管式加热炉出口温度串级控制新版专业系统设计.doc

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目：
（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其她有关课程知识，结合毕业实习中学到实践知识，独立地分析和解决实际过程控制问题，初步具备设计一种过程控制系统能力。
（2）运用工程办法，通过一种简朴课题设计练习，可使学生初步体验过程控制系统设计过程、设计规定、完毕工作内容和详细设计办法。
（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基本知识，解决实际工程技术问题能力；
（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书能力；
（5）培养编写技术报告和编制技术资料能力。

2．设计内容和规定（涉及原始数据、技术参数、条件、设计规定等）：
通过《过程检测仪表与控制》课程学习和生产实习后，对现场实际过程控制方略、实际环节控制系统有了一定结识和理解。在此基本上，针对实践环节中被控对象（控制装置），独立完毕控制系统设计，并通过调节系统控制参数，达到较好控制效果。
1. 拟定系统整体控制方案以及系统构成方式，给出控制流程图；
2. 现场仪表选型，编制关于仪表信息设计文献；
3. 给出控制系统方框图；
4. 分析被控对象特性，选取控制算法；
5. 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；
6. 写出设计工作小结。对在完毕以上设计过程所进行关于环节：如设计思想、指标论证、方案拟定、参数计算、元器件选取、原理分析等作出阐明，并对所完毕设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。

3．设计工作任务及工作量规定〔涉及课程设计计算阐明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
1．拟定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选取控制算法。
2．撰写课程设计阐明书一份（A4纸）。

4．重要参照文献：
[1]《过程装备控制技术及其应用》 王毅 主编 化学工业出版社
[2]《过程自动化及仪表》 俞金寿 主编 化学工业出版社
[3]《工业过程控制工程》 王树青 主编 化学工业出版社
[4]《控制仪表及装置》 吴勤勤 主编 化学工业出版社
[5]《过程控制仪表》 徐春山 主编 冶金工业出版社
[6]《过程装备成套技术设计指南工程》 黄振仁 主编 化学工业出版社
[7]《过程控制装置》 张永德 主编 化学工业出版社
[8]《化工单元过程及设备课程设计》 匡国柱 主编 化学工业出版社
[9]《化工设备设计设计手册》（上、下） 朱有庭 主编 化学工业出版社
[10]《工业过程检测与控制》 孟华 主编 化学工业出版社

5．设计成果形式及规定：
提供课程设计阐明书一份，规定内容与设计过程相符，且格式要符合规定规定；
系统控制流程图一份；

6．工作筹划及进度：
1月7日 -1月9日 拟定系统整体控制方案以及系统构成方式，画出控制流程图，完毕仪表选型，接线图；
1月10日 - 1月13日 控制系统方框图，分析被控对象特性，选取控制算法；
1月14日- 1月15日 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；
1月16日 - 1月17日 编写课程设计阐明书
1月18日 答辩

系主任审查意见：

签字：
年 月 日
目 录
1 管式加热炉概述............................................................... 1
1.1管式加热炉在石油工业中重要性.............................................1
1.2管式加热炉基本构成与构成.................................................1
1.3管式加热炉出口温度控制系统设计目及意义...................................1
2 管式加热炉温度控制系统工作原理及控制规定.....................................2
2.1 管式加热炉出口温度控制系统工作原理..................... ........ ..........2
2.2 管式加热炉出口温度控制系统控制规定........................................2
3 管式加热炉出口温度控系统工艺流程设计......................................... 2
3.1 管式加热炉出口温度影响因素扰动分析......................................2
3.2 管式加热炉出口温度控制系统工艺流程设计..................................2
4 管式加热炉出口温度控系统现场仪表选型与连线图............................... 3
4.1 控制系统中温度检测元件选型..............................................3
4.2 控制系统中变送器选型....................................................4
4.3 控制系统中执行器（调节阀）选型..........................................4
4.4 控制系统中调节器选型....................................................5
4.5 控制系统中连锁保护与接线图..............................................6
5管式加热炉出口温度串级控制系统分析........................................... 7
5.1 控制系统方框图与工作过程..................................................7
5.2 主、副调节器规律选取......................................................7
5.3 主、副调节器正反作用方式拟定.............................................7
5.4 控制器参数工程整定........................................................8
6 管式加热炉出口温度串级控制系统MATLAB SIMULINK仿真与分析................... 9
6.1传递函数选取.............................................................9
6.2系统参数选取...........................................................9
6.3系统仿真分析............................................................10
7 感受与体会.................................................................. 11
8参照文献.................................................................... 11

1 管式加热炉概述
1.1管式加热炉在石油工业中重要性
⑴加热温度高（火焰温度1000℃以上），传热速率快。
⑵是整个石油加工和石油化工过程中能耗最大设备之一。
⑶是控制运转周期及自动化及自动化限度核心设备。
1.2管式加热炉基本构成与构成
管式加热炉是一种直接受热加热设备重要用于加热气体或液体化工原料，所用燃料普通有燃料油和燃料气。管式加热炉传热方式以辐射传热为主。
管式加热炉普通由辐射室、余热回收系统、对流室、燃烧器和通风系统等五某些构成，如图1所示。
（1） 辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射
传热某些。这某些直接受火焰冲刷，温度很高
（600-1600℃），是热互换重要场合（约占热负
荷70-80%）。图1

（2）余热回收系统：用以回收加热炉排烟余热。有空气预热方式和废热锅炉方式两种办法。
（3）对流室：靠辐射室出来烟气进行以对流传热为主换热某些。
（4）燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧产热设备，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）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。
其构造普通涉及：钢构造、炉管、炉墙（内衬）、燃烧器、孔类配件等。
1.3管式加热炉出口温度控制系统设计目及意义
加热炉控制重要任务就是保证工艺介质最后温度达到并维持在工艺规定范畴内，由于管式加热炉具备强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同步，近年来能源节约、回收和合理运用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门典型热工设备，能耗很大。因而，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺规定前提下，节能也是一种重要质量指标，要保证加热炉热效率最高，经济效益最大。此外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生有害气体至少，达到减排目。
2 管式加热炉温度控制系统工作原理及控制规定
2.1 管式加热炉出口温度控制系统工作原理
控制原理如图2所示，管式加热炉重要任务是把物料加热到一定温度，以保证下一道工序顺利进行。燃料油通过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，物料流过炉膛四周排管中，就被加热到出口温度。在燃料油管道上装设一种调节阀，物用它来控制燃油量以达到所需出口温度目。
2.2 管式加热炉出口温度控制系统控制规定
影响出口温度变化因素有诸各种，重要体当前：
（1） 被加热物料流量与初温。
图2
（2） 燃料热值变化、压力波动、流量变化。
（3） 烟窗挡板位置变化、抽力变化。
其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度，可以及时准的确现控制过程。工艺上对出口温度规定不高，普通但愿波动范畴不超过±1～2%。
3 管式加热炉出口温度控系统工艺流程设计
3.1 管式加热炉出口温度影响因素扰动分析
由于从燃料油调节阀开始作用到出口温度变化，整个控制通道容量滞后大，时间常数大，这就会导致控制系统控制作用不及时，反映迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度减少。
除外，、变化进入系统位置，都是一方面影响炉膛温度，而后通过加热管管壁影响被加热油料温度。而炉膛惯性小，而炉膛惯性小，其温度变化不久就可以反映出来，则控制通道容量滞后大大减小，对干扰、可以及时克服，减小它们对出口温度影响。
因此单独用单回路出口温度或炉膛温度控制系统各有优缺陷，为了同步发挥它们长处，考虑选用出口温度—炉膛温度串级控制系统。
3.2 管式加热炉出口温度控制系统工艺流程设计
加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为被控参数控制系统。其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。主温度调节器对被控参数精准控制，与副温度调节器对来自燃料干扰及时控制相结合，先依照炉膛温度T2变化，变化燃料量，迅速消除来自燃料干扰对炉膛温度影响；然后再依照原料油出口温度T1与设定值偏差，变化炉膛温度调节器设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制目。
图3
副回路选取也就是拟定副回路被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。因此，咱们选取炉膛温度为串级控制系统辅助被控参数。串级系统中，为解决滞后时间与控制规定之间矛盾，保持出口温度稳定，可依照炉膛温度变化，先调节燃油量，然后再依照
被加热油料出口温度与给定值之间偏差，进一步调节燃油量，以保持出口温度稳定，既涉及对所有扰动控制规定，又及时克服了各种扰动影响，这样就构成了出口温度调节器与炉膛温度调节器串联起来串级控制系统（如图3所示）。
4 管式加热炉出口温度控系统现场仪表选型与连线图
4.1 控制系统中温度检测元件选型
由于加热炉炉膛温度不能太高，炉膛温度普通控制在850℃如下，温度高有助于辐射传热，但太高会导致炉管结焦和烧坏，因此设此控制系统中炉膛温度规定为700℃左右，而管式加热炉出口温度假设为石油分馏温度300℃。由产品执行原则IEC584、GB/T16839-1997、JB/T5518-1991、GB3836热电偶原则，在1000℃如下普通用K型热电偶和N型热电偶，热电偶是工业上最惯用温度检测元件之一。其长处是：
（1）量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质影响。
（2）测量范畴广。惯用热电偶从-50～+1600℃均可边续测量。
表1
（3）构造简朴，使用以便。热电偶普通是由两种不同金属丝构成，并且不受大小和开头限制，外有保护套管，用起来非常以便。

如表1所示：因此物料出口处选取WRN型分度号K，允差级别为Ⅰ热电偶。
如表2所示：炉膛温度检测热电偶选取WRK型分度号E，惰性级别为Ⅰ热电偶。
表2

使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周边环境温度波动影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了减少这一影响，通惯用补偿导线作为热电偶连接导线。补偿导线作用就是将热电偶冷端延长到距离热源较远、温度较稳定地方。
4.2 控制系统中变送器选型
SBWR、SBWZ系列热电偶、热电阻温度变送器是DDZ系列仪表中现场安装式温度变送器单元，与工业热电偶、热电阻配套使用，它采用二线制传播方式(两根导线作为电源输入和信号输出公用传播线)。按国家防爆规程进行设计，并且增长了安全栅，实现了控制室与危险场合之间能量限制于隔离，使仪表能在危险场合中使用。将工业热电偶、热电阻信号转换成与输入信号或与温度信号成线性4-20mA、0-10mA输出信号。
技术指标为：
1、输入信号：K型热电偶、E型热电偶、S型热电偶、B型等热电偶信号输入 
2、供电电压：10-30VDC 、负载电阻：0-500Ω
3、输出信号：二线制4-20mA，最大30mA 
4、热电偶温度变送器精度：0.5%FS  
5、回路保护：带反向连接保护（防止电源正负极）
表3
由表3知物料出口温度处选取SBW-R-70型变送器，炉膛温度选取SBW-R-10型变送器。
4.3 控制系统中执行器（调节阀）选型
由于调节阀用于燃料油量调节选取气动调节阀，燃料油粘度比较大，为了削弱腐蚀防止堵塞，由于角形阀阀体受流体冲击小，体内不易结污，对粘度高流体尤为合用，并且调节稳定性较好。因此选用角形阀。
从安全角度出发，一旦调节阀损坏，保证控制阀处在全关状态，切断燃料进入加热炉，保证设备安全，因此要选取气开调节阀。
综上选取ZMAS型气动薄膜角形单座调节阀，阀体为直角形，阀芯不单导向构造，阀流路简朴，便于自净和清洗。阻力小，合用于高粘度，具有悬浮物和颗粒状物质流体调节，可避免结焦、粘结、堵塞。
由ZMAS型气动薄膜角型调节阀型号编制阐明知，选取ZMAS-320K型调节阀。
含义为，ZMA：气动薄膜正作用式， K：气开式；320：PN320MPa。
EPC1000系列电气转换器是在引进国外先进技术基本上开发新一代电气转换器产品，它可将不同输入电流信号转换成相相应输出气动信号。本产品具备体积小，构造巧妙，精度高，稳定性好，安装以便等长处。
表4
如表4所示，选取型号为EPC110-OG-I型电器转换器。
技术参数为：
1、气源压力范畴： 最小值：高于输出压力上限值20kPa；最大值：700kPa。
2、线性度：≤跨度±1%。
3、重复性：≤跨度±0.5%。
4、回差：≤跨度±1.0%。
4.4 控制系统中调节器选型
XMT-8000系列智能型数字显示调节仪采用新智能仪表设计方案，对原有数显表进行了修正解决，使仪表无论在外观还是性能均有更进一步提高，仪表内置PID功能与位式控制功能，采用美观大方轻触键设立，是工业控制中低价位仪表与高性能定位抱负选取。
智能性数显调节仪精度高、抗震性强、可靠性好、安装以便、读数清晰、无视差、可远距离观测等独特长处。在调节形式上有二位式、三位式、时间比例式、可控硅持续调节式、PID式等各种，并可依照需要增强超限报警功能。可广泛应用于冶金、纺织、塑机、培养箱、烘烤箱、制冷化工、医疗等行业作-200℃～1800℃范畴内温度测量和自动控制，配上相应传感器也可用于压力、流量、液位等参数显示和控制。
由表5知，选取XMTG-8038C2调节器，构造如图4所示。
表5

图4
4.5 控制系统中连锁保护与接线图
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、低选器等某些构成。当燃料管道压力高于规定极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。
压力调节系统投入运营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营，出料温度重新受到控制。当进料流量和燃料流量低于容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应量以防回火。
控制系统电气连线图如图5。

图5

5管式加热炉出口温度串级控制系统分析
5.1 控制系统方框图与工作过程

图5

当系统受到扰动其调节过程如下：
（1） D2、D3作用，副调节器开始调节，如果扰动不大，不影响炉出口温度；如果扰动大主回路进一步调节。
（2） D1作用，主回路，主调节器校正。
（3） 都作用时：
①一、二次扰动使主、副参数同步变大或变小调节阀大幅度开大或关小，调节速度不久。
②一、二次扰动使主、副参数一种变大一种变小，主、副调节器控制阀方向相反，阀开度变化较小就能满足规定。
5.2 主、副调节器规律选取
在串级控制系统中，主、副调节器所起作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选取调节器规律基本出发点。
在加热炉温度串级控制系统中，咱们选取原料油出口温度为重要被控参数，主控制器起定值控制作用，主变量是重要指标，原料油温度影响产品生产质量，工艺规定严格，又由于加热炉串级控制系统有较大容量滞后，容许波动小，普通规定无余差，因此，选取PID调节作为住调节器调节规律。
控制副参数是为了保证和提高主参数控制质量，副变量设立是为了保证主变量控制质量，对副参数规定普通不严格，对迅速性规定较高，可以在一定范畴内变化，容许有残差，但引入I会延长控制作用，削弱副回路迅速作用，而引入D会由于副回路自身起迅速作用，再引入D会使控制阀动作过大，对控制不利。因此咱们副调节器调节规律选取P控制。
5.3 主、副调节器正反作用方式拟定
由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统浮现故障时调节阀处在全关状态，防止燃料进入加热炉，保证设备安全，调节阀Kv﹥0。主调节器作用方式拟定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必要为正，因此负调节器放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必要为正，因此负调节器不不大于0，副调节器作用方式为反作用方式。
5.4 控制器参数工程整定
在模仿PID算法控制规律为：
写成传递函数形式为：
用增量型离散PID算法控制规律为：

其中： KP为调节器放大系数； TI为积分时间常数 ； TD微分时间常数；
为积分系数； 为微分系数；比例度
由此得：影响控制重要因素KP 、KD、KI 及采样周期T。
整定思路：
(1)理论依照——由于主、副对象时间常数相差很大，则主、副回路工作频率差别很大，当副回路整定好后来，将副回路视作主回路一种环节来整定主回路时，可以为对副回路影响很小，甚至可以忽视。
(2)另一方面，工艺上对主变量控制规定较高，而对副变量控制规定较低。
(3)整定顺序：先整定副调节器，再去整定主调节器。
整定环节:
⑴在生产工艺稳定，主、副调节器均设立为纯比例控制作用。
⑵详细做法，将主调节器比例度δ1置于100％，Ki=0，Kd=0。
⑶按简朴控制系统衰减曲线法整定副回路——将副调节器比例度δ2由大到小调节，直到副变量过渡过程曲线呈4：1衰减振荡为止。
(4)记下此时比例度δ2s，量得此时衰减振荡周期T2s。
(5)置副调节器比例度为δ2s，将副回路看作是主回路一种环节，主副环仍闭合，用同样办法整定主调节器——将主调节器比例度δ1由大到小调节，直到主变量过渡过程曲线呈4：1衰减振荡为止。
(6)记下此时主调节器比例度δ1s，量出主变量振荡周期T1s。
(7)由已求得δ1s、δ2s和T1s、T2s值，结合主、副调节器选型，按照简朴控制系统衰减曲线法整定参数经验公式，分别计算主、副调节器最佳参数值。
(8)按照“先副后主”、“先P再I后D”顺序，将计算出参数设立到调节器上，作扰动实验，观测过渡过程曲线，作恰当参数调节，直到控制质量最佳。
6 管式加热炉出口温度串级控制系统MATLAB Simulink仿真与分析
6.1传递函数选取
按仪表相应关系设：主回路传递函数取
副回路传递函数取 参照文献[8]
6.2系统参数选取
系统仿真图为图6：
图6

一方面整定副回路，当副回路衰减比为4：1时，如图7所示
此时副回路振荡周期T1s= 112-46=66（s）衰减比为δ1=1/2.01100%=49.8%。
图8
图7

然后整定主回路，当主回路衰减比为4：1时，如图8所示
此时主回路振荡周期T2s=840-335=505（s），衰减比 δ2=1/2.06100%=48.5%，
计算得Kp=2.575、Ti=151.5s、Td=50.5s 、Ki=0.0136、Kd=104.03。
6.3系统仿真分析
将Kp、Ki、Kd分别代入PID调节器后得到无扰动仿真成果为如图9

图11
图9

加入扰动后系统框图为图10，得到仿真成果为图11
图10

由于超调量较大，可减小比例系数使超调量减小，当Kp=2.575，Ki=0.08，Kd=104.03时。再次得到无扰动和有扰动响应曲线分别为图12和图13，超调量在生产规定范畴内。

图13
图12

7 感受与体会
通过这次课程设计，我发现了诸多平时学习上局限性，也学到了诸多此前没有涉及到得知识，导致考完试后来就把这些知识给忘掉，没有可以转化成自己知识，遇到过诸多诸多问题，但我通过诸多有效地途径，例如上网查有关资料，问身边同窗与朋友，都得到理解决。
刚开始时候，对管式加热炉串级控制系统只有个大概理解，我去图书馆仔细查阅了简介过程控制系统有关书籍，并在网上搜类似设计来参照，详细理解其工作原理，并对管式加热炉控制系统设计有一种大概构思。固然，对一篇课程设计来说，格式也是一种重要方面，我仔细按着懂得教师格式规定，认真编辑，达到好效果。
在做课程设计过程中，不断发现新问题，不断去寻找好解决办法，不断去变化，改进，才干让自己得到提高。咱们一方面要学好理论，然后抓住机会实践，在实践中加深对理论理解，理论与实践相结合，才干学好专业知识，为将来打好基本。不知不觉中，几天时间关于管式加热炉温度控制系统课程设计已经做完了，感觉受益匪浅。
在设计过程中，从拿到题目，方案设计到方案拟定，都通过了严谨思考，回路设计，调节器正反作用拟定，被控参数选取，使系统可以达到设计目。同步，其她同窗，在设计过程中曾耐心给与协助，使我得以最后完毕这次关于管式加热炉出口温度控制系统设计。咱们此前学习知识都徐徐离咱们远去，甚至不懂得、不清晰哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。学校安排了这次管式加热炉出口温度控制系统课程设计，通过自己查找资料，理解状况，让咱们清晰咱们学知识与现实工业生产之间联系，使得咱们对知识更加理解和巩固，为此后工作打下了基本。
8参照文献
[1]《过程装备控制技术及其应用》 王毅 主编 化学工业出版社
[2]《过程自动化及仪表》 俞金寿 主编 化学工业出版社
[3]《工业过程控制工程》 王树青 主编 化学工业出版社
[4]《控制仪表及装置》 吴勤勤 主编 化学工业出版社
[5]《过程控制仪表》 徐春山 主编 冶金工业出版社
[6]《过程装备成套技术设计指南工程》 黄振仁 主编 化学工业出版社
[7]《化工单元过程及设备课程设计》 匡国柱 主编 化学工业出版社
[8] 《节能》第7期
基于MATLAB Simu1ink下加热炉传递函数PID仿真实验
赵春锋等 烟台大学