燃燒式工業(yè)窯爐溫度比值控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書</p><p>　　學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 </p><p>　　題 目： 燃燒式工業(yè)窯爐溫度比值

2、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　指導(dǎo)教師： 職稱: </p><p>　　職稱: </p><p>　　職稱: </p><p>　　2012 年1 月 4 日</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

3、</b></p><p>　　2011/2012 學(xué)年第 1 學(xué)期</p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 過程裝備與控制工程

4、 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　課程設(shè)計(jì)題目：燃燒式工業(yè)窯爐溫度比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　起 迄 日 期： 2011年12月19日～2012 年1月5日 &l

5、t;/p><p>　　課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p>　　系 主 任：

6、 </p><p>　　下達(dá)任務(wù)書日期: 2011年12月19日</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 概述……………………………………………………………………………… 7</p><p>　　2

7、被控對(duì)象特性的研究…………………………………………………………… 7</p><p>　　2.1 被控變量的選擇 …………………………………………………………… 8</p><p>　　2.2 操縱變量的選擇 …………………………………………………………… 8</p><p>　　2.3 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述 ……………………………………………………… 8&l

8、t;/p><p>　　3 燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制原理及控制方案的確立 ………………………… 9</p><p>　　4 過程檢測(cè)儀表的選用…………………………………………………………… 10</p><p>　　4.1 測(cè)溫元件及溫度變送器 …………………………………………………… 10</p><p>　　4.2 執(zhí)行器 …………………

9、…………………………………………………… 11</p><p>　　4.3 調(diào)節(jié)器 ……………………………………………………………………… 12</p><p>　　5 參數(shù)整定………………………………………………………………………… 12</p><p>　　6 實(shí)驗(yàn)仿真………………………………………………………………………… 13</p>

10、<p>　　7 課程設(shè)計(jì)總結(jié)…………………………………………………………………… 17</p><p>　　8 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 17</p><p><b>　　1.概述</b></p><p>　　燃燒式工業(yè)窯爐是用耐火材料砌成的用以煅燒物料或燒成制品的設(shè)備，一般大型窯爐燃料多為

11、重油，輕柴油或煤氣、天然氣。窯爐通常由窯室、燃燒設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備，輸送設(shè)備等四部分組成。窯爐大致分為 箱式、井式、梭式、網(wǎng)帶式、回轉(zhuǎn)式、窯車式、推板式隧道電阻爐、真空爐、氣體保護(hù)爐、超高溫管式推板爐（碳管爐）、鎢鉬粉焙燒爐、還原爐等各種高、中、低溫工業(yè)窯爐，工作溫度200～2500℃?？捎糜赯nO壓敏電阻器、避雷器閥片、結(jié)構(gòu)陶瓷、紡織陶瓷、PTC&NTC熱敏電阻器、電子陶瓷濾波器、片式電容、瓷介電容、厚膜電路、片式電阻、磁性材料、

12、粉末冶金、電子粉體、稀土化工、聚焦電位器、陶瓷基板、高鋁陶瓷及其金屬化，觸頭材料、硬質(zhì)合金材料、鎢鉬材料等的燒成。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是要完成燃燒式工業(yè)窯爐溫度定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用的是比值控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常以保持兩種或幾種物料的流量為一定比例關(guān)系的系統(tǒng)，稱之流量比值控制系統(tǒng)。</p><p>　　比值控制系統(tǒng)

13、可分為：開環(huán)比值控制系統(tǒng)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，變比值控制系統(tǒng)，串級(jí)和比值控制組合的系統(tǒng)等。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，窯爐以甲烷作為燃料。空氣和甲烷分別通入爐內(nèi)進(jìn)行燃燒。甲烷充分燃燒的方程式為，空氣中含氧量約為20%。所以可以得出空氣的流量是甲烷的10倍就可以保證甲烷充分燃燒。假設(shè)空氣供應(yīng)充足，大氣壓恒定。所以采用開環(huán)比值控制系統(tǒng)。</p><p>　　在本次課

14、程設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型、便于分析，采用如下假設(shè)：</p><p>　　1、燃料為天然氣，被加熱的介質(zhì)為陶瓷，陶瓷的厚度為7厘米</p><p>　　2、窯爐為絕熱爐，廢渣不帶走熱量</p><p>　　2.被控對(duì)象特性的研究</p><p>　　燃燒式工業(yè)窯爐是用耐火材料砌成的用以煅燒物料或燒成制品的設(shè)備，其工作原理為燃料進(jìn)入爐內(nèi)燃燒，其

15、發(fā)出的熱量一部分被被加熱介質(zhì)所吸收，另一部分用于維持爐內(nèi)整個(gè)環(huán)境的溫度。為了滿足工藝的需要，必須使?fàn)t內(nèi)溫度維持在一定的范圍內(nèi)。影響爐內(nèi)溫度最主要的因素為燃料的進(jìn)料流量，因此可以通過控制燃料的進(jìn)料流量來控制爐內(nèi)的溫度。</p><p>　　2.1被控變量的選擇</p><p>　　被控變量是生產(chǎn)過程中希望保持在定值獲按一定規(guī)律變化的過程參數(shù)。在燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制系統(tǒng)中，我們希望爐內(nèi)的溫度

16、保持在一定的范圍內(nèi)，因此可以把爐內(nèi)的溫度作為被控變量。</p><p>　　2.2操縱變量的選擇</p><p>　　在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。對(duì)于燃燒式工業(yè)窯爐，燃料的流量對(duì)爐內(nèi)溫度的影響最大，因此可以把燃料的流量作為操縱變量。</p><p>　　2.3被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述</p><p>

17、　　對(duì)于燃燒式工業(yè)窯爐，其控制原理為通過控制燃料的進(jìn)料流量來控制爐內(nèi)的溫度。</p><p>　　圖2 燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制示意圖</p><p>　　現(xiàn)假設(shè)空氣充足，燃料能夠充分燃燒，且窯爐是絕熱的，沒有熱量損失，則燃料燃燒的熱量一部分被被加熱的介質(zhì)所吸收，另一部分用于維持窯爐整個(gè)環(huán)境在一定的溫度范圍內(nèi)，現(xiàn)假設(shè)窯爐內(nèi)整個(gè)空氣環(huán)境所擁有的熱量為Q,燃料的體積流量為，燃料的燃燒值為,空

18、氣的質(zhì)量為，空氣的比熱容為，被加熱介質(zhì)的傳熱系數(shù)為,傳熱面積為，爐內(nèi)溫度為，被加熱物質(zhì)和空氣的原始溫度為。</p><p><b>　　根據(jù)熱量關(guān)系，有</b></p><p><b>　　其中，則</b></p><p>　　將上式帶入（1）式，得到</p><p>　　對(duì)上式進(jìn)行增量化，則，得到

19、</p><p>　　對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，得到</p><p><b>　　則</b></p><p>　　現(xiàn)假設(shè)燃料為甲烷，被加熱的物質(zhì)為陶瓷，</p><p>　　陶瓷的厚度為0.07m，長(zhǎng)為0.2m，寬為0.1m</p><p><b>　　甲烷的燃燒值為，</b>

20、</p><p><b>　　空氣的質(zhì)量</b></p><p><b>　　空氣的比熱容為,</b></p><p><b>　　陶瓷的傳熱系數(shù)為,</b></p><p>　　所有陶瓷的傳熱面積為</p><p>　　將以上數(shù)據(jù)帶入（2）式，得到&l

21、t;/p><p>　　3.燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制原理及控制方案的確立</p><p>　　燃燒式工業(yè)爐的工作方式為：燃料進(jìn)入爐內(nèi)燃燒，其熱量主要用于兩部分，一部分用于被加熱介質(zhì)的吸收，另一部分用于維持爐內(nèi)整個(gè)環(huán)境的溫度。</p><p>　　影響爐內(nèi)溫度最主要的因素為燃料的進(jìn)料流量，因此可以通過控制燃料的進(jìn)料流量來控制爐內(nèi)的溫度。</p><p>

22、;　　控制方案采用比值定值控制系統(tǒng)，其方框圖如下：</p><p>　　圖1 比值定值控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　從控制任務(wù)要求可知，燃燒式工業(yè)窯爐溫度比值控制系統(tǒng)是單點(diǎn)、恒值控制，控制范圍和控制精度要求一般，功能上無特殊要求，采用廣泛使用的PID控制即可。</p><p>　　4. 過程檢測(cè)控制儀表的選用</p><p>　　4

23、.1 測(cè)溫元件及變送器</p><p>　　根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)使用條件以及儀表的性能，我們選用普通熱電偶測(cè)溫儀表。熱電偶溫度儀表是基于熱電效應(yīng)原理制成的測(cè)溫儀器，它由熱電偶、電測(cè)儀表和連接導(dǎo)線組成，其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計(jì)有以下特點(diǎn)：</p><p>　?、贉y(cè)溫精度高，性能穩(wěn)定；</p><p>　　②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，產(chǎn)品互換性好；</p>

24、<p>　?、蹖囟刃盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，便于信號(hào)遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測(cè)量；</p><p>　　④測(cè)溫范圍廣，可達(dá)-200~2000℃；</p><p>　　⑤形式多樣，適用于多種測(cè)溫條件；</p><p>　　在此，我們選用一體化溫度變送器，Sure301系列熱電偶、熱電阻一體化溫度變送器（以下簡(jiǎn)稱溫度變送器）是由溫度傳感器與信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成。本產(chǎn)品經(jīng)國家

25、級(jí)儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)站測(cè)試合格，防爆合格證為GYB97142、GYB97143、GYB97144、GYB97145。廣泛用于石油、化工、冶金、機(jī)械、煤炭、電站、船泊、國防等部門用來測(cè)量液體、氣體和蒸汽</p><p>　　等介質(zhì)的溫度。 圖3 熱電偶溫度檢測(cè)變送器</p><p>　　■熱電偶測(cè)量范圍：0~

26、1200℃ ■測(cè)量精度：熱電阻為±0.2%；熱電偶為±1%~±2%；冷端補(bǔ)償為±2℃/60℃ ■溫度漂移：±0.025%℃，年漂移＜±0.5% ■供電電壓：24VDC±10%（4-20mA電流型模塊最低工作電壓需要10V余下供負(fù)載） ■負(fù)載能力：0-600歐姆（24V電壓時(shí)）電壓變化影響＜0.015%V</p>

27、;<p>　　■環(huán)境濕度＜85%，且無腐蝕性</p><p><b>　　4.2 流量計(jì)</b></p><p>　　流量計(jì)是用來檢測(cè)甲烷流量，從而對(duì)空氣流量進(jìn)行比值控制。在本次設(shè)計(jì)中選取渦輪流量計(jì)。它具有壓損小、測(cè)量精度高、量程范圍寬、管道安裝要求低、抗擾動(dòng)性能強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域燃?xì)夂透鞣N氣體以及城市燃?xì)夂吞烊粴獾馁Q(mào)易

28、計(jì)量。</p><p>　　在此選用 ZBWL-90/99型渦輪流量計(jì)</p><p>　　■精確度：±0.5%,±1.0%;重復(fù)性；優(yōu)于±0.2%。</p><p>　　■輸出信號(hào)：4-20mA電流信號(hào)</p><p>　　■工作壓力：0-1.6Mpa</p><p>　　■環(huán)

29、境溫度：-30℃～+60℃；介質(zhì)-30℃～+60℃</p><p><b>　　4.3 執(zhí)行器</b></p><p>　　執(zhí)行器的作用是接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號(hào)，自動(dòng)的改變操縱量（在此為介質(zhì)流量），達(dá)到對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。電動(dòng)執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥體）兩部分組成。</p><p>　　考慮被調(diào)介質(zhì)的工藝條件及流體特性來選擇調(diào)節(jié)閥

30、?？煞譃榻切谐蹋―KJ型）和直行程（DKZ型）兩種，原理和電路原理完全相同，只是輸出機(jī)械傳動(dòng)部分有所區(qū)別。按照特性不同，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為比例式和積分式。根據(jù)實(shí)際情況和介質(zhì)特性，我選用直行程（DKZ型）比例式電動(dòng)執(zhí)行器，其輸出直線位移與輸入電流信號(hào)成正比。</p><p><b>　　標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)</b></p><p>　　閥體型式：直通鑄造球形閥</p>

31、;<p>　　閥尺寸：DN20~200</p><p>　　額定壓力：PN 16，PN40，PN63，PN100</p><p>　　連接形式：法蘭（標(biāo)準(zhǔn)型）</p><p>　　法蘭標(biāo)準(zhǔn)：鋼制法蘭按GB9113-2000，JB|T-94</p><p>　　密封面型式：PN16為突面 </p>

32、<p>　　材料：閥體，閥內(nèi)組件材料配套和工作溫度范圍參照ZMA|BM</p><p><b>　　壓蓋形式：壓板式</b></p><p>　　填料：V型聚四氟乙烯填料，柔性石墨填料</p><p>　　墊片：型式，齒型和平型 材料，F(xiàn)4|改性F4，不銹鋼+石墨</p><p>　　結(jié)構(gòu)形式：壓力平衡型式&

33、lt;/p><p><b>　　閥芯：柱塞型</b></p><p>　　套筒：金屬密封， 線性特性（LG）</p><p><b>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　型式：電動(dòng)（電子）式執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p><p>　　381LSA|XA-08，381LSA|XA—20&l

34、t;/p><p><b>　　閥作用：正在用</b></p><p><b>　　控制動(dòng)作：比例控制</b></p><p>　　輸入信號(hào)：4—20mADC（負(fù)載電阻500以下）</p><p>　　功耗：A型|50VA，B型|150VA，C型|220VA</p><p><

35、;b>　　保護(hù)等級(jí)：IP55</b></p><p>　　出線連接：普通S型G1|2，防爆X型G3|4</p><p>　　環(huán)境溫度：無空間加熱器-10~60</p><p>　　有空間加熱器--35~60 </p><p>　　防爆X型 -10~40

36、圖4 電動(dòng)執(zhí)行器</p><p>　　環(huán)境溫度： 普通S型95%以下</p><p>　　防爆X型45~85%</p><p>　　防爆等級(jí)：ExdllBT4</p><p>　　過載保護(hù)：A、B型任選，C型必配 </p><p><b>　　

37、手動(dòng)裝置：帶手柄</b></p><p><b>　　4.4 調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　調(diào)節(jié)器又稱控制器，是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測(cè)量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后，得出被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，從而推動(dòng)執(zhí)行器工作，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。</p><p>　　目前在中國工業(yè)上廣泛應(yīng)用的

38、DDZ-Ⅲ型電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先進(jìn)可靠的防爆結(jié)構(gòu)。我選用DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器。 </p><p>　　表1 DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)</p><p><b>　　5.參數(shù)整定</b></p>

39、<p>　　對(duì)于熱電偶溫度一體化變送器，</p><p>　　對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器，由于選用的是直線型流量調(diào)節(jié)閥，</p><p>　　對(duì)于PID調(diào)節(jié)器，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)試湊法對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定，根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，由于本次設(shè)計(jì)控制的是窯爐內(nèi)的溫度，所以選擇，，</p><p>　　表2 調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)</p><p><b&g

40、t;　　6.實(shí)驗(yàn)仿真</b></p><p>　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)仿真，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定為，，時(shí)，響應(yīng)曲線能夠得到較好的效果。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果如下：</p><p><b>　　圖5 實(shí)驗(yàn)連接圖</b></p><p>　　圖6 空氣流量實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲線圖</p><p&

41、gt;　　圖6 爐內(nèi)溫度實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲線圖</p><p><b>　　7.課程設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)通過對(duì)燃燒式工業(yè)窯爐工作原理的分析，結(jié)合題目的要求，即采用比值控制系統(tǒng)對(duì)爐內(nèi)的溫度進(jìn)行定制控制，決定選用爐內(nèi)的溫度作為被控變量，選用燃料的進(jìn)料流量作為操作變量，通過對(duì)系統(tǒng)的分析，建立了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后選用合適的檢測(cè)變送器和執(zhí)行器、調(diào)節(jié)

42、器，調(diào)節(jié)規(guī)律采用PID調(diào)節(jié)，其參數(shù)通過經(jīng)驗(yàn)試湊法來進(jìn)行整定，然后運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行仿真，再修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，得到理想的響應(yīng)曲線。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)比值控制系統(tǒng)有了進(jìn)一步的了解，學(xué)會(huì)了如何選擇被控變量、如何選擇操縱變量，能夠?qū)?jiǎn)單的被控對(duì)象建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，加深了對(duì)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的理解，學(xué)會(huì)了如何整定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，能夠初步對(duì)檢測(cè)變送器、執(zhí)行器進(jìn)行選型，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)matlab軟

43、件的運(yùn)用能力。</p><p><b>　　8、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]《過程裝備控制技術(shù)及其應(yīng)用》 王毅 張?jiān)缧Ｖ骶?化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　[2]《自動(dòng)控制原理》 胡壽松 主編 科學(xué)出版社</p><p

44、>　　[3]《過程裝備成套技術(shù)設(shè)計(jì)指南工程》 黃振仁 主編 化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　[4]《過程控制工程》 梁昭峰 李兵 裴旭東 主編 北京理工大學(xué)出版社</p><p>　　[5]《工業(yè)窯爐節(jié)能技術(shù)》 王學(xué)濤 主編 化學(xué)工業(yè)出版社</p>