加热炉温度控制系统设计

广西工业职业技术学院设计说明书课题名称：加热炉温度控制系统设计姓名：吴雨冬专业：过程控制班级：自动化1031起止日期2011年12月1日～2011年12月30日指导教师：黎鸿坤-1-广西工业职业技术学院设计说明书题目：加热炉温度控制系统设计-2-目录前言………………………………………………………1第一章设计的目的及意义…………………………………2第二章控制系统工艺流程及控制要求……………………22.1生产工艺介绍2.2控制要求第三章总体设计方案………………………………………33.1系统控制方案3.2系统结构和控制流程图第四章控制系统设计………………………………………54.1系统控制参数确定第五章控制仪表的选型和配置……………………………65.1一体化温度变送器5.2DX2000型无纸记录仪5.3调节器5.4执行器5.5电/气阀门定位器ZPD-015.6安全栅5.7配电器5.8薄膜气动调节阀ZMBS-16K第六章联锁保护……………………………………………11第七章系统控制接线图……………………………………12第八章收获和体会…………………………………………13参考文献-3-前言在工业中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中温度控制也也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对环境中的温度进行控制。在石油工业中，加热炉尤为重要，加热炉应用非常明显。而对加热炉进行温度控制在整个工艺生产中的重要性尤为突出。-4-第一章设计的目的及意义加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。由于这类对象使用方便，可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。在一些工业过程控制中,工业加热炉是关键部件,炉温控制精度及其工作稳定性已成为产品质量的决定性因素。对于工业控制过程,PID调节器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点,因此在控制理论和技术飞跃发展的今天,它在工业控制领域仍具有强大的生命力。在产品的工艺加工过程中，温度有时对产品质量的影响很大，温度检测和控制是十分重要的，这就需要对加热介质的温度进行连续的测量和控制。在冶金工业中，加热炉内的温度控制直接关系到所冶炼金属的产品质量的好坏，温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。为此，可靠的温度的监控在工业中是十分必要的。-5-第二章控制系统工艺流程及控制要求2.1生产工艺介绍加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。物料被加热后，温度达到生产要求后，进入下一个工艺环节。用泵将从初馏塔底得到的拔顶油送入加热炉中加热到360℃～370℃后，再送入常压分馏塔中。经分馏，在塔顶可得到低沸点汽油馏分，经冷凝和冷却到30℃～40℃时，一部分作为塔顶回流液，另一部分作为汽油产品。此外，还设有1～2个中段回流。在常压塔中一般有3～4个侧线，分别馏出煤油、轻柴油。侧线产品是按人们的不同需要而取的不同沸点范围的产品，在不同的流程中并不相同。有的侧线产品仅为煤油和轻柴油，而重油为塔底产品；有的侧线为煤油、轻柴油和重柴油，而塔底产品为常压渣油。初底油用泵加压后与高温位的中段回流、产品、减渣进行换热，一般换后温度能达到260°C以上，如果换热流程优化的好，换热温度可达到310°C左右。初底油在进入常压炉进一步加热至365°C（各装置设定的炉出口温度随所炼不同原油的组成性质而差异，一般都在360°C至370°C之间）。最后初底油进入常压塔进行分离。加热炉设备主要工艺流程图如图2-1所示。-6-图2-1加热炉设备主要工艺流程图2.2控制要求加热炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使加热炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，加热炉设备将有主要的控制要求：加热炉燃烧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。-7-第三章总体设计方案3.1系统控制方案随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。本加热炉温度控制系统较为简单，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。采用PID调节器组成的PID自动控制系统调节炉温。PID调节器的比例调节,可产生强大的稳定作用;积分调节可消除静差;微分调节可加速过滤过程,克服因积分作用而引起的滞后。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。本加热炉温度控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。在运行过程中，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PID算法计算后输出，通过执行器调节燃料流量，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。3.2系统结构和控制流程图根据控制要求和控制方案设计的加热炉温控制系统结构如图3-1所示,该系统主要由调节对象(加热炉)、检测元件(测温仪表)、变送器、调节器和执行器等5个部分组成,构成单回路负反馈温度系统。其中显示器是可选接次要器件，故用虚线表示；θ为物料出口温度，Qg为燃料流量。箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，经过一系列器件和运算后，由执行器改变燃料流量，进而实现温度控制。-8-图3-1加热炉温度控制系统结构图图3-2加热炉温度控制系统整体控制流程图Qg为燃料流量，θ为物料出口温度，加热炉作为控制对象。-9-第四章控制系统设计4.1系统控制参数确定4.1.1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θ作为被控参数。该参数可直接反应控制目的。4.1.2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：①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；②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；③在①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；综合以上原则，选择燃料的流量Qg量作为控制参数。第五章控制仪表的选型5.1测温元件本控制系统的测温元件采用Pt100热电阻，工业用铂电阻作为温度测量变送器，通常用来和显示、记录、调节仪表配套，直接测量各种生产过程中从0～500℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体等表面温度。5.2度变送器型号：DBW-4230，环境温度:0~50℃,环境湿度:90%RH,供电电源:220AC、220VAC(开关电源)-10-功耗:≤6W,分度号：热电阻Pt100，测量范围：0~500℃，输入信号：1-5V，输出信号：4-20mA，精度等级：0.5级5.2DX2000型无纸记录仪:DX2000系列新型无纸记录仪,为DX200系列无纸记录仪的升级产品,DX2000最多可达48通道.可以广泛应用于各种环境中。额定电源电压：220VAC+10-15％，使用电源电压范围：90～260VAC，额定电源频率：50～60Hz，功耗：15W环境温度0～50℃环境湿度：20～80%RH（5～40℃）5.3调节器DDZ-III型PID调节器TDM-400性能指标如下表所示：表5.2DDZ-III型PID调节器性能指标2.DDZ-III型调节器接线端子如下图所示：图5-6DDZ-III型调节器调节器接线端子名称性能输入信号1~5V直流电压外给定信号4~20mA直流电流（输入电阻250Ω）输出信号4~20mA直流电流负载电阻250Ω~750Ω输入与给定指示0~100%，指示误差为1.0%输出信号指示0~100%，指示误差为2.5%整定参数（F=1情况下）比例带Xp=2~500%连续可调，最大值刻度误差2.5%；积分时间Ti有两档0.01~2.5分与0.1~25分。分别连续可调，最大值与最小值刻度误差为2550%；微分时间Td=0.04~10分，连续可调，最大刻度误差为2550%干扰系数FIT/T1FD积分增益KdKd10闭环跟踪误差%5.0-11-5.4执行器5.4.1执行器选型本系统中，执行器是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节燃料流量的装置。1.执行器的结构形式：执行器在结构上分为执行机构和调节机构。其中执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：①生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；②保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；③尽可能的降低原料、产品、动力损耗；④从介质的特点考虑。综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器的调节阀选择气开阀：执行机构采用正作用方式，调节机构正装以实现气开的气动薄膜调节蝶阀。1.调节阀的流量特性：调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性、抛物线特性和快开特性四种，在本系统中执行器的调节阀的流量特性选择等百分比特性。2.调节阀的口径：调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。5.5电/气阀门定位器ZPD-01-12-表5.3ZPD-01参数表名称性能输入信号4-20mA·DC输出信号0-0.14MPa图5-8ZPD-01端子图5.6安全栅型号：DFA-3100，防爆等级：iaIICT6，最大允许电压VM：（防爆额定值）AC/DC、220V，额定工作电压VD：DC24（+10～-5）%V，额定工作电流ID：DC4～20mA，内阻：（DC20mA）DFA-3100≤190Ω，DFA-3300≤150Ω精度：0.2%可行性：安全栅是本质安全防爆型仪表的关键设备。在正常状态时，安全栅不影响系统正常运行，当发生故障时（危险场所的连线短路或接地，非危险场异常电压混触）安全栅具有限压限流和断电等功能可以将危险场的电能量限制在点火界限以内，确保现场的安全。它广泛用于石油、化工、轻工等易爆易燃的场所。它具有：防爆等级高、精度高、体积小、价格便宜安装方便等优点。采用双重化元件电路，可靠性高。5.7配电器型号：DFP-2100，通道数:2，重量:1.5Kg，功耗：2.4WDFP-2100配电器属于控制室内仪表它通过DC-D