低浓度有机废气催化燃烧工艺过程自动控制设计毕业设计论文(编辑修改稿)

低浓度有机废气催化燃烧工艺过程自动控制设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

制等领域，国外很多高校在教学与研究中都将 MATLAB/Simulink 语言作为首选的计算机工具。 我国的科学工作者和教育工作者也逐渐认识到 MATLAB 语言的重要性，并且在很多高校的本科 自动控制原理实验教学中得到应用 [2,3,4]。 在自动控制领域里的科学研究和工程应用中有大量繁琐的计算与仿真曲线绘制任务，给控制系统的分析和设计带来了巨大的工作量，为了解决海量计算的问题，各种控制系统设计与仿真的软件层出不穷，技术人员凭借这些产品强大的计算和绘 图功能 ， 使系统分析和设计的效率得以大大提高。 然而在众多控制系统设计与仿真软件中， MATLAB 以其强大的计算功能、丰富方便的图形功能、模块化的计算方法，以及动态系统仿真工具 Simulink，脱颖而出成为控制系统设计和仿真领域中的佼佼者，同时也成为了当今 最流行的科学工程语言 [5,6]。 MATLAB 是 MathWorks公司于 1982年推出的 一 套高性能的数值计算和可视化软件。 它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面友好的用户环境。 它还包括了 ToolBox（工 具箱 ） 的各类问题的求解工具，可用来求解特定学科的问题。 MATLAB 所具备的强有力的计算功能和图形表现，以及各种工具箱提供的丰富的专用函数，为设计研究人员避免重复繁琐的计算和编程，更快、更好、更准确地进行控制系统分析和设计提供了极大的帮助。 MathWorks 公司于 2020 年 4 月发布了 MATLAB 的最新版本 ——2020a(R2020a) 版 MATLAB 和 Simulink 产品系列。 该版本的核心在于引入了新一代的代码生成产品： MATLAB Coder、 Simulink Coder 和 Embedded Coder。 仿真模型与监控平台间的通讯技术 根据现有资料， Matlab 和监控组态软件之间的数据交换方法有很多种，其中以动态数据交换 DDE 为主，动态数据交换是 Windows 系统中支持进程间的通信机制，它是以共享内存来实现数据交换的。 大量的文献表明了采用 DDE 数据交换技术实现组态软件和 MALAB 的数据通信的有效性。 但 DDE 存在的缺陷是：当通讯数据大时，数据刷新速度慢，容易出现死机现象； DDE 本身的窄带宽，第一章 绪论 5 并不非常适用于实时交换系统，而这种实时系统却为自动化控制所必需。 OPC以其独有的开放性、互连性、高效性和产业性占据了主导地位。 OPC 是 OLE for Process 的缩写，即把 OLE 应用于工业控制领域，采用客户 /服务器体系。 在工业过程的实际应用中，大多数监控组态软件都拥有开发商自主开发的专有实时数据库和历史数据库。 如果要访问这些数据库，以前必须要编写相应的代码程序调用开发商提供的 API 函数或其他特殊方式来实现。 随着 OPC 技术的广泛应用，国内流行的监控组态软件，如 RSVIEW3 Ifix、 WinCC、 MCGS、 Kingview 等全面支持 OPC 技术，即这些组态软件提供了可以访问数据库的 OPC 服务器，任一客户端无需了解接口特性，只要按照 OPC 规范编写客户端服务程序即可读取和写入监控组态软件实时数据库中的数据。 化工过程集成监控软件 组态软件的应用领域很广，它可以用于电力系统、给水系统、石油、化工等数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。 随着工业自动化水平的提高，以及计算机技术的广泛 应用，人们对工业监控软件的通用性和灵活性提出了更高的要求。 组态软件 (configuration software)是指一些数据采集与过程控制的专用软件。 它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简洁的使用方法，其设置的各种软件模块可以非常容易的实现和完成监控层的各项功能，为自动化工程技术人员提供了一种设计控制策略及控制界面的工具。 WinCC(windows control center)是由德国西门子公司与微软公司共同开发的软件系统，是结合西门子在过 程自动化领域中的先进技术和计算机软件强大功能的产物。 WinCC 是一个功能强大、接口丰富的监控系统，既可以用来完成小规模、简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。 WinCC 将 Windows NT应用程序的现代体系结构与使用方便的图形设计程序结合在一起，可以很方便地生成人机界面，建立完整的过程监控解决方案。 WinCC 监控平台设计软件有着 通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案； 拥有 多语言支持，全球通用 ； 它 可以集成到所有自动化解决方案内 ， 内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态 ， 可基于 Web 持续 延展，采本科毕业设计 6 用开放性标准，集成简便； 而且它 集成的 Historian 系统 可以 作为 IT 和商务集成的平台 ， 可用选件和附加件进行扩展，适用于所有工业和技术领域的解决方案。 WinCC 监控平台设计软件 集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。 WinCC 提供了所 有最重要的通讯通道，用于连接到 SIMATIC S5/S7/505 控制器 (例如通过 S7 协议集 )的通讯，以及如 PROFIBUSDP/ FMS、 DDE(动态数据交换 )和 OPC， (用于过程控制的 OLE)等非专用通道；亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。 WinCC 在其基本系统内集成 了 基于 Microsoft SQL Server 2020 的功能强大、可延展的 “Historian”系统，并以跨公司 “Historian”服务器的形式用作中央信息交换系统。 不同的评估用客户机、开放性接口 (开放性数据库接口： ADO， OLEDB，SQL；编程接口： VBScript 和有访问 COM 对象模型和 API 功能的 ANS I C)以及各种任选件 (WinCC/Dat @Monitor, WinCC/Connectivity Pack， WinCC, Industrial Data Bridge)构成了灵活而高效的集成 监控平台 的基础 ， 这样就可以与生产和公司管理层软件 (MES 和 ERP)相连接。 第一章 绪论 7 本科毕业设计 8 第二章 低浓度有机废气催化燃烧的 工艺简介与特性分析 低浓度有机废气催化燃烧工艺流程 透平后待处理的低温尾气与催化燃烧处理后高温尾气在换热器 中进行热量交换，待处理的低温尾气升温后再经电加热器加热到 320℃ 左右，加热后的尾气送入催化燃烧反应器，去除尾气中的有机组分。 催化燃烧处理后高温尾气将热量传递给处理的低温尾气后，经尾气洗涤塔洗涤后由尾气洗涤塔放空烟囱排入大气。 催化燃烧反应器换 热 器电 加 热 器透 平 后 尾 气尾 气 洗 涤 其中， PTA 尾气 处理规模为 1000kg/h， 乙酸甲酯处理效率 99%，苯及其同系物处理效率 99%，溴化物处理效率 95%。 其主要设备为：催化燃烧反应器 1个，板式换热器 1 个，电加热器 1 个。 催化燃烧反应器换 热 器电 加 热 器透 平 后 尾 气尾 气 洗 涤 第二章 低浓度有机废气催化燃烧的工艺简介与特性分析 9 低浓度有机废气催化燃烧 工艺装置特性 催化燃烧 过程是一个具有干扰、非线性、时变、多变量的复杂过程，在进行控制系统设计之前有必要针对对象进行特性分析。 整个装置主要涉及到的工艺参数为：温度，流量，压力等。 根据各对象的不同动态特性，我们采用不同的控制方法。 温度特性 在此工艺装置中，温度检测包括进出 废气出电加热器的 温度， 催化燃烧反应器 的温度。 就检测手段来说，包括接触式检测与非接触式检测。 一般来说，温度的惯性很大，容量滞后大，有的过程时间常数能达十几分钟。 再者，各温度被控对象之 间的耦合性很强，往往控制某一温度对象时会引起其它温度对象的变化[7]。 因此，征对温度迟滞大的特性，我们要在温度控制系统中增加微分作用。 在该对象中，主要的控制要求是保持 电加热器 出料温度与 反应器温度 的恒定。 压力特性 在此装置中，压力的检测包括各个泵口的压力以及 反应器 的压力。 此对象中包括了两类常见的类型：一是管道压力；二是具有一定容量的气罐压力。 对于前者而言，管道容积较小，时间常数较小，控制比较灵敏，一般不需要加入微分作用。 对于后者而言，虽然体积和容量较大，动态特性的时间常数较大，但相对温度对象而言还 是有一定得灵敏性，所以一般也不需要加入微分作用 [7]。 流量特性 在此工艺装置中，流量检测包括 废气进料浓度，废气进催化燃烧反应器流量等。 流量的测量容易受到噪声的干扰，流量本身可能是平稳的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是频繁的变动。 这是由于管道中的流动正常时都呈现湍流状态，流量虽然平稳，流体内部却在骚动。 特别是流体通过截流装置时，此种骚动程度比较大，产生的噪声也较大。 噪声是一种频率很高，变化无常的流体本科毕业设计 10 流动。 这是流量控制系统不能加微分的原因。 由于噪声频率很高，虽然幅度变化不大，但若加上微分控 制器其输出容易出现波动，反而使系统不稳定。 流量过程时间常数很小。 当手动调整阀门时，流量在较短时间内就能变化完毕，反应比较灵敏。 对于流量而言，广义对象的时间常数主要取决与控制器，定位器，变送器和信号传输等部分，流量自身的时间常数相对较小 [8]。 催化燃烧 工艺扰动分析 和其他化工过程一样， 燃烧 过程是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行的。 一切影响 催化燃烧反应的 因素均通过物料平衡和能量平衡进行。 影响物料平衡的因素主要包括进料量和进料成分的变化 及催化剂进料 的变化。 影响能量平衡的因素主要包括进料温度或者热熵的变 化、 换热器 和 电加热器加热量 的变化以及反应器 的环境温度的变化等 [9,10]。 物料平衡和能量平衡之间有相互影响。 各种扰动因素有可控的，也有不可控的。 进料流量与进料成分 进料流量是上工序的出料，因此，通常是不可控但可测的，当进料流量变化较大时，对 后续 的操作会造成很大的影响。 这是，可以将进料流量 和废气出料浓度组成串级控制。 当进料流量需要定值控制时，从工艺的角度看，有时需要增加中间储罐或者容器，以便缓冲上一工序的出料量。 从控制角度讲，可以采用均匀控制策略，使进料流量基本恒定的同时，对上一工序的操作不造成较 大的影响。 进料流量影响物料平衡，也影响能量平衡。 因此，控制策略因保持流量基本恒定；进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常是不可控的，多数情况下也难于测量。 因此，控制策略是尽量控制上一工序的操作，从外围入手，使进料成分保持恒定见小其变化对于 后续催化燃烧反应 的影响 [1]。 进料温度或者进料热熵 进料温度影响 废气处理过程 的能量平衡。 进料温度一般是可控可测的，多数情况下，进料温度较恒定，因此控制策略是不进行控制。 当进料需要经过换热器第二章 低浓度有机废气催化燃烧的工艺简介与特性分析 11 预热后进入时，由于进料的状况可以气态的，因此，可以出现进料熵的变 化，这是，控制策略是才用热熵控制，保证进料热熵的恒定。 催化剂进料的流量 催化剂浓度影响着催化燃烧的反应速率， 催化剂实质上是参加了化学反应的，我所以在反应物充分的条件下，催化剂的量越多，浓度越高，与反应物接触的量就越多，单位时间内产生的中间物就越多，得到的最后产物就越多，但前提必须是加入的所有催化剂都要与反应物能充分接触，才会使 化学反应速率 越大。 因此，可以将催化剂进料和反应器温度组成串级控制，同时废气进料作为前馈控制。 本科毕业设计 12 第四章 控制方案仪表硬件选型 13 第三章 催化燃烧 工艺控制方案设计 控制目标分析 在正常工况过程中，根据工艺要求和装置特性 可以设计催化燃烧 工艺控制方案可将控制任务分为四大部分：正常工况回路说明与控制目标常规回路控制；节能控制；安全控制。 如下表 31 给出了正常工况回路说明与控制目标。 回路说明 控制目标 E101 流量 控制 控制 进气流量相对恒定，保证热交换后的温度达到一定值 H101 加热温度 控制 保证加热温度恒定 D101 催化剂 进料量控制 保证 催化剂进料量，控制产品质量 D101 温度 控制 保证 塔温 相对恒定 管道流量控制 保证 管道流量 相对恒定 节能控制 在满足工艺要求的同时，尽量降低能耗 安全控制 保证工序的正常安全运行，故障报警 表 31 正常工况回路说明与控制目标 被控变量与操作变量的选择 分析系统的控制要求与控制目标，可知 反应器温度 、 压力，废气进料量 ， 电加热器温度 ，等为被控变量。 被控变量与操纵变 量的选择如表 3 33 所示。 被控变量 位号 名称 单位 F1 FT1001 E101 废气进料流量 Kg/h F2 FT1002 E101 处理后废气出料流量 Kg/h F3 FT1003 回。