fname=_热换器温度控制系统2012

1、南华大学过程控制仪表课程设设计题目 换热器温度控制系统 学生姓名 易辉 专业班级 自动化091班 学 号 20094460115 指导老师 刘 冲 2012年6月25日目 录目录1、 设计的目的和背景意义- 1 -2、 控制系统工艺流程及控制要求- 1 -2.1 生产工艺简介- 1 -2.2 控制要求- 2 -3、 总体设计方案- 2 -3.1系统控制方案选择- 2 -3.2 系统方框图设计- 3 -3.3 系统控制算法方案选择- 3 -3.4 系统控制参数确定- 4 -被控参数选择- 4 -控制参数选择- 4 -3.5 调节阀的作用方式选择- 5 -3.6 调节器的作用方式选择- 5 -4、

2、 系统整体框图- 5 -5、 控制仪表的选型和配置- 6 -5.1 调节器- 6 -仪表主要技术指标与主要功能- 6 -仪表工作原理图- 7 -仪表接线端子图- 8 -5.2 检测元件- 8 -5.3 变送器- 8 -仪表主要技术参数- 9 -仪表工作原理- 9 -仪表端子图- 10 -5.4 伺服操作器- 10 -仪表主要技术指标- 10 -仪表工作原理- 11 -仪表端子接线图- 11 -5.5 电动执行机构- 12 -仪表主要技术指标- 12 -仪表接线端子图- 13 -5.6 调节阀- 13 -5.7 I/V转换器- 14 -6、 元件清单- 15 -7、 收获和体会- 15 -8、

3、参考文献- 16 -附录1 系统仪表整体接线图- 18 -1、 设计的目的和背景意义 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。 并定期清洗传热面。 一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；

4、镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。2、 控制系统工艺流程及控制要求2.1 生产工艺简介 由换热器出口温度控制系统流程图1-1可以看出系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。图1-1换热器出口温度控制系统流程图控制过程特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。被调参数（换热器出口温度）经检验元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算

5、处理后输出控制作用u。2.2 控制要求 换热器的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使换热器在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，换热器设备将有如下的主要控制要求：换热器系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应物料负荷的需要，保证燃烧的经济型和加热炉的安全运行，使物料温度与燃料流量相适应，保持物料出口温度在一定范围内。3、 总体设计方案3.1系统控制方案选择在系统运行过程中，当物料出口温度受干扰影响改变时，温度检测元件测得的模拟信号也会发生对应的改变，该信号经过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比较，得出对应偏差信号，经控制器算法计算

6、后输出，通过执行器调节冷水流量，不断重复以上过程，直至物料出口温度接近给定，处于允许范围内，且达到稳定。由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。故本换热器温度控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。3.2 系统方框图设计因本系统采用单回路的控制方案，则其控制系统方框图如下图3.1所示。图3-1 单回路控制系统方框图3.3 系统控制算法方案选择比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在

7、稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay

8、)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 本换热器温度控制系统较为简单，因要使温度达到稳定，实现无静差，且减小因积分作用而造成的滞后，故在这里采用数字PI

9、D算法作为系统的控制算法。控制系统通过温度检测元件不断的读取物料出口温度，经过温度变送器转换后接入调节器，调节器将给定温度与测得的温度进行比较得出偏差值，然后经PID算法给出输出信号，执行器接收调节器发来的信号后，根据信号调节阀门开度，进而控制燃料流量，改变物料出口温度，实现对物料出口温度的控制。其控制规律的微分方程为:传递函数为：由于换热器一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象, 所以式中Kp、Kd 和Ki的选择取决于加热炉的响应特性和实际经验。3.4 系统控制参数确定被控参数选择单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参

10、数；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数；所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。综合以上原则，在本系统中选择物料的出口温度作为被控参数。该参数可直接反应控制目的。控制参数选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。而控制参数选择的基本原则为： 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数； 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控制； 在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使控制系统响应较快；综合以上原

11、则，选择燃料的流量Qg量作为控制参数。3.5 调节阀的作用方式选择在自动控制系统中，选择阀，主要从以下几个方面考虑:(1) 安全性原则；(2) 节约能源；(3) 节约原材料；(4) 对象的特殊性。在这里为了节约燃料，从而能使在调节器输出信号为最低值（4mA）时，能使阀门保持关闭状态，故而应选择正作用的阀，在这里选择电动阀，故而其阀门的作用方式为电开。3.6 调节器的作用方式选择运用所学的分析法对调节器的作用方式进行分析：当换热器出口温度高于给定值时，应使调节阀的开度减小，从而减小燃油的流量，使换热器温度减小，对于正作用的调节阀，其阀门开度与调节器的输出成正相关关系，则调节器的输出为减小的（反之

12、亦然），对比与输入的增大可知，调节器的作用方式为反作用方式。4、 系统整体框图根据上述的一些选择，故将其系统的框图确定如下，见图4-1所示。图4-1 系统整体框图5、 控制仪表的选型和配置5.1 调节器在这里选用DDZ-型仪表，型号为DTZ-2100型全刻度指示调节器。DTZ-2100型全刻度指示调节器是DDZ-系列电动单元组合仪表中调节单元类的一个基型品种，它接收变送器或转化器的测量信号作为输入信号并以全刻度值进行显示，将输入信号与给定信号进行比较，对其偏差进行比例、积分、微分运算之后输出4-20mA DC信号至操作端，通过执行机构控制压力、温度、流量、液位等工业参数，使其达到预期的效果。仪

13、表主要技术指标与主要功能输入信号： 1-5V DC输出信号： 4-20mA DC闭环跟踪误差限： ±0.5%F·S 负载电阻： 250-750功 能： 自动、手动可无扰动切换比例带（P）： 2%-500积分时间（I）： 0.01-25min微分时间（D）： 0.04-10min或切除电源电压： 24V DC±5%环境温度： 5-40° C 相对湿度： 10%-75%功 耗： 5W外形尺寸： l×b×h,mm：630×80×160仪表工作原理图 图5-1 DTZ-2100全刻度指示调节器工作原理图仪表接线端子图图5-

14、2 DDZ-型电动调节器DTZ-2100端子接线图5.2 检测元件温度的测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类。本系统选择接触式测温元件。其中较为常用的有热电偶、热电阻和集成温度传感器三种，本系统选择S型的热电偶作为测温元件，其电路原理图如下图5-3所示：图5-3 热电偶电路原理图5.3 变送器本系统中的变送器用于温度信号变送，故选择温度变送器。其中较为常用的有模拟式温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器三种，本系统采用典型模拟式温度变送器中的DDZ-III型热电偶温度变送器，属安全火花型防暴仪表，还可以与作为检测元件的热电偶相配合，将温度信号线性的转换成统一标准信号。变送器构成方框

15、图如图5-4所示。图5-4 电动III型热电偶典型模拟温度变送器构成方框图本设计选用放入是KBW1131型热电偶温度变送器。仪表主要技术参数名称性能输入信号最小量程3mV，最大量程<80mV输出信号1-5VDC或4-20mADC负载电阻0-500精度±0.5%（量程范围大5mV）±1.0%(5mV>量程3mV)工作条件环境温度：5-40相对湿度：10%-75%供电电源：24V±2.4VDC功率2W表5.1 热电偶温度变送器参数表仪表工作原理KBW1131型热电偶温度变送器是由WS热电偶温度转换模块和GF750信号隔离模块组成，见图5-5所示。图5-5热

16、电偶温度变送器原理框图 热电偶mV信号进入WS热电偶温度转换模块与该模块输入桥路串联而成。当被测温度变化时，进入温度转换模块的mV信号也随着变化，致使桥路输出变化。该信号在模块内经过调零、量程调整电路，线性化及输出电路处理后输出0.2-1.0V DC与被测量温度呈线性对应。WS温度转换模块由输入、输出电路、线性化电路及基准电路组成。 该模块由GF750隔离模块提供电源。GF750隔离模块由隔离振荡器、输入和输出处理电路等结构。它由24V DC电源供电并被隔离转换成±15V DC作为WS温度转换模块的电源，同时它接受WS模块输出的0.2-1.0V DC信号，经输入处理再隔离送至输出电路

17、，以1-5V DC(或4-20mA DC)标准信号作为整机的输出。仪表端子图图5-6 热电偶变送器接线端子图5.4 伺服操作器本设计选用SFD-2003型的伺服操作器进行设计。SFD-2003型伺服操作器为全集成电路、CMOS数字逻辑控制的新型控制室仪表，集DFD型操作器，ZPE型伺服放大器功能为一体，只需轻轻一触即可分别实现自动/手动及备用操作器的全部功能。仪表主要技术指标输入信号 调节器信号，4-20mA DC阀位信号，4-20mA DC基本误差 ±2.5%死区 0.5%-3%（可调） 采用LED光柱显示，显示误差  ±2.5%接受事件信号为触点信号断开为正常

18、，闭合为事件 额定输出功率 220V AC，5A 跟踪电压 1-5V DC工作条件：环境温度 0-50 相对湿度 10%-85% 机械振动 振幅0.075 频率10-50Hz 大气压力 86-106kPa 周围空气中无腐蚀作用介质 电源电压 220V AC，50Hz外形尺寸 72mm×144mm×250mm仪表工作原理其工作原理方框图见图5-7所示。图5-7 仪表工作原理方框图仪表端子接线图其端子接线图见图5-8所示。图5-8 仪表端子接线图5.5 电动执行机构在此设计中选用DKJ-2100K的角行程电动执行机构。DKJ型电动执行机构是电动单元组合仪表中的执行单元。它以单相

19、交流电源为动力，接受统一的标准直流信号，输出相应的转角位移，操作风门，挡板等调节机构，完成自动调节任务。仪表主要技术指标1、输入信号4-20mA DC 2、输入电阻：500（）200（）3、输出转交及时间：0-90°。25±5秒4、灵敏限：0.5-3%5、阻尼：出轴振荡三个半周期摆动6、误差：±2.5%7、变差：1.5%8、反应时间：1秒9、电气限位开关容量：380V、3A10、电源电压：220V、50HZ11、使用环境温度：伺服放大器：0-50°C 执行机构：-10-55°C12、防护等级：IP65仪表接线端子图其接线端子图见图5-9所示。图

20、5-9 仪表接线端子图5.6 调节阀电动调节蝶阀是工业自动化控制系统的执行单元，接受统一的电信号，并将此转换为角位移。完成调节任务。适用于大口径、大流量、低压差的场合，也应用于浓浊浆状及悬浮颗粒状的介质调节。电动椭圆调节蝶阀在阀关闭时，阀板在阀体内有一偏转角，使其泄漏量小。为了防止燃料的泄露，故而选择ZKJWa型椭圆电动调节阀。其阀体参数见表5.2所示。表5.2 电动调节蝶阀参数表5.7 I/V转换器此系统中为将变送器的电流信号转换为电压信号，此处选择KMW100配线器。（1）KMW100的概述本仪表用于工业生产过程中现场机器与仪表的连接，信号传送是通过DC 4-20mA来进行的，接受信号的仪

21、表通过DC 1-5V的电压进行信号的变换和电压变换.本仪表可以与仪表之间相互交换，能与KM系列控制仪表连接，与II,III型仪表系列相连。本仪表有二种型式，一种是多输入型，能分别接受三路来的信号，别一种是单输入型，接受一路发来的信号，还具有报警输出功能，电源显示为发光二极管显示。（2） 主要技术参数* 输入信号： 4-20mA DC* 输出信号：1-5V * 基本误差：±0.2%* 转换电阻：250* 报警输出：干式触点输出* 供电电源：24±1.2V* 工作条件：环境温度：5-40* 相对湿度：10-75%无凝露* 周围不应含有腐蚀性气体* 消耗功率：不大于5.5W（3路

22、）* 结构形式：挂装式* 外形尺寸：宽×长×高mmKMW（单）100，110（多）167×180×60（3）KMW100接线端子表表5.3 KMW100接线端子表1. out -2. out +3. A11- (输入1 -)4. A11+(输入1 +)5. PS-(电源-)6. PS2+(电源2+)7.PS1+(电源1+)8.A13-(输入3-)9.A13+(输入3+)10.A12-(输入2-)11.A12+(输入2+)6、 元件清单产品名称型号数量输入信号输出信号电源DDZ-III型全刻度指示调节器DTZ-21001台1-5V DC4-20mA DC2

23、4V DCI/V转换器1个4-20mA DC1-5V DC24V DC热电偶S1支0-13003mV-5mV温度变送器KBW-11311台3mV-5mV1-5V DC24V DC伺服操作器SFD-20031台4-20mA DC4-20mA DC220V AC电动执行机构DKJ-2100K1台4-20mA DC0-90°220V AC椭圆电动调节蝶阀ZKJWa1台0-90°0-100%表7.1 元器件清单7、 收获和体会本设计综合运用了自动检测技术、自动控制理论以及过程控制理论。为了更好的完成设计，我将以前的一些教科书籍重新找出来，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，却不知道如何下手。开始了我