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1、 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計 學(xué) 生： 尹 恒 學(xué) 號： 07021010324 專 業(yè)： 自 動 化 班 級： 2007.3 指導(dǎo)老師： 干 樹 川四川理工學(xué)院自動化與電子信息學(xué)院二 0 一一年六月尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計I摘 要氫氮比一直都是合成氨工業(yè)最關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一，氫氮比控制好壞與生產(chǎn)安全和合成氨的經(jīng)濟(jì)效益都直接相關(guān)。針對氫氮比控制干擾因數(shù)多，大時滯和大慣性等特性，提出用集散 HS2000 實現(xiàn)氫氮比自動控制的方法，并對其系統(tǒng)進(jìn)行了 SAMA 圖設(shè)計、工程組態(tài)、硬件配置，為氫氮比控制提供了一種工程實現(xiàn)方法?；谠摲椒ǖ目?/p>

2、制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，實現(xiàn)簡單，在中小型合成氨廠取得了良好的控制效果。關(guān)鍵詞：氫氮比；大時滯；組態(tài)；合成氨；SAMA 圖四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文IIABSTRACTApplication of hydrogen-nitrogen ratio control system design based on DCSThe Hydrogen-nitrogen ratio is a important key craft in synthesize the ammonia industry, which is directly related to the safety of the whole

3、device and the economic performance of produce. This design is based on too many interference factors of Hydrogen-nitrogen ratio controlling, and the large-time-delay system, proposed a control system for using distribute control HS2000 to realize auto-control in the hydrogen-nitrogen ratio control

4、system.In which it also give SAMA design, install the hardware and compare of the engineering. to the system, as well as a new method for hydrogen-nitrogen ratio control. The result show that this control system have a strong ability to anti-interference , and simple to realize, obtained a good resu

5、lt in synthesize the ammonia industry. KEY WORDS：Hydrogen-nitrogen ratio；Large-time-delay system；Compare of the engineering；Synthesize the ammonia; SAMA尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計III目 錄摘 要.I第 1 章 引 言.1第 2 章 合成氨工藝.32.1 合成氨的概述.32.1.1 合成氨生產(chǎn)的基本過程.32.2 工藝流程簡介.42.3 合成系統(tǒng)的控制.62.4 氫氮比干擾因素.82.5 幾種控制方案的介紹.92.5.1 氫氮

6、比自動調(diào)節(jié)系統(tǒng).92.5.2 三回路串級調(diào)節(jié)控制方案.102.5.3 采樣-前饋、串級氫氮比控制系統(tǒng).13第 3 章 集散控制系統(tǒng).153.1 集散型系統(tǒng)的歷史和發(fā)展.153.2 系統(tǒng)概要.163.3 系統(tǒng)構(gòu)成.163.3.1HS2000 系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元 .163.3.2HS2000 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) .17第 4 章 DCS 在合成氨氫氮比的應(yīng)用.194.1 系統(tǒng)概述.194.1.1 系統(tǒng)軟件名稱.194.1.2 控制回路要求及實現(xiàn).194.1.3 主要控制模塊組.224.1.4 參數(shù)定義說明.234.2 測點清單分配表.29四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文IV4.3 系統(tǒng)硬件配置說明書.

7、294.3.1 系統(tǒng)配置圖.294.3.2 各站詳細(xì)配置說明.304.3.3 HS2000 系統(tǒng)環(huán)境要求 .304.4 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計.314.4.1. 主回路的設(shè)計.314.4.2. 副回路的設(shè)計.314.4.3. 主、副回路的匹配.31第 5 章 結(jié)束語.34致 謝.35參考文獻(xiàn).36附 錄.37附錄 1.37附錄 2.42尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-1-第 1 章 引 言合成氨的生產(chǎn)過程中氫和氮的比值是一個很重要的參數(shù)，對于合成氨裝置來說這個參數(shù)的控制還存在一些問題。該裝置的主要原料是空氣和天然氣。氮來自于空氣；氫來自于天然氣。空氣和天然氣在造氣工段經(jīng)過一系列加工凈

8、化處理后再進(jìn)入合成塔, 合成反應(yīng)后生成氨氣。氫氮比控制具有干擾因數(shù)多，大時滯和無直衡等特性。上述的過程相當(dāng)復(fù)雜，氫氮的合成環(huán)節(jié)主要是一個相對復(fù)雜的難于控制環(huán)節(jié)。對此環(huán)節(jié)要實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定的控制，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明顯，是合成氨生產(chǎn)當(dāng)前急需要解決的問題。由于上述對象特性，決定了氫氮比控制系統(tǒng)的設(shè)計要克服大時滯和多種干擾，長期以來化工合成氨界，對如何解決該問題提出了很多的設(shè)計方案，但效果都不是很好。以天然氣為原料的大型氨廠為例，由工藝流程看，合成系統(tǒng)的氫氮比是采用以氫定氮方案，即通過改變二段轉(zhuǎn)化爐能加入多少空氣量來進(jìn)行一定調(diào)整的。從空氣量的加入，經(jīng)過二段轉(zhuǎn)化爐，變換爐，脫碳系統(tǒng)，甲烷化，壓縮至最后再進(jìn)入合成

9、循環(huán)回路，經(jīng)歷了全流程，它的傳遞時間很長，因而具有很大的純滯后。另外一方面，對二段轉(zhuǎn)化爐加入空氣量的調(diào)整，經(jīng)過一系列反應(yīng)裝置后，可使甲烷化爐出口的新鮮氣氫/氮比發(fā)生變化，但在進(jìn)入循環(huán)回路后，還需經(jīng)過相當(dāng)長的時間才能使進(jìn)入合成塔氣體中的氫氮比發(fā)生真正的變化，這說明它的慣性滯后也很大。 為了控制好該環(huán)節(jié)，本文提出了現(xiàn)階段應(yīng)用比較多的兩種氫氮比控制方案，經(jīng)過反復(fù)比較選擇了采樣-前饋、串級控制系統(tǒng)效果較好，本設(shè)計提出了一種用集散 HS2000 系統(tǒng)軟件控制氫氮比的控制方案，并對其系統(tǒng)進(jìn)行了硬件配置、工程組態(tài)。為氫氮比控制提供了一種工程實現(xiàn)方法。下面先對 DCS 進(jìn)行簡介。DCS 即集散型控制系統(tǒng)，又稱

10、分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System） 。它的主要基礎(chǔ)是 4C 技術(shù)，即計算機(jī)Computer、控制 Control、通信Communication 和 CRT 顯示技術(shù)。DCS 系統(tǒng)通過某種通信網(wǎng)絡(luò)將分布在工業(yè)現(xiàn)場附近的現(xiàn)場控制站和控制中心的操作員站及工程師站等連接起來，以完成對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的分散控制和集中操四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文-2-作管理。DCS 自 1975 年問世以來已經(jīng)歷了近三十年的時間，其可靠性、實用性不斷提高，功能日益增強(qiáng)。如控制器的處理能力、網(wǎng)絡(luò)通訊能力、控制算法、畫面顯示及綜合管理能力等。DCS 系統(tǒng)過去只應(yīng)用在少數(shù)大型企業(yè)的控制系

11、統(tǒng)中，但隨著 4C 技術(shù)及軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，到目前已經(jīng)在電力、石油、化工、制藥、冶金、建材等眾多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是電力、石化這樣的行業(yè)。經(jīng)歷了二十幾年的發(fā)展，DCS 有了很大的變化。這種變化來自兩方面的動力：用戶需求的不斷提高和電子與信息技術(shù)的快速發(fā)展。用戶的需求已經(jīng)不再滿足于應(yīng)用 DCS 代替常規(guī)的儀表控制和簡單的數(shù)據(jù)檢測，同時隨著電子與信息技術(shù)的進(jìn)步使得 DCS 應(yīng)用的構(gòu)成元件（電子元器件、處理器、軟件、網(wǎng)絡(luò)等）性能大大提高且價格大幅度下降，特別是各種板級 OEM 部件和 HMI 軟件的發(fā)展進(jìn)一步簡化了 DCS 的開發(fā)難度并降低了開發(fā)成本。本文先通過對合成氨的工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)

12、的介紹，在第二章中介紹了氨合成的基本過程，并對其提出了幾種控制方案，最終選擇了集散 HS2000 來進(jìn)行系統(tǒng)軟件控制，在第三章中介紹了集散控制的歷史和發(fā)展，并介紹了如何建立 HS2000 系統(tǒng)，在其中介紹了如何建立了操作員站，工程站等，第四章為本設(shè)計的重點，首先對氫氮比的控制系統(tǒng)構(gòu)建做了前期工作，例如：建立操作員站，工程站，建立測點清單，建立系統(tǒng)配置圖，參數(shù)定義等一系列工作，然后用 HS2000 組態(tài)對其進(jìn)行主態(tài)，得到所要的系統(tǒng)組態(tài)圖，最后就是對此系統(tǒng)進(jìn)行了說明，并對各模塊進(jìn)行了簡單的說明。尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-3-第 2 章 合成氨工藝2.1 合成氨的概述我國合成氨工

13、業(yè)于 20 世紀(jì) 30 年代起步,1941 年,最高年產(chǎn)量不過 50Kt.新中國成立后,經(jīng)過數(shù)十年的努力,已形成遍布全國,大中小型氨廠并存的氮肥工業(yè)布局,1999 年合成氨產(chǎn)量為 34310KT,排名世界第一.20 世紀(jì) 50 年代初,在恢復(fù)與擴(kuò)建老廠的同時,從前蘇聯(lián)引進(jìn)并建成一批以煤為原料,年產(chǎn) 50Kt 的合成氨裝置.60 年代,隨著石油,天然氣資源的開采,分別從英國引進(jìn)已天然氣為原料,年產(chǎn) 100Kt 的加壓蒸汽轉(zhuǎn)化合成氨裝置;從意大利引進(jìn)渣油為原料年產(chǎn) 50Kt 的部分氧化法合成氨裝置.從而形成了以煤,油,氣原料并舉的中型氨廠的生產(chǎn)體系.為適應(yīng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要,發(fā)揮中央和地方辦化肥廠

14、的積極性,從 20 世紀(jì) 60 年代開始在全國各地建設(shè)了一批以炭化法合成氨流程制取碳氨為主的小型氨廠,1979 年發(fā)展到 1539 座氨廠.目前對這些小型氨廠的改造重點是抓好規(guī)模,品種,技術(shù),產(chǎn)業(yè)等方面的結(jié)構(gòu)調(diào)整工作.隨著石油,天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展,20 世紀(jì) 80 年代后期和 90 年代初期,我國引進(jìn)了具有世界先進(jìn)水平日產(chǎn) 1000t 的節(jié)能型合成氨裝置.與此同時,我國自行設(shè)計的以輕油為原料的年產(chǎn) 30 萬噸的合成氨裝置于 1980 年建成投產(chǎn),以天然氣為原料,年產(chǎn) 20 萬噸的第一套國產(chǎn)化大型裝置于 1990 年建成投產(chǎn).由于我國人口眾多,糧食產(chǎn)量不斷提高,化肥需求量逐年增長,在九五期間又

15、相繼建成投產(chǎn)了以天然氣,渣油,輕油,煤為原料的大型合成氨裝置,分布在海南東方縣,烏魯木齊,呼和浩特,九江,蘭州,南京,吉林和渭南等地.2.1.1 合成氨生產(chǎn)的基本過程合成氨生產(chǎn),必須制備含有氫和氮的原料氣.氫氣來源于水蒸氣和含有碳?xì)浠衔锏母鞣N燃料.目前工業(yè)上普遍采用焦碳,煤,天然氣,輕油,重油等燃料,在高溫下與水蒸氣反應(yīng)的方法制氫.氮氣來源于空氣,可以在低溫下將空氣液化分離而得,也可在制氫的過程中加入空氣,將空氣中的氧與可燃性物質(zhì)反應(yīng)而除去,剩下的氮與氫混合,獲得氮氫混合物.除電解水(此法因電能消耗大而受到限制)以外,不論用什么原料制取氫、氮原料氣,都含有硫化物,一氧化碳,二氧化碳等雜質(zhì).這

16、些雜質(zhì)不但能腐蝕設(shè)備,而四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文-4-且還能使氨合成器中毒.因此,因此把原料氣送人合成塔之前,必須進(jìn)行凈化處理,除去各種雜質(zhì),獲得純凈的混合合成氣.因此,合成氨的生產(chǎn)過程包括以下三個主要步驟:第一步,原料氣的制取.制備含有氫氣,一氧化碳,氮氣的粗原料氣，一般由造氣,空分工序組成.第二步,原料氣的凈化，除去粗原料氣中的氫氣,氮氣以外的雜質(zhì)，一般由原料氣的脫硫,一氧化碳的變換,二氧化碳的脫除,原料氣的精制工序組成.第三步,原料氣的壓縮和合成.將符合要求的混合氣壓縮到一定的壓力后,在高溫,高壓和有催化劑的條件下,將氫氮氣合成為氨.一般由壓縮,合成工序組成.生產(chǎn)合成氨的基本過程

17、可用下面的方框圖表示:圖 2-1 生產(chǎn)合成氨基本過程2.2 工藝流程簡介大型合成氨廠工藝過程可分為制氣，凈化，合成三個工序。制氣工藝因原料不同，工藝各異。煤制氣采用魯齊技術(shù)或德士古技術(shù)。天然氣，石腦油，渣油制氣技術(shù)。經(jīng)脫硫，變換，脫二氧化碳。最終凈化均為原料氣凈化，均涉及物流輸送，壓縮，換熱等傳質(zhì)傳熱過程。氨合成塔多為層間冷激式絕熱固定床，四層催化劑結(jié)構(gòu)。各生產(chǎn)廠家采用工藝技術(shù)不同，流程設(shè)備及傳熱也不同。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化，熱法凈化法典型工藝流程，如圖 2-2。經(jīng)脫硫后的天然氣與蒸汽以一定比例混合進(jìn)入一段轉(zhuǎn)爐爐管內(nèi)，在觸媒層進(jìn)行天然氣（CH4）轉(zhuǎn)化反應(yīng)。在爐管外通過對天然氣和馳放氣的燃燒來提供CH

18、4 的反應(yīng)所需求的熱量。造氣工序脫硫工序CO 變換工序合成工序脫碳工序精制工序壓縮工序原料氣產(chǎn)品氨尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-5-者些研究成果的推廣應(yīng)用，各企業(yè)都十分重視，采用高新技術(shù)增加效益是企業(yè)決策者所愿。一段轉(zhuǎn)化爐的出口氣再和工藝空氣與蒸汽混合后進(jìn)入到二段轉(zhuǎn)化爐，在觸媒層，使殘留的甲烷再進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化，最終要讓二段轉(zhuǎn)化爐的出口氣中的甲烷含量能降到所規(guī)定的指標(biāo)以下。在二段爐配入工藝空氣是根據(jù)系統(tǒng)對氫氮比的要求進(jìn)行一定調(diào)節(jié)的。從二段爐轉(zhuǎn)化出來的氣體再經(jīng)過廢鍋爐進(jìn)行一定的熱量回收，并生產(chǎn)高壓蒸汽，將經(jīng)過熱量回收過后的工藝氣體導(dǎo)進(jìn)變換工段，依依經(jīng)過低溫變換爐與高溫變換爐，在觸媒層

19、進(jìn)行轉(zhuǎn)換反應(yīng)。經(jīng)低溫轉(zhuǎn)變后工藝氣中因含有大量二氧化碳，該工藝氣被引進(jìn)二氧化碳的吸收塔底，在塔內(nèi)和脫碳這、溶（碳酸鉀溶液）逆流接觸，工藝氣中二氧化碳被溶液吸收，脫碳?xì)鈴捻敳恳?。從吸收塔的底部出來富液?jīng)過再生塔降壓閃蒸，脫出二氧化碳后，返回循環(huán)再使用，再生塔的頂部出口得二氧化碳供尿素的生產(chǎn)使用。從吸收塔的頂部出來的脫碳?xì)膺M(jìn)入甲烷轉(zhuǎn)化爐，使未被徹底清除一氧化碳和二氧化碳，在甲烷觸媒作用下和氫氣發(fā)生一定反應(yīng)，最后使殘留的氧化碳，二氧化碳脫除微量，從而能制出合成氨需要的氫氮的混合氣（叫新鮮氣），此新鮮氣經(jīng)過壓縮機(jī)加壓，并與合成塔出口循環(huán)氣混合后，再經(jīng)循環(huán)壓縮后進(jìn)入合成系統(tǒng)。在氨合成塔的觸媒層上進(jìn)行合成

20、反應(yīng)生成氨。合成塔出口氣經(jīng)過一系列換熱器進(jìn)行熱量回收，在分離器中分離出液氨，大部分氣體則返回循環(huán)使用。主要化學(xué)反應(yīng)如下：甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)： CH +H O=CO+3H （2-1）422CH +2H O=CO +4H （2-2）4222一氧化碳變換反應(yīng)： CO+H O=CO +H （2-3）222合成氨反應(yīng)： 3H +N =2NH （2-4）223四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文-6-2.3 合成系統(tǒng)的控制氨的合成反應(yīng)方程式它屬放熱且摩爾數(shù)減少的可逆反應(yīng)，采用固定床絕熱反應(yīng)器，其主要的復(fù)雜控制系統(tǒng)包括：氫氮比，床層溫度與惰性氣體含量控制等。氫氮比控制在合成工段中，氫氮比是合成氨最關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一，

21、氫氮比控制的好壞與整個生產(chǎn)的安全及裝置的經(jīng)濟(jì)效益都是直接相關(guān)的。另一方面，由于被控對象慣性滯后大，且具有大時滯以及無自衡的特點，這就是氫氮比控制難度增加。以天然氣為原料的大型氨廠為例，由工藝流程看，合成系統(tǒng)的氫氮比是通過改變二段轉(zhuǎn)化爐中加入的空氣量多少來進(jìn)行一定調(diào)整的。從空氣量加入，經(jīng)二段轉(zhuǎn)化爐，變換爐，脫碳系統(tǒng)，甲烷化，壓縮到最后再進(jìn)入合成的循環(huán)回路。幾乎經(jīng)歷過了全部流程，它的傳遞時間很長，因而具有很大的純滯后。另外一方面，對二段轉(zhuǎn)化爐加進(jìn)的空氣量調(diào)整，經(jīng)過一系列反應(yīng)的裝置后，可使甲烷化出口新鮮氣中的氫氮比能發(fā)生一定變化，但是在進(jìn)入循環(huán)回路后，還需要經(jīng)過相當(dāng)長的時間才能夠讓進(jìn)入氨的合成塔的氣

22、體中氫氮比來發(fā)生真正的變化，此說明了它慣性滯后環(huán)節(jié)也很大。對于無自衡的特點，可以從化學(xué)方程式的反應(yīng)來說明。氨的合成中總是由 3；1 比例來消耗氫與氮，如果此新鮮氣中氫/氮比大于（或小于）3：1，那么多余的氫（或氮）就積存在循環(huán)回路中，通過不斷的循環(huán)，使該回路中氫/氮比更加偏離于正常值，不能自動尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-7-圖 2-2 天然氣轉(zhuǎn)化熱法凈化制氨工藝流程圖四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-8-2.4 氫氮比干擾因素合成氨的生產(chǎn)中的氫氮比值是一個重要的參數(shù)，幾乎所有合成氨的裝置對該參數(shù)控制都有一定問題。下面以大慶的石化公司的化肥廠的合成氨的裝置舉例。大慶的石化公司的化肥

23、廠的合成氨的裝置具有特殊性但是更重要是它共性。該裝置生產(chǎn)原料由空氣與油田的原料氣組成。氮來自空氣，氫來自油田的原料氣?？諝馀c油田的原料氣在其造氣工段經(jīng)一系列的加工，凈化處理之后再進(jìn)入合成塔中, 經(jīng)合成反應(yīng)之后生成得到氨氣。上述的過程是十分復(fù)雜的，氫氮的合成環(huán)節(jié)也是一復(fù)雜且難控的環(huán)節(jié)。對此環(huán)節(jié)能實現(xiàn)閉環(huán)的穩(wěn)定控制。此經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的，當(dāng)前對于合成氨的生產(chǎn)急要解決的該問題。此環(huán)節(jié)難控原因如下(1) 純滯后的時間大。由造氣工段進(jìn)入合成工段的間隔時間大概需要 20 到 25 分鐘，因為其通道太長，且加大了此系統(tǒng)時滯，據(jù)初步的估計該系統(tǒng)的純滯后時間約為 30 分鐘，然而氫和氮得合成過程卻是一化學(xué)變化

24、的過程。這就決定該系統(tǒng)時間常數(shù) T 不會很大，從而使得： (2-5)Tf遠(yuǎn)大于 1，如所周知,對于0.6 系統(tǒng)。PID 的調(diào)節(jié)器早已經(jīng)不能夠很好控制了，對于ff1 系統(tǒng)就更是無能為力，因此即使該自動控制的設(shè)備是很良好的 DCS，此環(huán)節(jié)自動閉環(huán)的穩(wěn)定控制還是不能夠?qū)崿F(xiàn)。(2) 無自衡和蓄存性。合成塔以三比一關(guān)系的消耗氫和氮，如果不是補(bǔ)充氣以三比一進(jìn)行補(bǔ)充，那么將有氫氣或氮氣的積累，這就是所謂對象無自衡性，已經(jīng)積累好的氫或氮將存在于循環(huán)氣中且不會自行的消失，這就是蓄存性。要消除積累好的氫或氮必須將一股和原積累方向相反的氫或氮去補(bǔ)充。(3) 擾動因素多。歸納起來有：原料油的田氣系統(tǒng)中的變換氣的流量、

25、氫的含量、氮氣的純度，以及為了降低該系統(tǒng)的壓力與惰性氣體的含量中弛放氣的流量等，還有很多其他不可測的干擾因素。實際生產(chǎn)表明：氫氮比是此裝置里最難控制的變量。利用常規(guī)的 PID 組成控制系統(tǒng)由于適應(yīng)能力較差，不能滿足該變量控制的要求。所以多年以來，此生產(chǎn)裝置氫氮尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-9-比控制大多是通過人工的調(diào)節(jié)，氫氮比控制一般在 2.83.2 合格。若用手動來控制，那么在裝置穩(wěn)定時可以收到滿意的效果，但是裝置情況將有變化，比如大的干擾發(fā)生或者處理量發(fā)生變化等，手動控制不能及時的跟蹤。這就使裝置在一段時期內(nèi)不穩(wěn)定，將必然影響該產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。.大多廠合格率僅有 43左右，

26、這嚴(yán)重影響了合成氨產(chǎn)量。綜合上述分析，氫氮比成為難控環(huán)節(jié)原因有二：一是該裝置的特性原因，它是一個復(fù)雜的大時滯環(huán)節(jié)；二是所用 DCS 的控制算法原因，即在 DCS 中其使用算法基本都是 PID，然而 PID 對于此大時滯的強(qiáng)干擾環(huán)節(jié)控制能力相當(dāng)?shù)牟?。第一個原因是客觀存在，工藝與裝置是不能夠做任何的改變。因此要解決此氫氮比控制問題。只有從第二個的原因下手，所以要用好的控制方案對該環(huán)節(jié)進(jìn)行一定控制。為此在理論與實踐上人們進(jìn)行了許多研究工作，試用了大量方法，但是效果都不太理想。無論是從理論還是實踐來講，尋求高性能的控制策略來構(gòu)成氫氮比計算機(jī)實時控制系統(tǒng)，以改善氫氮比環(huán)節(jié)的控制。 由于上述對象的特性，決

27、定了氫氮比控制系統(tǒng)的設(shè)計要克服大時滯和多種干擾，下面介紹幾種氫氮比控制方案，皆采用計算機(jī)控制的復(fù)雜控制回路。2.5 幾種控制方案的介紹2.5.1 氫氮比自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)本系統(tǒng)適用于以天然氣為原料的中小型合成氨系統(tǒng)，核心控制部件采用了OMRONSYSMAC 系列 PLC,上位機(jī)構(gòu)成實時監(jiān)控系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)具有控制準(zhǔn)確、可靠性高、功能強(qiáng)、觀察直觀、操作簡便等優(yōu)點.系統(tǒng)功能:氫氮比的自動調(diào)節(jié);補(bǔ)充氣體中，氫、甲烷的檢測和動態(tài)曲線分析;循環(huán)氣體中，氫、甲烷的檢測和動態(tài)曲線分析;合成系統(tǒng)壓力的檢測和動態(tài)曲線顯示;氣柜出口流量的檢測和動態(tài)曲線顯示;氣柜出口氫氣的檢測和動態(tài)曲線分析;工作流量的檢測和動態(tài)曲線顯示

28、。四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-10-系統(tǒng)壓力補(bǔ)充甲烷循環(huán)甲烷補(bǔ)充氫補(bǔ)充氫上位機(jī)出口氣體出口氣體1#爐工控2#爐工控3#爐工控5#爐工控4#爐工控氫氮比自調(diào)微機(jī)H2分析儀H2分析儀CH4分析儀CH4分析儀壓力變送器氣體流量計H2分析儀合成氣柜測量控制裝置CH4分析儀CH4分析儀CH4分析儀CH4分析儀CH4分析儀圖 2-3 氫氮比自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)系統(tǒng)原理:從合成實時采集補(bǔ)充氣體中的補(bǔ)充氫和甲烷，通過氫和甲烷分析儀到上位機(jī)檢測和分析;采集循環(huán)氣體中的循環(huán)氫、循環(huán)甲烷，通過氫分和甲烷分析儀到上位機(jī)檢測和分析;采集氣柜出口流量、氫氣成份到上位機(jī)進(jìn)行檢測和分析;采集工空氣體流量到上位機(jī)進(jìn)行檢測和分析根據(jù)采

29、集到的實時樣氣中的補(bǔ)充氫、循環(huán)氫、氣柜出口氫、工業(yè)空氣流量、氣柜流量，經(jīng)過對數(shù)據(jù)庫的分析與比較，預(yù)測氫氮比的漲躍情況，并得出加氮量或減氮量，通過上位機(jī)給出加減氮信號，經(jīng) PLC 給出控制信號到流量控制系統(tǒng)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，使實測曲線與最佳工況的理想曲線相吻合，從而達(dá)到氫氮比自調(diào)的目的。效益分析:利用此自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有利于轉(zhuǎn)化的平衡反應(yīng)，對 CO2、CO、殘余CH4、H2、N2 等氣體的穩(wěn)定性顯著提高。爐膛溫度、非催化溫度和觸煤層溫度波動小、穩(wěn)定?？杀苊馕锪媳仁д{(diào)、壓力波動、控制系統(tǒng)造成的超溫和析炭大幅度降低天然氣消耗，確保氫氮比穩(wěn)定，減少合成放氨量，增加合成氨產(chǎn)量。使觸煤層的壽命顯著延長。2.5.

30、2三回路串級調(diào)節(jié)控制方案 系統(tǒng)要求 氫氮比（H2/N2）控制在 2.80.1。尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-11- 該系統(tǒng)應(yīng)保證：增加負(fù)荷時先加原料氣，后加空氣；減負(fù)荷時先減空氣，后減原料氣。在任何情況下，空氣不能過量，以避免二段爐超溫而燒壞觸媒。 當(dāng)外界干擾不大于儀表全量程的 5%時，無需人為干擾，能自動調(diào)節(jié)，保證 H2/N2比在控制指標(biāo)范圍內(nèi)。 當(dāng)系統(tǒng)中的測量儀表出現(xiàn)故障或某過程的測量值超限時，系統(tǒng)應(yīng)能自動切換到安全狀態(tài)（DCS 控制） ，不影響最終輸出信號。原控制方案（DCS 實現(xiàn)）圖 2-4 原控制方案 合成氣的質(zhì)量分析儀 AT0 提出兩個信號 H2和 N2，兩個信號經(jīng)

31、過運算后得到氫氮四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-12-比 H2/N2，氫氮比控制的好壞，ARC6 的 OP 值作 ARC3 調(diào)節(jié)器的 RSP（遠(yuǎn)程給定）值。 ARC3 調(diào)節(jié)器的 PV 值來分析表的 AT1，它的前饋信號來自水碳比 W/C 比控制回路中的原料氣低選信號（前饋信號被切除） 。ARC3 的 OP 值作為 FRC3 調(diào)節(jié)器的RSP（遠(yuǎn)程給定）值。 FRC3 的 PV 值是由 FT101、TT101、PT101 通過溫壓補(bǔ)償運算后得來的，F(xiàn)RC3 輸出到 FV3 調(diào)節(jié)閥，控制加入系統(tǒng)的空氣量。 PRC48 是一個獨立的單回路調(diào)節(jié)器，它的輸出控制 101-J 的轉(zhuǎn)速，以保持 101-J 出口

32、壓力的穩(wěn)定。 回路的投用及切除，可按標(biāo)準(zhǔn)的串級回路進(jìn)行，不必考慮切換時的平衡及擾動問題。 依據(jù)現(xiàn)場工藝及工廠所提出要求,提出了三回路串級的調(diào)節(jié)控制方案。主回路為氫氮比的控制回路。輸入量是氫氮比實際值。氫氮比的給定值是由 DCS 通過通訊方式給出，輸出作為副回路的給定值；副回路為低變出口氫含量控制回路，輸入量為低變出口的氫含量，輸出作為次副回路的給定值；次副回路為空氣流量控制回路，輸入為空氣流量，輸出值經(jīng)通訊方式直接送給 DCS，再由 DCS 送給現(xiàn)場的空氣流量控制閥，同時提出三個對回路影響較大的量作為前饋量。氫氮比給定值A(chǔ)RC3.SPFRC3.SPARC3.PVH/N.PV22H.N.CH22

33、4FRC3.PY空氣原料氣一段轉(zhuǎn)換二段轉(zhuǎn)換高低變凈化壓縮合成氨AT0AT1ARC6ARC3FRC3FRC3.OPTD106圖 2-5 氫氮比控制原理圖普里森回流FRC1根據(jù)現(xiàn)場實際情況：第一回路時滯大約是 8 到 10 分鐘，第二回路時滯大約是 10到 15 分鐘，第三回路時滯很小。因此前兩個的回路因盡量保證在不超調(diào)情況下進(jìn)行很尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-13-慢的調(diào)節(jié)。且把前饋能加到副回路中，保證空氣的流量能及時的進(jìn)行調(diào)節(jié)。在介紹完上面的氫氮比控制方案后，上面的控制方案還存在許多不足之處，所以決定采用具有采樣前饋的串級控制系統(tǒng)，下面我來介紹一下該控制系統(tǒng)。2.5.3 采樣-

34、前饋、串級氫氮比控制系統(tǒng)從圖 2-5 可以看出，前饋信號是負(fù)荷變化，該信號與調(diào)節(jié)器 GCI 的輸出信號相乘，不是相加，是由工藝要求決定的，實際上這是一個變比值控制方案，或者是一個負(fù)荷跟蹤控制。SP空氣壓力負(fù)荷H2/N2副調(diào)GC1雙向限幅主調(diào)GC1低限高限副對象GP2主對象GP1運算單元 1運算單元 2運算單元 3圖 2-6 采樣-前饋、串級氫/氮比控制系統(tǒng)方塊圖從圖 2-6 可以看出，前饋信號是負(fù)荷變化，該信號與調(diào)節(jié)器 GCI 的輸出信號相乘，不是相加，是由工藝要求決定的，實際上這是一個變比值控制方案，或者是一個負(fù)荷跟蹤控制，用 2-7 圖說明其工作過程。從前向通道看是一個比值控制系統(tǒng)原料氣折

35、合成氫量作為主物料信號，乘上一個比值系數(shù) K，就得到空氣調(diào)節(jié)閥的輸入信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)閥，以得與總氫量成正比的氮量。由于某種干擾使氫氮比偏離給定值，則通過調(diào)節(jié) GCI 的輸出信號的變化來修正比值系數(shù) K，使氫/氮比值回到給定上來。四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-14-H2H/N22N2SPT0KGVGPGC1圖 2-7 比值部分方塊圖基于超馳控制軟保護(hù)思想，結(jié)合工藝過程，采取多種形式的保護(hù)措施，其中有定值雙向限幅和活限幅。定值雙向限幅是認(rèn)為地將采樣調(diào)節(jié)器的輸出信號限制在規(guī)定范圍內(nèi)，以免在比值信號不正常時，副調(diào)節(jié)器的給定值不正常?；钕薹矠楸ＷC系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)而設(shè)置，即在空氣流量信號出現(xiàn)異常情況時能

36、使空氣得流量保持在其工藝生產(chǎn)的過程中不至于停車的允許范圍內(nèi)，活限幅的低限值是由負(fù)荷量大小來確定的，高限值隨空氣壓力而變。為了克服大純滯后，采用了本身就具有抑制保護(hù)作用的采樣調(diào)節(jié)器。其基本的設(shè)計思想就是在一個適當(dāng)采樣周期內(nèi)，能根據(jù)偏差來預(yù)估出整個周期需要的控制作用。然后在實際采樣的接通時間 R 這樣一個較小的時間間隔（RT0）來完成整個控制周期T0 所需要的控制作用。其余時間(T0-R)調(diào)節(jié)器保持某個適當(dāng)?shù)妮敵鲋挡蛔?，等待下一個周期反映調(diào)節(jié)效果后來休正調(diào)節(jié)作用。尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-15-第第 3 章章 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)3.1 集散型系統(tǒng)的歷史和發(fā)展DCS 是繼

37、1969 年 PLC 問世后，由 HONEYWELL 公司在 1975 年首先推出的系統(tǒng)。即：TDC2000 它只含有模擬量的控制。隨后，相繼有數(shù)十家的美國儀表公司也推出了自己系統(tǒng)。同時，由于 DCS 高額利潤，使負(fù)責(zé)制造該傳動設(shè)備的公司與計算機(jī)的公司也開始涉及 DCS 的開發(fā)、生產(chǎn)。從不同方向發(fā)展起來的 DCS 在結(jié)構(gòu)上、軟件方面有些區(qū)別。儀表公司開發(fā)的 DCS的控制器的軟件部分比較符合儀表工程人員應(yīng)用的習(xí)慣，特別是組態(tài)方式比較方便。傳動公司設(shè)計的 PLC 部分比較好。計算機(jī)公司設(shè)計的 DCS 的人機(jī)界面比較友好。相繼出現(xiàn)的 DCS 有 MAX-1、RS3、MOD、N-90、D/3、WDPF

38、、MICRO、ECS-1200；日本橫河的YEPARK MARK、東芝的 TOSDIC；，英國的 P4000；德國的 TELEPERM、PROCONTROL P、瑞典的 AC210 等。在硬件結(jié)構(gòu)、軟件應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大約有三次比較大的變革。表現(xiàn)在操作站、DCS 網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線的出現(xiàn)三個方面。七十年代操作站的硬件、操作系統(tǒng)、監(jiān)控軟件都是專用的，由各 DCS 廠家自己開發(fā)的，操作站也沒有動態(tài)流程圖，只有文本顯示。通訊網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議基本上都是采用輪詢方式的，在網(wǎng)絡(luò)上設(shè)交通指揮器。八十年代就發(fā)生變化了，通訊網(wǎng)絡(luò)較多地使用令牌方式。九十年代操作站出現(xiàn)了通用操作站，打開了 DCS

39、形成的自動化“孤島”。自動化“孤島”的形成，既有歷史原因，也有商業(yè)原因，而更重要的是商業(yè)原因。九十年代末 DCS 通訊網(wǎng)絡(luò)有部分開始采用以太網(wǎng)。21 世紀(jì)初 DCS 和 MIS 系統(tǒng)相結(jié)合，組成綜合管理信息系統(tǒng)。DCS的信號送到全廠和存入工廠數(shù)據(jù)庫，供管理人員查詢。MIS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，載體采用光纖網(wǎng)和電話線網(wǎng)相結(jié)合的方式。傳輸數(shù)據(jù)多的地方采用光纖，數(shù)據(jù)少的地方用電話線，很像公共交通中的高速公路和國道聯(lián)合使用一樣。稱為對稱數(shù)字訂戶線（SDSL）技術(shù)。國內(nèi)已有非對稱數(shù)字訂戶線（ADSL）技術(shù)?？偟膩砜?，DCS 本身的 I/O 板變化主要體現(xiàn)在 I/O 板 A/D 的轉(zhuǎn)換位數(shù)。操作站的變化體現(xiàn)在

40、軟、硬件的改變，通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議的改進(jìn)?？刂破飨鄬碇v變化要小的多。它只是由于芯片水平的提高而作一些調(diào)整。功能塊的算法和組態(tài)方式是不變的。操作站主要表現(xiàn)在由專用機(jī)變化到通用機(jī)，監(jiān)控軟件由專用逐漸變化到通用。如普通微機(jī)（PC 機(jī)）和小型機(jī)、FIX 和 INTOUCH用于操作站。專用操作站的硬件在 90 年代初就被淘汰。四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-16-后來專用操作系統(tǒng)也被淘汰。目前許多 DCS 系統(tǒng)的操作系統(tǒng)采用 UNIX 或其變種，也有中、小系統(tǒng)采用 NT。相比較來看，UNIX 的穩(wěn)定性要好一些，采用 NT 系統(tǒng)死機(jī)現(xiàn)象發(fā)生較多。DCS 的另一個重要發(fā)展是：現(xiàn)場總線作為控制器的輸入、輸出。

41、把現(xiàn)場總線作為DCS 的輸入、輸出板，目的是解決遠(yuǎn)程信號的數(shù)據(jù)傳輸問題。如把 HART 總線做成 DCS的一種輸入板，可以有 16 個變送器連接在 HART 總線上。又如 LONWORKS 總線作為MOORE 的 353 回路控制器的輸入、輸出。把兩個控制回路的控制器的控制回路增加到25 個控制回路。同時還能有 100 個開關(guān)量。變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和 DCS 的控制器的距離可達(dá) 1 公里以上。不僅解決了遠(yuǎn)程信號的數(shù)據(jù)傳輸問題，還節(jié)省了連接電纜。3.2 系統(tǒng)概要DCS 即所謂的分布式控制系統(tǒng)，也稱為集散控制系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機(jī)控制系統(tǒng)。在本次設(shè)計中我選用了國內(nèi)和利時公司

42、開發(fā)的HS2000。HS2000 系統(tǒng)是一套分層分布式的大型綜合控制系統(tǒng)，它通過多層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將各種不同的設(shè)備掛在一起，實現(xiàn)各部分信息共享和協(xié)調(diào)工作，從而完成綜合控制與管理功能。系統(tǒng)適用于生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)裝置或生產(chǎn)過程以及工廠，企業(yè)的綜合生產(chǎn)過程管理的控制。3.3 系統(tǒng)構(gòu)成HS2000 系統(tǒng)分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)不同層次和規(guī)模的控制和管理任務(wù)，這種分層結(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng)的整體可靠性和效率，也使得系統(tǒng)的配置更為靈活，適應(yīng)于各種規(guī)模的控制和管理場合。3.3.1HS2000 系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元(1) 現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站主要由主控軟件和輔助組件構(gòu)成。主控組件包括主控模塊，I/O 模塊，系統(tǒng)電源

43、模塊，總線底板的插件箱。輔助組件除不包括主控模塊外，其余部分和主控組件一樣?，F(xiàn)場控制站主要完成現(xiàn)場信號的輸出輸入及回路控制。一個現(xiàn)場控制站由一個主控組件及 03 個輔助組件構(gòu)成。(2) 操作員站尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-17-操作員站由工控機(jī)（IPC）及操作員站軟件構(gòu)成，它主要完成系統(tǒng)與操作員之間的人機(jī)界面功能，包括現(xiàn)場狀態(tài)的顯示，報警，報表及操作命令的執(zhí)行等功能。(3) 工程師站工程師站由 IBM PC 兼容微機(jī)及工程師組態(tài)軟件構(gòu)成，它主要完成 HS2000 系統(tǒng)的配置，控制回路組態(tài)及下裝目標(biāo)運行系統(tǒng)到操作員站和現(xiàn)場控制站的功能。工程師站中裝載了操作員軟件后也可以作為操作

44、員站使用。3.3.2HS2000 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)HS2000 系統(tǒng)分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完成其特定的功能：(1) 管理協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò) MNETMNET 為 HS2000 系統(tǒng)的最高一級網(wǎng)絡(luò)，配置在 HS2000L 大型系統(tǒng)中，功能如下：完成不同裝置之間的協(xié)調(diào)控制，數(shù)據(jù)通信;企業(yè)內(nèi)多組裝置的管理數(shù)據(jù)通信;大型工業(yè)過程不同部分間的協(xié)調(diào)控制;MNET 為開放標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)絡(luò)，采用諸如 TCP/IP、Ethernet 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及 Novell 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);通信介質(zhì)采用光纖或同軸電纜;通信速率10Mbps;通信距離-20 公里。(2) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) SNETSNET 是連接 HS2000 系統(tǒng)中操作員站，I

45、/O 站和工程師站的干網(wǎng)，配置在HS2000M 中型系統(tǒng)中，應(yīng)用于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)，功能如下：由 I/O 現(xiàn)場控制場向操作員站的數(shù)據(jù)傳輸;由 I/O 現(xiàn)場控制場間的數(shù)據(jù)傳輸，以滿足大范圍協(xié)調(diào)控制的需要;操作員站和工程師站向現(xiàn)場 I/O 控制站的組態(tài)數(shù)據(jù)或控制指令的傳遞;保持各操作員站之間數(shù)據(jù)的一致性。SNET 采用雙冗余結(jié)構(gòu)，在任何一條網(wǎng)絡(luò)失效的情況下都不會影響通信功能，從而大提高了通信的可靠性。網(wǎng)絡(luò)的冗余從板級作起;采用工業(yè)令牌總線協(xié)議（Token Bus） ，符合 IEEE802.4 標(biāo)準(zhǔn);傳輸速率 2.5Mbps;傳輸最大距離 6.5km;傳輸介質(zhì)采用隔離同軸電纜或光纜;網(wǎng)絡(luò)上最大節(jié)點

46、數(shù)為 32 個。(3) 控制網(wǎng)絡(luò) CNETHS2000 系統(tǒng)的一個突出特點是 I/O 站內(nèi)采用了目前國際工控界較為先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，即各個 I/O 組件之間及各組件內(nèi)部的各模塊之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系采用了網(wǎng)絡(luò)通信，而不是傳統(tǒng)的并行總線，這樣做的優(yōu)點有：四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-18-各 I/O 模塊之間相對獨立，功能進(jìn)一步分散，其中的某模塊出現(xiàn)故障不會影響其它模塊；而在過去的并行總線結(jié)構(gòu)中，如果某塊模塊出現(xiàn)故障，特別是總線接口部分出現(xiàn)故障，則故障很難隔離，經(jīng)常導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)連接各模塊，有利于提高系統(tǒng)配置的靈活性。網(wǎng)絡(luò)連接很容易將各I/O 組件分散到現(xiàn)場，從而提高了系統(tǒng)的 I/O 處理

47、能力并縮短信號電纜的長度。HS2000 系統(tǒng)的 CNET 采用國際最新流行的 CAN BUS（控制局域總線） ，它具有以下特點：支持多主結(jié)構(gòu);可以與各種微處理器連接;提供優(yōu)先級控制，實時性強(qiáng);具有很強(qiáng)的錯誤識別和處理能力;支持點對點發(fā)送和廣播發(fā)送功能;可編程傳輸速率：1Mbps;工業(yè)工作溫度：-4085。尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-19-第 4 章 DCS 在合成氨氫氮比的應(yīng)用4.1 系統(tǒng)概述本系統(tǒng)用于實現(xiàn)氫/氮比控制系統(tǒng)的自動控制。主要控制內(nèi)容是根據(jù)合成氨廠的生產(chǎn)工藝，合成氫氮比的控制，被控參數(shù)為合成工段合成塔內(nèi) H 與 N 的比例，控制參22數(shù)為造氣工段造氣爐加入的氮空氣

48、量，氫/氮比自動調(diào)節(jié)實質(zhì)上是以造氣爐的制氣強(qiáng)度和質(zhì)量為主，以造氣過程加入的氮空氣量為輔的自動配氮系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)合成氨中二段轉(zhuǎn)化爐中氫氮比控制系統(tǒng)的自動控制?？刂苹芈肪哂星梆?、采樣、串級氫氮比控制功能。采集點數(shù)模擬量，開關(guān)量，還要求在線顯示主要工藝流程畫面，重要參數(shù)（空氣壓力，流量，溫度;天然氣壓力，流量，溫度等）前推 6 小時，24 小時的在；歷史曲線顯示，運程手操作器的手動/自動切換操作，各種報表的打印，報警點的記錄及打印。 4.1.1 系統(tǒng)軟件名稱MS-DOS 6.20 作用是運行系統(tǒng)軟件;Window 2000/XP 作用是組態(tài)系統(tǒng)軟件;HS2000分布式控制軟件。其中 HS2

49、000 分布式控制系統(tǒng)軟件包括：I/O 控制站軟件，操作員站軟件，工程師軟件。工程師站組態(tài)軟件有以下內(nèi)容：LNK.EXE（系統(tǒng)管理軟件） ，REF.EXE（引用生成軟件） ，DBS.EXE（數(shù)據(jù)庫生成軟件） ，F(xiàn)BD.EXE（功能塊圖生成軟件） ，LAD.EXE（梯形圖生成軟件） ，STL.EXE（計算公式生成軟件） ，HDB.EXE（歷史庫生成軟件） ，GRP.EXE（圖形生成軟件） ，RPT.EXE（報表生成軟件）。4.1.2 控制回路要求及實現(xiàn)氫氮比控制系統(tǒng)的 SAMA 圖見附錄 2 附圖 1-1。(1) 二段轉(zhuǎn)化爐中 H 與 N 用一臺工業(yè)色譜儀分析、檢測，然后得到氫/氮比；原料氣22

50、流量用流量計檢測；空氣壓力由壓力計檢測。(2) 氫氮比調(diào)節(jié)是一采樣-前饋串級 PID 控制系統(tǒng)，主回路采用的是采樣調(diào)節(jié)器，它根據(jù)偏差預(yù)估出整個周期所需要的控制作用，然后在實際采樣器的接通時間 R 這樣一個較小的時間間隔（R1/2 1/2 0 。然后確定副被控過程的 Ko2，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 Ko2 0 。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù) (即增益)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器 K 20 ，副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。 主調(diào)節(jié)器作用方式的確定： 爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 Ko1 0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積

51、必須為正，所以副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K 1 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。 在圖 2-6 的串級控制系統(tǒng)框圖中可以看到，由于副回路可以簡化成一個正作用方式環(huán)節(jié)，主對象作用方式為正，主測量變送環(huán)節(jié)為正。根據(jù)單回路控制系統(tǒng)設(shè)計中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計原則，即閉環(huán)各環(huán)節(jié)比例度乘積必須為正，故主調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器。四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-34-第 5 章 結(jié)束語氨在合成工序氫氮比是關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一，氫氮比控制好壞與生產(chǎn)安全和全裝置的經(jīng)濟(jì)效益都直接相關(guān)。由于工藝特性，氫氮比具有干擾因素多，大時滯和無自衡等特性，所以是一種較難控制的工藝參數(shù)。長期

52、以來化工合成氨界，對如何解決該問題提出了很多的設(shè)計方案，但效果都不是很好。以天然氣為原料的大型氨廠為例，由工藝流程看，合成系統(tǒng)的氫氮比是采用以氫定氮方案，即通過改變二段轉(zhuǎn)化爐能加入多少空氣量來進(jìn)行一定調(diào)整的。從空氣量的加入，經(jīng)過二段轉(zhuǎn)化爐，變換爐，脫碳系統(tǒng)，甲烷化，壓縮至最后再進(jìn)入合成循環(huán)回路，經(jīng)歷了全流程，它的傳遞時間很長，因而具有很大的純滯后。另外一方面，對二段轉(zhuǎn)化爐加入空氣量的調(diào)整，經(jīng)過一系列反應(yīng)裝置后，可使甲烷化爐出口的新鮮氣氫/氮比發(fā)生變化，但在進(jìn)入循環(huán)回路后，還需經(jīng)過相當(dāng)長的時間才能使進(jìn)入合成塔氣體中的氫氮比發(fā)生真正的變化，這說明它的慣性滯后也很大。本文針對合成氨工業(yè)氫/氮比控制系

53、統(tǒng)干擾因素多、大時滯和無自衡等特性。提出利用采樣-前饋、串級控制系統(tǒng),控制該環(huán)節(jié)的方法?；诔Y控制軟保護(hù)思想，結(jié)合工藝流程，采取多種形式的保護(hù)措施，其中有定值雙向限幅和活限幅。為了克服大純滯后，采用了本身就具有的抑制保護(hù)作用的采樣調(diào)節(jié)器。對于主態(tài)，采用了 HS2000 系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套分層分布式的大型綜合控制系統(tǒng)，通過多層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將各種不同的設(shè)備掛接在一起，實現(xiàn)各部分信息共享和協(xié)調(diào)工作，從而完成綜合控制與管理功能。由于 HS2000 系統(tǒng)以三層網(wǎng)絡(luò)為主的分布分層結(jié)構(gòu)，給系統(tǒng)配置帶來了極大的伸縮性和靈活性。用戶可以根據(jù)自動化系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，選擇三種不同規(guī)模的系統(tǒng)配置。對集散 HS2000 系

54、統(tǒng)對系統(tǒng)硬件配制、工程組態(tài)后，發(fā)覺自己對該系統(tǒng)的熟悉程度還不夠，還有一些外界干擾沒有考慮進(jìn)去，可能不能達(dá)到最佳理想狀態(tài),但系統(tǒng)的運行效果明顯改善。尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-35-致 謝在畢業(yè)設(shè)計完成之時，首先要感謝我的指導(dǎo)老師干樹川，是他在我畢業(yè)設(shè)計過程中，耐心細(xì)致的講解和指導(dǎo)，給予了我莫大的幫助和支持，也讓我在設(shè)計的過程中學(xué)到了很多的東西，對設(shè)計中所需用到的知識的理解更加得深了。使我順利地完成了畢業(yè)設(shè)計。此外，我還要對在這次設(shè)計中，幫助和支持我的同學(xué)，表示感謝！ 同時，我要感謝在大學(xué)四年里教育和幫助我的所有老師，是你們無私和奉獻(xiàn)讓我在獲得了知識的同時，也學(xué)會了做人的道理，

55、讓我走好了踏向社會的第一步。也要感謝與我同窗四年的同學(xué)的關(guān)心，幫助和支持，是你們讓我的大學(xué)生活過得豐富多彩，也讓我很順利地完成了大學(xué)的學(xué)業(yè)。 此外，我還要對在這次設(shè)計中，幫助和支持我的同學(xué)，表示感謝！四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-36-參考文獻(xiàn)1. 王常力.集散控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社，1993.2 王常力.集散控制系統(tǒng)選型與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社，1993.3 趙育祥.合成氨生產(chǎn)工藝M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005,06.4 周澤魁.控制儀表與計算機(jī)控制裝備M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002,09.5 王常力.工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，1

56、9926 HS2000 系統(tǒng)工程師手冊7 岳秀梅.DCS 在我國中型氮肥廠的應(yīng)用.計算機(jī)世界，1994.7.208 于遵宏.大型合成氨廠工藝過程分析M.北京：中國石化出版社，19939 左國慶.DCS 在我國大型氨廠的應(yīng)用情況M.化工自動化及儀表，1994.110 黃步余. 分散控制系統(tǒng)在工業(yè)過程中的應(yīng)用M.北京：中國石化出版社，199411 D R Land, Select the Right Distributed Control System, Measurement and Control, 5, 1991 12 D. Popovic,V. P. Bhatkar, Distribute

57、d Computer Control for Industrial Automation, Marcel Dekker Inc. 1991.13 Shanley A. Advanced Process Control. Chem. Eng,1995.5尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-37-附 錄附錄 1附表 1-1 模擬輸入量信號測點清單格式序號儀表漢字說明工程單位量程上限量程下限轉(zhuǎn)換類型報警級別報警方式報警上限報警下限報警死區(qū)顯示上限顯示下限開方標(biāo)志初始值冗余標(biāo)志巡檢周期站號 設(shè)備號通道號點名端子號1空氣壓力MPa2500標(biāo)準(zhǔn) 普通 顯示 250002500011011PT10

58、12空氣流量m /h320000標(biāo)準(zhǔn) 普通 顯示 20000020000011012FT101 3空氣溫度10000標(biāo)準(zhǔn) 普通 顯示 10000010000011013TT1014原料氣流量m /h320000標(biāo)準(zhǔn) 普通 顯示 2000002000 0011014FT1025原料氣壓力MPa2500標(biāo)準(zhǔn) 普通 顯示 250002500011015PT1026原料氣溫度10000標(biāo)準(zhǔn) 普通 顯示 10000010000011016TT1027主回路氫氮比1000標(biāo)準(zhǔn) 普通 顯示 100001000011017 K1018四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-38-附表 1-2 模擬輸出量測點清單格式序號

59、儀表位號漢字說明工程單位操作記錄單位量程上限量程下限信號類型手動置值冗余標(biāo)志初始巡檢站號設(shè)備號通道號點名端子號1PID1 輸出氫氮比值存盤1000標(biāo)準(zhǔn)001021K1022滯后原料氣流量存盤20000標(biāo)準(zhǔn)001022FT10334附表 1-3 開關(guān)輸入量測點清單格式序號儀表位號漢字說明信號類型操作記錄報警級別報警屏蔽報警定義置 0說明置 1說明初始值巡檢周期站號設(shè)備號通道號點名端子號1切換開關(guān)投自動開入不普通0 報警斷開閉合001031DI1012手操作器投自動開入不普通0 報警斷開閉合001032DI1023空氣閥調(diào)節(jié)開入不普通0 報警斷開閉合001033DI1034尹恒：基于 DCS 的氫

60、氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-39-附表 1-4 開關(guān)輸出量測點清單格式序號儀表位號漢字說明信號類型操作記錄報警級別報警屏蔽報警定義置 0說明置 1說明初始值 巡檢周期站號設(shè)備號通道號點名端子號1切換開關(guān)切自動開出存盤普通1 報警正常報警0巡檢1041DO1012手操作器切自動開出存盤普通1 報警正常報警0巡檢1042DO10234四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-40-附表 1-5 工程師站配置表站名工程師站站號10#（共一站）配置內(nèi)容型號（規(guī)格）數(shù)量單位主機(jī)系統(tǒng)P4；20GMHz；內(nèi)存 512M；硬盤 80G;3.5M 軟驅(qū)1臺CRTSAMSUNG 20 顯示器1臺打印機(jī)CR-STAR CR-3240

61、1臺專用鍵盤AX7012 防水鍵盤1個軌跡球HS2000 系統(tǒng)自帶軌跡球1個網(wǎng)卡HS2F201塊操作臺HS2000 操作臺1個填表人批準(zhǔn)人附表 1-6 操作員站配置表站名工程師站站號10#（共一站）配置內(nèi)容型號（規(guī)格）數(shù)量單位主機(jī)系統(tǒng)P4；20GMHz；內(nèi)存 512M；硬盤 80G;3.5M 軟驅(qū)1臺CRTSAMSUNG 20 顯示器1臺打印機(jī)CR-STAR CR-32401臺專用鍵盤AX7012 防水鍵盤1個軌跡球HS2000 系統(tǒng)自帶軌跡球1個網(wǎng)卡HS2F201塊操作臺HS2000 操作臺1個填表人批準(zhǔn)人 尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-41-附表 1-7 現(xiàn)場控制站硬件配置

62、表站名現(xiàn)場控制站站號冗余否備注機(jī)籠槽號功能板調(diào)理板端子板冗余儀表電源0HS2F71*空空雙冗余儀表電源 24v1HS2F71*空空2HS2F71*空空 現(xiàn) 場 電 源3空空空主控單元/主控模塊集線器/光端機(jī)0HS2F70*空空雙冗余系統(tǒng)電源1HS2F80*空空雙冗余 CPU 單元2HS2F80*空空3HS2F40HS2T42HS2T3016 路 AI,需 24V 電源4HS2F40HS2T42HS2T305HS2F41HS2T46HS2T3016路AO，需24V供電6HS2F41HS2T46HS2T300HS2F70*空空冗余系統(tǒng)電源1HS2F80*空空雙冗余CPU單元2HSF80*空空3HS

63、2F40HS2T42HS2T3016路AI4HS2F40HS2T42HS2T305HS2F41HS2T46HS2T3016路AO，需24V供電 1# 機(jī) 籠6HS2F60HS2T60HS2T30其他填表人尹恒審核人批準(zhǔn)人四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-42-附錄 2t2t1附圖 1-1 氫氮比控制SAMA 圖Lsp2 給定值Lsp1 給定值H/K THACK1B2T86A/MTK THACKH/345F(x)ZTT7氫氮比空氣壓力空氣流量原料氣流量AK101FP101FT101FT102尹恒：基于 DCS 的氫氮比控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計-43-附圖 1-2 氫氮比控制系統(tǒng)組態(tài)四川理工學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文-44-附圖1-3 邏輯控制組態(tài)圖