1、遼遼 寧寧 工工 業業 大大 學學 過程控制系統過程控制系統 課程設計（論文）課程設計（論文） 題目：題目：基于廢水和蒸汽的換熱器溫度控制系統設計基于廢水和蒸汽的換熱器溫度控制系統設計 院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業班級：專業班級： 測控測控111111班班 學學 號：號： 110301013110301013 學生姓名：學生姓名： 金兆鑫金兆鑫 指導教師：指導教師： 王鐵超王鐵超 起止時間：起止時間： 20142014年年1212月月15-2615-26日日 摘 要 本次課設為基于廢水和蒸汽的換熱器溫度控制系統設計，任務是冷物料通過 熱交換器用熱水（工業廢水）和蒸汽對其

2、進行加熱，工藝要求出口溫度為 1402。當用熱水加熱不能滿足出口溫度要求時，則在同時使用蒸氣加熱。要 求測量范圍在 0-180、控制溫度 1402、最大偏差 5，本次課程設計采用 分程控制系統通過一個控制器控制兩個閥門進而控制兩個參數實現廢水和蒸汽的 換熱過程，選擇合適的溫度變送器、溫度控制器、電氣閥門定位器、氣動閥組成 相應的控制系統實現題目要求，確定算法。進行仿真分析。本次設計特點是節省 資源，不浪費熱量。采用分程控制系統可以實現節能，通過 matlab 仿真進行 分析總結。 關鍵詞：換熱器；分程控制；節能；算法 目 錄 第 1 章 緒論.1 第 2 章 課程設計的方案論證.2 2.1 概

3、述 .2 2.1.1 系統對象特性分析.2 2.1.2 系統方案論證.2 2.1.3 確定設計方案.3 2.2 系統組成總體結構 .4 第 3 章 各種儀表的設計選擇.5 3.1 溫度變送器的選擇設計 .5 3.2 閥門定位器的選擇 .6 3.3 執行器的選擇設計 .7 3.4 控制器的選擇設計 .8 3.5 pid 控制算法.9 第 4 章 系統仿真或模擬調試.10 第 5 章 課程設計總結.12 參考文獻.13 第 1 章 緒論 換熱技術的發展，換熱器是化工、石油、能源等各工業中應用相當廣泛的單 元設備之一。據統計, 在現代化學工業中換熱器的投資大約占設備總投資的 30% , 在煉油廠中占

4、全部工藝設備的 40% 左右, 海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱 器組成的。對國外換熱器市場的調查表明, 雖然各種板式換熱器的競爭力在上升, 但管殼式換熱器仍占主導地位約 64% 。新型換熱元件與高效換熱器開發研究的結 果表明, 列管式換熱器已進入一個新的研究時期, 無論是換熱器傳熱管件, 還是殼 程的折流結構都比傳統的管殼式換熱器有了較大的改變, 其流體力學性能、換熱 效率、抗振與防垢效果從理論研究到結構設計等方面也均有了新的進步。目前各 國為改善該換熱器的傳熱性能開展了大量的研究, 主要包括管程結構和殼程結構 強化傳熱的發展。 換熱技術的應用前景，近幾年來, 隨著高溫熱管技術研究的不斷成

5、熟和深入, 高溫熱管換熱器的應用領域逐漸擴大, 目前已廣泛應用于工業、民用和國防等各 個領域。在冶金、化學、陶瓷、建材及輕工等工業生產中, 常需要 500以上的清 潔空氣以滿足助燃、干燥和供氧等需要, 采用高溫熱管空氣加熱器可以輕易地達 到這一要求, 并且從根本上解決常規空氣加熱器所無法解決的傳熱難題。 高溫熱管技術在噴霧干燥中的應用取得成功, 并已收到了令人滿意的實際效 果。根據現場測試的參數表明, 高溫熱管換熱器達到的某些性能指標, 是其他類型 熱風發生器所達不到的, 因而在某些特定工況條件下的應用也是無法取代的 換熱器的國內現狀，照其功能可命名，如冷凝器、蒸發器、再熱器、過熱器 等，按換

6、熱部件的特點可分為：管殼式換熱器、翅片管式換熱器、板式換熱器 （包括板片式換熱器和板翅式換熱器） 。對于各型換熱器的強化換熱技術的研究， 主要集中在對換熱器內流體流態變化以及對各部件的參數優化研究兩方面。節能 減排已成為我國“十二五”期間重要戰略的舉措，高效節能換熱器的研究也成為 當今地下換熱領域研究的熱點。所以現在的換熱器越來越向高精尖的技術水品發 展 第 2 章 課程設計的方案論證 2.1 概述 本次課設為基于廢水和蒸汽的換熱器溫度控制系統設計，任務是冷物料通過 熱交換器用熱水（工業廢水）和蒸汽對其進行加熱，工藝要求出口溫度為 1402。當用熱水加熱不能滿足出口溫度要求時，則在同時使用蒸氣

7、加熱。要 求測量范圍在 0-180、控制溫度 1402、最大偏差 5。運用 matlab 仿真 觀察出口溫度是否滿足設計要求。 2.1.1 系統對象特性分析 本次設計主要是在某生產過程中，冷物料通過熱交換器用熱水（工業廢水） 和蒸汽對其進行加熱。被控對象是換熱器出口溫度。控制對象是蒸汽閥和熱水 （工業廢水）閥。通過 pid 運算對被控對象進行溫度控制。 應用場合: 換熱器是化工、石油、能源等各工業中應用相當廣泛的單元設備 之一，在多種化工廠應用非常廣泛是目前節省熱能的主要工業手段。 系統功能介紹: 本系統的功能是利用蒸汽和工業廢水對換熱器進行溫度轉換， 使熱能應用到其他地方，以節省熱能。本系統

8、采用兩種變量來控制換熱器出口溫 度，使系統更加節能，更加經濟。 2.1.2 系統方案論證 方案一：利用兩個單回路控制系統分別控制蒸汽和工業廢水，對換熱器進行 換熱，保證出口溫度始終保持在 1402，即滿足設計要求。該方案優點是控制 簡單，有良好的經濟性，執行起來方便。缺點是兩個變量之間沒有聯系，而且相 對來講浪費能源，不能保證最節約的形式。該方案總體框圖如圖 2.1 所示。 圖 2.1 單回路控制系統 方案二：利用分程控制系統控制廢水和蒸汽的換熱器控制，通過一個控制器 來控制兩個閥門，一個閥門控制蒸汽流量，另一個閥門控制熱水（工業廢水）流 量，通過協調作用來保證換熱器出口溫度保持在 1402，

9、該方案的優點是，通 過一個控制器完成兩個控制變量的相互協調可以再利用 pid 算法減小偏差，更加 節省物料。該設計方案的缺點是分程控制的實現相對單回路而言比較復雜，執行 起來不容易。分程控制總體結構框圖如下圖 2.2 所示。 圖 2.2 分程控制系統 2.1.3 確定設計方案 分程控制系統是由單回路控制系統演變過來的，具有一個控制器可以控制多 個閥門的控制系統，在實際生產中有一只控制器的輸出信號分段分別去帶動兩個 或兩個以上的控制閥作用，每一個控制閥僅在控制器輸出信號整個范圍的某段信 號內工作的控制方式稱為分程控制。根據兩個方案的比較以及設計要求，本次設 計采用方案二。方案二可以對兩個變量進行

10、協調控制，效果會比兩個互相沒有聯 系的單回路控制要好。 在本設計系統中，溫度控制器采用反作用方式，即當換熱器出口溫度低于要 求溫度時控制器對兩個閥的開度加大，因此蒸汽閥和熱水閥都選用氣開的形式， 工作信號范圍在 a 閥為 19.658.9kpa，b 閥為 58.998.1kpa 范圍內，a 閥開， b 閥關，節省蒸汽。當換熱器出口溫度下降時溫度控制器輸出氣壓信號增強，當 氣壓信號到 58.9kpa 時，a 閥全開+b 閥打開來保持出口溫度。 2.2 系統組成總體結構 系統的組成總體結構圖如下圖 2.3 所示。 圖 2.3 總體結構圖 第 3 章 各種儀表的設計選擇 3.1 溫度變送器的選擇設計

11、 在過程控制系統中用于參數檢測的傳感器、變送器是系統中獲取信息的裝置。 傳感器、變送器完成對被控參數以及其他一些參數、變量的檢測，并將測量信號 傳送至控制器，測量信號是調節器進行控制的基本依據，被控參數迅速、準確地 測量是實現高性能控制的重要條件。測量不準確或不及時，會產生失調、誤調或 調節不及時，影響之大不容忽視，因此，傳感器、變送器的選擇是過程控制系統 設計中的重要一環。 傳感器與變送設備的選擇與使用，主要根據被檢測參數的 性質以及控制系統設計的總體功能要求來決定。被檢測參數的性質、測量精度、 響應速度要求以及對控制性能要求等都影響傳感器、變送器的選擇與使用，在系 統設計時，要從工藝的合理

12、性、經濟性、可替換性等方面加以綜合考慮。 本次課設采用 sbwz-2460 溫度變送器，此傳感器采用全不銹鋼封焊結構，具 有良好的防潮能力及優異的介質兼容性。廣泛用于工業設備、水利、化工、醫療、 電力、空調、金剛石壓機、冶金、車輛制動、樓宇供水等溫度測量與控制。 量程：-50-200. 輸出信號：4-20ma 直流信號，與熱電偶或熱電阻的輸入信號成線性。同時疊 加符合 hart 標準協議通信信號. 基本誤差：0.2%fs、0.5%fs； 接線方式：二線制、三線制； 顯示方式：四位lcd顯示溫度； 工作電壓：12-35v dc； 工作環境：環境溫度-25-80； 相對溫度 5%-95%； 無腐蝕

13、氣體或類似環境； 如下圖 3.1 所示為 sbwz-2460 溫度變送器實物圖。 圖 3.1 sbwz-2460 溫度變送器 3.2 閥門定位器的選擇 本次設計由于采用氣動閥門，所以需要用電氣閥門定位器來實現溫度控制器 的輸出電信號轉換為氣信號作用到閥門上，閥門定位器在生產生活中應用廣泛。 本次設計采用 hep-17 電氣閥門定位器，其參數如下所示。 精度：小于全行程的 1%； 回差：小于全行程的 1%； 死區：小于全行程的 0.4%； 特性：線性； 氣源壓力：0.140.16mpa、0.170.5 mpa； 電氣連接：g1/2 螺紋； 氣管連接：卡套式氣管接頭； 外形尺寸：392.5*141

14、.5*231（長寬高） ； hep-17 電氣閥門定位器實物圖如下圖 3.2 所示 圖 3.2hep-17 電氣閥門定位器 3.3 執行器的選擇設計 執行器（final controlling element）是自動化技術工具中接收控制信息 并對受控對象施加控制作用的裝置。執行器也是控制系統正向通路中直接改變操 縱變量的儀表，由執行機構和調節機構組成。 在過程控制系統中，執行器由執行機構和調節機構兩部分組成。調節機構通 過執行元件直接改變生產過程的參數，使生產過程滿足預定的要求。執行機構則 接受來自控制器的控制信息把它轉換為驅動調節機構的輸出（如角位移或直線位 移輸出） 。它也采用適當的執行元

15、件，但要求與調節機構不同。執行器直接安裝 在生產現場，有時工作條件嚴苛。能否保持正常工作直接影響自動調節系統的安 全性和可靠性。 自動調節閥是能夠按照所輸入的控制信號自動改變開度的閥門。自動調節閥 按其工作能源形勢可分為氣動、電動、液動三大類。 本次課設執行器采用 ma 系列氣動調節閥，配用多彈簧執行機構。具有結構 緊湊、重量輕、動作靈敏、充體通道呈 s 流線型、壓降損失小、閥容量大、流量 特性精確、拆裝方便等優點。廣泛應用于精確控制氣體、液體等介質，氣動調節 閥的工藝參數如壓力、流量、溫度、液位保持在給定值。特別適用于允許泄漏量 小閥前后壓差不大的工作場合。參數如下所示。 公稱通徑：124；

16、 閥體內型：直通式，角式； 執行機構：氣動執行機構； 閥作用形式：氣開式、氣關式； 流量特性：快開、線性、等百分百； 類型：iii 型表； ma 系列氣動調節閥實物圖如下圖 3.3 所示。 圖 3.3ma 系列氣動調節閥 3.4 控制器的選擇設計 本次設計采用通用型 pid 溫度控制器，型號為 zws-42-1ws1l 溫度控制器， 該表采用標準 modbus 協議（rtu 模式） ，無須制作驅動程序，通用性極好。該表 具有多類型輸入功能，一臺儀表可以配接不同的輸入信號(熱電偶/熱電阻/線性 電壓/線性電流/線性電阻), 大大減少了備表的數量。可與各類傳感器、變送器 配合使用，實現對溫度、壓力

17、、液位、流量等物理量的測量和顯示，并配合各種 執行機構，對電加熱設備和電磁、電動閥門進行 pid 調節和控制。技術參數如下 所示 供電電壓：ac220v 50hz； 測量控制范圍：溫度=-5099 精度=1； 濕度 0100%rh 精度 3%rh （10rh99%rh） ； 參數設置：上限值：溫度=-4999 濕度=299rh； 下限值：溫度=-5099 濕度=198rh； 傳感器誤差修正：溫度-5099 濕度 0100rh； 顯示方式： 各三位 led 數碼管顯示，1 位小數； 響應速度： 典型值 5s； 負載繼電器輸出容量：ac220v / 5a（阻性負載時）二路 有源輸出； 體積： 72

18、x72x80mm； zws-42-1ws1l 實物圖如下圖 3.4 所示。 圖 3.4zws-42-1ws1l 3.5 pid 控制算法 比例控制規律(p)是一種最基本的控制規律，其適用范圍很廣。在一般情況下 控制質量較高，但有余差。此外，當過程慣性時延較大時，由于純比例作用在起 始段動作不夠靈敏，因而超調量較大，同時加長了過渡過程時間，于是純比例作 用的應用受到了限制。對于過程控制通道容量較大，純時延較小，負荷變化不大， 工藝要求又不太高的場合，可選用比例控制作用。 比例積分(pi)控制規律，由于引入積分作用能消除余差，所以當過程容量較 小，負荷變化較大，工藝要求無余差時，采用比例積分控制規

19、律可以獲得較好的 控制質量。但是當過程控制通道的純時延和容量時延都較大時，由于積分作用容 易引起較大的超調，可能出現持續振蕩，所以要盡可能避免用比例積分控制規律， 不然會降低控制質量。通常對管道內的流量或壓力控制，采用比例積分作用其效 果甚好，所以應用較多。 第 4 章 系統仿真或模擬調試 經過 matlab 仿真，本設計的分程系統結構圖如下圖 4.1 所示。 圖 4.1 分程結構仿真圖 相應的 pi 設定值如下圖 4.2 所示。 圖 4.2 pi 參數設定 仿真波形圖如下圖 4.3 所示。 圖 4.3 無擾動仿真圖 當加入干擾時分程結構如下圖 4.4 所示 圖 4.4 分程結構仿真圖 帶有干擾的仿真圖如下圖 4.5 所示。 圖 4.5 加干擾后的仿真圖 第 5 章 課程設計總結 本次課程設