换热器温度控制系统的设计过程控制系统与装置课程设计(论文)

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1、过程控制系统与装置 课程设计（论题目文）换热器温度控制系统的设计学号学生姓名专业班级课程设计（论文）换热器温度控制系统的设计题 目在某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水（工业废水）和蒸汽对 进行加热，工艺要求出口温度为140 2C。当用热水加热不能满足出口温 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：课程设计(论文)任务测量范围：0-180 C控制温度：140 2C最大偏差：5C；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；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

2、给出系统硬件电气连接图及 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 日第1章 换热器温度控制系统设计概述 第2章 换热器温度控制系统设计方案论证第3章系统内容设计3.1温度传感器的选择3.2流量变送器的选择3.3调节器的选择3.4执行器的选择3.5变送器的选择3.6调节阀的选择第4章系统性能分析4.1参数整定4.2.控制算法的确定X第5章课程设计总结X.参考文献 X.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

3、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作用，表现在两个方面：-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

4、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

5、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：图2.1分程控制流程图图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，B阀控制蒸汽流量，A、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.lOMPa时，阀门B也完全关闭。分程曲线如下所示：阀门开度（）图2.3调节阀同向动作分程关

6、系曲线/M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、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 O.lOMPa时，阀B完全关闭。分程曲线如下所示：阀门开度（）/M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

7、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0口 180C，控制温度在

8、140土 2C， 因此选用Pt100、热电偶一体化温度变送器。Pt 100、热电偶一体化温度变送器测温探头采 Pt 100铂电阻J、K、E、热电偶，精度高,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：0 口 300

9、C输出信号：4 口 20mA、05V负载电阻： 500Q供电电源：24VDC功耗： 1W基本误差：0.2%0.5 % 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 LWC插入式涡轮流量 计，型号为LWC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LCD屏上，LCD屏直观清晰， 可靠性强。采用EEPROM 对累积流量、仪表系数掉电保护，保护时间大 于10年。采用高性能MCU中央处理器，

10、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lCr 18Ni9Ti全不锈钢结构，（涡轮采用2Cr13） 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

11、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

12、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，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，恢复到给定值。 根据以上分析可知为满足调节系统的负反馈作用，调节器 的测量值增大，而输出值减小与测量值成反比，因此调节器定为反作用。对主回路调节阀的开关形式，保持副回路选择形式：气开阀副调节器的正反作用保持不变。设主回路测量值氧化炉温度增加，即主调节器测量值大于给定值， 先假设主调节器为正作用，调节器输出必然增大，

13、也就是副调节器的给 定值也增大。由于副调节器已选定为反作用，因此副调节器的输出增大， 使调节阀开度增大。最终使流经调节阀的氨气流量增大，从而使氧化炉 的温度更高，整个系统成为正反馈，主参数不恢复到给定值。这说明主 调节器作用选错了，应采用反方向作用：反作用。2. 主、副调节器的调节规律选择凡是设计串级控制系统的场合，对象特性总有较大的滞后，主调节 器采用三作用PID控制规律是必要的。而副回路是随动回路，允许存在余差。从这个角度来讲，副调节器 不需要积分作用，一般只采用P作用。如当温度作副变量时，副调节器 不宜加积分。这样可以将副回路的开环静态增益调整的较大，以提高克 服干扰的能力；如果要加入微

14、分作用，一定要采用“微分先行”，因为 副回路是个随动系统，设定值是经常变化的，调节器的微分作用，会引起调节阀的大幅跳动，并引起很大的超调。但是如果副回路是流量（或 液体压力）系统时，它们的开环静态增益、时间常数都较小，并且系统 存在高噪声。因此在实际生产上，流量（或液体压力）副调节器常采用 PI作用，以减少系统的波动。3.4执行器的选择最常用的执行器是控制阀，也称调节阀。执行器由执行机构和调节 机构两部分组成。执行机构可分解为两部分：将控制器输出信号转换为 控制阀的推力或力矩的部件称为力或力矩转换部件；将推力或力矩转换 为直线或角位移的部件称为转换部件。调节机构将位移信号转换为流通 面积的变化

15、，改变操纵变量的数值。根据所使用的能源，执行机构分为气动、电动和液动三类。它们各 有特点，适用于不同的场合。气动执行器的执行机构和调节机构是统一 的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要 求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。由于气 动执行机构有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，并且安全防爆等 优点，在发电厂、化工，炼油等对安全要求较高的生产过程中有广泛的 应用。液动执行器的推力很大，现在一般都是机电一体化的，但比较笨 重，所以现在很少有人使用。电动执行机构防爆性能较差，电机动作不 够迅速，且在行程受阻或阀杆被札住时电机容易受损。尽管电动执行器 进几年来不断扩大且有扩大应用的趋势，但不如气动执行机构在应用上 普遍。气动执行机构结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，并且安全 防爆的优点，所以在工业生产中得到广泛的应用。执行机构的选择类型主要考虑的因素性是：（1）可靠性（2）经济性（3）动作平稳，足够的输出力（4）结构简单，维护方便。气开控制阀和气关控制阀中的“气是指输入到执行机构的信号。 气开控制阀指当输入到执行机构的信号增加时，流过控制阀的流量增 加；反之，气关控