【正文】 I 過程控制系統(tǒng)與裝置 課程設(shè)計（論文） 題目： 換熱器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 II 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：測控技術(shù)與儀器 學(xué) 號 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 課程設(shè)計（論 文）題 目 換熱器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 課程設(shè)計（論文）任務(wù) 在某生產(chǎn)過程中，冷物料通過熱交換器用熱水（工業(yè)廢水）和蒸汽對其進行加熱，工藝要求出口溫度為 140177。 2℃。當(dāng)用熱水加熱不能滿足出口溫度要求時，則在同時使用蒸氣加熱，試設(shè)計 換熱器溫度控制系統(tǒng)。 : 測量范圍： 0180℃ 控制溫度： 140177。 2℃ 最大偏差： 5℃； : 確定控制方案并繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖； 選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號； 確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式； 若設(shè)計由計算機實現(xiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)給出系統(tǒng)硬件電氣連接圖及程序流程圖； 編寫設(shè)計說明書。 III 指導(dǎo)教師評語及成績 成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 目 錄 第 1 章 換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計概述 ................................................................................ V 第 2 章 換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案論證 .......................................................................... V 第 3 章 系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計 ................................................................................................................ X 溫度傳感器的選擇 ................................................... X 流量變送器的選擇 .................................................. XI 調(diào)節(jié)器的選擇 ..................................................... XII IV 執(zhí)行器的選擇 ..................................................... XIV 變送器的選擇 ..................................................... XVI 調(diào)節(jié)閥的選擇 ..................................................... XIX 第 4 章 系統(tǒng)性能分析 ............................................................................................................ XIX 參數(shù)整定 .......................................................... XIX .................................................. XXII 第 5 章 課程設(shè)計總結(jié) ..........................................................................................................XXIV 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................XXVI V 第 1 章 換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計概述 換熱器的應(yīng)用廣泛，比如中央空調(diào)系統(tǒng)，機械潤滑油冷卻系統(tǒng)，制藥消毒系統(tǒng)，飲料行業(yè)消毒系統(tǒng)，船用冷卻，化工行業(yè)特殊介質(zhì)冷卻系統(tǒng)日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機裝置中的凝汽器和航 天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。 近幾年來，我國在節(jié)能方面雖然已取得很大的成績，但能源的供應(yīng)矛盾依然十分尖銳。我國的能源利用率很低，只有 28%左右。由此可見，我國在節(jié)能方面存在著很大的潛力。 換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩個方面 :一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器的效率，顯然可以減少能源的消耗，同時，提高換熱器的控制效果，也可以充分滿足工業(yè)生產(chǎn)對于溫度的需求，顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量 。另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著的提高設(shè)備的熱效率。因此，換熱器的正確使用、合理設(shè)計、控制性能改善等對能源有效利用及開發(fā)有著十分重要意義。 第 2 章 換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案論證 根據(jù)題目要求并通過檢閱大量，因為該系統(tǒng)有兩個調(diào)節(jié)閥分別控制熱水流量和蒸汽流量，很顯然本系統(tǒng)選擇分程控制系統(tǒng)。分程控制系統(tǒng) VI 是根據(jù)工藝要求，需將調(diào)節(jié)器的輸出信號分段，去控制兩個或兩個以上的調(diào)節(jié)閥，以便使每個調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)器輸出的某段信號范圍內(nèi)做全行程動作。下圖所示以換熱器出口的熱 物料溫度為被控參數(shù)、以蒸汽流量和冷物料的流量為控制變量的分程控制變量的分程控制系統(tǒng)，利用 A、 B兩臺調(diào)節(jié)閥分別控制蒸汽流量和熱水流量兩種不同介質(zhì)，以滿足生產(chǎn)工藝對冷卻和加熱不同的需求。系統(tǒng)的流程圖和框圖如下所示： 圖 分程控制流程圖 換熱器 TT TC 冷凝水 熱物料 冷物料 蒸汽 A B 熱水 氣關(guān)閥 氣開閥 VII 圖 分程控制系統(tǒng)框圖 但當(dāng)選擇分程系統(tǒng)的類型的時候發(fā)現(xiàn)有兩種系統(tǒng)可以選擇。 方案一 選擇調(diào)節(jié)閥同向動作的分程控制系統(tǒng)。其中被加熱物料出口溫度為被控參數(shù)、蒸汽 入量和熱水入量為控制參數(shù)， A 閥控制熱水流量， B 閥控制蒸汽流量， A、 B 都使用氣關(guān)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出信號從 增大時，閥門 B 完全打開，閥門 A 由全開狀態(tài)開始關(guān)閉；當(dāng)信號達(dá)到 時，閥門 A 完全關(guān)閉，而閥門 B 則由全開狀態(tài)開始關(guān)閉；當(dāng)信號達(dá)到 時，閥門 B 也完全關(guān)閉。分程曲線如下所示： ? ?cGS ? ?vGAS ? ?vGB S ? ?mGS ? ?oGS VIII 圖 調(diào)節(jié)閥同向動作分程關(guān)系曲線 方案二 選擇調(diào)節(jié)閥異向動作的分程控制系統(tǒng)。其中被加熱物料出口溫度為被控參數(shù)、蒸汽入量和熱水入量為控制參數(shù)， A 閥控制 熱水流量， B 閥控制蒸汽流量，其中調(diào)節(jié)閥 A 為氣開式、調(diào)節(jié)閥 B 為氣關(guān)式。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出信號從 增大時，閥 B 全開、閥 A 逐漸打開；當(dāng)信號增大到 ，閥 A 完全打開，同時閥 B 開始關(guān)閉；當(dāng)信號達(dá)到 時，閥 B 完全關(guān)閉。分程曲線如下所示： 0 100 A 閥 B 閥 A 閥 B 閥 閥門開度（％） 調(diào)節(jié)器輸出信號 /MPa IX 圖 調(diào)節(jié)閥異向動作分程關(guān)系曲線 以上兩個方案都可以實現(xiàn)對換熱器的控制，方案一使用的分程控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用很廣泛，應(yīng)用形式也比較多，一般用于擴大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍，改善調(diào)節(jié)閥的工作特性；用于同一被控參數(shù)兩 個不同介質(zhì)的生產(chǎn)過程。選擇方案一時，當(dāng)物料出口溫度過低時，閥門 A、閥門 B 都全開，使冷物料溫度得到很快提升，但當(dāng)物料溫度升高時，閥門 A、閥門 B 都完全關(guān)閉，物料出口溫度又快速下降。選擇方案二時，當(dāng)物料出口溫度過低時，蒸汽閥門 B 全開，閥門 A 全閉，使物料溫度升高，當(dāng)出口溫度過高時，閥門 B 關(guān)閉，閥門 A 全開。雖然方案二的溫度調(diào)整速度沒有方案一快，但比較穩(wěn)定。 綜上所述，調(diào)節(jié)閥異向動作系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠應(yīng)對頻繁而劇烈的0 100 A 閥 B 閥 A 閥 B 閥 閥門開度（％） 調(diào)節(jié)器輸出信號 /MPa X 干擾，適用于對被控參數(shù)的精度要求較高的場合，所以本設(shè)計采用調(diào)節(jié)閥異向動作系統(tǒng)。 第 3 章 系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計 溫度傳感器的選擇 根據(jù)本系統(tǒng)技術(shù)要求測量范圍在 0 180C? ，控制溫度在 140 2C?? ，因此選用 100Pt 、熱電偶一體化溫度變送器 。 100Pt 、熱電偶一體化溫度變送器測溫探頭采 100Pt 鉑電阻 J 、 K 、E 、熱電偶，精度高 ,穩(wěn)定性好 、 集傳感變送于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便 ,精度高、功耗低 電流輸出型適合長距離傳送 ,抗電磁干擾電路設(shè)計，保證變送器在受到各種干擾下能夠安全可靠的工作，適于現(xiàn)代電磁污染嚴(yán)重的環(huán)境使用，整體密封性能良好 ， 溫度量程和外形尺寸可以按戶要求訂貨 ,靈活方便 、 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，過程連接接口靈活方便，體積小，重量輕，安裝位置任意、殼體保護材料多樣化，適應(yīng)多種介質(zhì)測量 。 Pt100、熱電偶一體化溫度變送器 主要技術(shù)指標(biāo)： 溫度測量范圍： 0 300 C? 輸出信號： 4 20mA 、 05V 負(fù)載電阻： 500?? 供電電源： 24VDC 功耗： 1W? 基本誤差： ％～ ％ FS XI 流量變送器的選擇 經(jīng)過對本系統(tǒng)的分析及主要性能指標(biāo) ，選用 LWC 插入式渦輪流量計 ，型號為 LWC 插入式。 LWC 插入式渦輪流量計的特點： 壓力損失小，葉輪具有防腐功能 ，采用先進的超低功耗單片微機技術(shù)，整機功能強、功耗低、性能優(yōu)越。具有非線性精度補償功能的智能流量顯示器。修正公式精度優(yōu)于 177。% 儀表系數(shù)可由按鍵在線設(shè)置，并可顯示在 LCD 屏上， LCD 屏直觀清晰，可靠性強。采用 EEPROM 對累積流量、儀表系數(shù)掉電保護，保護時間大于 10 年 。 采用高性能 MCU 中央處理器，完成數(shù)據(jù)采集處理顯示輸出、累積流量瞬時流量同屏顯示方便的人機界面實現(xiàn)， 以標(biāo)準(zhǔn) 485 形式進行數(shù)據(jù)傳輸。采用全硬質(zhì)合金（碳化鎢）屏蔽式懸臂梁結(jié)構(gòu)軸承，集轉(zhuǎn)動軸承與壓力軸承于一體，大大提高了軸承壽命，并可在有少量泥沙與污物的介質(zhì)中工作。采用 1 18 9Cr Ni Ti 全不銹鋼結(jié)構(gòu)，（渦輪采用 2 13Cr ）防腐性能好 。 容易維修，有自整流的結(jié)構(gòu)，小型輕巧，結(jié)構(gòu)簡單，可在短時間內(nèi)將其組合拆開，內(nèi)部清洗簡單。有較強抗磁干擾和振動能力、性能可靠、壽命長 。 下限流速低 ,測量范圍寬，現(xiàn)場顯示型液晶屏顯示清晰直觀，功耗低， 3V 鋰電池供電可連續(xù)運行 5 年以上，耐腐蝕，適用于酸堿溶液 。 XII 調(diào)節(jié)器的選擇 、副調(diào)節(jié)器正反作用選擇。 串級控制系統(tǒng)主、副控制器正反作用的選擇應(yīng)滿足負(fù)反饋的控制要求。因此， 對主環(huán)和副環(huán)都必須使總開環(huán)增益為正。一般選擇邏輯推理法。 因為儀表制造行業(yè)與控制理 論對偏差的定義正好相反，為了避免混淆，這里不用偏差而用測量值與調(diào)節(jié)器輸出關(guān)系來定義調(diào)節(jié)器的正反作用。具體定義為：若測量信號增加（隱含的假定是：設(shè)定值不變）調(diào)節(jié)器的比例作用的輸出也增加的稱正作用，否則為反作用。 對于串級系統(tǒng)，因為主、副回路都可以看成是一個單回路，所以要確定串級系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的正反作用步驟為：①首先根據(jù)生產(chǎn)安全要求，確定調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)形式；②再確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用；③最后確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。 對于圖 所示的 串級控制系統(tǒng) ，其控制器正反作用的選擇步驟如下。 對副回路 ① 為保證調(diào)節(jié)閥出故障時，生產(chǎn)處于安全狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥。 ② 設(shè)干擾使氨氣流量增加，即調(diào)節(jié)器測量值大于給定值，為保