基于DCS的氢氮比控制系统应用设计 [文档在线提供]

四川理工学院毕业设计（论文） 基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计 学 生： 尹 恒 学 号： 07021010324 专 业： 自 动 化 班 级： 2007.3 指导老师： 干 树 川四川理工学院自动化与电子信息学院二 0 一一年六月尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计I摘 要氢氮比一直都是合成氨工业最关键的工艺参数之一，氢氮比控制好坏与生产安全和合成氨的经济效益都直接相关。针对氢氮比控制干扰因数多，大时滞和大惯性等特性，提出用集散 HS2000 实现氢氮比自动控制的方法，并对其系统进行了 SAMA 图设计、工程组态、硬件配置，为氢氮比控制提供了一种工程实现方法。基于该方法的控制系统抗干扰能力强，实现简单，在中小型合成氨厂取得了良好的控制效果。关键词：氢氮比；大时滞；组态；合成氨；SAMA 图四川理工学院本科毕业（设计）论文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 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 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 result 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 的氢氮比控制系统应用设计III目 录摘 要.I第 1 章 引 言.1第 2 章 合成氨工艺.32.1 合成氨的概述.32.1.1 合成氨生产的基本过程.32.2 工艺流程简介.42.3 合成系统的控制.62.4 氢氮比干扰因素.82.5 几种控制方案的介绍.92.5.1 氢氮比自动调节系统.92.5.2 三回路串级调节控制方案.102.5.3 采样-前馈、串级氢氮比控制系统.13第 3 章 集散控制系统.153.1 集散型系统的历史和发展.153.2 系统概要.163.3 系统构成.163.3.1HS2000 系统的基本构成单元 .163.3.2HS2000 系统的网络结构 .17第 4 章 DCS 在合成氨氢氮比的应用.194.1 系统概述.194.1.1 系统软件名称.194.1.2 控制回路要求及实现.194.1.3 主要控制模块组.224.1.4 参数定义说明.234.2 测点清单分配表.29四川理工学院本科毕业（设计）论文IV4.3 系统硬件配置说明书.294.3.1 系统配置图.294.3.2 各站详细配置说明.304.3.3 HS2000 系统环境要求 .304.4 串级控制系统的设计.314.4.1. 主回路的设计.314.4.2. 副回路的设计.314.4.3. 主、副回路的匹配.31第 5 章 结束语.34致 谢.35参考文献.36附 录.37附录 1.37附录 2.42尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-1-第 1 章 引 言合成氨的生产过程中氢和氮的比值是一个很重要的参数，对于合成氨装置来说这个参数的控制还存在一些问题。该装置的主要原料是空气和天然气。氮来自于空气；氢来自于天然气。空气和天然气在造气工段经过一系列加工净化处理后再进入合成塔, 合成反应后生成氨气。氢氮比控制具有干扰因数多，大时滞和无直衡等特性。上述的过程相当复杂，氢氮的合成环节主要是一个相对复杂的难于控制环节。对此环节要实现闭环稳定的控制，经济效益相当明显，是合成氨生产当前急需要解决的问题。由于上述对象特性，决定了氢氮比控制系统的设计要克服大时滞和多种干扰，长期以来化工合成氨界，对如何解决该问题提出了很多的设计方案，但效果都不是很好。以天然气为原料的大型氨厂为例，由工艺流程看，合成系统的氢氮比是采用以氢定氮方案，即通过改变二段转化炉能加入多少空气量来进行一定调整的。从空气量的加入，经过二段转化炉，变换炉，脱碳系统，甲烷化，压缩至最后再进入合成循环回路，经历了全流程，它的传递时间很长，因而具有很大的纯滞后。另外一方面，对二段转化炉加入空气量的调整，经过一系列反应装置后，可使甲烷化炉出口的新鲜气氢/氮比发生变化，但在进入循环回路后，还需经过相当长的时间才能使进入合成塔气体中的氢氮比发生真正的变化，这说明它的惯性滞后也很大。 为了控制好该环节，本文提出了现阶段应用比较多的两种氢氮比控制方案，经过反复比较选择了采样-前馈、串级控制系统效果较好，本设计提出了一种用集散 HS2000 系统软件控制氢氮比的控制方案，并对其系统进行了硬件配置、工程组态。为氢氮比控制提供了一种工程实现方法。下面先对 DCS 进行简介。DCS 即集散型控制系统，又称分布式控制系统（Distributed Control System） 。它的主要基础是 4C 技术，即计算机Computer、控制 Control、通信Communication 和 CRT 显示技术。DCS 系统通过某种通信网络将分布在工业现场附近的现场控制站和控制中心的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操四川理工学院本科毕业（设计）论文-2-作管理。DCS 自 1975 年问世以来已经历了近三十年的时间，其可靠性、实用性不断提高，功能日益增强。如控制器的处理能力、网络通讯能力、控制算法、画面显示及综合管理能力等。DCS 系统过去只应用在少数大型企业的控制系统中，但随着 4C 技术及软件技术的迅猛发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶金、建材等众多行业得到了广泛的应用，特别是电力、石化这样的行业。经历了二十几年的发展，DCS 有了很大的变化。这种变化来自两方面的动力：用户需求的不断提高和电子与信息技术的快速发展。用户的需求已经不再满足于应用 DCS 代替常规的仪表控制和简单的数据检测，同时随着电子与信息技术的进步使得 DCS 应用的构成元件（电子元器件、处理器、软件、网络等）性能大大提高且价格大幅度下降，特别是各种板级 OEM 部件和 HMI 软件的发展进一步简化了 DCS 的开发难度并降低了开发成本。本文先通过对合成氨的工艺流程进行了详细的介绍，在第二章中介绍了氨合成的基本过程，并对其提出了几种控制方案，最终选择了集散 HS2000 来进行系统软件控制，在第三章中介绍了集散控制的历史和发展，并介绍了如何建立 HS2000 系统，在其中介绍了如何建立了操作员站，工程站等，第四章为本设计的重点，首先对氢氮比的控制系统构建做了前期工作，例如：建立操作员站，工程站，建立测点清单，建立系统配置图，参数定义等一系列工作，然后用 HS2000 组态对其进行主态，得到所要的系统组态图，最后就是对此系统进行了说明，并对各模块进行了简单的说明。尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-3-第 2 章 合成氨工艺2.1 合成氨的概述我国合成氨工业于 20 世纪 30 年代起步,1941 年,最高年产量不过 50Kt.新中国成立后,经过数十年的努力,已形成遍布全国,大中小型氨厂并存的氮肥工业布局,1999 年合成氨产量为 34310KT,排名世界第一.20 世纪 50 年代初,在恢复与扩建老厂的同时,从前苏联引进并建成一批以煤为原料,年产 50Kt 的合成氨装置.60 年代,随着石油,天然气资源的开采,分别从英国引进已天然气为原料,年产 100Kt 的加压蒸汽转化合成氨装置;从意大利引进渣油为原料年产 50Kt 的部分氧化法合成氨装置.从而形成了以煤,油,气原料并举的中型氨厂的生产体系.为适应农业发展的迫切需要,发挥中央和地方办化肥厂的积极性,从 20 世纪 60 年代开始在全国各地建设了一批以炭化法合成氨流程制取碳氨为主的小型氨厂,1979 年发展到 1539 座氨厂.目前对这些小型氨厂的改造重点是抓好规模,品种,技术,产业等方面的结构调整工作.随着石油,天然气工业的迅速发展,20 世纪 80 年代后期和 90 年代初期,我国引进了具有世界先进水平日产 1000t 的节能型合成氨装置.与此同时,我国自行设计的以轻油为原料的年产 30 万吨的合成氨装置于 1980 年建成投产,以天然气为原料,年产 20 万吨的第一套国产化大型装置于 1990 年建成投产.由于我国人口众多,粮食产量不断提高,化肥需求量逐年增长,在九五期间又相继建成投产了以天然气,渣油,轻油,煤为原料的大型合成氨装置,分布在海南东方县,乌鲁木齐,呼和浩特,九江,兰州,南京,吉林和渭南等地.2.1.1 合成氨生产的基本过程合成氨生产,必须制备含有氢和氮的原料气.氢气来源于水蒸气和含有碳氢化合物的各种燃料.目前工业上普遍采用焦碳,煤,天然气,轻油,重油等燃料,在高温下与水蒸气反应的方法制氢.氮气来源于空气,可以在低温下将空气液化分离而得,也可在制氢的过程中加入空气,将空气中的氧与可燃性物质反应而除去,剩下的氮与氢混合,获得氮氢混合物.除电解水(此法因电能消耗大而受到限制)以外,不论用什么原料制取氢、氮原料气,都含有硫化物,一氧化碳,二氧化碳等杂质.这些杂质不但能腐蚀设备,而四川理工学院本科毕业（设计）论文-4-且还能使氨合成器中毒.因此,因此把原料气送人合成塔之前,必须进行净化处理,除去各种杂质,获得纯净的混合合成气.因此,合成氨的生产过程包括以下三个主要步骤:第一步,原料气的制取.制备含有氢气,一氧化碳,氮气的粗原料气，一般由造气,空分工序组成.第二步,原料气的净化，除去粗原料气中的氢气,氮气以外的杂质，一般由原料气的脱硫,一氧化碳的变换,二氧化碳的脱除,原料气的精制工序组成.第三步,原料气的压缩和合成.将符合要求的混合气压缩到一定的压力后,在高温,高压和有催化剂的条件下,将氢氮气合成为氨.一般由压缩,合成工序组成.生产合成氨的基本过程可用下面的方框图表示:图 2-1 生产合成氨基本过程2.2 工艺流程简介大型合成氨厂工艺过程可分为制气，净化，合成三个工序。制气工艺因原料不同，工艺各异。煤制气采用鲁齐技术或德士古技术。天然气，石脑油，渣油制气技术。经脱硫，变换，脱二氧化碳。最终净化均为原料气净化，均涉及物流输送，压缩，换热等传质传热过程。氨合成塔多为层间冷激式绝热固定床，四层催化剂结构。各生产厂家采用工艺技术不同，流程设备及传热也不同。天然气蒸汽转化，热法净化法典型工艺流程，如图 2-2。经脱硫后的天然气与蒸汽以一定比例混合进入一段转炉炉管内，在触媒层进行天然气（CH4）转化反应。在炉管外通过对天然气和驰放气的燃烧来提供CH4 的反应所需求的热量。造气工序脱硫工序CO 变换工序合成工序脱碳工序精制工序压缩工序原料气产品氨尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-5-者些研究成果的推广应用，各企业都十分重视，采用高新技术增加效益是企业决策者所愿。一段转化炉的出口气再和工艺空气与蒸汽混合后进入到二段转化炉，在触媒层，使残留的甲烷再进一步的转化，最终要让二段转化炉的出口气中的甲烷含量能降到所规定的指标以下。在二段炉配入工艺空气是根据系统对氢氮比的要求进行一定调节的。从二段炉转化出来的气体再经过废锅炉进行一定的热量回收，并生产高压蒸汽，将经过热量回收过后的工艺气体导进变换工段，依依经过低温变换炉与高温变换炉，在触媒层进行转换反应。经低温转变后工艺气中因含有大量二氧化碳，该工艺气被引进二氧化碳的吸收塔底，在塔内和脱碳这、溶（碳酸钾溶液）逆流接触，工艺气中二氧化碳被溶液吸收，脱碳气从顶部引出。从吸收塔的底部出来富液经过再生塔降压闪蒸，脱出二氧化碳后，返回循环再使用，再生塔的顶部出口得二氧化碳供尿素的生产使用。从吸收塔的顶部出来的脱碳气进入甲烷转化炉，使未被彻底清除一氧化碳和二氧化碳，在甲烷触媒作用下和氢气发生一定反应，最后使残留的氧化碳，二氧化碳脱除微量，从而能制出合成氨需要的氢氮的混合气（叫新鲜气），此新鲜气经过压缩机加压，并与合成塔出口循环气混合后，再经循环压缩后进入合成系统。在氨合成塔的触媒层上进行合成反应生成氨。合成塔出口气经过一系列换热器进行热量回收，在分离器中分离出液氨，大部分气体则返回循环使用。主要化学反应如下：甲烷转化反应： CH +H O=CO+3H （2-1）422CH +2H O=CO +4H （2-2）4222一氧化碳变换反应： CO+H O=CO +H （2-3）222合成氨反应： 3H +N =2NH （2-4）223四川理工学院本科毕业（设计）论文-6-2.3 合成系统的控制氨的合成反应方程式它属放热且摩尔数减少的可逆反应，采用固定床绝热反应器，其主要的复杂控制系统包括：氢氮比，床层温度与惰性气体含量控制等。氢氮比控制在合成工段中，氢氮比是合成氨最关键的工艺参数之一，氢氮比控制的好坏与整个生产的安全及装置的经济效益都是直接相关的。另一方面，由于被控对象惯性滞后大，且具有大时滞以及无自衡的特点，这就是氢氮比控制难度增加。以天然气为原料的大型氨厂为例，由工艺流程看，合成系统的氢氮比是通过改变二段转化炉中加入的空气量多少来进行一定调整的。从空气量加入，经二段转化炉，变换炉，脱碳系统，甲烷化，压缩到最后再进入合成的循环回路。几乎经历过了全部流程，它的传递时间很长，因而具有很大的纯滞后。另外一方面，对二段转化炉加进的空气量调整，经过一系列反应的装置后，可使甲烷化出口新鲜气中的氢氮比能发生一定变化，但是在进入循环回路后，还需要经过相当长的时间才能够让进入氨的合成塔的气体中氢氮比来发生真正的变化，此说明了它惯性滞后环节也很大。对于无自衡的特点，可以从化学方程式的反应来说明。氨的合成中总是由 3；1 比例来消耗氢与氮，如果此新鲜气中氢/氮比大于（或小于）3：1，那么多余的氢（或氮）就积存在循环回路中，通过不断的循环，使该回路中氢/氮比更加偏离于正常值，不能自动尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-7-图 2-2 天然气转化热法净化制氨工艺流程图四川理工学院毕业（设计）论文-8-2.4 氢氮比干扰因素合成氨的生产中的氢氮比值是一个重要的参数，几乎所有合成氨的装置对该参数控制都有一定问题。下面以大庆的石化公司的化肥厂的合成氨的装置举例。大庆的石化公司的化肥厂的合成氨的装置具有特殊性但是更重要是它共性。该装置生产原料由空气与油田的原料气组成。氮来自空气，氢来自油田的原料气。空气与油田的原料气在其造气工段经一系列的加工，净化处理之后再进入合成塔中, 经合成反应之后生成得到氨气。上述的过程是十分复杂的，氢氮的合成环节也是一复杂且难控的环节。对此环节能实现闭环的稳定控制。此经济效益是十分明显的，当前对于合成氨的生产急要解决的该问题。此环节难控原因如下(1) 纯滞后的时间大。由造气工段进入合成工段的间隔时间大概需要 20 到 25 分钟，因为其通道太长，且加大了此系统时滞，据初步的估计该系统的纯滞后时间约为 30 分钟，然而氢和氮得合成过程却是一化学变化的过程。这就决定该系统时间常数 T 不会很大，从而使得： (2-5)Tf远大于 1，如所周知,对于0.6 系统。PID 的调节器早已经不能够很好控制了，对于ff1 系统就更是无能为力，因此即使该自动控制的设备是很良好的 DCS，此环节自动闭环的稳定控制还是不能够实现。(2) 无自衡和蓄存性。合成塔以三比一关系的消耗氢和氮，如果不是补充气以三比一进行补充，那么将有氢气或氮气的积累，这就是所谓对象无自衡性，已经积累好的氢或氮将存在于循环气中且不会自行的消失，这就是蓄存性。要消除积累好的氢或氮必须将一股和原积累方向相反的氢或氮去补充。(3) 扰动因素多。归纳起来有：原料油的田气系统中的变换气的流量、氢的含量、氮气的纯度，以及为了降低该系统的压力与惰性气体的含量中弛放气的流量等，还有很多其他不可测的干扰因素。实际生产表明：氢氮比是此装置里最难控制的变量。利用常规的 PID 组成控制系统由于适应能力较差，不能满足该变量控制的要求。所以多年以来，此生产装置氢氮尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-9-比控制大多是通过人工的调节，氢氮比控制一般在 2.83.2 合格。若用手动来控制，那么在装置稳定时可以收到满意的效果，但是装置情况将有变化，比如大的干扰发生或者处理量发生变化等，手动控制不能及时的跟踪。这就使装置在一段时期内不稳定，将必然影响该产品产量与质量。.大多厂合格率仅有 43左右，这严重影响了合成氨产量。综合上述分析，氢氮比成为难控环节原因有二：一是该装置的特性原因，它是一个复杂的大时滞环节；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 对于此大时滞的强干扰环节控制能力相当的差。第一个原因是客观存在，工艺与装置是不能够做任何的改变。因此要解决此氢氮比控制问题。只有从第二个的原因下手，所以要用好的控制方案对该环节进行一定控制。为此在理论与实践上人们进行了许多研究工作，试用了大量方法，但是效果都不太理想。无论是从理论还是实践来讲，寻求高性能的控制策略来构成氢氮比计算机实时控制系统，以改善氢氮比环节的控制。 由于上述对象的特性，决定了氢氮比控制系统的设计要克服大时滞和多种干扰，下面介绍几种氢氮比控制方案，皆采用计算机控制的复杂控制回路。2.5 几种控制方案的介绍2.5.1 氢氮比自动调节系统本系统适用于以天然气为原料的中小型合成氨系统，核心控制部件采用了OMRONSYSMAC 系列 PLC,上位机构成实时监控系统。本控制系统具有控制准确、可靠性高、功能强、观察直观、操作简便等优点.系统功能:氢氮比的自动调节;补充气体中，氢、甲烷的检测和动态曲线分析;循环气体中，氢、甲烷的检测和动态曲线分析;合成系统压力的检测和动态曲线显示;气柜出口流量的检测和动态曲线显示;气柜出口氢气的检测和动态曲线分析;工作流量的检测和动态曲线显示。四川理工学院毕业（设计）论文-10-系统压力补充甲烷循环甲烷补充氢补充氢上位机出口气体出口气体1#炉工控2#炉工控3#炉工控5#炉工控4#炉工控氢氮比自调微机H2分析仪H2分析仪CH4分析仪CH4分析仪压力变送器气体流量计H2分析仪合成气柜测量控制装置CH4分析仪CH4分析仪CH4分析仪CH4分析仪CH4分析仪图 2-3 氢氮比自动调节系统系统原理:从合成实时采集补充气体中的补充氢和甲烷，通过氢和甲烷分析仪到上位机检测和分析;采集循环气体中的循环氢、循环甲烷，通过氢分和甲烷分析仪到上位机检测和分析;采集气柜出口流量、氢气成份到上位机进行检测和分析;采集工空气体流量到上位机进行检测和分析根据采集到的实时样气中的补充氢、循环氢、气柜出口氢、工业空气流量、气柜流量，经过对数据库的分析与比较，预测氢氮比的涨跃情况，并得出加氮量或减氮量，通过上位机给出加减氮信号，经 PLC 给出控制信号到流量控制系统进行实时调节，使实测曲线与最佳工况的理想曲线相吻合，从而达到氢氮比自调的目的。效益分析:利用此自动调节系统，有利于转化的平衡反应，对 CO2、CO、残余CH4、H2、N2 等气体的稳定性显著提高。炉膛温度、非催化温度和触煤层温度波动小、稳定。可避免物料比失调、压力波动、控制系统造成的超温和析炭大幅度降低天然气消耗，确保氢氮比稳定，减少合成放氨量，增加合成氨产量。使触煤层的寿命显著延长。2.5.2三回路串级调节控制方案 系统要求 氢氮比（H2/N2）控制在 2.80.1。尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-11- 该系统应保证：增加负荷时先加原料气，后加空气；减负荷时先减空气，后减原料气。在任何情况下，空气不能过量，以避免二段炉超温而烧坏触媒。 当外界干扰不大于仪表全量程的 5%时，无需人为干扰，能自动调节，保证 H2/N2比在控制指标范围内。 当系统中的测量仪表出现故障或某过程的测量值超限时，系统应能自动切换到安全状态（DCS 控制） ，不影响最终输出信号。原控制方案（DCS 实现）图 2-4 原控制方案 合成气的质量分析仪 AT0 提出两个信号 H2和 N2，两个信号经过运算后得到氢氮四川理工学院毕业（设计）论文-12-比 H2/N2，氢氮比控制的好坏，ARC6 的 OP 值作 ARC3 调节器的 RSP（远程给定）值。 ARC3 调节器的 PV 值来分析表的 AT1，它的前馈信号来自水碳比 W/C 比控制回路中的原料气低选信号（前馈信号被切除） 。ARC3 的 OP 值作为 FRC3 调节器的RSP（远程给定）值。 FRC3 的 PV 值是由 FT101、TT101、PT101 通过温压补偿运算后得来的，FRC3 输出到 FV3 调节阀，控制加入系统的空气量。 PRC48 是一个独立的单回路调节器，它的输出控制 101-J 的转速，以保持 101-J 出口压力的稳定。 回路的投用及切除，可按标准的串级回路进行，不必考虑切换时的平衡及扰动问题。 依据现场工艺及工厂所提出要求,提出了三回路串级的调节控制方案。主回路为氢氮比的控制回路。输入量是氢氮比实际值。氢氮比的给定值是由 DCS 通过通讯方式给出，输出作为副回路的给定值；副回路为低变出口氢含量控制回路，输入量为低变出口的氢含量，输出作为次副回路的给定值；次副回路为空气流量控制回路，输入为空气流量，输出值经通讯方式直接送给 DCS，再由 DCS 送给现场的空气流量控制阀，同时提出三个对回路影响较大的量作为前馈量。氢氮比给定值ARC3.SPFRC3.SPARC3.PVH/N.PV22H.N.CH224FRC3.PY空气原料气一段转换二段转换高低变净化压缩合成氨AT0AT1ARC6ARC3FRC3FRC3.OPTD106图 2-5 氢氮比控制原理图普里森回流FRC1根据现场实际情况：第一回路时滞大约是 8 到 10 分钟，第二回路时滞大约是 10到 15 分钟，第三回路时滞很小。因此前两个的回路因尽量保证在不超调情况下进行很尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-13-慢的调节。且把前馈能加到副回路中，保证空气的流量能及时的进行调节。在介绍完上面的氢氮比控制方案后，上面的控制方案还存在许多不足之处，所以决定采用具有采样前馈的串级控制系统，下面我来介绍一下该控制系统。2.5.3 采样-前馈、串级氢氮比控制系统从图 2-5 可以看出，前馈信号是负荷变化，该信号与调节器 GCI 的输出信号相乘，不是相加，是由工艺要求决定的，实际上这是一个变比值控制方案，或者是一个负荷跟踪控制。SP空气压力负荷H2/N2副调GC1双向限幅主调GC1低限高限副对象GP2主对象GP1运算单元 1运算单元 2运算单元 3图 2-6 采样-前馈、串级氢/氮比控制系统方块图从图 2-6 可以看出，前馈信号是负荷变化，该信号与调节器 GCI 的输出信号相乘，不是相加，是由工艺要求决定的，实际上这是一个变比值控制方案，或者是一个负荷跟踪控制，用 2-7 图说明其工作过程。从前向通道看是一个比值控制系统原料气折合成氢量作为主物料信号，乘上一个比值系数 K，就得到空气调节阀的输入信号，驱动调节阀，以得与总氢量成正比的氮量。由于某种干扰使氢氮比偏离给定值，则通过调节 GCI 的输出信号的变化来修正比值系数 K，使氢/氮比值回到给定上来。四川理工学院毕业（设计）论文-14-H2H/N22N2SPT0KGVGPGC1图 2-7 比值部分方块图基于超驰控制软保护思想，结合工艺过程，采取多种形式的保护措施，其中有定值双向限幅和活限幅。定值双向限幅是认为地将采样调节器的输出信号限制在规定范围内，以免在比值信号不正常时，副调节器的给定值不正常。活限幅也为保证系统运行在最佳状态而设置，即在空气流量信号出现异常情况时能使空气得流量保持在其工艺生产的过程中不至于停车的允许范围内，活限幅的低限值是由负荷量大小来确定的，高限值随空气压力而变。为了克服大纯滞后，采用了本身就具有抑制保护作用的采样调节器。其基本的设计思想就是在一个适当采样周期内，能根据偏差来预估出整个周期需要的控制作用。然后在实际采样的接通时间 R 这样一个较小的时间间隔（RT0）来完成整个控制周期T0 所需要的控制作用。其余时间(T0-R)调节器保持某个适当的输出值不变，等待下一个周期反映调节效果后来休正调节作用。尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-15-第第 3 章章 集散控制系统集散控制系统3.1 集散型系统的历史和发展DCS 是继 1969 年 PLC 问世后，由 HONEYWELL 公司在 1975 年首先推出的系统。即：TDC2000 它只含有模拟量的控制。随后，相继有数十家的美国仪表公司也推出了自己系统。同时，由于 DCS 高额利润，使负责制造该传动设备的公司与计算机的公司也开始涉及 DCS 的开发、生产。从不同方向发展起来的 DCS 在结构上、软件方面有些区别。仪表公司开发的 DCS的控制器的软件部分比较符合仪表工程人员应用的习惯，特别是组态方式比较方便。传动公司设计的 PLC 部分比较好。计算机公司设计的 DCS 的人机界面比较友好。相继出现的 DCS 有 MAX-1、RS3、MOD、N-90、D/3、WDPF、MICRO、ECS-1200；日本横河的YEPARK MARK、东芝的 TOSDIC；，英国的 P4000；德国的 TELEPERM、PROCONTROL P、瑞典的 AC210 等。在硬件结构、软件应用和网络协议方面，随着计算机技术的发展，大约有三次比较大的变革。表现在操作站、DCS 网络、现场总线的出现三个方面。七十年代操作站的硬件、操作系统、监控软件都是专用的，由各 DCS 厂家自己开发的，操作站也没有动态流程图，只有文本显示。通讯网络的协议基本上都是采用轮询方式的，在网络上设交通指挥器。八十年代就发生变化了，通讯网络较多地使用令牌方式。九十年代操作站出现了通用操作站，打开了 DCS 形成的自动化“孤岛”。自动化“孤岛”的形成，既有历史原因，也有商业原因，而更重要的是商业原因。九十年代末 DCS 通讯网络有部分开始采用以太网。21 世纪初 DCS 和 MIS 系统相结合，组成综合管理信息系统。DCS的信号送到全厂和存入工厂数据库，供管理人员查询。MIS 系统的数据传输，载体采用光纤网和电话线网相结合的方式。传输数据多的地方采用光纤，数据少的地方用电话线，很像公共交通中的高速公路和国道联合使用一样。称为对称数字订户线（SDSL）技术。国内已有非对称数字订户线（ADSL）技术。总的来看，DCS 本身的 I/O 板变化主要体现在 I/O 板 A/D 的转换位数。操作站的变化体现在软、硬件的改变，通讯网络结构、协议的改进。控制器相对来讲变化要小的多。它只是由于芯片水平的提高而作一些调整。功能块的算法和组态方式是不变的。操作站主要表现在由专用机变化到通用机，监控软件由专用逐渐变化到通用。如普通微机（PC 机）和小型机、FIX 和 INTOUCH用于操作站。专用操作站的硬件在 90 年代初就被淘汰。四川理工学院毕业（设计）论文-16-后来专用操作系统也被淘汰。目前许多 DCS 系统的操作系统采用 UNIX 或其变种，也有中、小系统采用 NT。相比较来看，UNIX 的稳定性要好一些，采用 NT 系统死机现象发生较多。DCS 的另一个重要发展是：现场总线作为控制器的输入、输出。把现场总线作为DCS 的输入、输出板，目的是解决远程信号的数据传输问题。如把 HART 总线做成 DCS的一种输入板，可以有 16 个变送器连接在 HART 总线上。又如 LONWORKS 总线作为MOORE 的 353 回路控制器的输入、输出。把两个控制回路的控制器的控制回路增加到25 个控制回路。同时还能有 100 个开关量。变送器、执行机构和 DCS 的控制器的距离可达 1 公里以上。不仅解决了远程信号的数据传输问题，还节省了连接电缆。3.2 系统概要DCS 即所谓的分布式控制系统，也称为集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统。在本次设计中我选用了国内和利时公司开发的HS2000。HS2000 系统是一套分层分布式的大型综合控制系统，它通过多层数据网络将各种不同的设备挂在一起，实现各部分信息共享和协调工作，从而完成综合控制与管理功能。系统适用于生产设备，生产装置或生产过程以及工厂，企业的综合生产过程管理的控制。3.3 系统构成HS2000 系统分为三层网络结构，不同的网络适应不同层次和规模的控制和管理任务，这种分层结构大大提高了系统的整体可靠性和效率，也使得系统的配置更为灵活，适应于各种规模的控制和管理场合。3.3.1HS2000 系统的基本构成单元(1) 现场控制站现场控制站主要由主控软件和辅助组件构成。主控组件包括主控模块，I/O 模块，系统电源模块，总线底板的插件箱。辅助组件除不包括主控模块外，其余部分和主控组件一样。现场控制站主要完成现场信号的输出输入及回路控制。一个现场控制站由一个主控组件及 03 个辅助组件构成。(2) 操作员站尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-17-操作员站由工控机（IPC）及操作员站软件构成，它主要完成系统与操作员之间的人机界面功能，包括现场状态的显示，报警，报表及操作命令的执行等功能。(3) 工程师站工程师站由 IBM PC 兼容微机及工程师组态软件构成，它主要完成 HS2000 系统的配置，控制回路组态及下装目标运行系统到操作员站和现场控制站的功能。工程师站中装载了操作员软件后也可以作为操作员站使用。3.3.2HS2000 系统的网络结构HS2000 系统分为三层网络结构，每层网络结构完成其特定的功能：(1) 管理协调网络 MNETMNET 为 HS2000 系统的最高一级网络，配置在 HS2000L 大型系统中，功能如下：完成不同装置之间的协调控制，数据通信;企业内多组装置的管理数据通信;大型工业过程不同部分间的协调控制;MNET 为开放标准局域网络，采用诸如 TCP/IP、Ethernet 等网络协议以及 Novell 网络结构;通信介质采用光纤或同轴电缆;通信速率10Mbps;通信距离-20 公里。(2) 系统网络 SNETSNET 是连接 HS2000 系统中操作员站，I/O 站和工程师站的干网，配置在HS2000M 中型系统中，应用于中等规模的控制系统，功能如下：由 I/O 现场控制场向操作员站的数据传输;由 I/O 现场控制场间的数据传输，以满足大范围协调控制的需要;操作员站和工程师站向现场 I/O 控制站的组态数据或控制指令的传递;保持各操作员站之间数据的一致性。SNET 采用双冗余结构，在任何一条网络失效的情况下都不会影响通信功能，从而大提高了通信的可靠性。网络的冗余从板级作起;采用工业令牌总线协议（Token Bus） ，符合 IEEE802.4 标准;传输速率 2.5Mbps;传输最大距离 6.5km;传输介质采用隔离同轴电缆或光缆;网络上最大节点数为 32 个。(3) 控制网络 CNETHS2000 系统的一个突出特点是 I/O 站内采用了目前国际工控界较为先进的体系结构，即各个 I/O 组件之间及各组件内部的各模块之间的数据联系采用了网络通信，而不是传统的并行总线，这样做的优点有：四川理工学院毕业（设计）论文-18-各 I/O 模块之间相对独立，功能进一步分散，其中的某模块出现故障不会影响其它模块；而在过去的并行总线结构中，如果某块模块出现故障，特别是总线接口部分出现故障，则故障很难隔离，经常导致整个系统瘫痪。采用网络技术连接各模块，有利于提高系统配置的灵活性。网络连接很容易将各I/O 组件分散到现场，从而提高了系统的 I/O 处理能力并缩短信号电缆的长度。HS2000 系统的 CNET 采用国际最新流行的 CAN BUS（控制局域总线） ，它具有以下特点：支持多主结构;可以与各种微处理器连接;提供优先级控制，实时性强;具有很强的错误识别和处理能力;支持点对点发送和广播发送功能;可编程传输速率：1Mbps;工业工作温度：-4085。尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-19-第 4 章 DCS 在合成氨氢氮比的应用4.1 系统概述本系统用于实现氢/氮比控制系统的自动控制。主要控制内容是根据合成氨厂的生产工艺，合成氢氮比的控制，被控参数为合成工段合成塔内 H 与 N 的比例，控制参22数为造气工段造气炉加入的氮空气量，氢/氮比自动调节实质上是以造气炉的制气强度和质量为主，以造气过程加入的氮空气量为辅的自动配氮系统。本系统主要用于实现合成氨中二段转化炉中氢氮比控制系统的自动控制。控制回路具有前馈、采样、串级氢氮比控制功能。采集点数模拟量，开关量，还要求在线显示主要工艺流程画面，重要参数（空气压力，流量，温度;天然气压力，流量，温度等）前推 6 小时，24 小时的在；历史曲线显示，运程手操作器的手动/自动切换操作，各种报表的打印，报警点的记录及打印。 4.1.1 系统软件名称MS-DOS 6.20 作用是运行系统软件;Window 2000/XP 作用是组态系统软件;HS2000分布式控制软件。其中 HS2000 分布式控制系统软件包括：I/O 控制站软件，操作员站软件，工程师软件。工程师站组态软件有以下内容：LNK.EXE（系统管理软件） ，REF.EXE（引用生成软件） ，DBS.EXE（数据库生成软件） ，FBD.EXE（功能块图生成软件） ，LAD.EXE（梯形图生成软件） ，STL.EXE（计算公式生成软件） ，HDB.EXE（历史库生成软件） ，GRP.EXE（图形生成软件） ，RPT.EXE（报表生成软件）。4.1.2 控制回路要求及实现氢氮比控制系统的 SAMA 图见附录 2 附图 1-1。(1) 二段转化炉中 H 与 N 用一台工业色谱仪分析、检测，然后得到氢/氮比；原料气22流量用流量计检测；空气压力由压力计检测。(2) 氢氮比调节是一采样-前馈串级 PID 控制系统，主回路采用的是采样调节器，它根据偏差预估出整个周期所需要的控制作用，然后在实际采样器的接通时间 R 这样一个较小的时间间隔（R1/2 1/2 0 。然后确定副被控过程的 Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数 (即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 20 ，副调节器作用方式为反作用方式。 主调节器作用方式的确定： 炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数 K 1 0，主调节器作用方式为反作用方式。 在图 2-6 的串级控制系统框图中可以看到，由于副回路可以简化成一个正作用方式环节，主对象作用方式为正，主测量变送环节为正。根据单回路控制系统设计中介绍的闭合系统必须为负反馈控制系统设计原则，即闭环各环节比例度乘积必须为正，故主调节器均选用反作用调节器，副调节器均选用反作用调节器。四川理工学院毕业（设计）论文-34-第 5 章 结束语氨在合成工序氢氮比是关键的工艺参数之一，氢氮比控制好坏与生产安全和全装置的经济效益都直接相关。由于工艺特性，氢氮比具有干扰因素多，大时滞和无自衡等特性，所以是一种较难控制的工艺参数。长期以来化工合成氨界，对如何解决该问题提出了很多的设计方案，但效果都不是很好。以天然气为原料的大型氨厂为例，由工艺流程看，合成系统的氢氮比是采用以氢定氮方案，即通过改变二段转化炉能加入多少空气量来进行一定调整的。从空气量的加入，经过二段转化炉，变换炉，脱碳系统，甲烷化，压缩至最后再进入合成循环回路，经历了全流程，它的传递时间很长，因而具有很大的纯滞后。另外一方面，对二段转化炉加入空气量的调整，经过一系列反应装置后，可使甲烷化炉出口的新鲜气氢/氮比发生变化，但在进入循环回路后，还需经过相当长的时间才能使进入合成塔气体中的氢氮比发生真正的变化，这说明它的惯性滞后也很大。本文针对合成氨工业氢/氮比控制系统干扰因素多、大时滞和无自衡等特性。提出利用采样-前馈、串级控制系统,控制该环节的方法。基于超驰控制软保护思想，结合工艺流程，采取多种形式的保护措施，其中有定值双向限幅和活限幅。为了克服大纯滞后，采用了本身就具有的抑制保护作用的采样调节器。对于主态，采用了 HS2000 系统，该系统是一套分层分布式的大型综合控制系统，通过多层数据网络将各种不同的设备挂接在一起，实现各部分信息共享和协调工作，从而完成综合控制与管理功能。由于 HS2000 系统以三层网络为主的分布分层结构，给系统配置带来了极大的伸缩性和灵活性。用户可以根据自动化系统的设计目标，选择三种不同规模的系统配置。对集散 HS2000 系统对系统硬件配制、工程组态后，发觉自己对该系统的熟悉程度还不够，还有一些外界干扰没有考虑进去，可能不能达到最佳理想状态,但系统的运行效果明显改善。尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-35-致 谢在毕业设计完成之时，首先要感谢我的指导老师干树川，是他在我毕业设计过程中，耐心细致的讲解和指导，给予了我莫大的帮助和支持，也让我在设计的过程中学到了很多的东西，对设计中所需用到的知识的理解更加得深了。使我顺利地完成了毕业设计。此外，我还要对在这次设计中，帮助和支持我的同学，表示感谢！ 同时，我要感谢在大学四年里教育和帮助我的所有老师，是你们无私和奉献让我在获得了知识的同时，也学会了做人的道理，让我走好了踏向社会的第一步。也要感谢与我同窗四年的同学的关心，帮助和支持，是你们让我的大学生活过得丰富多彩，也让我很顺利地完成了大学的学业。 此外，我还要对在这次设计中，帮助和支持我的同学，表示感谢！四川理工学院毕业（设计）论文-36-参考文献1. 王常力.集散控制系统设计与应用M.北京:清华大学出版社，1993.2 王常力.集散控制系统选型与应用M.北京:清华大学出版社，1993.3 赵育祥.合成氨生产工艺M.北京:化学工业出版社，2005,06.4 周泽魁.控制仪表与计算机控制装备M.北京:化学工业出版社,2002,09.5 王常力.工业控制计算机系统设计与应用M.北京：电子工业出版社，19926 HS2000 系统工程师手册7 岳秀梅.DCS 在我国中型氮肥厂的应用.计算机世界，1994.7.208 于遵宏.大型合成氨厂工艺过程分析M.北京：中国石化出版社，19939 左国庆.DCS 在我国大型氨厂的应用情况M.化工自动化及仪表，1994.110 黄步余. 分散控制系统在工业过程中的应用M.北京：中国石化出版社，199411 D R Land, Select the Right Distributed Control System, Measurement and Control, 5, 1991 12 D. Popovic,V. P. Bhatkar, Distributed Computer Control for Industrial Automation, Marcel Dekker Inc. 1991.13 Shanley A. Advanced Process Control. Chem. Eng,1995.5尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-37-附 录附录 1附表 1-1 模拟输入量信号测点清单格式序号仪表汉字说明工程单位量程上限量程下限转换类型报警级别报警方式报警上限报警下限报警死区显示上限显示下限开方标志初始值冗余标志巡检周期站号 设备号通道号点名端子号1空气压力MPa2500标准 普通 显示 250002500011011PT1012空气流量m /h320000标准 普通 显示 20000020000011012FT101 3空气温度10000标准 普通 显示 10000010000011013TT1014原料气流量m /h320000标准 普通 显示 2000002000 0011014FT1025原料气压力MPa2500标准 普通 显示 250002500011015PT1026原料气温度10000标准 普通 显示 10000010000011016TT1027主回路氢氮比1000标准 普通 显示 100001000011017 K1018四川理工学院毕业（设计）论文-38-附表 1-2 模拟输出量测点清单格式序号仪表位号汉字说明工程单位操作记录单位量程上限量程下限信号类型手动置值冗余标志初始巡检站号设备号通道号点名端子号1PID1 输出氢氮比值存盘1000标准001021K1022滞后原料气流量存盘20000标准001022FT10334附表 1-3 开关输入量测点清单格式序号仪表位号汉字说明信号类型操作记录报警级别报警屏蔽报警定义置 0说明置 1说明初始值巡检周期站号设备号通道号点名端子号1切换开关投自动开入不普通0 报警断开闭合001031DI1012手操作器投自动开入不普通0 报警断开闭合001032DI1023空气阀调节开入不普通0 报警断开闭合001033DI1034尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-39-附表 1-4 开关输出量测点清单格式序号仪表位号汉字说明信号类型操作记录报警级别报警屏蔽报警定义置 0说明置 1说明初始值 巡检周期站号设备号通道号点名端子号1切换开关切自动开出存盘普通1 报警正常报警0巡检1041DO1012手操作器切自动开出存盘普通1 报警正常报警0巡检1042DO10234四川理工学院毕业（设计）论文-40-附表 1-5 工程师站配置表站名工程师站站号10#（共一站）配置内容型号（规格）数量单位主机系统P4；20GMHz；内存 512M；硬盘 80G;3.5M 软驱1台CRTSAMSUNG 20 显示器1台打印机CR-STAR CR-32401台专用键盘AX7012 防水键盘1个轨迹球HS2000 系统自带轨迹球1个网卡HS2F201块操作台HS2000 操作台1个填表人批准人附表 1-6 操作员站配置表站名工程师站站号10#（共一站）配置内容型号（规格）数量单位主机系统P4；20GMHz；内存 512M；硬盘 80G;3.5M 软驱1台CRTSAMSUNG 20 显示器1台打印机CR-STAR CR-32401台专用键盘AX7012 防水键盘1个轨迹球HS2000 系统自带轨迹球1个网卡HS2F201块操作台HS2000 操作台1个填表人批准人 尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-41-附表 1-7 现场控制站硬件配置表站名现场控制站站号冗余否备注机笼槽号功能板调理板端子板冗余仪表电源0HS2F71*空空双冗余仪表电源 24v1HS2F71*空空2HS2F71*空空 现 场 电 源3空空空主控单元/主控模块集线器/光端机0HS2F70*空空双冗余系统电源1HS2F80*空空双冗余 CPU 单元2HS2F80*空空3HS2F40HS2T42HS2T3016 路 AI,需 24V 电源4HS2F40HS2T42HS2T305HS2F41HS2T46HS2T3016路AO，需24V供电6HS2F41HS2T46HS2T300HS2F70*空空冗余系统电源1HS2F80*空空双冗余CPU单元2HSF80*空空3HS2F40HS2T42HS2T3016路AI4HS2F40HS2T42HS2T305HS2F41HS2T46HS2T3016路AO，需24V供电 1# 机 笼6HS2F60HS2T60HS2T30其他填表人尹恒审核人批准人四川理工学院毕业（设计）论文-42-附录 2t2t1附图 1-1 氢氮比控制SAMA 图Lsp2 给定值Lsp1 给定值H/K THACK1B2T86A/MTK THACKH/345F(x)ZTT7氢氮比空气压力空气流量原料气流量AK101FP101FT101FT102尹恒：基于 DCS 的氢氮比控制系统应用设计-43-附图 1-2 氢氮比控制系统组态四川理工学院毕业（设计）论文-44-附图1-3 逻辑控制组态图