过控课程设计报告

《过程控制课程设计》任务书设计题目：拜耳法生产氧化铝焙烧过程控制系统设计 姓名 姓名 姓名目录一、任务设计及要求 31、任务 3二、相关背景及数据 42.1氧化铝工艺 42.2控制指标及要求 4三、各因素对主炉温度的影响 53.1煤气流量 53.2氢氧化铝给料量的影响 63.3空气流量 6四、方案选择 74.1方案比较 7五、设备和仪表的选型 95.1温度变送器 95.2控制器 105.3调节阀 10六曲线拟合及传递函数 11七、总结 14八、参考文献 15

一、任务设计及要求1、任务1、了解生产工况：研究过程控制单元的生产工艺及工作环境，在这一阶段还需要收集工艺中有关的物性参数和重要数据。2、明确控制要求：找出被控对象，针对可能出现的干扰因素分析控制目的及其应达到的控制效果。3、拟定控制方案：按照现场的特点、控制室与现场的相对位置及系统的控制要求，确定合理的控制系统类型，定出各检测点、控制点的实际位置，初步分析控制系统的性能。4、制定控制流程图：根据工艺特点以及控制方案画出系统的控制工艺流程图及控制方框图。5、利用生产数据，进行拟合，得到控制对象传递函数，用于控制仿真。6、选取被控变量和操纵变量：根据控制要求及工艺合理性进行选取，尽量选取容易检测、无容量滞后或滞后小的变量。7、过程装置及仪表的选型：根据工艺提供的数据及仪表选型的原则（根据工艺数据和有关计算方法对调节阀进行相应的计算），调研产品的性能、质量和价格，选定检测、变送、显示、控制等各类仪表的规格、型号。另外，对于仪表设备的辅助设备材料（仪表设备在安装过程中，还需要选用一些有关的其它设备材料）也需根据施工要求，进行数量统计，编制仪表安装材料表等。8、设计总结：对整个设计过程做客观的评价，并阐述控制系统的优、缺点等。

二、相关背景及数据2.1氧化铝工艺目前，我国氧化铝工业采用的生产方法有烧结法，混联法和拜耳法三种，其中烧结法占20．2％，混联法占69．4％，拜耳法占10．4％．虽然烧结法的装备水平和技术水平在今年来有所提高，但是我国的烧结技术仍处于较低水平。而由于拜耳法和烧结混合法组成的混联法，不仅由于增加了烧结系统而使整个流程复杂，投资增大，更由于烧结法系统装备水平和技术水平不高，使得氧化铝生产的能耗增大，成本增高，降低我国氧化铝产品在世界市场上的竞争力。拜耳法比较简单，能耗小，产品质量好，处理高品位铝土矿石，产品成品也低。目前全世界90％的氧化铝是用拜耳法生产的拜耳法的原理是基于氧化铝在苛性碱溶液中溶解度的变化以及过氧化钠浓度和温度的关系，高温和高浓度的铝酸钠溶液处-T-I：L较稳定的状态，而在温度和浓度降低时则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样性质的基础上的。2.2控制指标及要求氢氧化铝焙烧是氧化铝生产工艺的最后道工序，直接影响着氧化铝的产量和质量。焙烧产品的质量指标主要有：化学纯度、灼减、a-含量、粒度和安息角等。焙烧过程的技术及经济指标有：焙烧温度、燃料消耗量和产量等。郑州铝厂氧化铝焙烧生产工艺要求稳产、高产、优质、低耗，具体的工艺指标如下：(1)燃料必须完全燃烧，炉气中CO<0.2％；(2)氧化铝灼减<0.8；(3)氧化铝比表面积50-70m／g；(4)产能达到1850t／d；(5)r-含量20％左右；(6)安息角30～35；(7)焙烧炉温度1000～1200℃；三、各因素对主炉温度的影响焙烧过程图通过焙烧过程图我们可以分析，影响焙烧炉温度的因素主要有三个：煤气流量、氢氧化铝进料量以及ID风机功率。我们依次分析三个因素的影响3.1煤气流量产品氧化铝的粒度决定于原始氢氧化铝的粒度、强度、焙烧温度和加热速度。氢氧化铝中存在的某些杂质也会影响焙烧产品粒度。在焙烧过程中影响产品氧化铝物理性质的因素，主要是焙烧温度。氢氧化铝脱水和氧化铝相变过程，物料会产生粉化。粉化程度与氢氧化铝强度有关。研究表明，在180-440℃时，由于剧烈脱水，使氢氧化铝结晶合体碎裂生成的r-结晶很不完善，强度低，很容易被破坏。在400℃左右，_44微米细粒子数量大大增加，当温度为500℃左右r-结晶趋于完整，强度提高，粉化率减弱，细粒子减少。而焙烧温度提高到1200-1300℃时，生成a-，再结晶，集合体强度大大降低，大部分又一次出现崩解。于是又产生．40微米的细粒子。在1000．1100"C焙烧的氧化铝流动性能好。同时a-含量低，比表面积大，细粒子含量少，电解过程中在冰晶石熔体中溶解速度较快。而在1200"C以上焙烧的氧化铝颗粒表面粗糙，a-含量高，粒子间粘附性强，细粒子含量增加，流动性能差。a-含量高，比表面积小，电解时溶解速度降低。焙烧升温速度慢的产物，强度较小，粉化率较高。焙烧前氢氧化铝经充分干燥和预脱水可避免在高温下由于脱水过于剧烈，大量水蒸气猛烈排出。这样也可减少物料粉化。为生产砂状氧化铝，所以采用的焙烧温度要求保持在1000-1200℃之间。随着输入煤气流量的变化，焙烧炉温度也跟着变化，当煤气流量急剧增大时，温度随即急剧增高；而当煤气流量达到一定的量时，再增大煤气流量会导致煤气与空气的混合气体中氧含量降低，燃亮燃烧不充分，反而会降低温度。由此看来，煤气流量为影响温度的一大主要因素，对煤气流量的控制尤为重要。3.2氢氧化铝给料量的影响Al(OH)3给料量决定了a-产量，对焙烧过程也有很大影响。如果给料量过多，则会使焙烧炉中氧含量不足，燃料燃烧不充分，导致温度快速降低，导致温度快速降低会造成煅烧温度不在要求范围内，使产品质量和产量降低，并浪费了能源。如果给料量过少，则不能完成完成预期预定的a-产量。3.3空气流量为了保证燃油在焙烧炉中充分燃烧，必须有一定的过剩空气量，这可以通过测定废气中的氧含量来测定，同时为了不使废气中有任何未燃气体，避免对电收尘造成损坏，并充分降低能耗，需保持O2％在2．5％左右，CO％为0％左右。测得的O2％和CO％与设定值性比，其差值来调节排风机四、方案选择4.1方案比较方案一：以氢氧化铝进料量作为控制变量焙烧框图以氢氧化铝进料量作为控制变量时，为双容带纯滞后系统方案二：以电机电流作为控制变量焙烧框图在方案二中，干扰量氢氧化铝对焙烧炉炉温度的作用是反作用；煤气流量对焙烧炉温度的作用是正作用。方案三：以煤气进量作为控制变量焙烧框图在三种方案中，从控制通道的角度看，方案三的控制通道最短，对焙烧炉温度控制最为灵敏；从干扰的角度看，干扰进入控制通道与阀门输入焙烧炉的位置重合，干扰引起的动差小，且氢氧化铝进入焙烧炉要经过传送带预热过程，空气进入焙烧炉要经过换热过程，因此干扰对焙烧炉的温度影响较为平缓。三种方案比较得，方案三为最佳方案。控制系统中，以焙烧炉出口温度为被控参数，煤气流量为控制变量。

五、设备和仪表的选型在控制系统中，控制器把温度变送器输出的值与设定值相比较，根据两者的差值，输出控制信号控制调节阀的开度，使焙烧炉的温度保持在设定值附近。如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映温度的变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。因此，在系统的仪表选型上尽量使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。PID控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。5.1温度变送器温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20mA电流信号0-5V/0-10V电压信号，RS485数字信号输出。温度变送器选择YTA320变送器，测量范围:0-1500（℃），测量精度:0.5（℃），输出信号:4-20mA，工作电压:10.5-42DC（V）。其性能卓越，基于微处理器的传感技术确保高精度和高稳定性；可靠性高，双隔腔外壳具有很强的抗恶劣环境能力；具有自诊断功能。性价比高。YTA系列温度变送器把传感器信号转变为统一的4~20mA信号或FOUNDATION™现场总线通信信号。普通的温度仪表必须使用长补偿导线或三芯电缆连接仪表盘控制室中的转换器，这样通常会产生接线电阻或信号噪声。而YTA系列消除了这些缺点。价格为5500元一台。5.2控制器工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。控制器选用SY700-202控制器，显示数值范围:-1999~+9999，测量精度：±0.2％，输出:电流0～20mA，采样周期：0.5sec，工作电压220（V）。其特点是高精度，低价格，易操作具有自行诊断功能，可显示故障状况。其价格为850元。5.3调节阀调节阀按其工作能源形式分为气动、电动、液动三大类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点能在易燃易爆环境中工作，广泛的应用于化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，信号传递迅速；液动调节阀用液压推动，一般生产过程很少使用。执行器选择气动调节阀，气动调节阀就是以压缩气体为动力源，以气缸为执行器，并借助于阀门定位器、转换器、电磁阀、保位阀、储气罐、气体过滤器等附件去驱动阀门，实现开关量或比例式调节，接收工业自动化控制系统的控制信号来完成调节管道介质的：流量、压力、温度、液位等各种工艺过程参数。气动调节阀的特点就是控制简单，反应快速，且本质安全，不需另外再采取防爆措施。因此选择气动调节阀。气开气关方式选择气开，当控制信号中断时，阀门处于关闭时会停止煤气的输入，不会造成焙烧炉的温度过高，不会发生重大的事故，危害性小。所以选择气开方式。六曲线拟合及传递函数根据实验得到ID风机功率(电流)，煤气流量，氢氧化铝下料量，焙烧温度四者的数据。我们知道，焙烧温度同时受ID风机功率(电流)，煤气流量，氢氧化铝下料量三个因素影响，由此我们建立如下数学模型其中，y为焙烧温度，x1为ID风机功率(电流)，x2为煤气流量，x3为氢氧化铝下料量。根据实验数据，用matlab对数据进行线性拟合，程序如下：%从Excel导入数据并做3元线性拟合x1=xlsread('data',1,'A2:A201');x2=xlsread('data',1,'B2:B201');x3=xlsread('data',1,'C2:C201');y=xlsread('data',1,'D2:D201');n=length(x1);X=[ones(n,1)x1x2x3];[b,bi