换热器冷却水出口温度组态监控系统设计

1、控制系统综合设计题目换热器冷却水出口温度组态监控系统设计目录摘要 1第一章 绪论 21.概述 22. 设计任务 23. 设计目的与意义 2第二章 换热器工艺流程介绍 31.工艺流程图 32.工艺过程简述 33.控制方式的选择 4第三章 硬件的选择与设计 41. 传感器的选择 42. 调节器的选择 63. 执行器的选择 94.组态软件的选择 10第四章 总体设计 111. 系统组成 112. 组态王界面设计 12第五章 仿真调试 13设计小结 14参考文献 15摘要换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻 工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。据统计，在现代石油

2、化工企业中换热器投资 约占装置建设总投资的 30%40%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数40%。由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。目前 , 换热器控制中大 多数仍采用传统的PID控制，以加热、冷却、介质的流量作为调节手段，以被加热冷却、工 艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统 , 对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求 较高的应用场。本文主要介绍了换热器冷却水出口温度组态监控系统的设计过程，通过对 硬件和软件两部分的设计，从而实现对换热器冷却水出水口温度的控制。第一章绪论1概述随着工业的迅速发展，能量消耗量不断增加，能源紧张己成为一个世界性的问题。近 几年

3、来，我国在节能方面虽然已取得很大的成绩，但能源的供应矛盾依然十分尖锐。我国 的能源利用率很低，只有28%左右。由此可见，我国在节能方面存在着很大的潜力。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的消耗，同时，提高 换热器的控制效果，也可以充分满足工业生产对于温度的需求，显著提高产品的质量；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著的提高设备的热效率。因此，换热器的正确 使用、合理设计、控制性能改善等对能源有效利用及开发有着十分重要意义。2设计任务换热器冷却水出口温度组态监控系统设计主要是对换热器换热器温

4、度控制系统冷却 水出口水温度的控制，通过控制不同的参数，是冷却水的温度达到所要求的温度。这个过 程的选择是依据当代工业发展对能源节省的要求，通过计算机的控制，实现这个过程。这个过程的实现，首先是通过传感器将控制对象的参数传递给变送器，然后经过智能 仪器传送给计算机，实现计算机对这个系统的控制。计算机采用组态王进行控制。计算机编程组态下装调试 L通讯调试智能仪器、PLC、智能模块A温度、压力、流量、液位、执行器系统图1设计流程图 按照图1所示的流程进行这次的设计。3设计目的与意义换热器冷却水出口温度组态监控系统设计，首先是对大学三年所学知识的检查。在过 去三年我们学习了各方面关于自动控制的知识。

5、然而很少的课程可以将这些课程进行综合 的考察。换热器冷却水出口温度组态监控系统设计刚好满足了这个要求。它的设计需要多 方面的知识，不是单方面就可以完成的。其次是对部分工业生产过程的认识。换热器冷却 水出口温度组态监控系统设计完全是按照实际设计一套产品的流程进行的，虽然所做的是 简单的。但是这很好的让我们知道了工作生产过程的相关事项。然后就是我们进入社会前的一次尝试吧！可以让我们为以后的工作打下一定的基础。换热器冷却水出口温度组态监控系统设计可以让我们懂得更多的知识，让我们学会如 何去查阅资料以及如何去设计一件产品。通过这套系统的设计，成功的减少资源浪费的现 象，符合节约型社会对能源利用率的要求

6、，而且可以更好的利用能源。第二章换热器工艺流程介绍1工艺流程图以高阶换热系统工艺流程为例热流图2高阶换热系统工艺流程2工艺过程简述检测仪表说明执行机构说明位点监测点说明单位位号执行机构说明FTI102冷却水流量kg/sFVI103冷却水上水管调节阀FTI105热流流量kg/sFVI105热流出口管调节阀FTI103冷却水出口温度CFTI104热流出口温度C在生产过程中，通过上位机进行系统调节，使得流出水的温度达到预定的温度。 这时, 通过执行器FVI103调节冷却水进入换热器的流量和 FVI105调节热流流出的流量，从而进 行流出水温度的控制。在这个过程中，对温度的监控是核心。不同的控制方式会

7、达到不同 的控制效果。3控制方式的选择3.1控制对象选择换热器冷却水出口温度组态监控系统中，存在多种影响温度的因素。如冷水的流量、 热流的流量等。根据温差越大，散热越快的物理现象来看，可以选择控制冷却水的流入量， 相应的是将热流流量设定为定值。控制冷却水流量的方法又分为两种，第一是通过控制水泵，从而来控制冷却水的流量, 一种是控制调节阀门来控制。对于简单的温度调节系统来看，对水泵的调节相对来说较复 杂，所以选择用调节阀来进行调节。3.2控制方式选择通过对换热器温度调节系统的研究，单从控制方式来说，可以选择多种方式，比如正 反馈调节、负反馈调节、串级调节等。但是从效果上来说，不同的调节方式达到的

8、效果是 不同的。调节的精度也是不同的。根据实际的需要选择合适的方法是必须的。本次的课程设计是换热器冷却水出口温度组态监控系统，相对换热器温度控制系统来 说相对的简单。所以采用的控制方式也相对的简单。在各种控制方式中，最终选择的是负 反馈调节反馈系统的工作原理是：根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为 (输出)与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。 在反馈控制系统中, 既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组 成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主 要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期

9、望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节 系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。根据课题的要求，可以画出控制系统框图。图3控制系统框图其中被控对象Gp(s)、控制阀Gv(s)、测量变送元件Gm(s)组合在一起成为广义被 控对象；F(s)为干扰通道的传递函数；Gc(s)是控制器传递函数；R( s)为设定的温度值, 丫(是)为冷却水出口实际温度值。第三章硬件的选择与设计1. 传感器的选择对换热器冷却水出口温度组态监控系统中，我们知道对温度的要求不是很高，大约在0C到20C。所以选择一般的测温软件就可以了。热电偶测温就可以了。热电偶是一种感 温元件，它把温度信号转

10、换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热 电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seebeck电动势热电动势，这就 是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极， 温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数 关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0 C时的条件下得到的，不同的 热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影

11、 响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质 的温度。根据以上可以选择K型热电偶。热电偶测量出来的型号要通过变送器进行传递。综合考虑可以从DDZ型中进行选择。因为它的电流范围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为 零，所以应选择DDZ-IH型K型热电偶温度变送器一一DZ-5130K型热电偶温度变送器。图4K型热电偶温度变送器相关参数如下:供电电源：24VD± 10%电源保护：具有反向保护输出保护：输出短路无限制转换精度：±0.1 ±.5%F.S温度漂移：±).15% F.S/10 C隔离性能：输入/输出

12、/电源全隔离响应时间：< 0秒(0 90%F.S)绝缘电阻：输入/输出/电源间100 MQ环境温度：-10 55C绝缘强度：输入/输出/电源间1500VAC（1分钟）环境湿度：090%RH不结露夕卜壳：耐高温阻燃工程塑料安装形式：DIN导轨安装，导轨尺寸35mm表1DZ-5130的主要技术指标名称基本型号输入种类输出种类供电电源输出制式输入代 码输入信 号输出代 码输出信号热电偶温 度 变送器DZ-51K型热 电偶3420mADC0二线制 非隔离型C15VDC1四线制 全隔离型表2产品型号表K型热电偶输出12348165_ 24mv +图5 DZ-5130接线图其中端子1、2为输入，3、

13、4为补偿电阻，5、6为输出15VDC , 7、8为电源。2. 调节器的选择2.1调节器控制规律的选择调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e(t)进行比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。选择 调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统 能满足生产工艺对控制质量指标的要求。比例控制规律(P)是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。在一般情况下控制质量较高， 但有余差。此外，当过程惯性时延较大时，由于纯比例作用在起始段动作不够灵敏，因而 超调量较大，同时加长了过渡过程时间，于是纯比

14、例作用的应用受到了限制。对于过程控 制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的场合，可选用比例控制作用。比例控制规律(P)的微分方程数学模型为:u(t)二 kpe(t)比例积分(PI)控制规律，由于引入积分作用能消除余差，所以当过程容量较小，负荷变化 较大，工艺要求无余差时，采用比例积分控制规律可以获得较好的控制质量。但是当过程 控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大的超调，可能出现持 续振荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。通常对管道内的 流量或压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。比例积分(PI)控制规律的微分方

15、程数学模型为：1 tu(t)=kp e(t)T .0 e(t)dt比例微分(PD)控制规律，由于引入微分，具有超前作用，对于被控过程具有较大容量时延 的场合，会大大改善系统的控制质量。但是对于时延很小，扰动频繁的系统，由于微分作 用会使系统产生振荡，严重时会使系统发生事故，所以应尽可能不用微分作用。比例微分(PD)控制规律的微分方程数学模型为：de(t)u(tr kpe(t) Td比例积分微分(PID)作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不同的过程特性。当要求控 制质量较高时，可选用这种控制作用的调节器。比例积分微分(PID)控制规律的微分方程数学模型为：1 ；de(t)口十小打回Td其中：

16、u(t):为调节器的输出号k p :放大倍数Ti ：积分时间常数Td:微分时间常数e(t):设定值与测量值偏差信号通过以上几种调节规律的分析及本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后 性，为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分微分 (PID)控制规律。2.2调节器正反作用选择调节器有正作用和反作用调节器两种。调节器正、反作用的选择同被控过程的特性及 调节阀的气开、气关形式有关。被控过程的特性也分正、反两种。即当被控过程的输入量 增加(或减小)时，其输出(被控参数)亦增加(或减小)，此时称此被控过程为正作用；反之, 当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称此过程为反作用。2.3调节器选型

17、结合以上对PID调节的分析及组态王软件对硬件设施的兼容性，选择上润系列的智能 仪表。上润系列智能自整定调节控制仪，采用先进的微处理器进行智能控制，可根据被控对象自动演算出最佳调节参数。具有多种输入信号切换功能和双屏数码、双屏数码双光柱二 种显示型式。可选择多种串行通讯接口，并可实现多机通讯。可适用于众多行业高精度的 调节控制系统。各输入输出回路间均采用光电隔离，具有良好的抗干扰性和稳定性。输入信号 电阻一各种规格热电阻，如PtlOO、PtlOO.l、Cu5O、 Cui 00或远传压力电阻（303 5 0 Q）等。电偶一各种规格热电偶，如 等。电流一01 0mA、42 0mA等（输入电阻 2 5

18、 0 Q）电压一05V、15VmV等（输入阻抗 2 5 0 K Q）测量精度 数字：土 0.2%FS或土 0.5%FS光柱：±1%分辨率数字显示：±1字光柱显示：±1线测量范围数字：光柱：显示方式四位高亮度LED数码显示101线高分辩率光柱显示发光二级管工作状态显示双屏数码显示/双屏数码+双光柱显示测量值/设定值显示控制目标值/0 100%输出量显示PID调节 标准电流DC01 0mA（负载电阻 7 5 0 Q）控制方式DC420mA（负载电阻 5 0 0 Q）标准电压DC05V（输出电阻 2 5 0 Q）DC15V（输出电阻 2 5 0 Q）开关量输出继电器触点

19、ON/ OFF带回差、触点容量AC220 V/3A;DC24/5A（阻性负载）可控硅控制 信号一SCR（过零触发脉冲）输出4 0 0 V/0.5A，可触发可控硅：4 0 0 V/1 0 0A。固态继电器控制信号一SSR输出524V/30mA115216317418519620721822923102411的1226电源一1327AC220V一1428控制输出4-00 jrA图6 DTZ-2100D引线端子图图7实物图3. 执行器的选择调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大 的。由于其结构较简单又较粗糙，所以往往不被人们所重视。实践证明，在过程控制系统 设计中，

20、若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制 质量。通过调节阀的选择原则，及本系统的要求，阀门选择气动薄膜式单座直通阀，安装方 式为气关，实物图如图3-4所示。为了与气动薄膜式单座直通阀相匹配，还需要选择一个 阀门定位器，与之配套使用，电气阀门定位器的型号为 HEP-17,主要技术指标为：(I) 、精度：小于全行程土 1%、回差：小于全行程1%、死区：小于全行程0.4%。(4) 、特性：线性(可改变成快开、等百分比特性)。(5) 、气源压力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。、最大流量：140NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。、耗气量：5N

21、L/min(当气源压力在0.14MPa时)。(8) 、环境温度：-25 C+55C。(9) 、环境湿度：10-90%RH(10) 、最大行程速度：4mm秒(配ZH -22执行机构时)。(II) 、输入阻抗：250 Q (4-20mADC) 100Q (10-50mADC。(12) 、电气连接：G1/2螺纹。(13) 、气管连接：卡套式气管接头(© 6或© 8)。(14) 、防爆(防护)型式(等级)：隔爆型d(Diibt6)，本质安全型i(iallCT6)(15) 外壳材料：铝合金 喷朔工艺处理(16) 外形尺寸：长*宽 *高)(17) 重量：3.5kg气源图9气动薄膜直通单

22、座调节阀4组态软件的选择组态软件，又称组态监控软件系统软件。它是指一些数据采集与过程控制的专用软 件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用 领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以 及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System,RemoteTerminal Un it) 。在多种组态软件中，组态王是一个具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。 应用组态王可以使工程师把主要精力放在控制对象上，而不是形形

23、色色的通信协议，复杂 的图形处理，枯燥的统计。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样 的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上 连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、 组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及 实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监 控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Win dows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势

24、曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。因此我们选用组态王软件。第四章总体设计1.系统组成名称数量名称数量K型热电偶温度传感器1上润系列智能自整定调节控制仪1DZ-5130K型热电偶温度变送器1气动溥膜式直通单座阀门1HEP-17电气阀门定位器1表3兀器件清单根据系统的结构图，设计出电气连接图图10电气连接图2.组态王界面设计打开组态王6.5,新建工程，进入开发系统，根据设计内容进行画面的设计。设计如下：主界面设计i °，a 却印 邛 ami inmp jStftf 一 !_ I O# #OSF « KTJF理出IS世曲*换；

25、热器冷却水HizKtii&Bft制紊能疥1 r f JU匸回.-31© -0飞-屉林丄爲图11系统主界面 相关的参数程序编写完成之后，进行界面运行。运行界面如下：图12运行界面图 y it ie in 眄贰擬热器吟却水出水门粗度控制条统r BO* | 10_5_ (M.®P14记出 i£ix£n图13运行界面第五章仿真调试换热器冷却水出水温度控制系统!100I加°临图13模拟仿真图设计小结 本次设计换热器冷却水出口温度组态监控系统，主要是针对换热器温度控制系统中冷 却水出口的温度检测和调整。 对于这个系统， 研究的时候主要是找准被控对象

26、和各个参数。 开始的时候，参数的把握很难掌握。但是由于之前上过过程控制的实验，所以对于各方面 的参数有了一定的了解。设计起来相对的比较容易。采用的控制方式则是从学过的各种控 制方式中选的。开始的时候选的是单回路控制，但是经过分析和模拟，发现调节能力很 差。后改成了负反馈调节，调节能力得到了提高。这个的设计中，遇到的困难比上一个课 程设计的困难还要多。 对组态王的掌握远远没有达到要求， 设计人机界面的时候比较的慢， 而且效果还是差强人意的。课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题 , 锻炼实 践能力的重要环节 , 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此过程控

27、制课 程设计，我仍感慨颇多，的确，从老师发下题目，到完成，这些天过得，可以说得是苦多 于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学 到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合 是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从 理论中得出结论， 才能真正为社会服务， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 虽然这已经不是第一次作课设了，但在设计的过程还是遇到很多困难，毕竟过程控制这门 是理论与实际相结合十分紧密的，书本上的理论和实际应用中还是有很大区别的。但是通 过查阅大量书籍及在网上搜到的有关知识，基础上解决了一些遇到的难题，通过几天紧张 的忙碌，对过程控制这门课有了更深的了解，对上课中老师所的串级系统、前馈- 反馈系统等，有了进一步了解，同时对各种不同系统选用什么样的变送器，控制器、调节器有了 进一步的理解。这次的课程设计，让我充分的了解了一套系统的开发是需要多么的困难。也因此对工 厂真实生产过程有了一定的了解。对于设计一套系统的流程有了一定的把握，虽然这知识 停留在初级状态，但是我还是认为它会给我以后的工作有很多的帮助。非常的感谢在设计 过程中给予我帮助的同学，同时非常感