過程控制課程設(shè)計---加熱爐溫度控制

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 系統(tǒng)簡介2</b></p><p>　　2 設(shè)計方案及儀表選型3</p><p>　　2.1 設(shè)計方案3</p><p>　　2.2 儀表選型4</p><p>　　2.2.1

2、 調(diào)節(jié)器6</p><p>　　2.2.2 執(zhí)行器8</p><p>　　2.2.3 變送器9</p><p>　　2.2.4 檢測元件11</p><p>　　3 控制系統(tǒng)儀表配接圖及說明12</p><p>　　3.1 控制系統(tǒng)儀表配接圖12</p><p>　　3.2

3、 控制系統(tǒng)儀表配接說明12</p><p>　　4 儀表型號清單13</p><p>　　5 參考文獻14</p><p>　　附錄 控制系統(tǒng)儀表配接圖15</p><p><b>　　1 系統(tǒng)簡介</b></p><p>　　電加熱爐被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中。由于這

4、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。</p><p>　　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

5、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。</p><p>　　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

6、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。</p><p>　　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。</p><p>　　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燒，生成的熱量傳遞給物料。物料被加熱

7、后，溫度達到生產(chǎn)要求后，進入下一個工藝環(huán)節(jié)。</p><p>　　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)，保持物料出口溫度在一定范圍內(nèi)。</p><p>　　2

8、 設(shè)計方案及儀表選型</p><p><b>　　2.1 設(shè)計方案</b></p><p>　　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

9、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)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。</p><p>　　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

10、，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。加熱爐設(shè)備主要工藝流程圖如圖一所示。</p><p>　　圖一 加熱爐設(shè)備主要工藝流程圖</p><p>　　根據(jù)控制要

11、求和控制方案設(shè)計的加熱爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二所示, 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控制系統(tǒng)。</p><p>　　其中顯示器是可選接次要器件，故用虛線表示；θ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。</p>

12、<p>　　圖二 加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)控制要求和結(jié)構(gòu)圖繪制得加熱爐溫度控制系統(tǒng)整體控制流程圖如下圖三所示：</p><p>　　圖三 加熱爐溫度控制系統(tǒng)整體控制流程圖</p><p>　　其中，調(diào)節(jié)器采用數(shù)字PID算法，Qg為燃料流量，θ為物料出口溫度，加熱爐作為控制對象。</p><p><b

13、>　　2.2 儀表選型</b></p><p>　　單回路控制系統(tǒng)選擇被控參數(shù)時要遵循以下原則：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。故在本系統(tǒng)中選擇物料的出口溫度θ作為被控參數(shù)。</p><p>　　工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動

14、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：</p><p>　?、?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)；</p><p>　?、?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；</p><p>　?、?在①的基礎(chǔ)上選擇對被控變

15、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；</p><p>　　故本系統(tǒng)選擇燃料的流量Qg量作為控制參數(shù)。</p><p>　　對溫度的控制算法, 采用技術(shù)成熟的PID 算法, 對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說, 其近似于連續(xù)變化, 因此用數(shù)字PID 完全可以得到比較好的控制效果。簡單的比例調(diào)節(jié)器能夠反應(yīng)很快, 但不能完全消除靜差, 控制不精確, 為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差

16、, 在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器, 積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結(jié)果, 在差不變的情況下, 積分器還在輸出直到誤差為零, 因此加入積分調(diào)節(jié)器相當于能自動調(diào)節(jié)控制常量, 消除靜差, 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。積分器雖然能消除靜差, 但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。</p><p>　　進一步改進調(diào)節(jié)器的方法是通過檢測信號的變化率來預報誤差, 并對誤差的變化作出響應(yīng), 于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器, 組成比例、

17、積分、微分( PID)調(diào)節(jié)器, 微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào), 克服振蕩, 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度,縮短調(diào)整時間, 從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能, 其控制規(guī)律的微分方程為:</p><p><b>　　傳遞函數(shù)為：</b></p><p>　　用PID 控制算法實現(xiàn)加熱爐溫度控制是這樣一個反饋過程: 比較實際物料出口溫度和設(shè)定溫度得到偏差, 通過對偏

18、差的處理獲得控制信號, 再去調(diào)節(jié)加熱爐的燃料流量, 從而實現(xiàn)對爐溫的控制, 由于加熱爐一般都是下一階段對象和帶純滯后的一階對象, 所以式中Kp、K d 和K i的選擇取決于加熱爐的響應(yīng)特性和實際經(jīng)驗。</p><p><b>　　2.2.1 調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　實現(xiàn)PID算法的控制儀表的主要類型大致分為電動或氣動，電動I型、II型、III型，單元組合儀

19、表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動II型、III型。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實施方案也不同。電動III型和電動II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制II型典型信號為，而電動III型儀表的典型信號為，此外。III型儀表較II型儀表操作、維護更為方便、簡捷，同時III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動切換非常方便，隨時都可以進行切換，且保證無擾動。所以在本設(shè)計中選用電動III型儀表。調(diào)節(jié)器的

20、構(gòu)成方框圖如圖四所示。</p><p>　　圖四 電動III型調(diào)節(jié)器構(gòu)成方框圖</p><p>　　作用方式選擇：對于單回路控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇要根據(jù)控制系統(tǒng)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定，這樣只要根據(jù)被控參數(shù)與變送器放大倍數(shù)的符號及整個控制回路開環(huán)放大倍數(shù)的符號為“負”的要求，就可以確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。在本系統(tǒng)中，被控參數(shù)的放大倍數(shù)為的符號為“正”，所以調(diào)節(jié)器應(yīng)選“負”作用

21、即反作用。</p><p>　　本系統(tǒng)采用的DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器TDM-400。</p><p>　　其主要技術(shù)參數(shù)見下表：</p><p>　　表一 DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器性能指標</p><p>　　DDZ-III型調(diào)節(jié)器接線端子如下圖所示：</p><p>　　圖五 DDZ-III型調(diào)節(jié)器TDM-4

22、00接線端子圖</p><p><b>　　2.2.2 執(zhí)行器</b></p><p>　　執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中的作用是接受來自控制器的控制信號，通過其本身開度的變化，從而達到控制流量的目的。</p><p>　　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

23、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。</p><p>　　調(diào)節(jié)閥的開、關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素：</p><p>　?、?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；</p

24、><p>　?、?保證產(chǎn)品質(zhì)量：當發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復到初始位置時，產(chǎn)品的質(zhì)量不應(yīng)降低；</p><p>　　③ 盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動力損耗；</p><p>　?、?從介質(zhì)的特點考慮。</p><p>　　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)

25、節(jié)蝶閥。執(zhí)行器由電/氣閥門定位器和氣動調(diào)節(jié)閥配合使用組成，其方框圖如圖六所示。</p><p>　　圖六 電/氣閥門定位器和氣動調(diào)節(jié)閥組成的系統(tǒng)框圖</p><p>　　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。</p><p>　　調(diào)節(jié)閥的口

26、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。</p><p>　　本系統(tǒng)選用電/氣閥門定位器ZPD-01和薄膜氣動調(diào)節(jié)閥ZMBS-16K。</p><p>　　其主要技術(shù)參數(shù)見下表：</p><p>　　表二 ZPD-01參數(shù)表</p><p>

27、;　　表三 ZMBS-16K參數(shù)表</p><p>　　接線端子見圖七、圖八：</p><p>　　圖七 ZPD-01端子圖</p><p>　　圖八 執(zhí)行器接線端子圖</p><p><b>　　2.2.3 變送器</b></p><p>　　變送器在自動檢測和控制系統(tǒng)中的作用，是對各種工藝參數(shù)

28、，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量進行檢測，以供顯示、記錄或控制之用。無論是由模擬儀表構(gòu)成的系統(tǒng)，還是由計算機控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，變送器都是不可缺少的環(huán)節(jié)，獲取精確和可靠的過程參數(shù)值是進行控制的基礎(chǔ)。</p><p>　　本系統(tǒng)中的變送器用于溫度信號變送，故選擇溫度變送器。其中較為常用的有模擬式溫度變送器、一體化溫度變送器和智能式溫度變送器三種，本系統(tǒng)采用典型模擬式溫度變送器中的DDZ-III型熱電偶溫度變

29、送器，屬安全火花型防暴儀表，還可以與作為檢測元件的熱電偶相配合，將溫度信號線性的轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標準信號。 DDZ-Ⅲ類儀表相對于DDZ-Ⅱ類儀表的一個優(yōu)點是電流范圍不是從零開始，這樣就避免了把儀表不能正常工作誤認為是輸出為零，所以應(yīng)選擇DDZ-Ⅲ型K型熱電偶溫度變送器。本系統(tǒng)選擇型號為HR-WP-20-1TC20K-W的單輸入單輸出熱電偶溫度變送器。</p><p

30、>　　主要特點有：全智能、數(shù)字化、可編程；環(huán)境溫度、零點、滿幅自動補償；符合國際電工委員會IEC61000相關(guān)抗電磁干擾標準。</p><p>　　其主要技術(shù)參數(shù)見下表：</p><p>　　表四 熱電偶溫度變送器參數(shù)表</p><p><b>　　接線端子圖如下：</b></p><p>　　圖九 熱電偶變送器

31、接線端子圖</p><p>　　2.2.4 檢測元件</p><p>　　溫度的測量方式有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。本系統(tǒng)選擇接觸式測溫元件。其中較為常用的有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器三種，由于系統(tǒng)對溫度的要求不是很高，一般的測溫元件即可滿足要求，故選擇K型熱電偶作為測溫元件，其電路原理圖如下圖所示：、</p><p>　　圖十 熱電偶電路原理圖<

32、/p><p>　　3 控制系統(tǒng)儀表配接圖及說明</p><p>　　3.1 控制系統(tǒng)儀表配接圖：見附錄圖</p><p>　　3.2控制系統(tǒng)儀表配接說明</p><p>　　接線圖主要由接線板W、溫度變送器K（HR-WP-20-1TC20K-W）、電動III型調(diào)節(jié)器T（TDM-400）、電/氣閥門定位器Z（ZPD-01）和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥S（ZM

33、BS-16K）五個部分組成。K型熱電偶的輸出接入溫度變送器HR-WP-20-1TC20K-W的輸入信號端K1(-），K2(+)；變送器輸出信號由K9(+)，K10(-)端子接至電動III型調(diào)節(jié)器TDM-400的輸入信號端T1(+)，T2(-)；調(diào)節(jié)器的輸出信號由T13(+)，T14(-)端子接至電/氣閥門定位器ZPD-01的輸入信號端子Z1(+)，Z2(-)；閥門定位器的輸出信號由Z3(+)，Z4(-)端子接至氣動薄膜調(diào)節(jié)閥ZMBS-1

34、6K的輸入信號端子S1(+)，S2(-)。</p><p><b>　　4 儀表型號清單</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]金以慧主編.過程控制.北京：清華大學出版社2010年</p><p>　　[2]樂嘉謙主編.儀表工手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2

35、004年；</p><p>　　[3]張毅、張寶芬、曹麗、彭黎輝編著.自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009年</p><p>　　[4]周澤魁主編.控制儀表與計算機控制裝置.北京：化學工業(yè)出版社，2009年；</p><p>　　[5]工業(yè)自動化儀表手冊編輯委員會編.工業(yè)自動化儀表手冊.第三冊 產(chǎn)品部</p><p&g

36、t;　　分（二）。北京：機械工業(yè)出版社，1986年</p><p>　　[6]高金生責任編輯.儀器儀表產(chǎn)品目錄（第二冊）.北京：機械工業(yè)出版社， 1991 年</p><p>　　[7]劉小慧責任編輯.儀器儀表產(chǎn)品目錄（第三冊）.北京：機械工業(yè)出版社，1991年</p><p>　　[8] 劉迎春主編.傳感器原理設(shè)計與應(yīng)用[M].長沙：國防科技大學出版社，1997