管式加热炉温温串控制系统的设计 .docx

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1、精品名师归纳总结课程设计任务书同学姓名： 方诗豪指导老师： 傅剑专业班级： 自动化 0804工作单位： 自动化学院题 目: 管式加热炉温度 - 温度串级掌握系统的设计初始条件 ：管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到肯定的温度， 以保证下一道工序的顺当进行。加热炉的工艺过程为：燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。试以温度- 温度串级掌握掌握策略设计过程掌握系统，使得管式加热炉出口温度为为70，稳态误差 2。要求完成的主要任务 :1、明白管式加热炉工艺设备及其工作流程2、基于对象特点分析，绘制掌握系统方案图3、确定系统所需检测元件

2、、执行元件、掌握器技术参数4、撰写系统调剂原理及调剂过程说明书5、总结课程设计的体会和收成时间支配12 月 19 日选题、懂得课题任务、要求12 月 20 日方案设计12 月 2128 日 参数运算、撰写说明书12 月 29 日答辩指导老师签名：年月日系主任（或责任老师）签名：年月日可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结目录前言 21 设计的目的及意义 31.1 管式加热炉简介 31.2 设计目的及意义 42 管式加热炉温度控系统工作原理及掌握要求53 总体设计方案 63.1 温度 温度串级掌握系统 63.2 方案特点 74 串级掌握系统分析 84.1 主回路设计 84.2 副回路挑

3、选 94.3 主、副调剂器规律挑选 94.4 主、副调剂器正反作用方式确定 94.5 掌握器软件设计 104.6 数字 PID 掌握器参数整定 11 5 各外表的选取及元器件清单 125.1 温度检测元件 125.2 温度变送器 145.3 调剂阀 155.4 联锁爱护 15 6 感受与体会 16管式加热炉温度 -温度串级掌握系统的设计可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结前言自 70 岁月以来，由于工业过程掌握的需要，特殊是在微电子技术和运算机技术的迅猛进展以及自动掌握理论和设计方法进展的推动下，国外温度掌握系统进展快速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日

4、本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的掌握器及仪器外表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：1、适应于大惯性、大滞后等复杂掌握系统的掌握。2、能够适应于受控系统数学模型难以建立的掌握系统的掌握。3、能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的掌握系统的掌握。4、这些掌握系统普遍采纳自适应掌握、自校正掌握、模糊掌握、人工智能等理论，运用先进的算法，适应的范畴广泛。5、掌握系统具有掌握精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外掌握系统及外表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速进展。随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益猛烈，产品的质量和功能也向更高的档次

5、进展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满意优质、高产、低消耗，以及安全生产、爱护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程掌握的任务也愈来愈繁 重。在现代工业掌握中 ,过程掌握技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30 岁月就已有应用。过程掌握技术进展至今日 ,在掌握方式上经受了从人工掌握到自动掌握两个 进展时期。在自动掌握时期内，过程掌握系统又经受了三个进展阶段,它们是：分散掌握阶段,集中掌握阶段和集散掌握阶段。几十年来，工业过程掌握取得了惊人的进展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，仍是在传统工业过程改造中，过程掌握技术对于提高产品质量以及节约能源等均起着特别重要的作用。目前，过程

6、掌握正朝高级阶段进展，不论是从过程掌握的历史和现状看，仍是从过程掌握进展的必要性、可能性来看，过程掌握是朝综合化、智能化方向进展，即运算机集成制造系统 CIMS ：以智能掌握理论为基础，以运算机及网络为主要手段，对企业的经营、方案、调度、治理和掌握全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息治理的最优化。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1 设计的目的及意义1.1 管式加热炉简介管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉掌握的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维护在工艺要求范畴内。管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师

7、归纳总结对流室、辐射室及燃烧器，示意图如图1 所示：图 1 管式加热炉通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这部分直接受火焰冲刷，温度很高（ 600-1600），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。1.2 设计目的及意义由于管式加热炉具有强耦合、大滞后等特性，掌握起来特别复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注

8、。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉掌握系统时，在满意工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好的爱护环境，在设计加热炉掌握系统时，仍要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2 管式加热炉温度控系统工作原理及掌握要求管式加热炉加热炉的工作原理如图2 所示。要加热的冷物料从左端的管口流入管式加热炉，而燃料从右端的管口流入管式加热炉的燃烧部分，以供热。经加热的物料从右 上端的管口流出，物料出口温度1t 为被控参数。物料出口温度1 t 可

9、编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结管式加热炉物料入口燃料图 2管式加热炉工作原理图引起温度 1 转变的扰动因素许多，主要有：（1） ）燃料油方面（它的组分和调剂阀前的油压）的扰动F2。（2） ）喷油用的过热蒸汽压力波动F4。（3） ）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动F1。（4） ）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动F3。其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用特的的调剂器保持其稳固，以便把扰动因素减小到最低限度。从调剂阀动作到温度 1 转变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。工艺上要求管式加热炉出口温度为为 70，稳态误差 2。3 总体设

10、计方案3.1 温度 温度串级掌握系统串级掌握系统采纳两套检测变送器和两个调剂器，前一个调剂器的输出作为后一个调剂器的设定，后一个调剂器的输出送往调剂阀。中间被控变量：炉膛温度。 操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时， TSC 可以准时动作，克服干扰。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 3 管式加热炉温度串级掌握系统F1,F2X1+F3， F4主掌握器X2+X4X2副掌握器调剂阀炉膛管壁物料-XX33温度变送器 2温度变送器 1图 4 管式加热炉出口温度串级掌握系统框图其中 X1 为给定温度， X2 为物料温度， X3 为炉膛温度， F1 为被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰

11、动，F2 为燃料油方面（它的组分和调剂阀前的油压） 的扰动， F3 为配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动，F4 为喷油用的过热蒸汽压力波动。3.2 方案特点串级掌握系统中，由于引进了副回路，不仅能快速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、初调、快调的特点。主回路具有后调、 细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能完全加以排除。由于主副回 路相互协作，使掌握质量显著提高。与单回路掌握系统相比，串级掌握系统多用了一 个测量变送器与一个掌握器（调剂器），增加的投资并不多（对运算机掌握系统来说， 仅增加了一个测量变送器），但掌握成效却有显著的提高。其缘由是在串级

12、掌握系统中可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。对二次扰动有很强的克服才能。提高了对一次扰动的克服才能和对回路参数变化的自适应才能。4 串级掌握系统分析4.1 主回路设计加热炉温度串级掌握系统是以原料油出口温度为主要被控参数的掌握系统。其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温度调剂器对被控参数 1 精确掌握与温度调剂器对来自燃料干扰的准时掌握相结合，先依据炉膛温度2 的变化，转变燃料量，快速排除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响。然后再依据原料油出口温度 1 与设定值的偏差，转变炉膛

13、温度调剂器的设定值，进一步调剂燃可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结料量，使原料油出口温度恒定，达到温度掌握的目的。4.2 副回路挑选副回路的挑选也就是确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对掌握过程产生极大干扰。所以，我们挑选炉膛温度为串级掌握系统的帮助被控参数。串级系统中，通过调整副参数炉膛温度 2 能够有效的影响主参数原料油出口温度 1，提高了主参数的掌握成效。4.3 主、副调剂器规律挑选在串级掌握系统中，主、副调剂器所起的作用不同。主调剂器起定值掌握作用，副调剂器起随动掌握作用，这是挑选调剂器规律的基本动身点。在加热炉温度串级掌握系统中，我们挑选原料油出口温度为主

14、要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又由于加热炉串级掌握系统有较大容量滞后，所 以，挑选 PID 调剂作为主调剂器的调剂规律。掌握副参数是为了保证和提高主参数的掌握质量，对副参数的要求一般不严格，可以在肯定范畴内变化，答应有残差，所以我们的负调剂器调剂规律挑选P 掌握。4.4 主、副调剂器正反作用方式确定由生产工艺安全考虑，燃料调剂阀应选气开方式，这样保证系统显现故障时调剂阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调剂阀的 Kv 0。主调剂器作用方式确定：炉膛温度上升，物料出口温度也上升，主被控过程 Ko1 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成果必需为正，所以负

15、调剂器的放大系数 K10，主调剂器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必需为正，所以负调节器大于 0，负调剂器作用方式为反作用方式。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4.5 掌握器软件设计管式加热炉温度串级掌握系统主回路简化方框图如图5 所示。Rt+Et 主掌握器Ut广义被控对象-Yt温度变送器 1图 5 串级掌握系统主回路简化方框图对于主掌握器采纳数字PID 掌握算法的挑选由两种：位置型和增量型。位置型 PID 掌握数学表达式如下：U kK p E kTTIkEki 0EiTDEkT11增量型 PID 掌握数学表达式如下：U kU k1U kU k1q0

16、Ekq1Ek1q2Ek22比较两种数字 PID 掌握的数学表达式可知，增量型掌握算法不需要做累加，掌握量的增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，运算误差和运算精度问题对掌握量的运算影响较小。而位置型算法要用到过去的误差的累加值，简洁产生较大的累加误差。同时增量型算法得出的是掌握量的增量，例如阀门掌握中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，不会严峻影响系统的工作。而位置型算法输出的是掌握量的全量输出，误动作影响大。除此以外，采纳增量型 PID 数字掌握算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。经过以上的分析可知，采纳增量型数字 PID 掌握算法较好。相应的数字 PID 增量型掌握算法流程图如图

17、6 所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结设定 q0，q1，q2置 E（ K-1 ）和 E（k）为 0将 A/D 结果赋给 Y（ K ）求 E（ K）=R （K）-Y （K ）运算掌握增量将掌握增量输给 DAC令 E（ K ）-2=E （ K ）-1， E（ K） -1=E （K）N采样时刻到否Y图 6 数字 PID 增量型掌握算法流程图4.6 数字 PID 掌握器参数整定串级掌握系统通常用于对主参数掌握要求比较严格的生产过程，同时在串级掌握系统中，对副参数的要求是能精确快速的跟踪主调剂器输出的变化。这种要求的不同是我们合理挑选参数整定方法的依据。串级掌握系统的参数整定常用工程

18、整定方法有：逐步靠近法，两步整定法和一步整定 法。逐步靠近法是依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步靠近主、副回路的正确状态。两步整定是让系统处于串级掌握状态，第一按单回路掌握系统整定副回路调剂器的参数，然后把已经整定好的副回路视为串级掌握系统的一个环节，仍旧依据单回路可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结参数整定的方法对主掌握器的参数进行整定。一步整定法是依据体会，先将副调剂器的参数一次调好，不再变动。然后依据单回路掌握系统的整定方法直接整定主调剂器的参数。比较几种整定方法，逐步靠近法比较繁琐，而且工作量大。两步整定法虽然能满意对主、副参数的要求，但是要分两步进行，需要寻求两个

19、衰减比为4： 1 的衰减振荡过程，同样比较繁琐。相比较而言，一步整定法的整定过程简洁而且工作量相对较小。故在这里选用一步参数整定法对串级掌握系统进行参数整定。系统参数整定步骤：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（ 1）在正常生产，系统为纯比例运行的条件下（即TI 为无穷大，TD 为零），依据工程可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结体会，确定副环调剂器（为 P 型掌握器）的参数比例度。（ 2）将副回路视为一个环节，依据单回路参数整定的方法对主掌握器的参数进行整可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结定。把系统中的调剂器设置成纯比例作用（即TI 为无穷大，TD 为

20、零），将由大到小可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的规律进行调整，直到被控参数显现等副振荡为止。登记此时的比例度K （临界比例度）和等副振荡的周期TK （临界振荡周期）。依据相应的体会公式可以运算出可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1.6 K ， TI0.5TK， TD0.5TI 。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（3） ）在已整定参数条件下，观看掌握过程，适当调整主调剂器的参数，使其满意工艺要求。5 各外表的选取及元器件清单5.1 温度检测元件热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV ）信号，配以测量毫伏的指示外表或变送器可以实现温度

21、的测量指示或温度信号的转换。具有稳固、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500 C 以上的高温，可以在1600C 高温下长期使用。热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，假如某材可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳固、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度上升而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度上升而削减。在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受四周环境温度波动的影响，且距热源较

22、近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳固的的方。补偿导线的作用如图 7 所示。用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳固的的方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此仍要实行进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、外表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN 结补偿法。采纳热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的链接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了排除导线电阻带来的测量误 差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必需使导线电阻的阻值符合

23、规定的数值，假如不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必需用三线接法，如图8 所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响电桥平稳，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。而本次设计要使得管式加热炉出口温度为为 70，稳态误差 2，应选用热电阻，电流输出型集成温度传感器AD590，灵敏度 1A/K , 测量范畴为 -55150。图 7 补偿导线的作用可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 8 热电阻三线制接法5.2 温度变送器DDZ-III型外表采纳了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了外表精度、外表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防

24、爆要求。III 型外表具有以下主要特点：（1）采纳国际电工委员会（IEC）举荐的统一信号标准，现场传输信号为DC420mA，掌握室联络信号为 DC15V ，信号电流与电压的转换电阻为250。（2） 广泛采纳集成电路，外表的电路简化、精度提高、牢靠性提高、修理工作量削减。（3） 整套外表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-III型外表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了掌握室与危急场所之间的能量限制于隔离，使外表能在危急的场所中使用。DDZ-III型 PID 调剂器主要由输入电路、给定电路、 PID 运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调剂器接收变送器送来的测量信

25、号 DC4 20mA 或 DC1 5V ），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在 PD 与 PI 电路中进行 PID 运算，最终由输出电路转换为 4 20mA 直流电流输出。图 9 给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以协作可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。本设计采纳 DDZ-III 型热电偶温度变送器。图 9 DDZ-III型调剂器结果框图5.3 调剂阀由前面可以知道，从生产工艺安全动身，燃料油调剂阀选用气开式，即一旦显现故障或气源断气，调剂阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备

26、安全为了保证。 调剂阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调剂阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛的应用于化工、炼油等生产过程 中。电动调剂阀用电源工作，其特点是能源取用便利，信号传递快速，但难以在易燃易爆环境中工作。液动调剂阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。故本设计采纳了气动调剂阀，且为气开形式。5.4 联锁爱护联锁爱护系统由压力调剂器、温度调剂器、流量变送器、火焰检测器、低选器等部分组成。当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调剂系统通过低选器取代正常工作的温度调剂系统，此时出料温度无掌握，自行浮动。压力调剂系统投入运行保证燃料管道压力不

27、超过规定上限。当管道压力复原正常时，温度调剂系统通过低选器投入正常运行， 出料温度重新受到掌握。当进料流量和燃料流量低于答应下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，掌握电磁阀切断燃料气供应量以防回火。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结6 感受与体会通过这次课程设计，我发觉了许多平常学习上的不足，也学到了许多以前没有涉及到得学问，在平常的学习中经常都是考试要考什么，我就学什么，对于一些公式根本就没有去懂得和推导，导致考完试以后就把这些学问给忘掉，没有能够转化成自己的知 识，所以刚刚开头做课设时有点吃力，在为期一个多星期的课程设计中，遇到过许多许多的问题，但我通过许多有效的途径，例如上网

28、查相关资料，问身边的同学与伴侣，或者请教本专业的老师，都得到明白决。刚开头的时候，对管式加热炉与串级掌握系统只有个大致的明白，我去图书馆认真查阅了介绍过程掌握系统的相关书籍，并在网上搜类似的设计来参考，具体明白其工作原理，并对管式加热炉掌握系统的设计有一个大致的构思。当然，对一篇课程设计来说，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结格式也是一个重要的方面，我认真按着知道老师的格式要求，认真编辑，达到好的成效。在做课程设计的过程中，不断发觉新的问题，不断去查找好的解决方法，不断去转变，改进，才能让自己得到提高。我们第一要学好理论，然后抓住机会实践，在实践中加深对理论的懂得，理论与实践相结

29、合，才能学好专业学问，为将来打好基础。不知不觉中，几天时间的关于管式加热炉温度掌握系统的课程设计已经做完了，感觉受益匪 浅。在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的摸索，回路的设计，调剂器的正反作用的确定，被控参数的挑选，使系统能够达到设计目的。同时， 其他的同学，在设计的过程中曾耐心给与帮忙，使我得以最终完成这次关于管式加热炉温度掌握系统的设计。我们以前学习的学问都慢慢离我们远去，甚至不知道、不清晰哪些学问该用到哪些的方，什么时候用。学校支配了这次管式加热炉温度掌握系统的课程设计，通过自己查找资料，明白情形，让我们清晰我们学的学问与现实工业生产之间的联系，使得我们对学

30、问更加明白和巩固。参考文献1 金以慧，方崇智编过程掌握清华高校出版社，20212 薛定宇编掌握系统帮助设计清华高校出版社，20213 胡寿松编自动掌握原理科学出版社，20214 陈宗海 .过程系统建模与仿真 .中国科学技术高校出版社5 傅信鉴 .过程运算机掌握系统 .西北工业高校出版社6 周庆海，翁维勤编 . 过程掌握系统工程设计 . 化学工业出版社， 1992.7 朱瑞、张鹏等 . 自动温度掌握系统 . 济南山东高校， 2006.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结本科生课程设计成果评定表姓名方诗豪性别男专业、班级自动化 0804 班课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成果评定依据：序号评定工程评分成果1 选题合理、目的明确（10 分）2 设计方案正确，具有可行性、创新性（20 分）3 设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（25 分）4 态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15 分）5 设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5 篇）（ 10 分）6答辩（ 20 分）总分最终评定成果（以优、良、中、及格、不及格评定）指导老师 签字：年 月 日可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载