换热器温度控制系统

南华大学

过程控制仪表课程设计

设计题目换热器温度控制系统设计

学生姓名 XXXXXXXX 专业班级自动化0X X

学号 200944XXXXX 指导老师 XXXXXX

2012年6月25日

目录

引言 (3)

一、设计任务与方案分析 (4)

1.1 设计任务 (4)

1.2 方案分析 (4)

二、系统结构与框图 (5)

三、系统设计 (6)

3.1温度变送器选择 (6)

3.2执行器(调节阀)选择 (7)

3.3 调节器选择 (9)

四、系统组成 (12)

4.1 原件清单 (12)

4.2 系统配接图 (12)

五、总结 (13)

引言

换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。据统计，在现代石油化工企业中换热器投资约占装置建设总投资的 30%~40%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数40%。由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。化工生产中所指的换热器，常指间壁式换热器，它利用金属壁将冷、热两种流体间隔开，热流体将热传到避面的一侧（对流传热），通过间壁内的热传导，再由间壁的另一侧将热传递给冷流体，从而使热物流被冷却，冷物流被加热，满足化工生产中对冷物流或热物流温度的控制要求。

目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合。

一、设计任务与方案分析

1.1 设计任务

本文以用蒸汽液化给工艺介质加热为代表介绍换热器温度控制系统，针对工艺介质出口温度的主要干扰进行分析，并对扰动实施反馈控制以达到控制目的。具体要求为：变送器选择、执行器选择、控制器控制方案选择；仪表的工作原理及性能指标，仪表间的配接说明。

1.2 方案分析

简单控制系统是指那些只有一个被控量、一个操作量，只用一个控制器和一个调节阀所组成的控制回路。根据题目所提供的系统原理图，可知改系统只需用简单控制系统既能完成控制要求。

被控参数选择被加热物料出口温度，而不选冷物料为被控参数，只要是因为本系统主要干扰是冷物料流量的变化，若选冷物料入量为被控参数，扰动进入的位置离被控参数太近，干扰对被控参数的影响大，控制品质差。但若选择被加热物料出口温度为被控参数，蒸汽入量为控制参数，则可以使主要干扰进入系统的位置远离被控参数，从而干扰对被参数的影响不，提高了系统的控制品质。

控制参数选择蒸汽入量。若系统出现故障时，应立刻关闭蒸汽进入换热器，以免蒸汽进入过多，使温度过高，烧坏换热器。从系统整体来看，扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。因此，选蒸汽入量为控制参数。

综上所诉，选择简单控制系统作为换热器温度控制系统的方案。

二、系统结构及框图

反馈系统的工作原理是：根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。系统总体结构如图2-1所示。 图中，T θ为温度变送器，C θ为温度控制器。

图2-1 换热器温度控制系统

根据换热器温度控制系统划的系统框图，如图2-2所示。其中被控对象Gp(s)、控制阀Gv(s)、测量变送元件Gm(s)组合在一起成为广义被控对象；Gd(s)为干扰通道的传递函数；Gc(s)是控制器传递函数；R 为设定的温度值，Y 为换热器的实际温度值。

图2-2 控制系统框图

三、系统设计

3.1 温度变送器的选择

根据题目知，温度测量仪表的选择：由于系统对温度的要求不是很高，而系

统的温度范围也在0~100℃之内，则只需要一般的测温元件，故选择K型热电偶。

温度变送器仪表的选择：DDZ-Ⅲ类仪表相对于DDZ-Ⅱ类仪表的一个优点为

电流范围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，

所以应选择DDZ-Ⅲ型K型热电偶温度变送器——DZ-5130K型热电偶温度变送器。

图3-1 K型热电偶温度变送器

表1 DZ-5130的主要技术指标

供电电源：24VDC±10% 电源保护：具有反向保护

输出保护：输出短路无限制转换精度：±0.1~±0.5%F.S

温度漂移：±0.15% F.S/10℃隔离性能：输入/输出/电源全隔离

响应时间：≤0.1秒(0～90%F.S) 绝缘电阻：输入/输出/电源间>100 MΩ

环境温度：-10～55℃绝缘强度：输入/输出/电源间>1500V AC(1分钟) 环境湿度：0～90%RH不结露外壳：耐高温阻燃工程塑料

安装形式：DIN 导轨安装，导轨尺寸35mm

表2

产品型号表

图3-2 DZ-5130接线图

端子1、2为输入，3、4为补偿电阻，5、6为输出1~5VDC ，7、8为电源。

3.2 执行器(调节阀)的选择：

调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影

响是很大的。由于其结构较简单又较粗糙，所以往往不被人们所重视。实践证明，在过程控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。

通过调节阀的选择原则，及本系统的要求，阀门选择气动薄膜式单座直通阀，安装方式为气关，实物图如图3-4所示。为了与气动薄膜式单座直通阀相匹配，还需要选择一个阀门定位器，与之配套使用，电气阀门定位器的型号为HEP-17，主要技术指标为：

名称

基本型号

输入种类

输出种类

供电电源 输出制式

输入代码

输入信号

输出代码

输出信号

热电偶温度 变送器

DZ-5

1

K 型热电偶

3

4~20mADC

0 二线制非隔离型 C

1~5VDC

1 四线制全隔离型

(1)、精度：小于全行程±1%。

(2)、回差：小于全行程1%。

(3)、死区：小于全行程0.4%。

(4)、特性：线性(可改变成快开、等百分比特性)。

(5)、气源压力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。

(6)、最大流量：140NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。

(7)、耗气量：5NL/min(当气源压力在0.14MPa时)。

(8)、环境温度：-25℃～+55℃。

(9)、环境湿度：10-90%RH。

(10)、最大行程速度：4mm/秒(配ZH -22执行机构时)。

(11)、输入阻抗：250 Ω(4-20mADC) 100Ω(10-50mADC)。

(12)、电气连接：G1/2螺纹。

(13)、气管连接：卡套式气管接头(φ6或φ8)。

(14)、防爆(防护)型式(等级)：隔爆型d(Diibt6)，本质安全型 i(iaIICT6)

(15)外壳材料：铝合金喷朔工艺处理

(16)外形尺寸：392.5*141.5*231(mm)(长*宽*高)

(17)重量： 3.5kg

引线端子如图3-3所示。

如图3-3 电气阀门定位器的引线端子图

图3-4 气动薄膜直通单座调节阀

3.3调节器的选择：

一．调节器控制规律的选择：

调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e(t)进行比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。

比例控制规律(P)是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。在一般情况下控制质量较高，但有余差。此外，当过程惯性时延较大时，由于纯比例作用在起始段动作不够灵敏，因而超调量较大，同时加长了过渡过程时间，于是纯比例作用的应用受到了限制。对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的场合，可选用比例控制作用。

比例控制规律(P)的微分方程数学模型为：

()()p u t e t k =

比例积分(PI)控制规律，由于引入积分作用能消除余差，所以当过程容量较小，负荷变化较大，工艺要求无余差时，采用比例积分控制规律可以获得较好的控制质量。但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大的超调，可能出现持续振荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。通常对管道内的流量或压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。

比例积分(PI)控制规律的微分方程数学模型为：

1(){()()}

t

p u t e t e t d t Ti k =+?

比例微分(PD)控制规律，由于引入微分，具有超前作用，对于被控过程具有较大容量时延的场合，会大大改善系统的控制质量。但是对于时延很小，扰动频繁的系统，由于微分作用会使系统产生振荡，严重时会使系统发生事故，所以应尽可能不用微分作用。

比例微分(PD)控制规律的微分方程数学模型为： ()

(){()}d

p de t u t e t dt

k T =+ 比例积分微分(PID)作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不同的过程特性。当要求控制质量较高时，可选用这种控制作用的调节器。

比例积分微分(PID)控制规律的微分方程数学模型为：

01()

(){()()}t d p de t u t e t e t dt Ti dt

k T =+

+? 其中：()u t ：为调节器的输出号 p

k ：放大倍数 i

T ：积分时间常数

d

T

：微分时间常数

()e t ：设定值与测量值偏差信号

通过以上几种调节规律的分析及本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性，为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分微分(PID)控制规律。 二．调节器正反作用的选择：

调节器有正作用和反作用调节器两种。调节器正、反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式有关。被控过程的特性也分正、反两种。即当被控过程的输入量增加(或减小)时，其输出(被控参数)亦增加(或减小)，此时称此被控过程为正作用；反之，当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称此过程为反作用。 三、调节器的选型

由于已经选用DDZ-Ⅲ型变送器，所以调节器也选用DDZ-Ⅲ的，选DTZ-2100D 。它是全刻度指示调节器，是DDZ-III 系列仪表中调节单元的基型品种，它接受变送器经信号分配器送来的信号征收给定信号进行比较，对其差值进行比例、积分、

微分运算，以电流输出控制执行机构。主要技术指标为：

输入信号： 1-5VDC

给定方式：内给定1-5DVC

外给定4-20mDVC(250Ω±0.1%)

输出信号： 4-20mADC

闭环跟踪误差： <±0.5%

负载电阻： 205Ω-750Ω

功能：自动/手动，非平衡无扰动切换

调节动作： PD；PI；PID

比例带：(P)2%-500%

积分时间：(Ti)0.01分-2.5分和0.1分-25分两档(开关切换) 微分时间：(TD)关、0.04分-10分(开关切换)

微分增益： KD=10

工作环境：环境温度： 0-50℃；相对湿度：≤85%(RH) 电源电压： 24VAC±10%

功耗： 3W

重量： 3kg

图3-5 DTZ-2100D引线端子图

图3-6 DTZ-2100D实物图

四、系统组成

4.1 原件清单

表3 控制系统仪表元件清单

名称

数量

名称 数量 K 型热电偶温度传感器 1 DTZ-2100D 调节器 1 DZ-5130K 型热电偶温度变送

器

1

气动薄膜式直通单座阀门

1

HEP-17电气阀门定位器

1

4.2 系统配接图

图4-1 控制系统的配接图

五、总结

本次课设是换热器温度控制系统，主要作用是实现以冷物料的加热，因此用单回路闭环系统就可实现对换热器出口温度控制。但同冷物料流量不稳定，是本系统的最主要扰动，为了克服冷物料流量变化对被控参数的影响，在单回路闭环系统的基础上加入前馈控制，构成前馈-反馈系统，这样就能克服主要扰动(冷物料流量Q)的影响，而其他扰动如，冷物料的初温、蒸汽压力波动等，单回路闭环系统自己又可以克服，因此本系统基本满足要求。

课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此过程控制课程设计，我仍感慨颇多，的确，从老师发下题目，到完成，这些天过得，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。虽然这已经不是第一次作课设了，但在设计的过程还是遇到很多困难，毕竟过程控制这门是理论与实际相结合十分紧密的，书本上的理论和实际应用中还是有很大区别的。但是通过查阅大量书籍及在网上搜到的有关知识，基础上解决了一些遇到的难题，通过几天紧张的忙碌，对过程控制这门课有了更深的了解，对上课中老师所的串级系统、前馈-反馈系统等，有了进一步了解，同时对各种不同系统选用什么样的变送器，控制器、调节器有了进一步的理解。总之，这次课程设计终于顺利完成了，但是自己所设计的系统中还存在不少缺点和不足，希望老师给予指正。

参考文献

[1] 黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统.第一版.北京:清华大学出版

社,2011.

[2] 周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.第一版.北京:化学工业出版社,2012.

[3] 张宏建.自动检测技术与装置.北京:化学工业出版社,2010.

[4] 李铁苍.热力过程自动化 .北京：中国电力出版社，2006

[5] 张井岗.过程控制与自动化仪表.北京：北京大学出版社，2007