自动化仪表与过程控制课程设计-管式换热器恒温控制系统设计.doc

课 题： 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： 学 号： 姓 名： 指导教师： 设计日期： 成 绩： 自动化仪表与过程控制课程设计 一设计目的 自动化仪表与过程控制课程设计是电气工程专业一项重要的实践性教育环节，是学生在校期间必须接受的一项工程训练。以期通过该课程设计加强学生如下能力的培养： 1、提高学生对所学自动化仪表和过程控制的原理、结构、特性的认识和理解，加深对所学知识的巩固和融会贯通。 2、针对一个小型课题的设计开发，培养学生查阅参考书籍资料的自学能力，通过独立思考，学会分析问题的方法。 3、。 4、培养学生严谨的工作作风，相互合作的团队精神，提高其综合素质，获得初级工程应用经验，为将来从事专业工作建立基础。 、 1、查阅资料，深入掌握过程的工作原理及控制要求，绘制出生产过程工艺流程图。 2、设计控制方案。 (1) 根据对象特性及控制要求，完成控制变量的选择、控制结构选择、控制仪表选择等方案设计。 (2) 绘制完整的系统工艺流程图，按工程要求标注所有仪表和变量。 3、采用MATLAB/Simulink工具，完成系统仿真，验证以下内容： (1) 系统跟踪能力、抗干扰能力的仿真。 (2) 控制器参数整定过程。 4、节流装置和调节阀的计算。 根据工艺数据和有关计算方法进行计算，分别列出仪表数据表中调节阀及节流装置计算数据表与结果。 5、设计控制程序：反馈控制可采用PID控制，前馈控制可采用比例控制，被控过程可采用一阶惯性环节。 6、整个工程设计工作基本完成后，要对所有设计文件进行整理，并编制设计文件目录。并对设计思想、方案确定、仿真过程及结果分析，组态设计等作出说明；对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中的经验教训进行总结。 .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()。 图2-1 管式恒温控制系统原理图 1.2 控制参数与被控参数的选择 1.2.1 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。 1.2.2 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。 1.3 系统原理图及方框图 1.3.1 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 1.3.2 系统框图 控制系统框图如图 2-3所示 X(s) Y(s) 图2-3 控制系统框图 2 测量仪表的选择 2.1 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150 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。 2.2 调节阀的选择 2.2.1 调节阀的启开气关形式 气开是指当气压信号p0.02MPa时，阀由关闭状态逐渐打开；气关则相反，即当气压信号p0.02MPa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。 2.2.2 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