过程控制课程设计完整版

目 录摘要1、温度控制系统结构及锅炉控制要求11.1温度控制系统结构11.2锅炉的控制要求12、锅炉炉膛温度控制的理论数学模型23、方案设计33.1炉膛温度控制方法的选择33.2 系统单元元件的选择43.2.1温度检测变送器的选择43.2.2流量检测变送器的选择53.2.3主、副控制器正反作用的选择73.2.4主回路的PID调节器和副回路的PI调节器83.2.5控制器仪表的选择83.2.6控制阀的选择104、控制系统的工作原理135、设计心得156、参考文献161、摘要温度控制是控制系统中最为常见的控制类型,主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成。锅炉是工业生产中不可缺少的动力设备，它多产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥、蒸发等过程提供热源，而且，还可以作为风机，压缩机、泵类驱动透平的动力源。随着石油化学工业规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率的方向发展。为确保安全，稳定生产，对过路设备的自动控制就显得尤为重要。2、温度控制系统结构及控制要求2.1温度控制系统结构 温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图2.1所示。图2.12.2锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要，锅炉需要提供不同规格（压力和温度）的蒸汽，同时，根据安全性和经济性的要求，是锅炉安全运行和完全燃烧，锅炉设备的主要控制要求如下。1、供给蒸汽量适应负荷变化需要或者保持给定负荷；2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内；3 、过热蒸汽温度保持在一定范围；4、汽包水位保持在一定范围；5、保持锅炉燃烧的经济性和安全性；6 、炉膛负压保持在一定的范围内。3、锅炉炉膛温度控制的理论数学模型由于锅炉炉膛采用的燃料为煤粉，在燃烧过程中，炉膛和汽包之间的传热过程是一个相当复杂的过程，炉膛的温度的动态特性具有一般的大滞后、时变、非线性和不对称性等特点。在过程控制中，为了方便设计，同时又在一定的要求范围内，我们通常把锅炉炉膛的温度的动态特性看作是一个线性的系统。可以用以下传递函数描述。具有时滞的一阶环节 具有时滞的二阶环节 可以认为锅炉炉膛温度是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象。在整个炉膛的温区内，其动态参数随锅炉的工作温度变化，在工作点附近的小温度范围内，炉膛的动态特性近似线性的。 炉膛温度问题是比较复杂的。对炉膛温度动态特性进行分段线性化，则在每个较小的温度区间，锅炉炉膛的燃料流量炉膛温度系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征，即: 其中K。为过程的增益，为过程的纯滞后时间，To为过程的等效容积滞后时间。在锅炉炉膛的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间都是炉膛温度和负载的非线性函数。K。随锅炉炉膛内温度升高而减小，To随锅炉炉膛内的温度升高而增大。机理建模和计算机仿真分析以及实验辨识等也证明了这一模型的可行性。4、方案设计4.1燃烧控制原理使用双交叉燃烧控制，使燃烧更加完善，燃烧质量大幅度提高，大大减低了生产成本，减少了废气污染，为生产高效奠定可靠的基础。在煤粉流量调节回路中，炉温PID的输出A1与根据实测空气流量折算成需要的煤粉流量之后，分别乘以一个偏置系数K3，得到信号A2，乘以一个偏置系数K4得到信号A3，A1、A2、A3三者经过高低选择器比较，选中者作为煤粉流量PID的设定值。空气流量调节回路中，炉温PID的输出B1，与根据实测煤粉流量折算成所须空气流量之后，分别乘上一个偏置系数K1得到信号B2，乘上偏置系数K2得到信号B3，B1、B2、B3三者经高低选择器比较，选中者乘上流量补偿系数，送到空气PID作为设定值。图4.1 双交叉限幅燃烧控制原理其系统组成原理图如图4.1所示。4.2 系统单元元件的选择4.2.1温度检测变送器的选择热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性地转换成为420mADC电流信号或15VDC电压信号输出，它是由量程单元和放大单元两部分组成的。热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化。这个特殊的性质反馈回路能按照热电偶温度毫伏信号间的非线性关系调整反馈电压，以保证输入温度t与整机输出或间的线性关系。 图4.2热电偶温度变送器零点调整、量程调整电路的工作原理与直流毫伏变送器大致相仿。所不同的是：在热电偶温度变送器的输入回路中增加了由铜电阻等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路；同时把调零电位器移动到了反馈回路的支路上；在反馈回路中增加了运算放大器等组成的线性化电路起线性化作用。由于锅炉炉膛内的温度值较高，所以选用的热电偶变送器的温度测量值必须达到要求，这里，我选用的是DBW-1150型热电偶温度变送器。DBW-1150型热电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种。本温度变送器用热电偶作为测温元件，将被测温度线性地转换成标准信号1-5VDC或4-20mADC输出，供给指示、记录、凋节器、计算机等自动化监控系统。技术参数：输入：标准热电偶输出：输出电流：420mADC输出电压：15VDC输出电阻：250允许负载变化范围：100量 程：01600冷端补偿误差：1温度漂移：0.1基本误差/1绝缘电阻：电源、输入与输出端子间100M绝缘强度：电源/输入/输山端子间1500VAC/分钟工作条件：环境温度：050相对湿度：90%（RH）电源电压：24VDC5%功耗：2W防爆等级：(ib)IICT6重量：2Kg4.2.2流量检测变送器的选择由于流量变送的对象是煤粉和热空气，所以在选择流量变送装置的时候，必须是能够检测气体流量和和粉末混合气体的流量的。另外，由于空气是热空气，所以还要求变送装置能够在一定的高温下工作，所以这里选用的流量变送器为LUGB型涡街流量计。LUGB型涡街流量计根据卡门（karman）涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。LUGB型涡街流量传感器防爆型，符合GB3836-2000爆炸性环境用防爆电气设备有关规定，防爆标志为“ExiaIICT6”，该仪表适用于工厂C级T6组及其以下的爆炸场所。在本次设计中，选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求。技术参数：公称口径： DN10DN500测量介质： 气体、液体、蒸气可测介质温度： -40150；-40280；-40350；-40450公称压力： 2.5MPa（2.5 MPa协商供货）精度等级： 1级，0.5级（注：0.5级量程范围1：7）输出信号： 电压脉冲：低电平1V，高电平6V，脉冲宽0.4ms，负载电阻150 420mA转换精度0.5%满度值，负载电阻19V350，24V500，30V750 现场液晶显示：瞬时流量6位显示，（m3/h或kg/h，t/h），转换精度0.1%；累计流量8位显示，（m3，kg，t），转换精度0.1%供电电源： 电压脉冲输出：+12VDC或+24VDC 420mA输出：+19VDC+30VDC 现场液晶显示：电池供电3.6V，1节1号锂电池，使用寿命大于3年；外部供电+12VDC或+24VDC可实现带背光的液晶显示（订货注明）环境温度： 电压脉冲输出：-30+65 420mA输出：-10+55 现场液晶显示 -25+55防爆标志： ExiaIIBT6表体材料： 1Cr18Ni9Ti(其它材料协议供货)；45号钢（法兰连接型）全智能型仪表： 输出信号：标态的体积流量或质量流量 现场液晶显示：循环显示6位瞬时流量、压力、温度；8位显示累积量4.2.3主、副控制器正反作用的选择副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正，反作用。主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一致。本设计中,主控制器和副控制器都要反作用。4.2.4主回路的PID调节器和副回路的PI调节器因为主回路是一个定制系统，主控制器起着定制控制作用。保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用。在这里采用的是PID调节器，它综合了比例控制、积分控制和微分控制三种规律的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能够迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差，微分部分可以稳定调节精度。因为副回路是一个随动系统，其给定值随主控制器输出的变化而变化，同时两个并列的副环具有逻辑比值关系，其变化是双交叉的，为了能快速跟踪，同时比例调节，应该采用PI调节。4.2.5控制器仪表的选择采用模拟控制器:DDZIII型调节器，DDZ基型控制器框图如图4.3 。控制器的输入信号为15V的测量信号。设定信号有内设定和外设定两种。内设定信号为15V，外设定信号为420mA。测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算，输出偏差到比例积分微分电路进行比例积分微分运算后，由输出电路转换为420mA信号输出。手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处于软手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离开操作键时，控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上，当控制器处于硬手动状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出快速改变到需要的数值，只要操作杆不动，就保持这一数值不变。由于有保持电路，使自动与软手动相互切换，硬手动只能切换到软手动，都是无平衡无扰动切换，只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换。如果是全刻度指示控制器，测量信号的指示电路和设定信号的指示电路分别把15V电压信号转化为15mA电流信号用双针指示器分别指示测量信号和设定信号。当控制器出现故障需要把控制器从壳体中取出检查时，可以把便携式手动操作器插入手动操作插孔，以实现手动操作。图4.3中的420mA输出信号通过精密电阻转化为15V电压反馈到控制器的输入端，使控制器形成了自闭系统，提高了控制器的运算精度。根据生产设计要求，采用WHSPL型调节器。图4.3 DDZ基型控制器框图技术参数：统一标准信号：1-5VDC或4-20mADC。控制精度为0.5%。负载电阻250750。比例度2500。积分时间0.012.5min与0.125min。微分时间0.0410min。电源：22010%AC，0.2A。PID参数范围： （1）给定值-6.9%106.9% （2）比例带0.0799.9% （3）积分时间0.099.9%分 （4）微分时间0.099.9%分 （5）采样周期200毫秒4.2.6控制阀的选择本设计采用气动薄膜调节阀，其工作原理：当气室输入了0.020.10MPa信号压力之后，薄膜产生推力，使推力盘向下移动，压缩弹簧，带动推杆、阀杆、阀芯向下移动，阀芯离开了阀座，从而使压缩空气流通。当信号压力维持一定时，阀门就维持在一定的开度上。气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分，上面是执行机构，下面是调节机构。它主要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，流体受到的阻力增大，流量减小。推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通面积不再改变，流体的流量稳定。 出于安全的原因，在此次设计中使用VBD气动端面密封蝶阀，VBD气动端面密封蝶阀是一种重量轻，结构简单的后座式端面密封蝶阀。阀体、阀板均用钢板焊接或铸造加工而成。适用于低压状态的空气或其他气体的流量、压力控制。本产品符合GB/T4213-92标准。技术参数：型式： 扁平式焊接或铸造阀体公称通径： 1252000mm（580）公称压力： PN0.25、0.6、1.0、1.6MPa JIS2K、 JIS5K、JIS10K ANSI 150连接型式： 法兰式：1252000mm（880）密封面型式：RF材料： 25#、SUS304、SUS316、高温耐热钢Ni25Mo等标 准 型： 适用-5200，公称通径DN550以下。外部轴承型： 公称通径DN600以上；公称通径DN550以下，温度200600。压盖形式： 螺栓压紧式填 料： 聚四氟乙烯、 聚四氟乙烯石棉（常温用）、 柔性石墨（中温、高温用）阀内组件额定行程： 全开60或全开90阀板材料： 25#、SUS304、SUS316等旋转轴材料：SUS630、SUS304、SUS316阀体、阀板密封形式 端面密封型执行机构型式 气缸活塞执行机构供气压力500kPa气源接口G1/8、G1/4、G3/8、G1/2、环境温度070阀作用型式根据执行机构与旋转轴之间键连接位置不同，可实现阀的气关式或气开式阀门安装方式 阀杆应水平地安装在配管上。若安装方式发生变化，请予以注明。附件定位器、空气过滤减压器、保位阀、行程开关、阀位传送器、手轮机构等5、控制系统的工作原理锅炉温度的控制虽然已经普遍采用了计算机控制，但最常用的控制方法仍是普通PID控制，包括单回路、串级回路和分程控制等都是由PID作为基本的控制算法。在此次设计中我们采用串级回路控制方法。串级调节系统多用于燃料源受频繁扰动的锅炉炉膛，该系统由主回路和副回路组成，主回路根据实际值与给定值的偏差由PID调节规律对燃料流量进行调节，副回路根据燃料流量实际值与主回路温度调节器输出的燃料流量的偏差对流量进行调节，以避免扰动对燃料流量的影响。在系统稳定状态时，温度PID的输出以A1送到煤粉流量调节回路PID作为设定值，以B1送到空气流量调节回路PID作为设定值。在负荷剧增(温测温给)时,温度PID的输出剧增.对于空气流量调节回路,随着B1开始增加时,B1B2时,低选器选中B2,B1被中断,同时B3B1时,低选器又选中B1,B1又作为该回路PID设定值,交叉限制作用结束,系统稳定。对于煤粉流量调节回路,随着煤粉流量的增加,高选器选A1,而低选器中,开始时选A1作为该回路PID的设定值, 煤粉流量增加,A1A2时,低选气选A2,A1被中断, 煤粉流量随着空气流量增加而增加,交叉限制作用开始,当A2增加到A2A1时,低选器又选A1,此时A1A