石油裂解气温度自动控制系统设计

1、 本科生课程设计（论文）· 摘要本设计是石油裂解气温度控制系统，以AT89C51单片机作为主控元件，采用单回路控制，运用PID算法，通过外围硬件电路和软件程序从而实现了石油裂解气温度的稳定控制。该温度控制系统由温度信号检测电路、变送单元、单片机控制系统和执行装置等结构组成，通过各种电路和装置完成对温度信号的检测、变送和运算处理功能，并经气动执行装置作用于实际生产，从而使温度控制系统稳定在预定的范围内工作。由于采用单片机控制，该系统具有结构简单，经济实用的特点。关键词：温度控制 单回路控制系统 过程控制 · 目录·摘要I·目录II第1章绪论11.1温度控制

2、系统的发展状况11.2设计温度控制系统的意义及相关技术指标1·第2章 课程设计的方案22.1概述22.2控制器的选型32.3传感器的选型32.4变送器选型32.5执行器选型42.6最优方案5·第3章 硬件电路设计53.1 电源电路设计53.2 复位电路53.3时钟电路63.4 A/D转换电路63.5采样检测电路设计73.6 D/A转换电路7·第4章 软件设计84.1 程序流程图84.2 PID算法子程序9·第5章 系统测试仿真与参数整定11·第6章 课程设计总结12·参考文献1315第1章 绪论1.1温度控制系统的发展状况随着科技的发

3、展，近年来我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展，温度已成为工业控制对象中一种重要的参数，特别是在冶金，化工，机械等各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉和液态丙烯气化等方式实现温度的恒定控制。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的处理方式和控制方案也有所不同。处理方式一般有加热和冷却两种，控制方案一般有PID控制，直接数字控制（DDC），推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control），推理控制等。随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度的控制要求。如接触器温度控制仪表，其主要缺点

4、是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。对于控制系统而言，单回路控制系统由一个控制器完成，具有结构简单，设计和使用方便的特点，而串级控制系统由两个串接工作的控制器构成，主要应用于对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。1.2设计温度控制系统的意义及相关技术指标

5、化工的生产需要在既定的稳定温度下才能持续的进行。当温度过高时，可能引起原料的反应过于剧烈，使生产不易控制甚至可能导致爆炸的危险，并且持续的过高温度也会导致系统装置的快速老化。而当温度过低时，原料的化学反应可能会不充分，从而导致原材料的大量浪费，因此为使生产系统持续稳定的工作，有必要使生产温度稳定在合理的范围内。本次过程控制系统课程设计为石油裂解气温度控制系统设计，通过液态丙烯的气化来吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。该温度控制系统技术指标如下：测量范围：0300，控制温度：220±1，最大偏差：5· 第2章 课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合过程控制系统知识，设

6、计石油裂解气温度控制系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“过程控制系统”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握温度控制系统设计的基本方法。应用场合：化工生产过程中的石油裂解气温度控制系统功能介绍：通过传感器，变送器，控制器和执行器等部件构成一个温度控制系统，能使系统温度控制在220±1且最大偏差不超过5。本设计采用单回路控制系统即可满足设计要求。系统方框图如2.1图所示。图2.1系统方框图系统结构图如图2.2所示图2.2系统结构图2.2控制器的选型常用控制器有单片机，PLC等PLC具有可靠性，易操作性和灵活性等特点，常用于控制性能要求稳定且精度较

7、高的场合。单片机控制简单易于实现，且具有成本低等优点。根据分析，本设计为简单温度控制，选用单片机就能实现其控制功能，经济实用。本设计的单片机选用Atmel 公司的AT89C51 单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚与MCS51 系列单片机的指令和引脚设置兼容。2.3传感器的选型（1）铁-铜镍热电偶（J型热电偶）又称铁-康铜热电偶，是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）为铜镍合金，铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-2001200，但通常使用的温度范围为0750 。J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等

8、优点,广为用户所采用。 J型热电偶可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制。（2）AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。AD590的测温范围为-55+150。电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。输出电阻为710MW且具有精度高的特点。（3）热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。其优点很多，可以远传电信号，

9、灵敏度高，稳定性强，互换性以及准确性都比较好，需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。工业用热电阻一般采用Pt100，铂热电阻的测温的范围一般为-200800，铜热电阻为零下40到140。 热电偶、AD590及热电阻相比较而言，AD590精度最高但不满足设计测温要求，热电阻适合于测量低温（一般为800以下），热电偶适合于测量高温（一般为800以上），热电阻使用方便且价格一般较热电偶便宜。 经分析采用铂热电阻Pt100即可满足设计要求。2.4变送器选型为了使系统具有很好的可控性，本设计选用智能温度变送器。常用的智能温度变送器为STT3000/250系列，其特性为多协议输出，可以直接代替当今使用的

10、任何传统的或智能的温度变送器。它储存有常用的温度传感器的特征曲线， 用户可以使用手持通讯器或智能组态工具对各种温度传感器的变送器进行组态，并自动修正其非线性。只需选择传感器类型和量程即可实现期望的精度。对量程上下限温度值的校验能使精度提高两倍，给传感器施加上限或下限温度，或模拟已知数据对传感器进行校验,可消除传感器的误差。典型应用场合为电力、冶金、石油化工、水处理、制药、造纸、食品及烟草等，其实物图形如图2.3所示：图2.3STT3000/250系列智能温度变送器实物图2.5执行器选型执行器按其能源形式分为气动，电动和液动三大类，它们各有特点，适用于不同的场合。对于石油化工等重要的场合应选择气

11、动执行器，以免引起电火花。 常用气动执行器为GT系列阀门气动装置。GT系列阀门气动装置是新研制的输出轴回转角为90°的部分回转型气动执行装置。它可以与球阀、蝶阀等阀门组合成气动阀门，也适用于需90°回转运动的其它机械装置。该产品可以实现连续动作控制（自动调节控制）。用户可根据实际需要进行选择。其特性为相同规格有双作用式、单作用式（弹簧复位），有正、反作用功能，移动速度大，输出力与操作压力有关，可靠性高，检修维护简单，对环境的适应性好，特殊的腐蚀环境可采用不锈钢外壳，输出功率较大，具有防爆功能，其实物图形如图2.4所示：   图2.4GT系列气动执行器实物

12、图2.6最优方案本设计以单片机作为控制器，选用铂热电阻Pt100为温度传感器，选用STT3000/250系列智能温度变送器，以GT系列气动执行器作为执行器，构成一个单回路控制系统，从而达到温度控制的目的。· 第3章 硬件电路设计3.1 电源电路设计由220V交流电供电，经过桥式整流，电容滤波，然后与三端稳压器件LM7805连接使电压稳定在5V给单片机供电，其电路图如图3.1所示；图 3.1电源电路3.2 复位电路单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST 引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESE

13、T 引脚保持10ms 以上的高电平，单片机就能实现复位。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用手动复位方式，复位电路如图3.2所示。图3.2复位电路3.3时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准。AT89C51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1（X1）和XTAL2（X2）分别是此放大电器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为内部振荡。在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，时钟电路如图2.4所示。图3.3时钟电路3.4 A/D转换电路A/D转换电路采用ADC0809转换器。将采集来的模拟信号转换成

14、数字信号输出转换完成的信号EOC经反相器接单片机的P3.2口，A/D转换电路如图2.2所示。图3.4 A/D转换电路3.5采样检测电路设计为了达到测量高精度的要求,选用铂热电阻温度传感器和超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A/D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。采样检测电路如图2.1示。图3.5测电路3.6 D/A转换电路D/A转换电路采用DAC0832作为转换器，将单片机输出的数字信号转化模拟信号来给执行器作为激励信号，进而控制执行器的开度，达到温度控制的目的。D/A转换电路如图3.6所示：开始初始化采集温度信号e=0 ？调用PID控制程序NY输出信号结束输

15、出执行器计算偏差e图3.6 D/A转换电路· 第4章 软件设计4.1 程序流程图单片机控制主程序流程图如图4.1所示图4.1主程序流程图4.2 PID算法子程序本次设计采用增量式PID控制算法，来实现温度控制。增量式PID控制算法公式如下：uk=uk-uk-1=Kpek-ek-1+TTiek+Tdek-2ek-1+ek-2T =Kp1+TdT+TTiek-Kp1+2TdTek-1+KpTdTek-2 (4-1)其子程序流程图如图4.2所示：图1.2温度控制算法程序子程序入口计算ek=r-y ek=r-y eeek=r-y计算 Kp1+TdT+TTiek计算 Kp1+2TdTek-1计

16、算KpTdTek-2计算uk子程序返回温度控制算法程序如下：/*PID Function The PID (比例、积分、微分) function is used in mainly control applications.PIDCalc performs one iteration of the PID algorithm. While the PID function works, main is just a dummy program showing a typical usage. */ typedef struct PID int SetPoint; /设定目标 Desired V

17、alue long SumError; /误差累计 double Proportion; /比例常数 Proportional Const double Integral; /积分常数 Integral Const double Derivative; /微分常数 Derivative Const int LastError; /Error-1 int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID; static PID *sptr = &sPID; /*PID程序初始化*/void IncPIDInit(void) sptr->SumError

18、 = 0; sptr->LastError = 0; /Error-1 sptr->PrevError = 0; /Error-2 sptr->Proportion = 0; /比例常数 Proportional Const sptr->Integral = 0; /积分常数Integral Const sptr->Derivative = 0; /微分常数 Derivative Const sptr->SetPoint = 0; /*增量式PID计算部分 */ int IncPIDCalc(int NextPoint) register int iErro

19、r, iIncpid; /当前误差 iError = sptr->SetPoint - NextPoint; /增量计算 iIncpid = sptr->Proportion * iError /Ek项 - sptr->Integral * sptr->LastError /Ek1项 + sptr->Derivative * sptr->PrevError; /Ek2项 /存储误差，用于下次计算 sptr->PrevError = sptr->LastError; sptr->LastError = iError; /返回增量值 return(iIncpid); · 第5章 系统测试仿真与参数整定根据系统原理连接好单回路控制系统的电路，先接通电源，然后打开MCGS组态控制界面，开始对系统进行测试，测试的过程也就是参数整定的过程，在测试过程中不断地调整比例度、积分时间、微分时间等参数，直到得到满意的响应曲线为止。通过不断地测试，最终得到了如图5.1所示的响应曲线，温度逐渐稳定在预定的状态。获得的参数为：比例度P=0.