過程控制系統(tǒng)課程設計論文 原料油加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計

1、XXXX 大 學 過程控制系統(tǒng) 課程設計（論文）題目： 原料油加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計 院（系）： XXXXXXXX學院 專業(yè)班級： XXXXXXX 學 號： XXXXXXXXX 學生姓名： XXXX 指導教師： （簽字）起止時間：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX課課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：測控技術與儀器學 號XXXXXX學生姓名XX專業(yè)班級XXXX1設計題目原料油加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設計課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數(shù)實現(xiàn)功能設計原料油加熱爐溫度控制系統(tǒng)加熱爐是生產(chǎn)中常用的設備之一。工藝要求被加熱物料的出口溫度保持在60&

2、#177;0.5。影響爐出口溫度的因素：被加熱物料的流量和初溫；燃燒壓力的波動、流量的變化、燃料熱值的變化；煙囪的抽力變化等。設計任務及要求1、確定控制方案并繪制原理結(jié)構圖、方框圖；2、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號和參數(shù)；3、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式；4、若設計由計算機實現(xiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)應給出系統(tǒng)硬件電氣連接圖及程序流程圖；5、按規(guī)定的書寫格式，撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在4000字以上。技術參數(shù)測量范圍：-40100控制溫度：60±0.5 最大偏差：2工作計劃1、布置任務，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（2天 ）2、確定系統(tǒng)的控

3、制方案，繪制原理結(jié)構圖、方框圖。（1天 ）3、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號。（2天 ）4、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式。（ 1天）5、上機實現(xiàn)系統(tǒng)的模擬運行、答辯。（3天 ）6、撰寫、打印設計說明書（1天 ）指導教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導教師簽字： 總成績： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘要生產(chǎn)自動控制過程中，隨著工藝要求，安全、經(jīng)濟生產(chǎn)不斷地情況下，簡單、常規(guī)的控制已不能適應現(xiàn)代化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)很難使系統(tǒng)安全抗干擾。串級控制系統(tǒng)具備較好的抗干擾能力、快速性、適應性和控制質(zhì)量，因為在復

4、雜的過程控制工業(yè)中得到了廣泛的應用。隨著PLC功能的擴充在許多PLC 控制器中都擴充了PID 控制功能, 因此在邏輯控制與PID控制混合的應用場所中采用PLC控制是較為合理的。整個設計對串級控制系統(tǒng)的特點和主副回路設計進行了詳述，設計了加熱爐串級控制系統(tǒng)，并將基于PID算法應用在控制系統(tǒng)中。結(jié)合基于計算機控制的PID參數(shù)整定方法實現(xiàn)串級控制。本設計是利用西門子S7-200PLC控制加熱爐溫度的控制系統(tǒng)。介紹了溫度控制系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)的組成和系統(tǒng)硬件及軟件的具體設計過程。控制結(jié)果表明系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制精度和穩(wěn)定性。關鍵詞：串級控制，干擾，PLC，回路，PID目錄第1章 緒論隨著人們物質(zhì)生活水

5、平的提高以及市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、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(xiàn)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 年代就已有應用。過程控制技術發(fā)展至今天, 在控制方式上經(jīng)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(nèi)，過程控制系統(tǒng)又經(jīng)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(jié)構復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術

6、對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一。其任務是把原料油加熱到一定的溫度，以保證下道工序的順利進行。因此加熱爐的溫度控制起著舉足輕重的作用，直接關系到產(chǎn)量、能源、污染、工人的勞動強度等等。近年來，加熱爐溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，冶金機械食品化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反應爐，對工件的處理均需要對溫度進行控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和家居生活過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控。由于許多實踐現(xiàn)場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復雜，傳統(tǒng)的加熱爐電氣控制系統(tǒng)普遍采用繼

7、電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現(xiàn)邏輯控制，使控制系統(tǒng)的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機控制技術的發(fā)展，傳統(tǒng)繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產(chǎn)生的PLC控制技術所取代。而PLC本身優(yōu)異的性能使基于 PLC控制的溫度控制系統(tǒng)變的經(jīng)濟高效穩(wěn)定且維護方便。目前而言，國內(nèi)加熱爐控制多數(shù)仍舊采用老式的人工控制，需要操作人工控制.需要操作人員完全手動控制燃料，原料閥的開度，進行燒爐。這樣一來，流量控制的精度將極差，操作的及時性也將大大降低。同時，由于大多數(shù)加熱爐的燃料是利用高爐煤氣，而高爐煤氣是多用戶煤氣管網(wǎng)，煤氣壓力波動極大，煤氣流量也將嚴重不穩(wěn)定，對人

8、工操作難度也進一步加大。為此我們設計一套以串級控制為基礎的加熱爐串級控制系統(tǒng)，這對提高工業(yè)產(chǎn)能具有相當積極的意義。第2章 控制系統(tǒng)的設計方案2.1 概述本設計的整體思路是：利用對燃料量的控制最終來實現(xiàn)對原油的溫度的控制，該控制分為主回路與副回路控制兩部分，在原油出口處設置主回路溫度傳感器，由其帶動主回路溫度控制器從而進行對燃料閥的流量控制，此控制為主回路被控參數(shù)控制。在爐膛設置主回路溫度傳送器，由其帶動主回路溫度控制器進行對干擾的消除。這樣，便構成了以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，以爐膛溫度為輔助被控參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。2.2 方案論證方案1：簡單控制系統(tǒng)管式加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置

9、之一，它的任務是把原料油加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進行。因此，常選原料油出口溫度為被控參數(shù)、燃料流量為控制變量，構成如圖1-1所示的溫度控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)框圖如圖1-2所示。影響原料油出口溫度的干擾有原料油流量、原料油入口溫度、燃料壓力、燃料壓力等。該系統(tǒng)根據(jù)原料油出口溫度變化來控制燃料閥門開度，通過改變?nèi)剂狭髁繉⒃统隹跍囟瓤刂圃谝?guī)定的數(shù)值上，是一個簡單控制系統(tǒng)。圖1-1 管式加熱爐出口單回路溫度控制系統(tǒng)由圖1-1可知，當燃料壓力或燃料熱值變化時，先影響爐膛溫度，然后通過傳熱過程逐漸影響原料油的出口溫度。從燃料流量變化經(jīng)過三個容量后，才引起原料油出口溫度變化，這個通道時間常數(shù)很大，

10、約有15min，反應緩慢。而溫度調(diào)節(jié)器是根據(jù)原料油的出口溫度與設定值的偏差進行控制。當燃料部分出現(xiàn)干擾后，圖1-1所示的控制系統(tǒng)并不能及時產(chǎn)生控制作用，克服干擾對被控參數(shù)的影響，控制質(zhì)量差。當生產(chǎn)工藝對原料油出口溫度要求嚴格時，上述簡單控制系統(tǒng)很難滿足要求。調(diào)節(jié)器1調(diào)節(jié)閥爐膛管壁原料油溫度變送器圖1-2 管式加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖燃料在爐膛燃燒后，首先引起爐膛溫度變化，再通過爐膛與原料油的溫差將熱量傳給原料油，中間還要經(jīng)過原料油管道管壁。顯然，燃料量變化或燃料熱值變化，首先使爐膛溫度發(fā)生改變。如果以爐膛溫度作為被控參數(shù)組成單回路控制系統(tǒng)，會使控制通道容量滯后減少，時間常數(shù)約為3min

11、，對來自燃料的干擾、的控制作用比較及時，對應的控制系統(tǒng)如圖1-3所示。系統(tǒng)框圖如圖1-4。但問題是爐膛溫度畢竟不能真正代表原料油出口溫度，即使爐膛溫度恒定，原料油本身的流量或入口溫度變化仍會影響原料油出口溫度，圖1-3 管式加熱爐爐膛溫度控制系統(tǒng)這是因為來自原料油的干擾、并沒有包含在圖1-4所示的控制系統(tǒng)（反饋回路）之內(nèi)，控制系統(tǒng)不能克服、對原料油出口溫度的影響，控制效果仍達不到生產(chǎn)工藝要求。 如果將上面兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點溫度調(diào)節(jié)器對被控參數(shù)的精調(diào)節(jié)器2調(diào)節(jié)閥爐膛原料油溫度變送器2圖1-4管式加熱爐爐膛溫度控制系統(tǒng)框圖圖1-5 管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)確控制、溫度調(diào)節(jié)器對來自燃料的干擾、

12、的及時控制結(jié)合起來，先根據(jù)爐膛溫度的變化，改變?nèi)剂狭?，快速消除來自燃料的干擾、對爐膛溫度的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度與設定值的偏差，改變爐膛溫度調(diào)節(jié)器的設定值，進一步調(diào)節(jié)燃料量，以保持原料油出口溫度恒定，這樣就構成了以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，以爐膛溫度為輔助被控參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。管式加熱爐串級控制系統(tǒng)流程圖及系統(tǒng)框圖分別如圖1-5、圖1-6。這樣干擾、對原油出口溫度的影響主要由爐膛溫度調(diào)節(jié)器（圖1-5中的，圖1-6中的副調(diào)節(jié)器）構成的控制回路進行校正；由原料油出口溫度調(diào)節(jié)器（圖1-5中的，圖1-6中的主調(diào)節(jié)器）構成的控制回路克服干擾、對原料油出口溫度的影響，并對其他干擾所引起的的偏

13、差進行校正。副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥爐膛管壁原料油溫度變送器1主調(diào)節(jié)器溫度傳感器2圖1-6 管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖綜上所述，由于管式加熱爐動態(tài)性復雜、存在多種擾動，簡單控制系統(tǒng)難以滿足控制要求，所以采用串級控制系統(tǒng)。2 環(huán)節(jié)設計串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送

14、、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構成。2.1 副回路的設計與副參數(shù)的選擇副回路的選擇是確定副回路的被控參數(shù)，串級系統(tǒng)的特點主要來源于它的副回路，副回路的參數(shù)選擇一般應遵行下面幾個原則：（1）主、副參數(shù)有對應關系。即通過調(diào)整副參數(shù)能有效地影響主參數(shù)，副參數(shù)的變化應反映主參數(shù)的變化趨勢、并在很大程度上影響主參數(shù)；其次，選擇的副參數(shù)必須是物理上可測的；另外，由副參數(shù)所構成的副回路，調(diào)節(jié)通道盡可能短，調(diào)節(jié)過程時間常數(shù)不能太大，時間滯后小，以便使等效過程時間常數(shù)顯著減小，提高整個系統(tǒng)的工作頻率，加快控制過程反應速度，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。（2

15、）副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾。 在選擇副參數(shù)時一定要把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中，但也不是副回路包含的干擾越多越好，因為副回路包含的干擾越多，其控制通道時間常數(shù)必然越大，響應速度變慢，副回路快速克服干擾的能力將受到影響。所以在選擇副參數(shù)時，應在副回路反應靈敏與包含較多干擾之間進行合理的平衡。（3）副參數(shù)的選擇應考慮主、副回路中控制過程的時間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生。在串級控制系統(tǒng)中，主、副回路中控制過程的時間常數(shù)不能太接近，一方面是為了保證副回路具有較快的反應能力，另一方面由于在串級控制系統(tǒng)中，主、副會理密切相關，

16、如果主、副回路中的時間常數(shù)比較接近，系統(tǒng)一旦受到干擾，就有可能產(chǎn)生“共振”，使控制質(zhì)量下降，甚至使系統(tǒng)因震蕩而無法工作。在選擇副參數(shù)時，應注意使主、副回路中控制過程的時間常數(shù)之比為310，以減少主、副回路的動態(tài)聯(lián)系、避免“共振”。（4）應注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性。2.2主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 在串級控制系統(tǒng)中，主，副調(diào)節(jié)器起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動范圍很小，一般要求無靜差，因此，主調(diào)節(jié)器應選PI或PID調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設置是為了克服主要干擾對主參數(shù)的影響，因而可以允許在一定范

17、圍的變化，并允許有靜差。為此，副調(diào)節(jié)器選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。2.3主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構成負反饋。串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的正反作用的選擇方法是：首先根據(jù)工藝要求決定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式，并決定副調(diào)節(jié)器的正反作用;然后再依據(jù)主、副過程的正、反形式最終確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。由圖1-5可以得到，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全。對于副調(diào)節(jié)器，當爐膛溫度升高時，測量信號增大、為保證副回路為負反饋，此時調(diào)節(jié)閥應關小，要求副調(diào)節(jié)器

18、輸出信號減小。按照測量信號增大，輸出信號減小的原則要求，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)升高時，主參數(shù)也升高，故主調(diào)節(jié)器應為反作用方式。2.4主、副調(diào)節(jié)器選用DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結(jié)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(xiàn)場傳輸信號為DC420mA，控制室聯(lián)絡信號為DC15V，信號電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250。（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

19、-III型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(xiàn)了控制室與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(diào)節(jié)器的結(jié)構框圖如圖2-1。主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。 調(diào)節(jié)器接收變送器送來的測量信號(DC420mA或DC15V），在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在PD與PI電路中進行PID運算，最后由輸出電路轉(zhuǎn)換為420mA直流電流輸出。圖2-1 DDZ-III型調(diào)節(jié)器結(jié)構框圖2.5 主、副電路檢測變送器的確定 溫度檢測元件熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號轉(zhuǎn)換成電動勢（m

20、V）信號，配以測量毫伏的指示儀表或變送器可以實現(xiàn)溫度的測量指示或溫度信號的轉(zhuǎn)換。具有穩(wěn)定、復現(xiàn)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(shù)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(shù)大、電阻率大、化學及物理性能穩(wěn)定、電阻與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(shù)金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數(shù)半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。由圖1-6可知，副回路中的溫度變送器2檢測的是爐膛的

21、溫度，一般較高，故選擇熱電偶；主電路的溫度變送器1則檢測的是原料油的出口溫度，溫度較低，選擇熱電阻即可。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2-2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補償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點調(diào)整法、冰浴法、補償電橋法以及半導體PN結(jié)補償法。采用熱電阻法測量溫度時，一般將電阻測

22、溫信號通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓，當熱電阻的連接導線很長時，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圖2-2 補償導線的作用圖2-3 熱電阻三線制接法符合規(guī)定的數(shù)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2-3所示，熱電阻用三根導線引出，一根連接電源，不影響橋路的平衡，另外兩根被分別置于電橋的兩臂內(nèi)，使引線電阻值隨溫度變化對電橋的影響大致抵消。 溫度變送器檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號標準。變送器的任務就是將檢測信號轉(zhuǎn)換成標準信號輸出。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號必須經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換成

23、標準信號后，才能進入控制系統(tǒng)，與調(diào)節(jié)器等其他儀表配合工作。圖2-4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(jié)構基本相同。圖2-4 溫度變送器原理框圖本設計采用DDZ-III型熱電偶溫度變送器及熱電阻變送器。2.6 調(diào)節(jié)閥的確定由前文得，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)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(diào)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(diào)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，廣泛地應用于化工、煉油等生產(chǎn)過程中；電動調(diào)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(diào)節(jié)閥用液壓推動，推力很大，一般生產(chǎn)過程中很少使用。故本設計采用了氣動調(diào)節(jié)閥，且為氣開形式。2.7串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)從整體上來看是定值控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度。但副回路是隨動系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準確、快速地跟隨主調(diào)節(jié)器輸出地變化。主、副回路的原理不一樣，對主、副參數(shù)的要求也不同，通過正確的參數(shù)整定，可取得理想的控制效果。串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。這里采用兩步整定法。兩步整定法就