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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学过程控制系统过程控制系统 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 测控测控111111班班 学学 号：号： 110301013110301013 学生姓名：学生姓名： 金兆鑫金兆鑫 指导教师：指导教师： 王铁超王铁超 起止时间：起止时间： 20142014年年1212月月15-2615-26日日 本科生课程设计（论文）I摘 要本次课设为基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计，任务是冷物料通过热交换器用热水（工业废
2、水）和蒸汽对其进行加热，工艺要求出口温度为1402。当用热水加热不能满足出口温度要求时，则在同时使用蒸气加热。要求测量范围在 0-180、控制温度 1402、最大偏差 5，本次课程设计采用分程控制系统通过一个控制器控制两个阀门进而控制两个参数实现废水和蒸汽的换热过程，选择合适的温度变送器、温度控制器、电气阀门定位器、气动阀组成相应的控制系统实现题目要求，确定算法。进行仿真分析。本次设计特点是节省资源，不浪费热量。采用分程控制系统可以实现节能，通过 MATLAB 仿真进行分析总结。关键词：换热器；分程控制；节能；算法本科生课程设计（论文）II目 录第 1 章 绪论.1第 2 章 课程设计的方案论
3、证.22.1 概述 .22.1.1 系统对象特性分析.22.1.2 系统方案论证.22.1.3 确定设计方案.32.2 系统组成总体结构 .4第 3 章 各种仪表的设计选择.53.1 温度变送器的选择设计 .53.2 阀门定位器的选择 .63.3 执行器的选择设计 .73.4 控制器的选择设计 .83.5 PID 控制算法.9第 4 章 系统仿真或模拟调试.10第 5 章 课程设计总结.12参考文献.13本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论换热技术的发展，换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计, 在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的 30% ,在炼油
4、厂中占全部工艺设备的 40% 左右, 海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明, 虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约 64% 。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明, 列管式换热器已进入一个新的研究时期, 无论是换热器传热管件, 还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变, 其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究, 主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。换热技术的应用前景，近几年来, 随着高温热管技术研究的不断成熟和深入,
5、高温热管换热器的应用领域逐渐扩大, 目前已广泛应用于工业、民用和国防等各个领域。在冶金、化学、陶瓷、建材及轻工等工业生产中, 常需要 500以上的清洁空气以满足助燃、干燥和供氧等需要, 采用高温热管空气加热器可以轻易地达到这一要求, 并且从根本上解决常规空气加热器所无法解决的传热难题。 高温热管技术在喷雾干燥中的应用取得成功, 并已收到了令人满意的实际效果。根据现场测试的参数表明, 高温热管换热器达到的某些性能指标, 是其他类型热风发生器所达不到的, 因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的换热器的国内现状，照其功能可命名，如冷凝器、蒸发器、再热器、过热器等，按换热部件的特点可分为：管壳式
6、换热器、翅片管式换热器、板式换热器（包括板片式换热器和板翅式换热器） 。对于各型换热器的强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方面。节能减排已成为我国“十二五”期间重要战略的举措，高效节能换热器的研究也成为当今地下换热领域研究的热点。所以现在的换热器越来越向高精尖的技术水品发展本科生课程设计（论文）2第 2 章 课程设计的方案论证2.1 概述本次课设为基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计，任务是冷物料通过热交换器用热水（工业废水）和蒸汽对其进行加热，工艺要求出口温度为1402。当用热水加热不能满足出口温度要求时，则在同时使用蒸气加热。要求测量范围在
7、0-180、控制温度 1402、最大偏差 5。运用 MATLAB 仿真观察出口温度是否满足设计要求。2.1.1 系统对象特性分析本次设计主要是在某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水（工业废水）和蒸汽对其进行加热。被控对象是换热器出口温度。控制对象是蒸汽阀和热水（工业废水）阀。通过 PID 运算对被控对象进行温度控制。应用场合: 换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一，在多种化工厂应用非常广泛是目前节省热能的主要工业手段。系统功能介绍: 本系统的功能是利用蒸汽和工业废水对换热器进行温度转换，使热能应用到其他地方，以节省热能。本系统采用两种变量来控制换热器出口温度，使系统更
8、加节能，更加经济。2.1.2 系统方案论证方案一：利用两个单回路控制系统分别控制蒸汽和工业废水，对换热器进行换热，保证出口温度始终保持在 1402，即满足设计要求。该方案优点是控制简单，有良好的经济性，执行起来方便。缺点是两个变量之间没有联系，而且相对来讲浪费能源，不能保证最节约的形式。该方案总体框图如图 2.1 所示。本科生课程设计（论文）3图 2.1 单回路控制系统方案二：利用分程控制系统控制废水和蒸汽的换热器控制，通过一个控制器来控制两个阀门，一个阀门控制蒸汽流量，另一个阀门控制热水（工业废水）流量，通过协调作用来保证换热器出口温度保持在 1402，该方案的优点是，通过一个控制器完成两个
9、控制变量的相互协调可以再利用 PID 算法减小偏差，更加节省物料。该设计方案的缺点是分程控制的实现相对单回路而言比较复杂，执行起来不容易。分程控制总体结构框图如下图 2.2 所示。图 2.2 分程控制系统2.1.3 确定设计方案分程控制系统是由单回路控制系统演变过来的，具有一个控制器可以控制多个阀门的控制系统，在实际生产中有一只控制器的输出信号分段分别去带动两个本科生课程设计（论文）4或两个以上的控制阀作用，每一个控制阀仅在控制器输出信号整个范围的某段信号内工作的控制方式称为分程控制。根据两个方案的比较以及设计要求，本次设计采用方案二。方案二可以对两个变量进行协调控制，效果会比两个互相没有联系
10、的单回路控制要好。在本设计系统中，温度控制器采用反作用方式，即当换热器出口温度低于要求温度时控制器对两个阀的开度加大，因此蒸汽阀和热水阀都选用气开的形式，工作信号范围在 A 阀为 19.658.9Kpa，B 阀为 58.998.1Kpa 范围内，A 阀开，B 阀关，节省蒸汽。当换热器出口温度下降时温度控制器输出气压信号增强，当气压信号到 58.9Kpa 时，A 阀全开+B 阀打开来保持出口温度。2.2 系统组成总体结构系统的组成总体结构图如下图 2.3 所示。图 2.3 总体结构图本科生课程设计（论文）5第 3 章 各种仪表的设计选择3.1 温度变送器的选择设计在过程控制系统中用于参数检测的传
11、感器、变送器是系统中获取信息的装置。传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器，测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。测量不准确或不及时，会产生失调、误调或调节不及时，影响之大不容忽视，因此，传感器、变送器的选择是过程控制系统设计中的重要一环。 传感器与变送设备的选择与使用，主要根据被检测参数的性质以及控制系统设计的总体功能要求来决定。被检测参数的性质、测量精度、响应速度要求以及对控制性能要求等都影响传感器、变送器的选择与使用，在系统设计时，要从工艺的合理性、经济性、可替换性等方面加以综合考虑。本次课设采用 SBWZ-2460 温度变送器，此传感器采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等温度测量与控制。量程：-50-200.输出信号：4-20mA 直流信号，与热电偶或热电阻的输入信号成线性。同时叠加符合 HART 标准协议通信信号.基本误差：0.2%FS、0.5%FS；接线方式：二线制、三线制；显示方式：四位LCD显示温度；工作电压：12-35V DC；工作环境：环境温度-25-80
