过程控制系统课程设计bmw三人组.docx

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过程控制系统课程设计bmw三人组

河南理工大学

《过程控制系统》课程设计文件

设计小组名称：

XXXXXXXX

设计小组成员：

姓名班级学号

年月日

一、方案设计依据、范围及相关标准

1、方案设计依据 

（1）全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛设计开发型赛项赛题及初赛细则； 

（2）化学反应过程控制仿真及设备用户手册等； 

（3）SIMATIC PCS7 使用手册及产品目录。

 2、方案设计范围 

根据甲方对于安全、稳定、绿色生产的要求，完成工程方案设计，并进入现场实施工程项目。

本设计包括：

基础控制系统及开车顺序控制系统的设计（包括控制回路、控制算法、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性、顺序逻辑、安全保障等功能设计）、安全系统的设计（包括声光报警、安全联锁、紧急停车、安全仪表等功能设计）

3、方案设计相关标准 

（1）HG/T 20505-2000《过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号》 

（2）GB/T 21109-2007《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》

（3）HG/T20636-1998 《自控专业设计管理规定》  

（4）HG/T20637-1998 《自控专业工程设计文件的编制规定》  

（5）HG/T20638-1998 《自控专业工程设计文件深度的规定》 

（6）HG/T20639-1998 《自控专业工程设计用典型图表及标准目录》  

（7）HG20505-2000 《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》  

（8）HG20506-1992 《自控专业施工图设计内容深度规定》  

（9）HG/T20519-1992 《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》

（10）HG20559-1993 《管道仪表流程图设计规定》

二、系统分析（包括控制需求分析、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全要求等）

1、 控制需求分析 

（1）进料流量及比例控制

根据开车步骤，首先反应器共有两股连续进料，为了克服每股进料的流量扰动，使其进料流量稳定，对个流量进行闭环控制。

同时，需要保证两股物料A和B以1:

1的比例进料，采用比值控制系统。

同时还要求对反应器组份进行控制

为得到一定的转化率的产品，要求对其组分进行控制，如果反应的转化率较低时，必须将产品分离后的未反应物料循环使用。

故可采用串级变比值控制系统。

（2）反应器液位控制产物流量控制

根据开车步骤，接着反应器内的液位LI1201上升，要求保证液位处于80％，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行，为保证产量，还需要对产物流量进行控制，通过流量产物的输出从而用闭环控制系统对液位进行控制。

（3）反应器温度控制冷却水流量控制

该连续反应系统以反应物A与反应物B，在反应温度70.0℃下进行反应，反应的产物为C。

所以要求反应器的温度控制在70.0℃左右，而且在上升过程中要求温度缓慢变化。

在实际的控制系统中，在反应器内加上温度传感器，用于随时测量反应器内的温度，并根据温度的反馈来调节冷却水的流量，以此达到控制反应器内温度始终在70.0℃左右，由此也节约了水资源。

这一过程采用温度——流量串级控制。

（4）反应器压力安全控制

为保证安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5MPa。

因此需要在反应器内加设压力传感器，用于实时监测反应器内的压力变化并在外部显示出来，便于观察压力变化，设置反应器压力报警上限组态值为1.2MPa，当压力超过组态的上限值1.2MPa时，就会启动报警系统，在报警系统响起的同时会立即采取措施来减小反应器内的大气压，使其低于组态的上限值。

保证系统能够正常运行。

这里的大气压控制装置是在反应器上安装的由压力传感器控制的电磁阀，该电磁阀会根据压力的变化来改变气阀门开合度，若是反应器内大气压低于组态的上限值时，电磁阀处于闭合状态，一旦反应器内大气压超过组态上限值时，电磁阀会立即打开一定开合度来减少反应器内大气压，使其稳定在一个合适的压力值，使得反应能够正常进行。

（5）开车步骤顺序控制

从生产单元冷态起，自动开车，按照开车步骤依次将控制回路投用，保证开车稳步进行，保证系统无扰投运。

2、对象特性分析

（1）温度

温度对象通常是多容的。

温度动态特性具有惯性大，容易受其他因素干扰，且易于变化的特性。

由于温度的容量滞后大，有些过程的时间常数多达十几分钟。

由于温度变化滞后大，抑制起来不灵敏，因此温度控制系统需要增加微分作用环节。

在工业生产中，温度控制就是对热过程的控制，包括对流传热，传导传热和辐射传热，温度控制的操纵变量通常是流量，冷却介质的流量，燃料的流量等。

温度控制的方法和被控对象的特点，控制精度要求等有关，其种类有很多。

因此，在工业生产中，要实现对系统温度的精确控制通常使用PID控制器进行合理控制。

（2）流量

流量过程时间常数小，当手动调整阀门时，流量在几秒钟内就能完成变化，响应比较灵敏。

这是由于工业过程中调节阀往往直接作用于流量，而管道的容量有限，缓冲余地小，阀门一动作，流量立即变化，滞后时间小、响应快。

对流量而言，广义对象的控制器、定位器、变送器和信号传输等部分，流量滋生的时间常数相对较小。

流量的测量容易受噪声干扰，流量本身可能是稳定的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是频繁变动。

这是由于管道中的流量正常时都是湍流状态，流量虽然平稳，流体内部却在骚动，特别是当流体通过截流装置是，这种现象尤为明显，产生噪声也较大。

噪声是一种高频率，变化无常的流体流动，因此流量控制系统不能加微分控制环节。

由于噪声频率很高，尽管噪声幅度变化不大，但若是加上微分控制器，其输出容易出现波动，反而是系统不稳定，降低系统的稳定性。

因此，在工业生产中对流量的控制经常采用PI控制。

（3）液位

液位特性的特点是负荷变化不大，滞后比较小，且在一定范围内允许变化。

基于液位特性这些特点，在工业生产中经常采用比例控制器实现对它的控制。

3、工艺流程分析

在本样例中，从开始，需要控制原料A、原料B流量，A、B进料要有闭环抗扰动控制系统，使得原料进料流量稳定，而且要求能够以一定的配比混合，配比需要能够控制。

反应器中A、B混合物需要有液位控制，当达到45℃时，冷却水阀门打开适度，使得反应器中的温度缓慢上升至反应要求的温度70℃。

此处需要有冷却水的流量控制，温度控制，温度需要控制在正常的反应温度范围内，可通过控制冷却水阀门的流量来间接控制反应器1201的温度，一旦温度超标严和过高的气相压力，会使得反应器有爆炸风险，需要立即停止化学反应，此时可通过开合压力传感器中的电磁阀门来控制反应是否继续。

同时反应器中的产物组分需要加控制以得到一定转化率的产品。

反应产物可通过FI1202流量控制，稳定液位。

产料C经过分离工序得到。

4、系统安全要求 

若温度、压强超过限定值强行停车，因此应添加抑制剂阀门。

三、控制系统设计

3.1基础控制系统及开车顺序控制系统的设计（包括控制回路、控制算法、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性、顺序逻辑、安全保障等功能设计，并说明设计理由）

控制回路

根据开车步骤

（2）（3）打开A物料进料阀,打开B物料进料阀，原料A、B按照一定的比例进入反应器1201。

该步骤需要控制原料A和B流量，及控制AB比例，这里可以采用双闭环比值控制系统。

1、双闭环比值控制系统

双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主动量控制回路和一个跟随主动量变化的从动量随动控制回路组成，其流程图和方框图分别下图所示。

通过主动量控制回路能克服主动量干扰，实现对主动量的定值控制；通过从动量控制回路抑制作用于从动量回路的干扰，从而使主、从动量均比较稳定，能保持在一定的比值，使总物料量保持稳定。

双闭环比值控制系统常用于负荷变化或总的物料变化比较平稳的工业生产过程。

在进料过程中A和B物料的比值为被控变量，A物料的B流量为操纵变量。

这样设计能够很好地控制各股进料流量扰动并且严格的控制两种物料的比例。

变比值控制系统

流量之间实现一定比例只是保证产品质量的一种手段，上面的比值控制方案只考虑如何实现这种比值关系，而没有考虑两种物料反应后最终质量是否符合工艺要求，成为定比值控制。

从最终的质量角度看定比值控制系统是开环控制系统。

工业生产过程中扰动因素有很多，定比值不能克服除主物料扰动外的其他扰动因素，因此定比值不一定能保证最终产品质量。

在定比值系统上加以修改而得到的变比值在此基础上可以有所改进。

流量检测采用差压表变送器。

在稳定状态下，主、从流量Q1、Q2恒定，（即Q1／Q2＝k为定值），它们分别经检测量变送器、开方器后，送除法器相除，除法器的输出表征了它们的比值，作为比值控制器的测量信号。

若这时表征最终质量指标的主变量Qc也恒定，主控制器YC的输出信号不变，且和比值测量信号相等，则比值器输出稳定，产品质量合格。

当系统中出现流量扰动外的其他扰动D（s）引起输出量Qc变化时，通过主反馈回路使主控制器YC的输出信号发生变化，修改两流量的比值关系。

对于进入系统的主流量Q1的扰动，由于比值控制回路的快速跟随，使从流量按Q2=kQ1关系变化，保持输出Qc稳定。

它起了静态前馈作用。

对于副流量本身的干扰，可以通过自身的控制回路克服，它相当于串级控制系统中的副回路。

因此这种变比值系统实质上是一种静态前馈-串级控制系统。

两流量的比值是由表征质量的第三变量Qc给出的，这种变比值控制系统也称为由第三变量给定的比值控制系统。

2、串级控制系统

串级控制整个控制回路系统采用串级控制，即有两个或两个以上串联连接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的控制系统。

与简单的单回路控制系统相比，串级控制系统在其结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为内回路或者副回路；另一个闭环在外，被称为外回路或者主回路。

副回路在控制过程中负责粗调，主回路则完成细调，串级控制就是通过这两条回路的配合控制完成普通单回路控制系统很难达到的控制效果。

在串级控制中，无论是主回路还是副回路都有着各自的控制对象、测量变送器和控制器。

在主回路中的控制对象、被测参数和控制器分别被称为主对象、主参数和主控制器。

在副回路内则相应地被称为副对象、副参数和副控制器。

副对象是整个控制对象的一部分，常被称为控制对象的前导区，主对象是整个控制对象的另一部分，常被称为控制对象的惰性区。

主控制器具有自己独立的给定值，它的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出信号则送到控制机构去控制生产过程。

串级控制对进入副回路的扰动有很强的克服能力。

由于副回路的存在，减小了控制对象的时间参数，从而提高了系统的响应速度。

再者串级控制提高了系统的工作频率，改善了系统的控制质量。

最后，串级系统有一定的自适应能力。

温度——流量串级控制

该样例中需要对反应器温度进行控制以保证反应能保持在它适合的温度，又因为温度的改变可由冷却水的流量进行改变，所以该过程可有温度——流量串级控制系统。

其中反应器的温度是主控制变量，冷却水流量作为副控制变量，操控变量是冷却水阀门的开度。

控制通道时间常数大都比较大，用串级控制可提高控制质量。

3、简单控制系统（单回路控制系统）

反应器的液位控制系统以简单回路系统即可，其中操纵变量是阀门FV1202的流量，被控变量是反应器的液位。

控制算法

PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制领域仍有近90％的回路在应用PID控制策略。

PID控制中一个关键的问题便是PID参数的整定。

但是在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。

在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。

这就要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，并且PID参数能够在线调整，以满足实时控制的要求

PID控制原理

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。

常规PID控制系统原理框图如图1-1所示。

系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值）（tr与实际输出值）（tc构成控制偏差）

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

其控制规律为

或写成传递函数形式

式中  KP——比例常数； 

    TI——积分时间常数； 

TD——微分时间常数。

简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：

1.比例环节 即时成比例地反映控制系统的偏差信号）（te，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

2.积分环节 主要作用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。

3.微分环节 能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

控制规律

控制器的控制规律是比例规律、积分规律、微分规律3种基本控制作用组合而成的。

按照这3种基本控制规律进行控制，在过程控制中习惯称为PID控制。

1.比例微分（PD）控制器

比例微分（PD）控制器的控制规律是

             （5.26）

比例微分控制器的传递函数为

                （5.27）

式中为PD控制器的放大系数，为微分时间常数。

式（5.26）说明，PD控制器的输出是比例控制作用的输出与微分控制作用的输出之和。

PD控制器有2个特性参数：

放大系数（或比例带）和微分时间常数，改变和，可以调整比例作用和微分作用的强弱。

比例作用的强弱是由（或）决定的，而微分作用的强弱则由和共同决定。

实际的PD控制器的传递函数为

            （5.28）

这是带有惯性环节的比例微分控制。

它的单位阶跃响应为

           （5.29）

式中。

图5.19是PD控制器的单位阶跃响应曲线。

PD控制器和比例控制器一样，控制都属于有差控制。

PD控制响应快，能增加系统的稳定性，有超前控制作用，适用于被控对象惯性较大，允许有稳态误差的场合。

图5.19PD控制器的单位阶跃响应图5.20PI控制器的阶跃响应

2.比例积分（PI）控制器

PI控制器的控制规律是

                （5.30）

PI控制器的传递函数为

                   （5.31）

式中为PI控制器的放大系数。

为积分时间常数，简称积分时间。

   PI控制器的单位阶跃响应如图5.20所示。

比例作用相应快，但是有稳态误差。

积分作用响应慢，但可以消除稳态误差。

两种基本控制规律的结合，发挥了各自的长处，抑制了双方的缺点。

比例控制在控制过程的初期起比较重要的作用。

由于PI控制响应较快，又具有消除稳态误差的能力，因而是应用最广泛的一种控制器。

过程控制中遇到的大多数控制器都是PI控制器。

   当PI控制器的输入由于某种原因长时间存在且方向无改变时，积分器的输出就会达到最大并进入深度饱和。

这时，若偏差发生反方向的变化，必须要经过一段时间，使积分器逐渐从饱和状态中退出，才能产生控制作用。

这将使控制质量变差。

这种现象称为积分饱和现象。

凡具有积分控制作用的控制器，在特定条件下都可能产生积分饱和的现象。

防止积分饱和的措施也不止一种，读者可以参阅有关书籍，做更深入的了解。

   在PI控制器中，有两个特性参数：

（）和。

这两个参数都是可以调整的。

积分时间常数越小，积分作用越强，积分时间常数越大，积分作用越弱。

当为无穷大时，PI控制器没有积分作用，成为比例控制器。

积分时间常数对动态过程的影响是两方面的。

积分作用强，消除余差的能力也强，但同时会使动态过程振荡加剧，稳定性降低。

积分作用弱，则余差消除得慢，调节时间长。

提高稳态精度和改善动态品质之间是有矛盾的。

当选择合适时，才能兼顾两方面的要求。

对动态过程的影响见图5.21。

图5.21积分时间对动态过程的影响

3.例积分微分PID控制器

比例积分微分PID控制器是结合了3种基本控制规律的控制器。

它的控制规律为

          （5.32）

PID控制器的传递函数为

式中为PID控制器的放大系数（为比例带），为积分时间，为微分时间。

在PID控制的输入为单位阶跃信号时，其输出如图5.22所示。

图中同时给出了比例、积分、微分3个单独作用的响应曲线。

图5.22PID控制器的阶跃响应

从图中可以看出，在阶跃输入下，动态过程的初始阶段，微分作用的输出很大，产生了一个大幅度的超前控制作用，加快系统的响应速度。

微分作用随后逐渐减小，而积分控制作用则逐步加强，直到稳态误差完全消失。

比例控制作用则始终存在。

在PID控制中，比例控制是基本控制作用，而微分和积分则是叠加在比例控制上，在动态过程进行的不同阶段，发挥不同的作用。

动态过程初期，要求响应要快，这时，发挥比例控制无时间延迟和微分控制有较大超前控制作用的特点。

在动态过程后期，要求响应精度要高，这时，发挥比例控制与偏差成比例和积分控制能消除偏差的特点。

由于PID控制器吸收了3种基本控制作用的特点，在被控对象惯性大，容量延迟大，控制精度要求较高的情况下，采用PID控制器往往能收到较好的控制效果。

但PID控制器有3个特性参数，和，合理选择这3个参数也并非易事。

选择得不适当，控制效果会受到影响。

所以，若采用PI控制或其它控制规律可以满足要求，就不必采用PID控制器。

选择控制器是否合理，对控制品质影响较大。

若控制器选择不当，再精心调整控制器的参数也不会达到满意的控制效果。

选择控制器需要考虑被控对象的动态特性，被控对象负荷的变化大小，主要扰动的影响及对控制品质的要求等。

以工业上常见的被控对象传递函数为例。

若传递函数为

可按照延迟时间和常数T的比值来选择。

这个比值称为被控对象的可控比。

    当时，选比例控制或比例积分控制。

    当时，选比例积分或比例积分微分控制。

    当时，则必须考虑使用复杂控制系统。

若不能得到被控对象的传递函数，也可根据被控对象的大致的特性来选择：

    当被控对象惯性大，容量延迟大时，可采用微分控制作用，如PD,PID。

    当被控对象惯性不大或不太大，负荷变化也不大时，可采用P或PI控制。

    当被控对象惯性很大或容量延迟很大时，应设计复杂控制系统。

阀门特性

选用带自整定功能的气动控制阀、稀液进料口阀门、过热蒸汽进料口阀门。

可改善系统冷凝液排量方案迟的特点。

选用气开式控制阀，气动调节阀门随输入气压的增高，阀门开度增加。

一旦控制阀失去能源时处于关闭状态，避免浪费。

二次蒸汽控制选用气闭式，与气开式相反，气动调节阀门随输入气压的增高，阀门开度减小。

一旦发生事故，控制阀全开，防止蒸发器内压强过大而发生安全事故。

顺序逻辑

各个控制任务由外到内，相互嵌套。

安全保障

超过危险范围紧急停车。

3.2安全系统的设计（包括声光报警、安全联锁、紧急停车、安全仪表等功能设计，并说明设计理由）

（1）声光报警

在产业生产过程自动控制系统通常设置了安全报警反应器，反应器耐压约2.5MPa。

为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5MPa。

反应器压力报警上限组态值为1.2MPa。

当工艺参数接近安全条件时，系统发出报警，通知操纵职员处理；一旦工艺参数达到或超出安全条件范围，系统马上执行联锁动作，进行下一步的安全控制。

（2）安全联锁

一旦工艺参数达到或超出安全条件范围，系统马上执行联锁动作，以保证生产装置处于安全状态。

在安全要求比较高的生产过程中，为防止自动控制系统故障而可能丧失安全功能，还专门另设安全联锁系统，生产过程的测控由自动控制系统完成，安全保障由安全联锁系统完成。

由于A、B物料生产的温度压强、安全要求十分高，在采用DCS（集散控制系统）实现生产过程自动控制的同时，还采用ESD（紧急停车系统）或FSC（故障安全控制系统）完成生产过程安全控制，以确保安全生产。

所选被控对象为过程工业常见的反应器系统中的汽包水位和蒸汽压力是反应器安全运行的两个最重要的被控参数，汽包液位过低、蒸汽压力过高都可能导致十分严重的事故。

所以，产业反应器系统除了必要的自动控制系统外，一般还都装有联锁报警装置，对影响反应器安全运行的重要参数设置报警点和联锁点，一旦参数超出所限制的数值，装置自动报警进而自动联锁停止反应器运行，以保证安全。

（3）紧急停车系统

ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于DCS集散控制系统，其安全级别高于DCS。

在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。

作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。

只有当生产装置出现紧急情况时，不需要经过DCS系统，而直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

DCS系统是过程控制系统，是动态的，需要人工频繁的干预，这有可能引起人为误动作；而ESD是静态的，不需要人为干预，这样设置ESD可以避免人为误动作。

 对于大型装置或旋转机械设备而言，紧急停车系统响应速度越快越好。

这有利于保护设备，避免事故扩大；并有利于分辨事故原因记录。

而DCS处理大量过程监测信息，因此其响应速度难以作得很快； 

（4）安全仪表系统

安全仪表系统SafetyinstrumentationSystem，简称SIS;又称为安全联锁系统（SafetyinterlockingSystem）。

主要为工厂控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测的结果实施报警动作或调节或停机控制，是工厂企业自动控制中的重要组成部分。

3.3绿色生产、节能减排降耗方面的考虑

我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境被取代的代价，这两者之间的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。

这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接有关。

不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。

只有坚持节约发展、情节发展、安全发展，才能实现经济又快又好的发展的同时，温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。

进一步加强节能减排工作，也是应对全球变化的迫切需要。

反应器的生产必回排除一些气体和残留一些剩余物，但是不是所有剩余物都是有害环境健康的，们要重点控制那些对环境有影响的部分，完全消除排出气体时不可能的，我们可尽自己最大的努力去减少污染，达到绿色环保的效果。

节能减排，推进资源综合利用，推进垃圾资源化利用，全面推进清洁生产。

组织编制重点行业循环经济推进计划。

制定和发布循环经济评价指标。

深化循环经济试点，利用国债资金支持一批循环经济项目。

全面推行清洁生产，对节能减排目标为完成的企业，加大实行清洁生产审核的力度，限期实施清洁生产改造方案，找到最适合生产条件，以降低能源的消耗，已达到最大的功率，拥有最好的收益。

3.4控制系统管道仪表流程图（包括基础控制系统、安全控制系统等）

四、系统设备选择与系统连接

4.1系统设备选择（包括控制器、测量变送装置、执行机构，DCS规模、IO模块配置、仪表盘、控制柜、配电装置等）

4.2系统连接（用工程语言描述系统的连接）

五、实施效果

5.1操作说明

5.2监控画面（包括流程画面、趋势画面、报警画面、操作画面等）

5.3响应曲线及性能分析

六、经济效益分析

目录

第一章项目基本情况3

一、项目情况说明3

二、可行性研究的依据5

第二章项