换热器冷却水出口温度组态监控系统设计.docx

控制系统综合设计

题目 换热器冷却水出口温度组态监控系统设计

目录
摘要 1
第一章 绪论 2
1.概述 2
2. 设计任务 2
3. 设计目的与意义 2
第二章 换热器工艺流程介绍 3
1.工艺流程图 3
2.工艺过程简述 3
3.控制方式的选择 3
第三章 硬件的选择与设计 4
1. 传感器的选择 4
2. 调节器的选择 6
3. 执行器的选择 8
4.组态软件的选择 10
第四章 总体设计 10
1. 系统组成 10
2. 组态王界面设计 11
第五章 仿真调试 12
设计小结 13
参考文献 14

摘要
换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。据统计，在现代石油化工企业中换热器投资约占装置建设总投资的 30%~40%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数40%。由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热、冷却、介质的流量作为调节手段,以被加热冷却、工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场。本文主要介绍了换热器冷却水出口温度组态监控系统的设计过程，通过对硬件和软件两部分的设计，从而实现对换热器冷却水出水口温度的控制。

第一章 绪论
1.概述
随着工业的迅速发展，能量消耗量不断增加，能源紧张己成为一个世界性的问题。近几年来，我国在节能方面虽然已取得很大的成绩，但能源的供应矛盾依然十分尖锐。我国的能源利用率很低，只有28%左右。由此可见，我国在节能方面存在着很大的潜力。
换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两个方面:一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的消耗，同时，提高换热器的控制效果，也可以充分满足工业生产对于温度的需求，显著提高产品的质量;另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著的提高设备的热效率。因此，换热器的正确使用、合理设计、控制性能改善等对能源有效利用及开发有着十分重要意义。
2. 设计任务
换热器冷却水出口温度组态监控系统设计主要是对换热器换热器温度控制系统冷却水出口水温度的控制，通过控制不同的参数，是冷却水的温度达到所要求的温度。这个过程的选择是依据当代工业发展对能源节省的要求，通过计算机的控制，实现这个过程。
这个过程的实现，首先是通过传感器将控制对象的参数传递给变送器，然后经过智能仪器传送给计算机，实现计算机对这个系统的控制。计算机采用组态王进行控制。
计算机

智能仪器、PLC、智能模块

温度、压力、流量、液位、执行器
系统

下装调试
编程
组态

通讯调试

图1设计流程图
按照图1所示的流程进行这次的设计。
3. 设计目的与意义
换热器冷却水出口温度组态监控系统设计，首先是对大学三年所学知识的检查。在过去三年我们学习了各方面关于自动控制的知识。然而很少的课程可以将这些课程进行综合的考察。换热器冷却水出口温度组态监控系统设计刚好满足了这个要求。它的设计需要多方面的知识，不是单方面就可以完成的。其次是对部分工业生产过程的认识。换热器冷却水出口温度组态监控系统设计完全是按照实际设计一套产品的流程进行的，虽然所做的是简单的。但是这很好的让我们知道了工作生产过程的相关事项。然后就是我们进入社会前的一次尝试吧！可以让我们为以后的工作打下一定的基础。
换热器冷却水出口温度组态监控系统设计可以让我们懂得更多的知识，让我们学会如何去查阅资料以及如何去设计一件产品。通过这套系统的设计，成功的减少资源浪费的现象，符合节约型社会对能源利用率的要求，而且可以更好的利用能源。
第二章 换热器工艺流程介绍
1.工艺流程图
以高阶换热系统工艺流程为例

图2高阶换热系统工艺流程
2.工艺过程简述

在生产过程中，通过上位机进行系统调节，使得流出水的温度达到预定的温度。这时，通过执行器FVI103调节冷却水进入换热器的流量和FVI105调节热流流出的流量，从而进行流出水温度的控制。在这个过程中，对温度的监控是核心。不同的控制方式会达到不同的控制效果。
3.控制方式的选择
3.1控制对象选择
换热器冷却水出口温度组态监控系统中，存在多种影响温度的因素。如冷水的流量、热流的流量等。根据温差越大，散热越快的物理现象来看，可以选择控制冷却水的流入量，相应的是将热流流量设定为定值。
控制冷却水流量的方法又分为两种，第一是通过控制水泵，从而来控制冷却水的流量，一种是控制调节阀门来控制。对于简单的温度调节系统来看，对水泵的调节相对来说较复杂，所以选择用调节阀来进行调节。
3.2控制方式选择
通过对换热器温度调节系统的研究，单从控制方式来说，可以选择多种方式，比如正反馈调节、负反馈调节、串级调节等。但是从效果上来说，不同的调节方式达到的效果是不同的。调节的精度也是不同的。根据实际的需要选择合适的方法是必须的。
本次的课程设计是换热器冷却水出口温度组态监控系统，相对换热器温度控制系统来说相对的简单。所以采用的控制方式也相对的简单。在各种控制方式中，最终选择的是负反馈调节
反馈系统的工作原理是：根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。
根据课题的要求，可以画出控制系统框图。

图3控制系统框图
其中被控对象Gp(s)、控制阀Gv(s)、测量变送元件Gm(s)组合在一起成为广义被控对象；F(s)为干扰通道的传递函数；Gc(s)是控制器传递函数；R（s）为设定的温度值，Y（是）为冷却水出口实际温度值。
第三章 硬件的选择与设计
1. 传感器的选择
对换热器冷却水出口温度组态监控系统中，我们知道对温度的要求不是很高，大约在0℃到20℃。所以选择一般的测温软件就可以了。热电偶测温就可以了。热电偶是一种感温元件 , 它把温度信号转换成热电动势信号 , 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 , 当两端存在温度梯度时 , 回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在 Seebeck 电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端， 温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系 , 制成热电偶分度表 ; 分度表是自由端温度在 0 ℃ 时 的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时 , 只要该材料两个接点的温度相同 , 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此 , 在热电偶测温时 , 可接入测量仪表 , 测得热电动势后 , 即可知道被测介质的温度。
根据以上可以选择K型热电偶。
热电偶测量出来的型号要通过变送器进行传递。综合考虑可以从DDZ-Ⅲ型中进行选择。因为它的电流范围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，所以应选择DDZ-Ⅲ型K型热电偶温度变送器——DZ-5130K型热电偶温度变送器。

图4K型热电偶温度变送器
相关参数如下：
供电电源：
24VDC±10%
电源保护：
具有反向保护
输出保护：
输出短路无限制
转换精度：
±0.1~±0.5%F.S
温度漂移：
±0.15% F.S/10℃
隔离性能：
输入/输出/电源全隔离
响应时间：
≤0.1秒(0～90%F.S)
绝缘电阻：
输入/输出/电源间>100 MΩ
环境温度：
-10～55℃
绝缘强度：
输入/输出/电源间>1500VAC(1分钟)
环境湿度：
0～90%RH不结露
外 壳：
耐高温阻燃工程塑料
安装形式： DIN 导轨安装，导轨尺寸 35mm
表1 DZ-5130的主要技术指标
名称
基本型号
输入种类
输出种类
供电电源
输出制式
输入代码
输入信号
输出代码
输出信号
热电偶温度
变送器
DZ-5
1
K型热电偶
3
4~20mADC
0　二线制非隔离型
C
1~5VDC
1　四线制全隔离型

表2 产品型号表

图5 DZ-5130接线图
其中端子1、2为输入，3、4为补偿电阻，5、6为输出1~5VDC，7、8为电源。
2. 调节器的选择
2.1调节器控制规律的选择
调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e(t)进行比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。
比例控制规律(P)是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。在一般情况下控制质量较高，但有余差。此外，当过程惯性时延较大时，由于纯比例作用在起始段动作不够灵敏，因而超调量较大，同时加长了过渡过程时间，于是纯比例作用的应用受到了限制。对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的场合，可选用比例控制作用。
比例控制规律(P)的微分方程数学模型为：

比例积分(PI)控制规律，由于引入积分作用能消除余差，所以当过程容量较小，负荷变化较大，工艺要求无余差时，采用比例积分控制规律可以获得较好的控制质量。但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大的超调，可能出现持续振荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。通常对管道内的流量或压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。
比例积分(PI)控制规律的微分方程数学模型为：

比例微分(PD)控制规律，由于引入微分，具有超前作用，对于被控过程具有较大容量时延的场合，会大大改善系统的控制质量。但是对于时延很小，扰动频繁的系统，由于微分作用会使系统产生振荡，严重时会使系统发生事故，所以应尽可能不用微分作用。
比例微分(PD)控制规律的微分方程数学模型为：

比例积分微分(PID)作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不同的过程特性。当要求控制质量较高时，可选用这种控制作用的调节器。
比例积分微分(PID)控制规律的微分方程数学模型为：

其中：：为调节器的输出号
：放大倍数
：积分时间常数
：微分时间常数
：设定值与测量值偏差信号
通过以上几种调节规律的分析及本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性，为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分微分(PID)控制规律。
2.2调节器正反作用选择
调节器有正作用和反作用调节器两种。调节器正、反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式有关。被控过程的特性也分正、反两种。即当被控过程的输入量增加(或减小)时，其输出(被控参数)亦增加(或减小)，此时称此被控过程为正作用；反之，当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称此过程为反作用。
2.3调节器选型
结合以上对PID调节的分析及组态王软件对硬件设施的兼容性，选择上润系列的智能仪表。
上润系列智能自整定调节控制仪，采用先进的微处理器进行智能控制，可根据被控对象自动演算出最佳调节参数。具有多种输入信号切换功能和双屏数码、双屏数码双光柱二种显示型式。可选择多种串行通讯接口，并可实现多机通讯。可适用于众多行业高精度的调节控制系统。各输入输出回路间均采用光电隔离，具有良好的抗干扰性和稳定性。
输入信号 电阻—各种规格热电阻，如Ｐｔ１００、Ｐｔ１００．１、Ｃｕ５０、Ｃｕ１００或远传压力电阻（３０～３５０Ω）等。电偶—各种规格热电偶，如Ｂ．Ｓ．Ｋ．Ｅ．Ｊ．Ｔ．ＷＲｅ等。电流—０～１０ｍＡ、４～２０ｍＡ等（输入电阻≤２５０Ω）电压—０～５Ｖ、１～５Ｖ、ｍＶ等（输入阻抗≥２５０ＫΩ）
测量精度 数字：±０．２％ＦＳ或±０．５％ＦＳ光柱：±１％
分辨率 数字显示：±１字光柱显示：±１线
测量范围 数字：～光柱：～
显示方式 四位高亮度ＬＥＤ数码显示１０１线高分辩率光柱显示发光二级管工作状态显示双屏数码显示／双屏数码＋双光柱显示测量值／设定值显示控制目标值／０～１００％输出量显示
ＰＩＤ调节 标准电流ＤＣ０～１０ｍＡ（负载电阻≤７５０Ω）
控制方式 ＤＣ４～２０ｍＡ（负载电阻≤５００Ω）标准电压ＤＣ０～５Ｖ（输出电阻≤２５０Ω）ＤＣ１～５Ｖ（输出电阻≤２５０Ω）开关量输出继电器触点ＯＮ／ＯＦＦ带回差、触点容量ＡＣ２２０Ｖ／３Ａ；ＤＣ２４／５Ａ（阻性负载）可控硅控制信号—ＳＣＲ（过零触发脉冲）输出４００Ｖ／０．５Ａ，可触发可控硅：４００Ｖ／１００Ａ。固态继电器控制信号—ＳＳＲ输出５～２４Ｖ／３０ｍＡ

图6 DTZ-2100D引线端子图

图7 实物图
3. 执行器的选择
阀门选择气动薄膜式单座直通阀，安装方式为气关，实物图如图3-4所示。为了与气动薄膜式单座直通阀相匹配，还需要选择一个阀门定位器，与之配套使用，电气阀门定位器的型号为HEP-17，主要技术指标为：
(1) 、精度：小于全行程±1%。
(2)、回差：小于全行程1%。
(3)、死区：小于全行程0.4%。
(4)、特性：线性(可改变成快开、等百分比特性)。
(5)、气源压力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。
(6)、最大流量：140NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。
(7)、耗气量：5NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。
(8)、环境温度：-25℃～+55℃。
(9)、环境湿度：10-90%RH。
(10)、最大行程速度：4mm/秒(配ZH -22执行机构时)。
(11)、输入阻抗：250 Ω(4-20mADC) 100Ω(10-50mADC)。
(12)、电气连接：G1/2螺纹。
(13)、气管连接：卡套式气管接头(φ6或φ8)。
(14)、防爆(防护)型式(等级)：隔爆型d(Diibt6)，本质安全型 i(iaIICT6)
(15)外壳材料：铝合金 喷朔工艺处理
(16)外形尺寸：392.5*141.5*231(mm)(长*宽*高)
(17)重 量： 3.5kg

如图8 电气阀门定位器的引线端子图

图9气动薄膜直通单座调节阀
4.组态软件的选择
组态软件，又称组态监控软件系统软件。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System,Remote Terminal Unit)。
在多种组态软件中，组态王是一个具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。应用组态王可以使工程师把主要精力放在控制对象上，而不是形形色色的通信协议，复杂的图形处理，枯燥的统计。
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。
因此我们选用组态王软件。
第四章 总体设计
1. 系统组成

名称
数量
名称
数量
K型热电偶温度传感器
1
上润系列智能自整定调节控制仪
1
DZ-5130K型热电偶温度变送 器
1
气动薄膜式直通单座阀门
1
HEP-17电气阀门定位器
1

表3 元器件清单

根据系统的结构图，设计出电气连接图

图10电气连接图
2. 组态王界面设计
打开组态王6.5，新建工程，进入开发系统，根据设计内容进行画面的设计。设计如下：
主界面设计

图11 系统主界面
相关的参数程序编写完成之后，进行界面运行。运行界面如下：

图12 运行界面图

图13 运行界面
第五章 仿真调试

图13 模拟仿真图
设计小结
本次设计换热器冷却水出口温度组态监控系统，主要是针对换热器温度控制系统中冷却水出口的温度检测和调整。对于这个系统，研究的时候主要是找准被控对象和各个参数。开始的时候，参数的把握很难掌握。但是由于之前上过过程控制的实验，所以对于各方面的参数有了一定的了解。设计起来相对的比较容易。采用的控制方式则是从学过的各种控制方式中选的。。开始的时候选的是单回路控制，但是经过分析和模拟，发现调节能力很差。后改成了负反馈调节，调节能力得到了提高。这个的设计中，遇到的困难比上一个课程设计的困难还要多。对组态王的掌握远远没有达到要求，设计人机界面的时候比较的慢，而且效果还是差强人意的。
课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此过程控制课程设计，我仍感慨颇多，的确，从老师发下题目，到完成，这些天过得，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。虽然这已经不是第一次作课设了，但在设计的过程还是遇到很多困难，毕竟过程控制这门是理论与实际相结合十分紧密的，书本上的理论和实际应用中还是有很大区别的。但是通过查阅大量书籍及在网上搜到的有关知识，基础上解决了一些遇到的难题，通过几天紧张的忙碌，对过程控制这门课有了更深的了解，对上课中老师所的串级系统、前馈-反馈系统等，有了进一步了解，同时对各种不同系统选用什么样的变送器，控制器、调节器有了进一步的理解。
这次的课程设计，让我充分的了解了一套系统的开发是需要多么的困难。也因此对工厂真实生产过程有了一定的了解。对于设计一套系统的流程有了一定的把握，虽然这知识停留在初级状态，但是我还是认为它会给我以后的工作有很多的帮助。非常的感谢在设计过程中给予我帮助的同学，同时非常感谢学校和指导老师。实验室的设备给予了我很多的帮助，在这么多的帮助下，加上自己的查阅终于完成了这次设计。

参考文献
[1] 黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统.第一版.北京:清华大学出版社,2011.
[2] 周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.第一版.北京:化学工业出版社,2012.
[3] 张宏建.自动检测技术与装置.北京:化学工业出版社,2010.
[4] 李铁苍.热力过程自动化 .北京：中国电力出版社，2006
[5] 张井岗.过程控制与自动化仪表.北京：北京大学出版社，2007
[6] 薛迎成.工控机及组态控制技术原理与应用.北京：中国电力出版社，2010

程序清单
热键F1命令语言
if(\\本站点\换热器热水阀==1)
{\\本站点\换热器热水阀=0;
}
else
{\\本站点\换热器热水阀=1;
}
热键F2命令语言
if(\\本站点\换热器冷出水阀==1)
{\\本站点\换热器冷出水阀=0;
}
else
{\\本站点\换热器冷出水阀=1;
}
热键F3命令语言
if(\\本站点\换热器冷进水阀==1)
{\\本站点\换热器冷进水阀=0;
}
else
{\\本站点\换热器冷进水阀=1;
}
热键F4命令语言
if(\\本站点\换热器热进水阀==1)
{\\本站点\换热器热进水阀=0;
}
else
{\\本站点\换热器热进水阀=1;
}
曲线图命令语言
if(\\本站点\状态==1)
{ if（\\本站点\温度>=30)
{ \\本站点\水泵1=0; }
if(\\本站点\温度<=15)
{ \\本站点\水泵1=1;
}
if(\\本站点\水泵1==1)
{\\本站点\温度=\\本站点\温度+1;}
else{\\本站点\温度=\\本站点\温度-1;}
}
Else
{\\本站点\水泵1=0;\\本站点\温度=25;
}
if(\\本站点\$时==0)
{\\本站点\温度0=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==1)
{\\本站点\温度1=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==2)
{\\本站点\温度2=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==3)
{\\本站点\液位3=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==4)
{\\本站点\液位4=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==5)
{\\本站点\液位5=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==6)
{\\本站点\液位6=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==7)
{\\本站点\液位7=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==8)
{\\本站点\液位8=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==9)
{\\本站点\液位9=\\本站点\温度;}
if(\\本站点\$时==10)
{\\本站点\液位10=\\本站点\温度;}