基于plc氨合成塔设计

基于plc氨合成塔设计内容摘要：

工段 是合成氨生产中的重要环节 ,精制后的氮、氢混合气在高温、高压并有催化剂的条件下在合成塔中进行氨合成反应。 由于受反应平衡的影响 ,混合气不可能全部转化为氨。 采用冷冻的方法将已合成的氨分离 ,然后在未反应的混 合气中补充一定量的新鲜气进行循环 ,继续反应。 控制合成塔触媒热点温度是确保氨合成反应高产低耗、安全生产的关键。 合成 工段 是合成氨生产中的重要 环节 ,精制后的氮、氢混合气在高温、高压并有催化剂的条件下在合成塔中进行氨合成反应。 由于受反应平衡的影响 ,混合气不可能全部转化为氨。 采用冷冻的方法将已合成的氨分离 ,然后在未反应的混 合气中补充一定量的新鲜气进行循环 ,继续反应。 控制合成塔触媒热点温度是确太原科技大学毕业设计（论文） 8 保氨合成反应高产低耗、安全生产的关键。 课题来源及主要任务 1. 课题来源 在化工厂参观实习后，掌握了合成氨工艺流程和设备的相关知识。 对我国合成氨现有生产技术有了大概了解。 通过阅读大量有关文献，结合自己在大学期间所学的基本知识， 基本掌握了氨合成塔温度 控制 系统。 根据本人实际情况提出了本课题。 2. 课题的主要任务 氨合成塔 的温度自动控制系统的基本任务是在满足生产工艺的温度要求前提下，实现原料气的最大利用、 合成氨 最理想产量的目的。 生产过程要求 合成效率高，系统稳定，能源和原料利用率高，触媒寿命要长。 由于目前我国 中小型合成氨厂 的 实际 生产中还采用的是手动的人工操作，劳动强度大且温度控制效果不好，常常 不可避免 会引起一些事故，为解决诸如此类的问题，急需研究并应用一种有效 的 温度控制策略。 太原科技大学毕业设计（论文） 9 第 2 章 各种控制策略的介绍 反馈控制 目前 ，最基本也 是应用最广泛的控制系统是反馈控制系统，它由被控对象 、测量变送环节 、 反馈控制器以及末端执行机构组成 （ 见图 21） ， 实现对被控变量的定值或跟踪控制。 图 21单回路控制系统原理图 反馈控制器的作用是 将测量信号与设定值相比产生偏差信号，并按照一定的运算规律产生输出信号，用来操纵末端执行元件。 下面介绍三种基本的反馈控制模式 ：比例控制（ P） 、 比例积分控制 (PI) 、 比例积分微分控制（ PID）。 1. 比例控制作用 比例控制器的输出与偏差成比例 ，其关系 如式（ 21）所示。 omspcoc utytyKuteKtu  )]()([)()( （ 21） 式中， )(tu 为控制器的输入信号； )(te 为设定值 )(tysp 和测量值 )(tym 之差； cK 为控制器的增益，通常无量纲；偏置 ou 是控制器的稳态输出，反应了比例控制的工作点。 比例控制器的传递函数表达式为 式（ 22）所示。 )()( sKsG cc  （ 22） 理想比例控制器的输出特性对于控制器的输出没有物理限制，而实际的控制器是具有物理限制的，当输出达到上限 或者下限，控制器就饱和了。 太原科技大学毕业设计（论文） 10 比例控制器增益调整的基本矛盾：稳定程度与控制精度的矛盾。 cK 增加能使控制精度提高，但稳定程度变差。 cK 参数的整定，就是对这两项指标在作权衡。 纯比例控制器有一个缺点就是当设定值改变后总是存在一 定的余差。 因此在实际使用中常采用带有积分作用的控制器。 不过对于那些允许余差存在的应用，纯比例控制器往往由于它的简单而得到青睐。 例如，对于一些储罐的液位，只希望保持储罐中的液位不会溢出且不会干涸，因此只需要将液位控制在一定的上下限之间即可，这时采用纯比例控制器将是一个不错的选择。 2. 比例积分控制作用 积分作用的输出是误差相当于时间的积分 ，如式（ 23）所示。 )()(1)()(0 tdeTtututio   （ 23） 式中 ， Ti 为积分 时间。 积分作用的一个优点就是能消除余差。 如果偏差为零，则积分控制器的输出不变。 偏差 不为零时，偏差积分后使控制器的输出 )(tu 向上或 向 下变化。 虽然积分作用能够有效消除系统余差，但积分控制器很少单独使用。 因为积分作用比较慢，需要误差的积累达到一定程度才能产生较为明显的控制作用。 因此通常是将积分作用和比例作用一起使用。 增加了比例作用后，控制器对偏差变化的响应迅速很多。 比例积分控制的算式 如式（ 24）所示。 otic uedtTeKu   )1( 0 （ 24） 传递函数 如（ 25）所示。 )11()(sTKsG icc  （ 25） 太原科技大学毕业设计（论文） 11 可见，比例积分作用可看成是一个积分环节和一个超前环节的组合，它的静态增益是无穷大，因而能够消除余差。 同时积分作用会引起的相角滞后，从而使系统的动态性能恶化。 因此为了维持原有的稳定性，控制器的增益应该降低。 由于积分作用而使信号超越“信号有效范围”的情况叫积分饱和，目前，常用的一种 防积分饱和的方法是当发现控制器输出饱和时，就停止控制器的积分作用；当控制器输出不再饱和时再恢复积分作用。 3. 比例积分微分 （ PID） 控制作用 微分控制作用是通 过误差的变化率来预报误差信号的未来变化趋势。 理想的微分控制作用如式（ 26）所示。 0)()( udttdeTtu d  （ 26） 式中， dT 是微分时间。 当误差是常数时， 即 0)( dttde ， 微分控制器的输出就等于 初始值 0u。 因此微分作用不单独使用，总是与比例或比例积分作用同时使用。 一个理想的 PID控制器 可用式 (27)所示。 )11()( sTsTKsU dic  （ 27） 由于理想的微分作用在物理上是不能实现的，所以一般用超前 滞后单元来产生近似的微分作用。 它的传递函数 如式（ 28）所示。 11)(  saT sTsG dd （ 28） 式中， a 通常取 61 ～ 201。 微分作用通过提供 超前作用使得被控过程趋于稳定，因此它常用来抵消积分作用带来的不稳定趋势，同时微分作用也能减小过渡过程时间，从而改善被控变量的动态响应。 太原科技大学毕业设计（论文） 12 不过微分作用在高频下有较大的振幅比。 如果测量值含有很大的噪声，即含有高频或随机的变化，由于微分作用会对高频噪声起到了放大作用，小的噪 声也会使控制阀产生很大的动作。 因此存在高频噪声的地方不宜用微分，除非先将信号进行滤波。 另外对于纯滞后过程，由于在纯滞后阶段 0)( dttde，微分作用为零，所 以附加微分作用对纯滞后是不起作用的。 在 自动控制的发展过程中， PID调节是历史最悠久的、控制性能最强的基本调节方式。 PID调节原理简单、易于整定、使用方便； PID调节可用于补偿系统使之达到大多数品质指标的要求。 直到目前为止， PID调节仍然是 应用 最广泛的基本控制方式。 在 PID调节作用下，对误差信号 )(te 分别进行了比例、积分、微分运算，三个作用分量之和作为控制信号输出给被控对象。 PID调节器的微分方程数学模型 如式（ 29）所示。 ])()(1)([)(0 I DIp dttdeTteTteKtu （ 29） 其中： )(tu —— PID调节器的输出信号 pK —— 放大倍数 IT —— 积分时间常数 DT —— 微分时间常数 )(te —— 设定值与测量值的偏差信号 式中： )()()( tctrte  ,其中 )(tr 是系统的设定信号， )(tc 是被控量的测量 值。 式(29)也常写成 (210)的形式。 太原科技大学毕业设计（论文） 13 ])()()([)(0 dttdeKteKteKtu DIIp   （ 210） 式中 ： pK 为比例增益 ， IK 为积分增益 ， DK 为微分增益。 4. 数字 PID控制 由于计算机技术的发展，数字 PID控制器的应用也越来越广泛， 将 逐渐的取代传统的模拟 PID控制器。 数字 PID控制算法通常分为位置式 PID控制算法和增量式 PID控制算法。 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式 （ 29） 中的积分和微分不能直接使用，需要进行离散化处理。 设采样周期为 T，按模拟 PID控制算法的算式，以一系列的采样时刻点 kT代替连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，采样周期 T必须足够短，上述离散过程才能保 证有足够的精度。 离散后的数字 PID算法可表示为 式（ 211）。 )]}()([)()({)( 0 TkTekTeTTdiTeTiTKTeKpKTu ki   (211) 为了书写方便，将 )(kTe 简化表示为 )(ke ，即省去采样周期 T ，如式（ 212）所示。 )]}1()([)()({)( 0   kekeTTieTTkeKku dkiip (212) 式中： pK 、 iT 、 dT — 分别为比 例系数、积分时间常数和微分时间常数 ； T — 采样周期； k — 采样序号 ， k=0， 1， 2，„； )(tu — 第 k次采样时刻的计算机输出值； )(ke — 第 k次采样时刻输入的偏差值； )1( ke — 第 (k一 1)次采样时刻输入的偏差值。 由于控制器的输出 )(ku 直接去控制执行机构 (如阀门 )， )(ku 的值和执行机构 的位置 (如阀门开度 )是一一对应的，所以通常 式 (211)或 (212)称为位置式PID控制 算法。 这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状太原科技大学毕业设计（论文） 14 态有关，计算时要对 )(ke 进行累加，计算机运算的工作量大。 而且，因为计算机的输出对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障， )(ku 的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅 度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式 PID算法。 由 (212)式根据递推 得 式（ 213）。 )]}2()1([)()1({)1( 10   kekeTTjeTTkeKku kj dip (213) 用式 (212)减去 (213)得 式（ 214）。 )]}2()1(2)([)()1()({)(  kekekeTTkeTTkekeKku dip (214) 上 式称为增量式 PID控制算法 [6]。 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期 T ，一旦确定了 pK ， iT 和 dT ，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由 上式 求出控制增量。 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量 )(tu 对应的是本次执行机构位置 (如阀门开度 )的增量。 对应阀门实际位置的控制量，可通过式 （ 215） 计算出来 [7]。 )()1()( kukuku  （ 215） 增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少优点： (1)由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方 法去除。 (2)手动／自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。 此外，当计算机发生 故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故依然能保持原值。 (3)算式中不需要累加，控制增量 )(tu 的确定仅与最近三次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得较好的控制效果 [8]。 前馈控制 1. 前馈控制的基本原理 前馈控制 的基本原理就是测量进入过程的干扰量（包括外界干扰和设定值变太原科技大学毕业设计（论文） 15 化），并根据干 扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使 被控变量维持在设定值上。 反馈控制的一个突出优点是本身不形成闭合回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性的矛盾。 不变性原理或称扰动补偿原理是前馈控制的理论基础。 “不变性”是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。 进入控制系统中的扰动会通过被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离其设定值得变化。 不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控变量的这种影响。 对于任何一个系统，总是 希望被控变量受扰动的影响越小越好。 不变性 的 定义 如式（ 216） 所示。 当 0)( tf 时， 0)(  ty （ 2。