精馏塔物料平衡控制DCS系统设计
精馏塔控制系统设计
精馏塔控制系统设计精馏塔控制系统是指用于控制精馏装置运行的自动化系统。
精馏塔是化工过程中常用的一种分离设备，用于将混合物按照不同组分进行分离，并获得精馏产品。
精馏塔控制系统设计的目标是实现对塔内温度、压力、流量等参数的自动调节，以保持塔的稳定运行和达到设定的产品品质和产量要求。
1.系统的安全性：由于精馏塔操作涉及到高温高压的条件，系统的安全性是首要考虑因素。
安全系统应该能及时发现并处理可能的危险情况，如超压、超温等，确保塔内的操作条件始终处于安全范围内。
2.过程控制策略：根据塔的物料性质和操作要求，设计合理的控制策略。
常见的控制策略包括温度控制、压力控制、流量控制等。
需要根据塔内的反应动力学特性和传热传质特性来优化控制策略，比如采用多变量控制或者模型预测控制等。
3.仪表设备选型：根据控制策略选择合适的仪表设备，如温度传感器、压力传感器、流量计等。
仪表设备应具有高精度、稳定性好和耐高温高压等特点，以满足精馏塔操作的要求。
4.控制系统架构设计：根据控制策略和仪表设备的选择，设计控制系统的架构。
控制系统通常包括传感器、执行器、控制器和通信网络等部分。
传感器用于测量塔内的物理参数，执行器用于调节塔内的操作条件，控制器用于处理传感器的测量信号并确定下一步的控制策略，通信网络用于传输和共享数据。
5.监控系统设计：精馏塔的操作过程需要实时监控，及时发现和处理异常情况。
监控系统应能对塔内各项参数进行实时显示和记录，并提供报警、故障诊断和数据分析等功能。
监控系统可以采用人机界面、数据采集系统、故障诊断系统等多种形式。
在精馏塔控制系统的设计中，需要充分考虑各种可能的操作变量、工艺的稳定性、产量和能耗等方面的要求。
通过合理的控制系统设计，可以实现对精馏塔的准确控制，提高产品质量和产量，降低能耗和运行成本。
精馏塔控制和节能优化研究综述
173经济全球一体化以来，人们的生活质量以及生活水平逐渐提升，对石油化等工业需求越来越高，对产品纯度的需求也在逐渐提升，使精馏有了更加广泛的应用。
为了与绿色、节能理念相契合，给精馏过程带来了新的挑战，对精馏过程进行严格的控制以及优化是十分重要的。
但是，在对精馏塔进行控制以及节能优化之前，必须有效确保整个精馏过程中所生产的产品质量，只有产品达到了相关标准，才可以进行装置优化，从而降低能耗、有效提升回收率，做到将成本最大化的转变成经济效益。
1 精馏原理以及操作过程精馏就是将一定浓度的液体输送到精馏装置中，常见的精馏设备就是图1所示的连续精馏装置。
精馏装置主要分为五个大部分：一是精馏塔；二是冷凝器；三是再沸器；四是回流罐；五是回流罐。
连续精馏装置的工作原理是由进料泵将溶液供给到精馏塔，由于溶液中的液体沸点不同，就会将溶液分为低沸点组和高沸点组，低沸点组也就是易挥发组会因为汽化而向上升腾；高沸点组会因其难挥发而向下流淌，并与向上升腾的蒸汽在塔板之间发生接触，从而实现相际传质[1]。
在相对恒压的条件下，若对单组液体进行持续加热，温度并不会出现变化，但是，在对混合溶液进行沸腾后持续加热，其温度必然会发生变化。
在恒压的条件下，溶液的组分情况会与气相平衡有着密切的联系，其中组分的沸点与浓度成正比，沸点越高浓度就会越高，当然平衡温度也就会更高。
与纯物质相比，混合溶液中液相与气相均处于平衡状态下的温度是不一样的。
当沸点高的液体流到釜液泵后，就会成为塔底产品，而沸点低的液体就会成为塔顶产品，这两段操作的结合，可以将混合溶液中的液体分为两个部分，并进行分离，从而精馏出两种所需纯度的产品。
精馏可以将混合物液体进行分离，主要利用的就是液体的沸点不同，通过汽化以及冷凝的方式，经过精馏装置对其进行反复冷凝以及汽化，从而有效的不同组分的液体完全分离。
所以，整个精馏过程其实就是进行多次汽化、多次冷凝的过程，并且，溶液会在汽化以及冷凝的过程中会吸收和释放大量的热量，因此精馏装置必须具备冷凝器以及再沸器等装置给予辅助，从而实现整个精馏装置的完整运行，从而得到预期塔顶以及塔底的产品[2]。
精馏操作-经典应用手册
日常操作
1. 了解物料性质
物质名称 苯 甲苯 乙苯 英文缩写 B T EB 分子式 C6H6 C7H8 C8H10 熔点℃ 5.5 -95 -93.9 沸点℃ 80.1 110.5 136 液体密度 kg/m3 885 867 867
邻二甲苯
间二甲苯 对二甲苯
OX
MX PX
C8H10
C8H10 C8H10
3、产品控制
灵敏板温度控制：
设备结构已定，生产负荷和产品比例基本不变 的操作过程中，精馏塔的进料量F、组分x 、蒸 汽量、冷却剂量、釜液出料量w处于相对稳定 状态，往往是通过回流比的调节来控制灵敏板 的温度。当灵敏板温度T上升时，通过加大回 流量L，来降低灵敏板温度；当灵敏板温度T下 降时，通过减少回流量L，来提高灵敏板温度。
3、产品控制
物料平衡控制方案：
对于一个精馏系统来说，其主要目的是在保证 产品质量的情况下，得到最大的产品收率。为 达到目的，主要是按照工艺要求控制塔的物料 平衡，传统的精馏控制方法是以温度为质量指 标，以改变回流为主要手段，见下图。
F1
T
L1
F2
L
3、产品控制
上面是一个传统的精馏系统，塔底热量系统是固定的， 保证一定的回流比。灵敏板温度是塔顶产品的间接质 量指标，调节手段是改变回流量F1，用回流罐液面L1 的高低来控制塔顶产品的抽出量F2，这种方案是建立 在热平衡的关系上。回流量F1的给定值是由灵敏板温 度T给定的，当天气冷时，使回流温度降低，相应增加 了塔的内回流量并影响塔顶温度，此时由于塔顶温度 下降温度调节器将改变回流量F1的给定值，减少回流。 由于塔本身操作滞后及温度测量滞后，使这一变化缓 慢而波动，这一调整直到建立新的热量平衡为止。
精馏塔常用控制方案简介
精馏塔常用控制方案简介1.1.2 精馏塔常用控制方案简介a）传统控制方案1）按物料平衡关系控制精馏塔物料平衡控制方式并不对塔顶或塔底产品质量进展直接的控制，而依据精馏塔的物料平衡及能量平衡关系进展间接控制。
其根本原理是，当进料成分不变和进料温度一定时，在持全塔物料平衡的前提下，保持进料量F、再沸器加热量、塔顶产品量D一定；或者说保持D/F和B/F一定，就可保证塔顶、塔底产品质量指标一定。
2）质量指标控制精馏塔质量指标由精馏塔产品的纯度表达，精馏塔产品的纯度直接影响因素为精馏段灵敏板温度与提馏段灵敏板温度。
因此，精馏塔质量指标控制方案与温度控制有直接联系。
3）温度控制当为了生产两种合格的产品，只有塔顶、塔底两种。
而没有侧线产品时，常用的控制方案是：利用回流量来控制顶部塔板的温度，改变通往再沸器加热蒸汽量来控制底部塔板的温度。
b）先进控制方案1）自适应解耦控制一些学者将自适应控制应用于精馏塔的不同组分控制。
但是．没有考虑控制回路之问耦合的影响。
目前已提出的多变量自适应解耦控制算法，只能对最小相位系统实现动态解耦，对非最小相位系统实现近似动态解耦，近来，有人根据精馏塔的特点提出了一种可以对闭环系统实现动静态解耦的自适应控制器，并在精馏塔上进展了实验。
2）多变量预测控制预测控制是一类以对象模型为根底的计算机控制算法，依据对象模型的不同，预测算法可粉为模型算法（MAC）、动态矩阵控制算法（DMC）、广义预测控制（GPC）等详细实现形式。
工业上应用说明：多变量预测控制到达了期望的效果，实现了常压塔的平稳操作，提高了装置适应处理量与原料性质变化的能力；并简化了控制过程，减少了劳动强度及人工干预，显著提高了产品的合格率。
1.2 问题的提出及解决问题的途径对于精馏过程中的温度控制系统，当只有塔顶、塔底两种产品，而没有侧线产品时，常用的控制方案是：利用回流量来控制顶部塔板的温度，改变通往再沸器加热蒸汽量来控制底部塔板的温度。
精馏塔的工艺控制方案设计
2017年03月精馏塔的工艺控制方案设计彭国荣（德希尼布化工工程有限公司，上海200031）摘要：在精馏塔的工艺控制当中，压力和温度是其中两个比较重要的控制变量，本文通过对精馏塔的压力控制方案和温度控制方案进行分析后，对精馏塔的工艺控制方案进行设计。
关键词：精馏塔；工艺控制；方案设计精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，是工业上应用最广的液体混合物分离操作，精馏塔是精馏过程中最为重要的设备，根据分离操作条件和工艺要求的不同，精馏塔的操作流程也具有一定的差异。
精馏塔的控制是一个多变量控制过程，如何在许多被控变量和操纵变量中选择配对，是实现塔的常规控制很重要的问题。
要想对精馏塔的精确、高效和安全进行控制，需要采取合适的工艺控制方案，以此来提高产品的品质，降低能耗。
本文着重对精馏塔的压力和温度控制方案进行分析。
1压力控制方案一般情况下，精馏塔的控制系统都是以恒定的塔压来进行精馏，塔压的波动会使其中的温度分布情况产生差异，会破坏全塔物料平衡和气液平衡，从而增加控制难度，降低分离性能，破坏塔的平衡操作进而影响产品质量。
目前常见的精馏塔压力控制方案主要有以下几个方面：1.1常压塔当空气对分离物料没有影响的情况下，不需要对精馏塔中的压力进行控制，只需要在回流罐上设置放气口就可以，所以在常压塔中，可以在其中引入惰性气体，来实现对塔压的分程控制。
1.2加压塔加压塔的压力控制方案的确定与塔顶镏出物状态及镏出物中不凝性气体多少有关。
对于加压塔来说，存在以下两种方案，一种方案是存在不凝气，在这样的情况下，只需要对不凝气的排放量进行控制，就能够对塔压进行控制。
另外一种方案是精馏塔中没有不凝气，可以采用热气体旁路控制的方法来对塔压进行控制，与传统的通过调节冷却水进行控制相比较，这种控制方法存在如下优势：首先是控制回路的响应时间较快，高处的回流罐能够对回流泵提供较高的NPSH [1]。
其次冷凝器可以就地安装，在冷凝器中水垢比较大的情况下，可以及时的对其清洗和维修；对于调节阀的安装来说，一般可以在管线尺寸较小的热旁路上进行安装，其流量大小可以根据冷凝器出口温度确定。
浅谈精馏塔的控制方案
浅谈精馏塔的控制方案摘要：精馏过程是一个多变量的传质过程，对于不同工况，不同要求的精馏塔，其控制方案也是有差别的，因此，针对不同的工艺要求，根据工艺过程的特点，选择不同的控制方案，对于精馏塔的稳定操作以及产品质量的控制起着至关重要的作用。
关键字：精馏塔加压精馏减压精馏自动控制一、概述精馏过程是一个传质过程，在石油化工装置中的应用非常广泛，主要是利用混合液中各组分的相对挥发度的不同，即在同一温度下各组分的蒸汽压不同这一性质，使液相中的轻组分转移到气相中，而使气相中的重组分转移到液相中去，从而达到组分分离的目的。
精馏多用于产品或半产品的分离，使之达到规定的纯度。
从工艺角度来讲，同是精馏塔，实际上是千差万别的，虽然都是传质过程，但对于分离物质物性、要求相差很多，因为精馏的操作压力与温度是由为建立适当的气液两相共存的条件所决定的，根据不通的混合物和特性，精馏过程一般可分为常压精馏、加压精馏和减压精馏（真空精馏）三类。
（1）常压精馏常压下，沸点在室温以上到150℃左右的混合物通常在常压下进行精馏，这样，无论在选择再沸器热剂（如水蒸气），还是在选择冷凝器冷剂（如水或空气）时，都是非常方便可行。
（2）加压精馏对于常压下沸点在室温以下的混合物，为了提高其沸点，同时使其能够使用室温的冷却剂，降低能耗，常采用加压精馏。
例如乙烯乙烷混合物分离。
（3）减压精馏（真空精馏）在常压下沸点较高，或者在较高温度下易发生分离、聚合等反映的热敏性物质的混合物，为了降低其沸点，尝尝采用减压操作，例如乙苯与苯乙烯的混合物的分离。
正是因为不同的精馏塔，工艺对控制要求也不尽相同，同时精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，其内在机理复杂，动态相应迟缓，变量之间相互关联，所以精馏塔的控制对于整个装置稳定操作、安全运行以及产品质量都起着至关重要的作用。
同时，精馏过程中存在着气液两相之间的相变过程，需要加热和冷却，能耗较大，随着现在人们对节能意识的提高，精馏塔的节能控制也是十分重要的。
精馏装置DCS组态控制系统设计_课程设计书 精品
洛阳理工学院过程控制工程课程设计说明书设计题目精馏装置DCS控制系统设计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，分离的产品纯度越来越高。
采用提馏段温度作为间接质量指标，它能够较直接地反映提馏段产品的情况。
将提馏段温度恒定后，就能较好地确保塔底产品的质量达到规定值。
所以，在以塔底采出为主要产品、对塔釜成分要求比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。
影响物料平衡因素包括进料量和进料成分变化，顶部馏出物及底部出料变化；影响能量平衡因素主要包括进料温度或热焓变化，再沸器加热量和冷凝器冷却量变化，及塔的环境温度变化。
采用PID控制系统能有效地去除蒸汽压强的波动对温度的影响。
关键词：精馏温度PID控制目录一精馏装置的工作原理 (4)1精馏装置的概述 (4)（1）精馏的简介 (4)（2）精馏原理以及工业流程 (4)2.2.2.单回路控制系统的选用原则 (7)2.3.1.精馏塔精馏段被控变量的选择 (7)二控制系统设计................................... 错误！未定义书签。
2.1控制方案类型 ............................................................................................ 错误！未定义书签。
2.2单回路控制系统简介................................................................................ 错误！未定义书签。
2.2.1. 单回路控制系统的结构和类型.................................................. 错误！未定义书签。
2.2.2.单回路控制系统的选用原则........................................................ 错误！未定义书签。
精馏塔物料平衡控制DCS系统设计
第五章精馏塔物料平衡控制DCS系统设计5.1 DCS系统硬件设计JX-300X DCS系统的硬件配置包括：①通信系统：通信系统是选择DCS系统的关键环节之一。
随着计算机网络通信技术的发展和市场的需求，大多数DCS系统都以开放系统为标准来设计其通信系统。
②人-机接口：人-机接口是DCS系统的操作站部分。
③接口单元：这里的接口单元是指DCS系统与本系统之外产品的接口单元。
主要有DCS系统与上位计算机的接口，与气相工业色谱的接口及与可编程控制器的接口。
高可靠性是过程控制系统的第一要求。
冗余技术是计算机系统可靠性设计中常采用的一种技术，是提高计算机系统可靠性的最有效方法之一。
控制系统从结构上充分地采用了冗余技术。
本系统对于主控卡XP243X、数据转发卡XP233、重要I/O点对应的I/O卡件、网络通讯等都设计了1:1冗余，采用冗余结构不仅能避免控制系统的局部故障扩大事故，保证机组安全稳定运行，同时也保证设备故障的在线排除，从而消除事故隐患。
本系统的卡件备用硬件实时监听工作硬件信息，内部数据实时与工作硬件保持一致，一旦工作硬件出现故障，备用硬件即可随时参与工作，不存在切换问题，也就避免了切换时对系统造成的扰动。
本系统配置如图4.1所示。
系统安装完成后可使用ping指令进行调试，使其设备间彼此都实现通讯。
脱丁烷塔测点不是很多，经过整理得到实际测点15个，其中AI点6个，AO 点7个,DI点1个，DO点1个，据此得出系统硬件配置，如表5.1所示。
表5.1 系统硬件配置5.2 DCS系统的组态设计5.2.1 I/O组态确定了系统的硬件配置，这样可以开始进行主机设置。
该系统测点较少，需要一个控制站，一个操作站、工程师站，分别命名为OS130、ES130。
图5.1 主机设置主机设置完成以后，可以进行控制站的I/O 组态，I/O 组态主要包括下面的一些内容：1. 数据转发卡设置2. I/O 卡件设置3. 信号点设置数据转发卡组态是对某一控制站内部的数据转发卡在SBUS-S2 网络上的地址以及卡件的冗余情况等参数进行组态。
精馏塔控制系统课程设计
精馏塔控制系统课程设计精馏塔控制系统课程设计一、概述精馏塔是化学工业中重要的分离设备之一，广泛应用于化工、石油、食品等领域。
精馏塔的主要功能是将混合液进行分离，得到高纯度的产品。
在生产过程中，精馏塔的控制系统对于保证产品质量、降低能耗、提高生产效率等方面具有重要作用。
因此，本课程设计旨在设计一个精馏塔的控制系统，以实现对混合液的分离过程进行精确控制。
二、设计要求1.了解精馏塔的工作原理及流程；2.分析精馏塔的工艺参数和控制要求；3.设计精馏塔的控制系统方案；4.选择合适的控制仪表和设备；5.完成控制系统的硬件和软件设计；6.进行系统调试和性能评估。
三、工作原理及流程精馏塔是一种基于蒸馏原理的分离设备。
在蒸馏过程中，混合液在精馏塔内被加热和冷却，使得不同成分的液体在特定温度下达到气液平衡状态。
通过这种方式，高纯度的产品可以从混合液中分离出来。
精馏塔的主要组成部分包括：原料液进料口、蒸汽加热器、分离器、冷凝器、产品收集器等。
四、工艺参数和控制要求精馏塔的主要工艺参数包括：进料流量、蒸汽流量、回流比、塔顶温度、塔底温度等。
控制要求包括：1.稳定进料流量，以保证原料液的供应；2.控制蒸汽流量，以维持所需的加热温度；3.调节回流比，以改变产品的纯度和产量；4.控制塔顶和塔底温度，以保证产品的质量和分离效果。
五、控制系统方案设计根据工艺参数和控制要求，可以采用以下控制系统方案：1.进料流量控制：采用流量计测量进料流量，通过调节阀控制进料流量；2.蒸汽流量控制：采用蒸汽压力传感器测量蒸汽压力，通过调节阀控制蒸汽流量；3.回流比控制：采用流量计测量回流比，通过调节阀控制回流比；4.塔顶温度控制：采用温度传感器测量塔顶温度，通过调节阀控制蒸汽流量，以维持温度稳定；5.塔底温度控制：采用温度传感器测量塔底温度，通过调节阀控制加热器的加热功率，以维持温度稳定。
六、控制仪表和设备选择根据控制系统方案，可以选择以下控制仪表和设备：1.流量计：用于测量进料流量和回流比；2.压力传感器：用于测量蒸汽压力；3.温度传感器：用于测量塔顶和塔底温度；4.调节阀：用于控制进料流量、蒸汽流量和回流比；5.加热器：用于加热原料液；6.PLC控制器：用于实现控制逻辑和数据处理。
精馏塔的控制
精馏塔的控制（一）掌握要点及要求1、掌握简单精馏塔的控制问题与分解方法；2、掌握精馏塔的静态特性；3、了解精馏塔对象中操作变量对主要被控变量的动态影响程度与速度；4、针对塔顶、塔底产品质量不同的要求，掌握基本控制系统的分析与设计方法；5、了解精馏塔的复杂控制与先进控制方法6.1概述6.1.1精馏塔控制要求及影响因素1.操作要求(1)产品质量指标塔顶或塔底产品之一保证合乎规定的纯度要求，而另一个产品维持在某一规定的范围内。
2.物料平衡（1）馏出液和备液的平均采出量之和应等于平均进料量，而且缓慢变化。
（2）塔内及塔顶、塔底容器的蓄热量应介于规定的上下限之间（3）保证高产优质，低消耗，如为保证塔顶产品纯度加大回流，但有消耗大量的蒸汽，物料平衡一般采用均匀、比值控制系统。
3．束条件：（1）塔内蒸汽速度既不能过高，也不能过低，过高引起液泛，过低塔板效率低。
（2）对再沸器的加热温差，加热蒸汽冷凝量和冷凝器冷却温差都有一定限制。
9不能超过临界温差）临界温差：由核状沸腾转为膜状沸腾时的温差，单位时间，单位面积内所传递热量称为临界热负荷液体在管外大容积内沸腾，膜系数与温差关系：随着温度差增加，汽化核数和气泡长大速率也增加，以致大量的气泡在加热表面层集合，形成蒸汽膜，热量必须通过此膜传递到液体当中去，由于蒸汽导热系数小，从而传热困难，以至膜系数下降。
工业生产一般维持在核状沸腾区操作，超过该区，进入膜状沸腾回烧坏传热管4、影响塔操作的干扰因素：（1）塔压波动（2）进料量F （3）进料成分Ef （4）进料温度Tf（5）进料状态①气相②液相③汽/液混合（6）热剂或蒸汽 Ps、Gs （7）汽剂或进口温度Gw、Tw（8）环境温度6.1.2精馏塔各干扰因素的分析及调节手段的确定1.塔压波动对操作影响及调节方法(1)塔压波动对操作影响（1）塔压波动影响汽液平衡（2）塔压波动影响物料平衡P↑→F↓ P↑→D↑（3）增加波动破坏X-T关系，压力低，沸点低(2)影响压力波动因素(3)控制塔压办法：塔压控制方法通常根据塔动作情况，可分为：常压塔、减压塔和加压塔分别控制。
精馏塔DCS控制系统设计部分课程介绍及要求
精储塔DCS控制系统设计部分一、课程介绍及要求1硬件部分针对现有的水一乙静实验用精储塔，设计开发一套DCS控制系统，并完成后续的实验内容。
对硬件系统具体的要求包括：（I）针对现有实验用精储塔，统计信号点，进行硬件选型，设计控制站机柜；（2）,完成控制站内部卡件的组装、连接、配电；将实验用精储塔装置的输入输出信号正确接入控制站（10接入端口自主分配）；（3）完成DCS操作站和控制站的网络连接，实现控制系统的组态和监控。
2软件部分（1）根据DCS系统的拓扑结构完成控制系统的结构组态（设1个控制域、1个操作域）；（2）完成控制站的硬件、位号、流程图设计、用户程序的组态；（3）完成操作站监控程序的组态；（4）能正常运行监控程序完成相应实验。
3功能部分（1）操作站监控程序功能：能查看系统总貌、数据一览，能正确显示工艺流程，能完成实验的各项操作（控制参数设置、手自动切换、手动操作）以及趋势图显示等功能；（2）控制部分能够完成实验要求的内容（具体实验要求见后续的任务书）；二、分组安排本次实验一共可以安排60人进行实验。
实验分四大组，每一大组又分成3小组，每一小组设一个组长，负责分工协调，要求每个小组成员都要完成相应的工作量，在最后的答辩阶段要做相应的陈述。
每组每周在实验室的时间不少于2个整天（4个半天）。
三、实验预约及开放时间请在开学后第一周的第二天上午8:00后登陆“浙江大学实验管理系统”进行分组选择和实验预约。
周五上午&00实验预约截止。
实验前的大课时间及地点请随时关注控制学院实验中心网站O上的通知。
PLC控制系统设计部分一、课程介绍及要求主要结合CS4000型过程控制实验装置和电机，应用西门子S7-200和300系歹IJPLC组网通信，设计和开发一套较完整的自动控制系统，实现开关量顺序控制和模拟量输入输出及过程控制功能，主要控制任务包括（详见上课时下发的《实验任务书》：（1）电机控制功能：电机1：Y-△启动控制；电机2：变频器变频控制（2）水箱温度控制功能（单回路控制、串级控制）（3）水箱液位控制功能（单回路控制、串级控制）（4）其他相关控制要求1硬件部分设计一套PLC控制系统，完成以上实验内容的控制，硬件系统具体包括：①一个中央机架和一个扩展机架,接入所有控制所需IO信号（IO接入端口自主分配）；②一套PC操作站（兼工程师站），实现控制系统监控和组态；③一台触摸屏，实现控制系统的监控：④主控系统与一套S7200PLC通信，通过200PLC控制若干指示灯;主控系统与S7200集成方式可以是DP或GPRS可选。
论文开题：实验室精馏塔的计算机集散控制系统(DCS)设计
大学本科毕业论文(设计)开题报告学院：信息科学与工程学院专业班级：08自动化课题名称实验室精馏塔的计算机集散控制系统（dcs）设计1、本课题的的研究目的和意义：精馏塔是现代炼油、化工生产中应用最广泛的分离设备，通常决定了这些工业过程的产品质量和生产能力。
精馏过程是一个很复杂的操作过程，其控制要求大多较高，在一般的精馏过程自动控制中，如果仅从局部的单个控制回路着手来改善一个塔的控制质量，几乎都会遇到难以克服的困难。
因此要从塔的整体控制方案上进行深入细致的研究。
因此，如果能从过程控制的角度出发来改善塔的操作，达到改进产品质量，增加目标产品收率及降低能耗等诸目标的一个乃至全部，将可为企业带来可观的经济效益。
同时，这样一个典型的装置也是教学实。
方便有效的实现酒精提纯。
具体内容如下：1) 熟悉实验装置系统工作原理，了解精馏过程。
2) 掌握在dcs控制系统下组态对实验设备的控制与数据采集及监控，实现上位机与下位机的通讯。
3) 通过dcs系统控制精馏塔塔釜、塔板、塔顶的温度，进料流量、冷凝液流量控制，各个储液罐液位的控制。
4) 采用酒精比溶剂或者色谱的方法对提纯后的酒精进行检测，对比与常规控制在同样条件下的浓度，是否有所提高。
5) 分析实验结果是否达到实验预期目的，重复实验，获取最佳实验数据。
实验成果以论文的形式叙述，主要内容包括研究目的和意义、方案论证、具体实现步骤、实验结果分析与总结、遇到问题的解决方法及心得等。
4、拟解决的关键问题：本课题的关键问题是上位机（计算机）与下位机（实验设备）的通讯连接及酒精浓度的检测。
解决方案：上位机与下位机通讯可以利用组态软件定义板卡类设备通过现场总线与下位机板卡相连接，通讯地址一一对应，实现两者之间的连接；也可以通过网卡利用ip地址通过现场总线实现两者之间的连接。
对于酒精浓度的检测，可以采用酒精比溶剂或者色谱的方法进行检测，尽管相对于在线检测会存在一定的误差，但是误差是在允许的范围内，因此，该检测方法具有使用价值。
基于化工机理与工业数据孪生建模的甲醇精馏过程优化
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2024 年第 43 卷第 1 期基于化工机理与工业数据孪生建模的甲醇精馏过程优化王雄1，杨振宁2，李越1，申威峰1（1 重庆大学化学化工学院，重庆 400044；2 重庆长风化学工业有限公司，重庆 400021）摘要：在化学工业生产中，分布式控制系统（distributed control system ，DCS ）数据作为反映过程生产状况的关键信息，通常由于测量误差影响而不能满足过程精准建模与优化的要求。
常规过程建模与优化研究一般无法充分考虑工业实际生产与设计数据产生的偏差。
为此，本工作在结合化工机理、DCS 工业数据及工业经验的基础上，从底层逻辑出发，提出一种基于甲醇精馏工业生产数据与化工机理孪生建模框架来指导工业过程更精准的优化。
将仪表的测量范围作为权重赋予测量变量，使用非线性规划算法基于化工机理约束对测量变量进行校正并求解校正值。
结合校正值和工业经验提出过程变量的置信分数模型，实现对测量变量的置信评价。
基于校正后的测量变量构建更贴近工业实际的甲醇双效精馏过程模型并实现对其更精准的过程工艺优化。
该工作提出的化工机理与工业数据孪生建模思想，对构建数字化工孪生系统和智能化工厂的数据甄别、工艺优化等过程具有重要的科学意义和实际应用价值。
关键词：数据驱动；置信分析；数据协同；过程优化；甲醇精馏；数字孪生中图分类号：TQ021.8 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）01-0310-10Optimization of methanol distillation process based on chemicalmechanism and industrial digital twinning modelingWANG Xiong 1，YANG Zhenning 2，LI Yue 1，SHEN Weifeng 1(1 School of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2 Chongqing ChangfengChemical Industry Co., Ltd., Chongqing 400021, China)Abstract: In the production of the chemical industry, the data from the distributed control system (DCS) is crucial for reflecting the production status of the process. However, due to measurement errors, it often fails to meet the requirements for accurate process modeling and optimization. Conventional process modeling and optimization studies do not fully consider the deviations caused by industrial production and design data. In this work, we proposed a twin modeling framework based on industrial production data ofmethanol distillation and chemical mechanisms, combined with industrial experience, to guide more accurate optimization of industrial processes. We established material and energy conservation constraints and assigned weights to measurement variables based on the measurement range of instruments. Using nonlinear programming algorithms and chemical mechanism constraints, we calibrated and solved for the calibrated values of the measurement variables. We also proposed a confidence score model for process研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1286收稿日期：2023-07-25；修改稿日期：2023-10-20。
精馏塔控制和节能优化研究综述
精馏塔控制和节能优化研究综述摘要：精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多，过程动态和机理复杂。
作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。
但在实际生产中，为了保证产品合格，精馏装置操作往往偏于保守，操作方法以及操作参数设置往往欠合理，过分离普遍存在。
精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离,而是被冷却水或分离组分带走。
因此,精馏过程的节能潜力很大，收效也极为明显。
本文简单介绍了精馏原理，针对精馏塔控制和节能优化展开了深入的研究分析，结合本次研究，发表了一些自己的建议看法，希望可以对精馏塔控制以及节能优化起到一定的参考和帮助，提高精馏塔控制和节能优化有效性。
关键词：精馏塔；控制；节能优化前言：通过对精馏塔的研究过程中发现，在精馏的过程中，会消耗较多的能源，热力学的效率也会出现很大程度的降低，因此，对于化工行业来说，当前困扰着我国化工行业很多专家的一个难题。
在一般的情况下，精馏塔的设计会很大程度上的影响着资源的消耗情况，好的精馏塔结构将为化工省下大量资源，有效提高行业经济效益，降低精馏成本，由此可见，对精馏塔的研究和分析具有非常积极的意义。
1、精馏原理介绍精馏操作属于化工生产行业中较为常见的处理流程之一，其需要将混合物体内部液体部分、气体部分进行接触操作，使相关物质在固定条件下进行反应。
常规状态中，物质会在逆向流动、全面接触前提下逐渐开始反应流程，使液相内部轻组分快速进入气相内部，气相完成重组分操作，最终进入液相内部。
精馏本质属于传质活动，会导致热量不断传导，最终达成反应目标。
在压力恒定环境下，独立组分液体沸腾会持续产生加热效果，但温度却始终维持原有状态。
多组分液体会同样会在沸腾阶段持续加热，但温度会发生对应变化。
恒定压力会使溶液气相平衡与组分存在产生相对联系，组分沸腾温度点越高、浓度级别越高、平衡状态所需温度级别也会越高。
因此，相对于物质气液相平衡状态，溶液气液进入平衡具有独特表现，即气相、液相平衡浓度存在差异。
精馏塔的控制
F,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱi
Fo,T T*
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t
QA
QF
前馈控制特别适用于调节通道时间常数或 纯滞后很大的场合。 纯滞后很大的场合。调节及时是前馈控制 的突出优点。 的突出优点。 它的控制结构是由干扰变量决定的，与被 它的控制结构是由干扰变量决定的， 控变量无关。然而， 控变量无关。然而，前馈控制往往是基于 不甚完善的过程模型获得的， 不甚完善的过程模型获得的，故干扰对过 程的扰动并不能被完全补偿, 即存在残（ 程的扰动并不能被完全补偿 即存在残（余） 差（offset）。 ）。 解决方案之二： 解决方案之二：前馈 + 反馈控制 特点：响应快、无残差，效果见下图。 特点：响应快、无残差，效果见下图。
F,Ti T*
TC
t 调节不及时所致
QA
QF
PI控制优于手动控制且能消除余差。但调节不够及时， 控制优于手动控制且能消除余差。但调节不够及时， 控制优于手动控制且能消除余差 表现在第一个波峰较低，这意味着， 表现在第一个波峰较低，这意味着，低温原油一度流 进了分馏塔。 进了分馏塔。反馈控制是当过程干扰影响到被控变量 以后，才根据偏差去改变操纵变量。 以后，才根据偏差去改变操纵变量。这里的干扰可以 是F, Ti，PF , λF。 解决方案之二： 前馈控制)。 解决方案之二：Feedforward Control (前馈控制 。这 前馈控制 里前馈是指，一旦测得干扰变量的大小， 里前馈是指，一旦测得干扰变量的大小，就适量改变 操纵变量，使干扰对过程的影响得到快速抑制。 操纵变量，使干扰对过程的影响得到快速抑制。那么 如何实现呢？ 干扰通道模型。 如何实现呢？→ 干扰通道模型。 以稳态模型为例： 其中Q 以稳态模型为例：QF λF =F/M CP (T*-Ti ). 其中 F 、F 均为质量流量， 均为质量流量，CP、M分别为原油的热容 (单位： 分别为原油的热容 单位 J/oK/mole)和分子量 和分子量. 和分子量 → QF λF = [F/M CP (T*-Ti )]
精馏塔控制系统
精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使总收益最大，成本最小。
精馏过程是在一定约束条件下进行的。因此，精馏塔的控制要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑设置必要的控制系统。
⑴、产品质量控制
精馏塔的产品质量是指塔顶或塔底产品的纯度。通常，满足一端的产品质量，即塔顶（或塔底）产品达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内。
（3）冷凝器：它的作用是使塔顶蒸汽冷凝，以其部分冷凝液作为回流，以建立塔板间的内部回流，其作部分即为塔顶产品。
精馏塔都采取中部进料，进料板把全塔分成二段：进料板以上叫做精馏段；进料板以下称提馏段。在精馏段，上升蒸汽中的高沸点组分转变成液体，液体中的低沸点组分转变成蒸汽，完成上升蒸气低沸点组分的精制。在提馏段，下降液体中的低沸点组分转变成蒸汽，蒸汽中的高沸点组分转变成液体，完成下降液体高沸点组分的提浓。
⑤、连续精馏：多用于大批量工业生产中。
⑥、常压蒸馏：蒸馏在常压下进行。
⑦、减压蒸馏：常压下物系沸点较高或热敏性物质不能承受高温的情况
⑧、加压蒸馏：常压下为气体的物系精馏分离，加压提高混合物的沸点
⑨、多组分精馏：例如原油的分离。
⑩、双组分精馏：如乙醇-水体系,苯-甲苯体系等。
２、精馏-1所示：
⑵、物料平衡控制
进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。物料平衡的控制是以冷凝液罐（回流罐）与塔釜液位一定（介于规定的上、下限之间）为控制目标的。
⑶、能量平衡控制
输入、输出能量应平衡，使塔内操作压力维持稳定。
⑷、约束条件
精馏过程是复杂传质传热过程。为了满足稳定和安全运行，必须使某些参数限制在约束条件之内。常用的限制条件有液泛限、漏液限、操作压力限和临界温度限等。
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第五章精馏塔物料平衡控制DCS系统设计5.1 DCS系统硬件设计JX-300X DCS系统的硬件配置包括：①通信系统：通信系统是选择DCS系统的关键环节之一。
随着计算机网络通信技术的发展和市场的需求，大多数DCS系统都以开放系统为标准来设计其通信系统。
②人-机接口：人-机接口是DCS系统的操作站部分。
③接口单元：这里的接口单元是指DCS系统与本系统之外产品的接口单元。
主要有DCS系统与上位计算机的接口，与气相工业色谱的接口及与可编程控制器的接口。
高可靠性是过程控制系统的第一要求。
冗余技术是计算机系统可靠性设计中常采用的一种技术，是提高计算机系统可靠性的最有效方法之一。
控制系统从结构上充分地采用了冗余技术。
本系统对于主控卡XP243X、数据转发卡XP233、重要I/O点对应的I/O卡件、网络通讯等都设计了1:1冗余，采用冗余结构不仅能避免控制系统的局部故障扩大事故，保证机组安全稳定运行，同时也保证设备故障的在线排除，从而消除事故隐患。
本系统的卡件备用硬件实时监听工作硬件信息，内部数据实时与工作硬件保持一致，一旦工作硬件出现故障，备用硬件即可随时参与工作，不存在切换问题，也就避免了切换时对系统造成的扰动。
本系统配置如图4.1所示。
系统安装完成后可使用ping指令进行调试，使其设备间彼此都实现通讯。
脱丁烷塔测点不是很多，经过整理得到实际测点15个，其中AI点6个，AO 点7个,DI点1个，DO点1个，据此得出系统硬件配置，如表5.1所示。
表5.1 系统硬件配置5.2 DCS系统的组态设计5.2.1 I/O组态确定了系统的硬件配置，这样可以开始进行主机设置。
该系统测点较少，需要一个控制站，一个操作站、工程师站，分别命名为OS130、ES130。
图5.1 主机设置主机设置完成以后，可以进行控制站的I/O 组态，I/O 组态主要包括下面的一些内容：1. 数据转发卡设置2. I/O 卡件设置3. 信号点设置数据转发卡组态是对某一控制站内部的数据转发卡在SBUS-S2 网络上的地址以及卡件的冗余情况等参数进行组态。
根据本例的项目配置，可知，控制站中只有一对冗余的数据转发卡，即数据转发卡要和主控制卡放在同一个I/O 机笼，对于放置了主控制卡的机笼，必须将该机笼的数据转发卡的地址设置成00 和01。
所以在地址栏中，需要填写的地址为“00”。
型号为SP233 。
本例中系统采用的数据转发卡为冗余配置，这样与地址为“00”的数据转发卡冗余的那块卡件就不必重新设置了，系统会根据冗余规则自动识别该机笼的另一块数据转发卡的地址“01”。
接下来为I/O 卡件设计，根据表5.1硬件配置，设计机笼装置表，见表5.2：表5.2 机笼装置表图5.3 I/O 卡件组态如将当前选定的I/O 卡件设为冗余单元，设为冗余单元的I/O 卡件不再进行下一步的信号点组态。
地址定义当前I/O 卡件在SBUS 网上的地址，地址值 00～09。
123400 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15冗余 冗余 冗余 冗余 冗余 冗余 S P 2 4 3 XS P 2 4 3 XS P 2 3 3S P 2 3 3S P 3 1 3S P 3 1 3S P 3 1 3S P 3 1 3S P 3 2 2S P 3 2 2S P 3 2 2S P 3 2 2S P 3 6 3S P 3 6 2S P 0 0 0S P 0 0 0S P 0 0 0S P 0 0 0S P 0 0 0S P 0 0 0I/O卡件的组态地址应与它在机笼中的槽位编号相匹配，并且地址编号不可重复。
类型单击类型框右部的下拉式按钮选中当前组态I/O卡件的类型。
JX-300XP DCS提供多种I/O卡件以供用户选择。
I/O输入对话框的I/O卡件表中列出了挂接在当前数据转发卡下已组态的I/O卡件的各项设置，可在其中选定某一I/O卡件进行I/O点的组态。
各个信号点的参数属性、趋势、报警等信息都可以再I/O点组态对话框中进行设置。
电流信号输入卡的各点信息如图5.4所示：图 5.4信号点组态I/O类型项选定当前信号点信号的输入/输出类型，类型包括：模拟信号输入（AI）、模拟信号输出（AO）、开关信号输入（DI）、开关信号输入（DO）、脉冲信号输入（PI）五种类型。
地址项定义指定信号点在当前I/O卡件上的编号。
信号点的编号应与信号接入I/O卡件的接口编号匹配，不可重复使用。
不同的I/O卡件可接的信号点数不同，因此它们的地址数也不同。
信号点参数设置组态依据信号点输入/输出（I/O）类型的不同，可分为模拟量输入信号点组态、模拟量输出信号点组态、开关量输入信号点组态、开关量输出信号点组态、脉冲量输入信号点组态五个不同的组态对话框。
组态软件将根据用户的设定，自动决定进入哪个对话框进行组态。
对模拟输入信号，控制站根据信号特征及用户设定的要求做一定的输入处理，系统依据组态的设定要求，逐次进行温压补偿、滤波、开方、报警、累积等处理。
经过输入处理的信号已经转化为一个无单位的百分型信号量，即无因次信号。
在位号项填入当前信号点在系统中的位号。
每个信号点在系统中的位号应是唯一的。
操作站的软件都是通过位号来引用信号点。
当信号需加报警时，选中报警项，打开其后的上上限/下下限、上限/下限、报警死区和报警等级六项。
在上上限/下下限、上限/下限各项中填入适当报警限值，各项数值当然应有上上限＞上限＞下限＞下下限，且在信号量程内。
在报警死区项中填入死区的大小，在报警等级项中填入该信号的报警优先级。
在报警处理中加入报警死区是因为如果信号在小范围内会频繁波动，那么当信号接近报警限时，系统将出现频繁的报警而给操作带来不必要的麻烦，为避免此类情况的发生，需在报警处理中加入报警死区处理，死区的大小取决于信号频繁波动范围的大小。
模拟量输出信号输出的是一个控制阀位（即阀门开度）的百分量信号。
输出信号制为II型或III型。
控制阀的特性为气开阀或气闭阀。
图5.5 模拟量输出设置开入信号是数字信号，开/关状态表述（ON/OFF状态描述、ON/OFF颜色），分别对开关量信号的开（ON）/ 关（OFF）状态进行描述和颜色定义。
当信号需加报警时，打开其后的报警状态、报警描述和报警颜色项。
图5.6 开关量输出设置开关量输出信号是数字信号，开/关状态表述（ON/OFF状态描述、ON/OFF颜色），分别对开关量信号的开（ON）/ 关（OFF）状态进行描述和颜色定义。
当信号需加报警时，可打开其报警状态、报警描述和报警颜色项。
通过软件组态，可以使卡件响应频率型或累积型输入信号。
卡件在对频率型或累积型信号进行处理时，都可以计算出输入信号的瞬时值与累积值。
脉冲量信号有频率型、累积型两种类型。
当信号频率较高（一般在2KHz以上），同时工艺对瞬时流量精度要求高的场合，应选用频率型（当信号频率较低（2KHz 以下），同时工艺对总流量累积精度要求高的场合，应选用累积型。
累积型、频率型的选择只是使卡件执行不同的算法，在监控画面中显示的只有瞬时流量，需要累积量时，还须选择累积，并填写正确的累积系数。
在选择“累积型”时，由于输入频率低，瞬时流量在计算时会有抖动，导致瞬时流量精度较差。
5.2.2 控制方案组态完成系统I/O组态后，就可以进行系统的控制方案组态。
控制方案组态分为常规控制方案组态和通过图形组态编写的用户自定义控制方案组态。
本次设计单回路统一采用自定义回路组态，其对话框和回路信息输入如下图所示：图5.7 回路输入对话框当把所有的回路信息输入完成之后，即可进行控制算法的组态。
在图像编程中建立FBD段落，调用辅助模块库的控制模块，简单设置模块参数即可完成回路组态。
下图所示为单回路功能块：图5.8单回路功能块该模块是对在自定义回路中声明的单回路进行定义，确定它的输入输出，组成一个控制回路。
所要控制的对象做为系统的输入(PV)，回路的输出（MV）到能够改变控制对象值的执行机构上。
将它在自定义回路中所对应的位号组入监控画面中，可在监控画面中对其进行参数设置。
该模块是PID单回路控制模块，流程图5.8所示：图5.10 单回路回路组态该流程塔压分程回路采用图形组态，组态图如下：（补）图5.11 塔压分程回路5.2.3 监控画面组态操作站上监控操作画面的组态有成为操作组态，是面向操作人员的PC操作平台的定义。
它主要包括标准画面组态、流程图登录、报表登录、自定义键组态、语音报警组态五部分。
在进行操作组态前，必须先进行系统单元登录及控制组态，只有当这些组态信息已经存在，操作组态才有意义。
监控登陆画面如图4.15所示。
系统标准画面组态是指对系统已定义格式的标准操作画面进行组态。
包括总貌画面、趋势曲线、控制分组、数据一览四种操作画面的组态。
系统总貌画面是为了系统观察、操作方便，将需要观察、操作的控制组、趋势图、流程图、仪表数据等组织起来，形成的一个系统监控目录。
系统的趋势曲线画面可以显示登录数据的历史趋势。
在此项中可以指定当前页中所有趋势曲线共同的记录周期。
同一趋势画面中的所有趋势曲线必须有相同的记录周期，时间单位‘秒’。
记录周期必须为整数秒，取值范围为1～3600。
系统的仪表分组画面可以实时显示登录仪表的当前状态。
系统的数据一览画面可以实时显示与登录位号对应的测量值及单位。
系统流程图登录是通过流程图登录组态对话框完成的。
单击编辑按钮，将启动流程图制作软件，对当前选定的流程图文件进行编辑组态。
系统报表登录是通过报表登录组态对话框完成的。
单击编辑按钮可启动报表制作软件，进行报表编辑。
实时监控软件支持功能强大的操作员键盘，可通过组态软件的自定义键组态对其进行操作组态。
实时监控软件支持声卡语音报警。
系统语音报警组态是通过语音报警组态对话框完成的。
下面分别给出了监控界面登陆画面、总貌画面、流程图、数据一览画面、参数调整画面、分组控制画面、趋势画面和故障诊断画面。
图5.12 系统总貌画面图5.13 精馏塔流程图5.3 DCS系统网络设计通讯网络是DCS系统得以正常运行的重要部分，Webfield JX-300XP DCS的通讯网络自上而下分为四层：第一层是信息管理网，用户可根据实际情况选用；第二层是过程信息网SOnet，即C网；第三层是过程控制网SCnetⅡ，系统采用1:1冗余的高速工业以太网，互为冗余的两网分别叫做A、B网；第四层网络是控制站内部I/O控制总线SBUS。
系统的网络结构图如下：图5.14 系统网络结构图本设计中将采用二网合一的网络架构方案，所谓“二网合一”，即将过程信息网C网和过程控制网的B网合并成一个网络，这样可以在硬件上节省一个交换机的成本。
具体网络IP设置方案如下：过程控制A网的网络号为：128.128.1，即主控卡、操作站网卡在A网IP地址为：128.128.1.XXX；B网的网络号为：128.128.2，即主控卡、操作站网卡在B网IP 地址为：128.128.2.XXX；其中“XXX”在控制站中由主控制卡拨码开关决定(2—127)，在操作站中由软件设定(129—200)。