脱丁烷塔DCS控制方案设计

论文总字数：16257字

摘 要

随着社会经济与科技的不断发展，工业生产的自动化进程成为不可逆转的趋势，而DCS系统（Distributed Control System，分散控制系统）就是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，它对提高企业生产的自动化水平、生产过程的安全性与稳定性起到了重要作用。本次设计根据工艺流程的要求，进行了控制点和检测点的请选择，在此基础上确定了控制方案与控制规律，之后进行了控制器、执行器与检测仪表的选型。最后根据上述的内容，在CENTUM CS3000系统上进行配置与卡件设置，最终完成此次脱丁烷塔DCS控制方案的设计。

关键词：脱丁烷塔；DCS控制方案；CENTUM CS3000；配置与组态

DCS Control Design of Debutanizer

Abstract

With the continuous development of social economy and technology,process automation of industrial production has become an irreversible trend, and DCS systems (Distributed Control System) came into being along with the constant rise of automation of a modern large-scale industrial production, and process control is increasingly required complex integrated control system , it plays an important role in improving the level of automation of production, security and stability of the production process. according to process requirements,the design carried out to select control points and the detection point . on the basis of identified control program and control law, we selected the controllers, actuators and instrumentation.At last, based on the on the CENTUM CS3000 system, configuration and card member is provided, and complete the DCS control scheme design of debutanizer finally.

Keywords: Debutanizer; Control Scheme of DCS; CENTUM-CS3000; Configuration and Set

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1选题背景 1

1.2工作内容与需要提供的基础资料 2

第二章 方案设计 3

2.1脱丁烷塔工艺流程 3

2.2工艺流程图 3

2.3控制点的设置及工艺要求说明 4

2.4检测点设置 4

2.5控制方案的说明及选择 4

2.5.1 简单控制系统 4

2.5.2 复杂控制系统 5

2.6 控制器控制规律的说明及选择 6

2.6.1比例控制器 6

2.6.2 比例积分控制器 6

2.6.3 比例积分微分控制器 7

2.7控制器正反作用的确定 7

2.8执行器的选择 8

2.8.1 控制阀的流量特性选择 8

2.8.2 控制阀选择 8

2.8.3 转换器和阀门定位器的选择及作用说明 9

2.9检测仪表的选型 10

2.10带控制点的工艺流程图 11

第三章CENTUM CS3000系统设置 12

3.1 CENTUM CS3000 简介 12

3.2 CENTUM CS3000 系统配置图 12

3.3 CENTUM CS3000 硬件选型 13

3.3.1域的概念及系统网络简介 13

3.3.4 通用PC类工程师站的选型及说明 13

3.4 RIO总线型现场控制站NODE的说明及选型 14

3.5 I/O模件简介及模件箱选型 14

3.6 CENTUM CS3000 机柜布置图 15

第四章 CS3000卡件设置及组态 16

4.1卡件设置及地址配置 16

4.2 CS3000组态步骤 16

4.2.1 新建项目 16

4.2.3 HIS组态 21

4.2.4 测试 25

第五章 致谢 35

第一章 引言

1.1选题背景

常减压装置是石化（汽油、煤油和柴油等）工业最重要的装置之一，我国各大石油化工厂（北京燕山、东北大庆、山东胜利、扬子石化等）都有该装置。脱丁烷塔就是催化裂化装置中最重要的设备之一，脱丁烷塔生产状态的好坏直接影响炼油产品质量的好坏和产量的高低，它的设计必须符合质量衡算、热量衡算、动量衡算和国家有关规定。脱丁烷塔主要是将C₄和C₄以上组分分开，脱丁烷塔顶气体在塔顶冷凝器被工业水冷凝后进入脱丁烷塔回流槽，冷凝液一部分回流，另一部分作为C₄产品送出装置。丁烷(CH₃CH₂CH₂CH₃)又名正丁烷，是两种有相同分子式(C₄H₁₀)的烷烃碳氢化合物的统称。 为提高石化产品比如乙烯等的产率，回收率和转化率，往往采用DCS技术对生产设备进行监控。

DCS系统（Distributed Control System，分散控制系统）是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合生成了DCS系统，DCS自动控制系统能够提供窗口友好的人机界面，并且具有非常强大的通讯功能。^[1]DCS自动控制系统是完成过程控制、过程管理的现代化设备，在过去的二三十年中，计算机技术在我国石油化学工业领域中得到了广泛应用，特别是在采用ＤＣＳ技术进行生产过程自动化控制方面取得了长足进步。在提高企业生产自动化水平、保证安全稳定生产、提高控制精度及节能降耗等方面这些DCS自动控制系统都发挥了重要作用。

集散控制系统产品主要由三大部分组成，即分散过程控制装置、操作管理装置和数据通信系统，并具有集散控制系统相应的特点，即集中管理、分散控制，^[2]也具有可靠性高、开放性高、灵活性高、协调性好，功能齐全等方面的优点，而在本次设计中采用DCS来控制脱丁烷塔的生产过程，优越性在于让工业生产过程可采用更有效、更完善的控制策略和算法，从而进一步提高控制产品质量、降低生产成本、增加经济效益。^[2]

本次设计方案是基于日本横河公司的CENTUM CS3000进行的，通过系统的设计、配置与组态等为工业生产特别是石油化工生产的自动化生产，提高生产效率和产品的质量，提供了很好的解决方案。

1.2工作内容与需要提供的基础资料

根据实习期收集和掌握的资料，找出脱丁烷塔工段的主要工艺指标，分析工段的主要扰动情况，

建立该工段的自控方案。对该工段需自动检测的过程参数建立自动检测系统。画出带控制点的工艺流程图。

仪表选型：对所建立的自动检测系统和自动控制系统进行选型，即说明检测元件、变送器、显示、报警仪表等的选择理由。

系统选型及组态：选择什么系统进行组态。

画出DCS控制柜内部模块分布图；画出DCS回流接线图以及端子和机箱的电缆布置图。

基础资料：CS3000说明书及基本知识；精馏塔的控制方案；控制阀选型原则；脱丁烷塔的工艺参数。

第二章 方案设计

2.1脱丁烷塔工艺流程

初顶油和常顶二级凝缩油进入V2201（脱丁烷塔进料缓冲罐）缓冲后由P2201A,B（脱丁烷塔进料泵）抽出，经E2201（脱丁烷塔进料—重石脑油换热器）和E2202A-C（脱丁烷塔进料—脱丁烷塔底油换热器）与热源进行换热，换热至151℃进入T2201（脱丁烷塔）。

脱丁烷塔顶油气经EA2201A-F（脱丁烷塔顶空冷器）和E2206A,B（脱丁烷塔顶水冷器）冷却到40℃后进入V2202（脱丁烷塔顶回流罐）。V2202排出的少量气体送至3#常减压装置；液体由P2202A,B（脱丁烷塔顶回流泵）抽出后一路作为回流返回塔顶，一路作为液化石油气送出装置。脱丁烷塔底油经E2202A~C与脱丁烷塔进料换热至92℃进入T2202（脱戊烷塔）。

脱戊烷塔顶油气经EA2202A,B（脱戊烷塔顶空冷器）冷却后进入V2203（脱戊烷塔顶回流罐）。V2203排出的少量气体经压缩机升压后送至焦化装置；液体由P2203A,B（脱戊烷塔顶回流泵）抽出后一路作为回流返回塔顶，一路作为轻石脑油出装置。脱戊烷塔底油先经E2201与脱丁烷塔进料进行换热，与常顶一级油合并后经EA2203（重石脑油空冷器）和E2205（重石脑油冷却器）冷却到40℃作为重石脑油出装置

2.2工艺流程图

根据上述工艺描述，画出工艺流程图2.1

图2.1 工艺流程图

2.3控制点的设置及工艺要求说明

根据以上工艺流程与收集到的资料，提出如下工艺要求，并根据工艺要求确定控制点，见表2.1

表2.1工艺要求及控制点统计表

2.4检测点设置

检测点是DCS控制方案中一些只需检测而并不需要控制的点，详情见表2.2

表2.2 检测点统计表

2.5控制方案的说明及选择

自动控制系统是主要由被控对象和自动化装置两大部分组成。由于构成自动控制系统的这两大部分（主要是指自动化装置）的数量、连接方式及其目的不同，自动控制系统可以分为许多类型，从其复杂程度与功能方面考虑，自动控制系统可以分为两大类，即为简单控制系统和复杂控制系统。^[3]

2.5.1 简单控制系统

简单控制系统，主要是指由一个检测元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。 其方框图如图2.2所示

图2.2 简单控制系统方框图

2.5.2 复杂控制系统

串级控制系统、均匀控制系统 、比值控制系统、分程控制系统、前馈控制系统等都是非常常见的复杂控制系统，这些复杂控制系统能够完成简单控制系统不能实现的较为复杂的控制任务。在本次设计中复杂控制系统主要选用了串级控制系统和串级均匀控制系统，如图2.3所示,串级控制系统由两个主副调节器、两个主副测量变送器、两个主副对象以及一个执行器构成，串级控制系统具有两个闭合回路，副回路是一个小回路，包含在主回路之中，而且主副回路皆负反馈闭环控制系统。^[3]

图2.3 串级方框图

在本次设计中，用了六个简单控制和两个串级控制，采用简单控制方案的回路分别为TIC229、TIC201、LIC201、LIC230、PIC201、PIC203，原因是简单控制可根据被控变量的测量值与定值的偏差来进行控制且简单控制系统结构简单，所需的自动化装置少，投资低，操作维护也比较方便，同时满足了生产过程中控制质量要求。^[3]

另外，两个串级控制方案的回路则分别为TIC227/FIC201和LIC201/FIC203，通过分析可以知道，两个串级控制方案中有两个主回路TIC227和LIC201，同时引入了两个副回路FIC201和FIC203主副回路同时作用，首先副回路包含和克服了大部分的干扰，其次主回路会将剩下的干扰也克服掉，从而。本次设计中采用了串级和串级均匀控制系统，从而串级控制的优越性得以体现，这两个串级控制系统中的主回路和副回路相互配合与作用，调高了系统的稳定性以及生产过程的安全性，使得控制方案满足控制质量要求。

根据以上分析对控制方案列表如表2.3

表2.3控制方案统计表

2.6 控制器控制规律的说明及选择

所谓的控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。因此，控制器的控制规律就是指p与e之间的函数关系^[4]，即

在研究控制器的控制规律时，经常是假定控制器的输入信号e是一个阶越信号，然后来研究控制器输出信号p随时间的变化规律来实现控制器控制规律研究的目的。^[4]

目前工业上常用控制器的控制规律主要有三种，即比例控制（P)、比例积分控制(PI)和比例积分微分控制(PID).

2.6.1比例控制器

比例控制器具有比例控制规律，它的输出与输入偏差之间的关系为

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