CS5000精餾塔實驗裝置對象

更新時間2024-08-20
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詳細介紹

CS5000系列過程控制實驗裝置是中控教儀公司專門針對過程控制、化學(xué)工程等專業(yè)的特點而于2005年新近推出的精餾塔多變量控制實驗裝置。學(xué)生通過該實驗裝置既可以了解精餾塔的操作原理；又能深刻理解控制系統(tǒng)設(shè)計的意義與硬軟件實現(xiàn)方法，以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位等過程參數(shù)的控制，使學(xué)生具備一定的工業(yè)裝置操作、自控系統(tǒng)設(shè)計能力，為就業(yè)時迅速進入角色打下基礎(chǔ)。

一、裝置對象組成

CS5000系列精餾控制實驗裝置由實驗對象、控制器和軟件系統(tǒng)三部分組成，其中實驗對象均采用如圖4.1所示的精餾系統(tǒng)。精餾系統(tǒng)的工藝流程如圖4.2所示，主要由機械設(shè)備、動力設(shè)備、檢測儀表、執(zhí)行機構(gòu)、輔助系統(tǒng)組成，與外部聯(lián)結(jié)僅包括220VAC 供電、4-20 mA標(biāo)準(zhǔn)I/O模擬信號（或1-5V DC 電壓信號）或現(xiàn)場總線信號以及其它I/O數(shù)字信號。

機械設(shè)備

精餾塔主體

原料預(yù)熱盤管式換熱器

塔頂盤管式冷凝器與回流罐

塔頂產(chǎn)品罐與塔底產(chǎn)品罐

原料罐

動力設(shè)備

電加熱器

塔頂產(chǎn)品計量泵、塔頂回流計量泵、進料計量泵

進料初始進料泵、塔底殘液出料泵

檢測儀表

Pt100熱電阻溫度傳感器

塔底液位與回流罐液位傳感變送器

進料、塔頂產(chǎn)品與回流計量泵

冷卻水渦輪流量計

執(zhí)行機構(gòu)

用于調(diào)節(jié)冷卻水量的比例調(diào)節(jié)閥V1

用于自動啟停塔底殘液出料泵的開關(guān)繼電器

用于調(diào)節(jié)塔底加熱功率的單相可控硅調(diào)壓裝置

用于調(diào)節(jié)進料、塔頂產(chǎn)品與回流量的進口計量泵

輔助系統(tǒng)

電源控制和信號接口面板

精餾塔底防干燒裝置

實驗快插連接線

電氣附件

二、裝置實驗系列

常規(guī)控制實驗

精餾塔的控制目標(biāo)，除保證操作平穩(wěn)以外，通常還需要控制塔頂與/或塔底產(chǎn)品的純度或質(zhì)量。對于上述實驗系統(tǒng)，假設(shè)介質(zhì)體系為水-酒精，則塔頂產(chǎn)品的純度即為塔頂產(chǎn)品的酒精含量。假設(shè)實驗系統(tǒng)的操作壓力為常壓，且基本不變，則塔頂產(chǎn)品的酒精含量與精餾段靈敏溫度（位置待定）或塔頂溫度TT31基本對應(yīng)。同理，塔底產(chǎn)品的酒精含量與提餾段靈敏溫度（位置待定）或塔底溫度TT32基本對應(yīng)。因此，精餾塔的控制目標(biāo)可轉(zhuǎn)化為精餾段與提餾段靈敏溫度的控制問題。

若選用多回路控制方案，可采用以下常規(guī)PID控制系統(tǒng)以實現(xiàn)裝置的平穩(wěn)操作與塔頂塔底產(chǎn)品的純度控制：

（1）進料流量的自動控制。將進料初始加料泵P101切換成進料計量泵P105，以遠程方式實現(xiàn)進料量FT11的定值控制。

（2）冷卻水量的自動控制。以電動調(diào)節(jié)閥V1與冷卻水渦輪流量計FT12組成流量單回路控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)冷卻水量FT12的定值控制。

（3）塔頂蒸汽回流溫度的串級控制。以冷卻水量單回路控制為內(nèi)回路，通過自動調(diào)節(jié)冷卻水量FT12的設(shè)定值，以最終控制回流液的回流溫度TT22。

（4）C101塔底液位的區(qū)間控制。以開關(guān)方式控制磁力泵P103的啟停，以使塔底液位在一定范圍內(nèi)變化。另外，當(dāng)塔底液位過低時，通過減少塔底加熱量甚至切斷加熱器的電源，以確保精餾塔操作的安全性。

（5）回流罐C102液位的均勻控制。通過調(diào)節(jié)塔頂回流計量泵P104的轉(zhuǎn)速以控制塔頂回流量，進而實現(xiàn)回流罐C102液位LT52的均勻控制。這里，“均勻控制”是指在控制回流罐C102液位的同時，也要求塔頂回流量變化平緩。

（5）塔頂產(chǎn)品出料量與回流量的比值控制。以遠程方式自動調(diào)節(jié)塔頂產(chǎn)品出料計量泵的抽出量，以保持塔頂產(chǎn)品出料量與回流量的比值保持不變。

（6）精餾段靈敏溫度的串級控制。以塔頂產(chǎn)品出料量與回流量的比值控制為內(nèi)回路，當(dāng)精餾段靈敏溫度與設(shè)定溫度相比偏高時，減少塔頂產(chǎn)品出料計量泵P102的抽出量，由此導(dǎo)致回流罐液位上升，再由回流罐C102液位控制系統(tǒng)改變塔頂回流量，最終使精餾段靈敏溫度下降；反之也然。

（7）提餾段靈敏溫度的單回路控制。當(dāng)提餾段靈敏溫度與設(shè)定溫度相比偏高時，通過調(diào)壓模塊減少塔底加熱量，以使提餾段靈敏溫度下降；而當(dāng)提餾段靈敏溫度偏低時，通過調(diào)壓模塊增大塔底加熱量，以達到提高提餾段靈敏溫度的目的。

高級控制實驗

精餾塔為工業(yè)過程中最為典型的多變量控制對象，除完成上述常規(guī)PID控制系統(tǒng)以外，該實驗系統(tǒng)還可以完成以下綜合多變量實驗：

精餾塔機理模型的建立與實驗驗證，

精餾塔對象特性的階躍響應(yīng)實驗，

精餾塔非線性特性的實驗驗證與分析，

不同產(chǎn)品目標(biāo)下的多回路控制實驗與關(guān)聯(lián)分析，

精餾塔解耦控制實驗，

精餾塔非線性控制系統(tǒng)實驗，

精餾塔預(yù)測控制系統(tǒng)實驗。

三、系統(tǒng)特點

? 實驗裝置的工程化概念：精餾塔是過程工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的液相產(chǎn)品分離設(shè)備，同時，也是過程控制中最有代表性的多變量復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)。中控教儀公司設(shè)計開發(fā)了的精餾塔實驗裝置是工業(yè)精餾塔的縮影。學(xué)生通過該實驗裝置了解控制系統(tǒng)設(shè)計的意義與實現(xiàn)方法。

? 控制方案的多樣性：對于該實驗裝置，學(xué)生可以選擇應(yīng)用各種控制方案，如單回路控制、串級控制、前饋控制、比值控制等常規(guī)控制方案與多回路控制、多變量解耦控制與預(yù)測控制等復(fù)雜控制方案。

? 控制裝置選擇的自主性：精餾塔控制實驗裝置采用控制對象與控制裝置分離設(shè)計，用戶可根據(jù)需要自主選擇各種當(dāng)代過程工業(yè)實際中應(yīng)用廣泛的控制裝置，例如，集散控制系統(tǒng)DCS、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS、基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)EPA等。

? 實驗方案的開放性：對于該實驗裝置，教師與研究生既可以選擇預(yù)定的控制方案進行控制實驗；也可以自主搭建或開發(fā)新型的控制方案進行完全開放的實驗。結(jié)合該實驗裝置，博士或碩士研究生完全可應(yīng)用現(xiàn)代控制理論與方法，完成具有實際意義的學(xué)位論文工作。

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