己烯分离自控设计课程设计说明书

信控学院专业综合设计说明书 己烯分离自控设计说明书 学生学号： 10xxxxxx 学生姓名： xxx 专业班级： xxxxxxx 指导教师：xxx xxx 职 称： xx 起止日期：2013.08.262012.09.13专业综合设计说明书专业综合设计任务书一、设计题目：己烯分离自控设计二、设计目的1、 进一步巩固和加深所学的自动化专业的理论知识，进一步提高学生设计、计算、绘图、编写技术文件、计算机应用、文献查阅和报告撰写等基本技能；2、 熟练掌握工业过程控制系统的常规设计过程，培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力，查阅参考文献与资料、仪表类型选择的能力；3、 熟练运用AutoCAD等绘图工具制图；4、 学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨务实的工作作风。三、设计任务及要求1、 熟悉工艺流程；根据工艺要求，确定自控方案；用AutoCAD绘制工艺管道及控制流程图；2、 仪表及PLC选型；3、 绘制施工图，编制自控设备表相应表格。四、设计时间及进度安排设计时间共三周（2013.8.262013.9.13）,具体安排如下表：周安排设 计 内 容设计时间第一周熟悉工艺流程，查找相关资料，根据工艺要求完成自控方案；绘制AutoCAD流程图。2013.8.262013.8.30第二周进行仪表及PLC选型；绘制单回路图。绘制仪表接线端子图；供电系统图，填写自控设备相应表格。2013.9.22013.9.6第三周完成并提交课程设计说明书及相关电子文档。课程设计答辩。2013.9.92013.9.13五、指导教师评语及学生成绩指导教师评语:年 月 日成绩指导教师(签字):- I -目 录专业综合设计任务书I第1章 工艺流程简述11.1 工艺流程及简要说明11.2 己烯分离描述及性能指标11.3 控制方案的确立21.3.1 均匀控制回路21.3.2 单回路控制31.4 设计图介绍3第2章 仪表选型52.1 IO点表确立52.2 现场仪表的选取6第3章 PLC选型103.1 PLC系统网络图103.2 计算I/O点数103.3 CPU的选择113.4 I/O模块的确定11第4章 系统接线图134.1 电源接线图134.2 端子排接线图144.3 安全栅接线图154.4 卡件接线图17结论18参考文献19- 19 -第1章 工艺流程简述1.1 工艺流程及简要说明图1-1 己烯分离工艺流程图己烯分离工艺流程图如图1-1所示。原料罐中的原料由泵（P0101）引入己烯塔（T0101），由于己烯沸点较低，在压力和温度达到一定的程度时，己烯由己烯塔顶部流出，通过己烯塔冷却器（E0102）进入己烯塔回流罐（V0101）。进入己烯塔回流罐（V0101）的己烯含有部分杂质，杂质通过泵（P0103）回到己烯塔（T0101）；己烯直接流入己烯产品中间罐（V0103），存入己烯产品罐。进入己烯塔的环己烷，由己烯塔底部，通过泵（P0102）进入环己烷塔（T0102），环己烷由环己烷塔顶部流出，通过环己烷冷却器（E0104）进入环己烷回流罐（V0102）。进入环己烷回流罐（V0102）的环己烷含有部分杂质，杂质通过（P0105）回到环己烷塔（T0102）环己烷直接流入环己烷产品中间罐（V0104），存入环己烷产品罐。环己烷罐塔底的杂质通过泵（P0104），经过环己烷塔釜液冷却器（E0105），流入残液回收罐。1.2 己烯分离描述及性能指标己烯的主要生产线包括：己烯塔、冷却器、回流罐及杂质回流系统。己烯分离过程在己烯塔中分离，再经过冷却器及回流罐得到己烯成品，杂质回流到己烯塔中，环己烷在己烯塔底部流到环己烷塔，经过冷却器及回流罐到环己烷成品罐，杂质回流到回收罐。1.3 控制方案的确立根据工艺过程的简述，以及性能指标的要求，确定使用的控制方案是两个均匀控制控制回路以及一些简单回路控制。因为采用单回路的控制系统虽然简单但对于蒸汽回路中所受的外部扰动，如蒸汽控制阀阀前压力的变化，系统的抗扰动能力弱，都可能影响控制系统的品质。因此增加了旁路，另一部分运用了均匀控制，这样可以大大提供控制品质。1.3.1 均匀控制回路在连续生产过程中，生产设备是紧密联系在一起的，前一设备的出料往往是后一设备的进料，特别是石油化工生产过程中，前后塔器之间操作密切，互相关联，前一精馏塔的出料就是后面塔的进料，为了保证塔器的正常运行，要求进入塔的流量变化平缓，同时要求塔釜液位稳定。如果对前面精馏塔采取液位控制，对后面塔采取流量控制，其调节参数都是塔底出料量，显然，这两个控制系统工作时是有矛盾的，因为当前面塔的液位由于干扰作用而升高时，液位调节器输出信号使调节阀开大，塔底出料量增大（即送入后面塔的进料量增大）。为了保持后面塔进料量的稳定，流量调节器输出信号使流量调节阀关小，这样串联在同一管道上的前后两个流量调节阀动作方向相反，发生矛盾。因此这种不协调的控制方案是不可取的。为了解决前后两塔供求之间的矛盾，可在两塔之间设置一个中间贮槽，这样既满足了前面塔液位调节的要求，又缓冲了后面塔进料量的波动，但增加了设备和投资，而且遇有化合物易于分解或聚合时，不宜在贮槽内贮存时间过长，于是企图设法采用自动调节来模拟中间贮槽的缓冲作用，力图使液位和流量能均匀地变化，组成所谓均匀控制系统。由此可知均匀控制是指控制目的，而不是指控制系统的结构。均匀控制系统的过渡过程控制质量指标要求服从于控制目的，塔釜液位和塔底出料量之间的动态联系密切，往往两个参数的调节质量都要照顾，只要两个参数在某一范围内作缓慢变化，前后工序维持正常就达到了目的。据上所述，均匀控制应具有以下特点： 1. 前后两个设备的两个参数都应该是缓慢变化的。当采取液位定值调节时，是通过调节流量的手段达到的，因此要使液位平稳，流量变化就较大，这样就不能满足下一工序平稳进料的要求；如果采取流量定值调节，流量稳定，但前一设备的液位波动就比较大；如果采取均匀控制，就能兼顾液位和流量都在允许范围内缓慢均匀地变化，因此符合均匀控制的目的。 2. 前后互相联系又互相矛盾的两个参数应保持在工艺操作所允许的范围内波动。如塔釜液位过高会造成冲塔现象，液位过低又会使塔釜有流干的危险，而后塔的进料量也不能超过它所能承受的最大负荷和最低处理量。所以在均匀控制中涉及两个指标：1. 贮罐的输出流量要求平稳或缓慢变化。2. 在最大干扰时，液位仍在允许的上、下限间波动。1.3.2 单回路控制单回路控制又称单回路反馈控制。由于在所有反馈控制中，单回路反馈控制是最基本、结构做简单的一种，因此，它又被称之为简单控制。其简图如图1-2所示。图1-2 单回路均匀控制系统结构图单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。 所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数的调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。1.4 设计图介绍设计图设计的步骤方法如下：1 熟悉工艺流程。2 确定自控方案，画出工艺管道及控制流程图。3 供电系统图及仪表供气系统图的绘制。4 仪表选型，编制自控设备表。5 依据施工现场的条件，绘制控制室与现场间联系的有关图纸，绘制有关表格。6 根据自控专业有关其他设备，材料的选用情况，编制相应的表格。7 设计工作基本完成后，编写说明书，自控图纸目录。根据以上步骤，确定如下工作：1. 计算自控设计概念计算是工程总概算中的一部分，概算内容包括设备费，材料费，安装费等。概算工作应根据国家有关部门制定，规定，和要求来进行。通过概算，能确定自控部分的投资及占整个工程总投资的比例，以便进一步合理选用仪表，使资金使用恰当。2. 施工图中需要说明的问题说明书：本说明书是对施工部门阐明仪表工程施工，检验，试验的方法，程序和要求。仪表数据表：包括重要的工艺，机械数据和技术要求。主要仪表设备表：表中列出仪表，导线，管缆，特种金属管材，合金钢等设备材料的名称，规格，型号和数量，安装地点等。3. 工艺流程图图上确定了重要的控制点及所有控制系统。其中需要就地指示的参数有进料温度指示、塔顶温度指示、冷凝器出口温度指示、塔进料压力指示、塔顶压力指示以及塔底压力指示。4. 仪表接线图仪表接线图表明仪表的输入，输出电动信号接线与交直流供电等接线。在仪表接线图中，我们首先要考虑的问题是该要用到的所有仪表和它们之间联系所用到的仪器。这些就需要我们考虑到仪表内部接线方式。在我们需要记录的五个参数中，温度参数在进入显示器之前必须通过温度变送器，之后才能送到调节器；液位、压力参数在进入显示器之前必须要通过安保器；流量则要通过安保器才能进行记录。没有记录的但又处于我们控制方案回路中的参数则要送到调节器。不管是温度、液位、流量、压力都应该遵从以上原则。这里我们所提到的信号都不能直接在仪表间跨接，必须通过接线板转接，仪表必须接地等。其他仪表所用电源均为DC24V。另外在接线过程中，即我们在确定仪表的型号之后，我们还要查找各个仪表的接线端子。这些工作在制图时我们都要仔细完成，否则，有一处出现错误都可能导制失败。5. 回路接线图本图表明调节回路或测量回路中所有仪表单元的连接线路，并标注接线箱，接管箱及其连接端子的编号。在此回路接线图中，我们可以任选一个回路制作它的回路接线图，在制作回路接线图时，每一条线都必须认真连接，在连接线时，也要查清仪器表的接线端子。 6. 供电原理图供电原理图表明电源箱，供电箱或配电板对操作台，设备或仪表及仪表的供电方式。此处供电均为24V电源，所以我们在画供电原理图时，要在220V电源上加一24V稳压电源把220AC电源转换成24VDC电源供给需要的仪表。这要和前两张图联系起来。至此，我们完成全部制图工作。第2章 仪表选型2.1 IO点表确立根据工艺要求，确立IO表：表2-1 IO点表序号位号描述I/O类型信号类型备注1PA101-StopP0101泵停止工作DO2PA101-StartP0101泵开始工作DO3PA101-RunP0101泵正常运行DI4PA101-ErrP0101泵出现故障DI5PA102-StopP0102泵停止工作DO6PA102-StartP0102泵开始工作DO7PA102-RunP0102泵正常运行DI8PA102-ErrP0102泵出现故障DI9PA103-StopP0103泵停止工作DO10PA103-StartP0103泵开始工作DO11PA103-RunP0103泵正常运行DI12PA103-ErrP0104泵出现故障DI13PA104-StopP0104泵停止工作DO14PA104-StartP0104泵开始工作DO15PA104-RunP0104泵正常运行DI16PA104-ErrP0104泵出现故障DI17PA105-StopP0105泵停止工作DO18PA105-StartP0105泵开始工作DO19PA105-RunP0105泵正常运行DI20PA105-ErrP0105泵出现故障DI21PT101T0101塔顶压力变送AI22TE101T0101塔顶温度变送AIPt10023FT101回流量液位变送AI24FV101控制回流量阀开度AO25LT101环己烷液位变送AI420mA26LV101控制塔底液位阀开度AO420mA27TE102塔底温度检测AIPt10028TV102T0101塔底温度控制AOPt10029TE103温度警报显示AIPt10030LT103V0101罐液位检测AI420mA31LV103控制V0101罐液位AO420mA 续表32TE103E0102出口温度检测AI420mA33PT102T0102塔顶压力变送AI34TE105T0102塔顶温度变送AIPt10035FT102回流量液位变送AI36FV102控制回流量阀开度AO37LT102环己烷液位变送AI420mA38LV102控制塔底液位阀开度AO420mA39TE106塔底温度检测AIPt10040TV106T0102塔底温度控制AOPt10041TE107温度警报显示AIPt10042LT104V0102罐液位检测AI420mA43LV104控制V0102罐液位AO420mA44TE108E0104出口温度检测AI420mA2.2 现场仪表的选取根据工艺流程图，进行仪表选取如下：1. 压力表选型表2-2 压力表选型工程名称己烯分离自控设计设计项目自控设计编制仪表数据表指示压力表图号校核第 页共 页审核Y：压力表 P：膜片 F：耐蚀序号位号用途型号工艺数据刻度范围隔离膜片材精度介质压力/MPa温度/1PI0101T0101塔顶压力指示HR-YPF-100A己烯0.16400.6MPaCr15Ni7Mo2.52PI0102T0102塔顶压力指示HR-YPF-100A环己烷0.18000.6MPaCr15Ni7Mo2.52. 温度表选型表2-3 温度表选型工程名称己烯分离自控设计设计项目自控设计编制仪表数据表指示式温度计图号校核第 页共 页审核序号位号用途型号工艺数据刻度范围/插入深度/mm保护管材料精度压力/MPa温度/1TI0101T0101塔顶温度指示HR-WSS-484W0.16404003001Gr18Ni9Ti1.52TI0104冷凝器出口温度指示HR-WSS-484W0.15004003001Gr18Ni9Ti1.53TI0105T0102塔顶温度指示HR-WSS-484W0.18104003001Gr18Ni9Ti1.54TI0108E0102出口温度指示HR-WSS-484W0.16404003001Gr18Ni9Ti1.53. 热电阻热电偶选型表2-4 热电阻热电偶选型工程名称己烯分离自控设计设计项目自控设计编制仪表数据表热电阻热电偶图号校核第 页共 页审核仪表名称序号位号用途型号工艺参数长度（L/l）/mm保护管材料保护管直径固定装置形式压力/MPa温度/1TRC0102T0101再沸器温度HR-WZPK4380.184450/1501Cr18Ni9Ti8固定法兰2TIA0103T0101塔底温度报警HR-WZPK4380.184450/1501Cr18Ni10Ti8固定法兰3TRC0106T0102再沸器温度HR-WZPK4380.1164450/1501Cr18Ni11Ti8固定法兰4TIA107T0102塔底温度报警HR-WZPK4380.1164450/1501Cr18Ni12Ti8固定法兰4. 流量计选型表2-5流量计选型工程名称己烯分离自控设计设计项目自控设计编制仪表数据表流速 容积式流量计图号校核第 页共 页审核序号12仪表位号FRC0101FRC0102仪表名称电磁流量计电磁流量计仪表型号HR-LDG-D10HR-LDG-D10法兰标准和规格GB9119-88DN50 PN1.6MPa GB9119-88DN50 PN1.6MPa测量元件材料壳体和受压元件衬里：聚四氟乙烯衬里：聚四氟乙烯内件电极：不锈钢 电极：不锈钢操作条件工艺介质杂质杂质最大流量10m/s10m/s最小流量0.3m/s0.3m/s温度/6480压力/MPa0.10.1转换器一体式 防爆一体式 防爆变送信号420mA DC420mA DC电源24V DC24V DC数量11用途T0101塔顶回流量变送T0102塔顶回流量变送5. 液位计选型表2-6液位计选型工程名称己烯分离自控设计设计项目自控设计编制仪表数据表液位变送器图号校核第 页共 页审核序号12仪表位号LRC0101LRC0103仪表名称HR-3051DP差压变送器HR-3051DP差压变送器仪表型号HR-3051DP 5E23CFHR-3051DP 5E23CF管子规格和材料316钢316钢操作条件工艺介质环己烷己烯、杂质操作压力/MPa0.10.1温度/8464测量范围/kPa0186.80186.8测量元件材料哈氏合金C哈氏合金C输出信号420mA420mA电源24V DC24V DC数量22用途T0101塔底液位调节回流罐液位指示第3章 PLC选型3.1 PLC系统网络图图3-1 PLC系统网络图3.2 计算I/O点数1. 计算I/O点数AI点数=16点 * 1.2 =19.2,取整为20 点 ；AO点数= 8点 * 1.2 =9.6点,取整为10点；DI 点数= 10点 * 1.2 =12点；DO 点数=10点 * 1.2 = 12 点。S7-300 有2/4/8点输入三种AI模块， AO 有 4点输出和8点输出两种模块，选用8点输入和输出模块。2. 计算AI模块数量模块数量=20/ 8 =2.53个模块，即实配点数为3*8=24点3. 计算AO模块数量模块数量=10 / 8 =1.25 2个模块，即实配点数为2*8=16 点4. 计算DI和DO模块数量S7-300 有 8/16/32点DI输入模块，选16点输入模块，1块较为合理，实配点数为16点S7-300 有 8/16/32点DO输出模块，选 16点输入模块 1块 较为合理，实配点数为 16 点。最终实配点数为：AI 24点、AO 16点，模拟量合计40 点，DI 16点、DO 16点，开关量合计 32点3.3 CPU的选择1. 从控制规模根据CPU技术参数手册从I/O规模来看313C可带3个机架31个模块，314最多带3个机架32个模块，313开关量I/O为 992/992点,模拟量I/O为248/124点, 314开关量I/O为 1024/1024点,模拟量I/O为256/256点,均可满足控制规模要求。2. 从经济角度314CPU 比313CCPU价格要低的多，因此选用314CPU。核算CPU存储器开销是否满足控制要求。3. 根据经验一般模拟量显示按每点0.1k，调节回路每点1k，开关量每点0.1k计算可满足大多数复杂应用要求。模拟量总数即为显示点数=40点0.1k=4k；最大控制点数为16点1k=16k；开关量总点数为32点0.1k=3.2k；存储器使用总量=4+16+3.2=23.2k。314CPU存储器容量为48k大于存储器开销，满足控制系统组态要求。3.4 I/O模块的确定1. 数字量模块选型CPU选定以后，下一步我们将确定系统的I/O模块。对于开关量输入输出模块出于安全考虑尽量选用低电压产品，所以选择24V标准电压输入输出模块较好。根据前面I/O点数计算结果选择一块16点输入，选型结果为：6ES7 321-7BH01-0AB0 16点 24V.DC输入模块一块。开关量输出模块选择，因为继电器存在机械结构，故障率较高，且为了保护PLC系统一般DO输出均采用中间继电器隔离，所以选用晶体管输出的24V DO模块。选型结果为：6ES7 322-7BH01-0AB0 16点 24V.DC 输出模块一块。2. 模拟量模块选型模拟量输入模块的选择主要有两个方面，一是转换速度，二是转换分辨率。本项目中对转换速度没有特殊要求，所以不予考虑。对于分辨率，一般分辨率达到12位，即可完全满足一般工艺要求。所以选择性价比较好的 6ES7 331-1KF01-0AB0 8路13位精度模拟量输入模块。AO模块选择 6ES7 332-5HF00-0AB0 8路模拟量输出模块。3. PLC系统电源选择PLC系统电源总功率=CPU+模块+系统外部供电。个人认为用PLC系统电源对外部供电有一定风险，所以外部供电使用单独电源，功率另算。314CPU满载电流为0.9A,模拟量输入模块不消耗24V电源，但其变送器回路需消耗 24V电源，假设全部模拟量均为二线制变送器则有 24路 * 22mA= 0.528A ,模拟量输出模块 3 * 每块模块消耗 320mA = 0.96A，16路高速带诊断DI模块，自身消耗24V电源90mA电流，DO模块自身消耗24V电源340mA。所有DI回路，每个DI回路消耗24V电源7mA电流。 DI回路总消耗电流=7mA16=0.112A电流。如果每路DO带一个中间继电器，每个继电器消耗24V电源40mA电流，则中间继电器最高消耗24V电源 40mA16=0.64A电流。 核算24V电源总电流：24V电源总电流=CPU（0.9A）+变送器（0.528A）+模拟量输出模块（0.96A）+16路DI模块（0.09A）+DI回路（0.112A）+DO模块自身（0.34A）+中间继电器（0.64A）=3.57，故选择：6ES7 307-1EA00-0AA0 5A电源模块。4. 接线端子选择I/O模块本身不提供接线端子，还需要订购I/O模块接线端子及系统安装机架。16路DI输入模块为20线端子外，其他模块均为40线接线端子。具体型号如下：6ES7 392-1AJ00-0AA020针接线端子6ES7 392-1AM00-0AA040针接线端子6ES7 390-1AE80-0AA0480mm导轨（机架）综上得到本工程所需系统设备清单如下：表3-1 系统所需设备清单型号名称数量6ES7 307-1EA00-0AA05A电源模块16ES7 314-1AF19-0AB9314CPU 48K内存16ES7 953-8LF11-0AA0内存卡16ES7 365-0BA01-0AA0365接口模块16ES7 390-1AE80-0AA0480mm导轨（机架）16ES7 321-7BH01-0AB016点 24V.DC输入模块16ES7 322-7BH01-0AB016点 24V.DC 输出模块16ES7 331-1KF01-0AB08路13位精度模拟量输入模块。36ES7 332-5HF00-0AB08路模拟量输出模块26ES7 392-1AJ00-0AA020针接线端子16ES7 392-1AM00-0AA040针接线端子6 第4章 系统接线图4.1 电源接线图图4-1 电源接线图4.2 端子排接线图图4-2 端子排接线图4.3 安全栅接线图（a）（b）图4-3 安全栅接线图4.4 卡件接线图图4-4 卡件接线图 结论为期三周的专业综合设计现在马上就要结束了，回想这三周，从一开始接到设计题目到现在，我们都一直在忙碌着，因为这次设计涉及了太多的专业知识，我必须把以前的课本都拿出来再复习一遍，从而对己烯分离这项设计做出必要的了解和归纳整理。从而使我们了解此自控系统的设计流程和设计方案，提高对此自控系统的全面认识和理解。控制方案确定后，我们严格遵循工业过程控制设计工程要求，按照设计工程的规定一次完成工艺控制流程图绘制，自控设备表绘制，仪表回路接线图绘制，仪表端子接线图绘制，仪表供电系统绘制等，这些早已使我更加熟练的掌握AUTOCAD这门软件了。己烯分离自控系统在各部分依次完成后，已经确立了自身的整体框架。自控设计中，各种自控仪器仪表的选型需要具有很好的工程实践经验，在这里要感谢指导老师，在老师的帮助指导下，努力完成了各个仪表的相互匹配，协调工作，从而完成自控功能。使得这个己烯分离系统各部分均经过理论计算和计算机仿真，在稳定性和控制精度方面均满足工艺要求。这次设计中对于我们这些没有实践经验的学生来说，感觉真的很难，很多问题从来没遇到过，根本摸不着头脑，就连老师讲了一遍都很难搞明白，我们只有自己在私底下做更多的努力，多动手很重要，毕竟勤奋不会阻止我们前进的脚步。通过本次综合设计，让我懂得纸上谈兵是远远不及的，当我们真正自己动手实践后再重新走回课堂，我有理由相信我们学到的将不仅仅是理论知识，而是与实践结合起来的一种升华。这次综合设计给我们带来的影响远没有结束，它使我们走出课堂，走出校园，走向社会，为自己书写一份满意的答卷。参考文献1 张毅.自动检测技术及仪表控制系统（第三版）M. 北京：化学工业出版社，2012.72 戴连奎,王树青.过程控制工程（第三版）M. 北京： 化学工业出版社，2012.83 佟以丹,王晓玲.工程制图与AutoCAD教程M. 北京： 化学工业出版社，2009.14 汪晋宽.自控系统设计M.北京：北京邮电大学出版社，2006.95 李清军.自动化控制现场仪表选型仪表M. 重庆：重庆市盘龙印刷厂，1994.106 周春晖.过程控制工程手册M. 北京：化学工业出版社，1993.67 王骥程,祝和云. 化工过程控制工程M.北京： 化学工业出版社，1991.78 胡寿松.自动控制原理（第五版）M. 北京：科学出版社，2007.6