管式加热炉前馈反馈控制系统的设计

管式加热炉前馈反馈控制系统的设计摘 要本次毕业设计的题目是管式加热炉前馈反馈控制系统的设计，是在管式加热炉原有控制系统的基础上增加了一个前馈反馈控制系统。前馈反馈的设计是以加热炉为研究对象，以加热炉的物料出口温度为被控变量，加热炉的物料进口流量为干扰量，通过对进入加热炉的燃料气流量的控制，以保持加热炉的物料出口温度的恒定。根据工艺的要求，在确定合理的控制方案后，进行了变送器和控制阀的仪表选型。在确定了 I/O 点的数目、类型以及控制方案后，进行了集散系统的选 型 。选 用 JX-300X 集 散 系 统 进 行 了 组 态 。组 态 的 内 容 包 括 控 制 站 、操 作 站 和 操作 小 组 的 组 态 ，组 态 完 成 后 ，利 用 JX-300X 监 控 软 件 进 行 监 控 。最 终 实 现 了JX-300X 集散系统对管式加热炉单元的前馈反馈控制。关键词：管式加热炉，前馈反馈控制， JX-300X 集散系统I管式加热炉前馈反馈控制系统的设计AbstractThe graduation projects topic is the designtion of the tube heaterfeedforward-feedback control system. It increases a feedforward-feedback controlsystem in foundation of the original tube heater control system. The forward feedfeedbacks designtion takes the heating furnace as the object and heating furnacesmaterial outlet temperature as the controlled variable.The heating furnaces materialimport current capacity is the disturbance quantity.The heating furnaces material keepsthe outlet temperature constant by controlling the enter heating furnaces fuel gascurrent capacity. According to the craft requesiont, the transmitting instrument andcontrol valves model was measured after determinating the reasonable controlplan.After determining the I/O numbers, type as well as the control plan, thedistribution systems type was choiced. The JX-300X distribution system was selectedto carrying on the configuration. The configuration content including the configurationof the control station, the operation stands with the operation groups, after theconfiguration, the JX-300Xs software was used to the monitoring. Finally, theJX-300X distribution system has realized the system of the tube heater unitfeedforward-feedback control.Keywords:Tube heater, feedforward-feedback control, JX-300X distributionsystemII管式加热炉前馈反馈控制系统的设计目 录第一章 前言 .11.1 选 题 背 景 .11.2 研 究 现 状 及 意 义 .21.3 本 论 文 的 主 要 工 作 .3第二章 管式加热炉单元 .42.1 工 作 原 理 简 述 .42.2 工 艺 流 程 简 介 .42.3 管 式 加 热 炉 的 发 展 现 状 .6第三章 控制方案的确定及原理 .83.1 控 制 方 案 拟 订 的 基 本 原 则 .83.2 控 制 方 案 的 确 定 .83.3 具 体 控 制 系 统 的 研 究 设 计 .93.3.1 反 馈 控 制 的 研 究 与 设 计 . 93.3.2 前馈控制的研究设计. 93.4 前 馈 -反 馈 控 制 系 统 .113.4.1 前馈-反馈控制原理. 123.4.2 前 馈 -反 馈 控 制 系 统 的 优 点 . 123.5 管 式 加 热 炉 前 馈 反 馈 控 制 系 统 的 设 计 .13第四章 仪表选型 .144.1 仪 表 选 型 原 理 .144.2 流 量 仪 表 选 型 原 则 .154.3 温 度 检 测 仪 表 的 选 型 策 略 .154.4 压 力 /差 压 变 送 器 的 选 型 依 据 .154.5 控 制 阀 的 选 型 .17第五章 管 式 加 热 炉 控 制 单 元 在 JX-300X 中 的 实 现 .195.1 JX-300X 软 件 概 述 .195.2 管 式 加 热 炉 控 制 单 元 组 态 的 设 计 .205.2.1 控制站组态设计 .205.2.2 操作站组态设计 .23III管式加热炉前馈反馈控制系统的设计5.3 系 统 组 态 .245.3.1 控制站组态 .245.3.2操 作 站 组 态 .315.4系统调试 .33第六章 结 论 .34参考文献 .35致 谢 .36声 明 .44IV管式加热炉前馈反馈控制系统的设计第一章 前言1.1 选题背景DCS 是计算机(computer )、通 信 (communication)、CRT 显示和控制(control)技 术 (简 称 四 C 技 术 )发 展 起 来 的 产 物 。它 采 用 危 险 分 散 、控 制 分 散 , 而操作和管理集中的基本设计思想, 以分层、分级和合作自治的结构形式, 适应现代工业的生产和管理要求。DCS 也 是 一 种 模 拟 数 字 混 合 系 统 , 它 是 在 常 规 组 合 模 拟 仪 表 与 计 算 机 集 中DDC 的 基 础 上 发 展 形 成 的 。其 变 送 、执 行 单 元 仍 然 采 用 420 mA 的模拟仪表,控 制 计 算 、监 控 与 人 机 界 面 采 用 多 个 CPU 递阶构成的集中与分散相结合的分散控制系统。常规的模拟仪表组成的过程控制系统存在许多局限性, 如难以实现多变量相关对象的控制; 难以实现复杂的高级控制算法和参数的集中显示操作; 由于 生 产 工 艺 过 程 的 复 杂 和 规 模 的 扩 大 , 就 要 增 加 仪 表 , 相 应 的 模 拟 仪 表 也 要 增大。而计算机集中 DDC 控制会导致危险的集中。虽不难实现用一台计算机控制几十个甚至上百个回路, 但 这 样 必 然 降 低 系 统 的 安 全 性 能 。DCS 吸收了模拟仪表和计算机集中控制 DDC 的优点, 将多台微机分散应用于过程控制, 整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点, 克服了常规仪表功能单一、人机交互差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点, 既在监视、操作与管理三方面集中, 又在功能、负荷和危险性三方面分散。1975 年 全 世 界 第 一 套 集 散 控 制 系 统 (Distributed Control System,DCS)TDC2000 一问世,便受到了广泛的关注,并在全球范围内掀起了 DCS 的开发和应用 热 潮 。DCS 综 合 了 计 算 机 技 术 、控 制 技 术 、通 讯 技 术 、显 示 技 术 和 软 件 技 术 等高 新 技 术 。经 过 30 多年的发展,集散型控制系统已广泛 应用于电力、石化、 钢铁等行业,用来实现对生产过程的分散控制和集中监测、管理。DCS 以模拟量的反馈 控 制 为 主 ,辅 以 开 关 量 的 顺 序 控 制 或 模 拟 开 关 量 混 合 的 批 量 控 制 。和 PLC 相比,D CS 的优势是实现复杂的模拟量控制,模拟量控制及其算法是 DCS 的核心技术 1。就 目 前 来 说 ，DCS 已 发 展 的 相 当 成 熟 和 实 用 ，毫 无 疑 问 ，DCS 仍是当前工业自动化系统应用及造型的主流。它并不会随着现场总线技术的出现和发展而马上1管式加热炉前馈反馈控制系统的设计退 出 现 场 过 程 控 制 的 舞 台 。面 对 挑 战 ，DCS 将会沿着以下几点 趋势继续向前发展：(1) DCS 向综合方向发展：由于标准数据通信链路和网 络的发展，将多种单（多）回路调节器、PLC 、工 业 PC、NC 等工控设备构成大系统，并与 现场总线相融合，适应开放化的大趋势。(2) DCS 向智能化方向发展：由于数据库系统、推理机能的发展，专家系统（ES）、知 识 库 系 统 （KBS）的 应 用 ，如 自 学 习 控 制 、自 适 应 控 制 、远 距 离 诊 断等 ，人 工 智 能 可 在 DCS 各 级 实 现 。与 FF现 场 总 线 类 似 ，以 微 处 理 机 为 基 础 的 智能设备，如智能 I/O、智 能 PID 控制、 变送器和执行器等，智能人机接口、可 编程调节器也会相继出现。(3) DCS 向专业化方向发展：使用和领域相应的行业 DCS，如电站 DCS、水 泥 DCS、玻 璃 DCS 等。(4)DCS 向 工 业 PC 化 方 向 发 展 ：由 IPC 组 成 DCS 成 为 一 大 趋 势 ，PC-PLC、PC-STD、PC-NC 等 就 是 PC-DCS 的先驱，IPC 成 为 DCS 的硬件平台。(5)DCS 与 PLC 相 互 渗 透 、相 互 融 合 ：DCS 原 本 多 用 于 连 续 过 程 控 制 ，PLC多用于逻辑顺序控制。但实际的生产过程比较复杂，既需要连续控制，又需要 逻辑 /顺 序 控 制 功 能 。开 始 时 DCS 将 PLC 连 入 系 统 ，如 火 电 厂 DCS 系 统 中 的 PLC主要用于实现相关的连锁保护系统。PLC 价 格 低 廉 ，使 用 方 便 ，得 到 了 很 快 的 发展 。由 于 PLC 向 高 功 能 、高 速 度 、大 容 量 、加 大 模 拟 量 的 方 向 发 展 ，形 成 同 DCS相 抗 争 的 大 系 统 ；并 且 PLC 强 化 通 信 能 力 ，网 络 以 太 化 已 很 成 功 ，又 成 功 地 与 现场 总 线 相 融 合 ，在 许 多 情 况 下 成 为 比 DCS 性价比更高的分布方式控制系统 2。1.2 研究现状及意义在生产过程中有各式各样的加热炉，在炼油化工厂中最常见的加热炉是管式加热炉。其型式可分为箱式、立式和圆筒式三大类。对于加热炉，工艺介质受热升 温 或 同 时 进 行 汽 化 ，其 温 度 的 高 低 会 直 接 影 响 后 一 工 序 的 操 作 工 况 和 产 品 质 量 ，同时当炉子温度过高时会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦，而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命，因此加热炉出口温度必须严加控制。本 次 毕 业 设 计 的 内 容 为 利 用 浙 大 中 控 JX-300X 装置实现集散系统对管式加热炉单元的前馈反馈控制。通过本次毕业设计，使学生对集散控制系统的控制方案确定、控制流程、组态的实现有更深入的理解，使所学理 论知识与实践更好的结2管式加热炉前馈反馈控制系统的设计合。1.3 本论文的主要工作本 课 题 主 要 是 针 对 浙 大 中 控 JX-300X 装置实现集散系统对管式加热炉单元的前馈反馈控制。主要工作任务是加热炉单元控制方案确定，集散控制设计、集散控制系统组态，系统调试运行。需要完成的主要内容有以下三个：（1）针 对 工 艺 ，确 定 控 制 方 案 ，相 关 的 仪 表 选 型 （一 次 仪 表 ）。（2）根 据 工 艺 的 控 制 点 数 ，确 定 控 制 站 的 I/O 卡的名称和数量。（3）集散控制系统组态设计和实现。3管式加热炉前馈反馈控制系统的设计第二章 管式加热炉单元2.1 工作原理简述本 设 计 选 用 的 是 一 种 油 -气 体 混 合 燃 烧 管 式 加 热 炉 。油 气 混 合 燃 烧 管 式 加 热 炉开车时，要先对于炉膛进行蒸汽吹扫，并先 烧燃料气再烧燃料油。而停 车时则正好相反，应先停燃料油，后停燃料气。点燃燃料油火嘴前，要先用蒸汽吹扫干净火嘴上的结焦和集水。管式加热炉是石油化工生产中常用的设备之一，其主要结构有：辐射室（炉膛 ）、对 流 室 、燃 烧 器 、通 风 系 统 等 。（1）辐 射 室 （炉 膛 ）位 于 加 热 炉 的 下 部 ，是 通 过 火 焰 或 高 温 烟 气 进 行 辐 射 加热的部分。辐射室是加热炉的主要热交换场所，全炉热负荷的70%-80%是由辐射室担负的，它是全炉最重要的部分。（2）对 流 室 是 靠 辐 射 室 出 来 的 烟 气 与 炉 管 进 行 对 流 换 热 的 部 分 ，实 际 上 也 有一部分辐射热，但主要是对流传热起作用。（3）燃 烧 器 将 燃 料 油 雾 化 ，使 空 气 与 燃 料 气 或 燃 料 油 雾 化 气 良 好 混 合 ，充 分燃 烧 并 产 生 热 量 。燃 烧 器 可 分 为 燃 料 油 燃 烧 器 、燃 料 气 燃 烧 器 和 油 -气 联 合 燃 烧 器 。（4）通 风 系 统 的 任 务 是 将 燃 烧 用 空 气 由 风 门 控 制 引 入 燃 烧 器 ，并 将 废 烟 气 经挡板调节引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。本岗位的加热炉采用自然通风方式，依靠烟囱本身的抽力通风，炉膛是靠炉膛内高温烟气与炉子外冷空气的密度差所形成的压差把空气从外界吸入。安装在烟道内的挡板可以由全关状态连续开启到全开状态。因本岗位的加热炉采用自然通风方式，所以挡板的作用是用于控制进入加热炉炉膛的空气用量。通过调整挡板和风门的开度能够调整炉膛负压和烟道中氧气含量 3。2.2 工艺流程简介本流程是将某可燃性工艺物料经炉膛由燃料气和燃料油混合燃烧加热至要求温度去其他设备。工 艺 燃 料 进 入 加 热 炉 F-101，先 进 入 炉 的 对 流 段 加 热 升 温 后 ，再 进 入 辐 射 段 ，被 加 热 至 420出加热炉，出口温度通过调节燃料气流量来控制。采 暖 水 与 加 热 炉 的 烟 气 换 热 至 210，回收余热后，回采暖水系统。4管式加热炉前馈反馈控制系统的设计燃 料 气 由 燃 料 气 管 网 来 ，进 入 燃 料 气 分 液 罐 V-105，控 制 该 设 备 压 力 为 2.0atm（表 ）。分 离 液 体 后 的 燃 料 气 一 路 经 长 明 线 点 火 ，另 一 路 在 长 明 线 点 火 成 功 后 ，进入加热炉进行燃烧。当炉膛温度达到 200后，雾化蒸汽将燃料油雾化后送入炉膛火嘴燃烧。雾化 蒸 汽 由 网 管 来 ，燃 料 油 来 自 燃 料 油 贮 罐 V-108，经 燃 料 油 泵 P101A 升压后送入燃 烧 器 燃 烧 ，多 余 的 燃 料 油 返 回 V-108。燃料油燃烧时，一定要通入雾化蒸汽。 雾化蒸汽的通入能够使燃料油雾化，使其充分燃烧，同时它还可以充分保护火嘴。为了保证加热炉内燃料油和燃料气的正常燃烧，应注意调节烟道挡板和风门的适当开度，维持正常的炉膛负压和烟道内氧气含量。炉出口工艺物料温度可通过人工操作，实现两种控制方案：其一是通过前馈调 节 器 FIC101 的 输 出 与 调 节 器 TIC106 控制燃料气流量组成前馈-反馈控制系统，其二是通过燃料油压力调节器 PIC109 与调节器 TIC107 构成串级控制回路来调节。流 程 图 如 图 2-1 所示:图 2-1 管式加热炉带控制点工 艺流程图5管式加热炉前馈反馈控制系统的设计2.3 管式加热炉的发展现状加热炉的最主要的控制指标是工艺介质的出口温度，此温度是控制系统的被控变量，而操纵变量是燃料油或燃料气的流量。 对于不少加热炉来说，温度控制指 标 要 求 相 当 严 格 ，例 如 允 许 波 动 范 围 为 （1%-2%）。影 响 炉 出 口 温 度 的 干 扰 因素 有 工 艺 介 质 的 流 量 、温 度 、组 分 ，燃 料 方 面 有 燃 料 油 （或 气 ）的 压 力 、成 分 （或热 值 ），燃 料 油 的 雾 化 情 况 ，空 气 过 量 情 况 ，燃 料 嘴 的 阻 力 ，烟 囱 抽 力 等 。在 这 些干扰因素中有的是可控的，有的是不可控的。为了保证炉出口温度稳定， 对干扰因素应采取必要的措施。目前，管式加热炉一般采用简单控制系统和串级控制系统。但采用这两种控制系统有时难以满足工艺要求。采用简单控制系统时，因为加热炉需要将工艺介质（物料）从几十度升到数百度，其热负荷较大。当燃料油（或气）的压力或热值（组分）有波动时，就会引起炉口温度的显著变化，并且当热变量改变后，由于传递滞后和测量滞后较大，作用不及时，而使炉出口温度波动较大， 满足不了工艺生产的要求。因此简单控制系统仅适用于下列情况：（1） 对炉出口温度要求不十分严格；（2） 外来干扰缓慢而较小，且不频繁；（3） 炉膛容量较小即滞后不大。为了改善品质，满足生产的需要，石油化工厂、 炼厂中加热炉大多采用串级控制系统。加热炉的串级控制方案，由于干扰作用及炉子型式不同，可以选用不同被控变量组成不同的串级控制系统，主要有以下方案：（1） 炉出口温度对燃料油（或气）流量的串级控制；（2） 炉出口温度对燃料油（或气）阀后压力的串级控制；（3） 炉出口温度对炉膛温度的串级控制；（4） 采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制方案。如果主要干扰在燃料的流动状态方面，例如阀前压力的变化，炉出口温度对燃 料 油 流 量 的 串 级 控 制 似 乎 是 一 种 很 理 想 的 方 案 。但 是 燃 料 流 量 的 测 量 比 较 困 难 ，而压力测量比较方便，所以路出口温度对燃料油（或气）阀后压力的串级控制系统应用很广泛。值得指出的是，如果燃烧嘴部分阻塞，也会使阀后压力升高，此时副控制器的动作将使控制阀关小，这是不合适的，运行中必须防止这种现象的6管式加热炉前馈反馈控制系统的设计发生。当主要干扰是燃料油热值变化时，上述两种串级控制的副回路无法感受，此时采用炉出口温度对炉膛温度串级控制的方案更好些。但是，选择具有代表性、反映较快炉膛温度监测点较困难，测温元件及其保护套管必须耐高温。当燃料是气态时，采用压力平衡式（浮动阀）控制方案颇有特色。这里采用压力平衡式控制阀代替了一般控制阀，节省了压力变送器，压力平衡式控制阀本身兼有压力控制器的功能，实现了串级控制。 这种阀不用弹簧，不用填料，所以它没有摩擦，没有机械的间隙，故工作灵敏度高，反 应快，能获得较好的效果。采用这种方案时，如果燃料气阀位后压力小于 40kPa 或大于 80kPa，为了满足 力 平 衡 的 要 求 （一 般 在 40-80kPa），则 在 温 度 控 制 器 的 输 出 端 要 串 接 一 个 倍 数的继动器。由于下述原因而使这个方案收到一定限制：（1）由 于 倍 数 继 动 器 的 限 制 ，一 般 情 况 下 只 适 用 于 40-80kPa 的气体燃料。（2）一般膜片不适用于液体及温度较高的气体燃料。（3）当膜片上下压差较大时，膜片容易损坏 4。简单控制系统和串级控制系统都有一定的缺陷，故本设计采用前馈反馈控制系统来控制加热炉的出口温度。7管式加热炉前馈反馈控制系统的设计第三章 控制方案的确定及原理3.1 控制方案拟订的基本原则要实现生产过程的自动的控制，首先要拟订控制方案。确定控制方案的基本原则有下列几方面：（1）控 制 方 案 能 否 成 立 的 先 决 条 件 是 在 工 艺 上 必 须 是 合 理 的 。控 制 系 统 只 能按照预定的规律来代替人们的部分操作。如果某个控制方案在手工操作时可以实现的话，则采取自动控制也往往容易办到，如果某个控制方案根本不符合生产的工艺规律，则必然行不通。（2）控 制 方 案 能 否 达 到 预 定 的 工 艺 要 求 ，在 方 案 与 控 制 规 律 的 选 择 上 必 须 是合 适 的 。当 控 制 对 象 的 滞 后 很 大 ，扰 动 的 出 现 比 较 频 繁 ，不 论 怎 样 改 变 整 定 参 数 ，控制品质仍难符合要求。这时，除了要很好 选择检测点和控制手段外，而且必要时选择某些复杂的控制回路。（3）控 制 方 案 能 否 可 靠 运 行 ，在 操 作 上 必 须 是 安 全 的 。对 于 某 些 具 有 危 险 性的生产过程，安全上的考虑要放在重要的位置。 应当采取各种预防措施，一旦 发生事故，能够方便而且又及时地紧急处理。（4）控 制 方 案 的 评 价 ，要 看 有 无 显 著 的 经 济 效 果 。自 动 化 本 身 不 是 目 的 ，而是 一 种 技 术 手 段 ，自 动 化 是 为 了 提 高 生 产 ，降 低 成 本 ，确 保 安 全 的 减 轻 劳 动 强 度 。经济效果的分析通常包括自动化投资、增产的产量和产值、劳动力的节约、成本的降低、自动化的总收益与投回收期等项目 5。3.2 控制方案的确定从管式加热炉前馈-反馈控制系统简图可以确定两种方案。第一种方案，选择工艺物料出口温度为被控变量，燃料气入口流量为操纵变量 ，工 艺 物 料 进 料 量 为 主 要 干 扰 量 实 现 前 馈 -反 馈 控 制 ；第 二 种 方 案 ，选 择 工 艺 物料出口温度为被控变量，燃料油压力为操纵变量，工艺物料进料量为主要干扰量实 现 前 馈 -反 馈 控 制 。两 种 控 制 方 案 都 可 以 实 现 。为 了 分 析 的 方 便 ，以 下 各 节 均 以方案（一）设计。工艺物料出口温度也可以与燃料油压力构成串级控制回路来调节。前馈-反馈控制方案与串级控制方案通过操作员手工进行切换。8管式加热炉前馈反馈控制系统的设计3.3 具体控制系统的研究设计3.3.1 反馈控制的研究与设计对管式加热炉工艺物料出口温度的反馈控制作为此次设计的一部分。单回路控 制 系 统 包 括 控 制 对 象 （简 称 对 象 ）或 被 控 过 程 （简 称 过 程 ）、测 量 变 送 装 置 、控制器和控制阀四个基本环节组成。本次设计中，以管式加热炉为研究对象的温度反馈单回路控制系统，确保加热炉工艺物料的出口温度保持恒定。系统方块图如图 3-1所 示 。通 过 温 度 变 送 器 将 温 度 信 号 转 换 为 420mA 标 准 电 流 信 号 ，或 15V 的 电 压 信 号 送 给 控 制 器 ，控 制 器 通 过 比 较 定 值 和 变 送 器 送 来 的 测 量 值 之 差 来 控制控制阀的开度，从而改变输出值，即加 热炉的工艺物料出口温度。图 3-1 加热炉工艺物料出口温度反馈控制方块图加热炉物料出口温度的反馈控制回路为一闭合回路。当加热炉物料出口温度升 高 或 降 低 时 ，通 过 温 度 变 送 器 测 量 并 转 化 为 标 准 的 电 信 号 传 送 到 反 馈 控 制 器 （反作 用 ），反 馈 控 制 器 比 较 给 定 值 和 测 量 值 之 间 的 差 值 ，来 调 节 控 制 阀 的 开 度 。当 测量值低于给定值时，偏差为负，控制器 为反作用，控制阀为气开式，所以控制阀的开度增大，加热炉燃料气入口流量增大，加 热炉物料出口温度升高，温度回到给定值附近。同理，当测量值高于给定值时，偏差为 正，控制阀的开度减小，加热炉燃料气入口流量减小，物料出口温度降低，温度又将回到给定值。3.3.2 前馈控制的研究设计前 馈 控 制 是 直 接 测 量 干 扰 量 （负 荷 ），而 按 干 扰 量 的 变 化 来 补 偿 对 被 控 变 量 的影响，控制结果是保持被控变量的稳定。9管式加热炉前馈反馈控制系统的设计如 比 值 、串 级 等 控 制 系 统 ，都 是 按 照 被 控 变 量 的 偏 差 大 小 来 控 制 操 纵 变 量 的 。而从干扰变化引起被控变量发生变化，从控制器测量偏差到产生控制作用，从操纵变量改变到被控变量向给定值变化都需要时间，所以造成控制作用不及时，尤其对有滞后的过程更难控制，控制质量有时达不到要求。前馈控制正是改善反馈控制不及时的一种控制手段。前馈控制系统是根据干扰量变化直接改变操纵变量进行控制的。它直接测量干扰量作为控制器校正的依据，能在被控变量受到影响之前产生控制作用，及 时消除扰动对系统的影响。从理论上来讲，前馈控制对干扰影响可以完全补偿，使被控变量保持不变。所以，对于滞后和惯性较大、干扰量大而频繁的生产过程控制有显著的效果。前馈控制器不同于反馈控制器的 P、PI、PD、PID 等规律。严格地说，它必须针对过程干扰通道和控制通道的特性来专门设计，故应是专用的控制器，也称前馈补偿器。前 馈 控 制 的 方 框 图 如 图 3-2所 示 。应 用 不 变 性 原 理 推 导 前 馈 补 偿 器 的 传 递 函数 6。图 3-2 前馈控制系统方块图设 由 控 制 作 用 到 被 控 变 量 的 控 制 通 道 的 传 递 函 数 为 G (s)，干扰变量到被控PC变 量 的 干 扰 通 道 的 传 递 函 数 为 G (s),当 把 干 扰 变 量 F(s)测 量 出 来 ，通 过 前 馈 补PD偿 器 G (s) 输出控制作用，此 时有：ffY(s) = G (s) + G (s)G (s)F(s) (3-1)PD ff PC干扰量要实现完全补偿时的条件是：G (s) +G (s)G (s) = 0 （3-2）PD ff PC即前馈补偿器的传递函数为:10管式加热炉前馈反馈控制系统的设计G (s)ffG (s)= PD (3-3)G (s)PC满足式(3-3)设计的前馈补偿器,其控制作用能及时对干扰变化起补偿作用，使 被 控 变 量 在 扰 动 作 用 下 保 持 不 变 。如 图 3-3所 示 ，控 制 作 用 和 扰 动 作 用 对 被 控变量的影响是相反的，补偿特性与干扰特性曲线完全对称，在一定条件下。可 实现理想的完全补偿。图 3-3 前馈控制系统的补偿过程加热炉物料入口流量是影响物料出口温度的主要干扰之一，当物料入口流量产生波动，流量瞬间增大时，由于 调节阀的输出没来得及改变，燃料气的流量不变。加热温度不变，进口流量增大，物料出口温度将减小。反之，物料入口流量的 减 小 ，会 使 物 料 出 口 温 度 增 大 。所 以 采 用 前 馈 补 偿 的 方 法 来 使 控 制 阀 提 前 动 作 ，改变操纵变量的大小，即燃料气的流量，是物料出口温度尽快回到给定值。3.4 前馈-反馈控制系统随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,特别是在电11管式加热炉前馈反馈控制系统的设计厂的主要热工过程自动调节系统中,由于对生产过程的安全性和经济性要求较高,如 果 仍 然 用 单 回 路 调 节 系 统 ,往 往 不 能 满 足 生 产 的 要 求 ,因 此 ,要 采 用 复 杂 的 调 节系统,即采用前馈-反馈控制系统可以有效的提高调节品质 6。3.4.1 前馈-反馈控制原理反馈控制是根据被控变量的偏差进行调节的，只用一个控制回路就能克服多个干扰；但这种调节作用总是落后于扰动作用，是“不及时”的控制。前馈控制是按干扰进行工作的。单纯的前馈往往不能很好的补偿干扰,存在着不少局限性，这主要表现在单纯前馈不存在被控变量的反馈，即对于补偿的效果没有检验的手段，这样，在前馈作用的控制结果并没有最后消除被控变量偏差时，系 统无法得到这一信息而作进一步的校正。其次，由于实际工作对象存在着多个干扰， 为了补偿它们对被控系统的影响，势必要设计多个前馈通道，这就增加了投资费用和维护工作量。此外，前馈控制模型的精度也受多种因素的限制， 对象特性要受负荷和工况等因素的影响而产生漂移，必将导致进料量对被控变量的传递函数的变化 ，因 此 ，一 个 固 定 的 前 馈 模 型 难 以 获 得 良 好 的 控 制 品 质 。为 了 解 决 这 一 局 限 性 ，将 前 馈 与 反 馈 结 合 起 来 使 用 ，构 成 所 谓 的 前 馈 -反 馈 控 制 系 统 。在 该 系 统 中 可 综 合两者的优点，将反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制，而对其他干扰则进行反馈控制，这样，既发挥了前馈校正及时的特点，又保持了反馈控制能克服多种干扰，并对被控变量始终给予检验的有点，因而是过程控制中有发展前途的控制方式 7。3.4.2 前馈-反馈控制系统的优点前馈反馈控制作为一种较有发展前途的复杂控制方式，有它特有的优点如下：(1)由 于 增 加 了 反 馈 控 制 回 路 ，大 大 简 化 了 原 有 的 前 馈 控 制 系 统 ，只 需 要 对 主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正；(2)反 馈 回 路 的 存 在 ，降 低 了 前 馈 控 制 模 型 的 精 度 要 求 ，为 工 程 上 实 现 比 较 简单的通用型模型创造了条件；(3)负 荷 或 工 况 变 化 时 ，模 型 特 性 也 要 变 化 ，可 由 反 馈 控 制 加 以 补 偿 ，因 此 具有一定的自适应能力。前 馈 -反 馈 控 制 系 统 图 和 方 块 图 如 图 3-4、3-5所 示 。12管式加热炉前馈反馈控制系统的设计图 3-4 加热炉前馈-反馈控制系统图3-5 前馈-反馈控制方块图3.5 管式加热炉前馈反馈控制系统的设计将前馈控制与反馈控制相叠加，实现对物料出口温度的控制，将构成管式加热炉前馈反馈控制系统。为 了 保 证 加 热 炉 的 安 全 ，控 制 阀 TV106 选 择 气 开 式 。阀 门 开 度 增 大 ，物 料 出口温度升高，加热炉为正对象，故控制器 为反作用。当加热炉物料入口流量发生波动时，如物料入口流量增大时，物料出口温度降低，偏差 为负，前馈控制器通过流量变送器获得信息后，即按比例控制增大燃料气的入口流量，以补偿物料入口流量对物料出口温度降低的影响。同时， 对前馈未能消除的偏差，以及未被引入前馈的其他干扰作用，如物料入口压力和温度等的波动所引起的物料出口温度的 变 化 ，在 温 度 控 制 器 获 得 信 息 后 ，按 常 规 得 PID 控制对燃料气的入口流量产生校正作用，前馈和反馈控制使燃料出口温度尽快的回到给定值。13管式加热炉前馈反馈控制系统的设计第四章 仪表选型4.1 仪表选型原理一个正确合理的自控方案，不仅要有正确的测量和控制方案，而且还需正确选择和使用各种自动化仪表，即进行正确的仪表选型。仪表的选型是在自控方案已经确定，工艺管道及控制流程图已经完成之后进行的。它的主要任务是确定各种测量及调节仪表为指示式、记录式或累积式，是就地安装或安装在仪表盘上，主体仪表采用哪种系列的仪表等等。仪表选型的主要依据为：(1)工艺过程的条件工艺过程的温度、压力、流量、粘度、腐蚀性、毒性、脉动等因素是决定仪表选型的主要条件，它关系到仪表选用的合理性、 仪表的使用寿命及车间的保安防火等问题。因此在设计过程中，必 须正确收集工艺的各有关参数， 结合各仪表的特点和适用场合，合理选用仪表的型号、 规格。(2)操作上的重要性各 检 测 点 的 参 数 在 操 作 上 的 重 要 性 是 仪 表 的 指 示 、记 录 、积 算 、报 警 、调 节 、手动遥控等功能选定的依据。一般来说，对工艺过程影响不大，但需经常监视的变量，宜 设指示；必须操作的变量，宜用手动遥控；对需经常了解变化趋势的重要变量，宜选记录式；而一些对工艺过程影响较大的，又需随时监控的变量，应设调节；对关系到物料衡算和动力消耗而要求计量或经济核算的变量，宜设积算；一些可能影响生产或安全的变量，宜设报警。(3)自动化水平和经济性仪表的选型也决定于自动化的水平和投资的规模。按照工程规模等特点确定了自动化水平的高低、从而也就确定了仪表的选型是就地安装还是集中安装。一般 自 动 化 水 平 ，可 分 为 就 地 检 测 与 调 节 、机 组 集 中 控 制 、中 央 控 制 室 集 中 控 制 等 。不同类型的控制方式为采用何种系列的仪表提供一定的依据。(4)统一性为便于仪表的维修和管理，在仪表选型时也要注意到仪表的统一性。即选用仪 表 尽 量 为 同 一 系 列 、同 一 规 格 型 号 及 同 一 生 产 厂 家 的 产 品 ，避 免 仪 表 类 型 过 多 ，14管式加热炉前馈反馈控制系统的设计造成维修人员难以掌握，增加维修技术上的困难。同时， 仪表品种过于繁多，维修所用的仪表备品、备件也难以准备齐全。(5)仪表供应和使用情况这是在进行工程设计时必须考虑的一个问题。对供应比较紧张的仪表，为了在设计后工程能及时施工并投入生产，设计时就应考虑能否及时供货，否则尽量少用。对那些正在试制或质量不够稳定的仪表， 为了避免将来给生产带来影响，在选型时要慎重采用 8。上面提出的五点是仪表选型的原则性依据，在设计时应结合各类仪表的结构原理和应用特点来考虑。4.2 流量仪表选型原则（1）石 化 行 业 首 先 要 考 虑 仪 表 的 防 爆 性 能 要 满 足 现 场 要 求 ，不 仅 要 考 虑 流 量计本身的防爆性能，还要从整个测量系统进行考虑。这是关系到安全使用的重大问题，万万不可忽视。（2）摸 清 被 测 流 体 的 工 艺 条 件 ，包 括 :流 量 范 围 (最 大 、正 常 、最 小 );允 许 压力 损 失 ；操 作 温 度 、压 力 、密 度 、粘 度 、饱 和 蒸 汽 压 (针 对 有 些 容 易 气 化 的 液 体 )；蚀性；含杂质情况；工艺对测量不确定度的要求。（3）流 量 仪 表 的 技 术 选 型 。根 据 上 述 两 点 并 结 合 以 往 使 用 中 的 经 验 选 择 技 术指标满足工艺要求的流量计 9。4.3 温度检测仪表的选型策略在 选 择 温 度 检 测 仪 表 时 ,不 能 片 面 追 求 测 量 的 范 围 大 、精 度 高 、自 动 化 程 度 高等 ,而 应 对 生 产 过 程 中 的 工 艺 要 求 、被 测 介 质 的 具 体 情 况 、经 济 实 用 等 各 方 面 因 素进 行 综 合 考 虑 。其 基 本 原 则 是 检 测 仪 表 测 温 上 下 限 大 于 被 测 介 质 温 度 变 化 范 围 、精度 满 足 生 产 工 艺 要 求 、使 用 方 式 符 合 操 作 人 员 观 察 需 要 、检 修 维 护 与 更 换 方 便 等 ,在上述条件均能达到的前提下,尽量选用价格较低、经济实用的检测仪表 10。4.4 压力/差压变送器的选型依据差压变送器根据以下几点选型：（1）测量范围、需要的精度及测量功能；15管式加热炉前馈反馈控制系统的设计（2）测 量 仪 表 面 对 的 环 境 ，如 石 油 化 工 的 工 业 环 境 ，有 可 燃 （有 毒 ）和 爆 炸危险气氛的存在，有较高的环境温度等；（3）被 测 介 质 的 物 理 化 学 性 质 和 状 态 ，如 强 酸 、强 碱 、粘 稠 、易 凝 固 结 晶 和气化等工况；（4）操 作 条 件 的 变 化 ，如 介 质 温 度 、压 力 、浓 度 的 变 化 。有 时 还 要 考 虑 到 从开车到参数达到正常生产时，气相和液相浓度和密度的变化；（5）被 测 对 象 容 器 的 结 构 、形 状 、尺 寸 、容 器 内 的 设 备 附 件 及 各 种 进 出 口 料管口都要考虑，如塔、溶液槽、反应器、锅炉汽包、立罐、球罐等 11。综 上 所 述 ，本 次 设 计 的 仪 表 选 型 如 表 4-1所 示 ：表 4-1 仪表选型位号 仪表名称 型号 被量范围 仪表测量范围 输入信号FI101 夹 装 式 涡 街 流 HR-LUGB-2410 4608.75-9217 0.505-9.470 4-20mA量变送器 .5kg/h t/hFI102 夹 装 式 涡 街 流 HR-LUGB-2425 14376-28752 2.561-35.52 4-20mA量变送器 kg/h t/hFI104 夹 装 式 涡 街 流 HR-LUGB-2220 315-630量变送器66.4-800 m3 /h 4-20mAm3 /hPI101 带远传 差压 YW-1151DP-Q- 330.9-607.8 117-690 KPa 4-20mA、压力变送器 E-22-S1-d KPaPI109 带远传 差压 YW-1151DP-K- 911.7-1823.4 345-2068KPa 4-20mA、压力变送器 E-22-S1-d KPaPDI112 带远传差压 YW-1151DP-K- 607.8-1215.6 345-2068KPa 4-20mA、压力变送器 E-22-S1-d KPaTI104 热 电 偶 一 体 化 SBW-R-4-0-0-1 900-1800 0-1800 4-20mA温度变送器TI105 热 电 偶 一 体 化 SBW-R-2-0-0-1 315-630 0-1000 4-20mA温度变送器TI106 热 电 偶 一 体 化 SBW-R-5-0-0-1 630-1260 0-1600 4-20mA温度变送器TI107 热 电 偶 一 体 化 SBW-R-5-0-0-1 630-1260 0-1600 4-20mA温度变送器TI108 热 电 偶 一 体 化 SBW-R-6-0-0-1 112.5-225 0-400 4-20mA温度变送器TI134 热 电 偶 一 体 化 SBW-R-5-0-0-1 630-1260 0-1600 4-20mA温度变送器16管式加热炉前馈反馈控制系统的设计TI135 热 电 偶 一 体 化 SBW-R-5-0-0-1 630-1260 0-1600 4-20mA温度变送器LI101 射 频 电 容 式 物 BS-CLQ-B-A-B 0.0% 100% 4-20mA位变送器 -2000LI115 射 频 电 容 式 物 BS-CLQ-B-A-B 50% 100% 4-20mA位变送器 -20004.5 控制阀的选型控 制 阀 是 控 制 系 统 的 执 行 机 构 ，它 接 受 控 制 器 的 命 令 执 行 控 制 任 务 。控 制 阀 选择得合适与否，将直接关系到能否很好地起到控制作用。控制阀开、闭形式的选择 12控 制 阀 接 受 的 是 气 压