造纸厂网前箱温度控制系统的设计

辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：造纸厂网前箱温度控制系统的设计院（系）：电气工程学院专业班级：测控技术与仪器学号：学生姓名：指导教师：起止时间：课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：学号学生姓名专业班级课程设计题目造纸厂网前箱温度控制系统的设计课程设计（论文）任务设计任务：某造纸厂网前箱温度控制系统。纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸气加热至72℃左右，经过立筛，圆筛去除杂质后到网前箱，再经铜网脱水。为了保证纸张质量，工艺要求网前箱温度保持在61℃左右，允许偏差不得超过±1.5℃。从混合器到网前箱纯时延达90秒。试设计网前箱温度控制系统。设计要求：1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器（阀），给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式及阀的流量特性和开闭形式；4、进行模拟调试或仿真；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数：测量范围：0-100℃；混合器出口控制温度：72±2℃最大偏差：5℃；网前箱出口控制温度：61±1.5℃最大偏差：2℃；进度计划布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天）确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天）选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。（2天）确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式（1天），调节阀的气开气关形式以及流量特性选择。（1天）上机实现系统的模拟运行或仿真、答辩。（2天）6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要本文根据测量范围及精度要求，完成了造纸厂网前箱温度控制系统的设计。在单回路闭环系统的基础上串入副回路控制，构成串级控制系统,这样可以很好的处理从混合器到网前箱的90s纯时延。以网前箱出口温度为主参数、混合器出口温度为副参数，以蒸汽流量为控制变量。系统中主要扰动为纸浆流量的影响，其他干扰如纸浆的初温、蒸汽波动等可由单回路闭环系统克服，因此本系统基本满足要求。本系统温度传感器选用集Pt100、热电偶一体的温度变送器，调节阀为气开形式，主、副控制器均为反作用。关键词：网前箱；温度控制；串级系统

目录TOC\o"1-3"\f\h\z第1章绪论1第2章课程设计的方案论证22.1概述22.1.1系统对象特性分析22.1.2系统方案论证22.1.3确定设计方案4第3章各种仪表的设计选择53.1传感器的选择设计53.2执行器的选择设计63.3控制器的选择设计73.4PID控制算法83.5电气转换器的选择设计9第4章系统仿真或模拟调试11第5章课程设计总结13参考文献14绪论19世纪世界工业革命以来，工业生产过程经过了由简单到复杂、规模由小到大的不断发展，出现了许多大型化、现代化、多品种、精细化的过程生产系统，提供各种产品以满足人们的生活需要。随着生产技术水平迅速提高与生产规模的持续扩大，对过程控制系统的要求越来越高。在控制系统中，温度控制一直占据着重要的位置，温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如工厂、家电、汽车、材料等等。下面简单介绍一下温度控制系统的发展过程：80年代是温度记录仪，在纸上画出一段时间的温度曲线，再由电脑读取。其适合监控点少，时间短的要求。90年代是多路温度显示器，适合控制点少，功能要求不高的要求。90年代末有了有线温度的监控系统：利用模拟、数字信号，RS-485，以太网等传输方式，可以长时间对温度进行实时监控，实时传进电脑。这种温度检测监控系统可以实现大规模、长时间、高要求的检测。实现多功能的检测、记录、储存、分析、报警、人机对话的功能。但经过使用发现其缺点：由于是有线传输信号，就必须排线布线，建立网络，工程麻烦。而且线路连接处的接头，常年使用会老化、氧化、松动，造成监控故障，而且排查十分麻烦。20世纪初，应运而生了半无线温度监控系统，其优点是把监控电脑利用局域网与多个中继器连接起来，把多个子单元的多个监控点传输进监控电脑，继承了有线温度监控系统的所有功能，既节省了线路，又减少了由于线路带来的监控故障。但在没有局域网的地方就无法监控了。2008年的纯无线温度监控系统解决了以上的缺点。纯无线温度信号采集仪，有温度显示，烟盒大小，小巧美观，高精度、高灵敏度、可校准。覆盖范围大、没有子单元限制，并可实现GPRS监控。实现监控系统的所有采集、记录储蓄、分析报警、手机监控、手机报警、出图、历史查询、打印各种报表等功能。本文设计造纸厂网前箱温度控制系统，混合器和网前箱在造纸厂中是非常重要的换热设备，混合器控制的主要任务就是保证工艺介质最终达到温度要求并一直维持在工艺要求范围内，但其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。

课程设计的方案论证概述系统对象特性分析本次设计主要是综合应用所学知识，设计造纸厂网前箱温度控制系统。造纸分为机制和手工两种形式。机制是在造纸机上连续进行，造纸厂纸浆由混合器送往网前箱的工艺流程如下：将适合于纸张质量的纸浆由泵从储槽送至混合器，在混合器中将纸浆与过滤网过滤后的水混合稀释至一定浓度，并被蒸汽加热至72摄氏度左右，经立筛、圆筛除去杂质后送至网前箱，再以一定的速度喷向铜网脱水。为保证质量，网前箱温度应保持在61℃左右，允许偏差不得超过±1.5℃。从混合器到网前箱纯时延达90秒。该系统以温度作为被控参数，容量滞后较大，且网前箱周围温度变化、蒸汽压力与温度、纸浆流量等参数都会对网前箱温度控制造成干扰。系统方案论证方案一：采用单回路控制系统被控参数：网前箱出口温度控制变量：蒸汽流量网前箱单回路控制系统框图如图2.1所示：此系统由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个调节阀和一个调节对象组成，并只对一个被控参数也就是网前箱温度进行控制。温度控制器设为61℃，经过温度变送器传送到比较器，与设定值比较后的偏差控制执行器的动作，也就是蒸汽阀门开关的大小，由此来控制蒸汽流量进而控制网前箱的出口温度。网前箱温度单回路控制如图2.2所示：方案二：采用串级控制系统主参数：网前箱出口温度副参数：混合器出口温度控制变量：蒸汽流量网前箱温度串级控制系统框图如图2.3所示：串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。本设计中主温度调节器是根据网前箱出口温度与设定值的偏差进行控制，在调节阀较近处选择混合器温度为副参数，与网前箱出口温度构成串级控制系统。网前箱温度串级控制如图2.4所示：立筛立筛网前箱混合器T1CT1T圆筛T2CT2T图2.4网前箱温度串级控制确定设计方案方案一单回路控制系统，根据网前箱出口温度与设定值得偏差进行控制执行器的动作，可是当混合器出现干扰时，控制系统并不能及时作用，克服干扰对控制参数的影响，故控制量较差。由于混合器到网前箱纯滞后达90s，温度偏差过大，不能满足工艺控制精度要求。但该设计使用仪表数量少，结构简单，价格低。方案二中以调节阀近处选择混合器温度为副参数，网前箱出口温度为主参数，构成串级控制系统。串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的抑制能力。所以，幅度大的扰动包括在串级系统副回路中，就可以大大减少其对主参数的影响。串级系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过它们的协调工作，使网前箱温度能够准确地控制在工艺规定的范围之内。但方案二的缺点是应用的仪表较多，费用较高。根据以上分析，将选择方案二：串级控制系统作为本设计的设计方案。各种仪表的设计选择一个正确合理的控制方案，正确的测量和控制方案固然重要，正确选择和使用各种自动化仪表也是不可忽略的，只有仪表准确而及时地检测出生产过程中的各个有关参数，测量和控制方案才能得到很好的实施。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在进行仪表的选型。下面我们简单介绍一下本设计中设计到的仪表选型：传感器的选择设计根据测量精度±1.5℃与测量范围为0-100℃的要求，本设计传感器选用一体化温度传感器模块PT100。PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比，它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，湿度采集范围是0%～100%。本设计选用SBWR热电偶温度变送器，SBWZ热电阻温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送单元。它采用二线传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。将热电偶、热电阻信号变换成与输入电信号或被测温度成线性的4~20mA的输出信号，变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。SBWZ热电阻温度变送器如主要技术指标：输出：4～20mA，0-5V

输入范围：热电阻：Pt100

测量精度：热电阻：±0.2%FS

温度漂移：±0.2%℃

冷端补偿：0～50℃±1℃

调整方式：电位器

电源电压：24VDC±10%

负载能力：0～500Ω

环境温度：-50～500℃

环境湿度：﹤85%RH执行器的选择设计执行器是自控系统中的执行机构，它的应用质量直接反应在系统的调节品质上。执行器按其操作介质的不同有多种形式，如自动调节阀、电磁阀、控制电机等。本设计选用自动调节阀作为执行器。在控制系统中的设计中，调节阀的选择是一个重要的问题，一般根据工艺条件，选择合适的结构形式和材料；根据工艺对象特点，选择控制阀的流量特性；根据工艺操作参数，选择合适的控制阀口径和尺寸；根据工艺过程的要求，选择所需要的辅助装置；下面介绍一下本设计自动调节阀的选择：调节阀结构的选择：本设计涉及的介质无腐蚀性、无毒性及粘度，所以选用单座阀。2、调节阀按其工作能源形式可分为：气动、电动和液动三类。气动调节阀是由气压信号控制的阀门，用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆的环境中工作；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，但难以在易燃易爆的环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。根据本设计要求，该调节阀调节蒸汽流量，故选用气动调节阀。3、气开、气关：从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。所以，本设计蒸汽调节阀选择气开式，即一旦出现故障或信号中断，调节阀完全关闭，切断蒸汽进入混合器。根据以上分析我们选择型号为ZXP-16K的气动调节阀，如图3.2所示：图3.2ZXP-16K调节阀ZXP-16K的调节阀具体参数如下：适用介质：气体、液体、蒸汽等输入信号：4~20mA或1~5V驱动方式：气动公称压力：1.6,2.5,3.2,6.4Mpa工作温度：-250~550℃公称直径：DN20~500（mm）连接形式：法兰控制器的选择设计本设计控制器选择SWP-ND815/825-010-23/12-HLPID外给定或阀位控制仪。该控制器主要特点：1、通过简单快捷的参数设置，即可适配各种分度号，进一步提高了仪表的多用性和可靠性。2、PID参数自整定。3、同时输入、显示测量信号及阀位反馈信号。可分别带有一路模拟量控制输出，可适用于各种测量控制场合。4、自动跟随外部给定值进行控制输出，可实现自动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法积算，并带切换限幅功能，以实现手动、自动的平稳切换。SWP-ND815/825-010-23/12-HLPID外给定或阀位控制仪如图3.3所示：特殊技术参数如下：控制输出方式：PWM输出，可控制硅出发输出，固态继电器输出，电压、电流输出。设定/显示精度：+0.5％FS+1max，设定值与显示值匹配，无相对误差。比例范围：0.0％-100.0％（单位：0.1％）积分时间：0-9999s（单位：1s）微分时间：0-9999s（单位：1s）控制周期：1-250s（单位：1s）采样周期：0.串级控制系统中，主、副调节器的作用方式要保证两个回路均为负反馈。主回路中，混合器温度升高，网前箱温度也随之升高；考虑到安全问题，调节阀选择气开式；且测量变送器作用方式均为正，所以，主调节器作用方式为反作用；副回路中，阀开度越大，蒸汽量越大，混合器温度上升；测量变送器为正作用，所以副调节作用方式为反作用。PID控制算法在串级控制系统中，主调节器的输出作为副调节器的设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。在网前箱温度控制系统中，被控参数为网前箱出口温度，混合器到网前箱纯时延达90秒，系统的滞后较大，所以，主调节器的调节规律选择PI调节。比例积分调节控制既及时，又无余差，可以提高系统的控制精度，比例度P和积分时间Ti两个参数均可调整。副控制参数是为了保证和提高主控制参数的控制质量，所以，要求不严格，可以有余差，所以副调节器的调节规律选择P调节。比例调节的优点是控制及时，反应灵敏，偏差越大、控制力越强，但控制结果存在余差。电气转换器的选择设计电气转换器是一种将电信号转换成气压型号的转换仪表，在工业现场控制过程中被广泛使用。为了使气动调节阀能够接收电动调节阀的输出信号，必须使用电/气转换器把调节器输出的标准电流信号转换为20~100kpa的标准气压信号，以便沟通电动单元仪表与气动单元仪表一起工作。本设计选用QZD-2001型系列电气转换器，它是在QZD-1000型的基础上研制开发的新一代电气转换器，本系列产品采用线圈型防爆结构，具有体积小，稳定性好，可靠性高，安装调试方便等优点。如图3.4所示：技术参数如下：输入信号：4-20mA，0-10mA输出压力：0.02-0.1MPa气源压力：0.14MPa输入阻抗：300±10Ω（4-20mA）；1000±30Ω（0-10mA）环境温度：-35-100℃相对湿度：5-95％防爆形式：ExiaⅡCT6本质安全型气源接口：螺纹M10×1，配管Φ6×1信号接口：M22×1.5基本误差：≤±1％回差：≦1％死区：小于基本误差限绝对值的1／5耗气量：小于450L／h系统仿真或模拟调试串级回路系统MATLAB仿真如图4.1所示，系统的P、I设定值如图4.2所示，系统的跟