黑龙江大学本科生
学年论文（设计）封皮
编码：
jx21- - 045- - 088
学院：电子工程学院
专业：自动化
年级：
2011
学生姓名：李娜莎
学年论文题目：
乙炔生产过程控制系统
指导教师：
薛荆岩
装订日期：
2014
年
6 月
17 日
备注栏
摘要
乙炔用途广泛，生产方法也很多，从电石乙炔法到炔类裂解法，再到现在的煤直接制取乙炔[1]。但是这些方法都受到了生产原料的限制。本项目的乙炔装置就是充分利用了青岛省的天然气资源优势，将模糊 DIP 复合控制用于乙炔生产过程控制之中，提升乙炔生产过程的自动化水平，增加了乙炔的生产效率[2]。本文首先简要介绍了部分氧化制法制乙炔的生产工艺，结合乙炔生产过程控制系统的设计要求，基于西门子 PCS7，从控制系统的软硬件组态、网络配置、控制回路算法设计以及过程控制仪表型号等方面进行了研究[3]。本文以裂解炉子控制系统为例，在分析裂解炉子控制系统的主要参数调节设计的基础上，以裂解炉出口气体裂解气的温度控制为研究对象，提出了模糊 PID复合控制方法[7]。
关键词
乙炔过程；模糊 PID 复合控制；PCS7；裂解气温度
Abstract
Acetylene is widely used and there are many methods to produce acetelene, it can be taken from calcium carbide, hydrocarbon and the coal. However, linited by the production of raw materials. The acetylene plant in this project make full use of Province Qinghai`s natural gas resourses and Fuzzy-PID hybird control is used to the acetylene production process control, this method enhance the level of acetylene production process automation, increased efficiency of acetylene production. This thesis first intoduce the methods of partial oxidation to product acetylene briefly. Combining design requirements of acetylene production line`s control system, based on PCS7, we do some researches on control systerm`s hardware and software configurations, network configuration, automation programming, instrument selection and etc. And then taking the subsystem of pynolysis furnace, taking temperature of cracked gas into studying object, based on the analysis and design of the adjustment of the main control parameter in pyrolysis furnace control system, this thesis propose the strategy of Fuzzy-PID hybird control based on PCS7.
目录
摘要 .............................................................................................................................................
Abstract ..................................................................................................................................... I
第一章 绪论 ............................................................................................................................. 2
1.1 课题研究的背景及意义 ............................................................................................ 2
1.2 国内外相关技术研究现状 ........................................................................................ 2
1.3 研究的主要内容 ........................................................................................................ 2
第二章 乙炔生产线控制系统设计要求 ................................................................................. 2
2.1 乙炔生产概况 ............................................................................................................ 2
2.2 现代乙炔生产线控制系统的特点 ............................................................................ 3
2.3 乙炔生产线控制系统设计要求 ................................................................................ 3
第三章 DCS 系统的硬件设计 .................................................................................................. 3
3.1 生产管理层硬件设计 ................................................................................................ 3
3.2 现场控制层硬件设计 ................................................................................................ 4
3.2.1 现场控制站 ..................................................................................................... 4
3.2.2 远程 I/O 站 ..................................................................................................... 4
3.2.3 仪表选型 ......................................................................................................... 4
3.3 系统的网络配置 ........................................................................................................ 4
第四章 DCS 系统的软件设计 .................................................................................................. 5
4.1 系统软件配置 ............................................................................................................ 5
4.2 系统的软件设计 ........................................................................................................ 5
第五章 模糊 PID 控制器的设计、仿真与应用 ..................................................................... 5
5.1 模糊 PID 复合控制的设计与仿真 ............................................................................ 5
5.2 基于西门子 PCS7 的模糊 PID 复合控制的实现 ...................................................... 5
设计总结 ................................................................................................................................... 7
参考文献 ................................................................................................................................... 8
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
二十世纪五十年代之前，乙炔化工在基本有机化学工业中有相当重要的地位而自从二十世纪六十年代以来，因为可以从石油烃类裂解中得到大量的廉价乙烯、丙烯。乙炔的作用逐渐被取代[1]。但在那些天然气资源比较丰富的地区，乙炔的生产仍被国家重视。本课题主要研究乙炔装置，在天然气裂解制乙炔法中，部分氧化单元是决定乙炔产量的重要工段[2]。本文在对裂解工段进行了深入研究的基础上，并将借助西门子 DCS控制平台，引进先进控制技术，提高系统的控制精度和乙炔产量，同时保证了系统的安全。稳定、经济运行[3]。
1.2 国内外相关技术研究现状 集散控制系统是以多个微处理器为基础的，对生产过程进行分散控制、集中管理、分级管理、分而自治、综合协调的系统。现今的 DCS 系统有了一定的发展，其中包括了几个特点。第一，信息化；第二，集成性；第三，混合控制系统[4]。
1.3 研究的主要内容 （1）部分氧化裂解法制乙炔控制系统的总体方案设计 （2）DCS 系统硬件及软件设计 （3）模糊控制技术在乙炔控制系统中的应用研究 第二章 乙炔生产线控制系统设计要求 2.1 乙炔生产概况 乙炔生产的方法比较多，随着时间的前进，各种工艺方法也得到了一定的改进主要有：电石乙炔法、烃类裂解法、煤直接制取乙炔法等等，各种方法在历史的某一特定时期都起了一定的作用[11]。
部分氧化裂解乙炔法工艺流程简图
2.2 现代乙炔生产线控制系统的特点 设备安全与人员的安全、控制内容多、范围广、系统的信息集成度、稳定性要求越来越高、系统结构越来越复杂[6]。另一方面又要求控制系统操作简单，维护起来方便。这使得工业自动化过程控制系统朝着以下方向发展：不再是单一现场控制总线，而是各种控制总线相互并存；系统之间的数据交换不仅是纵向的，控制器之间的横向交换越来越多；各种不同厂商的产品不再封闭，越来越开放化[6]。
2.3 乙炔生产线控制系统设计要求 乙炔生产装置设计的总体目标是：实现乙炔生产系统的安全稳定的运行，提高系统控制精度以得到高的乙炔转化率；精简运行人员的数目，同时要满足系统运行连续；提高整个控制系统的自动化水平。尽可能采用先进智能控制；降低能耗，提高效益[7]。
第三章 DCS 系统硬件设计
3.1 生产管理层硬件设计 整个 DCS/SIS 配置包括工程师站、OS 服务器（包括 OPC 服务器）、操作员站客户
机。工程师站的作用是对整个系统进行组态与编程[8]。操作员站的任务是用来处理一切过程运行中的操作相关的人机交互问题。具体配置为：主机是 DELL 工控机，6 对DELL 双屏显示器，4 块西门子专用工业以太网卡 CP1613，10 台 SCALANCE X204-2，2 台 SCALANCE X202-2IRT,2 块 OSM 光纤切换模块，二台惠普打印机。
3.2 现场控制层硬件设计
3.2.1 现场控制站 整个 DCS 系统包含了五套现场控制单站。现场控制站主要用来完成一项任务：安装并执行工程师站与操作员站下载过来的控制策略，通过远程的 I/O 站，对现场的设备进行单体控制，进而实现了单回路的控制乃至整个流程的控制[9]。
3.2.2 远程 I/O 站 I/O 卡件分配原则：整个项目 DCS/SIS 控制器和 I/O 按照装置工艺单元分别放置。所有 I/O 卡件整体对 I/O 插槽配置 5%的余量。所有的 I/O 点对应按照信号类型分配在不同的 I/O 卡件中，需要回路供电和外供电的 I/O 点分配在不通的 I/O 卡件中。
3.2.3 仪表选型 过程控制仪表选型原则如下：
（1）乙炔装置有较高的危险性，保证该装置的正常稳定、安全的生产[10]； （2）优先选用电子式仪表； （3）阀门执行机构原则上采用气动式[11]； （4）装置的主要进出物料的计量仪表原则上采用精度较高的仪表，主要的原料、产品及公用工程量应考虑温度和压力补偿[12]。
3.3 系统的网络配置 全厂网络结构按照功能可自上而下分为：企业管理网，控制网络，现场控制网络[13]。
第四章 DCS 系统软件设置 4.1 系统软件配置 乙炔装置控制系统中，所采用的软件是西门子 PCS7 V7.0，下面对 PCS7 的软件平台做简要介绍，它包括以下部分：SIMATIC 管理器，多项目，主数据库，组件视图，工厂视图，过程对象视图，硬件组态，网络组态，配置控制台等等[14]。
4.2 系统的软件设计 乙炔装置的控制系统按照功能来划分，可分成下面几个子系统：数据采集、回路控制、顺序控制、安全监控[15]。因此系统的软件设计主要是按照这四个子系统的设计要求进行的，基本都是采用模式化的编程方式。
第五章 模糊 PID 控制器的设计、仿真与应用 5.1 模糊 PID 复合控制的设计与仿真 根据模糊控制的原理，先对输入的变量进行模糊化处理，考虑到实际情况，将裂解气出口温度的设定值与过程之误差 e 进行模糊化，考虑到系统设计对裂解气出口温度的要求这里面输入变量误差 e 的基本论领域[-3,+3]。当误差为负大，此时误差的变化也为负时，表明误差有加大的趋势，这时控制增量应取最大；当误差的变化为正时，表明控制的作用有使误差减小，这时的控制量应取较小。如当误差为负大，误差的变化为正小时，控制增量应取正中。最重要的是，当误差较大时，应选取较大的控制量，以尽快消除误差，误差较小时，要避免系统产生超调，适当控制增量，使系统稳定[16]。
5.2 基于西门子 PCS7 的模糊 PID 复合控制的实现 整个模糊控制功能块分为五个部分：FC1000 完成对误差和误差变化的计算；FC1001完成对误差和误差变化从精确量到模糊论域的转换；FC1002 主要负责对模糊控制规则表的查询控制；FC1003 主要负责将模糊控制增量从模糊论域转换到精确值；再设计一个 DB100 数据块用来完成离线情况下推理出来的模糊控制表进行存储[17]。在实验仿真基础上，基于西门子 PCS7 软件平台，采用结构化编程语言实现了模糊控制功能块。这
种控制方法在超调量与响应时间上优于常规的 PID 控制[18]。
设计总结
随着工业过程自动化水平的发展，对过程控制系统要求也越来越高，如今的过程控制系统要做到系统组态、数据管理与通信三者的统一[19]。
本文主要完成了以下工作：
（1）结合乙炔生产状况，总结了目前乙炔生产的工艺方法，并描述了目前我国和世界范围内，乙炔生产的现状与水平； （2）对部分氧化裂解法制乙炔的工艺进行了详细分析，并根据该控制生产线的特点，提出了乙炔生产线的控制系统的设计要求； （3）简要介绍了西门子 SIMATIC PCS7 中的基本概念，在此基础上进行了整个控制系统的软硬件组态、控制网络的配置以及控制程序的设计。
（4）以部分氧化单元为例，根据控制主参数的设计要求，对预热炉与裂解炉子系统的控制方案进行了详细地分析，提出了模糊 PID 控制，并用于对裂解炉子出口裂解气温度的控制[20]。
参考文献
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