管式加热炉温度流量串级控制系统的设计.docx
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管式加热炉温度流量串级控制系统的设计
过程控制系统
课程设计
题目:
管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计
摘要
当今世界，随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
为了能将课程中所学理论知识初步尝试应用于实践，本次设计将采用过程控制系统原理来实现工业生产控制问题的解决，通过设计一个温度-流量串级控制系统来实现对管式炉加热原料油的温度控制。
管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。
加热炉的工艺过程为：
燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。
本此设计内容包括总体方案设计，系统原理阐述，系统框图与结构的搭建，变量检测环节，变量变送环节，控制器，调节阀，联锁保护等环节的具体选择与设计，最终形成一个可行可靠的完整串级过程控制系统方案，力图通过具体应用获得理论知识的进一步提升，并为工业生产提出可行性建议。
关键字：
流量温度串级控制
1.管式加热炉温度控制系统的设计意义
1.1管式加热炉简介
管式加热炉是一种直接受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。
管式加热炉的传热方式以辐射传热为主，管式加热炉通常由以下几部分构成：
1）辐射室：
通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。
这部分直接受火焰冲刷，温度很高，是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）；
2）对流室：
靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分；
3）燃烧器：
是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器；
4）通风系统：
将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。
1.2温度控制系统设计意义
管式加热炉是石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业中广泛使用的工艺加热炉，由于被加热物质即在管内流动介质通常为气体或液体，并且都是易燃易爆的物质，所以操作条件苛刻，同时其必须长周期运转不间断操作，加热方式直接受火，所以管式加热炉的温度控制系统至关重要，是其提高加热炉热效率，节约能源和安全生产的重要保证，因此本设计的意义就是旨在设计出符合管式加热炉生产控制要求的温度控制系统，从而达到在其工作过程中有效及时控制，以提高其工作效率，节约能源且保证生产过程的安全可靠。
2.管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求
管式加热炉的主要任务是把原制油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序（分馏或裂解）的顺利进行。
管式加热炉的工艺流程图如图2.1所示。
燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度t。
在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以达到调节温度t的目的。
引起温度t改变的扰动因素很多，主要有：
1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压以及燃料油流量）的扰动；
2）喷油用的过热蒸汽压力波动；
3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动；
4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动；
其中燃料油压力，流量和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。
从调节阀动作到温度t改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。
工艺上对出口温度t要求不高，一般希望波动范围不超过
。
3.总体方案设计
3.1传统简单控制系统
管式加热炉的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工艺顺利进行，因此若采用传统简单控制系统，常选原料油出口温度
为被控参数、燃料油流量为控制变量，如图3-1所示，其控制系统框图如图3-2所示。
影响原料油出口温度
的干扰有原料油流量
、原料油入口温度
、燃料压力
、燃料热值
、燃料流量
等，该系统根据原料油出口温度
来控制燃料阀门的开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定数值上，但由其系统图可知当燃料压力、流量、热值发生变化，产生扰动时，最先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油的出口温度，从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度的变化，这个通道时间常数很大，约15min，反应缓慢。
而温度调节器
是根据原料油的出口温度
与设定值的偏差进行控制，当燃料部分出现干扰后，系统并不能及时产生控制作用，客服干扰对被控参数
的影响，控制质量差，当生产工艺对原料油出口温度
要求严格时，传统的简单控制系统很难满足要求，因此我们此次设计采用串级控制系统进行控制。
3.2串级控制系统
串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，当被控过程的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统控制品质较差，满足不了工艺控制精度要求，在这种情况下可考虑采用串级控制系统，串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
针对管式加热炉设计的温度-流量串级控制系统如图3-3所示，其系统框图如图3-4所示。
3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统控制原理及调节过程
下面对管式加热炉温度-流量串级控制系统的控制原理和调节过程进行简单分析。
假设在稳态工况下，原料油进口温度和流量稳定，燃料的热值和压力不变，控制燃料的阀门保持在一定的开度，炉膛温度保持相对稳定状态，此时原料油出口温度稳定在设定值。
如果出现外部干扰，是稳态工况遭到破坏，串级控制系统立即开始控制动作。
下面按照扰动的不同分三种情况进行讨论：
1）燃料流量（主要干扰）发生扰动：
当燃料的流量发生波动，而原油的入口温度和流量保持稳定，则干扰首先引起进入炉膛的燃料量发生变化，流量变送器及时测到流量的变化，并通过副调节器及时控制燃料调节阀，使得燃料流量很快回复到原先的稳定值。
如果干扰量小，经过副回路调节后，一般影响不到原料油出口温度；当干扰幅度较大时，其大部分影响为副回路所客服，但仍会产生一定影响，但引起的偏差要比简单温度控制系统控制下产生的小得多，才是再通过主调节器改变副调节器的设定值进一步调节则可几乎完全消除干扰的影响，是原料温度维持在设定范围；
2）原料油流量、原料油入口温度发生扰动：
当干扰只是来自于原料油的流量和入口温度时，干扰首先引起原料油出口温度变化，温度变送器及时测量到温度的变化，并通过主调节器改变副调节器的设定值，进而调整其输出信号改变燃料阀的开度，进而改变燃料的流量，进而改变炉膛温度，以校正原料油出口温度的变化，使其回复到设定温度范围。
在串级控制系统中，如果干扰作用于主回路时，由于副回路的存在，加快了校正作用，可以及时改变原料油出口温度的变化，比简单温度控制系统的控制质量好的多；
3）干扰同时作用于主回路和副回路：
如果干扰同时存在，为了分析方便，先假定执行器采用气开形式，主调节器和副调节器都采用反作用形式，这时根据干扰作用下主参数和副参数变化的方向，分两种情况进行讨论。
a）如果在干扰作用下，主副参数的变化方向相同，即同时增加或减小，如一方面由于燃料的流量增加，使进入炉膛的燃料增加，同时由于原料油流量减少或者进口原油温度升高，使得原料油出口温度上升。
这时主调节器的输出由于原料油出口温度的升高而减小，使得副调节器的设定值减小，副调节器由于测量值上升，设定值减小，副调节器设定值与流入炉膛的燃料流量差值更大，副调节器的输出大大减小，以使调节阀关得更小，大幅度减小燃料的供给量，直至主参数原料油出口温度回复到设定值为止。
由于此时主副调节器的作用都是使阀门关小，加强了控制作用，因此加快了控制过程；
b）如果在干扰作用下，主副参数变化方向相反，即一个增加一个减小，例如一方面由于燃料的流量增加导致进入炉膛的燃料流量增加，另一方面又由于原料油流量增加或进口温度降低，使原料油出口温度降低，这时主调节器的测量值降低，使其输出增大，副调节器的设定值增大，同时副调节器的测量值增大，如果两者增加量恰好相等，则副调节器输入不变，副调节器输出不变，阀门不需要动作；如果两者不相等，由于能相互抵消一部分，副调节器输入变化较小，输出变化幅度也比较小，调节阀只需要做出较小的改变就可以校正原料油出口温度的偏差，使其重新回到设定值。
通过以上可以直观地看出，在管式加热炉温度-流量串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。
副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰能进行彻底消除，由于主副回路相互配合补充，使得系统的控制质量显著提高。
4.系统的设计与参数整定
4.1主回路设计
管式加热炉温度-流量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，所以主回路的设计确定以原料油出口温度为被控参数，其选择与生产工艺密切相关，能直接反映加热过程中的加热质量，也与节约能源，提高效率和安全生产息息相关，同时也易于测量。
4.2副回路设计
副回路的选择也就是确定副回路的被控参量即串级控制系统的副参数，在本次设计中选用进入炉膛的燃料流量作为副被控参数，其选择是基于一下几个原则：
1）主副参数有对应关系；
2）选择进入炉膛的燃料流量作为副控参数使副回路包含变化剧烈的主要干扰；
3）考虑了主、副回路中控制过程的时间常数的匹配；
4）考虑了工艺上的合理性和经济性。
4.3主副调节器调节规律的选择
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。
在管式加热炉温度-流量串级控制系统中，由于我们选择原料油出口温度作为主要被控参数，而原料油出口温度关乎产品质量，工艺要求较为严格，又因为管式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。
在串级控制系统中副控制副参数的选择是为了保证和提高主参数的控制质量，所以对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以副调节器调节规律选择P调节。
4.4主副调节器正反作用方式的确定
首先根据工艺的安全性要求确定燃料调节阀为气开形式，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；其次对于副调节器，进入炉膛的燃料流量增加时，测量信号增大，为保证副回路为负反馈，此时调节阀应该关小，要求副调节器输出信号要减小，按照测量信号增大，输出信号减小的原则要求，副调节器应为反作用方式；再者对于主调节器，当副参数增大时，主参数也随之增大，所以主调节器应选择反作用方式。
4.5控制系统的参数整定
通过参数的整定，可以获得理想的控制效果，串级控制系统主副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法，其中：
1）两步整定法是在系统处于串级工作状态时，第一步按单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路仍按单回路对主调节器进行参数整定两步整定法；
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。
由于采用两步整定法整定的参数结果比较准确，本次设计采用两步整定法来整定串级控制系统的参数，其整定步骤如下：
1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主副调节器均为比例作用的条件下，先将主调节器的比例度
置于100%刻度上，然后由大到小逐渐降低副调节器的比例度
，直到得到副回路过渡过程衰减比为4:
1的比例度
，过渡过程的振荡周期为
；
2）在副调节器的比例度等于
的条件下，逐步降低主调节器的比例度
，直到同样得到主回路过渡过程衰减比为4:
1的比例度
，过渡过程的振荡周期为
；
3）按已求得的
、
和
、
值，结合已选定的调节规律，按照衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主副调节器的整定参数值；
4）按照先副回路后主回路的顺序，将计算出的参数值设置到调节器上，做一些扰动实验，观察过渡过程曲线，做适当的参数调整，直到控制品质最佳为止。
5.所需检测元件、执行元件及调节仪表技术参数
5.1温度变送器
本设计中采用DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器，其原理框图如图5-1所示，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。
DDZ-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DC4～20mA，控制室联络信号为DC1～5V，信号电流与电压的转换电阻为250
；
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（DC4～20mA或DC1～5V），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4～20mA直流电流输出。
5.2温度检测元件
本设计采用热电偶作为温度传感元件，具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点，在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，采用补偿导线作为热电偶的连接导线，作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方，如图5.2所示，用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此采取进一步的补偿措施，具体的方法有：
查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。
补偿导线
5.3流量检测及变送
为了能检测燃料流量的变化量并将其传送给控制器需要引入燃料流量的检测和变送器部件，本设计采用差压式流量计来实现这一功能，其原理框图如图5-3所示。
差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。
5.4调节阀
从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，以便一旦出现故障或气源断气，调节阀能够完全关闭，切断燃料油进入加热炉，以确保设备安全。
调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。
气动调节阀采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。
故本设计采用气动调节阀，且为气开形式。
5.5联锁保护
联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰检测器、低选器等部分组成。
当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作的温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。
压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。
当管道压力恢复正常时，温度调节系统通过低选器投入正常运行，出口原料油温度重新受到控制。
当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，控制电磁阀切断燃料气供给量以防回火。
6.组态软件设计
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
6.1新建工程
图6-1新建管式加热炉流量-温度串级控制工程
6.2连接设备及设备测试
图6-2管式加热炉流量-温度串级控制设备配置
6.3数据词典
图6-3管式加热炉流量-温度串级控制变量定义
6.4建立画面
图6-4管式加热炉流量-温度串级控制画面编辑
6.5调试,执行
PID设定后运行动态组态图界面显示图
图6-5管式加热炉流量-温度串级控制调试界面
6.6PID控制算法设计
根据流量-温度串级控制系统的原理，在“命令语言”中选择“应用程序命令语言”，运用组态王所提供的类似于C语言的程序编写环境实现PID控制算法。
本设计采用PID位置式算法，其控制算式为：
其中，
在上述算式中，
为比例系数，
为积分时间，
为微分时间。
在流程中，以u（k）做为计算机当前的输出值，SV做为设定值，PV做为反馈值，e（k）做为偏差，位置式PID控制算法的流程图如图所示。
图6-6管式加热炉流量-温度串级控制PID程序流程图
心得体会
通过此次课程设计我巩固了书本中所学的理论知识，并且对过程控制系统在工业生产用的运用有了更深刻的认识，此外我对过程控制系统的设计步骤、思路有了进一步的了解与认识，更加明确了过程控制系统的设计方法和步骤，拓展了理论与应用的知识面，进一步认识到了工业工程中控制系统起到的重要作用。
在本次设计过程中，从方案的设计到方案的确定，再到后续的回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，这其中每一步都付出了许多精力也收获匪浅，虽然在设计中遇到过许多困难，但还是通过各种方法积极探索，使自己最终得以完成这次关于管式加热炉温度-流量控制系统的设计。
这次过程控制系统的课程设计给了我们一个十分好的平台，让我们切实把所学知识开始尝试初步运用于实践中，让我们通过自己查找资料，巩固知识，了解原理，设计方案，改进方案，撰写报告等过程来更加铭记所学的知识与现实工业生产之间的联系，让我收获颇丰，十分感谢这么一个宝贵的机会。
参考文献
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[6]王再英、刘淮霞编著.《过程控制系统与仪表》.北京：
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附录A系统脚本程序
PID控制算法的脚本程序
启动时：
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运行期间：
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停止时：
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