管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 題 目:管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3摘 要當(dāng)今世界，隨著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)程變得越來(lái)越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，做為工業(yè)自動(dòng)化重要分支的過(guò)程控制的任務(wù)也愈來(lái)愈繁重，無(wú)論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程改造中，過(guò)程控制技術(shù)對(duì)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。為了能將課程中所學(xué)理論知識(shí)初步嘗試應(yīng)用于實(shí)踐，本次設(shè)計(jì)將采用過(guò)程控制系統(tǒng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)控制問(wèn)題的解決，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管式

2、爐加熱原料油的溫度控制。管式加熱爐是石油工業(yè)中重要的設(shè)備之一，它的任務(wù)是把原油加熱到一定的溫度，以保證下一道工序的順利進(jìn)行。加熱爐的工藝過(guò)程為：燃料油經(jīng)霧化后在爐膛中燃燒，被加熱油料流過(guò)爐膛四周的排管后，就被加熱到出口溫度。本此設(shè)計(jì)內(nèi)容包括總體方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)原理闡述，系統(tǒng)框圖與結(jié)構(gòu)的搭建，變量檢測(cè)環(huán)節(jié)，變量變送環(huán)節(jié)，控制器，調(diào)節(jié)閥，聯(lián)鎖保護(hù)等環(huán)節(jié)的具體選擇與設(shè)計(jì)，最終形成一個(gè)可行可靠的完整串級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)方案，力圖通過(guò)具體應(yīng)用獲得理論知識(shí)的進(jìn)一步提升，并為工業(yè)生產(chǎn)提出可行性建議。關(guān)鍵字： 流量 溫度 串級(jí)控制目 錄1.管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義11.1管式加熱爐簡(jiǎn)介11.2溫度控制系統(tǒng)設(shè)

3、計(jì)意義12.管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求23.總體方案設(shè)計(jì)33.1傳統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)33.2串級(jí)控制系統(tǒng)43.3管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)控制原理及調(diào)節(jié)過(guò)程54.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定74.1主回路設(shè)計(jì)74.2副回路設(shè)計(jì)74.3主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇74.4主副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定84.5控制系統(tǒng)的參數(shù)整定85.所需檢測(cè)元件、執(zhí)行元件及調(diào)節(jié)儀表技術(shù)參數(shù)95.1溫度變送器95.2溫度檢測(cè)元件105.3流量檢測(cè)及變送105.4調(diào)節(jié)閥115.5聯(lián)鎖保護(hù)116.組態(tài)軟件設(shè)計(jì)126.1 新建工程126.2 連接設(shè)備及設(shè)備測(cè)試136.3 數(shù)據(jù)詞典136.4 建立畫(huà)面146.5 調(diào)試 執(zhí)

4、行14心得體會(huì)16參考文獻(xiàn)171.管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義1.1管式加熱爐簡(jiǎn)介管式加熱爐是一種直接受熱式加熱設(shè)備，主要用于加熱液體或氣體化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料氣。管式加熱爐的傳熱方式以輻射傳熱為主，管式加熱爐通常由以下幾部分構(gòu)成：1）輻射室：通過(guò)火焰或高溫?zé)煔膺M(jìn)行輻射傳熱的部分。這部分直接受火焰沖刷，溫度很高，是熱交換的主要場(chǎng)所（約占熱負(fù)荷的70-80%）；2）對(duì)流室：靠輻射室出來(lái)的煙氣進(jìn)行以對(duì)流傳熱為主的換熱部分；3）燃燒器：是使燃料霧化并混合空氣，使之燃燒的產(chǎn)熱設(shè)備，燃燒器可分為燃料油燃燒器，燃料氣燃燒器和油一氣聯(lián)合燃燒器；4）通風(fēng)系統(tǒng)：將燃燒用空氣引入燃燒器，并將煙

5、氣引出爐子，可分為自然通風(fēng)方式和強(qiáng)制通風(fēng)方式。1.2溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義管式加熱爐是石油煉制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油輸送等工業(yè)中廣泛使用的工藝加熱爐，由于被加熱物質(zhì)即在管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)通常為氣體或液體，并且都是易燃易爆的物質(zhì)，所以操作條件苛刻，同時(shí)其必須長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)不間斷操作，加熱方式直接受火，所以管式加熱爐的溫度控制系統(tǒng)至關(guān)重要，是其提高加熱爐熱效率，節(jié)約能源和安全生產(chǎn)的重要保證，因此本設(shè)計(jì)的意義就是旨在設(shè)計(jì)出符合管式加熱爐生產(chǎn)控制要求的溫度控制系統(tǒng)，從而達(dá)到在其工作過(guò)程中有效及時(shí)控制，以提高其工作效率，節(jié)約能源且保證生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠。2.管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求管式加

6、熱爐的主要任務(wù)是把原制油或重油加熱到一定溫度，以保證下一道工序（分餾或裂解）的順利進(jìn)行。管式加熱爐的工藝流程圖如圖2.1所示。燃料油經(jīng)過(guò)蒸汽霧化后在爐膛中燃燒，被加熱油料流過(guò)爐膛四周的排管中，就被加熱到出口溫度t。在燃料油管道上裝設(shè)一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用它來(lái)控制燃油量以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度t的目的。r1tTTTCFCFTf燃料油被加熱燃料油r2圖2-1 管式加熱爐工藝流程圖引起溫度t改變的擾動(dòng)因素很多，主要有：1）燃料油方面（它的組分和調(diào)節(jié)閥前的油壓以及燃料油流量）的擾動(dòng)；2）噴油用的過(guò)熱蒸汽壓力波動(dòng)；3）被加熱油料方面（它的流量和入口溫度）的擾動(dòng)；4）配風(fēng)、爐膛漏風(fēng)和大氣溫度方面的擾動(dòng)；其中燃料油壓力，流量

7、和過(guò)熱蒸汽壓力都可以用專門(mén)的調(diào)節(jié)器保持其穩(wěn)定，以便把擾動(dòng)因素減小到最低限度。從調(diào)節(jié)閥動(dòng)作到溫度t改變，這中間需要相繼通過(guò)爐膛、管壁和被加熱油料所代表的熱容積，因而反應(yīng)很緩慢。工藝上對(duì)出口溫度t要求不高，一般希望波動(dòng)范圍不超過(guò)。3.總體方案設(shè)計(jì)3.1傳統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)管式加熱爐的任務(wù)是把原料油加熱到一定溫度，以保證下道工藝順利進(jìn)行，因此若采用傳統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，常選原料油出口溫度為被控參數(shù)、燃料油流量為控制變量，如圖3-1所示，其控制系統(tǒng)框圖如圖3-2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、燃料熱值、燃料流量等，該系統(tǒng)根據(jù)原料油出口溫度來(lái)控制燃料閥門(mén)的開(kāi)度，通過(guò)改變?nèi)剂?/p>

8、流量將原油出口溫度控制在規(guī)定數(shù)值上，但由其系統(tǒng)圖可知當(dāng)燃料壓力、流量、熱值發(fā)生變化，產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，最先影響爐膛溫度，然后通過(guò)傳熱過(guò)程逐漸影響原料油的出口溫度，從燃料流量變化經(jīng)過(guò)三個(gè)容量后，才引起原料油出口溫度的變化，這個(gè)通道時(shí)間常數(shù)很大，約15min，反應(yīng)緩慢。而溫度調(diào)節(jié)器是根據(jù)原料油的出口溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行控制，當(dāng)燃料部分出現(xiàn)干擾后，系統(tǒng)并不能及時(shí)產(chǎn)生控制作用，客服干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，控制質(zhì)量差，當(dāng)生產(chǎn)工藝對(duì)原料油出口溫度要求嚴(yán)格時(shí)，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)很難滿足要求，因此我們此次設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。原料油出口溫度原料油燃料燃料圖3-1 管式加熱爐簡(jiǎn)單溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器爐膛調(diào)節(jié)閥管

9、壁溫度變送器原料油+-+-+圖3-2 管式爐溫度簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)框圖3.2串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，當(dāng)被控過(guò)程的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)控制品質(zhì)較差，滿足不了工藝控制精度要求，在這種情況下可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。針對(duì)管式加熱爐設(shè)計(jì)的溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)如圖3-3所示，其系統(tǒng)框圖如圖3-4所示。圖3-3 管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)副控制器爐膛調(diào)節(jié)閥管壁溫度變送器原料油+-圖3-4 管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)框圖主控

10、制器流量變送器-+3.3管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)控制原理及調(diào)節(jié)過(guò)程下面對(duì)管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)的控制原理和調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。假設(shè)在穩(wěn)態(tài)工況下，原料油進(jìn)口溫度和流量穩(wěn)定，燃料的熱值和壓力不變，控制燃料的閥門(mén)保持在一定的開(kāi)度，爐膛溫度保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)原料油出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。如果出現(xiàn)外部干擾，是穩(wěn)態(tài)工況遭到破壞，串級(jí)控制系統(tǒng)立即開(kāi)始控制動(dòng)作。下面按照擾動(dòng)的不同分三種情況進(jìn)行討論：1） 燃料流量（主要干擾）發(fā)生擾動(dòng)：當(dāng)燃料的流量發(fā)生波動(dòng)，而原油的入口溫度和流量保持穩(wěn)定，則干擾首先引起進(jìn)入爐膛的燃料量發(fā)生變化，流量變送器及時(shí)測(cè)到流量的變化，并通過(guò)副調(diào)節(jié)器及時(shí)控制燃料調(diào)節(jié)閥

11、，使得燃料流量很快回復(fù)到原先的穩(wěn)定值。如果干擾量小，經(jīng)過(guò)副回路調(diào)節(jié)后，一般影響不到原料油出口溫度；當(dāng)干擾幅度較大時(shí)，其大部分影響為副回路所客服，但仍會(huì)產(chǎn)生一定影響，但引起的偏差要比簡(jiǎn)單溫度控制系統(tǒng)控制下產(chǎn)生的小得多，才是再通過(guò)主調(diào)節(jié)器改變副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值進(jìn)一步調(diào)節(jié)則可幾乎完全消除干擾的影響，是原料溫度維持在設(shè)定范圍；2） 原料油流量、原料油入口溫度發(fā)生擾動(dòng)：當(dāng)干擾只是來(lái)自于原料油的流量和入口溫度時(shí)，干擾首先引起原料油出口溫度變化，溫度變送器及時(shí)測(cè)量到溫度的變化，并通過(guò)主調(diào)節(jié)器改變副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，進(jìn)而調(diào)整其輸出信號(hào)改變?nèi)剂祥y的開(kāi)度，進(jìn)而改變?nèi)剂系牧髁?，進(jìn)而改變爐膛溫度，以校正原料油出口溫度的變

12、化，使其回復(fù)到設(shè)定溫度范圍。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，如果干擾作用于主回路時(shí)，由于副回路的存在，加快了校正作用，可以及時(shí)改變?cè)嫌统隹跍囟鹊淖兓?，比?jiǎn)單溫度控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量好的多；3） 干擾同時(shí)作用于主回路和副回路：如果干擾同時(shí)存在，為了分析方便，先假定執(zhí)行器采用氣開(kāi)形式，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器都采用反作用形式，這時(shí)根據(jù)干擾作用下主參數(shù)和副參數(shù)變化的方向，分兩種情況進(jìn)行討論。a) 如果在干擾作用下，主副參數(shù)的變化方向相同，即同時(shí)增加或減小，如一方面由于燃料的流量增加，使進(jìn)入爐膛的燃料增加，同時(shí)由于原料油流量減少或者進(jìn)口原油溫度升高，使得原料油出口溫度上升。這時(shí)主調(diào)節(jié)器的輸出由于原料油出口溫度的升高而減小

13、，使得副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值減小，副調(diào)節(jié)器由于測(cè)量值上升，設(shè)定值減小，副調(diào)節(jié)器設(shè)定值與流入爐膛的燃料流量差值更大，副調(diào)節(jié)器的輸出大大減小，以使調(diào)節(jié)閥關(guān)得更小，大幅度減小燃料的供給量，直至主參數(shù)原料油出口溫度回復(fù)到設(shè)定值為止。由于此時(shí)主副調(diào)節(jié)器的作用都是使閥門(mén)關(guān)小，加強(qiáng)了控制作用，因此加快了控制過(guò)程；b) 如果在干擾作用下，主副參數(shù)變化方向相反，即一個(gè)增加一個(gè)減小，例如一方面由于燃料的流量增加導(dǎo)致進(jìn)入爐膛的燃料流量增加，另一方面又由于原料油流量增加或進(jìn)口溫度降低，使原料油出口溫度降低，這時(shí)主調(diào)節(jié)器的測(cè)量值降低，使其輸出增大，副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值增大，同時(shí)副調(diào)節(jié)器的測(cè)量值增大，如果兩者增加量恰好相等，則副調(diào)

14、節(jié)器輸入不變，副調(diào)節(jié)器輸出不變，閥門(mén)不需要?jiǎng)幼鳎蝗绻麅烧卟幌嗟?，由于能相互抵消一部分，副調(diào)節(jié)器輸入變化較小，輸出變化幅度也比較小，調(diào)節(jié)閥只需要做出較小的改變就可以校正原料油出口溫度的偏差，使其重新回到設(shè)定值。通過(guò)以上可以直觀地看出，在管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，對(duì)副回路沒(méi)有完全克服的干擾能進(jìn)行徹底消除，由于主副回路相互配合補(bǔ)充，使得系統(tǒng)的控制質(zhì)量顯著提高。4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定4.1主回路設(shè)計(jì)管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)是以原料油出口溫

15、度為主要被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，所以主回路的設(shè)計(jì)確定以原料油出口溫度為被控參數(shù)，其選擇與生產(chǎn)工藝密切相關(guān)，能直接反映加熱過(guò)程中的加熱質(zhì)量，也與節(jié)約能源，提高效率和安全生產(chǎn)息息相關(guān)，同時(shí)也易于測(cè)量。4.2副回路設(shè)計(jì)副回路的選擇也就是確定副回路的被控參量即串級(jí)控制系統(tǒng)的副參數(shù)，在本次設(shè)計(jì)中選用進(jìn)入爐膛的燃料流量作為副被控參數(shù)，其選擇是基于一下幾個(gè)原則：1） 主副參數(shù)有對(duì)應(yīng)關(guān)系；2） 選擇進(jìn)入爐膛的燃料流量作為副控參數(shù)使副回路包含變化劇烈的主要干擾；3） 考慮了主、副回路中控制過(guò)程的時(shí)間常數(shù)的匹配；4） 考慮了工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性。4.3主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用

16、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)。在管式加熱爐溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于我們選擇原料油出口溫度作為主要被控參數(shù)，而原料油出口溫度關(guān)乎產(chǎn)品質(zhì)量，工藝要求較為嚴(yán)格，又因?yàn)楣苁郊訜釥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。在串級(jí)控制系統(tǒng)中副控制副參數(shù)的選擇是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，所以對(duì)副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，所以副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P調(diào)節(jié)。4.4主副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定首先根據(jù)工藝的安全性要求確定燃料調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)形式，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

17、進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全；其次對(duì)于副調(diào)節(jié)器，進(jìn)入爐膛的燃料流量增加時(shí)，測(cè)量信號(hào)增大，為保證副回路為負(fù)反饋，此時(shí)調(diào)節(jié)閥應(yīng)該關(guān)小，要求副調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)要減小，按照測(cè)量信號(hào)增大，輸出信號(hào)減小的原則要求，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式；再者對(duì)于主調(diào)節(jié)器，當(dāng)副參數(shù)增大時(shí)，主參數(shù)也隨之增大，所以主調(diào)節(jié)器應(yīng)選擇反作用方式。4.5控制系統(tǒng)的參數(shù)整定通過(guò)參數(shù)的整定，可以獲得理想的控制效果，串級(jí)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，其中：1） 兩步整定法是在系統(tǒng)處于串級(jí)工作狀態(tài)時(shí)，第一步按單回路方法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路仍按單回路對(duì)主調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定兩步整定法；2）

18、 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。由于采用兩步整定法整定的參數(shù)結(jié)果比較準(zhǔn)確，本次設(shè)計(jì)采用兩步整定法來(lái)整定串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)，其整定步驟如下：1） 在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，系統(tǒng)處于串級(jí)運(yùn)行狀態(tài)，主副調(diào)節(jié)器均為比例作用的條件下，先將主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%刻度上，然后由大到小逐漸降低副調(diào)節(jié)器的比例度，直到得到副回路過(guò)渡過(guò)程衰減比為4:1的比例度，過(guò)渡過(guò)程的振蕩周期為；2） 在副調(diào)節(jié)器的比例度等于的條件下，逐步降低主調(diào)節(jié)器的

19、比例度，直到同樣得到主回路過(guò)渡過(guò)程衰減比為4:1的比例度，過(guò)渡過(guò)程的振蕩周期為；3） 按已求得的、和、值，結(jié)合已選定的調(diào)節(jié)規(guī)律，按照衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出主副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值；4） 按照先副回路后主回路的順序，將計(jì)算出的參數(shù)值設(shè)置到調(diào)節(jié)器上，做一些擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，做適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，直到控制品質(zhì)最佳為止。5.所需檢測(cè)元件、執(zhí)行元件及調(diào)節(jié)儀表技術(shù)參數(shù)5.1溫度變送器本設(shè)計(jì)中采用DDZ-型熱電偶溫度變送器，其原理框圖如圖5-1所示，DDZ-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。DDZ-型儀表具有以

20、下主要特點(diǎn)：1） 采用國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦的統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)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250；2） 廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)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)成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-型儀表室按國(guó)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(chǎng)所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險(xiǎn)的場(chǎng)所中使用。DDZ-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(lái)的測(cè)量信號(hào)(DC420mA或DC15V），在輸入電路中與給定信號(hào)

21、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5-1 DDZ- 型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖5.2溫度檢測(cè)元件本設(shè)計(jì)采用熱電偶作為溫度傳感元件，具有穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好、體積小、響應(yīng)時(shí)間較小等優(yōu)點(diǎn)，在使用熱電偶時(shí)，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，且距熱源較近，其溫度波動(dòng)也較大，給測(cè)量帶來(lái)誤差，為了降低這一影響，采用補(bǔ)償導(dǎo)線作為熱電偶的連接導(dǎo)線，作用就是將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到距離熱源較遠(yuǎn)、溫度較穩(wěn)定的地方，如圖5.2所示，用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到溫度比較穩(wěn)定的地方后，并沒(méi)有完全解決冷端溫度補(bǔ)償問(wèn)題，為此采取進(jìn)一步的補(bǔ)償措施，具體的方

22、法有：查表法、儀表零點(diǎn)調(diào)整法、冰浴法、補(bǔ)償電橋法以及半導(dǎo)體PN結(jié)補(bǔ)償法。圖5-2 補(bǔ)償導(dǎo)線示意圖圖測(cè)量?jī)x表熱帶偶恒溫器補(bǔ)償導(dǎo)線5.3流量檢測(cè)及變送為了能檢測(cè)燃料流量的變化量并將其傳送給控制器需要引入燃料流量的檢測(cè)和變送器部件，本設(shè)計(jì)采用差壓式流量計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，其原理框圖如圖5-3所示。差壓式（也稱節(jié)流式）流量計(jì)是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。圖5-3 差壓式流量變送裝置原理圖5.4調(diào)節(jié)閥從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開(kāi)式，以便一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥能夠完全關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，以確保設(shè)備安全。調(diào)節(jié)閥按其工作能源形式可分為氣動(dòng)

23、、電動(dòng)和液動(dòng)三類。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥采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(guò)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(guò)程中很少使用。故本設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，且為氣開(kāi)形式。5.5聯(lián)鎖保護(hù)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)由壓力調(diào)節(jié)器、溫度調(diào)節(jié)器、流量變送器、火焰檢測(cè)器、低選器等部分組成。當(dāng)燃料管道壓力高于規(guī)定的極限時(shí)，壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)低選器取代正常工作的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，此時(shí)出料溫度無(wú)控制，自行浮動(dòng)。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入運(yùn)行保證燃料管道壓力不超過(guò)規(guī)定上限。當(dāng)管道壓力恢復(fù)正常時(shí)，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)

24、低選器投入正常運(yùn)行，出口原料油溫度重新受到控制。當(dāng)進(jìn)料流量和燃料流量低于允許下限或火焰熄滅時(shí)，便會(huì)發(fā)出雙位信號(hào)，控制電磁閥切斷燃料氣供給量以防回火。6. 組態(tài)軟件設(shè)計(jì) 組態(tài)王開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問(wèn)題：畫(huà)面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫(huà)。通過(guò)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功

25、能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫(huà)面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面，并以動(dòng)畫(huà)方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。6.1 新建工程圖6-1 新建管式加熱爐流量-溫度串級(jí)控制工程6.2 連接設(shè)備及設(shè)備測(cè)試圖6-2 管式加熱爐流量-溫度串級(jí)控制設(shè)備配置6.3 數(shù)據(jù)詞典圖6-3 管式加熱爐流量-溫度串級(jí)控制變量定義6.4 建立畫(huà)面圖6-4 管式加熱爐流量-溫度串級(jí)控制畫(huà)面編輯6.5 調(diào)試,執(zhí)行PID設(shè)

26、定后運(yùn)行動(dòng)態(tài)組態(tài)圖界面顯示圖圖6-5 管式加熱爐流量-溫度串級(jí)控制調(diào)試界面6.6PID控制算法設(shè)計(jì)根據(jù)流量-溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的原理，在“命令語(yǔ)言”中選擇“應(yīng)用程序命令語(yǔ)言”，運(yùn)用組態(tài)王所提供的類似于C語(yǔ)言的程序編寫(xiě)環(huán)境實(shí)現(xiàn)PID控制算法。本設(shè)計(jì)采用PID位置式算法，其控制算式為： 其中，在上述算式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間，為微分時(shí)間。在流程中，以u(píng)(k)做為計(jì)算機(jī)當(dāng)前的輸出值，SV做為設(shè)定值，PV做為反饋值，e(k)做為偏差，位置式PID控制算法的流程圖如圖所示。圖6-6 管式加熱爐流量-溫度串級(jí)控制PID程序流程圖心得體會(huì)通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)我鞏固了書(shū)本中所學(xué)的理論知識(shí)，并且對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)在工

27、業(yè)生產(chǎn)用的運(yùn)用有了更深刻的認(rèn)識(shí)，此外我對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟、思路有了進(jìn)一步的了解與認(rèn)識(shí)，更加明確了過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，拓展了理論與應(yīng)用的知識(shí)面，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到了工業(yè)工程中控制系統(tǒng)起到的重要作用。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，從方案的設(shè)計(jì)到方案的確定，再到后續(xù)的回路的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)器的正反作用的確定，被控參數(shù)的選擇，這其中每一步都付出了許多精力也收獲匪淺，雖然在設(shè)計(jì)中遇到過(guò)許多困難，但還是通過(guò)各種方法積極探索，使自己最終得以完成這次關(guān)于管式加熱爐溫度-流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這次過(guò)程控制系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)給了我們一個(gè)十分好的平臺(tái)，讓我們切實(shí)把所學(xué)知識(shí)開(kāi)始嘗試初步運(yùn)用于實(shí)踐中，讓我們通過(guò)自己查找資料，鞏固知識(shí)，了解原理，設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)方案，撰寫(xiě)