原油加热炉教材

1、辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目： 原油加热炉出口温度控制系统设计院（系）： 电气工程学院专业班级：学 号：学生姓名：指导教师：王铁超起止时间：2014年12月15-26日4纟乂诊殳竽本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器学号学生姓名专业班级设计题目原油加热炉出口温度控制系统设计课程设计论文 任务设计任务设计原油加热炉出口温度控制系统，原料油出口温度的特性可近似为Go1（s） = eA80s / （30s +1）2，燃料热值变化对炉膛温度影响特性可近似为Go1（s） =e8s/（10s+1）（s+1）2设计要求1、 根据实验数据

2、辨识对象的数学模型，设计一个超调量小于等于25%的无差控制系统，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；对设计的控制系统进行 仿真，整定运行参数。4、若设计由数字控制系统实现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：0-300 C,控制温度：200 1C，最大偏差：5C；工、 计 划匚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

3、天）3、 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）4、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）5、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）平时：论文质量：答辩：指导教师签字：总成绩：年月日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%以百分制计算I本科生课程设计（论文）本文提出的原油加热炉出口温度控制系统设计以 DCS为核心，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。构成串级 控制系统。在运行过程中，当物料出口温度受干扰影响改变时，温

4、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，系统中增加了一个包含二次扰动的 副回路，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。关键词：DCS； PID;温度检测III4纟乂诊殳竽本科生课程设计（论文）论文内容变化后，右键单击目录区域，选择乙更新域”，再选择更新整个目录”，确定。、第1章绪论A.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

5、22.1.2系统方案论证22.1.3确定设计方案42.2系统组成总体结构5第3章各种仪表的设计选择63.1传感器的选择设计 错误！未定义书签。3.1.1 是错误！ 未定义书签。3.2执行器的选择设计 73.3控制器的选择设计73.4PID控制算法8第4章 系统仿真或模拟调试 9第5章课程设计总结.0参考文献11iii本科生课程设计（论文）第1章绪论温度控制系统在国内各行各业应用十分广泛，但从国内生产的温度控制系统 来说，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国、等先进国家相比，仍然有 很大的差距。成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，他们只能适应一般温度系统控制，而用于较高

6、控制场合的智能化、自适应控制仪表， 国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。随着我们国家 经济的发展及加入 WTO,我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进 行重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我能国家 仪表工业得到迅速发展加热炉是炼油、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。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

7、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。一般的加热炉为燃料油或者燃料气，本设计以燃油加热炉为被控对象，以管 式加热炉出口物料温度为主被控参数，以燃油流量为副被控参数，构成原油加热 炉温度串级控制系统，实现原油加热炉物料温度的定值控制。1第2章 课程设计的方案论证2.1概述2.1.1系统对象特性分析本次设计主要是综合应用所学知识，设计原油加热炉出口温度控制系统，并 在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“过程控 制系统”课程中所学的

8、基本理论和基本方法，并初步掌握DCS系统设计的基本方 法。应用场合：炼油、化工生产中的重要装置。系统功能介绍：其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进 行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉 出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃 料油流量，以达到控制出口温度的目的。2.1.2系统方案论证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（即炉出口温度）保持为某一定值，所以，常选原料油出口温度9i（t）为被控参数。影响炉出口温度的因素很多，主要有：被加热物料的流量和初温如）；燃烧压力的波动、流量的变化、燃料热

9、值的变化f2（t）；烟囱抽力变化f3（t）等等。方案一：为了使炉出口温度为某一定值，选取燃料量为调节参数，构成如图 2.1所示的单回路反馈控制系统。这个系统的特点是所有对炉出口温度的扰动都包 括在这个控制回路中，都反映在炉出口温度对给定值的偏差上，而且都由温度调 节器来予以克服。但是控制通道的时间常数较大，容量滞后也较大，控制作用 不及时，系统克服扰动的能力较差，甚至不能使加热炉出口温度达到工艺要求。本科生课程设计（论文）7图2.1单回路反馈控制系统(1)方案二：以炉膛温度为被控参数(来维持炉出口温度为某一定值)、燃料量为 调节参数所构成的控制系统。该系统的特点是对于扰动f2(t), f3(t

10、)能及时克服，可以减小扰动f2(t)，f3(t)对加热炉出口温度的影响；但是不能保证出口温度为某 一定值，扰动f1(t)未包括在系统内。因此，该系统对于克服扰动f1(t)对炉出口温度的影响无能为力，仍然不能满足生产要求。方案三：为满足生产工艺要求，可以炉出口温度为主被控参数，取炉膛温度 为中间辅助变量(它能较早地反映扰动的影响，使调节器及时动作，而不影响被 控参数的稳定性)。一种可能的结构就是所谓串级控制系统，如图2.3所示。这样扰动f2(t),f 3(t)对炉出口温度的影响由炉出口温度的影响，主要由炉膛调节器T2构成的控制回路来克服，扰动fi(t)对炉出口温度的影响由炉出口温度调节器 构成的

11、控 制回路来消除。-W料燃被加热物料图2.3串级控制系统 综上所述，选择方案三。2.1.3确定设计方案1 主回路的设计加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制 系统。其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温度 调节器对被控参数B1精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度B2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度B1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达 到温度控制的目的。2副回路选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料由于其成分

12、和流量变化，对控制过程产生极大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的 辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数炉膛温度B2能够有效地影响主参数原料油出口温度9 1提高了主参数的控制效果。3.主、副调节器规律选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。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。在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数， 原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较 大容量滞后，所以，选择 PID调节作为主调节器的调节规律。控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一

13、般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。4主、副调节器正反作用方式确定由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故 障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv 0。主调节器作用方式确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主 被控过程Ko1 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正， 所以负调节器的放大系数K1 0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。2.2系统组成总体结构图2.4中，两只调节器串联起来工

14、作，炉出口温度调节器Ti的输出作为炉膛温度调节器T2的给定值，这样的系统就称为串级控制系统，其方框图由图2.4所示。X2(t)第3章 各种仪表的设计选择3.1传感器的选择设计DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。III型仪表具有以下主要特点：（1） 采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为 DC420mA，控制室联络信号为DC15V，信号电流与电压的转换电阻为 2501。（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工 作量减少。（3） 整套仪表可构成安全火花型防

15、爆系统。DDZ-III型仪表室按国家防爆规 程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于 隔离，使仪表能在危险的场所中使用。DDZ-III型PID调节器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调节器接收变送器送来的测量信号 （DC420mA或DC15V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为 420mA直流电 流输出。图3.1给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格， 以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。本设计采用

16、DDZ-III型热电偶温度变送器。内给定屯路给定值指示内给定外给定测星信号卩I:电路输出指示J L一十输出 电路测量值指示软手动电路 L硬手动电路图3.1 DDZ-III型调节器结果框图3.2调节阀的选择设计由前面可以知道，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦 出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安 全为了保证。调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调节阀用压缩 空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、 炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递 迅速，但难以在易燃易爆环境中

17、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。故本设计采用了气动调节阀，且为气开形式。3.3控制器的选择设计所谓集散控制系统（即DCS,其含义是利用微处理机或微型计算机技术对生 产过程进行集中管理与分散控制。整个装置继承了常规模拟仪表控制系统和计算 机集中控制系统的优点，克服了单微机控制系统危险性高度集中以及常规仪表控 制功能单一，人/机联系差的缺点，可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管 理，在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用已经十分普及。本设计采用JX-300XP系统，该系统是SUPCOWebField系列控制系统十余年 成功经验的总结，吸收了近年来快速发展的通信

18、技术、微电子技术，充分应用了 最新信号处理技术、高速网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术以及现 场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了 JX-300XP的功能和性能，能适应更广泛更复杂的应用要求，成为一个全数字化、 结构灵活、功能完善的开放式集散控制系统。系统规模可达63个控制站，72个操作站。单个控制站最多可带 8个机笼，每个机笼最多可放置16块I/O卡件。本科生课程设计（论文）3.4 PID控制算法串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种：两步整定法、 步整定法和逐步逼近法。1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主 控制器的方

19、法叫做两步整定法。2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然 后按照一般单回路孔控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步 接近主、副回路最佳整定的一种方法。我们选择两步整定法来整定串级控制系统的参数。11第4章系统仿真或模拟调试应用场合：应用于出租车计价器，出租车计价器有一个脉冲测速传感器， 通 过脉冲计数可以显示出租车行驶里程和计费。控制器由12V蓄电池供电。第5章课程设计总结对所设计内容、方法、取得的效果、问题的解决方案等方面作技术方面的总结。注意：文中表的格式如下年份1990199119921993 199419951996M997产量2.4082.7333.0943.357 3.2853.7303.8133.886表6.1 1