管式加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)的設計

1、課程設計任務書學生姓名： 方詩豪專業(yè)班級： 自動化 0804指導教師： 傅劍工作單位： 自動化學院題 目：管式加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)的設計初始條件：管式加熱爐是石油工業(yè)中重要的設備之一，它的任務是把原油加熱到一定的溫度，以 保證下一道工序的順利進行。加熱爐的工藝過程為：燃料油經霧化后在爐膛中燃燒，被加 熱油料流過爐膛四周的排管后，就被加熱到出口溫度。試以溫度 -溫度串級控制控制策略 設計過程控制系統(tǒng)，使得管式加熱爐出口溫度為為 70C，穩(wěn)態(tài)誤差土 2C。要求完成的主要任務：1、了解管式加熱爐工藝設備及其工作流程2、基于對象特點分析，繪制控制系統(tǒng)方案圖3、確定系統(tǒng)所需檢測元件、執(zhí)行元件、控

2、制器技術參數4、撰寫系統(tǒng)調節(jié)原理及調節(jié)過程說明書時間安排12月19日12月20日12 月 2128 日12月29日5、總結課程設計的經驗和收獲 選題、理解課題任務、要求 方案設計參數計算、撰寫說明書 答辯指導教師簽名: 系主任（或責任教師）簽名:目錄前言2.1設計的目的及意義3.1.1管式加熱爐簡介 3.1.2設計目的及意義4.2管式加熱爐溫度控系統(tǒng)工作原理及控制要求 43總體設計方案5.3.1 溫度一溫度串級控制系統(tǒng) 5.3.2方案特點 6.4串級控制系統(tǒng)分析 6.4.1主回路設計6.4.2副回路選擇7.4.3主、副調節(jié)器規(guī)律選擇7.4.4主、副調節(jié)器正反作用方式確定7.4.5控制器軟件設計

3、7.4.6數字PID控制器參數整定 9.5各儀表的選取及元器件清單1.05.1溫度檢測元件105.2溫度變送器 .125.3調節(jié)閥1.35.4聯鎖保護136感受和體會1.4管式加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)的設計、八 、，刖言自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅 猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在 智能化、自適應、參數自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典 等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優(yōu)異的控制器及儀器儀表，并在各行業(yè) 廣泛使用。它們主要具有如下的特點：1適應于大慣性、大滯后等復雜控制

4、系統(tǒng)的控制。2、能夠適應于受控系統(tǒng)數學模型難以建立的控制系統(tǒng)的控制。3、能夠適應于受控系統(tǒng)過程復雜、參數時變的控制系統(tǒng)的控制。4、這些控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論， 運用先進的算法，適應的范圍廣泛。5 、控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好的特點。目前，國外控制系統(tǒng) 及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。隨著人們物質生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產品的質量和功能也向更 高的檔次發(fā)展，制造產品的工藝過程變得越來越復雜，為滿足優(yōu)質、高產、低消耗，以 及安全生產、保護環(huán)境等要求，做為工業(yè)自動化重要分支的過程控制的任務也愈來愈繁 重。在現

5、代工業(yè)控制中，過程控制技術是一歷史較為久遠的分支。在本世紀30年代就已有使用。過程控制技術發(fā)展至今天，在控制方式上經歷了從人工控制到自動控制兩個 發(fā)展時期。在自動控制時期內，過程控制系統(tǒng)又經歷了三個發(fā)展階段，它們是：分散控制階段，集中控制階段和集散控制階段。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的發(fā)展， 無論是在大規(guī)模的結構復雜的工業(yè)生產過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制 技術對于提高產品質量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。目前，過程控制正朝高級階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現狀看，還是從過 程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即計算機 集成制造系統(tǒng)（

6、CIMS）:以智能控制理論為基礎，以計算機及網絡為主要手段，對企業(yè)的 經營、計劃、調度、管理和控制全面綜合，實現從原料進庫到產品出廠的自動化、整個 生產系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。1設計的目的及意義1.1管式加熱爐簡介管式加熱爐是石油工業(yè)中重要裝置之一，加熱爐控制的主要任務就是保證工藝介質 最終溫度達到并維持在工藝要求范圍內。管式加熱爐一般由四個主要部分組成：煙囪、 對流室、輻射室及燃燒器，示意圖如圖 1所示：通風系統(tǒng)：將燃燒用空氣引入燃燒器，并將煙氣引出爐子，可分為自然通風方式和 強制通風方式。對流室：靠輻射室出來的煙氣進行以對流傳熱為主的換熱部分。輻射室：通過火焰或高溫煙氣進行輻射傳熱的部分。這

7、部分直接受火焰沖刷，溫度 很高（600-1600C）,是熱交換的主要場所（約占熱負荷的 70-80%）。燃燒器：是使燃料霧化并混合空氣，使之燃燒的產熱設備，燃燒器可分為燃料油燃 燒器，燃料氣燃燒器和油一氣聯合燃燒器。1.2設計目的及意義由于管式加熱爐具有強耦合、大滯后等特性，控制起來非常復雜。同時，近年來能 源的節(jié)約、回收和合理利用日益受到關注。加熱爐是冶金、煉油等生產部門的典型熱工 設備，能耗很大。因此，在設計加熱爐控制系統(tǒng)時，在滿足工藝要求的前提下，節(jié)能也 是一個重要質量指標，要保證加熱爐的熱效率最高，經濟效益最大。另外，為了更好地 保護環(huán)境，在設計加熱爐控制系統(tǒng)時，還要保證燃料充分燃燒，

8、使燃燒產生的有害氣體 最少，達到減排的目的。2管式加熱爐溫度控系統(tǒng)工作原理及控制要求管式加熱爐加熱爐的工作原理如圖 2所示。要加熱的冷物料從左端的管口流入管式加熱爐，而燃料從右端的管口流入管式加熱爐的燃燒部分，以供熱。經加熱的物料從右引起溫度9 1改變的擾動因素很多，主要有：(1) 燃料油方面(它的組分和調節(jié)閥前的油壓)的擾動F2;(2) 噴油用的過熱蒸汽壓力波動F4;(3) 被加熱油料方面(它的流量和入口溫度)的擾動F1;(4) 配風、爐膛漏風和大氣溫度方面的擾動F3;以便把擾其中燃料油壓力和過熱蒸汽壓力都可以用專門的調節(jié)器保持其穩(wěn)定,動因素減小到最低限度。 從調節(jié)閥動作到溫度 9 1改變，

9、這中間需要相繼通過爐膛、管壁和被加熱油料所代表的熱容積，因而反應很緩慢。工藝上要求管式加熱爐出口溫度為為70C，穩(wěn)態(tài)誤差土 2C。3總體設計方案3.1溫度一溫度串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個 調節(jié)器的設定，后一個調節(jié)器的輸出送往調節(jié)閥。中間被控變量：爐膛溫度；操縱變量：燃料流量。圖3管式加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)圖4管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖其中X1為給定溫度，X2為物料溫度，X3為爐膛溫度，F1為被加熱油料方面（它的流量和入口溫度）的擾動，F2為燃料油方面（它的組分和調節(jié)閥前的油壓）的擾動，F3為配風、爐膛漏風和大氣溫度方面的擾動，F

10、4為噴油用的過熱蒸汽壓力波動。3.2方案特點串級控制系統(tǒng)中，由于引進了副回路， 不僅能迅速克服作用于副回路內的干擾，也能加速克服主回路的干擾。畐曬路具有先調、初調、快調的特點；主回路具有后 調、細調、慢調的特點，對副回路沒有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。由于 主副回路相互配合，使控制質量顯著提高。和單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多 用了一個測量變送器和一個控制器（調節(jié)器），增加的投資并不多（對計算機控制系統(tǒng)來 說，僅增加了一個測量變送器），但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統(tǒng) 中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系 統(tǒng)的工作頻率；對二次擾動

11、有很強的克服能力；提高了對一次擾動的克服能力和對 回路參數變化的自適應能力。4串級控制系統(tǒng)分析4.1主回路設計加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)是以原料油出口溫度為主要被控參數的控制系統(tǒng)。其他被控參數有爐膛溫度，膛壁溫度，燃料流量，原料油流量。溫度調節(jié)器對被控參 數9 1精確控制和溫度調節(jié)器對來自燃料干擾的及時控制相結合，先根據爐膛溫度 9 2的變化，改變燃料量，快速消除來自燃料的干擾、對爐膛溫度的影響；然后再 根據原料油出口溫度 9 1和設定值的偏差，改變爐膛溫度調節(jié)器的設定值，進一步 調節(jié)燃料量，使原料油出口溫度恒定，達到溫度控制的目的。4.2副回路選擇副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數。燃料由于

12、其成分和流量變化，對控制過程產生極大干擾。 所以，我們選擇爐膛溫度為串級控制系統(tǒng)的輔助被控參數。串級系統(tǒng)中，通過調整副參數爐膛溫度9 2能夠有效地影響主參數原料油出口溫度9 1,提高了主參數的控制效果。4.3主、副調節(jié)器規(guī)律選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器所起的作用不同。主調節(jié)器起定值控制作用，副調節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。在加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數，原料油溫度影響產品生產質量，工藝要求嚴格，又因為加熱爐串級控制系統(tǒng)有較大容量滯后， 所以，選擇PID調節(jié)作為主調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律?？刂聘眳凳菫榱吮ＷC和提高主參數的控制質量，對副參數

13、的要求一般不嚴格，可 以在一定范圍內變化，允許有殘差，所以我們的負調節(jié)器調節(jié)規(guī)律選擇P控制。4.4主、副調節(jié)器正反作用方式確定由生產工藝安全考慮，燃料調節(jié)閥應選氣開方式，這樣保證系統(tǒng)出現故障時調節(jié)閥處于全關狀態(tài)，防止燃料進入加熱爐，確保設備安全，調節(jié)閥的Kv 0。主調節(jié)器作用方式確定：爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 Ko1 0。為保證主回路為 負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數成績必須為正，所以負調節(jié)器的放大系數K1 0，主調節(jié)器作用方式為反作用。又為保證副回路是負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數乘積必須為正，所以負調 節(jié)器大于0,負調節(jié)器作用方式為反作用方式。4.5控制器軟件設計管式加熱爐溫度串級控制

14、系統(tǒng)主回路簡化方框圖如圖5所示。R(t)圖5串級控制系統(tǒng)主回路簡化方框圖對于主控制器采用數字PID控制算法的選擇由兩種：位置型和增量型。位置型PID控制數學表達式如下：T kE(k) E(k1)U(k)=KpE(k) 需E(i) TdT| _ T (1) 增量型PID控制數學表達式如下：U (k) =U (k -1P U (k) =U (k -1) qoE(k) qiE(k -1) q2E(k -2)比較兩種數字PID控制的數學表達式可知，增量型控制算法不需要做累加，控制量 的增量的確定僅和最近幾次誤差采樣值有關，計算誤差和計算精度問題對控制量的計算 影響較小。而位置型算法要用到過去的誤差的累

15、加值，容易產生較大的累加誤差。同時 增量型算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中，只輸出閥門開度的變化部分，誤 動作影響小，不會嚴重影響系統(tǒng)的工作。而位置型算法輸出的是控制量的全量輸出，誤 動作影響大。除此以外，采用增量型PID數字控制算法，易于實現手動到自動的無沖擊切換。 經過以上的分析可知，采用增量型數字 PID控制算法較好。相應的數字PID增量型控制算法流程圖如圖6所示。圖6數字PID增量型控制算法流程圖4.6數字PID控制器參數整定串級控制系統(tǒng)通常用于對主參數控制要求比較嚴格的生產過程，同時在串級控制系 統(tǒng)中，對副參數的要求是能準確快速地跟蹤主調節(jié)器輸出的變化。這種要求的不同是我 們

16、合理選擇參數整定方法的依據。串級控制系統(tǒng)的參數整定常用工程整定方法有：逐步逼近法，兩步整定法和一步整 定法。逐步逼近法是依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進行，逐步逼近主、副回路的 最佳狀態(tài)。兩步整定是讓系統(tǒng)處于串級控制狀態(tài)，首先按單回路控制系統(tǒng)整定副回路調 節(jié)器的參數，然后把已經整定好的副回路視為串級控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，仍然按照單回 路參數整定的方法對主控制器的參數進行整定。一步整定法是根據經驗，先將副調節(jié)器 的參數一次調好，不再變動；然后按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調節(jié)器的 參數。比較幾種整定方法，逐步逼近法比較繁瑣，而且工作量大；兩步整定法雖然能滿足 對主、副參數的要求，但是要分

17、兩步進行，需要尋求兩個衰減比為4： 1的衰減振蕩過程， 同樣比較繁瑣。相比較而言，一步整定法的整定過程簡單而且工作量相對較小。故在這 里選用一步參數整定法對串級控制系統(tǒng)進行參數整定。系統(tǒng)參數整定步驟：（1） 在正常生產，系統(tǒng)為純比例運行的條件下（即 Ti為無窮大，Td為零），根據工 程經驗，確定副環(huán)調節(jié)器（為 P型控制器）的參數比例度。（2）將副回路視為一個環(huán)節(jié)，按照單回路參數整定的方法對主控制器的參數進行整定。把系統(tǒng)中的調節(jié)器設置成純比例作用（即 T為無窮大，Td為零），將：由大到小的 規(guī)律進行調整，直到被控參數出現等副振蕩為止。記下此時的比例度（臨界比例度）和等副振蕩的周期Tk （臨界振蕩

18、周期）。根據相應的經驗公式可以計算出 ：=1.6-k， T| =0.5TK，TD = 0.5T|。（3）在已整定參數條件下，觀察控制過程，適當調整主調節(jié)器的參數，使其滿足工 藝要求。5各儀表的選取及元器件清單5.1溫度檢測元件熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號轉換成電動勢（mV）信號，配以測量毫伏 的指示儀表或變送器可以實現溫度的測量指示或溫度信號的轉換。 具有穩(wěn)定、復現性好、 體積小、響應時間較小等優(yōu)點、熱電偶一般用于 500 C以上的高溫，可以在1600 C 高溫下長期使用。熱電阻也可以作為溫度傳感元件。大多數電阻的阻值隨溫度變化而變化，如果某材 料具備電阻溫度系數大、電阻率大、化學及物

19、理性能穩(wěn)定、電阻和溫度的關系接近線性 等條件，就可以作為溫度傳感元件用來測溫，稱為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半 導體熱敏電阻兩類。大多數金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數半導體熱 敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。在使用熱電偶時，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環(huán)境溫度波動的影響，且距熱源 較近，其溫度波動也較大，給測量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用補償導線作為 熱電偶的連接導線。補償導線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠、溫度較 穩(wěn)定的地方。補償導線的作用如圖 7所示。用補償導線將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩(wěn)定的地方后，并沒有完全解決冷端溫 度補償問題，為此還要采取進一步的

20、補償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點調整 法、冰浴法、補償電橋法以及半導體 PN結補償法。采用熱電阻法測量溫度時，一般將電阻測溫信號通過電橋轉換成電壓，當熱電阻的 鏈接導線很長時，導線電阻對電橋的影響不容忽視。為了消除導線電阻帶來的測量誤差， 不管熱電阻和測量一邊之間的距離遠近，必須使導線電阻的阻值符合規(guī)定的數值，如果 不足，用錳銅電阻絲湊足。同時，熱電阻必須用三線接法，如圖8所示，熱電阻用三根導線引出，一根連接電源，不影響電橋平衡，另外兩根被分別置于電橋的兩臂內，使引 線電阻值隨溫度變化對電橋的影響大致抵消。而本次設計要使得管式加熱爐出口溫度為 為70C，穩(wěn)態(tài)誤差土 2C,故選用熱電阻，

21、電流輸出型集成溫度傳感器 AD590，靈敏度 1問K ,測量范圍為-55150 C。T圖7補償導線的作用檢流計圖8熱電阻三線制接法5.2溫度變送器DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表可 靠性和安全性，適應了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有以下主要特點：(1) 采用國際電工委員會(IEC)推薦的統(tǒng)一信號標準，現場傳輸信號為DC420mA, 控制室聯絡信號為DC15V，信號電流和電壓的轉換電阻為 2501。(2) 廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減 少。(3) 整套儀表可構成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-III型

22、儀表室按國家防爆規(guī)程進行 設計的，而且增加了安全柵，實現了控制室和危險場所之間的能量限制于隔離，使儀表 能在危險的場所中使用。DDZ-III型PID調節(jié)器主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動和自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。調節(jié)器接收變送器送來的測量信號(DC420mA或DC15V)，在輸入電路中和給 定信號進行比較，得出偏差信號，然后在 PD和PI電路中進行PID運算，最后由輸出電 路轉換為420mA直流電流輸出。圖9給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個品種、規(guī)格，以配合不 同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結構基本相同本設計采用DDZ-III型熱電偶溫度變送

23、器。外給定測就信網絡疋血路|給定值指示內給輸入 | ITf) I a輸出指示電略軟手動電路圖9 DDZ-III型調節(jié)器結果框圖5.3調節(jié)閥由前面可以知道，從生產工藝安全出發(fā)，燃料油調節(jié)閥選用氣開式，即一旦出現故 障或氣源斷氣，調節(jié)閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全為了保證。 調節(jié)閥按其工作能源形式可分為氣動、電動和液動三類。氣動調節(jié)閥用壓縮空氣作為工 作能源，主要特點是能在易燃易爆環(huán)境中工作， 廣泛地使用于化工、煉油等生產過程中; 電動調節(jié)閥用電源工作，其特點是能源取用方便，信號傳遞迅速，但難以在易燃易爆環(huán) 境中工作；液動調節(jié)閥用液壓推動，推力很大，一般生產過程中很少使用。故本設

24、計采用了氣動調節(jié)閥，且為氣開形式。5.4聯鎖保護聯鎖保護系統(tǒng)由壓力調節(jié)器、溫度調節(jié)器、流量變送器、火焰檢測器、低選器等部 分組成。當燃料管道壓力高于規(guī)定的極限時，壓力調節(jié)系統(tǒng)通過低選器取代正常工作的 溫度調節(jié)系統(tǒng)，此時出料溫度無控制，自行浮動。壓力調節(jié)系統(tǒng)投入運行保證燃料管道 壓力不超過規(guī)定上限。當管道壓力恢復正常時，溫度調節(jié)系統(tǒng)通過低選器投入正常運行, 出料溫度重新受到控制。當進料流量和燃料流量低于允許下限或火焰熄滅時，便會發(fā)出 雙位信號，控制電磁閥切斷燃料氣供給量以防回火。6感受和體會通過這次課程設計，我發(fā)現了很多平時學習上的不足，也學到了很多以前沒有涉及 到得知識，在平時的學習中常常都是

25、測試要考什么，我就學什么，對于一些公式根本就 沒有去理解和推導，導致考完試以后就把這些知識給忘掉， 沒有能夠轉化成自己的知識， 所以剛剛開始做課設時有點吃力，在為期一個多星期的課程設計中，遇到過很多很多的 問題，但我通過很多有效地途徑，例如上網查相關資料，問身邊的同學和朋友，或者請 教本專業(yè)的老師，都得到了解決。岡寸開始的時候，對管式加熱爐和串級控制系統(tǒng)只有個大概的了解，我去圖書館仔細 查閱了介紹過程控制系統(tǒng)的相關書籍，并在網上搜類似的設計來參考，詳細了解其工作 原理，并對管式加熱爐控制系統(tǒng)的設計有一個大概的構思。當然，對一篇課程設計來說,格式也是一個重要的方面，我仔細按著知道老師的格式要求，認真編輯