加熱爐溫度控制畢業(yè)設(shè)計

1、天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計加熱爐的溫度檢測與控制系 別： 電氣系專 業(yè)：應(yīng)用電子班 級：電子09-2學(xué)生姓名： 丁晨指導(dǎo)教師： 姜老師2012年4月15日摘 要 隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，加熱爐的使用范圍越來越廣泛。而加熱爐溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響這場品的質(zhì)量和產(chǎn)量。以前加熱爐的控制系統(tǒng)大多數(shù)是采用模擬控制系統(tǒng)，且各種數(shù)據(jù)只在加熱爐系統(tǒng)中進行單獨儲存和通過加熱爐自己的儀表進行觀察、判斷故障。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和整個工廠完全實現(xiàn)兩級自動化管理的尋妖，要求在過程級上通過相應(yīng)的終端了解任何一個設(shè)備或任何一個裝置的控制情況以及生產(chǎn)情況。因此

2、，過程控制系統(tǒng)在加熱爐系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，它是加熱爐控制系統(tǒng)的重要部分，是對以及控制系統(tǒng)的一個總領(lǐng)和擴充?，F(xiàn)代加熱爐的生產(chǎn)過程可以實現(xiàn)高度的過程控制，以保證在加熱過程中溫度的準確控制，這就為工業(yè)生產(chǎn)提供了有利條件。加熱爐是工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要裝置，它的任務(wù)是把原料加熱到一定溫度，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(guān)系到產(chǎn)量能源污染工人勞動強度等等。以前加熱爐的控制多數(shù)采用老式的人工控制 ，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，流量控制的精度極差，操作 的及時性也大大 降低。在引入了過程控制系統(tǒng)之后，這一情況得到了大大的改善。如何保

3、證原料出口處原料溫度是實現(xiàn)加熱爐溫度控制的基本前提。目 錄摘要i1 設(shè)計的目的及意義12 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 2.2 控制要求 33 總體設(shè)計方案4 3.1 系統(tǒng)控制方案 4 3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程圖44 控制系統(tǒng)設(shè)計5 4.1 系統(tǒng)控制參數(shù)確定 55 控制儀表的選型和配置65.1一體化溫度變送器6 5.2 dx2000型無紙記錄儀65.3 調(diào)節(jié)器75.4 執(zhí)行器85.5 電/氣閥門定位器zpd-0 95.6 安全柵105.7 配電器10 5.8 薄膜氣動調(diào)節(jié)閥zmbs-16k116 聯(lián)鎖保護127 收獲和體會138 參考文獻141 設(shè)計的目的及意義 加

4、熱爐被廣泛應(yīng)用于工業(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

5、質(zhì)量的好壞，溫度控制不好，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。2 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，燃料與空氣按照一定比例送入加熱爐燃燒室燃

6、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)。用泵將從初餾塔底得到的拔頂油送入加熱爐中加熱到360 370 后，再送入常壓分餾塔中。經(jīng)分餾，在塔頂可得到低沸點汽油餾分，經(jīng)冷凝和冷卻到30 40 時，一部分作為塔頂回流液，另一部分作為汽油產(chǎn)品。此外，還設(shè)有12個中段回流。在常壓塔中一般有34個側(cè)線，分別流出煤油、輕柴油。側(cè)線產(chǎn)品是按人們的不同需要而取的不同沸點范圍的產(chǎn)品，在不同的流程中并不相同。有的側(cè)線產(chǎn)品僅為煤油和輕柴油，而重油為塔底產(chǎn)品；有的側(cè)線為煤油、輕柴油和重柴油，而塔底產(chǎn)品為常壓渣油。 初底油用泵加壓后與高溫位的中段回流、產(chǎn)品、減渣進行換熱，一般換后溫

7、度能達到260c以上，如果換熱流程優(yōu)化的好，換熱溫度可達到310c左右。初底油在進入常壓爐進一步加熱至365c（ 各裝置設(shè)定的爐出口溫度隨所煉不同原油的組成性質(zhì)而差異，一般都在360c至370c之間）。最后初底油進入常壓塔進行分離。 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)，

8、保持物料出口溫度在一定范圍內(nèi)。3 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)

9、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

10、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、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?，進而實現(xiàn)溫度控制。圖3-1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖3-2 加熱爐溫度控制系統(tǒng)整體控制流程圖qg為燃料流量，為物料出口溫度，加熱爐作為控制對象。4 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

11、循以下原則：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；

12、在的基礎(chǔ)上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)。5 控制儀表的選型5.1 測溫元件本控制系統(tǒng)的測溫元件采用pt100熱電阻，工業(yè)用鉑電阻作為溫度測量變送器，通常用來和顯示、記錄、調(diào)節(jié)儀表配套，直接測量各種生產(chǎn)過程中從0 500 范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體等表面溫度。5.2度變送器型號：dbw-4230，環(huán)境溫度:050,環(huán)境濕度:90%rh,供電電源:220ac、220vac(開關(guān)電源)功耗:6w,分度號：熱電阻pt100，測量范圍：0500，輸入信號：1-5v，輸出信號：4-20ma，精度等級：0.5級

13、 5.2 dx2000型無紙記錄儀:dx2000系列新型無紙記錄儀,為dx200系列無紙記錄儀的升級產(chǎn)品,dx2000最多可達48通道.可以廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境中。額定電源電壓：220vac +10-15 ，使用電源電壓范圍：90 260 vac，額定電源頻率：50 60 hz，功耗： 15w環(huán)境溫度 0 50 環(huán)境濕度： 20 80% rh （ 5 40 ）5.3 調(diào)節(jié)器 ddz-iii型pid調(diào)節(jié)器tdm-400性能指標如下表所示： 表5.2 ddz-iii型pid調(diào)節(jié)器性能指標名稱性能輸入信號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25

14、0750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kdkd10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

15、。 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

16、、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。1. 調(diào)節(jié)閥的流量特性： 調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，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。5.5 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4-20madc輸出

17、信號0-0.14mpa圖5-8 zpd-01端子圖5.6 安全柵型號：dfa-3100，防爆等級：ia ii ct6 ，最大允許電壓vm：（防爆額定值）ac/dc、220v，額定工作電壓vd：dc 24（+10-5）%v，額定工作電流id：dc420ma，內(nèi)阻：（dc 20ma）dfa-3100190，dfa-3300150精度： 0.2% 可行性：安全柵是本質(zhì)安全防爆型儀表的關(guān)鍵設(shè)備。在正常狀態(tài)時，安全柵不影響系統(tǒng)正常運行，當發(fā)生故障時（危險場所的連線短路或接地 ，非危險場異常電壓混觸）安全柵具有限壓限流和斷電等功能可以將危險場的電能量限制在點火界限以內(nèi)，確?，F(xiàn)場的安全。它廣泛用于石油、化工

18、、輕工等易爆易燃的場所。它具有：防爆等級高、精度高、體積小、價格便宜安裝方便等優(yōu)點。采用雙重化元件電路，可靠性高。5.7 配電器型號：dfp-2100 ，通道數(shù):2，重量:1.5kg，功耗：2.4w dfp-2100配電器屬于控制室內(nèi)儀表它通過dc-dc轉(zhuǎn)換器向現(xiàn)場二線制變送器提供隔離24vdc電源同時把從變送器來420madc信號轉(zhuǎn)換成隔離的15vdc或420madc輸出.5.7.1 功能與特征向現(xiàn)場二線制變送器提供隔離24vdc電源，本安防爆型儀表.其標志為(ib)ct，實行電源-輸入-輸出之間三隔離將變送器來420madc信號轉(zhuǎn)換成隔離的15vdc或420madc輸出，采用高性能固定模塊

19、結(jié)構(gòu)緊湊體積小重量輕，儀表系列化有架裝和短架裝二種結(jié)構(gòu)形式.5.7.2 主要技術(shù)指標輸入信號:420madc溫度漂移:0.1基本誤差1輸出信號:輸出電流:420madc 輸出電壓:15vdc配電電壓:18.528.5vdc配電回路:15個基本誤差:0.2%絕緣電阻:電源 輸入與輸出端子間100m絕緣強度:電源/輸入/輸出端子間1500vac/1分鐘工作條件:環(huán)境溫度:050 相對濕度90%(rh)電源電壓:24vdc(可訂制220vac)功耗:2w防爆等級:(ib)ct6重量:2kg外型尺寸:44(寬)175(高)360(深)或44(寬)175(高)2000(深)5.8 薄膜氣動調(diào)節(jié)閥zmbs

20、-16k表5.4 zmbs-16k參數(shù)表名稱性能輸入信號0.02-0.1mpa輸出信號開度（%）圖5-9 執(zhí)行器接線端子圖6 聯(lián)鎖保護一、原料介質(zhì)流量過低或中斷導(dǎo)致加熱爐被燒壞。二、燃料壓力過低將造成回火現(xiàn)象。三、燃料壓力過高將造成噴嘴脫火現(xiàn)象?；诎踩蛩乜紤]設(shè)置了流量低值連鎖報警fsal1、fsal2和火焰檢測器bs動作。在加熱爐控制系統(tǒng)中，采用加熱爐出口溫度與燃料控制閥閥后壓力的選擇性控制方案來保證原料出口溫度符合控制要求。其中，燃料控制閥采用氣開式，選擇器采用ls低選器，溫度控制器tc和壓力控制器pc均采用反作用。正常生產(chǎn)時，溫度控制器輸出信號通過ls低選器調(diào)節(jié)燃料控制閥。當出現(xiàn)異常擾

21、動使燃料控制閥閥后壓力過高，達到安全極限時，壓力控制器輸出信號通過低選擇器取代溫度控制器工作，關(guān)小燃料控制閥，以防止脫火。恢復(fù)正常后，壓力控制器退出工作轉(zhuǎn)為后備，轉(zhuǎn)為溫度控制器重新調(diào)節(jié)燃料控制閥。當燃料氣流量過低時，流量檢測裝置fsal1觸點動作；當爐內(nèi)火焰熄滅時，火焰檢測器bs動作；而當原料流量過低時，流量檢測裝置fsal2動作。當以上三個檢測裝置的一個或幾個動作時，使接在氣源上的三通電磁閥失電，來自起源的壓縮空氣放縮空，溫度控制器或壓力控制器的信號失效。由于控制閥是氣開式控制閥，失去信號后將自動關(guān)閉閥門，切斷燃料。電電磁閥上需要設(shè)置人工復(fù)位開關(guān)，連鎖動作以后，不能自動復(fù)位，必須確認危險已經(jīng)解除后，通過手動復(fù)位使生產(chǎn)過程恢復(fù)運行。7 總結(jié)本控制系統(tǒng)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。在做這個項目設(shè)計之前，我一直以為自己的理論知識學(xué)的還是蠻可以的。但當我拿到設(shè)計任務(wù)書的時候，卻不知道