管式换热器将输入信号与给定信号 进行比较

　　南华大学过程控制仪表课程设 设计题目 换热器温度控制系统 学生姓名 指导老师 2.1生产工艺简介 2.2控制要求 3.1系统控制方案选择............................................................................................ 3.2系统方框图设计 3.3系统控制算法方案选择 3.4系统控制参数确定 3.5调节阀的作用方式选择 3.6调节器的作用方式选择 5.1调节器 5.2检测元件 5.3变送器 5.4伺服操作器 仪表端子接线图............................................................................................-11 5.5电动执行机构 5.6调节阀 附录1系统仪表整体接线图 设计的目的和背景意义换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设，又称热交换器。 换热器的应用 广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器 等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能 是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设之一。 并定期清洗传热面。 一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器； 不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、 铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零 件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻 璃换热器等。 控制系统工艺流程及控制要求2.1 生产工艺简介 由换热器出口温度控制系统流程图1-1 可以看出系统包括换热器、热水炉、控制 冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设。 图1-1换热器出口温度控制系统流程图 控制过程特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出 口温度）组成闭合回路。被调参数（换热器出口温度）经检验元件测量并由温度变送器转 换处理获得测量信号c，测量值c 与给定值 送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。 2.2 控制要求 换热器的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使换热器在安全、经济 的条件下运行。按照这些控制要求，换热器设将有如下的主要控制要求： 换热器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 总体设计方案3.1 系统控制方案选择 在系统运行过程中，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，经控制器算法计算后输出， 通过执行器调节冷水流量，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。故本换热器温度控制系 统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。3.2 系统方框图设计 因本系统采用单回路的控制方案，则其控制系统方框图如下图3.1 所示。 调节器 执行器 换热器 温度变送器 给定值 扰动 出口温度 检测元件 图3-1 单回路控制系统方框图 3.3 系统控制算法方案选择 比例控制是一种简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当 仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系 统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系 统（System Steady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积 分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便 误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一 步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较 大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误 差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误 差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项 的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势， 这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值， 从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控 制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 本换热器温度控制系统较为简单，因要使温度达到稳定，实现无静差，且减小因积分作用而造成的滞后，故在这里采用数字PID 算法作为系统的控制算法。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。其控制规律的微分方程为: 检测元件 温度变送器 控制器 伺服操作器 电动执行机构 冷水传递函数为： 检测元件 温度变送器 控制器 伺服操作器 电动执行机构 冷水由于换热器一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象, 所以式中 Kp、Kd Ki的选择取决于加热炉的响应特性和实际经验。 3.4 系统控制参数确定 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。 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： 在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。 3.5调节阀的作用方式选择 在自动控制系统中，选择阀，主要从以下几个方面考虑: 对象的特殊性。在这里为了节约燃料，从而能使在调节器输出信号为值（4mA）时，能使阀门保 持关闭状态，故而应选择正作用的阀，在这里选择电动阀，故而其阀门的作用方式为电开。 3.6 调节器的作用方式选择 运用所学的分析法对调节器的作用方式进行分析：当换热器出口温度高于给定值时， 应使调节阀的开度减小，从而减小燃油的流量，使换热器温度减小，对于正作用的调节阀， 其阀门开度与调节器的输出成正相关关系，则调节器的输出为减小的（反之亦然），对比 与输入的增大可知，调节器的作用方式为反作用方式。 系统整体框图根据上述的一些选择，故将其系统的框图确定如下，见图4-1 所示。 检测元件 温度变送器 控制器 伺服操作器 电动执行机构 冷水图4-1 系统整体框图 控制仪表的选型和配置5.1 调节器 在这里选用 DDZ- 型仪表，型号为DTZ-2100 型全刻度指示调节器。DTZ-2100 刻度指示调节器是DDZ- 系列电动单元组合仪表中调节单元类的一个基型品种，它接收 变送器或转化器的测量信号作为输入信号并以全刻度值进行显示，将输入信号与给定信号 进行比较，对其偏差进行比例、积分、微分运算之后输出4-20mA DC 信号至操作端，通过 执行机构控制压力、温度、流量、液位等工业参数，使其达到预期的效果。 仪表主要技术指标与主要功能 输入信号： 1-5V DC 输出信号： 4-20mA DC 闭环跟踪误差限： 0.5%FS 负载电阻： 250-750Ω 自动、手动可无扰动切换比例带（P）： 2%-500 积分时间（I）： 0.01-25min 微分时间（D）： 0.04-10min 或切除 电源电压： 24V DC5% 环境温度： 5-40 相对湿度：10%-75% 5W外形尺寸： lbh,,mm：63080160 仪表工作原理图 1-5V20 18 19 13 14 4-20mADC 1-5V DC 250 1020A 20A外给1-5V DC 1819 20 19 20 12 11 4-20mA DC 图5-1DTZ-2100 全刻度指示调节器工作原理图 仪表接线 DDZ- 型电动调节器DTZ-2100 端子接线 检测元件 温度的测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类。本系统选择接触式测温元件。 其中较为常用的有热电偶、热电阻和集成温度传感器三种，本系统选择S 型的热电偶作为 测温元件，其电路原理图如下图5-3 所示： 图5-3热电偶电路原理图 5.3 变送器 本系统中的变送器用于温度信号变送，故选择温度变送器。其中较为常用的有模拟式 温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器三种，本系统采用典型模拟式温度变 送器中的DDZ-III 型热电偶温度变送器，属安全火花型防暴仪表，还可以与作为检测元件 的热电偶相配合，将温度信号线性的转换成统一标准信号。变送器构成方框图如图5-4 图5-4电动III 型热电偶典型模拟温度变送器构成方框图 本设计选用放入是KBW—1131 型热电偶温度变送器。 仪表主要技术参数 名称 性能 输入信号 小量程3mV，量程

　　量程3mV) 表5.1热电偶温度变送器参数表 仪表工作原理 KBW—1131 型热电偶温度变送器是由WS 热电偶温度转换模块和 GF750 信号隔离模块 组成，见图5-5 所示。 GF750隔离模 WS温度转换模块 V热电偶 24VDC 图5-5 热电偶温度变送器原理框图 热电偶mV 信号进入WS 热电偶温度转换模块与该模块输入桥路串联而成。当被测温度 变化时，进入温度转换模块的mV 信号也随着变化，致使桥路输出变化。该信号在模块内 经过调零、量程调整电路，线性化及输出电路处理后输出0.2-1.0V DC 与被测量温度呈线 性对应。WS 温度转换模块由输入、输出电路、线性化电路及基准电路组成。 该模块由 GF750 隔离模块提供电源。GF750 隔离模块由隔离振荡器、输入和输出处理 电路等结构。它由 24V DC 电源供电并被隔离转换成15V DC 作为 WS 温度转换模块的电 源，同时它接受WS 模块输出的0.2-1.0V DC 信号，经输入处理再隔离送至输出电路，以 1-5V DC(或4-20mA DC)标准信号作为整机的输出。 工作条件 环境温度：5-40 相对湿度：10%-75% 供电电源：24V2.4VDC 功率 2W 仪表端子图图5-6 热电偶变送器接线 伺服操作器 本设计选用SFD-2003 型的伺服操作器进行设计。SFD-2003 型伺服操作器为全集成电 路、CMOS 数字逻辑控制的新型控制室仪表，集DFD 型操作器，ZPE 型伺服放大器功能为一 体，只需轻轻一触即可分别实现自动/手动及用操作器的全部功能。 仪表主要技术指标 输入信号 调节器信号，4-20mA DC 阀位信号，4-20mA DC 基本误差 2.5% 死区 0.5%-3%（可调） 采用LED 光柱显示，显示误差 2.5% 接受事件信号为触点信号断开为正常，闭合为事件 额定输出功率 220V AC，5A 跟踪电压 1-5V DC 工作条件： 环境温度 0-50 相对湿度 10%-85% 机械振动 振幅0.075 频率10-50Hz 大气压力 86-106kPa 周围空气中无腐蚀作用介质 电源电压220V AC，50Hz 外形尺寸 72mm144mm250mm 仪表工作原理 其工作原理方框图见图5-7 所示。 显示电 隔离电路断信号保 护电路 继电转换 电路 控制电路 操作开关 事件处理 电路 功率驱动 电路 放大电路 调节信号、阀位 信号输入 事件信号输入 输出 图5-7 仪表工作原理方框图 仪表端子接线 27 26 25 24 23 22 21 20 调节器信号输入 故障输出跟踪信号 开关量输入-断电报警 电机+电机- 接地图5-8 仪表端子接线 电动执行机构 在此设计中选用DKJ-2100K 的角行程电动执行机构。DKJ 型电动执行机构是电动单元 组合仪表中的执行单元。它以单相交流电源为动力，接受统一的标准直流信号，输出相应 的转角位移，操作风门，挡板等调节机构，完成自动调节任务。仪表主要技术指标 1、输入信号4-20mA DC 2、输入电阻：500Ω （）200Ω（Π 4、灵敏限：0.5-3%5、阻尼：出轴振荡＜三个半周期摆动 6、误差：2.5% 7、变差：1.5% 8、反应时间：＜1 9、电气限位开关容量：380V、3A10、电源电压：220V、50HZ 11、使用环境温度：伺服放大器：0-50C 执行机构：-10-55C 12、防护等级：IP65 仪表接线 电机-接地 电机+ 图5-9仪表接线 调节阀 电动调节蝶阀是工业自动化控制系统的执行单元，接受统一的电信号，并将此转换为 角位移。完成调节任务。适用于大口径、大流量、低压差的场合，也应用于浓浊浆状及悬 浮颗粒状的介质调节。电动椭圆调节蝶阀在阀关闭时，阀板在阀体内有一偏转角，使其泄漏量小。为了防止燃料的泄露，故而选择ZKJWa 型椭圆电动调节阀。 其阀体参数见表5.2 所示。 表5.2 电动调节蝶阀参数表 5.7 转换器此系统中为将变送器的电流信号转换为电压信号，此处选择KMW100 （1）KMW100的概述 本仪表用于工业生产过程中现场机器与仪表的连接，信号传送是通过DC 4-20mA 进行的，接受信号的仪表通过DC1-5V 的电压进行信号的变换和电压变换.本仪表可以与 仪表之间相互交换，能与KM系列控制仪表连接，与II,III 型仪表系列相连。本仪表有二 种型式，一种是多输入型，能分别接受三路来的信号，别一种是单输入型，接受一路发来 的信号，还具有报警输出功能，电源显示为发光二极管显示。 输入信号：4-20mA DC 外形尺寸：宽长高mmKMW（单）100，110（多）16718060 （3）KMW100 接线+) 8.A13-(输入3-) 9.A13+(输入3+) 10.A12-(输入2-) 11.A12+(输入2+) 元件清单表7.1 元器件清单 收获和体会本设计综合运用了自动检测技术、自动控制理论以及过程控制理论。为了更好的完成 设计，我将以前的一些教科书籍重新找出来，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的 知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。 在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任 务书的时候，却不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐， 让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。后还要查阅其他的书籍才能找出解决 的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候， 基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少的。 设计中遇到了很多自己无法解决的问题，我于是向老师、同学求助，在指导老师的点 产品名称 型号 数量 输入信号 输出信号 电源 DDZ-III 型全刻度指示调 1-5VDC 4-20mA DC 24V DC 4-20mADC 1-5V DC 24V DC 热电偶 0-13003mV-5mV 温度变送器KBW-1131 3mV-5mV1-5V DC 24V DC 伺服操作器 SFD-2003 4-20mADC 4-20mA DC 220V AC 电动执行机构 DKJ-2100K 4-20mADC 0-90 220V AC 椭圆电动调节蝶阀 ZKJWa 0-900- 拨以及同学们的建议下，我完美的解决了遇到的问题。由此我意识到，任何时候任何事情，闭门造车都是不可取的，要一直向周围的师长、同学求教，以取得新鲜的知识。 对生产过程进行控制是我们工作中非常重要的一项任务，通过此次课程设计 我比较清楚地明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想，对我以后的工 作将产生很深远的影响。 张毅、张宝芬、曹丽、彭黎辉编著，自动检测技术及仪表控制系统，化学工业出版社，2009 自动化控制现场仪表选型样本，重庆川仪股份有限自控现场仪表手册编辑委员会编.工业自动化仪表分（事业部），1994 ACSD选型样本，重庆川仪股份有限自控现场仪表手册编辑委员会编.工业自动化 仪表分（事业部），1995 年（版） 高吉祥.模拟电子线路设计[M].北京：电子工业出版社，2007[10] 黑田彻.晶体管电路设计与制作[M].北京：科学出版社，2005. [11] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008 附录1系统仪表整体接线图

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