1、 XXXX 大 學 過程控制系統 課程設計（論文）題目： 原料油加熱爐溫度控制系統的設計 院（系）： XXXXXXXX學院 專業班級： XXXXXXX 學 號： XXXXXXXXX 學生姓名： XXXX 指導教師： （簽字）起止時間：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX課課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：測控技術與儀器學 號XXXXXX學生姓名XX專業班級XXXX1設計題目原料油加熱爐溫度控制系統的設計課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現功能設計原料油加熱爐溫度控制系統加熱爐是生產中常用的設備之一。工藝要求被加熱物料的出口溫度保持在60

2、±0.5。影響爐出口溫度的因素：被加熱物料的流量和初溫；燃燒壓力的波動、流量的變化、燃料熱值的變化；煙囪的抽力變化等。設計任務及要求1、確定控制方案并繪制原理結構圖、方框圖；2、選擇傳感器、變送器、控制器、執行器，給出具體型號和參數；3、確定控制器的控制規律以及控制器正反作用方式；4、若設計由計算機實現的數字控制系統應給出系統硬件電氣連接圖及程序流程圖；5、按規定的書寫格式，撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在4000字以上。技術參數測量范圍：-40100控制溫度：60±0.5 最大偏差：2工作計劃1、布置任務，查閱資料，理解掌握系統的控制要求。（2天 ）2、確定系統的

3、控制方案，繪制原理結構圖、方框圖。（1天 ）3、選擇傳感器、變送器、控制器、執行器，給出具體型號。（2天 ）4、確定控制器的控制規律以及控制器正反作用方式。（ 1天）5、上機實現系統的模擬運行、答辯。（3天 ）6、撰寫、打印設計說明書（1天 ）指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 指導教師簽字： 總成績： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘要生產自動控制過程中，隨著工藝要求，安全、經濟生產不斷地情況下，簡單、常規的控制已不能適應現代化生產。傳統的單回路控制系統很難使系統安全抗干擾。串級控制系統具備較好的抗干擾能力、快速性、適應性和控制質量，因為在

4、復雜的過程控制工業中得到了廣泛的應用。隨著PLC功能的擴充在許多PLC 控制器中都擴充了PID 控制功能, 因此在邏輯控制與PID控制混合的應用場所中采用PLC控制是較為合理的。整個設計對串級控制系統的特點和主副回路設計進行了詳述，設計了加熱爐串級控制系統，并將基于PID算法應用在控制系統中。結合基于計算機控制的PID參數整定方法實現串級控制。本設計是利用西門子S7-200PLC控制加熱爐溫度的控制系統。介紹了溫度控制系統的工作原理和系統的組成和系統硬件及軟件的具體設計過程。控制結果表明系統具有優良的控制精度和穩定性。關鍵詞：串級控制，干擾，PLC，回路，PID目錄第1章 緒論隨著人們物質生活

5、水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產品的質量和功能也向更高的檔次發展，制造產品的工藝過程變得越來越復雜，為滿足優質、高產、低消耗，以及安全生產、保護環境等要求，做為工業自動化重要分支的過程控制的任務也愈來愈繁重。在現代工業控制中, 過程控制技術是一歷史較為久遠的分支。在本世紀30 年代就已有應用。過程控制技術發展至今天, 在控制方式上經歷了從人工控制到自動控制兩個發展時期。在自動控制時期內，過程控制系統又經歷了三個發展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。幾十年來，工業過程控制取得了驚人的發展，無論是在大規模的結構復雜的工業生產過程中，還是在傳統工業過程改造中，過程控制技

6、術對于提高產品質量以及節省能源等均起著十分重要的作用。加熱爐是煉油、化工生產中的重要裝置之一。其任務是把原料油加熱到一定的溫度，以保證下道工序的順利進行。因此加熱爐的溫度控制起著舉足輕重的作用，直接關系到產量、能源、污染、工人的勞動強度等等。近年來，加熱爐溫度控制系統是比較常見和典型的過程控制系統，溫度是工業生產過程中重要的被控參數之一，冶金機械食品化工等各類工業生產過程中廣泛使用的各種加熱爐熱處理爐反應爐，對工件的處理均需要對溫度進行控制。因此，在工業生產和家居生活過程中常需對溫度進行檢測和監控。由于許多實踐現場對溫度的影響是多方面的，使得溫度的控制比較復雜，傳統的加熱爐電氣控制系統普遍采用

7、繼電器控制技術，由于采用固定接線的硬件實現邏輯控制，使控制系統的體積增大，耗電多，效率不高且易出故障，不能保證正常的工業生產。隨著計算機控制技術的發展，傳統繼電器控制技術必然被基于計算機技術而產生的PLC控制技術所取代。而PLC本身優異的性能使基于 PLC控制的溫度控制系統變的經濟高效穩定且維護方便。目前而言，國內加熱爐控制多數仍舊采用老式的人工控制，需要操作人工控制.需要操作人員完全手動控制燃料，原料閥的開度，進行燒爐。這樣一來，流量控制的精度將極差，操作的及時性也將大大降低。同時，由于大多數加熱爐的燃料是利用高爐煤氣，而高爐煤氣是多用戶煤氣管網，煤氣壓力波動極大，煤氣流量也將嚴重不穩定，對

8、人工操作難度也進一步加大。為此我們設計一套以串級控制為基礎的加熱爐串級控制系統，這對提高工業產能具有相當積極的意義。第2章 控制系統的設計方案2.1 概述本設計的整體思路是：利用對燃料量的控制最終來實現對原油的溫度的控制，該控制分為主回路與副回路控制兩部分，在原油出口處設置主回路溫度傳感器，由其帶動主回路溫度控制器從而進行對燃料閥的流量控制，此控制為主回路被控參數控制。在爐膛設置主回路溫度傳送器，由其帶動主回路溫度控制器進行對干擾的消除。這樣，便構成了以原料油出口溫度為主要被控參數，以爐膛溫度為輔助被控參數的串級控制系統。2.2 方案論證方案1：簡單控制系統管式加熱爐是煉油、化工生產中的重要裝

9、置之一，它的任務是把原料油加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進行。因此，常選原料油出口溫度為被控參數、燃料流量為控制變量，構成如圖1-1所示的溫度控制系統，控制系統框圖如圖1-2所示。影響原料油出口溫度的干擾有原料油流量、原料油入口溫度、燃料壓力、燃料壓力等。該系統根據原料油出口溫度變化來控制燃料閥門開度，通過改變燃料流量將原油出口溫度控制在規定的數值上，是一個簡單控制系統。圖1-1 管式加熱爐出口單回路溫度控制系統由圖1-1可知，當燃料壓力或燃料熱值變化時，先影響爐膛溫度，然后通過傳熱過程逐漸影響原料油的出口溫度。從燃料流量變化經過三個容量后，才引起原料油出口溫度變化，這個通道時間常數很大

10、，約有15min，反應緩慢。而溫度調節器是根據原料油的出口溫度與設定值的偏差進行控制。當燃料部分出現干擾后，圖1-1所示的控制系統并不能及時產生控制作用，克服干擾對被控參數的影響，控制質量差。當生產工藝對原料油出口溫度要求嚴格時，上述簡單控制系統很難滿足要求。調節器1調節閥爐膛管壁原料油溫度變送器圖1-2 管式加熱爐出口溫度單回路控制系統框圖燃料在爐膛燃燒后，首先引起爐膛溫度變化，再通過爐膛與原料油的溫差將熱量傳給原料油，中間還要經過原料油管道管壁。顯然，燃料量變化或燃料熱值變化，首先使爐膛溫度發生改變。如果以爐膛溫度作為被控參數組成單回路控制系統，會使控制通道容量滯后減少，時間常數約為3mi

11、n，對來自燃料的干擾、的控制作用比較及時，對應的控制系統如圖1-3所示。系統框圖如圖1-4。但問題是爐膛溫度畢竟不能真正代表原料油出口溫度，即使爐膛溫度恒定，原料油本身的流量或入口溫度變化仍會影響原料油出口溫度，圖1-3 管式加熱爐爐膛溫度控制系統這是因為來自原料油的干擾、并沒有包含在圖1-4所示的控制系統（反饋回路）之內，控制系統不能克服、對原料油出口溫度的影響，控制效果仍達不到生產工藝要求。 如果將上面兩種控制系統的優點溫度調節器對被控參數的精調節器2調節閥爐膛原料油溫度變送器2圖1-4管式加熱爐爐膛溫度控制系統框圖圖1-5 管式加熱爐出口溫度串級控制系統確控制、溫度調節器對來自燃料的干擾

12、、的及時控制結合起來，先根據爐膛溫度的變化，改變燃料量，快速消除來自燃料的干擾、對爐膛溫度的影響；然后再根據原料油出口溫度與設定值的偏差，改變爐膛溫度調節器的設定值，進一步調節燃料量，以保持原料油出口溫度恒定，這樣就構成了以原料油出口溫度為主要被控參數，以爐膛溫度為輔助被控參數的串級控制系統。管式加熱爐串級控制系統流程圖及系統框圖分別如圖1-5、圖1-6。這樣干擾、對原油出口溫度的影響主要由爐膛溫度調節器（圖1-5中的，圖1-6中的副調節器）構成的控制回路進行校正；由原料油出口溫度調節器（圖1-5中的，圖1-6中的主調節器）構成的控制回路克服干擾、對原料油出口溫度的影響，并對其他干擾所引起的的

13、偏差進行校正。副調節器調節閥爐膛管壁原料油溫度變送器1主調節器溫度傳感器2圖1-6 管式加熱爐出口溫度串級控制系統框圖綜上所述，由于管式加熱爐動態性復雜、存在多種擾動，簡單控制系統難以滿足控制要求，所以采用串級控制系統。2 環節設計串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定，后一個調節器的輸出送往調節閥。前一個調節器稱為主調節器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標；后一個調節器稱為副調節器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩定主變量而引入的輔助變量。整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變

14、送、副調節器、調節閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成。2.1 副回路的設計與副參數的選擇副回路的選擇是確定副回路的被控參數，串級系統的特點主要來源于它的副回路，副回路的參數選擇一般應遵行下面幾個原則：（1）主、副參數有對應關系。即通過調整副參數能有效地影響主參數，副參數的變化應反映主參數的變化趨勢、并在很大程度上影響主參數；其次，選擇的副參數必須是物理上可測的；另外，由副參數所構成的副回路，調節通道盡可能短，調節過程時間常數不能太大，時間滯后小，以便使等效過程時間常數顯著減小，提高整個系統的工作頻率，加快控制過程反應速度，改善系統控制品質。（

15、2）副參數的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾。 在選擇副參數時一定要把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中，但也不是副回路包含的干擾越多越好，因為副回路包含的干擾越多，其控制通道時間常數必然越大，響應速度變慢，副回路快速克服干擾的能力將受到影響。所以在選擇副參數時，應在副回路反應靈敏與包含較多干擾之間進行合理的平衡。（3）副參數的選擇應考慮主、副回路中控制過程的時間常數的匹配，以防“共振”的發生。在串級控制系統中，主、副回路中控制過程的時間常數不能太接近，一方面是為了保證副回路具有較快的反應能力，另一方面由于在串級控制系統中，主、副會理密切相關

16、，如果主、副回路中的時間常數比較接近，系統一旦受到干擾，就有可能產生“共振”，使控制質量下降，甚至使系統因震蕩而無法工作。在選擇副參數時，應注意使主、副回路中控制過程的時間常數之比為310，以減少主、副回路的動態聯系、避免“共振”。（4）應注意工藝上的合理性和經濟性。2.2主、副調節器調節規律的選擇 在串級控制系統中，主，副調節器起的作用不同。主調節器起定值控制作用，副調節器起隨動控制作用，這是選擇調節器規律的基本出發點。主被控參數是工藝操作的主要指標，允許波動范圍很小，一般要求無靜差，因此，主調節器應選PI或PID調節規律。副被控參數的設置是為了克服主要干擾對主參數的影響，因而可以允許在一定

17、范圍的變化，并允許有靜差。為此，副調節器選擇P調節規律。2.3主、副調節器正、反作用方式的確定在串級控制系統中，主、副調節器正、反作用方式的選擇原則是使整個系統構成負反饋。串級控制系統中，主、副調節器的正反作用的選擇方法是：首先根據工藝要求決定調節閥的氣開、氣關形式，并決定副調節器的正反作用;然后再依據主、副過程的正、反形式最終確定主調節器的正、反作用方式。由圖1-5可以得到，從生產工藝安全出發，燃料油調節閥選用氣開式，即一旦出現故障或氣源斷氣，調節閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全。對于副調節器，當爐膛溫度升高時，測量信號增大、為保證副回路為負反饋，此時調節閥應關小，要求副調節

18、器輸出信號減小。按照測量信號增大，輸出信號減小的原則要求，副調節器應為反作用方式。對于主調節器，當副參數升高時，主參數也升高，故主調節器應為反作用方式。2.4主、副調節器選用DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有以下主要特點：（1）采用國際電工委員會（IEC）推薦的統一信號標準，現場傳輸信號為DC420mA，控制室聯絡信號為DC15V，信號電流與電壓的轉換電阻為250。（2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。（3）整套儀表可構成安全火花型防爆系統。DD

19、Z-III型儀表室按國家防爆規程進行設計的，而且增加了安全柵，實現了控制室與危險場所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險的場所中使用。DDZ-III型PID調節器的結構框圖如圖2-1。主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。 調節器接收變送器送來的測量信號(DC420mA或DC15V），在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在PD與PI電路中進行PID運算，最后由輸出電路轉換為420mA直流電流輸出。圖2-1 DDZ-III型調節器結構框圖2.5 主、副電路檢測變送器的確定 溫度檢測元件熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號轉換成電動勢（

20、mV）信號，配以測量毫伏的指示儀表或變送器可以實現溫度的測量指示或溫度信號的轉換。具有穩定、復現性好、體積小、響應時間較小等優點、熱電偶一般用于500°C以上的高溫，可以在1600°C高溫下長期使用。熱電阻也可以作為溫度傳感元件。大多數電阻的阻值隨溫度變化而變化，如果某材料具備電阻溫度系數大、電阻率大、化學及物理性能穩定、電阻與溫度的關系接近線性等條件，就可以作為溫度傳感元件用來測溫，稱為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。大多數金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。由圖1-6可知，副回路中的溫度變送器2檢測的是爐膛

21、的溫度，一般較高，故選擇熱電偶；主電路的溫度變送器1則檢測的是原料油的出口溫度，溫度較低，選擇熱電阻即可。在使用熱電偶時，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環境溫度波動的影響，且距熱源較近，其溫度波動也較大，給測量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用補償導線作為熱電偶的連接導線。補償導線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠、溫度較穩定的地方。補償導線的作用如圖2-2所示。用補償導線將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩定的地方后，并沒有完全解決冷端溫度補償問題，為此還要采取進一步的補償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點調整法、冰浴法、補償電橋法以及半導體PN結補償法。采用熱電阻法測量溫度時，一般將電阻

22、測溫信號通過電橋轉換成電壓，當熱電阻的連接導線很長時，導線電阻對電橋的影響不容忽視。為了消除導線電阻帶來的測量誤差，不管熱電阻和測量一邊之間的距離遠近，必須使導線電阻的阻值圖2-2 補償導線的作用圖2-3 熱電阻三線制接法符合規定的數值，如果不足，用錳銅電阻絲湊足。同時，熱電阻必須用三線接法，如圖2-3所示，熱電阻用三根導線引出，一根連接電源，不影響橋路的平衡，另外兩根被分別置于電橋的兩臂內，使引線電阻值隨溫度變化對電橋的影響大致抵消。 溫度變送器檢測信號要進入控制系統，必須符合控制系統的信號標準。變送器的任務就是將檢測信號轉換成標準信號輸出。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號必須經溫度變送器轉換

23、成標準信號后，才能進入控制系統，與調節器等其他儀表配合工作。圖2-4給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個品種、規格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結構基本相同。圖2-4 溫度變送器原理框圖本設計采用DDZ-III型熱電偶溫度變送器及熱電阻變送器。2.6 調節閥的確定由前文得，從生產工藝安全出發，燃料油調節閥選用氣開式，即一旦出現故障或氣源斷氣，調節閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全為了保證。調節閥按其工作能源形式可分為氣動、電動和液動三類。氣動調節閥用壓縮空氣作為工作能源，主要特點是能在易燃易爆環境中工作，廣泛地應用于化工、煉油等生產過程中；電動調節閥用電源工作，其特點是能源取用方便，信號傳遞迅速，但難以在易燃易爆環境中工作；液動調節閥用液壓推動，推力很大，一般生產過程中很少使用。故本設計采用了氣動調節閥，且為氣開形式。2.7串級控制系統的參數整定串級控制系統從整體上來看是定值控制系統，要求主參數有較高的控制精度。但副回路是隨動系統，要求副參數能準確、快速地跟隨主調節器輸出地變化。主、副回路的原理不一樣，對主、副參數的要求也不同，通過正確的參數整定，可取得理想的控制效果。串級控制系統主、副調節器的參數整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。這里采用兩步整定法。兩步整定法就