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1、 . . . 课 程 设 计 说 明 书学生：学 号：学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目：燃烧式工业窑炉温度比值控制系统设计指导 职称:职称:职称:2012 年1 月 4 日课程设计任务书 2011/2012 学年第 1 学期学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名：学 号：课程设计题目：燃烧式工业窑炉温度比值控制系统设计起 迄 日 期： 20XX12月19日2012 年1月5日 课程设计地点：指 导 教 师：系 主 任：下达任务书日期: 20XX12月19日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1培养学生运用过程检测仪表与
2、控制技术及其他相关课程的知识,结合毕业实习中学到的实践知识,独立地分析和解决实际过程控制的问题,初步具备设计一个过程控制系统的能力。 2运用工程的方法,通过一个简单课题的设计练习,可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作容和具体的设计方法。3培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识,解决实际工程技术问题的能力；4培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；5培养编写技术报告和编制技术资料的能力。2设计容和要求包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等：经过过程检测仪表与控制课程的学习和生产实习后,对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。
3、在此基础上,针对实践环节中的被控对象控制装置,独立完成控制系统的设计,并通过调节系统控制参数,达到较好的控制效果。1. 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式,给出控制流程图；2. 现场仪表选型,编制有关仪表信息的设计文件；3. 给出控制系统方框图；4. 分析被控对象特性,选择控制算法；5. 进行系统仿真,调节控制参数,分析系统性能；6. 写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计 思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明,并对所完成的设计作出评价,对自己整个设计工作中经验教训,总结收获。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实
4、物样品等：1确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。2撰写课程设计说明书一份A4纸。4主要参考文献：1过程装备控制技术及其应用 王毅 主编化学工业2过程自动化及仪表 俞金寿主编化学工业3工业过程控制工程 王树青主编化学工业4控制仪表及装置 吴勤勤主编化学工业5过程控制仪表 徐春山主编冶金工业6过程装备成套技术设计指南工程 黄振仁主编化学工业7过程控制装置 永德主编化学工业8化工单元过程及设备课程设计 匡国柱主编化学工业9化工设备设计设计手册上、下 朱有庭主编化学工业10工业过程检测与控制 孟华主编化学工业5设计成果形式及要求：提供课程设计说明书一份,要求容与设计过程相符,
5、且格式要符合规定要求；系统控制流程图一份；6工作计划及进度：20XX12月19日 - 12月21日 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式,画出控制流程图,完成仪表选型,接线图； 12月22日 - 12月25日 控制系统方框图,分析被控对象特性,选择控制算法；12月26日-12月28日 进行系统仿真,调节控制参数,分析系统性能；12月29日-12月31日 编写课程设计说明书1月4 日 答辩系主任审查意见：签字：年月日目 录1 概述 72 被控对象特性的研究 72.1 被控变量的选择 82.2 操纵变量的选择 82.3 被控对象的数学描述 83 燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立 94
6、过程检测仪表的选用 104.1 测温元件及温度变送器 104.2 执行器 114.3 调节器 125 参数整定 126 实验仿真 137 课程设计总结 178 参考文献 171.概述燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备,一般大型窑炉燃料多为重油,轻柴油或煤气、天然气。窑炉通常由窑室、燃烧设备、通风设备,输送设备等四部分组成。窑炉大致分为 箱式、井式、梭式、网带式、回转式、窑车式、推板式隧道电阻炉、真空炉、气体保护炉、超高温管式推板炉碳管炉、钨钼粉焙烧炉、还原炉等各种高、中、低温工业窑炉,工作温度2002500。可用于ZnO压敏电阻器、避雷器阀片、结构瓷、纺织瓷、PTC&
7、NTC热敏电阻器、电子瓷滤波器、片式电容、瓷介电容、厚膜电路、片式电阻、磁性材料、粉末冶金、电子粉体、稀土化工、聚焦电位器、瓷基板、高铝瓷及其金属化,触头材料、硬质合金材料、钨钼材料等的烧成。本次课程设计是要完成燃烧式工业窑炉温度定值控制系统的设计,采用的是比值控制系统,实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统,称之流量比值控制系统。比值控制系统可分为：开环比值控制系统,单闭环比值控制系统,双闭环比值控制系统,变比值控制系统,串级和比值控制组合的系统等。在本次设计中,窑炉以甲烷作为燃料。空气和甲烷分别通入炉进行燃烧。
8、甲烷充分燃烧的方程式为,空气中含氧量约为20%。所以可以得出空气的流量是甲烷的10倍就可以保证甲烷充分燃烧。假设空气供应充足,大气压恒定。所以采用开环比值控制系统。在本次课程设计中,为了简化系统模型、便于分析,采用如下假设：1、燃料为天然气,被加热的介质为瓷,瓷的厚度为7厘米2、窑炉为绝热炉,废渣不带走热量2.被控对象特性的研究燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备,其工作原理为燃料进入炉燃烧,其发出的热量一部分被被加热介质所吸收,另一部分用于维持炉整个环境的温度。为了满足工艺的需要,必须使炉温度维持在一定的围。影响炉温度最主要的因素为燃料的进料流量,因此可以通过控制燃料
9、的进料流量来控制炉的温度。2.1被控变量的选择被控变量是生产过程中希望保持在定值获按一定规律变化的过程参数。在燃烧式工业窑炉温度控制系统中,我们希望炉的温度保持在一定的围,因此可以把炉的温度作为被控变量。2.2操纵变量的选择在控制系统中,用来克服干扰对被控变量的影响,实现控制作用的变量就是操纵变量。对于燃烧式工业窑炉,燃料的流量对炉温度的影响最大,因此可以把燃料的流量作为操纵变量。2.3被控对象的数学描述对于燃烧式工业窑炉,其控制原理为通过控制燃料的进料流量来控制炉的温度。图2 燃烧式工业窑炉温度控制示意图现假设空气充足,燃料能够充分燃烧,且窑炉是绝热的,没有热量损失,则燃料燃烧的热量一部分被
10、被加热的介质所吸收,另一部分用于维持窑炉整个环境在一定的温度围,现假设窑炉整个空气环境所拥有的热量为Q,燃料的体积流量为,燃料的燃烧值为,空气的质量为,空气的比热容为,被加热介质的传热系数为,传热面积为,炉温度为,被加热物质和空气的原始温度为。根据热量关系,有其中,则将上式带入1式,得到对上式进行增量化,则,得到对上式进行拉普拉斯变换,得到则现假设燃料为甲烷,被加热的物质为瓷,瓷的厚度为0.07m,长为0.2m,宽为0.1m甲烷的燃烧值为,空气的质量空气的比热容为,瓷的传热系数为,所有瓷的传热面积为将以上数据带入2式,得到3.燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立燃烧式工业炉的工作方式为：
11、燃料进入炉燃烧,其热量主要用于两部分,一部分用于被加热介质的吸收,另一部分用于维持炉整个环境的温度。影响炉温度最主要的因素为燃料的进料流量,因此可以通过控制燃料的进料流量来控制炉的温度。控制方案采用比值定值控制系统,其方框图如下：图1 比值定值控制系统方框图从控制任务要求可知,燃烧式工业窑炉温度比值控制系统是单点、恒值控制,控制围和控制精度要求一般,功能上无特殊要求,采用广泛使用的PID控制即可。4. 过程检测控制仪表的选用4.1 测温元件及变送器根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能,我们选用普通热电偶测温仪表。热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器,它由热电偶、电测仪表和连接导线
12、组成,其核心元件是热电偶。热电偶温度计有以下特点：测温精度高,性能稳定；结构简单,易于制造,产品互换性好；将温度信号转换为电信号,便于信号远传和实现多点切换测量；测温围广,可达-2002000；形式多样,适用于多种测温条件；在此,我们选用一体化温度变送器,Sure301系列热电偶、热电阻一体化温度变送器以下简称温度变送器是由温度传感器与信号转换器组成。本产品经国家级仪器仪表防爆安全监督检验站测试合格,防爆合格证为GYB97142、GYB97143、GYB97144、GYB97145。广泛用于石油、化工、冶金、机械、煤炭、电站、船泊、国防等部门用来测量液体、气体和蒸汽等介质的温度。 图3 热电偶温度检测变送器热电偶测量围：01200测量精度：热电阻为0.2%；热电偶为1%2%；冷端补偿为2/60温度漂移：0.025%,年漂移0.5%供电电压：24VDC10%4-20mA电流型模块最低工作电压需要10V余下供负载负载能力：0-600欧姆24V电压时电压变化影响0.015%V
