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1、吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书列管式换热器的自控设计学生学号：08510334学生姓名：专业班级：自动0803指导教师：职 称：副教授起止日期：2011.08.292011.09.16吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Teclinology专业综合设计任务书一. 设计题目：基于CPLD的数字钟设计（宋体，小四号字，加黑）二. 设计目的（宋体，小四号字，加黑）1. 掌握可编程逻辑器件的基本原理及利用EDA开发工具Max+plusII进行可编程逻辑器件设计 的方法；（宋体，小四号字）2. 掌握用CPLD/FPGA进行计数器、译码器及LED动态扫描显示驱动电
2、路设计的方法；3. 熟练掌握可编程逻辑器件的原理图层次化设计方法；4. 掌握利用Max+plusII进行软件仿真及对可编程逻辑器件进行硬件下载的方法。三. 设计任务及要求（宋体，小四号字，加黑）设计并实现数字钟。下载芯片：Altera的MAX7000S系列EPM7128SLC84。时钟具有以下基本功 能：1. 具有时、分、秒显示，24小时循环计时功能；2. 具有时间校准（调时或对时）功能；四. 设计时间及进度安排（宋体，小四号字，加黑）设计时间共三周（2007.12. 102007. 12. 28）,具体安排如下表:周安排设计内容设计时间第一周2007.12.102007.12.16第二周20
3、07.12.17-2007.12.23第三周2007.12.242007.12.28五.指导教师评语及学生成绩指导教师评语：年月日成绩指导教师（签字）:目 录专业综合设计任务书I第1章专业综合设计的目的1第2章工艺简介22.1工艺介质简介22.2列管式换热器工艺流程22.3控制指标3第3章控制方案的选择43.1原油流量控制方案43.2原油出口温度控制方案43.3整体方案5第4章调节阀64.1调节阀介绍64.2调节阀类型的选择64.3调节阀口径的选择64.4确定气开与气关7第5章仪表选型85.1输入输出点数85.2变送器选型85.3模块选型9结 论11参考文献12第1章专业综合设计的目的专业综合
4、设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计 训练。通过专业综合设计使学生获得以下儿方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。1. 进一步巩固和加深学生所学一门或儿门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生 设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；2. 培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；3. 培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。第2章工艺简介在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器重至少要有两种 温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较
5、低，是需要加热的流体，在 工艺流程中吸收热量。在化工、石油、动力、制冷和食品等行业中广泛使用各种换热器，它们也是这些行业的通用设 备，并占有十分重要的地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也 各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历 史，而且至今仍在所有换热器中占主导地位。2.1工艺介质简介习惯上称直接从油井中开采出来未加工的石油为原油，它是一种由各种炷类组成的 黑褐色或暗绿色黏稠液态或半固态的可燃物质。原油产品可分为石油燃料、石油溶剂与 化工原料、润滑剂、石蜡、石油沥青、石油焦等6类。其中，各种燃料
6、产量最大，接近 总产量的90%；各种润滑剂品种最多，产量约占5%。原油产品，主要指原油炼制生产的 汽油、煤油、柴油、重油以及天然气，是当前主要能源的主要供应者。原油产品提供的 能源主要作汽车、拖拉机、飞机、轮船、锅炉的燃料，少量用作民用燃料。2. 2列管式换热器工艺流程列管式换热器是某原油厂的一个装置，其工艺流程如2-1图所示。将原油储罐的原油用泵打入 列管式换热器，经列管式换热器将其加热到T=150C2C,进入后的原油进入下一工段加工。载热 体为250C的饱和蒸汽。图2-1工艺流程图由图可知，来自外界的冷却流体原油由泵P-101送至列管式换热器V-101的壳程被流经管程的 高温流体饱和蒸汽加
7、热。加热后的原油送到后续工段待用。2. 3控制指标及已知条件换热器出口温度的调节通道动态特性，可以近似看成一阶惯性环节的对象。设其放大倍数 Kp=0.6, Tp=1.2iiih1o 己知饱和蒸汽的参数为：Qnnx=360m3/li, Qc=280m3/li, P=40kgfcm2, T=250C。 原油的参数为：Qnnx=50m3/li, Q=39n?/li, P=7kgf cm2, T=10C, p=0.9g/cm3。工艺上要求加热后的原油温度T=150C2C；在仪表盘上记录原油流量、加热原油温度、饱 和蒸汽流量；要求就地指示原油泵后压力、温度、加热原油出口温度。换热器设计尺寸如下图2-2
8、所示。图2-2列管式换热器设计尺寸图第3章控制方案的选择3.1原油流量控制方案根据控制指标对原油流量的要求，为了更好的控制原油出口温度，本方案选择在泵后采用单回 路控制方案来控制原油泵后压力，进而控制原油的入口流量，使得原油比较稳定进入列管式换热器。 控制方案方框图如图3-1所示。图3-1泵后原油压力单回路控制方框图3.2原油出口温度控制方案由于本方案是用饱和蒸汽作为热量的载体，通过列管式换热器给原油加热到设定温度。根据控 制指标，本方案采用温度一流量串级控制方案。出口温度经过温度变送器进行温度变送至温度显示控制器TIC121, TIC121再经与流量显示控 制器FIC112串级，形成温度一流
9、量串级控制，最后由流量显示控制器FIC112输出控制信号作用于 流量控制阀FV112,调节饱和蒸汽的流量，来达到稳定加热原油的目的。大部分的温度检测采用温度变送器，如果单纯采用温度控制得系统的控制质量将不会得到改 善。因此换热器的控制系统中，采用温度-流量的串级控制系统。其中，温度为主回路，压力为副 回路。控制系统方框图如图3-2所示。图3-2原油出11 温度串级控制方框图如图所示，温度控制器的输出是流量控制器的给定，只有温度控制器有自己独立的设定值，即 控制指标要求的原油出口温度；只有流量控制器的输出给控制涧。串级控制系统比单回路系统响应 速度更快，有更强的控制作用和更好的鲁棒特性，能明显的
10、改善控制品质。3. 3整体方案由于本设计要求在仪表盘上记录原油流量、加热原油温度、饱和蒸汽流量；要求就地指示原油 泵后压力、温度、加热原油出口温度，因此需要加上就地显示仪表。由于本工段屈于小工段，为了 设计需要，本设计方案将就地显示仪表选择在控制室显示。设计系统的整体方案如图3-3所示。W-01 -150mm1V-101W-02去ST气压缩机 P-1013.?图3-3系统工艺流程图第4章调节阀4. 1调节阀介绍调节阀接受控制器来的信号，通过改变阀的开度来达到控制的目的。因为它处于最终执行控制 任务的地位，所以乂称“末级控制元件”。调节阀直接与介质接触，当使用在高压、高温、深冷、强腐蚀、高粘度、
11、易结晶、闪蒸、气蚀 等各种恶劣条件下工作时，调解阀选择的重要性就显得更为突出。不论是简单控制系统，还是复杂 控制系统，调解阀都是系统中不可缺少的组成部分。经验表明，控制系统中，每个环节的好坏，都 对系统质量有直接影响，但使控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。所以对控制涧 这个环节必须高度重视。在设计时，必须根据应用场合的实际情况，选择好阀的类型一包括执行机 构和阀体结构类型。4. 2调节阀类型的选择调节阀分为气动调节阀、电动调节阀、滚动调节阀、混合调节阀四大类。其中石油化工只要应 用气动调节阀、电动调节阀两大类。本次设计选用HRVQ/X智能三通流调节阀用于原油压力控制 阀、饱和蒸汽
12、流量控制阀，它们的位号分别位于PV101、FV112o1、执行机构1）型式：HRL智能型执行程机构。2）输入信号：420mA。3）输出信号：420mA.DC。4）供电电源：220V+ 10%50/HZo5）基本误差：1.0%。6）断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0100%之间预知的任意值。7）阀作用型式：任意作用正/反作用。8）环境温度：-20+60C （4C以下使用时，需要装加热电阻）。2、阀体1）公称通径：合流阀，25200mm,分流阀，25200mm。2）公称压力：PN1.6, 4.0, 6.4Mpa。3）材料：铸铁（ZG25）,铸不锈钢（ZG1C118N19, ZG0C11
13、8N112M02T1）。4）上阀盖：常温型：-40-+250Co5）热片型：十250十450C。6）填 料：V型饱和蒸汽填料。4.3调节阀口径的选择调解阀的口径必须很好选择，在正常工况下，阀门开度处于15%85%之间。口径选择过小， 当经受较大扰动时，阀门很可能运行到全开时的饱和非线性工作状态，使系统处于暂时失控情况。口径过大，阀门经常处于小开度。这时，流体对阀芯、阀座的冲蚀严重。而且在小开度时，阀芯由 于受不平衡力的作用，容易产生震荡现象，这就更加重了阀芯和阀座的损坏，共至造成控制失灵。4. 4确定气开与气关气动调节阀有气开（有信号压力时阀开）和气关（有信号压力时阀关）两种。调节阀的气开气
14、关主要根据工艺装置的安全要求决定。一般在调节阀气源中断时应切断选入装置和设备的原料、热 源，停止向装置外输出产品。考虑到控制系统的安全和经济问题，控制饱和蒸汽流量和泵后原油流 量的压力调节阀均选择气开形式。第5章仪表选型5.1输入输出点数对于一个过程控制系统来说，总有一定数量的输入点数和输出点数，并且输入和输出分为模拟 量输入输出和数字量（开关量）输入输出，并且输入输出点数根据设计方案的不同而不同。根据本 系统选择的控制方案，系统的输入输出点数如表5-1所示。表5-110点表I/O点表序号名称位号LO点类型信号类型备注AI/AO1泵后原油压力检测PIC101AI4-20111A2泵后原油压力调
15、节阀PV101AO4-20111A3泵后原油流量就地指示PI1114-20111A4泵后原油温度就地指示TI1214-20111A5饱和蒸汽流量检测HC112AI4-20111A6饱和蒸汽流量调节阀FV112AO4-20111A7加热原油出口温度检测TIC 122AI4-20111A8加热原油出口温度就地显示TI1234-20111ADLDO1PUMP故障检测DI1-5V2PUMP启动状态检测DI1-5V3PUMP启动控制DO1-5V4PUMP停止状态检测DI1-5V5PUMP停止状态控制DO1-5V由上表可知，模拟量输入（AI）点数为3个，模拟量输出（A0）点数为2个，数字量输入（DI） 点
16、数为3个，数字量输出（DO）点数位2个。5. 2变送器选型根据本系统的设计方案，要求检测的信号有原油泵后压力、流量、温度，饱和蒸汽的流量，出 口原油的温度。因为本系统的工艺介质是易燃易爆，粘稠的原油，根据性价比的分析，选择虹润厂家的K型 压力变送器HR-K2I1R1F2B5D3；流量选用涡街流量计，型号为HR-LW-DN50-P1B1T1L1D2E1 ； 温度选择铠装型热电阻，型号为HR-WZPK2235。饱和蒸汽为高速高温的气体，测量其流量选用差压式流量计。选用的差压式变送器型号为HR-1151 DP4E12BFM3B2L系统的所有变送器类型如表5-2所示。表5-2变送器选型变送器选型仪表位
17、号名称型号1PIC101原油泵后压力变送器HR-K2I1R1F2B5D32nin原油泵后涡街流量计HR-LUW-DN50-P1B1T1L1D2E13HC112饱和蒸汽差压变送器HR-1151DP4E12BFM3B2I4TI122铠装热电阻HR-WZPK22345TI121铠装热电阻HR-WZPK22356TI123铠装热电阻HR-WZPK22365. 3模块选型一、输入输出模块选型根据输入点和输出点的个数，输入输出模块选型如下（设系统裕量为20%）:系统的AI点为3个，3x1.2 = 3.6,取整为4点。西门子S7-300 AI有2/8点输入模块，本系统 选8点输入模块较为合理，故应选择1个8
18、点输入模块，实配点数为8点；AO点数为2个，2x1.2 = 2.4,取整为3点，西门子S7-300 AO有4/8点输出模块，选择4点输出模块较为合理。故应选择 1个4点的输出模块，实配点数为4点。系统的DI点为2个,2x1.2 = 24取整为3点。西门子S7-300 DI有8/16/32点输入模块,选8 点输入模块较为合理，故应选择1个8点的输入模块，实配点数为8点；DO点数为1个，1x1.2 = 1.2,取整为2点，西门子S7-300 DO有8/16/32点输出模块，本系统选择8点输入模块较为合理。 故应选择1个8点的输出模块，实配点数为8点。综上所述，实际配置点数为：AI为8点，AO为4点
19、,模拟量合计为12点；DI点为8点、 DO点为8点，数字量合计为16点。二、CPU选型一般模拟量显示按每点0.1KB,调节回路每点1KB,开关量每点0.1KB.模拟量总数即为显示 点数，则12x0.1KB=1.2KB：最大控制点数为AI点数，贝ij4xlKB=4Ko开关量总点数为16点，则 16x0.1KB=1.6KBo 存储器使用总量为 1.2KB+4KB+1.6KB=6.8KB, 312CPU 存储器容量为 16KB, 大于存储器开销，满足控制系统组态要求。三、电源选型PLC系统电源总功4=CPU功率十模块功率+系统外部供电功率。一般认为用PLC系统电源对 外部供电有一定风险，所以外部供电
20、使用单独电源，功率另算。312CPU满载电流为0.5A,模拟量输入模块不消耗24V电源，但其变送器回路需消耗24V电 源。假设全部模拟量输入（AI）均为二线制变送器，则有8X22mA=0.176A ；模拟量输出（AO） 模块个数为1,每块模块消耗240niA，则有lX240niA = 0.24A：数字输入（DI）模块有8路，每 个DI回路消耗7.5mA,贝IJ总消耗电流为7.5mAX8=0.060A：数字输出（DO）模块自身消耗90mA, 如果每路带一个中间继电器，每个继电器消耗40mA电流，则中间继电器最高消耗电流为40niAX 8=0.32Ao 则总电流为 0.5A+0.176A+0.24
21、A+0.06A+0.06A+0.09A+0.32A=1.446Ao 因为不可能所有回 路均为满载，所以再乘以满载系数0.8,则有1.446X0.8=1.1568Ac因此该系统的电源选择2A的电 源。四、输入输出安全栅选型本系统输入量有变送器的电压信号输入和热电阻的三线制信号，而且原油要求防爆，综合考虑, 本系统选择虹润厂家的HR-WP-QEX系列的齐纳式安全栅。五、中继器选型因为本系统对中继器没有特别要求，故一般中继器静态电压中继器就行。本系统的模块选型见表5-3。表5-1模块选型模块选型序号模块类型型号订货号数量1模拟量输入模块SM3316ES7331-1KF00-0AB012模拟量输出模块
22、SM3326ES7332-5HD01-0AB013数字量输出模块SM3226ES7322-1BF01-0AA011数字量输入模块SM3216ES7321-1FF10-0AA015CPU312C6ES7312-5BD00-0AB016电源模块PS3056ES7305-1BA80-0AA017输入安全栅HR-WP613331-QEX38输出安全栅HR-WP613531-QEX29输入安全栅（电阻）HR-WP613121-QEX310继电器JZY2结 论列管式换热器的自控设计是石油化工领域不可缺少的一个工段，本次专业设计属于第一次专业 综合设计，将列管式换热器作为本次设计的课题，选题够贴切，够实际，
23、为我们毕业生的就业进一 步夯实了基础。这次设计对于即将从事工业过程设计的我们，是一次比较完整、比较综合性的系统 训练。通过本次综合设计，巩固和深化我们所学的理论知识，增强了我们的独立分析和解决工程实际 问题的能力，让我们对自己学的知识有了一个工程上的概念，知道了工程设计与应用的步骤及考虑 问题的方向。同时，综合设计也培养学生综合应用所学的控制理论、自动化仪表、控制工程等知识 进行工程设计的能力，提高视图、制图和使用相关工程技术资料的能力。同时也增强了集体主义精 神。参考文献1孙洪程，翁唯勤.过程控制工程设计.北京：北京化学工业出版社，2001史美中，王中铮.热交换器原理与设计.南京：东南大学出版社，2009. 63 李景仲,王梅.AutoCAD 2008中文版使用教程.北京：国防工业出版社,2009. 34 刘借，周海.深入浅出四门子S7-300PLC.北京：北京航空航天大学出版社，2001附录附录1工艺流程控制图附录2回路图附录3模拟量接线图附录4数字量接线图附录5供电图附录6系统网络图
