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1、 2013年西门子杯 全国大学生工业自动化挑战赛 工程设计文件 一、方案设计依据、范围及相关标准 设计依据 （1）2013年西门子杯全国大学生控制仿真挑战赛考题及初赛评分细则 （2）新一代高级多功能过程控制实训系统（SMPT-1000）说明 （3）SIMATIC PCS7 使用手册及产品目录 设计范围 本设计包括基础过程控制系统（BPCS）方案设计、安全相关系统（SRS）方案设计、自控设备的选型以及仪表电源供给方案设计。 相关标准 （1） HG/T 20519-1
2、992 《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》 （2）HG 20556-1993 《化工厂控制室建筑设计规定》 （3 ）HG 20559-1993 《管道仪表流程图设计规定》 （4）GB/T 21109-2007 《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》 （5）IEC61882 《危险与可操作性分析应用指南》 （6） HG/T 20636-1998 《自控专业设计管理规定》 （7） HG/T 20637-1998 《自控专业工程设计档的编制规定》 （8） HG/T 20638-1998 《自控专业工程设计档深度的规定》 （9） HG/T 2063
3、9-1998 《自控专业工程设计用典型图表及标准目录》 （10） HG 20505-2000 《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》 （11） HG/T 20507-2000 《自动化仪表选型设计规定》 （12） HG/T 20509-2000 《仪表供电设计规定》 （13） HG 20512-1992 《仪表配管、配线设计规定》 二、系统分析（包括控制需求分析、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全要求等） 2.1 加热炉对象工艺流程描述 加热炉在炼油、化工工业中是非常重要的加热设备，工艺介质在加热炉的炉管中受热升 温到指定温度，同时可能伴有气化。
4、加热炉的工作状态将直接影响下游工序的工艺操作。 本次大赛所选被控对象就是工业加热炉，其工艺流程图如图 加热炉工艺流程图 被控对象的设备列表.检测点列表和操作点列表分别如表 设备列表 位号 设备名称 P1101
5、 上料泵 P1102 燃料泵 K1101 鼓风机 F1101 加热炉 E1101 换热器 位号 执行机构说明 位号 执行机构说明 V1101 待加热物料A管线流量调节阀 V1104 燃料管线流量调节阀 V1102 直接将入加热炉对流段的待加热物料 A管线流量调节阀 V1105
6、 产品（物料 A）流量调节阀 V1103 去换热器的待加热物料 A管线流量调节阀 Do 1101 烟道挡板 位号 执行机构说明 XV1101 物料A管线流量调节阀前阀 XV1102 物料A管线流量调节阀后阀 HV1101 物料A管线流量调节阀旁路阀 位号 检测点说明 单位 位号 检测点说明 单位 AI1101 烟气含氧量 % PT1101 燃料压力 MPa FT1101 待加热物料 A流量 Kg/h PT1102 炉膛压力 MPa FT1102 去换热器的待加热物料 A 流量 Kg/h TT110
7、1 炉膛中心火焰温度 ℃ FT1103 燃料流量 Kg/h TT1102 进入加热炉辐射段的物料A温度 ℃ FT1104 空气量 m^3/h TT1103 进入加热炉辐射段的物料A温度 ℃ FT1105 热物料 A 流量 Kg/h TT1104 热物料A 温度 ℃ TT1105 烟气温度 ℃ 2.2 加热炉对象工艺过程简介 待加热的物料A经由上料泵P1101泵出，进入换热器E1101管程预热，同时对最终产品（热物料A）的温度微调（降温）。 出换热器E1101管程的物料A进入加热炉F1101的对流段。加热炉对流段由多段盘管组成，炉膛
8、产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的物料A换热，回收烟气中的余热并使物料A进一步预热。 对流段流出的物料A全部进入F1101辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量。从辐射段炉管出来的高温热物料A，进入换热器E1101壳程，进行温度的微调并为冷物料预热，最后以工艺所要求的物料温度输送给下一生产单元。 燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，空气经由变频风K1101送入燃烧器。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的物料A迅速升温。燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。 2.3被控参数特性分析 加热炉对象中主要包括温度、流量和压力这3个参数，不同类型
9、的参数具有不同的对象特性，需要采用不同的控制方法。 （1）温度 温度动态特性的特点：其一，惯性大，容量滞后大，有些过程的时间常数达 到十几分钟；其二，温度对象通常是多容的。由于温度滞后大，控制起来不灵敏，因此温度控制系统需要增加微分作用。 在工业生产过程中，温度控制就是对传热过程的控制，包括对流传热、传导传热和辐射传热。温度控制的操纵变量通常是流量，如加热介质的流量、冷却介质的流量、燃料的流量等。温度控制的方法与被控对象的特点、控制精度要求等有关，其种类很多。 （2）流量 流量的测量容易受到噪声的干扰，流量本身可能是平稳的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是
10、频繁地变动。这是由于管道中的流动正常时都呈现湍流状态，流量虽然平稳，流体内部却在骚动。特别是流体通过截流装置时，此种骚动程度比较大，产生的噪声也较大。噪声是一种频率很高、变化无常的流体流动，这是流量控制系统不能加微分的原因。由于噪声频率很高，虽然幅度变化不大，但若加上微分控制器其输出容易出现波动，反而使系统不稳定。 流量过程时间常数很小，当手动调整阀门时，流量在几秒钟内就能变化完毕，回应比较灵敏。这是由于工业过程中调节阀（执行机构）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，缓冲余地小，阀门一动作，流量立即变化，滞后时间小、回应快。 对于流量而言，广义对象的时间常数主要取决于控制器、定位器
11、变送器和信号 传输等部分，流量自身的时间常数相对较小。 （3）压力 压力对象的常见类型有两类。其一是具有一定容量的气罐，此种情况下，体积和容量较大，动态特性的时间常数较大，即惯性较大。其二是管道的压力，由于管道容积较小，所以时间常数较小，控制比较灵敏。 流量对象和压力对象与温度对象相比，都是比较快的过程，时间常数不大，大致都呈现单容特性，在控制中一般不用微分作用。 2.4 安全相关系统的设计原则如下： （1）信号报警、联锁点的设置，动作设定值以及调整范围必须符合生产工艺的要求； （2）在满足安全生产的前提下，应当尽量选择线路简单、元器件数量少的方案； （3）
12、安全相关系统应当安装在振动小、灰尘少、无腐蚀气体、无电磁干扰的场所； （4）应用DCS 和PLC 时，可采用经权威机构认证的DCS/PLC来构造安全相关系统； （5）安全相关系统中安装在危险场所的检出装置、执行器、按钮、信号灯、开关等应当 符合所在场所的防爆、防火要求； （6）安全相关系统的供电要求与一般仪表供电等级相同，为保证重要安全仪表系统稳定、 可靠的工作，应当为其配备不间断电源。 遵照上述原则，本方案通过对加热炉进行安全分析，确定系统所应实施的安全相关系统。 2.5 加热炉控制任务描述 针对该加热炉所提出的控制要求主要有四个方面，包括：热物料A 出
13、口温度控制、节能控制、减排控制、安全控制。控制任务的具体要求如下： （1）热物料出口温度控制 要求在物料A进料量一定的情况下，使得热物料A出口温度达到并维持在允许的范围内。 （2）节能控制 要求在满足工艺控制需求的前提下，达到最小燃料使用量。一方面要求加热炉在正常工 况时燃料使用量最少，同时在从冷态开车到加热炉达到正常工况时所需的燃料用量达到最少。 （3）减排控制 排放指标主要体现在二氧化碳的排放量上，同时兼顾由于燃烧不充分产生有毒一氧化碳 的排放量。 （4）安全控制 针对炉管爆裂、炉膛灭火、进料中断这三种加热炉事故进行故障识别并设计相应的安全 控制系统。 2.6加热炉
14、特性分析 加热炉装置是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括物料A 上料量、燃料量、送风量和引风量等；主要输出变量则是物料A 出口温度、烟气含氧量、炉膛负压等，上述输入变量与输出变量之间相互关联。如果加热炉负荷发生变化，必将引起物料A 出口温度等参数的化；燃料量的变化不仅影响物料A 出口温度，同时还会影响烟气含氧量和炉膛负压等，所以加热炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的被控对象. SMPT‐1000 加热炉IO 说明 为确保设计开发型赛项工程现场实施的统一性，本文件对SMPT-1000 为加热炉工程提
15、供的IO 变量进行说明。 在物料A进料管线，提供物料A流量检测点FI1101 和调节阀FV1101，并为FV1101 设置旁路阀HV1101。 在换热器 E1101 的管程出口，也就是加热炉对流段入口，提供物料A 温度检测点TI1201。在加热炉对流段出口，提供物料 A 温度检测点TI1102。 在加热炉辐射段出口，提供物料 A 温度检测点TI1103。 在热物料A出口管线，提供热物料A流量检测点FI1105、物料A温度检测点TI1104 以及调节阀FV1105。 对于燃料进料管线，提供燃料流量检测点 FI1103 和调节阀FV110
16、4。 对于空气管线，提供空气流量检测点 FI1104，鼓风机变频调速机构为S1101。 对于烟气出口管线，提供烟气温度检测点TI1105、烟气含氧量检测点AI1101、烟气流量检测点FI1107,以及烟道挡板DO1101。 对于加热炉内部，提供火焰温度检测点 TI1101 和炉膛真空度检测点PI1102。 上料泵 P1101 和燃料泵P1102 为恒压恒速供料，只能启停，不能变频调速。 鼓风机 K1101 可以变频调速。 1 SMPT-1000 加热炉模拟量输出列表 序号 名称 位号 单位 相对地址 1 物料A进料流量 FI
17、1101 kg/s IW +2 2 燃料流量 FI1103 kg/s IW +6 3 空气量 FI1104 m3/s IW +8 4 热物料A 出口流量 FI1105 kg/s IW +10 5 烟气流量 FI1107 kg/s IW +12 6 炉膛中心火焰温度 TI1101 ℃ IW +26 7 加热炉对流段出口物料A 温度 TI1102 ℃ IW +28 8 加热炉辐射段出口物料A 温度 TI1103 ℃ IW
18、 +30 9 热物料A 出口温度 TI1104 ℃ IW +32 10 烟气温度 TI1105 ℃ IW +34 11 加热炉对流段入口物料A 温度 TI1201 ℃ IW +36 12 燃料压力 PI1101 MPa IW +40 13 炉膛真空度 PI1102 mmH2O IW +42 14 烟气含氧量 AI1101 % IW +52 2. SMPT-1000 加热炉数字量输出列表 序号 名称 位号 地址 1 炉膛燃烧状态指示 D110
19、1 I +1.0 3. SMPT-1000 加热炉模拟量输入 序号 名称 位号 相对地址 1 物料A 进料管线调节阀 FV1101 HV1101 2 燃料管线调节阀 FV1104 QW +10 3 变频鼓风机 S1101 QW +12 4 热物料A 出口管线调节阀 FV1105 QW +14 5 烟道挡板 DO1101 QW +16 6 物料A 进料管线调节阀旁路阀 HV1101 QW +18 4. SMPT-1000 加热炉数字量输入列表
20、 序号 名称 位号 地址 1 汽包上水管线截断阀 XV1101 Q +2.1 2 燃料管线截断阀 XV1102 Q +2.2 3 上料泵启停开关 HS1101 Q +2.5 4 燃料泵启停开关 HS1102 Q +2.6 5 鼓风机启停开关 HS1103 Q +2.7 6 炉膛点火按钮 HS1104 Q +3.0 三、控制系统设计
21、3.1 基础控制系统及开车顺序控制系统的设计（包括控制回路、控制算法、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性、顺序逻辑、安全保障等功能设计，并说明设计理由） 3.1 控制方案设计原则 控制方案的设计遵循合理性、可行性原则，即所设计的控制方案一定是经过验证可以实施的。按照这一原则，本方案以工业上常见的控制方案为参照，以单回路控制、串级控制、前馈控制、PID 控制、内模控制等为基本方案，这样可以保证方案具有较高的可实施性和工业应用价值。 3.2被控变量的选择原则 被控变量：过程内要求保持设定数值称之为被控变量。在设计自动控制系统时，被控变量的选择非常重要，它关系到系统能否达到稳
22、定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关系到控制方案的成败。如果被控变量学则不当，不管组成什么形式的控制系统，也不管配上多么精密现金的工业自动化装置，都不能达到预期效果。 (1)选择被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。 (2)尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单只对应关系的间接指标作为被控变量。 (3)被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度，一边反映产品质量的变化。 (4)选择被控变量时，必须考虑到工艺的合理性和国内仪表产品生产的现况。
23、5)被控变量应是独立可控的。 3.3调节阀选型原则 （1）阀门开闭形式选择原则 对于一个具体的控制系统来说，究竟选择气开阀还是气闭阀，要由具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则进行选择： ① 首先要从生产安全出发，即当气源供气中断、控制器故障无输出或调节阀膜片破裂、漏气等而使调节阀无法正常工作，使得阀芯回复到无能源的初始状态时，应能确保生产工艺设备的安全，不致于发生事故。 ② 从保证产品质量出发，当调节阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。 ③ 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。 ④ 从介质的特点考虑。 一般来说，根据上面介绍的几条原
24、则，调节阀开、闭形式不难选择。不过，如遇到下面两种情况时，在调节阀开、闭形式的选择上需要加以注意。第一种情况是由于工艺要求不一，对于同一调节阀可以有两种不同的选择结果。如果出现这种情况，需要与工艺专业人员认真分析、仔细协商、分清主次、权衡利弊、慎重选择。第二种情况是某些生产工艺对调节阀开、闭形式的选择没有严格要求，调节阀的开、闭形式可以任选。 （2）阀门流量特性选择原则 调节阀的流量特性指流过调节阀的流量与阀杆行程之间的函数关系。根据调节阀两端的压降，调节阀流量特性分固有流量特性和工作流量特性。固有流量特性是调节阀两端压降恒定时的流量特性，亦称为理想流量特性。工作流量特性是在工作状态
25、压降变化）下调节阀的流量特性。调节阀出厂所提供的流量特性是理想流量特性。国内常用的理想流量特性有线性、等百分比（对数）和快开等几种。图下所示为调节阀的流量特性曲线，可以看出流过调节阀的流量随调节阀开度的变化曲线，其中1 为线性流量特性，2 为等百分比流量特性，3 为快开流量特性。 实际应用时，由于调节阀两端的压降下降不是恒定的，因此，调节阀理想流量特性会发生畸变。所以在调节阀流量特性选择时，先选好工作流量特性，然后根据压降比S 来确定理想流量特性。 根据控制系统稳定运行的原则，扰动或设定值变化时，
26、控制系统静态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。 选择调节阀工作流量特性的目的是通过调节阀调节机构的增益来补偿因对象增益变化而造成的开环总增益变化的影响。总开环增益K 开=KcKv1Kv2KpKM，一般已整定好的调节器增益Kc、执行机构增益Kv1 和检测变送环节增益KM 不随负荷或设定值而变化。为使K 开恒定，需用调节阀增益Kv2 的变化补偿过程对象增益Kp。当Kp 随负荷或设定值变化时，通过选择合适的调节阀流量特性，使Kv2Kp 保持基本不变。 对于流量控制回路，被控变量与操纵变量相同，都
27、为流量，所以流量对象Kp=1。若使用流量变送器时，变送器输出与流量成正比，KM=常数，为使系统稳定，选Kv2 恒定的调节阀， 即线性调节阀。若使用差压变送器而又没有加开方器时，变送器输出与压差成正比，即 YM=KQ2；KM=dY/dQ=2KQ，使KMKp 与流量Q 成正比，为补偿该非线性关系，应选择Kv2 与 流量Q 的倒数成正比的调节阀流量特性，即选用快开调节阀。 3.4 控制器规律选择原则 工业过程中常见的控制规律有开关控制、比例控制、比例-积分控制、比例-微分控制、比例-积分-微分控制等。过程工业中常见的参数有流量、液位、压力和温度，这
28、些参数有些是重要的生产参数，有些是不太重要的参数，所以控制要求也是各有不同，控制规律的选择要根据具体情况而定。 有一些基本原则可以在选择时加以考虑： 对于不太重要的参数，可以考虑采用比例控制，甚至采用开关控制； 对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例-微分控制。但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选用比例-微分控制； 对于比较重要的、控制精度要求比较高的参数，可采用比例-积分控制； 对于比较重要的、控制精度要求比较高、希望动态偏差小、被控对象的时间滞后较大的参数，应该采用比例-积分-微分控制或者是先进控制
29、算法。 3.5 物料A 进料流量单回路控制 作为加热炉的负荷，被加热物料A 的进料流量如果波动的话，将对加热炉正常生产产生一定影响，因此，需要对物料A 进料流量进行控制。 控制方案 本系统只有一股温度为 20℃的物料A，该物料来自于生产上游。由于上游物料A 的流量可能波动，除此之外没有其他干扰，所以为其选择单回路控制系统。在对物料A 进料流量进行控制时，被控变量与操纵变量均为物料A 流量，控制系统的方块图. 物料A流量測量變送器 加热炉 物料A流量調節閥 物料A流量控制器 物料A 进料流量单回路控制系统方块图
30、 3.6 调节阀选型 根据阀门开闭形式的选择原则：发生故障时必须保证生产安全；降低原料、成品、动力 损耗等，当发生故障的时候，为了节约物料A，应该将物料A 流量调节阀关闭，所以物料A 进料流量调节阀门为气开阀。 根据调节阀流量特性的相关知识，选用等百分比阀。 3.7 控制器正反作用确定 在物料 A 进料流量控制回路中，流量调节阀为气开阀，符号为“正”；当流量调节阀开大时，物料A 流量会增加，所以流量对象的符号为“正”；变送器的符号为“正”；偏差环节的符号为“负”；为了保证控制系统稳定，必须保证该系统的反馈为负反馈，即该控制系统中各组成部分的符号之
31、积为“负”，所以物料A 流量控制器为正作用控制器。 3.8 控制规律选择 流量被控对象的被控变量和操纵变量是同一物料的流量，只是处于管路的不同位置。由于时间常数很小，其控制通道基本上是一个放大系数接近于1 的放大环节。因此，广义对象特性中测量变送环节和调节阀的滞后就不能忽略，使得对象、测量变送环节及调节阀的时间常数在数量级上相同，且数值不大。此时组成的系统可控性较差，且频率较高，所以控制器的比例度必须放得大些。为了消除余差，提高系统动态性能，对流量精确控制，有必要引入积分作用，积分时间通常在0.1 分钟到数分钟之间。有时可在变送器和控制器间接入反微分器，以提高系统
32、的控制质量。所以流量控制回路中，流量控制器的控制规律一般选用比例积分（PI）控制器。 因为生产工艺对进料流量的稳定性要求较高，为减小稳态误差，控制器应该具有积分作用，所以物料A 进料流量控制器采用PI 控制器。 3.9 燃料量、空气量比值控制 3.4.0 控制方案 燃烧系统控制的主要目的是为了保证燃料能够充分燃烧，释放全部能量，使得加热炉的 燃烧状况正常、平稳。同时，为了防止过剩空气带走能量，空气剩余量也不能太大。因此， 本参赛队设计了燃料量、空气量比值控制系统。同时，为了降低燃料流量和空气流量的扰动， 对燃料流量和空气量设计闭环控制，使流量实测值跟随
33、给定值。本方案中，燃料量和空气量 既为被控变量，又是操纵变量。 3.4.1 主、副物料选择 比值控制系统涉及到主、副物料的选择问题。在燃烧系统中，空气供应不成问题，而燃料可能供应不足，为了保证燃料的充分燃烧，这里要求空气量随着燃料量的变化而变化。同。为了防止燃料因供应不足而失控时，流量比值仍能始终保持，因此选择燃料为主物料， 而空气为副物料。该比值控制系统的方块图如图2·3 所示。 炉膛 加热炉 燃料流量測量變送器 燃料流量測量變送器 鼓風機 空氣流量控制器 K 燃料流量調節閥 燃料流量控制器
34、 3.4.2 调节阀选型 根据阀门开闭形式的选择原则，同时考虑到燃烧的特点：当发生故障时，应该关闭燃料 阀，保证操作人员以及设备的安全。因此，燃料流量调节阀为气开阀。而空气流量是通过调 节变频风机的转速来完成的，不涉及到调节阀的选型。 根据调节阀流量特性选择的相关知识，燃料流量调节阀选用等百分比阀。 3.4.3 控制器正反作用确定 在燃料流量控制回路中，燃料流量调节阀为气开阀，符号为“正”；当流量调节阀开大时， 燃料流量会增加，所以流量对象的符号为“正”；变送器的符号为“正”；偏差环节的符号为“负”； 为了保证控制系统稳定，燃料流量控制
35、器为正作用控制器。 在空气流量控制回路中，鼓风机相当于气开阀，符号为“正”；当鼓风机频率增加的时候， 空气流量增加，所以空气流量对象的符号为“正”；变送器的符号为“正”；偏差环节的符号为 “负”；为了保证控制系统稳定，空气流量控制器为正作用控制器。 3.4. 4控制规律选择 燃烧系统对于燃料流量以及空气量的要求比较高，要减少稳态误差；同时，由于流量噪 声比较大，不能采用微分作用。因此，根据控制规律选择的原则，燃料流量控制器和空气流 量控制器均采用比例积分（PI）控制器。 3.4.5 物料A 出口温度控制 3.4.6 物料A 出口温度的影响因
36、素分析 物料 A 出口温度是通过吸收燃料量所释放出来的能量达到的，所以一切影响燃料热量释放的因素都会对物料A 出口温度造成影响。经过分析可知，影响加热炉出口温度的因素包括：工艺介质的进料流量、燃烧工况（燃料流量、燃料压力、燃料组分以及空气量）以及进炉空气温度等。 （1）物料A 进料流量 当燃烧工况一定时，燃料燃烧所放出的能量是一定的。根据能量守恒原理，当物料A 的 流量增加时，物料A 出口温度会降低；反之，当物料A 的流量减少时，物料A 出口温度会 升高。 为了减少物料A 进料流量波动对物料A 出口温度的影响，要对物料A 进料流量进行控 制。 （2）燃烧工况
37、 ① 燃料量和空气量等比变化 当燃料量和空气量等比减少时：由于释放出来的能量减少，物料A 出口温度会降低。 当燃料量和空气量等比增加时：由于释放出来的能量增加，物料A 出口温度会升高。 ② 燃料量减少而空气量不变 由于燃料量减少，燃量燃烧释放出来的能量减少，同时过量空气会携带一部分热量排放 出去，所以物料A 出口温度会降低。 ③ 燃料量增加而空气量不变 由于燃烧空气量不变，燃料可能无法充分燃烧，所释放出来的能量需视具体情况而定。 ④ 燃料量不变而空气量减少 由于燃料燃烧不充分，所释放出来的能量减少，物料A 的温度会降低。 ⑤ 燃料量不变而空气量增加 由于过量的空气会带走一
38、部分能量，物料A 的温度会降低。 燃料中可燃烧成分变化时，物料A 出口温度变化的情况与燃料量变化时的情况相同。 以上分析的结果汇总 表示。 燃烧工况对物料A 温度的影响 空气量增加 空气量不变 空气量减少 燃料量/燃料可燃成分增加 升高 未知 未知 燃料量/燃料可燃成分不变 降低 不变 降低 燃料量/燃料可燃成分减少 降低 降低 降低 （3）进炉空气温度 当进炉空气温度升高时，相同的燃料燃烧所释放出来的能量中，用于加热空气的能量减 少，用于加热物料A 的能量增加，则物料A 的出口温度将会升高；反之当空气温度减少时， 物料A 的出
39、口温度将会降低。 3.4.7 控制方案 艺要求物料A出口温度保持稳定，以满足下游生产需求，所以被控变量为物料A出口温度。为了使物料A出口温度稳定在目标温度，必须保证燃料能够充分燃烧，释放出足够的能量，因此，选择采用串级控制系统。该控制系统中，物料A出口温度控制回路为串级控制系统的主回路。 副回路设计应考虑一些基本原则，如：使系统中的主要干扰包含在副环内,在可能的情况下应使副回路包含更多的干扰等，经过对干扰的分析可以得出，炉膛温度副回路比燃料流量副回路包含了更多的干扰，具有更强的抗干扰能力。但是由于在现实中很难实现对炉膛温度的准确测量，所以在实际生产中
40、很少用炉温作为副回路。又因为物料A是吸收燃料燃烧所释放出来的能量达到目标温度，如果能够保证燃烧状况稳定，则物料A出口温度也就稳定。 所以选择燃料、空气比值控制系统作为该串级控制系统的副回路，燃料量、空气量作为操纵变量。 在该控制方案中，当物料A出口温度由于某种干扰而变化时，通过物料A出口温度控制器的输出来改变燃料控制器的给定值，使燃料量跟着变化。然后通过比值控制器使空气量也随之改变，保持燃料量和空气量的流量比不变。 该控制系统稳定时，燃料量、空气量可以保持比值一定。但从动态角度看，因物料A出口温度变化首先反应到燃料量给定值变化，使燃料量随之变化，再经过燃料量测量变送器
41、比值器，改变空气量控制器的给定值，空气量才跟着变化。显然，空气量的变化滞后于燃料量，即动态比值不能得到保证。 实际工业生产中，为了使燃料完全燃烧，在提负荷时要求先提空气量，后提燃料量；在降负荷时，要求先降燃料量，后降空气量，即所谓具有逻辑提降量的比值控制系统。通过加两个选择器组成具有逻辑提降功能的燃烧过程控制系统，如图所示。 炉膛 1/K 溫度測量變送裝置 加热炉 燃料流量調節閥 燃料流量控制器 燃料流量測量變送裝置 物料A出口溫度對象 空氣流量測量變送裝置 鼓風機 空氣量控制器 LS K HS 物料A出口溫度控制器
42、 物料A 出口温度-燃料/空气双闭环串级-逻辑动态比值控制系统方块图 3.4.7 控制器正反作用确定 在串级控制系统中控制器正反作用的确定采取“先副后主”的判断过程。该串级控制系统的副回路为燃料/空气比值控制系统，燃料流量控制器以及空气流量控制器的正反作用在燃料、空气比值控制方案中已经确定。这里只需要确定主控制器——物料A出口温度控制器的正反作用即可。 在串级控制系统中，副回路是随动控制系统，所以整个副回路的符号为“正”；温度对象以及测量变送装置的符号均为“正”；偏差环节的符号为“负”；根据整个回路必须构成负反馈的原则可以得出，主
43、控制器为正作用控制器。 3.4.8 控制规律选择 在串级控制系统中，副控制器不需要有微分作用，因为有微分作用时，一旦主控制器 和 输 出 稍 有 变化，调节阀就将大幅度变化，不利于控制。副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器最好不带积分作用，因为积分作用会使 跟踪变得缓慢。而 且从串级控制系统的控制要求角度看，副回路通常不要求消除余差，可不用积分。但这里副被控变量是燃料 流 量，并要求精确控制该流量，根据前面对流量控制系统的分析，流量控制器常采用PI控制 器，所以副控制器选用PI控制器。 物料A是首先通
44、过加热炉对流段加热，进而再通过辐 射段加热，最终达到下游所需要的温度，控制通道长，是一个典型的大滞后系统。大滞后 控制系统会使控制质量变差，首先调节器的校正作用要滞后一个 纯 滞后时 间，会导致被调参 数的最大偏差增加，调节系统的动态质量下降；其次滞后使开环系统的相位滞后增大，使闭 环系统的稳定性下降。本方案中，通过调节燃料量来调节物料A的出口温度，由于大滞后的 存在，普通PID方法很难控制。 针对大滞后过程有许多先进控制算法，由于这些算法大都 比较复杂，加上加热炉的复杂性和危险性，很多先进控制算法在加热炉控制系统中还没有得到很好的应用。但是，内模控制算法能够消除大滞后影响，内模控制器（I
45、nternal Model Controller，IMC）是继PID控制器之后最具有实用价值的控制器，因此，这里采用内模控制器作为物料A出口温度串级控制系统的主控制器，来控制加热炉出口温度。 3.8 抗扰动分析 影响物料A出口温度的因素包括物料A进料流量、燃料量、燃料压力、空气量、空气温度等。燃料量、燃料压力是来自副环的干扰；物料A进料流量、空气量、空气温度是来自主环的干扰。当干扰分别来自副环、主环时，该控制系统工作过程如下所述。 （1）第一种情况：干扰来自副环 例如，当燃料流量增加时，物料A出口温度还未升高，物料A出口温度控制器尚未感受到偏差，而燃料流量控制器感觉到负
46、偏差，该控制器为正作用控制器，则其输出将减小，燃料流量调节阀将关小。经过一段时间之后，物料A出口温度将增加，这时物料A出口温度控制器感受到负偏差，该控制器为正作用，则其输出将减小，即燃料流量控制器的设定值将下降，促使燃料流量控制器对燃料流量进一步调整。此过程一直持续到物料A出口温度稳定，这时调节阀将处于一个新的开度上。 在这里，流量控制器相当于起“预调”的作用，调整适当与否，要由主变量温度是否回到给定值来决定。如果不合适，则进一步由主控制器进行“细调”。 （2）第二种情况：干扰来自主环 例如，物料A进料量增加，经过一段时间之后，物料A出口温度将降低，物料A出口温度控制器产生正偏差，其
47、输出将增大，即燃料流量控制器的设定值增加。这时，流量测量值还没有发生变化，因此燃料流量控制器感受到正偏差，燃料流量控制器的输出将增加，调节阀的开度也将增加，此时燃料流量增大，物料A出口温度将逐渐回升。该过程一直持续到物料A出口温度达到设定值温度为止。 （3）第三种情况：主环和副环同时有干扰 主环和副环同时有干扰时，经过燃料流量控制器“粗调”，物料A出口温度“细调”，可以将物料A出口温度调回设定值，具体的过程这里不再赘述。 经过以上分析，当出现引起物料A出口温度变化的干扰时，必须等物料A出口温度发生变化时，控制器才作用，滞后比较大。为了减小控制动作的滞后，将对流段出口温度信号T1102
48、作为前馈信号，提前打开去换热器的物料A流量调节阀V1103，在尽可能短的时间内利用冷流F1102将系统中多余的热量吸收利用，吸收完毕之后，将V1103关闭，这样既可节约一定的燃料，又起到超前控制的作用。为了实现这个功能，采用专家控制方案，利用规则控制V1103。具体的工作过程如下： 如果对流段出口温度T1102后一时刻的测量值减去前一时刻的测量值大于某正数值（具体的数值通过实验获得）的话，表明物料A最终温度有可能升高，这时就将该差值作为信号准备触发或者直接触发V1103（阀门开度的大小根据温差的大小而定，准确数据通过实验获得），提前为换热器提供F1102，吸收多余的能量。当对流段
49、出口温度后一时刻的测量值减去前一时刻的测量值小于某正数值时，将V1103关闭。该方案可以提前克服各种引起物料A最终温度升高的干扰，例如，燃料流量或者压力、空气温度以及物料A进料流量等扰动，节约燃料量。同时，在加热炉装置降负荷时，通过适当开关V1103，尽可能在最短的时间内吸收多余的热量，达到节能的目的。 3.8.1 参数整定步骤 （1）断开主回路（物料A出口温度控制回路），闭合副回路（燃料流量控制回路和空气流量控制回路），整定流量控制器的参数。按照PID参数的整定方法，整定出P、I参数，使流量能够满足随动系统快速、准确的要求。 (2）闭合主、副回路，保持第（1）步的副回路参数，
50、根据现场实际调试的情况，调节内模控制器的参数。 (3）主、副回路闭合，主回路参数不变的情况下，再调整副回路的参数。 (4）如果结果仍不满意，重复第（2）步和第（3）步。 3.9 烟气含氧量闭环控制 3,9.1 烟气含氧量的影响因素分析 烟气含氧量是指燃料燃烧之后排出的烟气中氧气的含量，它主要与燃料的燃烧状况有关。影响烟气含氧量的因素主要有燃料量、燃料成分、空气量等，简单而言，烟气含氧量的影响因素就是燃烧工况（燃料量和空气量的比值）。具体分析如下： （1）燃料一定，空气量增加 在实际燃烧过程中，一定量的燃料充分燃烧所需要的空气量是一定的，所以当空气量增加时，空气过剩，即
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