理，得到二階傳遞函數如(42)所示。 (42)第5章 PLC的設計和仿真 控制系統利用FB41實現單回路的PID控制系統的方框圖，如圖51所示圖51 單回路的PID控制系統的方框圖由圖51可知，控制系統由PID控制器（用連續PID控制器FB41代替）和二階對象（由功能塊FB100仿真）組成。該系統的控制目的，是使被控量OUTV等于給定值SP_INT所期望的值，且具有減少或消除來自系統內部或外部擾動影響的功能。 設計PLC程序 簡要介紹運行程序設計的PLC程序設計包括：啟動組織塊OB100，定時循環中斷組織塊OB35,用于“仿真二階對象”的功能塊FB100及其背景數據數據塊DB100啟動PLC時CPU自動執行OB100，CPU正常啟動后每隔固定時間間隔自動調用一次OB35，執行OB35的時間間隔可在硬件組態CPU屬性設置對話欄的“循環中斷”選項中設置。編程時應分別在OB100和OB35 中調用FB41。在創建ETEP7項目并進行硬件組態后，用戶即可在相應的邏輯塊中輸入相應的程序。本設計用FB100仿真二階對象，該二階對象的傳遞函數如式（51）所示 （51） 程序的編寫1） 在FB100中生成程序的步驟如下（1），執行菜單命令“Insert”→“S7Block”→“Function Block”生成功能塊DB100，出現“PropertiesData Block”的窗口，在該窗口中設置DB100的背景數據塊，單擊【OK】按鈕完成設置。（2）生成FB100的局部變量。在FB100的變量生命表中生成輸入變量、輸出變量、靜態變量以及臨時變量。生成的輸入變量、輸出變量、靜態變量以及臨時變量分別如表5表5表5表5表55所列。表51 FB100的輸入（IN）變量名字數據類型地址初始值注釋INVReal+000輸入值DISVReal+000干擾值GAINReal+000比例增益TM_LAG1TimeT10S時間常數1TM_LAG2Time T10S時間常數2TM_LAG3TimeT10S時間常數3BoolFALSE完全重新啟動CYCLETimeT1S采樣時間表52 FB100的輸出（OUT）變量名字數據類型地址初始值注釋OUTVReal+000輸出值表53 FB100的靜態（STAT）變量名字數據類型地址初始值注釋sRueck1Real+000反饋變量1sRueck2Real+000反饋變臉2表53續 FB100的靜態（STAT）變量sRueck3Real+000反饋變量3表54 FB100的臨時（TEMP）變量名字數據類型地址注釋HvarReal幫助變量rCycleReal浮點數格式的采樣時間rTmLag1Real浮點數格式的時間常數1rTmLag2Real浮點數格式的時間常數2rTmLag3Real浮點數格式的時間常數3OutvNewReal新輸出變量生成局部變量的FB100的變量聲明表如圖52所示圖52 FB100的變量聲明表（3）在FB100中生成語句表程序。在FB100中生成如下的語句表程序，該程序可以完成式(42)的功能。Newwork：SET SAVE = L A COM_RST JCN M001 L INV //plete restart routine T OUTV //write output data T sRueck1 //write static data T sRueck2 T sRueck3 JU M002M001: L CYCLE //cycle mode routine DTR //transform data type T rCycle L TM_LAG1 DTR T rTmLag1 L TM_LAG2 DTR T rTmLag2 L TM_LAG3 DTR T rTmLag3 L rCycle //limit TM_LAG1 L *R L rTmLag1 TAK R JCN M003 L rCycle //limit TM_LAG2 L *R T rTmLag1M003: L rCycle L *R L rTmLag2 TAK R JCN M0