原油加熱爐教材

1、遼寧工業(yè)大學(xué)過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 原油加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院（系）： 電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：王鐵超起止時(shí)間：2014年12月15-26日4纟乂診殳竽本科生課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電氣工程學(xué)院教研室：測控技術(shù)與儀器學(xué)號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)題目原油加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)論文 任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)原油加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)，原料油出口溫度的特性可近似為Go1（s） = eA80s / （30s +1）2，燃料熱值變化對(duì)爐膛溫度影響特性可近似為Go1（s） =e8s/（10s+1）（s+1）2設(shè)計(jì)要求1、 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2、辨識(shí)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)一個(gè)超調(diào)量小于等于25%的無差控制系統(tǒng)，確定控制方案并繪制原理結(jié)構(gòu)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(hào)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；對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行 仿真，整定運(yùn)行參數(shù)。4、若設(shè)計(jì)由數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(shè)計(jì)說明書一份；設(shè)計(jì)說明書應(yīng)在4000 字以上。技術(shù)參數(shù)測量范圍：0-300 C,控制溫度：200 1C，最大偏差：5C；工、 計(jì) 劃匚1、 布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（2天）2、 確定系統(tǒng)的控制方案，繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖。（1

3、天）3、 選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號(hào)和參數(shù)。（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），調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)形式以及流量特性選擇。（1天）5、上機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模擬運(yùn)行或仿真、答辯。（2天）6、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書（1天）平時(shí)：論文質(zhì)量：答辯：指導(dǎo)教師簽字：總成績：年月日注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20%以百分制計(jì)算I本科生課程設(shè)計(jì)（論文）本文提出的原油加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以 DCS為核心，由調(diào)節(jié)對(duì)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(gè)部分組成。構(gòu)成串級(jí) 控制系統(tǒng)。在運(yùn)行過程中，當(dāng)物料出口溫度受干擾影響改變時(shí)，溫

4、度檢測元件測得的模 擬信號(hào)也會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的改變，該信號(hào)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(hào)，進(jìn)入調(diào)節(jié)器，將變動(dòng)后的信號(hào)再與給定相比較，得出對(duì)應(yīng)偏差信號(hào)，經(jīng)PID算法計(jì)算后輸出，通過執(zhí)行器調(diào)節(jié)燃料流量，系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的 副回路，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(dá)到穩(wěn)定。由此消除干擾的影響，實(shí)現(xiàn)溫度的控制要求。關(guān)鍵詞：DCS； PID;溫度檢測III4纟乂診殳竽本科生課程設(shè)計(jì)（論文）論文內(nèi)容變化后，右鍵單擊目錄區(qū)域，選擇乙更新域”，再選擇更新整個(gè)目錄”，確定。、第1章緒論A.1第2章 課程設(shè)計(jì)的方案論證 22.1概述22.1.1系統(tǒng)對(duì)象特性分析

5、22.1.2系統(tǒng)方案論證22.1.3確定設(shè)計(jì)方案42.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)5第3章各種儀表的設(shè)計(jì)選擇63.1傳感器的選擇設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書簽。3.1.1 是錯(cuò)誤！ 未定義書簽。3.2執(zhí)行器的選擇設(shè)計(jì) 73.3控制器的選擇設(shè)計(jì)73.4PID控制算法8第4章 系統(tǒng)仿真或模擬調(diào)試 9第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié).0參考文獻(xiàn)11iii本科生課程設(shè)計(jì)（論文）第1章緒論溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)應(yīng)用十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制系統(tǒng) 來說，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國、等先進(jìn)國家相比，仍然有 很大的差距。成熟的溫控產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，他們只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，而用于較高

6、控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表， 國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。隨著我們國家 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及加入 WTO,我國政府及企業(yè)對(duì)此都非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn) 行重組，相繼建立了一些國家、企業(yè)的研發(fā)中心，開展創(chuàng)新性研究，使我能國家 儀表工業(yè)得到迅速發(fā)展加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一。 它的任務(wù)是把原料油加熱到 一定溫度，以保證下道工序的順利進(jìn)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、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等等。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。需操作人員完全手動(dòng)控制燃料、原料閥 的開度，進(jìn)行燒爐。這樣一來，流量控制的精度

7、將極差，操作的及時(shí)性也將大大 降低。同時(shí)，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(dòng)極大，煤氣流量也將嚴(yán)重不穩(wěn)定，對(duì)人工操作難度也進(jìn)一 步加大。一般的加熱爐為燃料油或者燃料氣，本設(shè)計(jì)以燃油加熱爐為被控對(duì)象，以管 式加熱爐出口物料溫度為主被控參數(shù)，以燃油流量為副被控參數(shù)，構(gòu)成原油加熱 爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原油加熱爐物料溫度的定值控制。1第2章 課程設(shè)計(jì)的方案論證2.1概述2.1.1系統(tǒng)對(duì)象特性分析本次設(shè)計(jì)主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)原油加熱爐出口溫度控制系統(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

8、基本理論和基本方法，并初步掌握DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方 法。應(yīng)用場合：煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置。系統(tǒng)功能介紹：其任務(wù)是將被加熱物料加熱到一定溫度，然后送到下道工序進(jìn) 行加工。加熱爐工藝過程為：被加熱物料流過排列爐膛四周的管道后，加熱到爐 出口工藝所要求的溫度。在加熱用的燃料油管道上裝有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用以控制燃 料油流量，以達(dá)到控制出口溫度的目的。2.1.2系統(tǒng)方案論證加熱爐是生產(chǎn)中常用的設(shè)備之一。工藝要求被加熱物料的出口溫度（即爐出口溫度）保持為某一定值，所以，常選原料油出口溫度9i（t）為被控參數(shù)。影響爐出口溫度的因素很多，主要有：被加熱物料的流量和初溫如）；燃燒壓力的波動(dòng)、流量的變化、燃料熱

9、值的變化f2（t）；煙囪抽力變化f3（t）等等。方案一：為了使?fàn)t出口溫度為某一定值，選取燃料量為調(diào)節(jié)參數(shù)，構(gòu)成如圖 2.1所示的單回路反饋控制系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是所有對(duì)爐出口溫度的擾動(dòng)都包 括在這個(gè)控制回路中，都反映在爐出口溫度對(duì)給定值的偏差上，而且都由溫度調(diào) 節(jié)器來予以克服。但是控制通道的時(shí)間常數(shù)較大，容量滯后也較大，控制作用 不及時(shí)，系統(tǒng)克服擾動(dòng)的能力較差，甚至不能使加熱爐出口溫度達(dá)到工藝要求。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）7圖2.1單回路反饋控制系統(tǒng)(1)方案二：以爐膛溫度為被控參數(shù)(來維持爐出口溫度為某一定值)、燃料量為 調(diào)節(jié)參數(shù)所構(gòu)成的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是對(duì)于擾動(dòng)f2(t), f3(t

10、)能及時(shí)克服，可以減小擾動(dòng)f2(t)，f3(t)對(duì)加熱爐出口溫度的影響；但是不能保證出口溫度為某 一定值，擾動(dòng)f1(t)未包括在系統(tǒng)內(nèi)。因此，該系統(tǒng)對(duì)于克服擾動(dòng)f1(t)對(duì)爐出口溫度的影響無能為力，仍然不能滿足生產(chǎn)要求。方案三：為滿足生產(chǎn)工藝要求，可以爐出口溫度為主被控參數(shù)，取爐膛溫度 為中間輔助變量(它能較早地反映擾動(dòng)的影響，使調(diào)節(jié)器及時(shí)動(dòng)作，而不影響被 控參數(shù)的穩(wěn)定性)。一種可能的結(jié)構(gòu)就是所謂串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖2.3所示。這樣擾動(dòng)f2(t),f 3(t)對(duì)爐出口溫度的影響由爐出口溫度的影響，主要由爐膛調(diào)節(jié)器T2構(gòu)成的控制回路來克服，擾動(dòng)fi(t)對(duì)爐出口溫度的影響由爐出口溫度調(diào)節(jié)器 構(gòu)成的

11、控 制回路來消除。-W料燃被加熱物料圖2.3串級(jí)控制系統(tǒng) 綜上所述，選擇方案三。2.1.3確定設(shè)計(jì)方案1 主回路的設(shè)計(jì)加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)是以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)的控制 系統(tǒng)。其他被控參數(shù)有爐膛溫度，膛壁溫度，燃料流量，原料油流量。溫度 調(diào)節(jié)器對(duì)被控參數(shù)B1精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對(duì)來自燃料干擾的及時(shí)控制相結(jié)合，先根據(jù)爐膛溫度B2的變化，改變?nèi)剂狭?，快速消除來自燃料的干擾、對(duì)爐膛溫度的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度B1與設(shè)定值的偏差，改變爐膛溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，進(jìn)一步調(diào)節(jié)燃料量，使原料油出口溫度恒定，達(dá) 到溫度控制的目的。2副回路選擇副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。燃料由于其成分

12、和流量變化，對(duì)控制過程產(chǎn)生極大干擾。所以，我們選擇爐膛溫度為串級(jí)控制系統(tǒng)的 輔助被控參數(shù)。串級(jí)系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)爐膛溫度B2能夠有效地影響主參數(shù)原料油出口溫度9 1提高了主參數(shù)的控制效果。3.主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。在加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數(shù)， 原料油溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格，又因?yàn)榧訜釥t串級(jí)控制系統(tǒng)有較 大容量滯后，所以，選擇 PID調(diào)節(jié)作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律?？刂聘眳?shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對(duì)副參數(shù)的要求一

13、般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，所以我們的負(fù)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P控制。4主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定由生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開方式，這樣保證系統(tǒng)出現(xiàn)故 障時(shí)調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的 Kv 0。主調(diào)節(jié)器作用方式確定：爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主 被控過程Ko1 0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)成績必須為正， 所以負(fù)調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K1 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用。又為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以負(fù)調(diào)節(jié)器大于0，負(fù)調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。2.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)圖2.4中，兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工

14、作，爐出口溫度調(diào)節(jié)器Ti的輸出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器T2的給定值，這樣的系統(tǒng)就稱為串級(jí)控制系統(tǒng)，其方框圖由圖2.4所示。X2(t)第3章 各種儀表的設(shè)計(jì)選擇3.1傳感器的選擇設(shè)計(jì)DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結(jié)構(gòu)，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應(yīng)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(diǎn)：（1） 采用國際電工委員會(huì)（IEC）推薦的統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場傳輸信號(hào)為 DC420mA，控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為DC15V，信號(hào)電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為 2501。（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(gòu)成安全火花型防

15、爆系統(tǒng)。DDZ-III型儀表室按國家防爆規(guī) 程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而且增加了安全柵，實(shí)現(xiàn)了控制室與危險(xiǎn)場所之間的能量限制于 隔離，使儀表能在危險(xiǎn)的場所中使用。DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器主要由輸入電路、給定電路、PID運(yùn)算電路、手動(dòng)與自動(dòng)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(hào) （DC420mA或DC15V），在輸入電路中與給定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)，然后在PD與PI電路中進(jìn)行PID運(yùn)算，最后由輸出電路轉(zhuǎn)換為 420mA直流電 流輸出。圖3.1給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個(gè)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(gòu)基本相同。本設(shè)計(jì)采用

16、DDZ-III型熱電偶溫度變送器。內(nèi)給定屯路給定值指示內(nèi)給定外給定測星信號(hào)卩I:電路輸出指示J L一十輸出 電路測量值指示軟手動(dòng)電路 L硬手動(dòng)電路圖3.1 DDZ-III型調(diào)節(jié)器結(jié)果框圖3.2調(diào)節(jié)閥的選擇設(shè)計(jì)由前面可以知道，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(yīng)完全關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)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(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三類。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥用壓縮 空氣作為工作能源，主要特點(diǎn)是能在易燃易爆環(huán)境中工作，廣泛地應(yīng)用于化工、 煉油等生產(chǎn)過程中；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用電源工作，其特點(diǎn)是能源取用方便，信號(hào)傳遞 迅速，但難以在易燃易爆環(huán)境中

17、工作；液動(dòng)調(diào)節(jié)閥用液壓推動(dòng)，推力很大，一般 生產(chǎn)過程中很少使用。故本設(shè)計(jì)采用了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，且為氣開形式。3.3控制器的選擇設(shè)計(jì)所謂集散控制系統(tǒng)（即DCS,其含義是利用微處理機(jī)或微型計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生 產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理與分散控制。整個(gè)裝置繼承了常規(guī)模擬儀表控制系統(tǒng)和計(jì)算 機(jī)集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了單微機(jī)控制系統(tǒng)危險(xiǎn)性高度集中以及常規(guī)儀表控 制功能單一，人/機(jī)聯(lián)系差的缺點(diǎn)，可以方便地用于工業(yè)裝置的生產(chǎn)控制和經(jīng)營管 理，在化工、電力、冶金等流程自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普及。本設(shè)計(jì)采用JX-300XP系統(tǒng)，該系統(tǒng)是SUPCOWebField系列控制系統(tǒng)十余年 成功經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，吸收了近年來快速發(fā)展的通信

18、技術(shù)、微電子技術(shù)，充分應(yīng)用了 最新信號(hào)處理技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、可靠的軟件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)以及現(xiàn) 場總線技術(shù)，采用了高性能的微處理器和成熟的先進(jìn)控制算法，全面提高了 JX-300XP的功能和性能，能適應(yīng)更廣泛更復(fù)雜的應(yīng)用要求，成為一個(gè)全數(shù)字化、 結(jié)構(gòu)靈活、功能完善的開放式集散控制系統(tǒng)。系統(tǒng)規(guī)?？蛇_(dá)63個(gè)控制站，72個(gè)操作站。單個(gè)控制站最多可帶 8個(gè)機(jī)籠，每個(gè)機(jī)籠最多可放置16塊I/O卡件。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）3.4 PID控制算法串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法主要有三種：兩步整定法、 步整定法和逐步逼近法。1、按照串級(jí)控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主 控制器的方

19、法叫做兩步整定法。2、一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器一次放好，不再變動(dòng)，然 后按照一般單回路孔控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。3、逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步 接近主、副回路最佳整定的一種方法。我們選擇兩步整定法來整定串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)。11第4章系統(tǒng)仿真或模擬調(diào)試應(yīng)用場合：應(yīng)用于出租車計(jì)價(jià)器，出租車計(jì)價(jià)器有一個(gè)脈沖測速傳感器， 通 過脈沖計(jì)數(shù)可以顯示出租車行駛里程和計(jì)費(fèi)?？刂破饔?2V蓄電池供電。第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)對(duì)所設(shè)計(jì)內(nèi)容、方法、取得的效果、問題的解決方案等方面作技術(shù)方面的總結(jié)。注意：文中表的格式如下年份1990199119921993 199419951996M997產(chǎn)量2.4082.7333.0943.357 3.2853.7303.8133.886表6.1 1