加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計 設(shè)計題目 加熱爐溫度控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 自動化 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 2010年12月31日目 錄第1章 設(shè)計的目的和意義2第2章 控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求2 2.1 生產(chǎn)工藝介紹 2.2 控制要求 第3章 總體設(shè)計方案3 3.1 系統(tǒng)控制方案 3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程圖第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計5 4.1 系統(tǒng)控制參數(shù)確定 4.2 PID調(diào)節(jié)器設(shè)計第5章 控制儀表的選型和配置7 5.1 檢測元件 5.2 變送器 5.3 調(diào)節(jié)器 5.4 執(zhí)行器第6章 系統(tǒng)控制接線圖13第7章 元件清單13第8章 收獲和體會14參考文獻第1章 設(shè)計的目的和意義 電加熱爐被廣泛應(yīng)用于工

2、業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。由于這類對象使用方便，可以通過調(diào)節(jié)輸出功率來控制溫度，進而得到較好的控制性能，故在冶金、機械、化工等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 在一些工業(yè)過程控制中,工業(yè)加熱爐是關(guān)鍵部件,爐溫控制精度及其工作穩(wěn)定性已成為產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素。對于工業(yè)控制過程,PID 調(diào)節(jié)器具有原理簡單、使用方便、穩(wěn)定可靠、無靜差等優(yōu)點,因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天,它在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強大的生命力。在產(chǎn)品的工藝加工過程中，溫度有時對產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大，溫度檢測和控制是十分重要的，這就需要對加熱介質(zhì)的溫度進行連續(xù)的測量和控制。在冶金工業(yè)中，加熱爐內(nèi)的溫度控制直接關(guān)系到所冶煉金屬的產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，溫度控

3、制不好，將給企業(yè)帶來不可彌補的損失。為此，可靠的溫度的監(jiān)控在工業(yè)中是十分必要的。這里，給出了一種簡單的溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。第2章 控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求 2.1 生產(chǎn)工藝介紹 加熱爐是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過程必不可少的重要動力設(shè)備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅(qū)動透平的動力源，又可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，作為動力和熱源的過濾，也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。加熱爐設(shè)備根據(jù)用途、燃料性質(zhì)、壓力高低等有多種類型和稱呼，工藝流程多種多樣，常用的加熱爐設(shè)備的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管等組成。本加熱爐環(huán)節(jié)中，燃料與空

4、氣按照一定比例送入加熱爐燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給物料。物料被加熱后，溫度達到生產(chǎn)要求后，進入下一個工藝環(huán)節(jié)。加熱爐設(shè)備主要工藝流程圖如圖2-1所示。圖2-1 加熱爐設(shè)備主要工藝流程圖 2.2 控制要求 加熱爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要，供應(yīng)熱量，同時要使加熱爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行。按照這些控制要求，加熱爐設(shè)備將有主要的控制要求：加熱爐燃燒系統(tǒng)的控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)物料負荷的需要，保證燃燒的經(jīng)濟型和加熱爐的安全運行，使物料溫度與燃料流量相適應(yīng)，保持物料出口溫度在一定范圍內(nèi)。第3章 總體設(shè)計方案 3.1 系統(tǒng)控制方案隨著控制理論的發(fā)展，越來越多的智能控制技術(shù)，如自適

5、應(yīng)控制、模型預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，被引入到加熱爐溫度控制中，改善和提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 本加熱爐溫度控制系統(tǒng)較為簡單，故采用數(shù)字PID算法作為系統(tǒng)的控制算法。采用PID調(diào)節(jié)器組成的PID自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)爐溫。PID調(diào)節(jié)器的比例調(diào)節(jié), 可產(chǎn)生強大的穩(wěn)定作用; 積分調(diào)節(jié)可消除靜差; 微分調(diào)節(jié)可加速過濾過程, 克服因積分作用而引起的滯后?？刂葡到y(tǒng)通過溫度檢測元件不斷的讀取物料出口溫度，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換后接入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器將給定溫度與測得的溫度進行比較得出偏差值，然后經(jīng)PID算法給出輸出信號，執(zhí)行器接收調(diào)節(jié)器發(fā)來的信號后，根據(jù)信號調(diào)節(jié)閥門開度，進而控制燃料流量，改變物料出口溫度，實現(xiàn)對

6、物料出口溫度的控制。 本加熱爐溫度控制系統(tǒng)采用單回路控制方案，即可實現(xiàn)控制要求。在運行過程中，當(dāng)物料出口溫度受干擾影響改變時，溫度檢測元件測得的模擬信號也會發(fā)生對應(yīng)的改變，該信號經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換后變成調(diào)節(jié)器可分析的數(shù)字信號，進入調(diào)節(jié)器，將變動后的信號再與給定相比較，得出對應(yīng)偏差信號，經(jīng)PID算法計算后輸出，通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)燃料流量，不斷重復(fù)以上過程，直至物料出口溫度接近給定，處于允許范圍內(nèi)，且達到穩(wěn)定。由此消除干擾的影響，實現(xiàn)溫度的控制要求。 3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程圖根據(jù)控制要求和控制方案設(shè)計的加熱爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示, 該系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)對象(加熱爐)、檢測元件(測溫儀表)、變送器、

7、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器等5個部分組成, 構(gòu)成單回路負反饋溫度系統(tǒng)。其中顯示器是可選接次要器件，故用虛線表示；為物料出口溫度，Qg為燃料流量。箭頭方向為信號流動方向，溫度信號由檢測元件進入控制系統(tǒng)，經(jīng)過一系列器件和運算后，由執(zhí)行器改變?nèi)剂狭髁浚M而實現(xiàn)溫度控制。圖3-1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)控制要求和結(jié)構(gòu)圖繪制得加熱爐溫度控制系統(tǒng)整體控制流程圖如下圖所示：圖3-2 加熱爐溫度控制系統(tǒng)整體控制流程圖其中，調(diào)節(jié)器采用數(shù)字PID算法，Qg為燃料流量，為物料出口溫度，加熱爐作為控制對象。第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 系統(tǒng)控制參數(shù)確定 4.1.1 被控參數(shù)選擇單回路控制系統(tǒng)選擇被控參數(shù)時要遵循以下原則：

8、在條件許可的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反應(yīng)控制目的的參數(shù)為被控參數(shù)；其次要選擇與控制目的有某種單值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為被控參數(shù)；所選的被控參數(shù)必須有足夠的變化靈敏度。綜合以上原則，在本系統(tǒng)中選擇物料的出口溫度作為被控參數(shù)。該參數(shù)可直接反應(yīng)控制目的。 4.1.2 控制參數(shù)選擇工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行的因素。而控制參數(shù)選擇的基本原則為： 選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為控制參數(shù)； 在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制參數(shù)，以便易于控制； 在的基礎(chǔ)上

9、選擇對被控變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)響應(yīng)較快；綜合以上原則，選擇燃料的流量Qg量作為控制參數(shù)。 4.2 PID調(diào)節(jié)器設(shè)計對溫度的控制算法, 采用技術(shù)成熟的PID 算法, 對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說, 其近似于連續(xù)變化, 因此用數(shù)字PID 完全可以得到比較好的控制效果。簡單的比例調(diào)節(jié)器能夠反應(yīng)很快, 但不能完全消除靜差, 控制不精確, 為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差, 在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器, 積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結(jié)果, 在差不變的情況下, 積分器還在輸出直到誤差為零, 因此加入積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于能自動調(diào)節(jié)控制常量, 消除靜差, 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定

10、。積分器雖然能消除靜差, 但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。 進一步改進調(diào)節(jié)器的方法是通過檢測信號的變化率來預(yù)報誤差, 并對誤差的變化作出響應(yīng), 于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器, 組成比例、積分、微分( PID)調(diào)節(jié)器, 微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào), 克服振蕩, 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定, 同時加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度,縮短調(diào)整時間, 從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能, 其控制規(guī)律的微分方程為:傳遞函數(shù)為：用PID 控制算法實現(xiàn)加熱爐溫度控制是這樣一個反饋過程: 比較實際物料出口溫度和設(shè)定溫度得到偏差, 通過對偏差的處理獲得控制信號, 再去調(diào)節(jié)加熱爐的燃料流量, 從而實現(xiàn)對爐溫的控制, 由于加熱爐一般都是下一階

11、段對象和帶純滯后的一階對象, 所以式中Kp、K d 和K i的選擇取決于加熱爐的響應(yīng)特性和實際經(jīng)驗。第5章 控制儀表的選型和配置 5.1 檢測元件溫度的測量方式有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。本系統(tǒng)選擇接觸式測溫元件。其中較為常用的有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器三種，本系統(tǒng)選擇熱電偶作為測溫元件，其電路原理圖如下圖所示：圖5-1 熱電偶電路原理圖 5.2 變送器5.2.1 變送器選型本系統(tǒng)中的變送器用于溫度信號變送，故選擇溫度變送器。其中較為常用的有模擬式溫度變送器、一體化溫度變送器和智能式溫度變送器三種，本系統(tǒng)采用典型模擬式溫度變送器中的DDZ-III型熱電偶溫度變送器，屬安全火花型防暴

12、儀表，還可以與作為檢測元件的熱電偶相配合，將溫度信號線性的轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。變送器構(gòu)成方框圖如圖5-2所示。圖5-2 電動III型熱電偶典型模擬溫度變送器構(gòu)成方框圖 5.2.2 變送器配置本設(shè)計選用放入是KBW1131型熱電偶溫度變送器。 1.主要技術(shù)參數(shù)：名稱性能輸入信號最小量程3mV，最大量程<80mV輸出信號15VDC或420mADC負載電阻0500精度±0.5%（量程范圍大5mV）±1.0%(5mV>量程3mV)工作條件環(huán)境溫度：540相對濕度：10%75%供電電源：24V±2.4VDC功率2W 表5.1 熱電偶溫度變送器參數(shù)表 2.工作原理

13、：KBW1131型熱電偶溫度變送器是由WS熱電偶溫度轉(zhuǎn)換模塊和GF750信號隔離模塊組成，見圖5-3所示。GF750隔離模塊WS溫度轉(zhuǎn)換模塊+輸出/熱電偶-+-24VDC圖5-3熱電偶溫度變送器原理框圖 3.端子圖：圖5-4 熱電偶變送器接線端子圖 5.3 調(diào)節(jié)器 5.3.1 調(diào)節(jié)器選型 實現(xiàn)PID算法的控制儀表的主要類型大致分為電動或氣動，電動I型、II型、III型，單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動II型、III型。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實施方案也不同。電動III型和電動II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制II型典型信號為，而電動II

14、I型儀表的典型信號為，此外。III型儀表較II型儀表操作、維護更為方便、簡捷，同時III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動切換非常方便，隨時都可以進行切換，且保證無擾動。所以在本設(shè)計中選用電動III型儀表。調(diào)節(jié)器的構(gòu)成方框圖如圖5-4所示。圖5-5 電動III型調(diào)節(jié)器構(gòu)成方框圖作用方式選擇：對于單回路控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇要根據(jù)控制系統(tǒng)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定，這樣只要根據(jù)被控參數(shù)與變送器放大倍數(shù)的符號及整個控制回路開環(huán)放大倍數(shù)的符號為“負”的要求，就可以確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。在本系統(tǒng)中，被控參數(shù)的放大倍數(shù)為的符號為“正”，所以調(diào)節(jié)器應(yīng)選“負”作用即反作用。 5.3.2

15、 調(diào)節(jié)器配置 1.本系統(tǒng)采用的DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器TDM-400性能指標(biāo)如下表所示： 表5.2 DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器性能指標(biāo)名稱性能輸入信號15V直流電壓外給定信號420mA直流電流（輸入電阻250）輸出信號420mA直流電流負載電阻250750輸入與給定指示0100%，指示誤差為1.0%輸出信號指示0100%，指示誤差為2.5%整定參數(shù)（F=1情況下）比例帶Xp=2500%連續(xù)可調(diào)，最大值刻度誤差2.5%；積分時間Ti有兩檔0.012.5分與0.125分。分別連續(xù)可調(diào)，最大值與最小值刻度誤差為%；微分時間Td=0.0410分，連續(xù)可調(diào)，最大刻度誤差為%干擾系數(shù)F積分增益KdK

16、d10閉環(huán)跟蹤誤差 2.DDZ-III型調(diào)節(jié)器接線端子如下圖所示：圖5-6 DDZ-III型調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器接線端子 5.4 執(zhí)行器 5.4.1 執(zhí)行器選型本系統(tǒng)中，執(zhí)行器是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是按照調(diào)節(jié)器所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)燃料流量的裝置。 1.執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式： 執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上分為執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)。其中執(zhí)行機構(gòu)包括氣動、電動和液動三大類，而液動執(zhí)行機構(gòu)使用甚少，同時氣動執(zhí)行機構(gòu)中使用最廣泛的是氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)，因此執(zhí)行機構(gòu)的選擇主要是指對氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)和電動執(zhí)行機構(gòu)的選擇，由于氣動執(zhí)行機構(gòu)的工作溫度范圍較大，防爆性能較好，故本系統(tǒng)選擇氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)并配上電/氣閥門

17、定位器。調(diào)節(jié)閥的開、關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素： 生產(chǎn)安全角度：當(dāng)氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等情況下，應(yīng)該確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不至發(fā)生事故； 保證產(chǎn)品質(zhì)量：當(dāng)發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時，產(chǎn)品的質(zhì)量不應(yīng)降低； 盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動力損耗； 從介質(zhì)的特點考慮。 綜合以上各種因素，在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器的調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥：執(zhí)行機構(gòu)采用正作用方式，調(diào)節(jié)機構(gòu)正裝以實現(xiàn)氣開的氣動薄膜調(diào)節(jié)蝶閥。執(zhí)行器由電/氣閥門定位器和氣動調(diào)節(jié)閥配合使用組成，其方框圖如圖5-7所示。圖5-7 電/氣閥門定位器和氣動調(diào)節(jié)閥組成的系統(tǒng)框圖1. 調(diào)節(jié)閥的流量特性： 調(diào)節(jié)閥的流量特性的選

18、擇，在實際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特性、拋物線特性和快開特性四種，在本系統(tǒng)中執(zhí)行器的調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇等百分比特性。2. 調(diào)節(jié)閥的口徑：調(diào)節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個管線的總壓降中占有較大的比例。 5.4.2 執(zhí)行器配置1.電/氣閥門定位器ZPD-01 表5.3 ZPD-01參數(shù)表名稱性能輸入信號4-20mA·DC輸出信號0-0.14MPa圖5-8 ZPD-01端子圖3. 薄膜氣動調(diào)節(jié)閥ZMBS-16K 表5.4 ZMBS-16K參數(shù)表名稱性能輸入信號輸出信號開度（%）圖5-9 執(zhí)行器接線端子

19、圖第6章 系統(tǒng)控制接線圖 6.1 端子接線圖見附錄。 6.2 儀表配接說明：接線圖主要由接線板W、溫度變送器K（KBW-1131）、電動III型調(diào)節(jié)器T（TDM-400）、電/氣閥門定位器Z（ZPD-01）和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥S（ZMBS-16K）五個部分組成。 溫度變送器KBW-1131的輸入信號由W1（+），W2（-）接入K1，K2；輸出信號由K5，K6接至W10（+），W11（-）；24V直流電源由W5（+），W7（-）接至K7，K8。電動III型調(diào)節(jié)器TDM-400的輸入信號由W10（+），W11（-）接入T1，T2；輸出信號由T13，T14接至W8（+），W9（-）；24V直流電源由W3

20、（+），W4（-）接至T19，T20；W3接W5，W4接W7。電/氣閥門定位器ZPD-01的輸入信號由W8（+），W9（-）接入Z1，Z2；輸出信號由Z3，Z4接至W12（+），W13（-）。氣動薄膜調(diào)節(jié)閥ZMBS-16K的輸入信號由W12（+），W13（-）接入S1，S2。第7章 元件清單產(chǎn)品名稱型號數(shù)量輸入信號輸出信號備注電/氣閥門定位器ZPD-011臺4-20mA·DC0.14MPa閥行程40mm氣動薄膜角型調(diào)節(jié)閥ZMBS-16K1臺開度（%）正作用方式熱電偶溫度變送器KBW-11311臺0-130015VDC配EU-2熱電偶電動III型調(diào)節(jié)器TDM-4001臺1-5V4-20

21、mADCPID調(diào)節(jié)表7.1 元器件清單第8章 收獲和體會 8.1 設(shè)計總結(jié) 本設(shè)計是基于單回路控制系統(tǒng)的加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，對物料出口溫度的良好控制是保證系統(tǒng)輸出蒸汽溫度穩(wěn)定的前提。采用PID算法控制，可以極大地消除控制系統(tǒng)工作過程中的各種擾動，使系統(tǒng)工作在良好的狀態(tài)下，滿足基本的控制要求。 8.2 心得體會本設(shè)計綜合運用了自動檢測技術(shù)、自動控制理論以及過程控制理論。為了更好的完成設(shè)計，我將以前的一些教科書籍重新找出，認(rèn)真閱讀，從中不僅查找到了設(shè)計中需要的知識點，還發(fā)現(xiàn)了一些以前學(xué)習(xí)中忽略了的知識，在完成設(shè)計的同時得到了額外的收獲。在做這個課程設(shè)計之前，我一直以為自己的理論知識學(xué)的很好了。但當(dāng)我拿到設(shè)計任