液态氨冷却器控制系统

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1、目录1 引言 22 设计任务与方案分析 22.1 控制系统的分析与选择22.2 选择控制系统的设计 33 系统设计与实施 43.1 正常调节器的设计 43.2 取代调节器的设计43.3 选择器高低值型式的选择 43.4 温度检测器 63.5 液位变送器 74 系统的仿真 74.1 参数整定 74.2 控制器的正反作用94.3 仿真 9小结体会 12参考文献 131 引言液态氨蒸发冷却器是工业生产中用的很多的一种换热设备，它利用液氨的蒸发吸取大 量的气化热，来冷却流经管内的被冷却物料。通常需要被冷却物料出口温度稳定。此时液 氨液位在一定允许范围内。而在非正常工况下，液位高度是不超过给定的上限的，

2、所以需 要使用选择控制方法，通过对液位的检测，来判断液位高度是否工作在正常情况，在正常 情况下，使用被冷物料出口温度回路控制系统，非正常情况下，使用液位单回路控制系统， 二者的切换通过选择器自动根据工况实现。2设计任务与方案分析2.1 控制系统的分析与选择工艺上要求被冷却物料的出口温度稳定为某一定值，所以将被冷却物料的出口温度作 为被控变量，以液态氨的流量为操纵变量，构成正常工况下的单回路温度定值控制系统如 图2-1 (a)所示。从安全角度考虑，调节阀选用气开式，温度控制器选择正作用方式。当 被冷却物料的出口温度升高时，控制器输出增大，调节阀门开度增大，液态氨流量增大， 从而有更多的液态氨气化

3、，使被冷却物料的出口温度下降。这一控制方案实际上是基于改变换热器列管淹没在液态氨中的多少，以改变传热面积 来达到控制温度的目的。所以液面的高度也就间接反映了传热面积的变化情况。在正常的 工况下，操纵液氨流量使被冷却物料的出口温度得到控制，而液位在允许的一定范围内变 化。如果突然出现非正常工况，假设有杂质油漏入被冷却物料管线，使导热系数下降，原 来的传热面积不能带走同样多的热量，只有使液位升高，加大传热面积。如果当液位升高 刀全部淹没换热器的所有列管时，传热面积以达到极限，出口温度任没有降下来，温度控 制器会不断的开大调节阀门，使液位继续升高。这时就可能导致生产事故。这时因为气化 氨要经过压缩机

4、后，变成液态氨重复使用，如果液位太高，会导致氨中夹带液氨进入压缩机，损坏压缩机叶片。为了保护压缩机安全，要求氨蒸发器有足够的气化空间，这就限制 了氨液面的上限高度(安全软限)，这是根据工艺操作所提出的限制条件。为此，需要在 温度控制系统的基础上，增加一个液面超限的取代单回路控制系统，如图2-1 (b)所示。显然，从工艺上看，操作变量只有液氨的流量一个，而被控变量却有温度和液位两个，从 而形成了对被控变量的选择性控制系统。(a) 般控制系统图 2-12.2 选择控制系统的设计根据以上对液态氨冷却器的工艺分析，可以画出整个系统的原理框图如图 2-2 所示。LCLmaxLSu (t)詩阀液位对象温度

5、测量V温度 对象1图 2-2：液态氨冷却器控制系统结构框图3 系统设计与实施3.1 正常调节器的设计选择性控制系统正常情况下是正常调节器回路工作而取代调节器回路不工作；事故时 取代调节器回路工作，正常调节器回路不工作，所以 2个回路系统可单独按单回路控制系 统设计。正常调节器回路可按一般单回路系统设计；先确定被控量（即图 1），控制量，据工 艺要求确定执行器气开、气关型式，被控过程（被控对象）特性来确定正常调节器的正、反 作用。正常调节器的规律一般采用 PI 调节器或 PID 调节器，而调节器的参数整定可按一 般工程整定方法整定，如临界比例度法、4：1 衰减曲线等。3.2 取代调节器的设计取代

6、调节器回路测量值Y：是生产过程中的某一个工业参数，它与正常调节器回路中 的被控参数Y，并非一个参数，当其达到某一个极限值（或大或小）时，生产就会出现事故 状态，这时整个系统应该由取代调节器回路工作，这时要求取代回路的等效增益大一些， 以便有较强的控制作用，产生及时的保护作用，使系统迅速脱离危险状态而回到正常状态， 然后又切回到正常调节器回路工作。所以取代调节器也是一个单回路控制系统，可按单回 路控制系统设计，一般取代调节器回路为了满足快速性都只用比例规律，且该回路的比例 增益K，要大一些，这是和正常调节器的主要区别。3.3 选择器高低值型式的选择选择器在选择性控制系统中是重要的部件，它的功能相

7、当于一个二选一的开关，它接 受正常调节器的输出信号a和取代调节器的输出信号b，其输出信号c去驱动执行器。高值 选择器是接收a信号和b信号数值高者作为选择器输出；低值选择器是选a信号和b信号低值 作为输出。看上去问题较简单，但针对一个实际系统如何确定选择器高低值型式呢?我们 首先统计工业生产过程可能出现的情况，做出选择器高低值选择的表格，如表2-1所示。表 2-1 选择器型号选择统计表取代调节器回路正常调节器回路气开阀气关阀k正作用clk反作用c 1k正作用clk反作用c 1气 开 阀k正作用c 2高值高值XXk反作用c 2低值低值XX一气关阀 一k正作用c 2XX低值低值k反作用c 2XX高值

8、高值该表格是根据正常调节器回路的静态特性和取代调节器回路的静态特性联合考虑的。表乂中打的 是指不可能出现的组合。为清楚起见，我们用静态特性交叉图说明，如正常调节器回路的调节阀为气开式，调节器 k 为反作用；取代调节器回路的调节阀（与正常调节 c1器一样）为气开式，取代调节器 k 为反作用，画出其静态交叉图（见图2-3）。a-a：表示正常调节器的静态特性，b-b:表示取代调节器的静态特性。两静态交叉点为G点。箭头表示调节器变化方向。从静态特性图中可以看出选择器应 选低值选择器。注意这种情况取代调节器回路的静态增益要大于正常调节器回路的静态增、人益。3.4 温度检测器在本文中，温度变送器选择的是热

9、电阻，热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。 它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广 泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻 体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以 测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即Rt = Rt 1 + a (t t )(7)00式中，Rt为温度t时的阻值；Rt为温度t时的阻值00在此处使用的是金属热电阻变送器，使用三线制接法，即在热电阻

10、的根部的一端连接 一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以 较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。采用三线制是为了消除连接 导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电 桥的一个桥臂电阻，其连接导线(从热电阻到中控室)也成为桥臂电阻的一部分，这一部 分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的 电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路 电阻带来的测量误差。热电阻与热电偶的选择最大的区别就是温度范围的选择，热电阻是测量低温的温度 传感器，

11、一般测量温度在-200800C，而热电偶是测量中高温的温度传感器，一般测量温 度在4001800C，在选择时如果测量温度在200C左右就应该选择热电阻测量，如果测 量温度在600 C就应该选择K型热电偶，如果测量温度在12001600 C就应该选择S型 或者 B 型热电偶热电阻与热电偶相比有以下特点：(1 )同样温度下输出信号较大，易于测量。(2) 测电阻必须借助外加电源。(3) 热电阻感温部分尺寸较大，而热电偶工作端是很小的焊点，因而热电阻测温的 反应速度比热电偶满；（4）同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。在综合分析热电阻和热电偶的特点，结合本设计的特点，在选择温度检测器时选择的 是

12、热电阻温度检测器。3.5 液位变送器液位变送器在本设计中使用的是超声波液位计，超声波液位计是由微处理器控制的 数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被 同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测 物体的距离。 由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和 固体物料高度的测量。超声波液位计的测量精度主要受声速随温度变化的影响。此部分由 ADC0809 模数转换芯片和 8051 连接而成，本电路的作用是将采4 系统的仿真4.1 参数整定目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律；比例控制规律、比例积分控制规

13、律和 比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。选择哪种控制规律主要是根据广义对 象的特性和工艺的要求来决定的。下面分别说明各种控制规律的特点及应用场合。比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出p与输入偏差e（实际上是指它们 的变化量）之间的关系为：p = Kep比例控制器的可调整参数是比例放大系数K或比例度6，对于单元组合仪表来说。它们的p关系为：6 = 1K *100 %P比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间具有 一一对应关系。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在 常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比

14、例作用的控制规律是很少采用的 但是，纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。比例控 制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，例如中 间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制系统等。比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。它的输出p与输人偏差e的关系为：（1 f ）p = K e + J e d tp I T丿比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数K （或比例度5 ）和积分时间T。比例积分 pI控制器的持点是：由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的 积分成比例、只要偏差存在、控制器的输出就会不

15、断变化，直至消除偏差为止。所以采用 比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的、这是它的显著优点。 但是，加上积分 作用，会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本 保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。比例积分控制器是使用最普遍的控制器。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、 工艺参数不允许有余差的系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例 积分控制器。比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控 制器。理想的PID控制器，其输出p与输入偏差e之间具有下列关系：（1 fde、p = K e + J edt + T p TD dt .I比例积分微分控制器的特点是：微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比 例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再 加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整5 、T 、T 三个参数、可以使控制系统获