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天钢28000Nm~3/h制氧机控制系统的设计与优化研究

作　者: 孔令芳
导　师: 关守平; 菅希顺
学　校: 东北大学
专　业: 控制工程
关键词: 制氧 DCS控制系统控制优化预测控制稳态目标优化
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

作为钢铁生产的辅助原料,氧、氮、氩气体的作用十分重要。钢铁生产中的所需的氧、氮、氩都是通过空气分离设备(即空分设备)获得的。随着天钢的发展,而氧、氮、氩生产作为天钢钢铁生产环节中的一部分,对空分设备也越来越多地提出了安全生产、经济运营的要求。对控制系统来说,则要求同时保证生产的安全性和连续性、氧氮氩生产的系统性生产调整的灵活性等方面。要满足这样的设计要求,利用安全、可靠先进的工控技术和更优的控制方案无疑是十分重要的。本文在针对天钢28000Nm3/h制氧机,设计了基于日本横河CS3O00DCS的空分设备常规控制控统；同时根据空分装置的工艺特点和控制要求,研究了空分设备关键设备的逻辑控制。在此基础上,论文还从设备节能的角度,以实现空分设备的高效、节能为目标,以技术先进、稳定可靠、操作维护方便、成本低廉为原则,分析了制氧设备的自动变负荷问题。模型预测控制(MPC)是一种基于模型的计算机控制算法,由于能够处理多变量、有约束的,具有不确定的过程,在过程工业中得到广泛的应用。当前,随着企业规模的扩大,系统越来越复杂,过程限制或约束的存在可能使系统达不到期望的设定值；而系统操作者新的输入信息以及干扰的影响,可能改变最优稳态的位置,因此,如何进行系统的优化与控制,使系统在最经济的状态下运行是研究的重点。针对这类问题,采用MPC稳态目标计算和动态优化控制,在每个采样时刻,考虑可测干扰的影响下,重新进行稳态目标的计算。稳态目标计算时保证稳态目标与动态MPC计算中的输入速率约束兼容,并根据当前预测输出和测量输出之间偏差的反馈信息校正稳态模型。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-15
  1.1 氧气及制氧的重要作用  11-12
  1.2 制氧行业的发展史  12-13
  1.3 氧气的生产方法  13
  1.4 制氧机的生产特点  13
  1.5 制氧机控制的发展现状  13-14
  1.6 本文主要工作  14-15
第2章制氧工艺流程和主要设备工作原理  15-21
  2.1 制氧工艺流程概述  15-17
    2.1.1 氧气和氮气的生产  15-16
    2.1.2 氩气的生产  16-17
  2.2 主要设备工作原理  17-20
    2.2.1 空气杂质清除系统  17
    2.2.2 空气压缩系统  17-18
    2.2.3 分子筛吸附系统  18
    2.2.4 增压机系统  18
    2.2.5 增压膨胀机系统  18-19
    2.2.6 氮压机系统  19
    2.2.7 内压缩工艺流程  19-20
  2.3 本章小结  20-21
第3章制氧过程控制系统设计  21-33
  3.1 控制系统总体结构  21-23
  3.2 DCS系统硬件配置  23-26
    3.2.1 控制站部分  23-24
    3.2.2 操作站部分  24-25
    3.2.3 通讯网络  25-26
  3.3 DCS系统软件组成  26-31
    3.3.1 DCS组态软件开发环境  26
    3.3.2 应用软件结构  26-31
  3.4 本章小结  31-33
第4章制氧过程的基础自动化控制  33-55
  4.1 制氧机控制系统总体结构  33-34
  4.2 空压机系统控制逻辑  34-43
    4.2.1 空压机起动  34-35
    4.2.2 空压机停车  35-36
    4.2.3 空压机的自动加载  36-37
    4.2.4 空压机的防喘振控制  37-43
  4.3 分子筛吸附器的自动控制  43-46
    4.3.1 工作过程简述  43-44
    4.3.2 切换程序说明  44
    4.3.3 分子筛切换程序起动  44-46
    4.3.4 分子筛切换程序的注意事项  46
  4.4 增压机系统控制  46-50
    4.4.1 增压机的起动  46-47
    4.4.2 增压机的停车  47-48
    4.4.3 增压机的自动加载  48-50
    4.4.4 就地喘振探测PLC  50
  4.5 膨胀机系统控制逻辑  50-52
    4.5.1 膨胀机起动、停车  50-51
    4.5.2 膨胀机的除霜  51-52
  4.6 氮压机系统控制  52-53
    4.6.1 氮压机的起动  52
    4.6.2 氮压机的停车  52
    4.6.3 氮压机的自动加载  52-53
  4.7 本章小结  53-55
第5章基于自动变负荷策略的优化控制研究  55-71
  5.1 自动变负荷技术概述  55-57
    5.1.1 自动变负荷技术的发展现状  55-56
    5.1.2 自动变负荷控制原理  56-57
    5.1.3 自动变负荷控制分类  57
  5.2 预测控制算法原理  57-63
    5.2.1 预测控制算法基本原理  57-60
    5.2.2 动态矩阵算法  60-63
  5.3 预测控制目标的计算  63-66
    5.3.1 系统描述  63-64
    5.3.2 目标计算  64-66
    5.3.3 动态优化控制  66
  5.4 仿真研究  66-69
    5.4.1 仿真模型  66-68
    5.4.2 具体模型  68
    5.4.3 仿真结果分析  68-69
  5.5 本章小结  69-71
第6章结论与展望  71-73
参考文献  73-75
致谢  75

天钢28000Nm~3/h制氧机控制系统的设计与优化研究

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