加热炉控制系统分析与设计哈尔滨理工大学

理工大学课程设计报告课题名称：加热炉控制系统分析与设计 姓 名：专 业：班 级：起止日期 2012年8月20日2012年8月24日 指导教师：第一章 设计的目的与意义- 2 -第一章 设计的目的与意义- 2 -第二章 控制系统工艺流程与控制要求- 3 -2.1 生产工艺介绍- 3 -2.2 控制要求- 4 -第三章 总体设计方案- 5 -3.1 系统控制方案- 5 -3.2 系统结构和控制流程图- 5 -第四章 控制仪表的选型- 7 -4.1 测温元件- 7 -4.2温度变送器- 7 -4.3 DX2000型无纸记录仪:- 7 -4.4 调节器- 7 -4.5 执行器- 8 -4.6电/气阀门定位器ZPD-01- 9 -4.7 安全栅- 9 -4.8 配电器- 10 -4.9 薄膜气动调节阀ZMBS-16K- 11 -第五章 控制系统设计- 12 -5.1 系统控制参数确定- 12 -5.1.1 被控参数选择- 12 -5.1.2 控制参数选择- 12 -5.1.3 工作原理- 12 -5.2 控制系统调试- 14 -第六章 联锁保护- 18 -参考文献- 20 -第一章 课程设计的目的1 培养学生综合应用专业知识和基础理论，掌握过控系统的设计与分析的基础方法。2 培养和提高学生的基本实践技能和综合素质。3 培养和提高学生的分析问题和解决问题的能力。第二章 控制系统工艺流程与控制要求2.1 生产工艺介绍加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包与循环管等组成。本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。物料被加热后，温度达到生产要求后，进入下一个工艺环节。用泵将从初馏塔底得到的拔顶油送入加热炉中加热到360 370 后，再送入常压分馏塔中。经分馏，在塔顶可得到低沸点汽油馏分，经冷凝和冷却到30 40 时，一部分作为塔顶回流液，另一部分作为汽油产品。此外，还设有12个中段回流。在常压塔中一般有34个侧线，分别馏出煤油、轻柴油。侧线产品是按人们的不同需要而取的不同沸点围的产品，在不同的流程中并不一样。有的侧线产品仅为煤油和轻柴油，而重油为塔底产品；有的侧线为煤油、轻柴油和重柴油，而塔底产品为常压渣油。 初底油用泵加压后与高温位的中段回流、产品、减渣进行换热，一般换后温度能达到260C以上，如果换热流程优化的好，换热温度可达到310C左右。初底油在进入常压炉进一步加热至365C（ 各装置设定的炉出口温度随所炼不同原油的组成性质而差异，一般都在360C至370C之间）。最后初底油进入常压塔进行分离。 加热炉设备主要工艺流程图如图2-1所示。图2-1 加热炉设备主要工艺流程图2.2 控制要求 加热炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使加热炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，加热炉设备将有主要的控制要求：加热炉燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应物料负荷的需要，保证燃烧的经济型和加热炉的安全运行，使物料温度与燃料流量相适应，保持物料出口温度在一定围。第三章 总体设计方案3.1 系统控制方案随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。 本加热炉温度控制系统较为简单，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。采用PID调节器组成的PID自动控制系统调节炉温。PID调节器的比例调节, 可产生强大的稳定作用; 积分调节可消除静差; 微分调节可加速过滤过程, 克服因积分作用而引起的滞后。控制系统通过温度检测元件不断的读取物料出口温度，经过温度变送器转换后接入调节器，调节器将给定温度与测得的温度进行比较得出偏差值，然后经PID算法给出输出信号，执行器接收调节器发来的信号后，根据信号调节阀门开度，进而控制燃料流量，改变物料出口温度，实现对物料出口温度的控制。 本加热炉温度控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。在运行过程中，当物料出口温度受干扰影响改变时，温度检测元件测得的模拟信号也会发生对应的改变，该信号经过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比较，得出对应偏差信号，经PID算法计算后输出，通过执行器调节燃料流量，不断重复以上过程，直至物料出口温度接近给定，处于允许围，且达到稳定。由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。3.2 系统结构和控制流程图根据控制要求和控制方案设计的加热炉温控制系统结构如图3-1所示, 该系统主要由调节对象(加热炉)、检测元件(测温仪表)、变送器、调节器和执行器等5个部分组成, 构成单回路负反馈温度系统。其中显示器是可选接次要器件，故用虚线表示；为物料出口温度，Qg为燃料流量。箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，经过一系列器件和运算后，由执行器改变燃料流量，进而实现温度控制。图3-1 加热炉温度控制系统结构图图3-2 加热炉温度控制系统整体控制流程图Qg为燃料流量，为物料出口温度，加热炉作为控制对象。第四章 控制仪表的选型4.1 测温元件本控制系统的测温元件采用Pt100热电阻，工业用铂电阻作为温度测量变送器，通常用来和显示、记录、调节仪表配套，直接测量各种生产过程中从0 500围的液体、蒸汽和气体介质以与固体等表面温度。4.2温度变送器型号：DBW-4230，环境温度:050,环境湿度:90%RH,供电电源:220AC、220VAC(开关电源)功耗:6W,分度号：热电阻Pt100，测量围：0500，输入信号：1-5V，输出信号：4-20mA，精度等级：0.5级4.3 DX2000型无纸记录仪:DX2000系列新型无纸记录仪,为DX200系列无纸记录仪的升级产品,DX2000最多可达48通道.可以广泛应用于各种环境中。额定电源电压：220VAC +10-15 ，使用电源电压围：90 260 VAC，额定电源频率：50 60 Hz，功耗： 15W环境温度 0 50 环境湿度： 20 80% RH （ 5 40 ）4.4 调节器 DDZ-III型PID调节器TDM-400性能指标如下表所示：表4.1 DDZ-III型PID调节器性能指标名称性能输入信号15V直流电压外给定信号420mA直流电流（输入电阻250）输出信号420mA直流电流负载电阻250750输入与给定指示0100%，指示误差为1.0%输出信号指示0100%，指示误差为2.5%整定参数（F=1情况下）比例带Xp=2500%连续可调，最大值刻度误差2.5%；积分时间Ti有两档0.012.5分与0.125分。分别连续可调，最大值与最小值刻度误差为%；微分时间Td=0.0410分，连续可调，最大刻度误差为%干扰系数F积分增益KdKd10闭环跟踪误差 2.DDZ-III型调节器接线端子如下图所示：图4-1 DDZ-III型调节器调节器接线端子4.5 执行器本系统中，执行器是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节燃料流量的装置。 1.执行器的结构形式： 执行器在结构上分为执行机构和调节机构。其中执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，由于气动执行机构的工作温度围较大，防爆性能较好，故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素： 生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故； 保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低； 尽可能的降低原料、产品、动力损耗； 从介质的特点考虑。 综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器的调节阀选择气开阀：执行机构采用正作用方式，调节机构正装以实现气开的气动薄膜调节蝶阀。1. 调节阀的流量特性：调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性、抛物线特性和快开特性四种，在本系统中执行器的调节阀的流量特性选择等百分比特性。2.调节阀的口径：调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。4.6电/气阀门定位器ZPD-01表4.2 ZPD-01参数表名称性能输入信号4-20mADC输出信号0-0.14MPa图4-2 ZPD-01端子图4.7 安全栅型号：DFA-3100，防爆等级：ia II CT6 ，最大允许电压VM：（防爆额定值）AC/DC、220V，额定工作电压VD：DC 24（+10-5）%V，额定工作电流ID：DC420mA，阻：（DC 20mA）DFA-3100190，DFA-3300150精度0.2%可行性：安全栅是本质安全防爆型仪表的关键设备。在正常状态时，安全栅不影响系统正常运行，当发生故障时（危险场所的连线短路或接地 ，非危险场异常电压混触）安全栅具有限压限流和断电等功能可以将危险场的电能量限制在点火界限以，确保现场的安全。它广泛用于石油、化工、轻工等易爆易燃的场所。它具有：防爆等级高、精度高、体积小、价格便宜安装方便等优点。采用双重化元件电路，可靠性高。4.8 配电器 型号：DFP-2100 ，通道数:2，重量:1.5Kg，功耗：2.4WDFP-2100配电器属于控制室仪表它通过DC-DC转换器向现场二线制变送器提供隔离24VDC电源同时把从变送器来420mADC信号转换成隔离的15VDC或420mADC输出. 向现场二线制变送器提供隔离24VDC电源，本安防爆型仪表.其标志为(ib)CT，实行电源-输入-输出之间三隔离将变送器来420mADC信号转换成隔离的15VDC或420mADC输出，采用高性能固定模块结构紧凑体积小重量轻，仪表系列化有架装和短架装二种结构形式. 主要技术指标：温度漂移:0.1基本误差1输出信号:输出电流:420mADC 输出电压:15VDC配电电压:18.528.5VDC配电回路:15个基本误差:0.2%绝缘电阻:电源 输入与输出端子间100M绝缘强度:电源/输入/输出端子间1500VAC/1分钟工作条件:环境温度:050 相对湿度90%(RH)电源电压:24VDC(可订制220VAC)功耗:2W防爆等级:(ib)CT6重量:2kg外型尺寸:44(宽)175(高)360(深)或44(宽)175(高)2000(深)4.9 薄膜气动调节阀ZMBS-16K表4.3 ZMBS-16K参数表名称性能输入信号0.02-0.1MPa输出信号开度（%）图4-3 执行器接线端子图第五章 控制系统设计5.1 系统控制参数确定5.1.1 被控参数选择 单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数；所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。 综合以上原则，在本系统中选择物料的出口温度作为被控参数。该参数可直接反应控制目的。5.1.2 控制参数选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。而控制参数选择的基本原则为： 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数； 在以上前提下，选择变化围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控制； 在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使控制系统响应较快；综合以上原则，选择燃料的流量Qg量作为控制参数。5.1.3 工作原理 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制公式如下u(t) = Kp*e(t) + Kie(t) + Kde(t) e(t-1)+u0 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3 对于流量系统：P（%）40-100，I（分）0.1-1 对于压力系统：P（%）30-70，I（分）0.4-3 对于液位系统：P（%）20-80，I（分）1-55.2 控制系统调试5.2.1 接线，未上主电源之前，检查各电路是否正常 电炉电源 一条线 执行器输入电源 一条线 电炉执行器输出 一条线 调节器执行器输入 两条线 调节器转换器输出 两条线 调节器电源转换器 两条线 转换器输入热电偶 两条线 控制器热电偶 两条线 电炉连接电源 转化器连接电源 执行器连接电源5.2.2进行手动调节，观察调节效果 打开转换器和执行器电源，将调节器的手动键按下，将输出调节至最小0，检查电路是否正确。 如果电路正确，打开电熔炉电源，手动调节输出，电热炉温度上升。在条件允许的围，不断增大输出值，记录不同的输出值时，在调节器上现实的温度值，观察规律。 实验证明，输出值越大，电炉通过执行器获得的电压越大，加热炉温度稳定时温度越高，且成正比例关系。 关系式： y(x) =kx+ay 在调节器读取的温度值 x 通过调节器输出按键调节得到的温度输出要求的值，可以在调节器上读取。a 为室温度在试验中得到温度关系如下室温18输出20刻度显示31实际温度256刻度初始0根据数据获得变量a等于18 变量k等于11.9y(x) =11.9*x+18的图形如下y/cx/(v)5.2.3 调节PID，观察调节效果a.在试验中，根据经验，PID的参数有一定的合适围 。对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3PID控制公式 u(t) = Kp*e(t) + Kie(t) + Kde(t) e(t-1)+u0 b.比例带校验 试验开关置为手动，外给定选择开关置给定，输入电压，给点电压为3v，使偏差为0，D置关，I置2.5分，倍率选择开关置*10，正反作用开关置正作用。P置被测刻度100%，信号源2为3.5V，按键开关值自动，当开关k有信号源1切换到信号源2，记录调节器输出，因为实测比例带为P=(vi2-vi1)/(vo2-vo1)*100% 比例带刻度误差允许围为+-25%，所以随着信号源切换，调节器输出应在vo2=3.6004.667围。c.积分时间校验 调节器开关置为手动，调节器输出为3v，信号源2调节为3.5V，D置关，P置被测刻度100%，测量校正置为测量，正反作用开关置正作用，倍率选择开关置*1，给定为3v，给点电压使偏差为0，奇偶碍眼积分时间为2.5分，I置2.5分，手动自动置为自动，开关k有信号源1切换到信号源2，调节器输出由3v阶跃变化到3.5v，开始计时，输出在积分作用线线性增长，达到4v时停止计时，记录时间即为实测积分时间，因为仪表的积分刻度误差允许围为-25%+50%，所以实测积分时间在1分钟53秒至三分钟54秒之间。d.微分时间校验，由于温度控制系统温度变化缓慢，积分作用不明显，根据习惯取值即可。 在实验中获得，P（%）为60，I（分）为3，D（分）为2 ，获得较好的控制结果。当P（%）为300，I（分）为0.03，D（分）为2时，运行结果明显，比例和积分作用得到明显体现，适合试验观察。开始刻度为0，要求刻度为20，输出1分钟40秒后为50，.两分钟10秒后为60，达到最大值，3分钟后温度稳定，温度检测为253摄氏度。第六章 联锁保护一、原料介质流量过低或中断导致加热炉被烧坏。二、燃料压力过低将造成回火现象。三、燃料压力过高将造成喷嘴脱火现象。基于安全因素考虑设置了流量低值连锁报警FSAL1、FSAL2和火焰检测器BS动作。在加热炉控制系统中，采用加热炉出口温度与燃料控制阀阀后压力的选择性控制方案来保证原料出口温度符合控制要求。其中，燃料控制阀采用气开式，选择器采用LS低选器，温度控制器TC和压力控制器PC均采用反作用。正常生产时，温度控制器输出信号通过LS低选器调节燃料控制阀。当出现异常扰动使燃料控制阀阀后压力过高，达到安全极限时，压力控制器输出信号通过低选择器取代温度控制器工作，关小燃料控制阀，以防止脱火。恢复正常后，压力控制器退出工作转为后备，转为温度控制器重新调节燃料控制阀。当燃料气流量过低时，流量检测装置FSAL1触点动作；当炉火焰熄灭时，火焰检测器BS动作；而当原料流量过低时，流量检测装置FSAL2动作。当以上三个检测装置的一个或几个动作时，使接在气源上的三通电磁阀失电，来自起源的压缩空气放缩空，温度控制器或压力控制器的信号失效。由于控制阀是气开式控制阀，失去信号后将自动关闭阀门，切断燃料。电电磁阀上需要设置人工复位开关，连锁动作以后，不能自动复位，必须确认危险已经解除后，通过手动复位使生产过程恢复运行。总结本控制系统设计综合运用了自动检测技术、自动控制理论以与过程控制理论。为了更好的完成设计，我将以前的一些教科书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。在做这个项目设计之前，我一直以为自己的理论知识学的还是蛮可以的。但当我拿到设计任务书的时候，却不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少的。设计中遇到了很多自己无法解决的问题，我于是向老师、同学求助，在指导老师的点拨以与同学们的建议下，我成功的解决了遇到的问题。由此我意识到，任何时候任何事情，闭门造车都是不可取的，要一直向周围的师长、同学求教，以取得新鲜的知识。对生产过程进行自动化控制是我们以后专业学习以与工作中非常重要的一项任务，通过此次控制系统项目设计我比较清楚地明白了控制过程的设计，以与优化控制系统的思想，对我以后的专业学习，甚至工作都将产生很深远的影响。参考文献1王爱广，王琦 主编.过程控制.化学工业，2005年2乐嘉谦主编.仪表工手册.：化学工业，2004年3毅、宝芬、丽、黎辉编著.自动检测技术与仪表控制系统.：化学工业，2009年4周泽魁主编.控制仪表与计算机控制装置.：化学工业，2009年5工业自动化仪表手册编辑委员会编.工业自动化仪表手册.第三册 产品部分（二）。：机械工业，1986年6高金生责任编辑.仪器仪表产品目录（第二册）.：机械工业， 1991 年7小慧责任编辑.仪器仪表产品目录（第三册）.：机械工业，1991年8 迎春主编.传感器原理设计与应用M.：国防科技大学，1997 年9 亚芬主编.自动化仪表与过程控制.：电子工业，2003年- 18 - / 19