管式加热炉温度串级控制系统设计

/目录前言……….……2第一章管式加热炉温度限制系统设计的目的意义………...31.1管式加热炉简介………………..…………….31.2目的及意义………………...…3其次章管式加热炉温度限制系统工艺流程及限制要求……………..…….4第三章总体设计方案………….53.1方案比较…………….……….53.2方案选择…………………..…6第四章串级限制系统分析………………..…..74.1主回路设计74.2副回路选择74.3主、副调整器规律选择74.4主、副调整器正反作用方式确定84.5限制器参数工程整定8第五章各仪表的选取及元器件清单85.1温度变送器85.2温度检测元件95.3调整阀……………………115.4联锁爱惜….…………………….……11第六章MATLAB仿真试验……..…………..126.1副回路的整定126.2主回路的整定136.3整体参数整定13第七章问题及解决方法………………….….16第八章心得体会………………16【参考文献】前言——国内外限制系统发展状况1.国外限制系统的发展状况

自70年头以来，由于工业过程限制的须要，特殊是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动限制理论和设计方法发展的推动下，国外温度限制系统发展快速，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、性能优异的限制器及仪器仪表，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、大滞后等困难限制系统的限制。2、能够适应于受控系统数学模型难以建立的限制系统的限制。3、能够适应于受控系统过程困难、参数时变的限制系统的限制。4、这些限制系统普遍接受自适应限制、自校正限制、模糊限制、人工智能等理论，运用先进的算法，适应的范围广泛。5、限制系统具有限制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外限制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。2.国内限制系统的发展概况

随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越困难，为满足优质、高产、低消耗，以及平安生产、爱惜环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程限制的任务也愈来愈繁重。在现代工业限制中,过程限制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年头就已有应用。过程限制技术发展至今日,在限制方式上阅历了从人工限制到自动限制两个发展时期。在自动限制时期内，过程限制系统又阅历了三个发展阶段,它们是：分散限制阶段,集中限制阶段和集散限制阶段。几十年来，工业过程限制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构困难的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程限制技术对于提高产品质量以及节约能源等均起着特殊重要的作用。目前，过程限制正朝高级阶段发展，不论是从过程限制的历史和现状看，还是从过程限制发展的必要性、可能性来看，过程限制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能限制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、支配、调度、管理和限制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。第一章设计的目的意义1.1管式加热炉简介管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器，示意图如图1.1所示：图1.1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。这部分干脆受火焰冲刷，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设计目的及意义管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉限制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，限制起来特殊困难。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。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，在设计加热炉限制系统时，在满足工艺要求的前提下，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，为了更好地爱惜环境，在设计加热炉限制系统时，还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。其次章管式加热炉温度控系统工艺流程及限制要求管式加热炉的主要任务是把原制油或重油加热到确定温度，以保证下一道工序（分馏或裂解）的顺当进行。加热炉的工艺流程图如图2.1所示。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度θ1。在燃料油管道上装设一个调整阀，用它来限制燃油量以达到调整温度θ1的目的。图2.1管式加热炉工艺流程图引起温度θ1变更的扰动因素许多，主要有：（1）燃料油方面（它的组分和调整阀前的油压）的扰动D2；（2）喷油用的过热蒸汽压力波动D4；（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动D1；（4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D3；其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用特地的调整器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。从调整阀动作到温度θ1变更，这中间须要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。工艺上对出口温度θ1要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。第三章总体设计方案3.1方案比较3.1.1简洁限制系统温度调整器TC是依据原料油的出口温度θ1和设定值的偏差进行限制。当燃料部分出现干扰后，限制系统并不能刚好产生限制作用，克服干扰对被控参数θ1的影响限制质量差。当生产工艺对原料油出口温度θ1要求很严格时，简洁限制系统很难满足要求。被控变量：原料油出口温度；操控变量：燃料流量。当对出口温度限制要求不高时，简洁限制系统可以满足要求。图3.1管式加热炉温度限制系统图3.2管式加热炉出口温度单回路限制系统框图3.1.2串级限制系统串级限制系统接受两套检测变送器和两个调整器，前一个调整器的输出作为后一个调整器的设定，后一个调整器的输出送往调整阀。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。炉膛温度变更时，TC可以刚好动作，克服干扰。图3.3管式加热炉温度串级限制系统图3.4管式加热炉出口温度串级限制系统框图3.2方案选择方案一的简洁限制系统有干扰时，TC输出信号变更阀门开度，进而变更燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度变更，改过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度变更后，再变更操纵变量，动作不刚好，偏差在较长时间内不能被消退。方案二的串级限制系统中，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彻底加以消退。由于主副回路相互协作，使限制质量显著提高。和单回路限制系统相比，串级限制系统多用了一个测量变送器和一个限制器（调整器），增加的投资并不多（对计算机限制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但限制效果却有显著的提高。其缘由是在串级限制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服实力；③提高了对一次扰动的克服实力和对回路参数变更的自适应实力。综上所述，本设计选择串级限制系统。第四章串级限制系统分析4.1主回路设计加热炉温度串级限制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的限制系统。其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温度调整器对被控参数θ1精确限制和温度调整器对来自燃料干扰的刚好限制相结合，先依据炉膛温度θ2的变更，变更燃料量，快速消退来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再依据原料油出口温度θ1和设定值的偏差，变更炉膛温度调整器的设定值，进一步调整燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度限制的目的。4.2副回路选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变更，对限制过程产生极大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级限制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θ2能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1，提高了主参数的限制效果。4.3主、副调整器规律选择在串级限制系统中，主、副调整器所起的作用不同。主调整器起定值限制作用，副调整器起随动限制作用，这是选择调整器规律的基本动身点。在加热炉温度串级限制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级限制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调整作为住调整器的调整规律。限制副参数是为了保证和提高主参数的限制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在确定范围内变更，允许有残差，所以我们的负调整器调整规律选择P限制。4.4主、副调整器正反作用方式确定由生产工艺平安考虑，燃料调整阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调整阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备平安，调整阀的Kv﹥0。主调整器作用方式确定：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，所以负调整器的放大系数K1﹥0，主调整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，所以负调整器大于0，负调整器作用方式为反作用方式。4.5限制器参数工程整定1串级限制系统主、副限制器的参数整定方法主要有三种：两步整定法、一步整定法和逐步靠近法。1、依据串级限制系统主、副回路的状况，先整定副限制器，后整定主限制器的方法叫做两步整定法。2、一步整定法，就是依据阅历先将副限制器一次放好，不再变动，然后依据一般单回路孔限制系统的整定方法干脆整定主限制器参数。3、逐步靠近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。我们选择两步整定法来整定串级限制系统的参数。第五章各仪表的选取及元器件清单5.1温度变送器DDZ-III型仪表接受了集成电路和平安火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表牢靠性和平安性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。III型仪表具有以下主要特点：（1）接受国际电工委员会（IEC）举荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4～20mA，限制室联络信号为DC1～5V，信号电流和电压的转换电阻为250。（2）广泛接受集成电路，仪表的电路简化、精度提高、牢靠性提高、修理工作量削减。（3）整套仪表可构成平安火花型防爆系统。DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了平安栅，实现了限制室和紧急场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在紧急的场所中运用。DDZ-III型PID调整器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动和自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调整器接收变送器送来的测量信号(DC4～20mA或DC1～5V），在输入电路中和给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD和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5.1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，以协作不同的传感元件和不同的量程须要，但他们的结构基本相同。本设计接受DDZ-III型热电偶温度变送器。图5.1DDZ-III型调整器结果框图5.2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仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、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1600°C高温下长期运用。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更而变更，假如某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻和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。在运用热电偶时，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、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图5.2所示。用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要实行进一步的补偿措施。详细的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。接受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。为了消退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5.3所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响电桥平衡，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更对电桥的影响大致抵消。图5.2补偿导线的作用图5.3热电阻三线制接法5.3调整阀由前面可以知道，从生产工艺平安动身，燃料油调整阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调整阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备平安为了保证。调整阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调整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，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调整阀用电源工作，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；液动调整阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少运用。故本设计接受了气动调整阀，且为气开形式。5.4联锁爱惜联锁爱惜系统由压力调整器、温度调整器、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，压力调整系统通过低选器取代正常工作的温度调整系统，此时出料温度无限制，自行浮动。压力调整系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。当管道压力复原正常时，温度调整系统通过低选器投入正常运行，出料温度重新受到限制。当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，限制电磁阀切断燃料气供应量以防回火。第六章MATLAB仿真试验已知主对象传递函数：副对象的传递函数：在MATLAB中画出仿真框图，如图6.1所示：图6.1系统仿真图6.1副回路的整定将比例作用的条件下，由大到小渐渐降低副调整器的比例度。此时的仿真曲线如图6.2所示：图6.2仿真曲线16.2主回路的整定保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度P1S，记取过渡过程的振荡周期T1S。当衰减比为4：1时，比例度为98，振荡周期为为56.3，此时主回路的仿真曲线如图6.3所示:6.3仿真曲线26.3整体参数整定按已求得的P1S、T1S和ll值，结合已选定的调整规律，按衰减曲线法整定参数的阅历公式，计算出主、副调整器的整定参数值。经计算以后，主、副调整的参数设置如图6.4、6.5所示：图6.4整定参数设置1图6.5整定参数设置2当副调整器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路限制系统的方法整定主调整器参数，而不再考虑主调整器参数变更对副回路的影响。一般串级系统对主参数的限制质量要求高，而对副参数的限制要求相对较低。因此，当副调整器参数整定好之后再去整定主调整器参数时，虽然会影响副参数的限制品质，但只要主参数限制品质得到保证，副参数的限制品质差一点也是可以接受的。主、副调整器参数整定好以后系统输出图如图6.6所示。对设定值施加干扰信号以后，系统输出如图6.7所示。图6.6整定完成后系统输出图图6.7施加干扰时系统输出图第七章问题及解决方法在为期一个多星期的课程设计中，遇到过许多许多的问题，但我通过许多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学和挚友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。刚起先的时候，对管式加热炉和串级限制系统只有个或许的了解，我去图书馆细致查阅了介绍过程限制系统的相关书籍，并在网上搜类似的设计来参考，详细了解其工作原理，并对管式加热炉限制系统的设计有一个或许的构思。方案的选取也是一个问题，但通过综合分析，和同学相互探讨，觉得假如要对温度限制要求高，必需得选串级限制系统，才能达到限制的相关要求。然后参考专业书籍，选取元器件，列好清单。在画系统结构图这一方面，一些是用画图工具画出来的，但由于时间和阅历上的关系，有一部分是从相关资料上截下来的图，这是以后做课程设计时须要改进提高的地方。当然，对一篇课程设计来说，格式也是一个重要的方面，我细致按着知道老师的格式要求，细致编辑，达到好的效果。在做课程设计的过程中，不断发觉新的问题，不断去找寻好的解决方法，不断去变更，改进，才能让自己得到提高。我们首先要学好理论，然后抓住机会实践，在实践中加深对理论的理解，理论和实践相结合，才能学好专业学问，为将来打好基础。第八章心得体会不知不觉中，几天时间的关于管式加热炉温度限