石油裂解氣溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）· 摘要本設(shè)計(jì)是石油裂解氣溫度控制系統(tǒng)，以AT89C51單片機(jī)作為主控元件，采用單回路控制，運(yùn)用PID算法，通過外圍硬件電路和軟件程序從而實(shí)現(xiàn)了石油裂解氣溫度的穩(wěn)定控制。該溫度控制系統(tǒng)由溫度信號(hào)檢測(cè)電路、變送單元、單片機(jī)控制系統(tǒng)和執(zhí)行裝置等結(jié)構(gòu)組成，通過各種電路和裝置完成對(duì)溫度信號(hào)的檢測(cè)、變送和運(yùn)算處理功能，并經(jīng)氣動(dòng)執(zhí)行裝置作用于實(shí)際生產(chǎn)，從而使溫度控制系統(tǒng)穩(wěn)定在預(yù)定的范圍內(nèi)工作。由于采用單片機(jī)控制，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：溫度控制 單回路控制系統(tǒng) 過程控制 · 目錄·摘要I·目錄II第1章緒論11.1溫度控制

2、系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r11.2設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的意義及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)1·第2章 課程設(shè)計(jì)的方案22.1概述22.2控制器的選型32.3傳感器的選型32.4變送器選型32.5執(zhí)行器選型42.6最優(yōu)方案5·第3章 硬件電路設(shè)計(jì)53.1 電源電路設(shè)計(jì)53.2 復(fù)位電路53.3時(shí)鐘電路63.4 A/D轉(zhuǎn)換電路63.5采樣檢測(cè)電路設(shè)計(jì)73.6 D/A轉(zhuǎn)換電路7·第4章 軟件設(shè)計(jì)84.1 程序流程圖84.2 PID算法子程序9·第5章 系統(tǒng)測(cè)試仿真與參數(shù)整定11·第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)12·參考文獻(xiàn)1315第1章 緒論1.1溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r隨著科技的發(fā)

3、展，近年來我國以信息化帶動(dòng)的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)控制對(duì)象中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金，化工，機(jī)械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐和液態(tài)丙烯氣化等方式實(shí)現(xiàn)溫度的恒定控制。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的處理方式和控制方案也有所不同。處理方式一般有加熱和冷卻兩種，控制方案一般有PID控制，直接數(shù)字控制（DDC），推斷控制，預(yù)測(cè)控制，模糊控制（Fuzzy），專家控制(Expert Control)，魯棒控制（Robust Control），推理控制等。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足高精度、高速度的控制要求。如接觸器溫度控制儀表，其主要缺點(diǎn)

4、是溫度波動(dòng)范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時(shí)間比例來達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進(jìn)的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。對(duì)于控制系統(tǒng)而言，單回路控制系統(tǒng)由一個(gè)控制器完成，具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)和使用方便的特點(diǎn)，而串級(jí)控制系統(tǒng)由兩個(gè)串接工作的控制器構(gòu)成，主要應(yīng)用于對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大、干擾作用強(qiáng)而頻繁、負(fù)荷變化大、對(duì)控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。1.2設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的意義及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

5、化工的生產(chǎn)需要在既定的穩(wěn)定溫度下才能持續(xù)的進(jìn)行。當(dāng)溫度過高時(shí)，可能引起原料的反應(yīng)過于劇烈，使生產(chǎn)不易控制甚至可能導(dǎo)致爆炸的危險(xiǎn)，并且持續(xù)的過高溫度也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)裝置的快速老化。而當(dāng)溫度過低時(shí)，原料的化學(xué)反應(yīng)可能會(huì)不充分，從而導(dǎo)致原材料的大量浪費(fèi)，因此為使生產(chǎn)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的工作，有必要使生產(chǎn)溫度穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)。本次過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)為石油裂解氣溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過液態(tài)丙烯的氣化來吸收熱量，以保持裂解氣出口溫度的穩(wěn)定。該溫度控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量范圍：0300，控制溫度：220±1，最大偏差：5· 第2章 課程設(shè)計(jì)的方案2.1概述本次設(shè)計(jì)主要是綜合過程控制系統(tǒng)知識(shí)，設(shè)

6、計(jì)石油裂解氣溫度控制系統(tǒng)，并在實(shí)踐的基本技能方面進(jìn)行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“過程控制系統(tǒng)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。應(yīng)用場(chǎng)合：化工生產(chǎn)過程中的石油裂解氣溫度控制系統(tǒng)功能介紹：通過傳感器，變送器，控制器和執(zhí)行器等部件構(gòu)成一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，能使系統(tǒng)溫度控制在220±1且最大偏差不超過5。本設(shè)計(jì)采用單回路控制系統(tǒng)即可滿足設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)方框圖如2.1圖所示。圖2.1系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2控制器的選型常用控制器有單片機(jī)，PLC等PLC具有可靠性，易操作性和靈活性等特點(diǎn)，常用于控制性能要求穩(wěn)定且精度較

7、高的場(chǎng)合。單片機(jī)控制簡單易于實(shí)現(xiàn)，且具有成本低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)分析，本設(shè)計(jì)為簡單溫度控制，選用單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)其控制功能，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)選用Atmel 公司的AT89C51 單片機(jī)，采用雙列直插封裝（DIP），有40個(gè)引腳與MCS51 系列單片機(jī)的指令和引腳設(shè)置兼容。2.3傳感器的選型（1）鐵-銅鎳熱電偶（J型熱電偶）又稱鐵-康銅熱電偶，是一種價(jià)格低廉的廉金屬的熱電偶。它的正極（JP）的名義化學(xué)成分為純鐵，負(fù)極（JN）為銅鎳合金，鐵-康銅熱電偶的覆蓋測(cè)量溫區(qū)為-2001200，但通常使用的溫度范圍為0750 。J型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價(jià)格便宜等

8、優(yōu)點(diǎn),廣為用戶所采用。 J型熱電偶可用于真空，氧化，還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制。（2）AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。AD590的測(cè)溫范圍為-55+150。電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。輸出電阻為710MW且具有精度高的特點(diǎn)。（3）熱電阻的測(cè)溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。其優(yōu)點(diǎn)很多，可以遠(yuǎn)傳電信號(hào)，

9、靈敏度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，互換性以及準(zhǔn)確性都比較好，需要電源激勵(lì)，不能夠瞬時(shí)測(cè)量溫度的變化。工業(yè)用熱電阻一般采用Pt100，鉑熱電阻的測(cè)溫的范圍一般為-200800，銅熱電阻為零下40到140。 熱電偶、AD590及熱電阻相比較而言，AD590精度最高但不滿足設(shè)計(jì)測(cè)溫要求，熱電阻適合于測(cè)量低溫（一般為800以下），熱電偶適合于測(cè)量高溫（一般為800以上），熱電阻使用方便且價(jià)格一般較熱電偶便宜。 經(jīng)分析采用鉑熱電阻Pt100即可滿足設(shè)計(jì)要求。2.4變送器選型為了使系統(tǒng)具有很好的可控性，本設(shè)計(jì)選用智能溫度變送器。常用的智能溫度變送器為STT3000/250系列，其特性為多協(xié)議輸出，可以直接代替當(dāng)今使用的

10、任何傳統(tǒng)的或智能的溫度變送器。它儲(chǔ)存有常用的溫度傳感器的特征曲線， 用戶可以使用手持通訊器或智能組態(tài)工具對(duì)各種溫度傳感器的變送器進(jìn)行組態(tài)，并自動(dòng)修正其非線性。只需選擇傳感器類型和量程即可實(shí)現(xiàn)期望的精度。對(duì)量程上下限溫度值的校驗(yàn)?zāi)苁咕忍岣邇杀?，給傳感器施加上限或下限溫度，或模擬已知數(shù)據(jù)對(duì)傳感器進(jìn)行校驗(yàn),可消除傳感器的誤差。典型應(yīng)用場(chǎng)合為電力、冶金、石油化工、水處理、制藥、造紙、食品及煙草等，其實(shí)物圖形如圖2.3所示：圖2.3STT3000/250系列智能溫度變送器實(shí)物圖2.5執(zhí)行器選型執(zhí)行器按其能源形式分為氣動(dòng)，電動(dòng)和液動(dòng)三大類，它們各有特點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合。對(duì)于石油化工等重要的場(chǎng)合應(yīng)選擇氣

11、動(dòng)執(zhí)行器，以免引起電火花。 常用氣動(dòng)執(zhí)行器為GT系列閥門氣動(dòng)裝置。GT系列閥門氣動(dòng)裝置是新研制的輸出軸回轉(zhuǎn)角為90°的部分回轉(zhuǎn)型氣動(dòng)執(zhí)行裝置。它可以與球閥、蝶閥等閥門組合成氣動(dòng)閥門，也適用于需90°回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的其它機(jī)械裝置。該產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)作控制（自動(dòng)調(diào)節(jié)控制）。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。其特性為相同規(guī)格有雙作用式、單作用式（彈簧復(fù)位），有正、反作用功能，移動(dòng)速度大，輸出力與操作壓力有關(guān)，可靠性高，檢修維護(hù)簡單，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好，特殊的腐蝕環(huán)境可采用不銹鋼外殼，輸出功率較大，具有防爆功能，其實(shí)物圖形如圖2.4所示：   圖2.4GT系列氣動(dòng)執(zhí)行器實(shí)物

12、圖2.6最優(yōu)方案本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制器，選用鉑熱電阻Pt100為溫度傳感器，選用STT3000/250系列智能溫度變送器，以GT系列氣動(dòng)執(zhí)行器作為執(zhí)行器，構(gòu)成一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，從而達(dá)到溫度控制的目的。· 第3章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 電源電路設(shè)計(jì)由220V交流電供電，經(jīng)過橋式整流，電容濾波，然后與三端穩(wěn)壓器件LM7805連接使電壓穩(wěn)定在5V給單片機(jī)供電，其電路圖如圖3.1所示；圖 3.1電源電路3.2 復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要RST 引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位。為了保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，一般使RESE

13、T 引腳保持10ms 以上的高電平，單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(dòng)(開關(guān))復(fù)位。本系統(tǒng)采用手動(dòng)復(fù)位方式，復(fù)位電路如圖3.2所示。圖3.2復(fù)位電路3.3時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種操作的時(shí)間基準(zhǔn)。AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1（X1）和XTAL2（X2）分別是此放大電器的輸入端和輸出端。該反向放大器可配置為內(nèi)部振蕩。在其外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，時(shí)鐘電路如圖2.4所示。圖3.3時(shí)鐘電路3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809轉(zhuǎn)換器。將采集來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成

14、數(shù)字信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換完成的信號(hào)EOC經(jīng)反相器接單片機(jī)的P3.2口，A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2.2所示。圖3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路3.5采樣檢測(cè)電路設(shè)計(jì)為了達(dá)到測(cè)量高精度的要求,選用鉑熱電阻溫度傳感器和超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器0P07將溫度一電壓信號(hào)進(jìn)行放大,便于A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以提高溫度采集電路的可靠性。采樣檢測(cè)電路如圖2.1示。圖3.5測(cè)電路3.6 D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832作為轉(zhuǎn)換器，將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化模擬信號(hào)來給執(zhí)行器作為激勵(lì)信號(hào)，進(jìn)而控制執(zhí)行器的開度，達(dá)到溫度控制的目的。D/A轉(zhuǎn)換電路如圖3.6所示：開始初始化采集溫度信號(hào)e=0 ？調(diào)用PID控制程序NY輸出信號(hào)結(jié)束輸

15、出執(zhí)行器計(jì)算偏差e圖3.6 D/A轉(zhuǎn)換電路· 第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1 程序流程圖單片機(jī)控制主程序流程圖如圖4.1所示圖4.1主程序流程圖4.2 PID算法子程序本次設(shè)計(jì)采用增量式PID控制算法，來實(shí)現(xiàn)溫度控制。增量式PID控制算法公式如下：uk=uk-uk-1=Kpek-ek-1+TTiek+Tdek-2ek-1+ek-2T =Kp1+TdT+TTiek-Kp1+2TdTek-1+KpTdTek-2 (4-1)其子程序流程圖如圖4.2所示：圖1.2溫度控制算法程序子程序入口計(jì)算ek=r-y ek=r-y eeek=r-y計(jì)算 Kp1+TdT+TTiek計(jì)算 Kp1+2TdTek-1計(jì)

16、算KpTdTek-2計(jì)算uk子程序返回溫度控制算法程序如下：/*PID Function The PID (比例、積分、微分) function is used in mainly control applications.PIDCalc performs one iteration of the PID algorithm. While the PID function works, main is just a dummy program showing a typical usage. */ typedef struct PID int SetPoint; /設(shè)定目標(biāo) Desired V

17、alue long SumError; /誤差累計(jì) double Proportion; /比例常數(shù) Proportional Const double Integral; /積分常數(shù) Integral Const double Derivative; /微分常數(shù) Derivative Const int LastError; /Error-1 int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID; static PID *sptr = &sPID; /*PID程序初始化*/void IncPIDInit(void) sptr->SumError

18、 = 0; sptr->LastError = 0; /Error-1 sptr->PrevError = 0; /Error-2 sptr->Proportion = 0; /比例常數(shù) Proportional Const sptr->Integral = 0; /積分常數(shù)Integral Const sptr->Derivative = 0; /微分常數(shù) Derivative Const sptr->SetPoint = 0; /*增量式PID計(jì)算部分 */ int IncPIDCalc(int NextPoint) register int iErro

19、r, iIncpid; /當(dāng)前誤差 iError = sptr->SetPoint - NextPoint; /增量計(jì)算 iIncpid = sptr->Proportion * iError /Ek項(xiàng) - sptr->Integral * sptr->LastError /Ek1項(xiàng) + sptr->Derivative * sptr->PrevError; /Ek2項(xiàng) /存儲(chǔ)誤差，用于下次計(jì)算 sptr->PrevError = sptr->LastError; sptr->LastError = iError; /返回增量值 return(iIncpid); · 第5章 系統(tǒng)測(cè)試仿真與參數(shù)整定根據(jù)系統(tǒng)原理連接好單回路控制系統(tǒng)的電路，先接通電源，然后打開MCGS組態(tài)控制界面，開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的過程也就是參數(shù)整定的過程，在測(cè)試過程中不斷地調(diào)整比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間等參數(shù)，直到得到滿意的響應(yīng)曲線為止。通過不斷地測(cè)試，最終得到了如圖5.1所示的響應(yīng)曲線，溫度逐漸穩(wěn)定在預(yù)定的狀態(tài)。獲得的參數(shù)為：比例度P=0.