加热炉温度控制系统设计.docx
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加热炉温度控制系统设计
南华大学
过程控制仪表课程设计
设计题目加热炉温度控制系统
学生姓名
专业班级自动化
学号
指导老师
2010年12月31日
目录
第1章设计的目的和意义…………………………………2
第2章控制系统工艺流程及控制要求……………………2
2.1生产工艺介绍
2.2控制要求
第3章总体设计方案………………………………………3
3.1系统控制方案
3.2系统结构和控制流程图
第4章控制系统设计………………………………………5
4.1系统控制参数确定
4.2PID调节器设计
第5章控制仪表的选型和配置……………………………7
5.1检测元件
5.2变送器
5.3调节器
5.4执行器
第6章系统控制接线图……………………………………13
第7章元件清单……………………………………………13
第8章收获和体会…………………………………………14
参考文献
第1章设计的目的和意义
电加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。
由于这类对象使用方便，可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。
在一些工业过程控制中,工业加热炉是关键部件,炉温控制精度及其工作稳定性已成为产品质量的决定性因素。
对于工业控制过程,PID调节器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点,因此在控制理论和技术飞跃发展的今天,它在工业控制领域仍具有强大的生命力。
在产品的工艺加工过程中，温度有时对产品质量的影响很大，温度检测和控制是十分重要的，这就需要对加热介质的温度进行连续的测量和控制。
在冶金工业中，加热炉内的温度控制直接关系到所冶炼金属的产品质量的好坏，温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。
为此，可靠的温度的监控在工业中是十分必要的。
这里，给出了一种简单的温度控制系统的实现方案。
第2章控制系统工艺流程及控制要求
2.1生产工艺介绍
加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。
随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。
加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。
本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。
物料被加热后，温度达到生产要求后，进入下一个工艺环节。
加热炉设备主要工艺流程图如图2-1所示。
图2-1加热炉设备主要工艺流程图
2.2控制要求
加热炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使加热炉在安全、经济的条件下运行。
按照这些控制要求，加热炉设备将有主要的控制要求：
加热炉燃烧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围内。
第3章总体设计方案
3.1系统控制方案
随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。
本加热炉温度控制系统较为简单，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。
采用PID调节器组成的PID自动控制系统调节炉温。
PID调节器的比例调节,可产生强大的稳定作用;积分调节可消除静差;微分调节可加速过滤过程,克服因积分作用而引起的滞后。
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。
本加热炉温度控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。
在运行过程中，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PID算法计算后输出，通过执行器调节燃料流量，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。
3.2系统结构和控制流程图
根据控制要求和控制方案设计的加热炉温控制系统结构如图3-1所示,该系统主要由调节对象（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,构成单回路负反馈温度系统。
其中显示器是可选接次要器件，故用虚线表示；θ为物料出口温度，Qg为燃料流量。
箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，经过一系列器件和运算后，由执行器改变燃料流量，进而实现温度控制。
图3-1加热炉温度控制系统结构图
根据控制要求和结构图绘制得加热炉温度控制系统整体控制流程图如下图所示：
图3-2加热炉温度控制系统整体控制流程图
其中，调节器采用数字PID算法，Qg为燃料流量，θ为物料出口温度，加热炉作为控制对象。
第4章控制系统设计
4.1系统控制参数确定
4.1.1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。
4.1.2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：
选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数；
在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控制；
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。
4.2PID调节器设计
对温度的控制算法,采用技术成熟的PID算法,对于时间常数比较大的系统来说,其近似于连续变化,因此用数字PID完全可以得到比较好的控制效果。
简单的比例调节器能够反应很快,但不能完全消除静差,控制不精确,为了消除比例调节器中残存的静差,在比例调节器的基础上加入积分调节器,积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果,在差不变的情况下,积分器还在输出直到误差为零,因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量,消除静差,使系统趋于稳定。
积分器虽然能消除静差,但使系统响应速度变慢。
进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差,并对误差的变化作出响应,于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器,组成比例、积分、微分（PID）调节器,微分调节器的加入将有助于减小超调,克服振荡,使系统趋于稳定,同时加快了系统的稳定速度,缩短调整时间,从而改善了系统的动态性能,其控制规律的微分方程为:
传递函数为：
用PID控制算法实现加热炉温度控制是这样一个反馈过程:
比较实际物料出口温度和设定温度得到偏差,通过对偏差的处理获得控制信号,再去调节加热炉的燃料流量,从而实现对炉温的控制,由于加热炉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和Ki的选择取决于加热炉的响应特性和实际经验。
第5章控制仪表的选型和配置
5.1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，本系统选择热电偶作为测温元件，其电路原理图如下图所示：
图5-1热电偶电路原理图
5.2变送器
5.2.1变送器选型
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5-2所示。
图5-2电动III型热电偶典型模拟温度变送器构成方框图
5.2.2变送器配置
本设计选用放入是KBW—1131型热电偶温度变送器。
1.主要技术参数：
名称
性能
输入信号
最小量程≥3mV，最大量程<80mV
输出信号
1~5VDC或4~20mADC
负载电阻
0~500Ω
精度
±0.5%（量程范围大≥5mV）
±1.0%（5mV>量程≥3mV）
工作条件
环境温度：
5~40℃
相对湿度：
10%~75%
供电电源：
24V±2.4VDC
功率
2W
表5.1热电偶温度变送器参数表
2.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5-3所示。
Ｖ + 输出Ｉ/Ｖ
热电偶 -
+ -
24VDC
图5-3 热电偶温度变送器原理框图
3.端子图：
图5-4热电偶变送器接线端子图
5.3调节器
5.3.1调节器选型
实现PID算法的控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。
常用的控制仪表有电动II型、III型。
在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。
电动III型和电动II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II型典型信号为
，而电动III型仪表的典型信号为
，此外。
III型仪表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。
所以在本设计中选用电动III型仪表。
调节器的构成方框图如图5-4所示。
图5-5电动III型调节器构成方框图
作用方式选择：
对于单回路控制系统，调节器正、反作用的选择要根据控制系统所包括的各个环节的情况来确定，这样只要根据被控参数与变送器放大倍数的符号及整个控制回路开环放大倍数的符号为“负”的要求，就可以确定调节器的正、反作用。
在本系统中，被控参数的放大倍数为的符号为“正”，所以调节器应选“负”作用即反作用。
5.3.2调节器配置
1.本系统采用的DDZ-III型PID调节器TDM-400性能指标如下表所示：
表5.2DDZ-III型PID调节器性能指标
名称
性能
输入信号
1~5V直流电压
外给定信号
4~20mA直流电流（输入电阻250Ω）
输出信号
4~20mA直流电流
负载电阻
250Ω~750Ω
输入与给定指示
0~100%，指示误差为
1.0%
输出信号指示
0~100%，指示误差为
2.5%
整定参数
（F=1情况下）
比例带Xp=2~500%连续可调，最大值刻度误差
2.5%；
积分时间Ti有两档0.01~2.5分与0.1~25分。
分别连续可调，最大值与最小值刻度误差为
%；
微分时间Td=0.04~10分，连续可调，最大刻度误差为
%
干扰系数F
积分增益Kd
Kd
10
闭环跟踪误差
2.DDZ-III型调节器接线端子如下图所示：
图5-6DDZ-III型调节器调节器接线端子
5.4执行器
5.4.1执行器选型
本系统中，执行器是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节燃料流量的装置。
1.执行器的结构形式：
执行器在结构上分为执行机构和调节机构。
其中执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。
调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：
生产安全角度：
当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；
保证产品质量：
当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；
尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
从介质的特点考虑。
综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器的调节阀选择气开阀：
执行机构采用正作用方式，调节机构正装以实现气开的气动薄膜调节蝶阀。
执行器由电/气阀门定位器和气动调节阀配合使用组成，其方框图如图5-7所示。
图5-7电/气阀门定位器和气动调节阀组成的系统框图
1.调节阀的流量特性：
调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性、抛物线特性和快开特性四种，在本系统中执行器的调节阀的流量特性选择等百分比特性。
2.调节阀的口径：
调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。
为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。
5.4.2执行器配置
1.电/气阀门定位器ZPD-01
表5.3ZPD-01参数表
名称
性能
输入信号
4-20mA·DC
输出信号
0-0.14MPa
图5-8ZPD-01端子图
3.薄膜气动调节阀ZMBS-16K
表5.4ZMBS-16K参数表
名称
性能
输入信号
0.02-0.1MPa
输出信号
开度（%）
图5-9执行器接线端子图
第6章系统控制接线图
6.1端子接线图见附录。
6.2仪表配接说明：
接线图主要由接线板W、温度变送器K（KBW-1131）、电动III型调节器T（TDM-400）、电/气阀门定位器Z（ZPD-01）和气动薄膜调节阀S（ZMBS-16K）五个部分组成。
温度变送器KBW-1131的输入信号由W1（+），W2（-）接入K1，K2；输出信号由K5，K6接至W10（+），W11（-）；24V直流电源由W5（+），W7（-）接至K7，K8。
电动III型调节器TDM-400的输入信号由W10（+），W11（-）接入T1，T2；输出信号由T13，T14接至W8（+），W9（-）；24V直流电源由W3（+），W4（-）接至T19，T20；W3接W5，W4接W7。
电/气阀门定位器ZPD-01的输入信号由W8（+），W9（-）接入Z1，Z2；输出信号由Z3，Z4接至W12（+），W13（-）。
气动薄膜调节阀ZMBS-16K的输入信号由W12（+），W13（-）接入S1，S2。
第7章元件清单
产品名称
型号
数量
输入信号
输出信号
备注
电/气阀门定位器
ZPD-01
1台
4-20mA·DC
0.14MPa
阀行程40mm
气动薄膜角型调节阀
ZMBS-16K
1台
0.02-0.1MPa
开度（%）
正作用方式
热电偶温度变送器
KBW-1131
1台
0-1300℃
1~5VDC
配EU-2热电偶
电动III型调节器
TDM-400
1台
1-5V
4-20mADC
PID调节
表7.1元器件清单
第8章收获和体会
8.1设计总结
本设计是基于单回路控制系统的加热炉温度控制系统的设计，对物料出口温度的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。
采用PID算法控制，可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动，使系统工作在良好的状态下，满足基本的控制要求。
8.2心得体会
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，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。
最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。
参考文献
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清华大学出版社2010年
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化学工业出版社，2004年；
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分
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北京：
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机械工业出版社，1991年
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