管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計

1、管式加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng) 1設計意義及要求1.1設計意義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(zhì)最 終溫度達到并維持在工藝要求范圍內(nèi),由于其具有強耦合、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(guān)注。加熱爐是冶金、煉油等 生產(chǎn)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(zhì)量指標,要保證加熱爐的熱效率最高,經(jīng)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,使燃燒產(chǎn) 生的有害氣體最少,達到減排的目的。1.2設計要求1本課程設計

2、題目為加熱爐溫度-溫度串級控制系統(tǒng)設計,課程設計時間為 2周;學生 對選定的設計題目所涉及的生產(chǎn)工藝和控制原理進行介紹,針對具體設計選擇相應的控制 參數(shù)、被控參數(shù)以及過程檢測控制儀表,并畫出控制流程圖及控制系統(tǒng)方框圖。2課程設計說明書按學?！罢n程設計工作規(guī)范”中的“統(tǒng)一書寫格式”撰寫,具體包括: 目錄; 摘要; 生產(chǎn)工藝和控制原理介紹; 控制參數(shù)和被控參數(shù)選擇; 控制儀表及技術(shù)參數(shù); 控制流程圖及控制系統(tǒng)方框圖; 總結(jié)與展望; (設計過程的總結(jié),還有沒有改進和完善的地方 ; 課程設計的心得體會(至少 500字 ; 參考文獻(不少于 5篇 ; 其它必要內(nèi)容等。2方案論證2.1方案選擇管式加熱爐加

3、熱爐的工作原理如圖 1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(jīng)加熱的物料從右上端 的管口流出,物料出口溫度 1( t 為被控參數(shù)。圖 1 管式加熱爐工作原理圖 分析管式加熱爐的工作過程可知,物料出口溫度 1( t 受進入管式加熱爐的物料初始溫 度,物料進入的流量(即物料入口的壓強 ,進入管式加熱爐的燃料的流量(也即燃料入 口壓強 ,燃料的燃燒值等因素的影響。其中物料進入的流量(即物料入口的壓強和進 入管式加熱爐的燃料的流量(也即燃料入口壓強是影響物料出口溫度 1( t 的主要因素。 如果采用單回路控制系統(tǒng),根據(jù)操作量的選取原則,我

4、們可以在物料入口處裝上一個調(diào)節(jié) 閥,以控制物料進入的流量;對于進入管式加熱爐的燃料的流量,可以使它保持某一恒定 值?；蛟谌剂系娜肟谔幇惭b一個調(diào)節(jié)閥,以控制進入管式加熱爐的燃料的流量;對于進入 管式加熱爐的物料的流量,則可以使它保持某一恒定值。而調(diào)節(jié)閥的開度大小由安裝在物 料出口處的溫度傳感器輸出的大小間接控制。它雖然結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)方便;但不符合生產(chǎn) 工藝的要求。因為如果將物料的進入流量進行限定后,則日生產(chǎn)總量也被限定。這顯然不 符合實際的工業(yè)生產(chǎn)情況。在此基礎(chǔ)上進行一點改進不對另一個量進行限制。基于對 燃料進入量進行控制的管式加熱爐單回路溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖 2所示。管式加熱爐物料入口燃料物

5、料出口溫度 1( t 圖 2 管式加熱爐單回路溫度控制系統(tǒng)原理圖 如圖 2所示的單回路溫度控制系統(tǒng)初看起來是可行的。而且它的結(jié)構(gòu)簡單,所需的器 材少,投入小。也符合工業(yè)設計的經(jīng)濟原則。但考慮到實際的被控對象管式加熱爐是 一個大慣性系統(tǒng),該方案實際上是行不通的。在如圖 2所示的方案中,物料進入管式加熱 爐的流量變化和燃料入口壓強的變化是一個對對被控量物料出口溫度 1( t 影響比較 大的干擾。假如流入管式加熱爐的物料突然減少而燃料入口處的壓強突然增大,由于物料 在爐膛內(nèi)的加熱是一個過程 (存在一個較大的時間滯后 1T , 同時加熱的物料經(jīng)過爐膛內(nèi)蜿蜒曲折的管道(用以實現(xiàn)物料的加熱流出加熱爐也存在

6、一個較大的滯后時間 2T 。經(jīng)過較長時間滯后, 才開始相應的調(diào)節(jié)顯然是無法達到工藝要求的使物料出口溫度只在 2%±內(nèi)波 動。而串級控制系統(tǒng)通常適用用于工業(yè)上一些有較大容量滯后或較大純滯后的過程,有必 要選擇串級控制系統(tǒng)對管式加熱爐的溫度控制。串級控制的原理圖如圖 3所示。圖 3 溫度串級控制系統(tǒng)原理圖管式加熱爐 物料出口溫度 1( t 物料入口燃料1TTTT2T T 1T C 2T C物料出口溫度 1( t 物料入口管式加熱爐 1TTTT1T C燃料在如圖 3所示的溫度串級控制系統(tǒng)中,物料入口流量的變化和燃料入口壓強的變化是 影響物料出口溫度的主要因素,而且它們對物料出口溫度的影響存

7、在較大的時間滯后 通過對管式加熱爐的工作原理的分析可知,前者的時間滯后來源與物料在管道中流動的時 間;而后者的時間滯后來源于前者的滯后時間加上管壁的熱傳遞滯后時間。即后者作用滯 后時間 2T 要大于前者的滯后時間 1T 。這種較大的滯后時間是給控制帶來麻煩的關(guān)鍵因素。那么減小或盡量消除這種較大的時間滯后成為控制系統(tǒng)設計的核心問題。由工業(yè)生產(chǎn)工藝決定了由管道產(chǎn)生的時間滯后無法消除,而由爐膛和管壁產(chǎn)生的時間 滯后可以盡量減小。故可以選擇物料出口溫度作為主變量,爐膛溫度作為副變量,構(gòu)建串 級控制系統(tǒng)。其原理圖如圖 3所示,方框圖如圖 4所示。 圖 4 溫度串級控制系統(tǒng)原理方框圖2.2溫度串級控制系統(tǒng)

8、分析在圖 4所示的溫度串級控制系統(tǒng)中,由副控制器,調(diào)節(jié)閥,爐膛,溫度變送器 2構(gòu)成 溫度控制系統(tǒng)的副環(huán)(內(nèi)環(huán) 。它將主控制器的輸出作為給定信號,跟隨信號 X2;它的輸 出信號直接控制燃料進入調(diào)節(jié)閥的開度,從而控制爐膛內(nèi)的溫度。由工程實踐經(jīng)驗有 爐膛內(nèi)的溫度同物料出口溫度存在某種關(guān)系,這樣就可以達到間接控制物料出口溫度的目 的。由于副環(huán)構(gòu)成一個時間常數(shù)較小的負反饋環(huán),它能在本環(huán)內(nèi)引入的干擾信號(燃料入 口壓強變化和燃料熱值變化分別用 F3,F4表示對物料出口溫度產(chǎn)生較大影響前,及時進 行調(diào)節(jié)。 對整個控制系統(tǒng)而言, 可起到先調(diào), 粗調(diào), 快調(diào)的作用。 主控制器, 副環(huán), 管壁, 物料,溫度變送器

9、 1構(gòu)成主環(huán)(外環(huán) 。由于主環(huán)回路前向通道較副環(huán)要長,控制作用的 滯后時間較大,它的調(diào)節(jié)作用較慢;而且對副環(huán)所產(chǎn)生的控制偏差和物料入口溫度及壓強 (分別用 F1,F2表示變化引起的干擾起到抑制作用。它在整個控制系統(tǒng)中起到后調(diào),慢 調(diào),細調(diào)的作用。除此以外,主環(huán)和副環(huán)的協(xié)同作用還能大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力。假設在穩(wěn)態(tài)工況下,物料進口溫度和流量穩(wěn)定,燃料的熱值和流量不變,控制燃料的調(diào)節(jié)閥閥門開度保持 一定,此時爐膛內(nèi)的溫度和物料出口溫度都保持恒定。如果干擾同時作用于主回路和副回 路。 當燃料入口壓強變化和燃料熱值 (分別用 F3,F4表示 變化同物料入口溫度及壓強 (分 別用 F1,F2表示變化的

10、作用方向相同(即同時曾大或變小時,假如同時增加,在 F1和 F2的作用下,物料出口溫度上升;通過溫度變送器 1 的反饋作用,使主調(diào)節(jié)器的輸入 減小,而相應的主調(diào)節(jié)器的輸出也減小(即副控制環(huán)的給定值減小,也即減小燃料進入閥 的開度 。在副控制環(huán)中引入的干擾信號 F3和 F4使得爐膛內(nèi)的溫度升高,通過溫度變送 器 2的反饋作用,也要使得副控制器的輸入減小,也是要達到減小燃料進入閥的開度。同 樣可以推出,當干擾信號同時減小時,主控制器和副控制器的控制作用都是使得燃料進入 閥的開度增大。二者作用的疊加使得整個系統(tǒng)抗干擾性能有很大的提高。當燃料入口壓強 變化和燃料熱值(分別用 F3,F4表示變化同物料入

11、口溫度及壓強(分別用 F1,F2表示 變化的作用方向相反時,例如當 F1和 F2的作用為減,而 F3和 F4的作用為曾時, F1和 F2的作用使得物料的出口溫度減小, 通過溫度變送器 1的反饋作用, 使得主調(diào)節(jié)器的輸入 增加,而相應的主調(diào)節(jié)器的輸出也相應增加(即副控制環(huán)的給定值曾大,也即增大燃料進 入閥的開度 。在副控制環(huán)中引入的干擾信號 F3和 F4的作用下,爐膛內(nèi)的溫度增加,通 過溫度變送器 2的反饋作用, 使得副控制器的輸入減小 (即有減小燃料進入閥開度的趨勢 。 同樣可推出,當 F1和 F2的作用為曾,而 F3和 F4的作用為減時,主調(diào)節(jié)器有減小燃料進 入閥開度的趨勢,而副調(diào)節(jié)器有增大

12、燃料進入閥開度的趨勢。主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的這種 相反的控制作用在某種程度上相互抵消,可以有效的抑制外界的干擾。綜上分析可知,串級控制系統(tǒng)不僅有較好的時間特性,而且還有較好的抗干如性能和 動態(tài)性能。2.3系統(tǒng)硬件及調(diào)節(jié)器選擇在串級控制系統(tǒng)中,主副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用,而 副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用。主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標,它關(guān)系到所生產(chǎn)的產(chǎn)品的 質(zhì)量,一般都有較嚴格的工藝要求不允許有殘差,同時又由于要控制的工業(yè)過程有較 大的容量滯后,所以主調(diào)節(jié)器通常選擇 PID 型調(diào)節(jié)器以實現(xiàn)主參數(shù)的無差控制。而在串級 控制系統(tǒng)中,穩(wěn)定副參數(shù)并不是目的。控制副參數(shù)是為了保證和提高

13、主參數(shù)的控制質(zhì)量, 對副參數(shù)的要求一般沒有像主參數(shù)那樣的嚴格,可以在一定的范圍內(nèi)變化,允許有殘差。 因此,副調(diào)節(jié)器一般選 P 調(diào)節(jié)器。為了能夠快速的跟蹤主調(diào)節(jié)器的輸出,一般不引入積分環(huán)節(jié),因為積分環(huán)節(jié)會延長調(diào)節(jié)過程,減弱副回路的快速特性。副調(diào)節(jié)器一般也不引入微 分環(huán)節(jié),因為當調(diào)節(jié)器有微分環(huán)節(jié)時,主調(diào)節(jié)器輸出稍有變化,就容易引起調(diào)節(jié)閥有較大 的開度變化,對系統(tǒng)的穩(wěn)定性能不利。綜上所述,主調(diào)節(jié)器應選用 PID 型調(diào)節(jié)器,副調(diào)節(jié) 器選用 P 型調(diào)節(jié)器。要使一個過程控制系統(tǒng)能正常的運行,系統(tǒng)必須構(gòu)成一個負反饋。因此,在串級控制 系統(tǒng)中,主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的正反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構(gòu)成負反饋。

14、從生 產(chǎn)工藝安全角度出發(fā),燃料進入調(diào)節(jié)閥應選用氣開式(正作用 ,即一旦出現(xiàn)故障或冷物 料流入中斷,調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉,切斷燃料的輸入,確保管式加熱爐的安全。由管式加熱爐 的工作原理可知,對于副調(diào)節(jié)器,當爐膛溫度升高時,溫度變送器 2的測量信號增大,為 了保證副控制回路為負反饋,則要使得副調(diào)節(jié)器的輸出信號減小。按照測量信號增大,輸 出信號減小的原則, 副調(diào)節(jié)器應為反作用方式。 對于主調(diào)節(jié)器, 當副參數(shù)爐膛溫度升高時, 主控參數(shù)物料出口溫度也升高,而溫度變送器一般都是正作用方式,故溫度變送器 1的測 量信號也增大,為了保證主控制回路也為負反饋,要求主調(diào)節(jié)器的輸出信號減少,按照測 量信號增大,輸出信號減

15、小的原則,主調(diào)節(jié)器也應為反作用方式。各個環(huán)節(jié)的正反作用如 下圖 5所示。圖中“ +”表示為正作用, “ -”表示為反作用。圖 5 管式加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)正反作用圖根據(jù)以上的分析選擇好相應的硬件后,構(gòu)建管式加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)。物料出口溫度 1( t1TT TT 2T T 1T C 2T C燃料 物料入口管式加熱爐 + + 3控制儀表及技術(shù)參數(shù)3.1主控制器軟件設計管式加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)主回路簡化方框圖如圖 6所示。 圖 6 串級控制系統(tǒng)主回路簡化方框圖對于主控制器采用數(shù)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(shù)學表達式如下:0( (1 ( ( (

16、 k p D i I T E k E k U k K E k E i T T T=-=+ 增量型 PID 控制數(shù)學表達式如下:( ( (1( ( 2(1 (2D p p p I T T U k K E k E k K E k K E k E k E k T T=-+-+- 令 0(1 D p I T T q K T T=+, 1(12 D p T q K T =-+, 2D p T q K T =則 012( ( (1 (2 U k q E k q E k q E k =+-+-012( (1 ( (1 ( (1 (2 U k U k U k U k q E k q E k q E k =-+

17、=-+-+-比較兩種數(shù)字 PID 控制的數(shù)學表達式可知,增量型控制算法不需要做累加,控制量的 增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān),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加值,容易產(chǎn)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(shù)字控制算法,易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。經(jīng)過以上的分析可知, 采用增量型數(shù)字 PID 控制算法較好。 相應的數(shù)字 PID 增量型控 制算法流程

18、圖如圖 7所示。 圖 7 數(shù)字 PID 增量型控制算法流程圖3.2數(shù)字 PID 控制器參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)通常用于對主參數(shù)控制要求比較嚴格的生產(chǎn)過程,同時在串級控制系統(tǒng) 中,對副參數(shù)的要求是能準確快速地跟蹤主調(diào)節(jié)器輸出的變化。這種要求的不同是我們合 理選擇參數(shù)整定方法的依據(jù)。串級控制系統(tǒng)的參數(shù)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(diào)節(jié)器的 參數(shù),然后把已經(jīng)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(shù)整 定的方法

19、對主控制器的參數(shù)進行整定。一步整定法是根據(jù)經(jīng)驗,先將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)一次 調(diào)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(diào)節(jié)器的參數(shù)。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(shù)的要求,但是要分兩步進行,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(shù)整定法對串級控制系統(tǒng)進行參數(shù)整定。系統(tǒng)參數(shù)整定步驟: (1在正常生產(chǎn),系統(tǒng)為純比例運行的條件下(即 I T 為無窮大, D T 為零 ,根據(jù)工程 經(jīng)驗,確定副環(huán)調(diào)節(jié)器(為 P 型控制器的參數(shù)比例度。(2 將

20、副回路視為一個環(huán)節(jié), 按照單回路參數(shù)整定的方法對主控制器的參數(shù)進行整定。 把系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器設置成純比例作用(即 I T 為無窮大, D T 為零 ,將 由大到小的規(guī)律進 行調(diào)整,直到被控參數(shù)出現(xiàn)等副振蕩為止。記下此時的比例度 K (臨界比例度和等副振 蕩的周期 K T (臨界振蕩周期 。根據(jù)相應的經(jīng)驗公式可以計算出 1.6K =, 0.5I K T T =, 0.5D I T T =。(3在已整定參數(shù)條件下,觀察控制過程,適當調(diào)整主調(diào)節(jié)器的參數(shù),使其滿足工藝 要求。4總結(jié)與展望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(wǎng)查相關(guān)資料,問身邊的同學與朋

21、友,或者請教本專業(yè)的老師,都得到 了解決。剛開始的時候,對管式加熱爐與串級控制系統(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(guān)書籍, 并在網(wǎng)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(gòu)思。 方案的選取也是一 個問題,但通過綜合分析,與同學互相討論,覺得如果要對溫度控制要求高,必須得 選串級控制系統(tǒng),才能達到控制的相關(guān)要求。然后參考專業(yè)書籍,選取元器件,列好 清單。在畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖這一方面,一些是用畫圖工具畫出來的,但由于時間與經(jīng)驗上 的關(guān)系, 有一部分是從相關(guān)資料上截下來的圖, 這是以后做課程設計時需要改進提高 的地方。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,達到好的效果。在做課程設計的過程中,不斷發(fā)現(xiàn)新的問題,不斷去尋找好的解決方法,不斷 去改變,改進,才能讓自己得到提高。我們首先要學好理論,然后抓住機會實踐,在 實踐中加深對理論的理解, 理論與實踐相結(jié)合, 才能學好專業(yè)知識, 為未來打好基礎(chǔ)。5 心得體會 本文是對管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計，通過幾天的努力對該電路有了較為深入的 研究，也進一步熟悉了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理及各