程控制与自动化仪表课程设计

课程设计名称：过程控制与自动化仪表课程设计题目：管式换热器恒温控制系统设计

专业：电气工程及其自动化

班级：自动化

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课程设计任务书

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课程设计成绩评定表

摘要

过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。

当前，过程控制已进入全新的、基于网络的计算机集成过程控制时代。DIPS是以企业整体优化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理与控制为主要内容，将过去传统自动化的“孤岛”模式集成为一个有机整体，而网络技术、数据库技术、分布式控制、先进过程控制策略、智能控制等则成为实现CIPS的重要基础。可以预见，过程控制将在我国现代化建设过程中得到更快的发展和发挥越来越重要的作用。

本设计以过程控制理论为基础，全面阐述在工业生产过程中，换热器温度控制系统的设计过程，包括对被控参数、控制参数、调节器和调节阀的选定、调节器参数整定等相关方面的设计。

关键词：过程控制；工业生产；换热器

目录

1前言 (1)

2 控制方案的确定 (2)

2.1恒温控制系统生产工艺要求 (2)

2.2控制参数与被控参数的选择 (2)

2.2.1被控参数的选择 (2)

2.2.2 控制参数的选择 (2)

2.3系统原理图及方框图 (2)

2.3.1控制系统控制结构图 (2)

2.3.2系统框图 (3)

3测量仪表的选择 (4)

3.1变送器的选择 (4)

3.2调节阀的选择 (4)

3.2.1 调节阀的启开气关形式 (4)

3.2.2 调节阀的流量特性 (4)

3.2.3 调节阀的理想流量特性 (5)

3.3调节器的选择 (5)

3.3.1 调节规律的选择 (5)

3.3.2 调节器仪表的选择 (5)

3.3.3 调节器的内部结构 (6)

4调节器的参数整定 (11)

5结论 (12)

6设计体会 (13)

参考文献 (14)

1前言

20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。

当前，过程控制已进入全新的、基于网络的计算机集成过程控制时代。DIPS是以企业整体优化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理与控制为主要内容，将过去传统自动化的“孤岛”模式集成为一个有机整体，而网络技术、数据库技术、分布式控制、先进过程控制策略、智能控制等则成为实现CIPS的重要基础。可以预见，过程控制将在我国现代化建设过程中得到更快的发展和发挥越来越重要的作用。

本设计以过程控制理论为基础，阐述在工业生产过程中，换热器温度控制系统的设计过程，包括对被控参数、控制参数、数学模型的建立、调节器和调节阀的选定、调节器参数整定等相关方面的设计。

2 控制方案的确定

2.1 恒温控制系统生产工艺要求

在工业生产用，往往需要对液体进行温度控制。图2-1是管式换热器恒温控制系统的结构图。其工艺要求用蒸汽将进入其中的冷水加热到一定温度，并将热水温度维持在一定范围内(C T C ︒︒+≤∆≤11-)。

图2-1 管式恒温控制系统原理图

2.2 控制参数与被控参数的选择

2.2.1 被控参数的选择

被控参数的选择对于提高产品质量、安全生产以及生产过程的经济运行等都具有决定性的意义。如果被控参数选取不当，无论是此何种控制方法，还是采用何种先进的检测仪表，都难以达到预期的控制效果。

对于本系统，由于要对经换热器后的热水的温度进行控制，所以根据生产工艺的要求，选取换热器出口温度作为直接被控参数。设置合理的调节器对换热器的出口温度进行控制。

2.2.2 控制参数的选择

由换热器控制系统的工作原理可知，影响影响换热器的出口温度的参数有两个，一个是冷水的流入量，再一个是热蒸汽的流入量。调节这两个参数均可以控制换热器出口的温度。但是根据生产工艺可知，流入乙烯裂解气的流量是一定的，所以选取热蒸汽的流入量作为控制参数。

2.3 系统原理图及方框图

2.3.1 控制系统控制结构图

恒温控制系统结构图如图2-2所示

图2-2系统控制结构图

2.3.2系统框图

控制系统框图如图 2-3所示

X(s) Y(s)

()s G

C

()s

G

V

()s

G

O ()s

G

m

图2-3 控制系统框图

3测量仪表的选择

3.1变送器的选择

根据生产工艺的要求，宜选用DDZ-III型仪表。采用24V直流电源集中统一供电，整套仪表可构成安全火花防爆系统，而且增加了安全单元─安全保持器，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表无论在正常运行，还是在事故状态下，都不会引爆，仪表

的安全性、可靠性显著提高。采用国际标准信号制，现场传输信号为4-20mA 直流电流，控制室联络信号为1-5V 直流电压，信号电流和信号电压的转换电阻为250Ω。

测温原件及变送器的选择。因为被控温度在150C o

以下，故选用热电阻温度计。为提高精度，采用三线制接法，并配用温度变送器。

3.2 调节阀的选择

3.2.1 调节阀的启开气关形式

气开是指当气压信号p>0.02MPa 时，阀由关闭状态逐渐打开；气关则相反，即当气压信号p>0.02MPa 时，阀由全开状态逐渐关闭。

由于执行机构有正、反作用两种方式，阀体也有正、反两种形式。所以，执行期的“气开”、“气关”有四种构成方式，如图3-1所示：

图3-1 气开、气关示意图

调节阀的气开、气关选择，主要从工艺生产的安全来考虑。换句话说，当发生断电或其他故障引起控制信号中断是，执行器的工作状态应避免损坏设备和伤害操作人员。

对于本系统，当控制信号为零时，要求蒸汽的进入量亦为零，避免当控制信号中断时，换热器由于进入的热蒸汽使其温度过高而发生事故。故调节阀应选用气开式调节阀。

3.2.2 调节阀的流量特性

调节阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与阀门的相对开度 数学表达式为

⎪⎭

⎫ ⎝⎛=L l f q q m ax

3.2.3 调节阀的理想流量特性

理想流量特性是指调节阀前后压差保持不变时得到的流量特性

（1）直线流量特性：指流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度成直线关系，即阀杆单位行程变化所引起的流量变化是常数。其数学表达式为