《过控课设》-第一版

XXXX大学过程控制系统课程设计（论文）题目：原料油加热炉温度控制系统的设计院（系）：XXXXXXXX学院专业班级：XXXXXXX学号：XXXXXXXXX学生姓名：XXXX指导教师：（签字）起止时间：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX课课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号XXXXXX学生姓名XX专业班级XXXX1设计题目原料油加热炉温度控制系统的设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能设计原料油加热炉温度控制系统加热炉是生产中常用的设备之一。工艺要求被加热物料的出口温度保持在60±0.5℃。影响炉出口温度的因素：被加热物料的流量和初温；燃烧压力的波动、流量的变化、燃料热值的变化；烟囱的抽力变化等。设计任务及要求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，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；4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；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：-40～100℃控制温度：60±0.5℃最大偏差：2℃工作计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天）2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天）3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天）4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（1天）5、上机实现系统的模拟运行、答辩。（3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：指导教师签字：总成绩：年月日摘要生产自动控制过程中，随着工艺要求，安全、经济生产不断地情况下，简单、常规的控制已不能适应现代化生产。传统的单回路控制系统很难使系统安全抗干扰。串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，因为在复杂的过程控制工业中得到了广泛的应用。随着PLC功能的扩充在许多PLC控制器中都扩充了PID控制功能,因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。整个设计对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述，设计了加热炉串级控制系统，并将基于PID算法应用在控制系统中。结合基于计算机控制的PID参数整定方法实现串级控制。本设计是利用西门子S7-200PLC控制加热炉温度的控制系统。介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成和系统硬件及软件的具体设计过程。控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性。关键词：串级控制，干扰，PLC，回路，PID目录第1章绪论随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一。其任务是把原料油加热到一定的温度，以保证下道工序的顺利进行。因此加热炉的温度控制起着举足轻重的作用，直接关系到产量、能源、污染、工人的劳动强度等等。近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。目前而言，国内加热炉控制多数仍旧采用老式的人工控制，需要操作人工控制.需要操作人员完全手动控制燃料，原料阀的开度，进行烧炉。这样一来，流量控制的精度将极差，操作的及时性也将大大降低。同时，由于大多数加热炉的燃料是利用高炉煤气，而高炉煤气是多用户煤气管网，煤气压力波动极大，煤气流量也将严重不稳定，对人工操作难度也进一步加大。为此我们设计一套以串级控制为基础的加热炉串级控制系统，这对提高工业产能具有相当积极的意义。第2章控制系统的设计方案2.1概述本设计的整体思路是：利用对燃料量的控制最终来实现对原油的温度的控制，该控制分为主回路与副回路控制两部分，在原油出口处设置主回路温度传感器，由其带动主回路温度控制器从而进行对燃料阀的流量控制，此控制为主回路被控参数控制。在炉膛设置主回路温度传送器，由其带动主回路温度控制器进行对干扰的消除。这样，便构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。2.2方案论证方案1：简单控制系统管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此，常选原料油出口温度1t（）为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图1-1所示的温度控制系统，控制系统框图如图1-2所示。影响原料油出口温度1t（）的干扰有原料油流量1()ft、原料油入口温度2()ft、燃料压力3()ft、燃料压力4()ft等。该系统根据原料油出口温度1t（）变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，是一个简单控制系统。TCTT被加热原料燃料出口温度图1-1管式加热炉出口单回路温度控制系统由图1-1可知，当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油的出口温度。从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度变化，这个通道时间常数很大，约有15min，反应缓慢。而温度调节器1TC是根据原料油的出口温度1()t与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，图1-1所示的控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数1()t的影响，控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度1()t要求严格时，上述简单控制系统很难满足要求。图1-2管式加热炉出口温度单回路控制系统框图燃料在炉膛燃烧后，首先引起炉膛温度2()t变化，再通过炉膛与原料油的温差将热量传给原料油，中间还要经过原料油管道管壁。显然，燃料量变化或燃料热值变化，首先使炉膛温度发生改变。如果以炉膛温度作为被控参数组成单回路控制系统，会使控制通道容量滞后减少，时间常数约为3min，对来自燃料的干扰3()ft、4()ft的控制作用比较及时，对应的控制系统如图1-3所示。系统框图如图1-4。但问题是炉膛温度2()t毕竟不能真正代表原料油出口温度1()t，即使炉膛温度恒定，原料油本身的流量或入口温度变化仍会影响原料油出口温度，TCTT被加热原料燃料出口温度图1-3管式加热炉炉膛温度控制系统这是因为来自原料油的干扰1()ft、2()ft并没有包含在图1-4所示的控制系统（反馈回路）之内，控制系统不能克服1()ft、2()ft对原料油出口温度的影响，控制效果仍达不到生产工艺要求。如果将上面两种控制系统的优点——温度调节器1TC对被控参数1()t的精调节器1调节阀炉膛管壁原料油温度变送器图1-4管式加热炉炉膛温度控制系统框图燃料油T1TT1CT2CT2T图1-5管式加热炉出口温度串级控制系统确控制、温度调节器2TC对来自燃料的干扰3()ft、4()ft的及时控制结合起来，先根据炉膛温度2()t的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰3()ft、4()ft对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度1()t与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器2TC的设定值，进一步调节燃料量，以保持原料油出口温度恒定，这样就构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。管式加热炉串级控制系统流程图及系统框图分别如图1-5、图1-6。这样干扰3()ft、4()ft对原油出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（图1-5中的2TC，图1-6中的副调节器）构成的控制回路进行校正；由原料油出口温度调节器（图1-5中的1TC，图1-6中的主调节器）构成的控制回路克服干扰1()ft、2()ft对原料油出口温度1()t的影响，并对其他干扰所引起的1()t的偏差进行校正。调节器2调节阀炉膛原料油温度变送器2图1-6管式加热炉出口温度串级控制系统框图综上所述，由于管式加热炉动态性复杂、存在多种扰动，简单控制系统难以满足控制要求，所以采用串级控制系统。2环节设计串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。2.1副回路的设计与副参数的选择副回路的选择是确定副回路的被控参数，串级系统的特点主要来源于它的副回路，副回路的参数选择一般应遵行下面几个原则：（1）主、副参数有对应关系。即通过调整副参数能有效地影响主参数，副参数的变化应反映主参数的变化趋势、并在很大程度上影响主参数；其次，选择的副参数必须是物理上可测的；另外，由副参数所构成的副回路，调节通道尽可能短，调节过程时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的工作频率，加快控制过程反应速度，改善系统控制品质。（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰。在选择副参数时一定要把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中，但也不是副回路包含的干扰越多越好，因为副回路包含的干扰越多，其控制通道时间常数必然越大，响应速度变慢，副回路快速克服干扰的能力将受到影响。所以在选择副参数时，应在副回路反应灵敏与包含较多干扰之间进行合理的平衡。（3）副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生。在串级控制系统中，主、副回路中控制过程的时间常数不能太接近，一方面副调节器调节阀炉膛管壁原料油温度变送器1主调节器温度传感器2是为了保证副回路具有较快的反应能力，另一方面由于在串级控制系统中，主、副会理密切相关，如果主、副回路中的时间常数比较接近，系统一旦受到干扰，就有可能产生“共振”，使控制质量下降，甚至使系统因震荡而无法工作。在选择副参数时，应注意使主、副回路中控制过程的时间常数之比为3~10，以减少主、副回路的动态联系、避免“共振”。（4）应注意工艺上的合理性和经济性。2.2主、副调节器调节规律的选择在串级控制系统中，主，副调节器起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，因此，主调节器应选PI或PID调节规律。副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。为此，副调节器选择P调节规律。2.3主、