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1、 过程控制系统与装置 课程设计（论文）题目： 换热器温度控制系统的设计 J1课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论 文）题 目换热器温度控制系统的设计课程设计（论文）任务在某生产过程中，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，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，试设计换热器温度控制系统。1.技术要求:测量范围：0-180控制温度：1402 最大偏差：5；2.说明书要求:确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号
2、；确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；编写设计说明书。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日J2目 录第 1 章 换热器温度控制系统设计概述 .4第 2 章 换热器温度控制系统设计方案论证 .4第 3 章 系统内容设计 .73.1 温度传感器的选择 .73.2 流量变送器的选择 .83.3 调节器的选择 .83.4 执行器的选择 .93.5 变送器的选择 .113.6 调节阀的选择 .12第 4 章 系统性能分析 .134.1 参数整定 .134.2.控制算法的确定 .14第 5 章 课程设计总结 .1
3、6参考文献 .17J3第 1 章 换热器温度控制系统设计概述换热器的应用广泛，比如中央空调系统，机械润滑油冷却系统，制药消毒系统，饮料行业消毒系统，船用冷却，化工行业特殊介质冷却系统日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。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
4、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。第 2 章 换热器温度控制系统设计方案论证根据题目要求并通过检阅大量，因为该系统有两个调节阀分别控制热水流量和蒸汽流量，很显然本系统选择分程控制系统。分程控制系统是根据工艺要求，需将调节器的输出信号分段，去控制两个或两个以上的调节阀，以便使每个调节阀在调节器
5、输出的某段信号范围内做全行程动作。下图所示以换热器出口的热物料温度为被控参数、以蒸汽流量和冷物料的流量为控制变量的分程控制变量的分程控制系统，利用 A、B 两台调节阀分别控制蒸汽流量和热水流量两种不同介质，以满足生产工艺对冷却和加热不同的需求。系统的流程图和框图如下所示：J4换热器TT TC冷凝水热物料冷物料蒸汽 AB 热水气关阀 气开阀图 2.1 分程控制流程图cGSvGASvBmGSoGS图 2.2 分程控制系统框图但当选择分程系统的类型的时候发现有两种系统可以选择。方案一 选择调节阀同向动作的分程控制系统。其中被加热物料出口温度为被控参数、蒸汽入量和热水入量为控制参数，A 阀控制热水流量
6、，B 阀控制蒸汽流量，A、B 都使用气关阀，当调节器输出信号从 0.02MPa 增大时，阀门 B 完全打开，阀门 A 由全开状态开始关闭；当信号达到 0.06MPa 时，阀门 A 完全关闭，而阀门 B 则由全开状态开始关闭；当信号达到 0.10MPa 时，阀门 B 也完全关闭。分程曲线如下所示：J500.02 0.06 0.10100A 阀B 阀A 阀B 阀阀门开度（）调节器输出信号/MPa图 2.3 调节阀同向动作分程关系曲线方案二 选择调节阀异向动作的分程控制系统。其中被加热物料出口温度为被控参数、蒸汽入量和热水入量为控制参数，A 阀控制热水流量，B 阀控制蒸汽流量，其中调节阀 A为气开式
7、、调节阀 B 为气关式。当调节器输出信号从 0.02MPa 增大时，阀 B 全开、阀 A逐渐打开；当信号增大到 0.06MPa，阀 A 完全打开，同时阀 B 开始关闭；当信号达到0.10MPa 时，阀 B 完全关闭。分程曲线如下所示：00.02 0.06 0.10100A 阀B 阀 A 阀B 阀阀门开度（）调节器输出信号/MPa图 2.4 调节阀异向动作分程关系曲线以上两个方案都可以实现对换热器的控制，方案一使用的分程控制系统工业应用很J6广泛，应用形式也比较多，一般用于扩大调节阀的可调范围，改善调节阀的工作特性；用于同一被控参数两个不同介质的生产过程。选择方案一时，当物料出口温度过低时，阀门
8、 A、阀门 B 都全开，使冷物料温度得到很快提升，但当物料温度升高时，阀门 A、阀门 B 都完全关闭，物料出口温度又快速下降。选择方案二时，当物料出口温度过低时，蒸汽阀门 B 全开，阀门 A 全闭，使物料温度升高，当出口温度过高时，阀门 B 关闭，阀门 A 全开。虽然方案二的温度调整速度没有方案一快，但比较稳定。综上所述，调节阀异向动作系统性能稳定，能够应对频繁而剧烈的干扰，适用于对被控参数的精度要求较高的场合，所以本设计采用调节阀异向动作系统。第 3 章 系统内容设计3.1 温度传感器的选择根据本系统技术要求测量范围在 ，控制温度在 ，因此选用 、018C:1402C10Pt热电偶一体化温度
9、变送器。、热电偶一体化温度变送器测温探头采 铂电阻 、 、 、热电偶，精10Pt PtJKE度高,稳定性好、集传感变送于一体，结构紧凑，安装方便,精度高、功耗低 电流输出型适合长距离传送,抗电磁干扰电路设计，保证变送器在受到各种干扰下能够安全可靠的工作，适于现代电磁污染严重的环境使用，整体密封性能良好，温度量程和外形尺寸可以按户要求订货,灵活方便、产品结构设计合理，过程连接接口灵活方便，体积小，重量轻，安装位置任意、壳体保护材料多样化，适应多种介质测量。Pt100、热电偶一体化温度变送器主要技术指标：温度测量范围： 03C:输出信号： 、42mA5V负载电阻： 5供电电源： D功耗： 1W基本
10、误差：0.20.5 FS3.2 流量变送器的选择经过对本系统的分析及主要性能指标，选用 插入式涡轮流量计，型号为LWCJ7插入式。LWC插入式涡轮流量计的特点：压力损失小，叶轮具有防腐功能，采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强、功耗低、性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。修正公式精度优于0.02% 仪表系数可由按键在线设置，并可显示在 屏LCD上， 屏直观清晰，可靠性强。采用 对累积流量、仪表系数掉电保护，保护LCDEPROM时间大于 10 年。采用高性能 MCU 中央处理器，完成数据采集处理显示输出、累积流量瞬时流量同屏显示方便的人机界面实现， 以标准 485 形式进行数
11、据传输。采用全硬质合金（碳化钨）屏蔽式悬臂梁结构轴承，集转动轴承与压力轴承于一体，大大提高了轴承寿命，并可在有少量泥沙与污物的介质中工作。采用 全不锈钢结构， （涡轮采用189CrNiT）防腐性能好。容易维修，有自整流的结构，小型轻巧，结构简单，可在短时间内213Cr将其组合拆开，内部清洗简单。有较强抗磁干扰和振动能力、性能可靠、寿命长。下限流速低,测量范围宽，现场显示型液晶屏显示清晰直观，功耗低，3V 锂电池供电可连续运行 5 年以上，耐腐蚀，适用于酸碱溶液。3.3 调节器的选择1.主、副调节器正反作用选择。串级控制系统主、副控制器正反作用的选择应满足负反馈的控制要求。因此，对主环和副环都必
12、须使总开环增益为正。一般选择逻辑推理法。因为仪表制造行业与控制理论对偏差的定义正好相反，为了避免混淆，这里不用偏差而用测量值与调节器输出关系来定义调节器的正反作用。具体定义为：若测量信号增加（隐含的假定是：设定值不变）调节器的比例作用的输出也增加的称正作用，否则为反作用。对于串级系统，因为主、副回路都可以看成是一个单回路，所以要确定串级系统主、副调节器的正反作用步骤为：首先根据生产安全要求，确定调节阀气开、气关形式；再确定副调节器的正、反作用；最后确定主调节器的正、反作用。对于图 1.1 所示的串级控制系统，其控制器正反作用的选择步骤如下。对副回路 为保证调节阀出故障时，生产处于安全状态，调节阀选择气开阀。 设干扰使氨气流量增加，即调节器测量值大于给定值，为保证系统的副反馈作用，J8调节器输出必须减小，才能使调节阀开度减小。最终使流经调节阀的氨气流量减小，恢复到给
