過程控制系統(tǒng)

1、控制系統(tǒng)課程設(shè)計課題：加熱爐溫度控制系統(tǒng)系 別：電氣與電子工程系專 業(yè)： 自動化姓 名：學 號：1214061（44、32、11）指導教師河南城建學院2010年12月29日成績評定一、指導教師評語（根據(jù)學生設(shè)計報告質(zhì)量、答辯情況及其平時表現(xiàn)綜合評定）。二、評分（按下表要求評定）評分項目設(shè)計報告評分答辯評分平時表現(xiàn)評分合 計 （100分）任務(wù)完成情 況（20分）課程設(shè)計報告質(zhì)量（40分）表達情況（10分）回答問題情 況（10分）工作態(tài)度與紀律（10分）獨立工作能力（10分）得分課程設(shè)計成績評定班級 姓名 學號成績： 分（折合等級 ）指導教師簽字 年 月 日一、設(shè)計目的：通過對一個使用控制系統(tǒng)的設(shè)

2、計，綜合運用科學理論知識，提高工程意識和實踐技能，使學生獲得控制技術(shù)工程的基本訓練，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、分析解決實際問題的初步應用能力。二、設(shè)計要求：設(shè)計一個加熱爐溫度控制系統(tǒng)，確定系統(tǒng)設(shè)計方案，畫出系統(tǒng)框圖，完成元器件的選擇和調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。三、總體設(shè)計：1控制系統(tǒng)的設(shè)計思想串級控制系統(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(shè)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

3、個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)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(gòu)成。2 . 加熱爐控制系統(tǒng)原理加熱爐控制系統(tǒng)以爐內(nèi)溫度為主被控對象，燃料油流量為副被控對象的串級控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的副回路由燃料油流量控制回路組成，因此，當擾動來自燃料油上游側(cè)的壓力波動時，因擾動進入副回路，所以，能迅速克服該擾動的影響。由于爐內(nèi)溫度的控制不是單一因素所能實現(xiàn)的，所以，還要對空氣的流量進行控制?？諝獾目刂浦苯佑绊憼t內(nèi)燃燒的狀況，不僅影響爐溫，還直接影響了能源的利用率和環(huán)境的污染。所以，對空氣的控制很有必要，其原理和燃料控制相同。

4、圖2燃料串級控制系統(tǒng)流程3. 在考慮燃料、空氣流量比例自動控制系統(tǒng)考慮到空氣、燃料的比例合理性，基于各方面因素的考慮，該設(shè)計只針對燃料、空氣流量比例自動控制系統(tǒng)做以下說明。其控制系統(tǒng)流程圖如下圖所示。圖3交叉限制式 串級燃燒自動系統(tǒng)交叉限制式串級燃燒自動系統(tǒng)的工作原理，是利用最大、最小值選擇器，當爐溫低于設(shè)定值時，使系統(tǒng)為空氣先行方式，而爐溫高于設(shè)定值則為燃料先行方式，他可有效防止黑煙的產(chǎn)生。既節(jié)約能源減少污染，有保證了生產(chǎn)質(zhì)量。4. 調(diào)節(jié)規(guī)律的確定和主、副調(diào)節(jié)器的選用（1）調(diào)節(jié)規(guī)律的確定在串級控制系統(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

5、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。又由于溫度的控制有明顯的滯后性，因此，主調(diào)節(jié)器應選PID調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設(shè)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）主、副調(diào)節(jié)器的選用DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結(jié)構(gòu)，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(luò)信號為DC15V，信號電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250

6、。（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)成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-III型儀表室按國家防爆規(guī)程進行設(shè)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(gòu)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2-4給出了

7、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(gòu)基本相同。本設(shè)計采用DDZ-III型熱電偶溫度變送器圖4 DDZ-III型調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖5.對主、副電路檢測變送器的確定（1）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（mV）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500C以上的高溫，可以在1600C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

8、理性能穩(wěn)定、電阻與溫度的關(guān)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。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

9、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25 補償導線的作用（2）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(wù)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26 溫度變送器原理框圖6. 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式和調(diào)節(jié)閥的確

10、定(1) 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式在串級控制系統(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(gòu)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(guān)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。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(guān)閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設(shè)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(guān)小，要求副調(diào)節(jié)器輸出信號減小。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

11、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) 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(guān)閉，切斷燃料油進入加熱爐，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、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(shè)計采用了氣動調(diào)節(jié)閥，且為氣開形7. 控制回路的參數(shù)選擇副回路的

12、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(guān)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(gòu)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）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

13、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(guān)，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

14、、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”。四、設(shè)計總結(jié)：通過這次課程設(shè)計我們深刻的認識到：自己在過程控制系統(tǒng)設(shè)計的知識遠遠不夠，以前學習過的理論掌握的并不牢固，理論與實踐結(jié)合的面和點的錯位等等。因此我們經(jīng)過復習課本知識和查閱資料，對過程控制系統(tǒng)的設(shè)計有了更深刻的理解。在設(shè)計過程中，從方案設(shè)計到方案確定，都經(jīng)過了嚴謹?shù)乃伎?，回路的設(shè)計，調(diào)節(jié)器的正反作用的確定，被控參數(shù)的選擇，使系統(tǒng)能夠達到設(shè)計目的。在設(shè)計中，遇到了許多困難，老師對該論文從開始的題目介紹，構(gòu)思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細心指引與教導, 同時，其他的同學，在設(shè)計的過程中曾耐心給與幫助，使我得以

15、最終完成畢業(yè)論文設(shè)計。同時，通過這次設(shè)計，我對過程控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運用有了深入的認識，對過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟、思路、有一定的了解與認識。我學到了控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟，拓展了知識面，了解了工業(yè)工程中控制系統(tǒng)起到的重要作用。參考文獻1 張根寶.工業(yè)自動化儀表與過程控制.西北工業(yè)大學出版社.2003.8 2 潘永湘,楊延西,趙躍.過程控制與自動化儀表M. 機械工業(yè)出版社. 2008.53 侯志林. M.過程控制與自動化儀表. 機械工業(yè)出版社.2000.14 俞金壽，孫自強.過程控制系統(tǒng). 機械工業(yè)出版社.2008.85 施仁，劉文江，鄭輯光. 自動化儀表與過程控制.電子工業(yè)出版社.2003.36 中國自動化學會ASEA辦公室 組編. 冶金工業(yè)自動化.機械工業(yè)出版社，2007.37 周慶海，翁維勤合編.過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計，化學工業(yè)出版社，1992.12第1版8 GB 2625-81 過程檢測和控制流程圖用圖形符號和文字代號9