《過程控制系統(tǒng)》課程設計3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)

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1、 中南大學 《過程控制系統(tǒng)》 課程設計報告 設計題目 3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng) 指導老師 設計者 專業(yè)班級 設計日期 2011/1/12 目 錄 第一章 概 述 ………………………………………………………………………1 　　 1.1 設計目的 ……………………………………………………………………………1 　　 1.2 具體任務 ……………………………

2、………………………………………………1 　　 1.3 氧化鋁生產(chǎn)的意義 …………………………………………………………………1 第二章 氧化鋁高壓溶出工序介紹 ………………………………………………2 　　 2.1 鋁工業(yè)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 ……………………………………………………………….2 　　 2.2 氧化鋁生產(chǎn)過程 ……………………………………………………………………3 　　 2.3 高壓溶出工序 ………………………………………………………………………9 第三章 氧化鋁高壓溶出工序生產(chǎn)設備及控制要求 ……………………………12 　　 3.1 雙程預熱器 ………………………

3、……………………………………………….12 　　 3.2 溶出器 ………………………………………………………………………………13 　　 3.3 自蒸發(fā)器 ……………………………………………………………………………14 　　 3.4 蒸汽緩沖器 …………………………………………………………………………15 第四章 氧化鋁高壓溶出3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)設計 ………………………17 　　 4.1 總體方案論證 ………………………………………………………………………17 　　 4.2 硬件設計 ……………………………………………………………………………19 　　 4.3 控制算法

4、……………………………………………………………………………23 　　 4.4 軟件設計 ……………………………………………………………………………23 第五章 3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)調試 …………………………………………25 5.1比例、積分和微分的分析 …………………………………………………………25 5.2 PID參數(shù)整定方法 …………………………………………………………………26 第六章 總 結　………………………………………………………………………………29 　　 6.1 方案評價及改進方向 　……………………………………………………………29 　　 6.2 收獲及體

5、會　 ………………………………………………………………………29 參考文獻………………………………………………………………………………………31 第一章 概述 1.1 設計目的 綜合控制理論，過程控制，微機控制，可編程控制器，軟件程序設計等課程的相關理論知識，設計一個完整的3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)，全面學習和掌握典型控制系統(tǒng)的設計方法，控制方法和調試技巧。 1.2 具體任務 設計一壓力控制系統(tǒng)對3#自蒸發(fā)器的壓力進行控制，要求是3#自蒸發(fā)器的壓強值為1.2Mpa，誤差0.1Mpa以內(nèi)。 1.3 氧化鋁生產(chǎn)的意義 氧化鋁主要用于電解生產(chǎn)鋁，它占氧化鋁

6、總產(chǎn)量的90%以上。此外還供硅酸鹽、耐火材料、機械、無線電、冶金、化工、制藥等工業(yè)部門使用。鋁和鋁合金是國民經(jīng)濟、國防軍工和民用制品的基礎原材料。鋁工業(yè)是國家的基礎工業(yè)之一。 高性能鋁合金是制造飛機、潛艇、火箭、導彈、魚雷、坦克的重要部件的原材料，被稱為國家的戰(zhàn)略物資。鋁工業(yè)從上游到下游可分成三段：氧化鋁是電解鋁企業(yè)的原料，電解鋁(鋁錠)是鋁加工企業(yè)的原料。目前每生產(chǎn)1噸鋁需要2噸氧化鋁。  第二章 氧化鋁高壓溶出工序介紹 2.1 鋁工業(yè)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 2.1.1 鋁工業(yè)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 我國具有豐富的鋁土礦資源。迄今，我國已探明鋁土礦礦區(qū)310處，分布于全國19個省、自治區(qū)、直轄

7、市，已探明保守儲量23億噸，位居世界第4，具備發(fā)展氧化鋁工業(yè)的資源條件。 國內(nèi)的氧化鋁生產(chǎn)從50年代起步，80~90年代得到了快速發(fā)展，年生產(chǎn)能力已達到近800萬噸 2008年氧化鋁年產(chǎn)量約高達2465.6萬噸，較去年同期提高26.44%，居世界前列 。 由于礦石結構和組成的原因，國外富產(chǎn)氧化鋁的國家主要采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁。 我國的鋁土礦資源大部分為含硅高較難溶出的礦石，不適合直接采用世界上大多數(shù)國家采用的拜耳法生產(chǎn)工藝流程，絕大部分都是采用流程長、工藝復雜的混聯(lián)法和燒結法生產(chǎn)的。 2.1.2 國內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)狀況 改革開放以來，為適應國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，國家在鋁土礦資源豐富的四

8、省區(qū)內(nèi)大力發(fā)展氧化鋁工業(yè)，規(guī)劃并建成了山西鋁廠，平果鋁廠和中州鋁廠等氧化鋁項目 采用新工藝、新技術和先進設備，加大對已有的山東鋁廠、貴州鋁廠和鄭州鋁廠的技術改造，提高產(chǎn)能，形成了六個氧化鋁廠為基地的生產(chǎn)布局。 為進一步發(fā)揮桂西和晉北鋁土礦資源優(yōu)勢，國家規(guī)劃建設華銀氧化鋁和晉北氧化鋁基地，進一步擴大氧化鋁產(chǎn)能，使氧化鋁基地由六個增加到八個。 民營企業(yè)發(fā)展迅速。大量非中鋁系的民營及合資企業(yè)涉足氧化鋁項目，使得國內(nèi)氧化鋁產(chǎn)能激增。三門峽東方希望公司、三門峽開曼公司、洛陽香江萬基公司（新安鋁電）以及山東、內(nèi)蒙等地的民營企業(yè)迅速發(fā)展。 鋁業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)，市場需求量大。據(jù)有關數(shù)據(jù)，2008年我國共生

9、產(chǎn)氧化鋁2465.6萬噸。 2.2 氧化鋁生產(chǎn)過程 迄今為止，已經(jīng)提出了很多從鋁礦石或其他含鋁原料中提取氧化鋁的方法。 由于技術和經(jīng)濟的原因，有些方法已被淘汰，有些還處于試驗研究階段。 已經(jīng)提出的氧化鋁生產(chǎn)方法可以歸納為四類，即堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法與熱法。目前用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的只有堿法。 鋁土礦的特點是化學組成和礦物組成多種多樣，要采用不同的方法來處理。 鋁土礦處理方法和合理的工藝設備的選擇取決于許多因素，其中主要的是：a.硅指數(shù)，b.原料中硫化物；碳酸鹽和有機物的含量；c.鋁化合物和硅化合物的礦物組成；d.氧化鐵含量。 我國鋁土礦資源豐富，儲量大；高鋁、高硅、低鐵；鋁硅

10、比較低，中低品位鋁土礦居多；多數(shù)鋁土礦是一水硬鋁石型鋁土礦。 堿法生產(chǎn)氧化鋁使用堿（NaOH、Na2CO3）處理鋁土礦，使礦石中的氧化鋁轉變成鋁酸鈉溶液，鐵、鈦等雜質和絕大部分硅則成為不溶解的化合物。將不溶解的殘渣（赤泥）與鋁酸鈉溶液分離，殘渣經(jīng)過洗滌后丟棄或綜合利用以回收其中的有用組分；鋁酸鈉溶液經(jīng)凈化后分解析出氫氧化鋁，氫氧化鋁經(jīng)煅燒后成為氧化鋁；分解后的母液經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后循環(huán)利用。 堿法生產(chǎn)氧化鋁的實質是將鋁轉變?yōu)殇X酸鈉進入苛性堿溶液。鋁原料中可溶SiO2含量越高，轉變?yōu)椴蝗苄猿恋淼乃箱X酸鈉就越多。而從原料提取到鋁酸鈉溶液的氧化鋁則越少。鋁硅比是評價鋁土礦質量和選擇其具體處理方法

11、的主要指數(shù)。 生產(chǎn)氧化鋁的堿式法有四種：燒結法、 拜耳法、 混聯(lián)法、 選礦拜耳法。 2.2.1 拜耳法 高溫和高濃度的鋁酸鈉溶液處于介穩(wěn)狀態(tài)，而在溫度和濃度降低的時候則自發(fā)分解析出氫氧化鋁沉淀，拜耳法便是建立在這樣的基礎上的。 鋁土礦所含的一水和三水氧化鋁在一定條件下（提高溫度和濃度）以鋁酸鈉的形式進入溶液。在95~100攝氏度時鋁酸鈉穩(wěn)定，當降低溫度和濃度時它轉變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，析出氫氧化鋁。 圖2.1 拜耳法生產(chǎn)流程 按拜耳法制取氫氧化鋁的過程： 1）鋁土礦的溶出 鋁土礦在溶出之前，先在礦山粗碎，然后再冶金混勻、中碎、細碎和濕磨。 堅硬的鋁土礦在工廠中用2~3級破碎，松

12、軟的用1~2級破碎。 鋁土礦在球磨機中濕磨，磨機與分級機或水力旋流器組成閉路循環(huán)。細磨過程在鋁酸鈉中進行，液固比為0.8~1.0。 大部分循環(huán)溶液在其加熱溶出之前加入到分級機和攪拌槽中，以制備原礦漿。 鋁土礦的溶出應該在消耗最小而氧化鋁進入溶液的溶出率最高的條件下進行。對于鋁土礦的溶出速度和程度起作用的主要因素如下：溫度、循環(huán)液的濃度和苛性比、鋁土礦的細磨程度、原礦漿的攪拌速度和石灰添加量。 溫度是影響溶出過程的主要因素。為了達到目前實踐中所允許的速度： a.三水鋁石型鋁土礦的溶出過程是在95~100攝氏度進行的 b.一水軟鋁石型鋁土礦是在150~200攝氏度進行的 c.一水硬鋁

13、石型鋁土礦是在230~245攝氏度進行的。 石灰石對一水軟硬鋁石型鋁土礦的溶解速度和程度有十分良好的作用，向過程中添加石灰石對一水鋁石型鋁土礦的溶出過程有很大的意義: 鋁土礦中未溶出的氧化鋁一般為0.5~5%。 2）赤泥的分離和洗滌 鋁土礦溶出后的漿液用赤泥洗滌過程得到的一次洗液稀釋至 三氧化二鋁的濃度為120~150克/升。 為了實現(xiàn)鋁酸鈉的脫硅并保證溶液黏度降低到赤泥分離過程能以工業(yè)要求的速度進行，這種稀釋過程是必要的。 赤泥的分離和洗滌方法和設備流程取決于鋁土礦的處理方法。 3）鋁酸鈉溶液的分解 過濾之后的鋁酸鈉溶液，在分解前，在換熱器中自95~100攝氏度冷卻到50~5

14、5攝氏度，分解過程持續(xù)很長時間（50~60小時）。 4）母液的蒸發(fā) 為了使拜耳循環(huán)閉路，根據(jù)鋁土礦溶出條件將母液蒸發(fā)到氧化鈉濃度為200~300克/升的循環(huán)母液。 蒸發(fā)水量取決于溶出溫度和被洗滌的赤泥的物理過程。蒸發(fā)過的 溶液冷卻時，結晶出純堿，隨同析出的還有各種有機物和其他雜質。 5）循環(huán)純堿的苛化 補充的純堿以及溶液蒸發(fā)時析出的棕色純堿都用石灰乳苛化，以制取苛性堿來補償拜耳法中的堿損失。 為了避免在沉淀中生成難溶的復鹽，這個過程是在氧化鈉的濃度約為100克/升的溶液中進行的。 6）氫氧化鋁的煅燒 最后這道工序的目的是將氫氧化鋁在1200~1250攝氏度煅燒使之成為成品氧化鋁

15、。 2.2.2 燒結法 所有類型的高硅原料都可以用這種方法處理。燒結法的實質是含鋁原料與純堿、石灰石一同燒結時原料中的硅轉變?yōu)樵趬A溶液中難溶的化合物原硅酸鈣，而鋁和鐵轉變?yōu)殇X酸鈉和鐵酸鈉。 含鋁原料與純堿、石灰石燒結時，各原始組分的固體粉末之間的化學反應，是在有少量熔體存在下進行的。 堿—石灰燒結法生產(chǎn)氧化鋁的基本原理是： 將鋁土礦、純堿、石灰等原料按一定比例配制成生料漿，在高溫下燒結，SiO2與CaO化合生成原硅酸鈣、氧化鐵與純堿化合成鐵酸鈉、氧化鋁與純堿化合生成鋁酸鈉。熟料溶出時，鋁酸鈉（Na2O.Al2O3）進入溶液，鐵酸鈉（Na2O.Fe2O3）水解生成氫氧化鈉和氧化鐵的水合

16、物，原硅酸鈣（2CaO.SiO2）與氧化鐵的水合物進入赤泥。鋁酸鈉溶液精制后大部分進行碳酸化分解、少部分進行晶種分解析出氫氧化鋁，分離后的碳分母液和種分母液經(jīng)蒸發(fā)后分別去配料和脫硅。 氫氧化鋁焙燒后成為氧化鋁。 圖2.2 燒結法生產(chǎn)流程 按制取氫氧化鋁的過程： ① 生料備制。 ② 生料燒結 ③ 鋁酸鹽熟料的破碎和溶出。 ④ 泥渣的分離和洗滌及鋁酸鈉溶液的脫硅 ⑤ 溶液炭化分解，氫氧化鋁的分離和洗滌 ⑥ 純堿母液的蒸發(fā) ⑦ 石灰石的煅燒和氫氧化鋁的煅燒 在處理鋁土礦的燒結法中，循環(huán)的物料是純堿而不是拜耳法中的苛性鈉，溶液是用炭化方法來分解的。純堿以蒸發(fā)后濃溶

17、液形態(tài)返回到生料配制過程。 2.2.3 混聯(lián)法 1）并聯(lián)法 在并聯(lián)法中，大部分鋁土礦按拜耳法處理，由燒結法處理的只是少部分。這兩部分平行的進行直到成為鋁酸鈉溶液為止，然后將燒結法的脫硅的鋁酸鈉溶液與拜耳法部分的溶液 混合，再將混合的溶液加晶種分解。 圖2.3 并連法生產(chǎn)流程 優(yōu)越性： ① 可以在一個工廠里高硅和低硅兩種鋁土礦。 ② 拜耳法循環(huán)中的全部苛性堿損失都用鋁土礦燒結時的苛化來補償，降低了成本。 ③ 燒結法部分除了實現(xiàn) 純堿的熱化苛化，還增產(chǎn)一定量的氧化鋁。 ④ 拜耳法赤泥經(jīng)洗滌和過濾后，用燒結法回收其中的氧化鋁和氧化鈉 ⑤ 燒結法除了處理拜耳法赤泥外，還添

18、加相當數(shù)量的低品位的鋁土礦。 2）串聯(lián)法 在串聯(lián)法中，鋁土礦常壓溶出或壓煮溶出后的高氧化鋁和氧化鈉赤泥與純堿和石灰石一同燒結。熟料溶出后的鋁酸鈉溶液經(jīng)過脫硅，然后與稀釋的拜耳法溶液混合到一起分解。母液蒸發(fā)出的棕色純堿在燒結之前與赤泥、棕色純堿返料、石灰石和霞石組成的。加入的霞石數(shù)量應該保證完全補償拜耳法中苛性堿損失。 圖2.4 串聯(lián)法生產(chǎn)流程 在燒結過程處理赤泥時，生料的組成應該保證在熟料中得到鋁酸鈉、原硅酸鈣，或是合成鐵酸鈣。在燒結過程中氧化時催化劑。 串聯(lián)法適用于處理高硅鋁土礦，具有以下優(yōu)點： ① 有當量的純堿來補償苛性堿的損失。 ② 原料中總氧化鋁回收高。 ③

19、燒結過程的生料流量較燒結法少。 2.2.4 選礦拜耳法 選礦拜耳法生產(chǎn)工藝與燒結法有很大不同，總體上可分為選礦和拜耳法兩大部分。 選礦部分主要包括磨浮選礦、礦漿調配等工段；拜耳法部分主要包括高壓溶出、種子分解、過濾洗滌、焙燒等工段。 圖2.5 選礦拜耳法生產(chǎn)流程 2.3 高壓溶出工序 2.3.1 高壓溶出工序流程 高壓溶出工序屬于拜耳法中的一個環(huán)節(jié)。它也是混聯(lián)法生產(chǎn)氧化鋁的生產(chǎn)過程中的重要工序。 高壓溶出的目的就是用苛性鈉溶液把鋁土礦中的氧化鋁溶出來。 圖2.6 高壓溶出生產(chǎn)流程 高壓溶出的生產(chǎn)條件為：2.0~2.2 Mpa的高壓；2450C 的高溫。高壓溶出的

20、化學反應可以分為兩大類： Ⅰ、氧化鋁水合物的溶出反應，這是主反應。 Ⅱ、各種雜質在溶出過程中的化學反應，這是副反應。 2.3.2 溶出化學反應 在常壓下低堿濃度溶液中溶出三水鋁石型鋁土礦時，其中Al(OH)3與NaOH發(fā)生反應： 用高堿濃度或用稀堿溶液在較高溫度下溶出一水鋁石型鋁土礦時，反應如下： 2.3.3 溶出速度 鋁土礦溶出屬于多相反應，即液體和固體之間的反應，其特征是反應過程發(fā)生于兩相（礦粒與堿液）的界面上。 兩相接觸界面的OH-,由于不斷反應而逐漸消耗，在靠近礦粒表面層的溶液中的OH-濃度顯著降低。 同時，在這一層中的反應產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2

21、-的濃度則接近飽和，于是形成擴散層。 OH-通過擴散層不斷地向固相（礦粒）表面移動與氧化鋁水合物反應，而反應產(chǎn)物Al(OH)4-或Al(OH)2-則不斷地通過擴散層向外移動（離開礦粒），使反應能繼續(xù)進行。 因此，鋁土礦的溶出過程可分為下列幾步： (1) 循環(huán)母液濕潤礦粒表面； (2)OH-與氧化鋁水合物反應； (3)形成NaAl(OH)4或NaAl(OH)2擴散層； (4)Al(OH)4-或AlO(OH)2-從擴散層擴散出來，而OH-則從溶液中擴散到固液接觸面上。 鋁土礦的溶出過程： 在低溫低堿濃度下的溶出速度隨溫度變化很快，因而在這種情況下的溶出速度是決定于化學反應。 在

22、高溫高堿濃度下，化學反應速度極快，此時溶出速度隨溫度變化而變化的幅度較小，因而這時溶出速度決定于擴散。 溶出速度可以用下式表示： 由溶出速度的表達式可得下式： 當?shù)V石一定時，其粘度一定，且P、S均為常數(shù)，則從式中可以看出通過控制溫度T，可以控制反應速度。并且，通過提高溫度來提高溶出反應的速度也是可行的。  第三章 氧化鋁高壓溶出工序生產(chǎn)設備及控制要求 高壓溶出工序的生產(chǎn)設備主要包含四個部分： 1）雙程預熱器 2）溶出器 3）自蒸發(fā)器 4）蒸汽緩沖器 它們?nèi)渴遣煌Y構的高壓罐。 高壓溶出工序生產(chǎn)設備的四個部分中，各部分高壓罐

23、的級數(shù)是由各工廠的實際情況和設計情況來定的。但是，各部分生產(chǎn)設備的功能并不因工廠的不同而不同。 在此次的課程設計中所做的高壓溶出工序源自于鄭州鋁廠。因此，在后面介紹高壓溶出工序各部分生產(chǎn)設備時，如涉及到具體的量或某高壓罐的級數(shù)的話，那就是說它是針對于鄭州鋁廠而言的。 首先對后面將要用到的符號作相應的解釋： I -----------表示該監(jiān)測量要顯示 P-----------表示該監(jiān)測量為壓力 T-----------表示該監(jiān)測量為溫度 T-----------這個T是緊跟在壓力或溫度 后面的，表示該監(jiān)測量要傳

24、送 F-----------表示該監(jiān)測量為流量 3.1 雙程預熱器 雙程預熱器有四組雙程預熱罐。采用高壓蒸汽間接加熱。其內(nèi)部是蒸汽管。礦漿在蒸汽管外，包圍著蒸汽管，由600C被加熱到1950C左右，稱為預熱。這時，因為礦漿溫度低（反應溫度為2450C），所以還不能用于生產(chǎn)。 預熱器在此次控制系統(tǒng)未作要求。 圖3.1 雙程預熱罐 雙程預熱器需要監(jiān)測的量有以下一些： (1) 礦漿入口溫度T11 (2) 礦漿出口溫度T12 (3) 各級之間入口溫度和各級之間出口溫度T101-T106 之所以要分上層預熱器和下層預熱器是因為氧化鋁生產(chǎn)為流程工業(yè)，反應過程不能間斷

25、，需要一套備用。 3.2 溶出器 溶出器由九個高壓罐串聯(lián)構成，1#罐和2#罐用高壓蒸汽直接加熱使礦漿達到溶出溫度（2450C左右）。 溶出器內(nèi)加熱為直接加熱，其效率較高，但是加熱過程中由蒸汽帶來了水份，使得礦漿溶液的濃度降低。 溶出器的溫度是溶出溫度，對氧化鋁的溶出率影響很大，保持溶出溫度穩(wěn)定，是提高溶出率的關鍵之一。 在溶出穩(wěn)度低到一定值（240攝氏度），則控制變頻調速裝置，降低電機轉速，減少進入高壓溶出器的礦漿流量（每降低1攝氏度，則減少礦漿流量0.5%）； 若溶出溫度高到一定值（250攝氏度），則控制變頻調速裝置，提高電機速度，增加進入高壓溶出器的礦漿流量（每提高1攝氏度

26、，則增加礦漿流量0.5%），以保證溶出溫度的穩(wěn)定。 礦漿經(jīng)1￣9溶出器后，形成一定的壓差，為了保證正常生產(chǎn)，壓差應盡量穩(wěn)定在0.2MPa左右。 溶出器需要監(jiān)測的量有:1#~9#溶出器的壓力PT401~PT409以及就地儀表顯示的量PI401~PI409。 在此次控制系統(tǒng)的設計中，溶出器部分包括3#溶出器溫度控制和9#溶出器液位控制。 3#溶出器需要將其溫度控制在工藝要求的溶出溫度245攝氏度左右，精度控制在+0.5攝氏度。而液位控制則采用兩個數(shù)字開關量來表示正常和非正常情形。 3.3 自蒸發(fā)器 自蒸發(fā)器的作用主要是回收熱量。它由五個高壓罐組成，各級壓力逐漸降低，由2.0~2.2

27、Mpa下降到0.2Mpa。 在壓力下降的過程中，蒸汽會從礦漿中逸出。 其產(chǎn)生的蒸汽稱為乏氣。不同壓力的乏氣被送至雙程預熱器用作加熱礦漿。 圖3.2 自蒸發(fā)器高壓罐 Ⅰ#自蒸發(fā)器 4#雙程預熱器 Ⅱ#自蒸發(fā)器 3#雙程預熱器 Ⅲ#自蒸發(fā)器 2#雙程預熱器 Ⅳ#自蒸發(fā)器 1#雙程預熱器 為了既充分利用乏汽又保證自蒸發(fā)器正常工況，選擇自蒸發(fā)器壓力作為監(jiān)測量。 自蒸發(fā)器需要監(jiān)測的量有：自蒸發(fā)器各級的壓力PT501~PT505；同時還有就地顯示儀表PI501~PI505。 需要控制的壓力PC ,不能過高亦不能過低。 在此次控

28、制系統(tǒng)的設計中，自蒸發(fā)器部分包括Ⅰ#，Ⅱ#，Ⅲ#自蒸發(fā)器壓力控制三部分。 氧化鋁高壓溶出工序蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)分為Ⅰ#~Ⅴ#自蒸發(fā)器的分步控制，通過這五步的控制使壓力由2.0~2.2Mpa降到0.2Mpa。礦漿由Ⅰ#自蒸發(fā)器進入，通過調節(jié)蒸汽流量來控制自蒸發(fā)器的壓力。 給定的礦漿流量值經(jīng)過調節(jié)蒸汽來達到所要求的Ⅰ#自蒸發(fā)器的出口壓力值。之后礦漿進入到Ⅱ#自蒸發(fā)器，經(jīng)調節(jié)最后由Ⅴ#自蒸發(fā)器流出，此時壓力為所需要的值。 壓力的控制精度應為：+0.1Mpa。自蒸發(fā)器的壓力控制可以通過控制蒸汽的流量來調節(jié)壓力的變化，用壓力變送器來檢測壓力并返回控制。 3.4 蒸汽緩沖器 蒸汽緩沖器用于存

29、儲高壓蒸汽，給1#溶出器和2#溶出器提供加熱蒸汽。其高壓蒸汽一般為2.4Mpa。它有穩(wěn)定加熱蒸汽壓力的作用。 在此次控制系統(tǒng)的設計中，蒸汽緩沖器部分包括蒸汽緩沖器壓力控制。 為了防止蒸汽緩沖器的礦漿倒流，其進口壓力必須為3.3MPa,出口壓力為3.15MPa，若蒸汽緩沖器的進出口壓力降低了0.05MPa，則給出報警信號。 圖3.3 蒸汽緩沖器高壓罐 蒸汽緩沖器需要監(jiān)視的量有：TT301和PT301；就地顯示的量有：TI301和PI301。 蒸汽緩沖器中的蒸汽來自鍋爐房（熱電廠）。有新蒸汽Z2、Z3加入。此處需要監(jiān)測蒸汽的流量FT101和FT102（此處監(jiān)測蒸汽流量主要是為了與鍋爐

30、房輸出的流量作比較，用作蒸汽費用憑證）。 新蒸汽的壓力是由電動閥門的開度來調節(jié)。  第四章 氧化鋁高壓溶出3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng) 4.1 總體方案論證 4.1.1 單回路控制系統(tǒng)方案 Pr 單回路控制系統(tǒng)作為過程控制系統(tǒng)中最簡單，最基礎，應用最廣泛的形式，可解決工業(yè)生產(chǎn)過程中大量參數(shù)定值控制問題。其壓力控制基本形式如下圖：調節(jié)器 閥門 自蒸發(fā)器 壓力變送器 - 圖4.1 單回路系統(tǒng)壓力控制基本形式 其運用到3#自蒸發(fā)器上，控制系統(tǒng)構造如下圖：乏氣 III# 料漿 PT PC 圖4.2 單回路系統(tǒng)3#自蒸發(fā)器壓力控制 （1） 確定

31、被控變量 被控變量為3#自蒸發(fā)器管內(nèi)壓強，給定值1.2Mpa，要求誤差在0.1Mpa以內(nèi)。 （2） 確定操縱變量 影響3#自蒸發(fā)器罐內(nèi)壓強的有乏氣放出量和料漿進入量，料漿進入量不可控，故選擇乏氣放出量為操縱變量。 （3） 控制器正反作用的選擇 出現(xiàn)故障是應選擇閥門全開以保證安全，故選擇氣關閥，Kv為為負；乏氣出口開度增加，罐內(nèi)壓強減小，故對象增益Kp為負；檢測變送環(huán)節(jié)Km為正；為保證為負反饋K開=KcKpKmKv大于零，因此應選擇控制器增益Kc為正，即為反作用控制器。 4.1.2 串級控制系統(tǒng)方案 由于使用單回路控制系統(tǒng)調節(jié)時間偏大，運行時有較大的時間延遲，無法達到較好的控制質量

32、。而串級控制系統(tǒng)可以用一般常規(guī)儀表來實現(xiàn)，成本也增加不大，卻可以起到明顯的提高控制質量的效果。在此設計任務中，乏氣出口的流量是影響壓強的主要因素，其時間常數(shù)較小，故可以把它納入負回路進行控制，不僅有效克服了乏氣流量對壓強造成的干擾，而且使系統(tǒng)的工作頻率提高，能夠對壓強實行較快的控制。 當然還有一些其他的復雜控制方法，例如前饋控制等，但這些方案難以用一般常規(guī)儀表來實現(xiàn)，在經(jīng)濟和便捷性上不如串級控制。 故綜上考慮，決定使用串級控制方案，其框圖如下： 圖4.3 3#自蒸發(fā)器壓力串級控制系統(tǒng)框圖 其運用到3#自蒸發(fā)器上，結構如下： III# 乏氣 料漿 PT PC

33、 FT FC 圖4.4 3#自蒸發(fā)器壓力串級控制系統(tǒng)原理圖 4.2 硬件設計 4.2.1 硬件連接 由上面的所采用的控制方案可以得到，該控制系統(tǒng)硬件應該有四部分組成：壓力檢測變送裝置，流量檢測變送裝置，控制閥，控制器?？刂破鞑捎脝纹瑱C實現(xiàn)。 III# 流量檢測變送器 流量調節(jié)器 壓力檢測變送器 壓力調節(jié)器 乏氣 料漿 圖4.5 硬件連接圖 4.2.2 控制器 在此采用兩片單片機構成其控制器部分。一片負責對壓力傳感器所得到的壓力進行判斷，一片為主控制器，負責接收1#單片機與壓力傳感器所發(fā)送的信息，并作出判斷，并對調節(jié)閥進行控制。

34、圖4.6 控制器結構示意圖 4.2.3 壓力變送器 依據(jù)操控變量，我們選取壓力變送器（當壓力傳感器采用標準電壓電流時，稱為壓力變送器）。依據(jù)被測壓力的大小，確定儀表量程。在測量穩(wěn)定壓力時，爭成操作壓力值應在儀表測量范圍上限值的1/3~2/3。在脈動壓力測量（如泵、風機和壓縮機等出口處壓力）時，正常操作壓力值應在儀表測量范圍上限值的1/3~1/2。在測量高、中壓力（大于4MPa）時，正常操作壓力不應超過儀表測量范圍上限值的1/2?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，溫度、測量范圍要求高，安全性能高，故做如下選擇： 圖4.7 3351/1151壓力變送器

35、 技術參數(shù)如下： 生產(chǎn)廠商： 杭州紐盛股份有限公司 測量范圍： 0～0.05kPa到0～25MPa 應用范圍： 高可靠、高穩(wěn)定性，高靜壓，抗過壓強，可滿足各種惡劣工業(yè)環(huán)境 典型運用： 工業(yè)流程控制 量程范圍： 表壓：0～0.05kPa到0～25MPa，可約定 過載范圍： 與測量范圍相關，最低1MPa，最高32MPa--具體參數(shù)可索取 精度等級： 0.1%F.S.，0.2 %F.S，0.5 %F.S 工作電壓： 12~30VDC，24VDC 輸出信號： 4～20mA，1～5VDC，HART,可約定 補償溫度： -10～80℃，可約定 介質溫度： -25～

36、85℃ 環(huán)境溫度： -30～85℃ 儲存溫度： -40～125℃ 溫度影響： 0.02%F.S./℃(典型值)—具體參數(shù)可索取 電氣連接： 接線端子： 防護等級： IP67 螺紋接口： M20*1.5外螺紋，1/2NPT內(nèi)螺紋，1/4NPT內(nèi)螺紋，可約定 抗振動性： 20g，20～5000HZ 抗沖擊性： 100g，11ms 外殼材質： SUS304不銹鋼、低銅鋁合金 使用壽命： ﹥1108壓力循環(huán) 4.2.4 流量變送器 圖4.8 圖渦輪流量傳感器LWGY-10B 產(chǎn)品介紹 LWGY型渦輪流量傳感器（以下簡稱傳感器）與相應的流量顯示儀表（如XSF-40A、X

37、SF-39系列流量積算儀）配套，可用于測量液體的瞬時流量或總流量。廣泛用于石油、化工、冶金、科研等領域的計量、控制系統(tǒng)。根據(jù)需要，傳感器可分為普通型和高精度耐磨型兩種；放大器分為普通型和隔爆型兩種。 技術數(shù)據(jù) 公稱通徑mm 流量范圍(m3/h) 公稱壓力(MPa) 最大壓損 (MPa) 基本誤差0.2％ 基本誤差0.5％ 基本誤差1.0％。 4.2.5 壓力控制閥 產(chǎn)品型號：D73H對夾式硬密封蝶閥 產(chǎn)品概述： 我廠引進能夠國外先進技術的基礎上，采用精密的J形彈性密封圈和三偏心多層次金屬硬密封結構，被廣泛用于介質溫度≤425℃的治金 、電力、石油化工、以及給排水和市政建設等工業(yè)管

38、道上，作調節(jié)流量和載斷流體使用。該閥采用三偏心結構，閥座與碟板密封面均采用不同硬度和不銹鋼制作，具有良好的耐腐蝕性，使用壽命長，本閥具有雙向密封功能，產(chǎn)品符合國家GB/T13927-92閥門壓力試驗標準。 產(chǎn)品結構特點： 1、本閥采用三偏心密封結構，閥座與蝶板幾乎無磨損，具有越觀越緊的密封功能。 2、密封圈選用不銹鋼制作，具有金屬硬密封和彈性密封的雙重優(yōu)點，無論在低溫和高溫的情況下，均具有優(yōu)良的密封性能，具有耐腐蝕,使用壽命長等特點。 3、碟板密封面采用堆焊鈷基硬質合金，密封面耐磨損，使用壽命長． 4、大規(guī)格蝶板采用絎架結構，強度高，過流面積大，流阻小。 5、本閥具有雙向密封功能，

39、安裝時不受介質流向的限制，也不受空間位置的影響，可在任何方向安裝。 6、驅動裝置可以多工位（旋轉90或180）安裝，便于用戶使用。 圖4.9 D73H對夾式硬密封蝶閥 4.3 控制算法 一般來說，對于串級控制系統(tǒng)，主變量不允許有余差。對于副變量的要求一般都不是很嚴格，允許它有波動和余差。為了主變量的穩(wěn)定，主調節(jié)器必須具有積分總用。因此，主調節(jié)器通常都選用比例積分規(guī)律。有時，對象控制通道滯后比較大，應選擇比例積分微分作用的調節(jié)器作為主調節(jié)器。 副調節(jié)器的給定值隨主調節(jié)器的變化而變化，為了能快速跟蹤，副調節(jié)器一般不設置積分作用，微分作用也不需要，因為當副調節(jié)器有微分作用

40、時，一旦主調節(jié)器的輸出稍有變化，執(zhí)行機構就將大幅度地變化。但副調節(jié)器容量之后比較大時，可以適當加一點微分作用，一般情況下，副調節(jié)器只需要比例作用就可以了。 本系統(tǒng)壓力控制時間常數(shù)較小，故主調節(jié)器不需要微分作用，選用比例積分調節(jié)作用。而流量對象時間常數(shù)很小，副調節(jié)器只用比例作用。 4.4 軟件設計 系統(tǒng)軟件主要由主程序、采樣程序、PID算法程序和一些子程序組成。主程序的主要功能是完成51單片機的初始化，設置壓力給定值等。 增量式PID算式為： -e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)-e(k-2)] 主程序流程圖如下：開始 CPU初始化 參數(shù)設定 采樣

41、子程序 是否等于1.2Mpa 是否過高或過低 調節(jié)閥門 PID算法子程序 報警 Y Y N N 圖4.10 主程序流程圖  第五章 3#自蒸發(fā)器壓力控制系統(tǒng)調試 5.1比例、積分和微分的分析 5.1.1 比例調節(jié)（P調節(jié)） 比例控制是一種簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成正比關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。比例調節(jié)作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產(chǎn)生調節(jié)作用用以減小偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減小誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 5.1.2 積分調節(jié)（I調節(jié)）

42、 單純的比例調節(jié)是很少使用的，一般只能用在擾動較少的場合。因為單純的比例調節(jié)有調節(jié)余差。所謂調節(jié)余差，就是被調參數(shù)沒有完全恢復到給定值，就穩(wěn)定下來，不能再調節(jié)了。這個已調節(jié)的數(shù)值與給定值之間的差值，就稱為調節(jié)余差。 　　要改變這種情況，就必須改善調節(jié)器輸出信號跟偏差之間的關系，以使只要有偏差存在，那怕偏差極其微小，也會有輸出信號產(chǎn)生；經(jīng)過一段時間的積累，就會有足夠的輸出去控制執(zhí)行機構以消除偏差。這種調節(jié)規(guī)律就是所謂的積分調節(jié)。 　　如圖所示，突然出現(xiàn)偏差后，調節(jié)器的輸出會逐漸地變化。偏差越大，輸出信號的變化速度也就越大；偏差信號存在的時間越長，輸出的信號也就越大。直到偏差為零時，調

43、節(jié)器的輸出信號才停止變化。所以，積分調節(jié)能夠有效地、較為準確地維持被調參數(shù)在給定值附近。由此可見，能夠消除余差是積分調節(jié)的最大的優(yōu)點。 在積分調節(jié)器中，常以積分時間的長短來說明積分作用的強弱。積分時間短，積分作用就愈強，變化也就愈快，就可以在較短的時間內(nèi)把被測參數(shù)調整好。積分調節(jié)器的缺點在于它的滯后作用。也就是說，積分調節(jié)會使調節(jié)過程增長，不能立即采取措施。 5.1.3 微分調節(jié)（D調節(jié)） 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤

44、差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調節(jié)過程中的動態(tài)特性。 5.2 PID參數(shù)整定方法 5.2.1 采樣周期的選擇 （1） 首先要考慮的因素 香農(nóng)定理給出了采樣周期的上限。

45、根據(jù)采樣定理，采樣周期應滿足 其中為被采樣信號的上限角頻率。采樣周期的下限為計算機執(zhí)行控制程序和輸入輸出所耗費的時間，系統(tǒng)的采樣周期智能在和之間選擇。采樣周期既不能太大也不能太小。太小時，一方面增加了微型計算機的負擔，不利于發(fā)揮計算機的功能；另一方面，兩次采樣間的偏差變化太小，數(shù)字控制器的輸出值變化不大。因此，采樣周期應在和之間，即 若選擇采樣周期在和之間，則體統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，但控制質量較差，因為這時不能滿足采樣定理，丟失了部分信息。若采樣周期選擇在了和之間，滿

46、足采樣定理，可得到較好的控制質量。 （2）其次要考慮到一下各方面的因素 ①給定值的變化頻率 加到被控對象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應越高。這樣給定值的改變可以迅速得到反應。 ②被控對象的特征 若被控對象是慢速的熱工或化工對象是，采樣周期一般取得較大；若被控對象是較快速的系統(tǒng)時，采樣周期應取得最小。 ③執(zhí)行機構的類型 執(zhí)行機構的動作慣性大，采樣周期也應大一些，否則執(zhí)行機構來不及反應數(shù)字控制器輸出值的變化。 ④控制算法的類型 當采用PID算式時，積分作用和微分作用與采樣周期的選擇有關。選擇采樣周期太小，將使微分積分作用不明顯。因為當小到一定程度后，由于受計算

47、機精度的限制，偏差始終為零。另外，各種控制算法也需要計算時間。 ⑤控制的回路數(shù) 控制的回路數(shù)與采樣周期有下列關系 式中，指第回路控制程序執(zhí)行時間和輸入輸出時間。 5.2.1 擴充臨界比例度法選擇PID參數(shù) 擴充臨界比例度法是以模擬調節(jié)器中使用的臨界比例度法為基礎的一種PID數(shù)字調節(jié)器參數(shù)的整定方法。整定步驟如下： (1) 選擇合適的采樣周期，系統(tǒng)閉環(huán)工作,調節(jié)器作純比例控制。 (2) 逐漸加大比例 ，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。 (3) 選擇控制度?？刂贫染褪且阅M調節(jié)器為基準，將數(shù)字調節(jié)

48、器的控制效果和模擬調節(jié)器比較。取各自的過渡過程的誤差平方的積分之比作為評價參數(shù)，即： 控制度為1.05時，數(shù)字調節(jié)器與模擬調節(jié)器的控制效果相當。當控制度為2.0時，數(shù)字調節(jié)器較模擬調節(jié)器的控制質量差一倍。 控制度無需按公式計算，只需根據(jù)系統(tǒng)精度要求選擇即可。控制度可在1.05，1.2，1.5，2.0中選擇。 （4） 根據(jù)選定的控制度和控制規(guī)律查“擴充臨界比例度法參數(shù)整定表”得對應的、、、。 表5.1 擴充臨界比例度法參數(shù)整定表  第六章 總結 6.1 方案評價及改進方向 本次設計采用串級控制系統(tǒng)，避

49、免了使用單回路控制系統(tǒng)調節(jié)時間過長，無法精確及時控制罐內(nèi)壓強的缺陷。故本系統(tǒng)能達到課題所要求的精度。在控制器設計上，采用價格便宜的單片機來實現(xiàn)，較PLC與工控機等方案更具優(yōu)勢。且加了報警裝置，能對要強過高或過低進行報警。在算法上，采用較為普及的PID算法，可以達到控制目的。總之，本方案應該可以達到3#自蒸發(fā)器壓力控制的要求，使罐內(nèi)壓強為1.2Mpa，誤差0.1Mpa以內(nèi)。 當然，本方案依然有許多缺陷和可改進的地方： （1） 串級控制雖可以實現(xiàn)精確控制，但控制方法比較復雜，參數(shù)不易設置。 （2） 由于未能對3#自蒸發(fā)器的參數(shù)有更細致的了解，無法對其進行matlab仿真。 （3） 軟件部分

50、沒有寫出具體程序。 等…… 6.2 收獲及體會 通過為期兩個星期的課程設計，我的收獲與體會很多。對我來說這是一次很好的機會來鍛煉自己的動手實踐能力，而本次課程設計顯然是與以往的課程實驗課是不同的，它的綜合性很強，而且趣味性很強。與實際聯(lián)系了起來，是檢驗我是否能真正學以致用，運用到實際中去的很好的一次實踐。 在學習完一個學期的這門課程后，我對它的相關內(nèi)容學到了很多，在此之前對這方面似乎沒有什么具體的概念，只是在通過學習自動化其它學科的過程中對此有些了解。通過本學期對這門課程的具體的、有針對性的學習讓我對其了解不再僅僅是停在表面，而是更深了一步。但是學習后也一定不會立刻全懂，

51、更主要的是對以表的應用并不很清楚。如果只學一個學期的這本教材效果一定不是很好的，所以這次課程設計正是為我提供了一個很好的學習機會。鍛煉了我的邏輯思維，在設計中難免會遇到好多的問題，隨時都會有不明白或者不清楚的地方，這樣就需要努力思考并且努力尋找解決問題的方法。可以在和同學們之間的互相交流、認真討論每個問題中，不知不覺對這門課程的感覺就更進了一步，對它的理解就深了一個層次，對它的應用范圍、領域也有了很好的認識。這絕對是一個很大的收獲。 在設計中我很大的感觸就是感覺自己的知識不足，因為面臨的實際問題中通常都是綜合性比較強的設計課題，這些問題綜合了所學過的自動化中很多學科中的內(nèi)容，要在對很多學科都

52、很好的掌握基礎上去解決。由于有這些困難，所以這樣一來就要自己盡量能好好了解一些與設計課題相關的知識，希望對自己的設計有所幫助。所以設計期間，要翻閱很多以前的課本，在復習一下以前學過的知識，也可以去圖書館參閱相關的書籍，這樣在通過查閱大量的資料的過程中就鍛煉了我自主學習的能力。  參考文獻 [1] 王樹青等編.工業(yè)過程控制工程.北京：化學工業(yè)出版社，2003 [2] 余金壽 孫自強編.過程控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社,2008.8 [3] 孫洪程等編.過程自動化工程.北京：機械工業(yè)出版社，2009.11 [4] 孫洪程 李大宇編.過程控制工程設計.北京：化學工業(yè)出版社，2009.1 [5] 王克勤等編.鋁冶煉工藝。北京：化學工業(yè)出版社，2009.11