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1、y）过由/玄火星过程限制系统课程设计题目：管式加热炉温度-流量串级限制系统的设计摘要当今世界，随着人们物质生活水平的提高以与市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越困难，为满意优质、高产、低消耗，以与平安生产、爱护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程限制的任务也愈来愈繁重，无论是在大规模的结构困难的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程限制技术对于提高产品质量以与节约能源等均起着非常重要的作用。为了能将课程中所学理论学问初步尝试应用于实践，本次设计将采纳过程限制系统原理来实现工业生产限制问题的解决，通过设计一个温度-流量串级限制系统来实现
2、对管式炉加热原料油的温度限制。管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到肯定的温度，以保证下一道工序的顺当进行。加热炉的工艺过程为：燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。本此设计内容包括总体方案设计，系统原理阐述，系统框图与结构的搭建，变量检测环节，变量变送环节，限制器，调整阀，联锁爱护等环节的详细选择与设计，最终形成一个可行牢靠的完整串级过程限制系统方案，力图通过详细应用获得理论学问的进一步提升，并为工业生产提出可行性建议。关键字：流量温度串级限制目录1 .管式加热炉温度限制系统的设计意义O1.1 管式加热炉简介OL2温度限制系统设
3、计意义O2 .管式加热炉温度限制系统工艺流程与限制要求13 .总体方案设计23.1 传统简洁限制系统23. 2串级限制系统34. 3管式加热炉温度-流量串级限制系统限制原理与调整过程44.系统的设计与参数整定64.1 主回路设计64. 2副回路设计64. 3主副调整器调整规律的选择74. 4主副调整器正反作用方式的确定75. 5限制系统的参数整定75.所需检测元件、执行元件与调整仪表技术参数86. 1温度变送器85.2温度检测元件95.3 流量检测与变送105.4 调整阀115.5 联锁爱护116.组态软件设计126. 1新建工程137. 2连接设备与设备测试148. 3数据词典149. 4建
4、立画面1510. 5调试执行错误!未定义书签。心得体会19参考文献201 .管式加热炉温度限制系统的设计意义1.1 管式加热炉简介管式加热炉是一种干脆受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。管式加热炉的传热方式以辐射传热为主，管式加热炉通常由以下几部分构成：1）辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这部分干脆受火焰冲刷，温度很高，是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）；2）对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分；3）燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，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、4）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。1.2温度限制系统设计意义管式加热炉是石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业中广泛运用的工艺加热炉，由于被加热物质即在管内流淌介质通常为气体或液体，并且都是易燃易爆的物质，所以操作条件苛刻，同时其必需长周期运转不间断操作，加热方式干脆受火，所以管式加热炉的温度限制系统至关重要，是其提高加热炉热效率，节约能源和平安生产的重要保证,因此本设计的意义就是旨在设计出符合管式加热炉生产限制要求的温度限制系统，从而达到在其工作过程中有效与时限制，以提高其工作效率，节约能源且保证生产过程的平安牢靠。2 .
6、管式加热炉温度限制系统工艺流程与限制要求管式加热炉的主要任务是把原制油或重油加热到肯定温度，以保证下一道工序（分储或裂解）的顺当进行。管式加热炉的工艺流程图如图2.1所示。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度t。在燃料油管道上装设一个调整阀，用它来限制燃油量以达到调整温度t的目的。引起温度t变更的扰动因素很多，主要有：1）燃料油方面（它的组分和调整阀前的油压以与燃料油流量）的扰动;2）喷油用的过热蒸汽压力波动；3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动；4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动；其中燃料油压力，流量和过热蒸汽压力都可以用特地的调
7、整器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。从调整阀动作到温度t变更，这中间须要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。工艺上对出口温度t要求不高，一般希望波动范围不超过12%。3 .总体方案设计3.1 传统简洁限制系统管式加热炉的任务是把原料油加热到肯定温度，以保证下道工艺顺当进行，因此若采纳传统简洁限制系统，常选原料油出口温度用(t)为被控参数、燃料油流量为限制变量，如图3-1所示，其限制系统框图如图3-2所示。影响原料油出口温度q(t)的干扰有原料油流量L(D、原料油入口温度f2(t).燃料压力fg)、燃料热值fg)、燃料流量fg)等，该系统依据原料油出口温度4(
8、t)来限制燃料阀门的开度，通过变更燃料流量将原油出口温度限制在规定数值上，但由其系统图可知当燃料压力、流量、热值发生变更,产生扰动时，最先影响炉膛温度，然后通过传热过程渐渐影响原料油的出口温度，从燃料流量变更经过三个容量后，才引起原料油出口温度的变更,这个通道时间常数很大，约15min,反应缓慢。而温度调整器IC是依据原料油的出口温度4(t)与设定值的偏差进行限制，当燃料部分出现干扰后，系统并不能与时产生限制作用，客服干扰对被控参数4(t)的影响，限制质量差，当生产工艺对原料油出口温度优(t)要求严格时，传统的简洁限制系统很难满意要求，因此我们此次设计采纳串级限制系统进行限制。A-A-XI.
9、I. r- tm *E.I H f图3-2管式炉温度简洁限制系统框图3.2 串级限制系统串级限制系统是在简洁限制系统的基础上发展起来的，当被控过程的滞后较大，干扰比较猛烈、频繁时，采纳简洁限制系统限制品质较差，满意不了工艺限制精度要求，在这种状况下可考虑采纳串级限制系统，串级限制系统采纳两套检测变送器和两个调整器，前一个调整器的输出作为后一个调整器的设定，后一个调整器的输出送往调整阀。针对管式加热炉设计的温度-流量串级限制系统如图3-3所示，其系统框图如图3-4所示。原料出口温度力图3-3管式加热炉温度.流量串级限制系统图3-4管式加热炉温度.流量串级限制系统框图3. 3管式加热炉温度-流量串
10、级限制系统限制原理与调整过程下面对管式加热炉温度-流量串级限制系统的限制原理和调整过程进行简洁分析。假设在稳态工况下，原料油进口温度和流量稳定，燃料的热值和压力不变，限制燃料的阀门保持在肯定的开度，炉膛温度保持相对稳定状态，此时原料油出口温度稳定在设定值。假如出现外部干扰，是稳态工况遭到破坏，串级限制系统马上起先限制动作。下面依据扰动的不同分三种状况进行探讨：1）燃料流量（主要干扰）发生扰动：当燃料的流量发生波动，而原油的入口温度和流量保持稳定，则干扰首先引起进入炉膛的燃料量发生变更，流量变送器与时测到流量的变更，并通过副调整器与时限制燃料调整阀，使得燃料流量很快回复到原先的稳定值。假如干扰量
11、小，经过副回路调整后，一般影响不到原料油出口温度;当干扰幅度较大时，其大部分影响为副回路所客服，但仍会产生肯定影响,但引起的偏差要比简洁温度限制系统限制下产生的小得多，才是再通过主调整器变更副调整器的设定值进一步调整则可几乎完全消退干扰的影响，是原料温度维持在设定范围；2）原料油流量、原料油入口温度发生扰动：当干扰只是来自于原料油的流量和入口温度时，干扰首先引起原料油出口温度变更，温度变送器与时测量到温度的变更，并通过主调整器变更副调整器的设定值，进而调整其输出信号变更燃料阀的开度，进而变更燃料的流量，进而变更炉膛温度，以校正原料油出口温度的变更，使其回复到设定温度范围。在串级限制系统中，假如
12、干扰作用于主回路时，由于副回路的存在，加快了校正作用，可以与时变更原料油出口温度的变更，比简洁温度限制系统的限制质量好的多；3）干扰同时作用于主回路和副回路：假如干扰同时存在，为了分析便利，先假定执行器采纳气开形式，主调整器和副调整器都采纳反作用形式，这时依据干扰作用下主参数和副参数变更的方向，分两种状况进行探讨。a）假如在干扰作用下，主副参数的变更方向相同，即同时增加或减小，如一方面由于燃料的流量增加，使进入炉膛的燃料增加，同时由于原料油流量削减或者进口原油温度上升，使得原料油出口温度上升。这时主调整器的输出由于原料油出口温度的上升而减小，使得副调整器的设定值减小，副调整器由于测量值上升，设
13、定值减小，副调整器设定值与流入炉膛的燃料流量差值更大，副调整器的输出大大减小，以使调整阀关得更小，大幅度减小燃料的供应量，直至主参数原料油出口温度回复到设定值为止。由于此时主副调整器的作用都是使阀门关小，加强了限制作用，因此加快了限制过程；b）假如在干扰作用下，主副参数变更方向相反，即一个增加一个减小，例如一方面由于燃料的流量增加导致进入炉膛的燃料流量增加，另一方面又由于原料油流量增加或进口温度降低，使原料油出口温度降低，这时主调整器的测量值降低，使其输出增大，副调整器的设定值增大，同时副调整器的测量值增大，假如两者增加量恰好相等，则副调整器输入不变，副调整器输出不变，阀门不须要动作；假如两者
14、不相等，由于能相互抵消一部分，副调整器输入变更较小，输出变更幅度也比较小，调整阀只须要做出较小的变更就可以校正原料油出口温度的偏差，使其重新回到设定值。通过以上可以直观地看出，在管式加热炉温度-流量串级限制系统中，由于引入了副回路，不仅能快速克服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰能进行彻底消退，由于主副回路相互协作补充，使得系统的限制质量显著提高。4.系统的设计与参数整定4.1 主回路设计管式加热炉温度-流量串级限制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的限制系统，所以主回路的设计确定以原料
15、油出口温度为被控参数，其选择与生产工艺亲密相关，能干脆反映加热过程中的加热质量，也与节约能源，提高效率和平安生产休戚相关，同时也易于测量。4. 2副回路设计副回路的选择也就是确定副回路的被控参量即串级限制系统的副参数，在本次设计中选用进入炉膛的燃料流量作为副被控参数，其选择是基于一下几个原则：1）主副参数有对应关系；2）选择进入炉膛的燃料流量作为副控参数使副回路包含变更猛烈的主要干扰；3）考虑了主、副回路中限制过程的时间常数的匹配；4）考虑了工艺上的合理性和经济性。4. 3主副调整器调整规律的选择在串级限制系统中，主、副调整器所起的作用不同。主调整器起定值限制作用，副调整器起随动限制作用，这是
16、选择调整器规律的基本动身点。在管式加热炉温度-流量串级限制系统中，由于我们选择原料油出口温度作为主要被控参数，而原料油出口温度关乎产品质量，工艺要求较为严格，又因为管式加热炉串级限制系统有较大容量滞后，所以选择PID调整作为主调整器的调整规律。在串级限制系统中副限制副参数的选择是为了保证和提高主参数的限制质量，所以对副参数的要求一般不严格，可以在肯定范围内变更，允许有残差，所以副调整器调整规律选择P调整。4.4主副调整器正反作用方式的确定首先依据工艺的平安性要求确定燃料调整阀为气开形式，这样保证系统出现故障时调整阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备平安;其次对于副调整器，进入炉膛的燃料
17、流量增加时,测量信号增大，为保证副回路为负反馈，此时调整阀应当关小，要求副调整器输出信号要减小，依据测量信号增大，输出信号减小的原则要求，副调整器应为反作用方式;再者对于主调整器，当副参数增大时，主参数也随之增大，所以主调整器应选择反作用方式。4.5限制系统的参数整定通过参数的整定，可以获得志向的限制效果，串级限制系统主副调整器的参数整定方法有逐步靠近法、两步整定法和一步整定法，其中：1）两步整定法是在系统处于串级工作状态时，第一步按单回路方法整定副调整器参数；其次步把已经整定好的副回路仍按单回路对主调整器进行参数整定两步整定法；2）一步整定法，就是依据阅历先将副限制器一次放好，不再变动，然后
18、依据一般单回路孔限制系统的整定方法干脆整定主限制器参数；3）逐步靠近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。由于采纳两步整定法整定的参数结果比较精确，本次设计采纳两步整定法来整定串级限制系统的参数，其整定步骤如下：1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主副调整器均为比例作用的条件下，先将主调整器的比例度Pl置于Io0%刻度上，然后由大到小渐渐降低副调整器的比例度P2,直到得到副回路过渡过程衰减比为4:1的比例度过渡过程的振荡周期为T25；2）在副调整器的比例度等于P2、的条件下，逐步降低主调整器的比例度R,直到同样得到主回路过渡过程衰减比为4:1
19、的比例度Rs,过渡过程的振荡周期为TlS；3）按已求得的R3、5和P2s、&值，结合已选定的调整规律，依据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；4）依据先副回路后主回路的依次，将计算出的参数值设置到调整器上，做一些扰动试验，视察过渡过程曲线，做适当的参数调整，直到限制品质最佳为止。5.所需检测元件、执行元件与调整仪表技术参数5.1 温度变送器本设计中采纳DDZ-m型热电偶温度变送器，其原理框图如图5-1所示,DDZ-HI型仪表采纳了集成电路和平安火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表牢靠性和平安性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。DDZTII型仪表具有以下主要特点：1）
20、采纳国际电工委员会（IEC）举荐的统一信号标准，现场传输信号为DC420mA,限制室联络信号为DCl5V,信号电流与电压的转换电阻为250。；2）广泛采纳集成电路，仪表的电路简化、精度提高、牢靠性提高、修理工作量削减；3）整套仪表可构成平安火花型防爆系统。DDZTH型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了平安栅，实现了限制室与危急场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危急的场所中运用。DDZTII型PlD调整器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成，调整器接收变送器送来的测量信号（DC420mA或DCl5V）,在输入电路中与给定信号进行比较，得出
21、偏差信号，然后在PD与Pl电路中进行Pn）运算，最终由输出电路转换为420mA直流电流输出。图5-1DDZ-In型调整器结构框图5.2温度检测元件本设计采纳热电偶作为温度传感元件，具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点，在运用热电偶时，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，采纳补偿导线作为热电偶的连接导线，作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方，如图5.2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，为此实行进一步的补偿措施，详细的方法有：查表法、
22、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以与半导体PN结补偿法。恒温器图5-2补偿导线示意图5. 3流量检测与变送为了能检测燃料流量的变更量并将其传送给限制器须要引入燃料流量的检测和变送器部件，本设计采纳差压式流量计来实现这一功能，其原理框图如图5-3所示。差压式（也称节流式）流量计是基于流体流淌的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。图5-3差压式流量变送装置原理图5.4调整阀从生产工艺平安动身，燃料油调整阀选用气开式，以便一旦出现故障或气源断气，调整阀能够完全关闭，切断燃料油进入加热炉，以确保设备平安。调整阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调整阀采纳压缩空气
23、作为工作能源，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运用。故本设计采纳气动调整阀，且为气开形式。5 .5联锁爱护联锁爱护系统由压力调整器、温度调整器、流量变送器、火焰检测器、低选器等部分组成。当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调整系统通过低选器取代正常工作的温度调整系统，此时出料温度无限制，自行浮动。压力调整系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。当管道压力复原正常时，温度调整系统通过低选器投入正常运行，出口原料油温度重新
24、受到限制。当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，限制电磁阀切断燃料气供应量以防回火。6 .组态软件设计组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动限制系统,它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。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限制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接限制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与限制，且在自动限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与实现功能的分析，采纳组态王对监控系统进行设计。
25、组态软件也为试验者供应了可视化监控画面，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，便利地构成监控画面，并以动画方式显示限制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲级等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的逡备驱动程序和敏捷的组态方式、数据链接功能。6.1新建工程图6-1新建管式加热炉流量-温度串级限制工程滉忘名祢KlPLCi哆1新建ISgg祢I伯克PLCo图6-2管式加热炉流量-温度串级限制设备配置6.3数据词典H H5) M 鲂【用S4 SB S-SB但心Q少SnS零IRs0三口gms11m一g)COMl)COM2)COM49DOEMs*S0C8Re*9次EQMk
26、i城31倒tM三a*T5M0ii2三曷同CWe=M11Sc三3SQ15三C9HH三BBGiWeba*三三tf发和时1三tf发行历更磁三BW图6-3管式加热炉流量-温度串级限制变量定义6.4建立画面图6-4管式加热炉流量-温度串级限制画面编辑6.5调试,执行PID设定后运行动态组态图界面显示图IEJ1门9CCH湿度设定值TI燃料油流量10dn实时温度燃料油流量退出图6-5管式加热炉流量-温度串级限制调试界面6.6PID限制算法设计依据流量-温度串级限制系统的原理，在“吩咐语言”中选择“应用程序吩咐语言”，运用组态王所供应的类似于C语言的程序编写环境实现PID限制算法。本设计采纳PlD位置式算法，
27、其限制算式为：U(R)=u(k-1)+Kp(+3)e(%)-分(1+与)e(4-1)+广，e(k-2)二uk-1)+q0e(%)q、e(k1)+q?e(k2)其中，Qq=KP(I手)Q1=ArP(I+qz=KP与在上述算式中，3为比例系数，。为积分时间，为微分时间。在流程中，以u(k)做为计算机当前的输出值，SV做为设定值，PV做为反馈值,e(k)做为偏差，位置式PID限制算法的流程图如图所示。图6-6管式加热炉流量-温度串级限制PID程序流程图心得体会通过此次课程设计我巩固了书本中所学的理论学问，并且对过程限制系统在工业生产用的运用有了更深刻的相识，此外我对过程限制系统的设计步骤、思路有了进
28、一步的了解与相识，更加明确了过程限制系统的设计方法和步骤，拓展了理论与应用的学问面，进一步相识到了工业工程中限制系统起到的重要作用。在本次设计过程中，从方案的设计到方案的确定，再到后续的回路的设计，调整器的正反作用的确定，被控参数的选择，这其中每一步都付出了很多精力也收获匪浅，虽然在设计中遇到过很多困难，但还是通过各种方法主动探究，使自己最终得以完成这次关于管式加热炉温度-流量限制系统的设计。这次过程限制系统的课程设计给了我们一个非常好的平台，让我们切实把所学学问起先尝试初步运用于实践中，让我们通过自己查找资料，巩固学问，了解原理，设计方案，改进方案，撰写报告等过程来更加牢记所学的学问与现实工
29、业生产之间的联系，让我收获颇丰，非常感谢这么一个珍贵的机会。参考文献1金以慧、方崇智编著.过程限制.北京：清华高校出版社.2010年2薛定宇编著.限制系统协助设计.北京：清华高校出版社.2008年3张宝芬编著.自动检测技术与仪表限制技术.北京：化学工业出版社.2009年4周泽魁编著.限制仪表与计算机限制装置.北京：化学工业出版社.2009年5王兆安、黄俊编著.电力电子技术.北京：机械工业出版社.2000年6王再英、刘淮霞编著.过程限制系统与仪表.北京：机械工业出版社.2011年附录A系统脚本程序PID限制算法的脚本程序启动时：本站点11=本站点T本站点Ti1;本站点D1=本站点Tdl本站点T;
30、本站点ukl=0;本站点ukll=0;本站点ekl=0;本站点ekll=O;本站点ekl2=0;本站点12二本站点T本站点Ti2;本站点D2=本站点Td2八本站点T;本站点uk2=0;本站点uk21=0;本站点ek2=0;本站点ek21=0;本站点ek22=0;运行期间：if（本站点自动开关=1）（本站点T=15;本站点11=本站点T本站点Ti1;本站点D1=本站点Tdl本站点T;本站点ql=本站点Pl*（l+本站点Il+本站点D1）;本站点ql1=本站点P1*（l+2*本站点D1）;本站点ql2=本站点P1*本站点D1;本站点ekl=本站点SV-本站点上水箱液位；本站点ukl=本站点ql*本站点ekl-本站点qll*本站点ekl1+本站点ql2*本站点ekl2+本站点ukl1;本站点ekl2=本站点ekl1;本站点ekl1=本站点ekl;if（本站点uklGOOO）（if（本站点ukk）本站点ukll=0;else本站点ukl1=本站点ukl;）else本站点ukll=1000;）停止时：本站点ukl=0;本站点ukll=O;本站点ekl=0;本站点ekll=O;本站点ekl2=0;本站点uk2=0;本站点uk21=0;本站点ek2=0;本站点ek21=0;本站点ek22=0;
