管式加热炉出口温度及炉膛温度串行控制系统设计.docx

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1、哈尔滨华德学院课程设计用纸第1章绪论1.1 设计要求综合运用过程掌握系统及自动掌握原理课中所学到的理论学问，联系工程实际，选择合理的主变量、副变量，选择合理的掌握方式，设计一个符合要求的串级掌握系统。1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统技术指标：1. 选择掌握器与调整阀的作用方式； 2画出掌握系统框图；3. 承受两步整定法整定主、副掌握器 PID 的参数。求出比例度与衰减振荡周期；4. 依据阅历公式且适当修正分别求得主、副掌握器的最正确参数值；5. 求出系统的阶跃响应曲线；6. 求出设定值位 0 时，施加幅值为 30%的一次阶跃扰动信号，系统的输出曲

2、线；7. 分析系统特点。8. 撰写设计说明书及留意事项。1.1.2 设计功能主要功能：选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级掌握系统。- 1 -哈尔滨华德学院课程设计用纸第2章2.1 工艺流程图系统总体设计方案管式加热炉是工业生产中的常用设备之一，其工艺流程图如图 2-1 所示：图 2-1 管式加热炉工艺流程图2.2 方框图和工艺流程的介绍此次管式加热炉出口温度与炉膛温度串级掌握系统的设计承受主副回路的串级掌握方案，即选取炉口温度为主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉口温度调整器的输出作为炉膛温度调整器的给定值。其系统框图如图 2-2 所示：- 2 -哈尔滨华德学院课程设

3、计用纸主调整器副调整器调整阀炉膛管壁物料副测量变送器主测量变送器图 2-2 管式加热炉出口温度串级掌握系统框图管式加热炉简介：管式加热炉一般由四个主要局部组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器管式加热炉示意图如图 2-3 所示：图 2-3 管式加热炉通风系统：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。- 3 -哈尔滨华德学院课程设计用纸对流室：靠辐射室出来的烟气进展以对流传热为主的换热局部。辐射室：通过火焰或高温烟气进展辐射传热的局部。这局部直承受火焰冲刷，温度很高600-1600，是热交换的主要场所约占热负荷的 70-80%。燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使

4、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。- 5 -第3章硬件设计和器件的选择3.1 系统电气接线框图本系统承受两个 AI818 掌握器构成主副掌握回路，其系统电气接线图如图 3-1 所示：计算机RS-485AI818AI818变送器调整阀变送器热电偶热电偶图 3-1 系统电气接线图3.2 器件选择及元器件清单1. 掌握器AI-818 人工智能温控器/调整器 适合温度、压力、流量、液位、湿度等的准确掌握，输入承受数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精度高达 0.2 级。承受先进的 AI 人工智能调整算法，无超调，具备自整定AT功能。承受先

5、进的模块化构造，供给丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要。除支持标准电流电压信号输入外，还支持各种热电偶、热电阻、电阻及辐射红外温度计等，并具备扩大输入插座安装特别输入规格，并可自定义特别输入的非线性校正表格，可外接 Cu50 铜电阻作热电偶冷端补偿，0.1 级测量精度，温漂小于30PPm/。除主输入外的其次路输入用于外给定或阀门信号反响功能，可组成串级或比值调整器等简单调整系统。模块化输出支持 SSR 电压、线性电流电压、继电器触点开关、可控硅无触点开关、单相、三相可控硅过零触发、移相触发输出及位置比例输出直接驱动阀门电机正/反转等。除主输入外的其次路输入用于外给定或阀门信号反响功能

6、， 可组成串级或比值调整器等简单调整系统。具备 MPT、AI 人工智能调整 APID 等多种调整方式，具有自整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良掌握特性，亦可使用位式掌握 ON-OFF功能; 双组独立参数 PID 可支持加热/冷却双输出功能。先进的 AIBUS 通讯协议：支持 RS485 或 RS232C 通讯接口，协作快速通讯技术能便利组建数千点规模的大、中型计算机掌握系统，亦可组成 AI 系列触摸屏掌握系统/分体式无纸记录仪。支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能，并可自由定义 4 个报警输出端口，支持多个报警信号从同一位置输出。具备上电免除报警等功能，避开上电报警误动作。可选

7、用的面板尺寸：A、A2、B、C、C3、E、E2、E5、F、D。温度掌握器输入端是热电偶或热电阻接点，检测元件热电阻接在该点上，输出端是两个小型继电器，掌握加热设备。然后设置温度的上限和下线。运行后，当温控器检测到温度到达上限时， 继电器断开，停顿加热设备加热。当温度回到下线时，继电器接通，掌握加热设备连续加热，起到自动掌握温度作用。2. 温度检测元件常用的温度检测元件有热电偶，热电阻和热敏电阻温度计等。热电偶是依据热电效应制成的一种温度传感元件，能将温度信号转换成电动势mV信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送 器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有构造简洁、 结实耐用、稳定性好、复现性好

8、、精度高、测量范围宽、体积小、响应时间较小等优点，便于远距离、多点、集中测量和自动掌握， 热电偶一般用于 500C 以上的高温，可以在 1600C 高温下长期使用。热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，假设某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度上升而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度上升而削减。由于热电偶的材料一般都比较贵重特别是承受贵金属时，而测温点到仪表的距离都很远，为了节约热电偶材料，降低本钱

9、， 通常承受补偿导线把热电偶的冷端自由端延长到温度比较稳定的掌握室内，连接到仪表端子上。在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受四周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，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶哈尔滨华德学院课程设计用纸的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图 3-2 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，为此还要实行进一步的补偿措施。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。承受热电阻法测量

10、温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的链接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容无视。为了消退导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必需使导线电阻的阻值符合规定的数值， 假设缺乏，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必需用三线接法， 如图 5.3 所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响电桥平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。图 3-2 补偿导线的作用- 8 -哈尔滨华德学院课程设计用纸3. 调整阀图 3-3 热电阻三线制接法调整阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调整阀用压缩空气作为工作能源，

11、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；电动调整阀用电源工作，其特点是能源取用便利，信号传递快速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调整阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。本设计所选用的调整阀是电动调整阀，其具有高牢靠，全功能，超轻型的特点，并且，信号传递快速，响应速度快，而且承受电源作为动力源即便利又节约，并且相对其他调整阀的使用削减了很多修理工作量。- 9 -哈尔滨华德学院课程设计用纸第4章掌握算法及参数整定选择加热炉出口温度为主被控参数简称主参数，炉膛温度为副被控参数简称副参数，把炉口温度调整器的输出作为炉膛温度调整器的给定值，设计串级掌握系统。假

12、设热物料出口温度的特性可近似为G (s) =o1e-180 s(30s +1)2 ，燃料 热 值 变 化 对 炉 膛 温 度 影 响 特 性 可 近 似 为G(s) =o 2e-18s(10s +1)(s +1)2 。在 MATLAB 中画出仿真框图，如图 4-1 所示：图 4-1系统仿真图4.1 副回路的整定将比例作用的条件下，由大到小渐渐降低副调整器的比例度。此时的仿真曲线如图 4-2 所示：- 10 -哈尔滨华德学院课程设计用纸4.2 主回路的整定图 4-2仿真曲线 1保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1，直到得到主回路过渡过程衰减比为 10：1 的比例度 P1S，记取过渡

13、2s过程的振荡周期 T1S。当衰减比为 10：1 时，比例度P，振荡周期2sT，此时主回路的仿真曲线如图 4-3 所示:图 4-3 仿真曲线 2- 11 -哈尔滨华德学院课程设计用纸4.3 整体参数整定按已求得的 P1S、T1S 和 P2s、T2s 值，结合已选定的调整规律，按衰减曲线法整定参数的阅历公式，计算出主、副调整器的整定参数值。经计算以后，主、副调整的参数设置如图4-4、4-5 所示：图 4-4 整定参数设置 1图 4-5 整定参数设置 2- 12 -哈尔滨华德学院课程设计用纸当副调整器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路掌握系统的方法整定主调整器参数，而不再考虑主调整器

14、参数变化对副回路的影响。一般串级系统对主参数的掌握质量要求高，而对副参数的掌握要求相对较低。因此，当副调整器参数整定好之后再去整定主调整器参数时，虽然会影响副参数的掌握品质，但只要主参数掌握品质得到保证，副参数的掌握品质差一点也是可以承受的。主、副调整器参数整定好以后系统输出图如图 4-6 所示。图 4-6 整定完成后系统输出图对设定值施加干扰信号以后，系统输出如图 4-7 所示。图 4-7 施加干扰时系统输出图- 13 -哈尔滨华德学院课程设计用纸第5章5.1 数据库设计组态设计组态软件变量表如图 5-1 所示：图 5-1 组态王变量表- 14 -哈尔滨华德学院课程设计用纸5.2 画面设计5

15、.2.1 主画面图 5-2 管式加热炉掌握系统组态画面主画面5.2.2 具体参数画面图 5-3 管式加热炉掌握系统组态画面参数画面- 15 -哈尔滨华德学院课程设计用纸结 论通过过程掌握系统的分析与应用，根本完成了方案的制定与实施，并根本完成了设计要求与技术指标。通过综合运用过程掌握系统与自动掌握原理中的理论学问， 并结合工程实际，承受两个 AI818 智能掌握器的串级掌握和热电偶等测量元件的使用以及计算机中 kingview6.53 工业组态软件的应用实现了对管式加热炉出口温度与炉膛温度的监控。- 19 -心得体会不知不觉中，两周的课程设计马上完毕，关于管式加热炉温度掌握系统的课程设计也已经

16、根本完成了，在本次课程设计的过程中，我感到受益匪浅。在本次设计过程中，从拿到课程设计的题目到方案的根本思路的整定，从方案的设计到根本方案确实定，无不经过了反复的论证与缜密的思考。回路的设计，调整器的正反作用确实定，被控参数的选择，如何使系统能够到达设计目的也经受了严谨的论证。通过学校安排的这次管式加热炉温度掌握系统的课程设计， 我们通过自己查找资料，了解状况，使得我们清楚所学的学问与现实工业生产之间的联系，并增加了我们动手动脑的力量与独立思维的力量，使得我们对所学的理论学问有了更深入的了解和稳固。通过这次设计，我对过程掌握系统在工业中的运用有了更加深入的生疏，对过程掌握系统设计的步骤、思路也有

17、了肯定的了解与生疏。在课程设计的过程中，我们遇到了很多困难，教师也在各个环节中赐予了我们细心的指引与教育 ,使我得以最终完成这次关于管式加热炉温度掌握系统的设计。在本次课程设计的过程中，我了解到了掌握系统的根本设计方法与步骤，拓展了学问面，并在与同学的争论与合作中明白了团队合作的重要性，三人行则必有我师，每个人所把握的东西各有不同，每个人的思路也各不一样，只有相互促进、互补缺乏才能成就我们共同的辉煌，也只有集众人之所长，才能集合出众人等精彩。而在日后的学习、生活与工作中，我们不行能一个人单枪匹马的去做一个工程，我们需要团队的合作，需要大家的共同努力，明白了这些，使得我们为今后的学习和工作积存了

18、阅历， 是一笔难得的财宝。致 谢在这两个星期的课程设计的过程中，首先，我们要感谢我们的指导教师能在忙绿的工作中指导我们完成这次课程设计，在我们迷茫时给我们供给更佳的设计方案与设计建议，并且在课题较难的地方指导我们如何去选择，如何去操作，如何去设计，诚意的感谢我们的教师对我们的支持与帮助。其次，要感谢学校赐予我们此次课程实际的时机，让我们在此次课程设计中获益匪浅，明白了理论与实际相结合的重要性， 与团队合作的重要性，在今后的工作中，这将是一笔贵重的财宝。再次，要感谢我的队友，是他们努力的工作与争论，才使得此次课程设计取得如此快的进展与成功。参考文献1 金以慧，方崇智编过程掌握清华大学出版社，20

19、23 2 薛定宇编掌握系统关心设计清华大学出版社，2023 3 胡寿松编自动掌握原理科学出版社，2023 4 张毅，张宝芬编自动检测技术及仪表掌握技术化学工业出版社， 2023.5 周泽魁编掌握仪表与计算机掌握装置 化学工业出版社， 2023 6 王兆安，黄俊编 . 电力电子技术 . 机械工业出版社， 2023.7 刘迎春. 传感器原理设计与应用. 国防科技大学出版社，1997.8 周庆海，翁维勤编. 过程掌握系统工程设计. 化学工业出版社，1992.附 录元器件清单：AI818 智能调整仪器2 台镍铬-镍硅热电偶2 个电动单座调整阀1 个温度变送器2 个名目第 1 章绪论. - 1 -1.1

20、设计要求 . - 1 -1.1.1设计题目和设计指标. - 1 -1.1.2设计功能. - 1 -第 2 章系统总体设计方案. - 2 -2.1 工艺流程图. - 2 -2.2 方框图和工艺流程的介绍. - 2 -第 3 章硬件设计和器件的选择. - 5 -3.1 系统电气接线框图 . - 5 -3.2 器件选择及元器件清单 . - 5 -第 4 章掌握算法及参数整定. - 10 -4.1 副回路的整定 . - 10 -4.2 主回路的整定 . - 11 -4.3 整体参数整定 . - 12 -第 5 章组态设计. - 14 -5.1 数据库设计. - 14 -5.2.1 主画面. - 15 -5.2.2 具体参数画面 . - 15 -结 论 . - 16 -心得体会. - 17 -致 谢 . - 19 -参考文献. - 20 -附 录 . - 21 -