石油裂解氣溫度自動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 本科生課程設(shè)計（論文）· 摘要本設(shè)計是石油裂解氣溫度控制系統(tǒng)，以AT89C51單片機作為主控元件，采用單回路控制，運用PID算法，通過外圍硬件電路和軟件程序從而實現(xiàn)了石油裂解氣溫度的穩(wěn)定控制。該溫度控制系統(tǒng)由溫度信號檢測電路、變送單元、單片機控制系統(tǒng)和執(zhí)行裝置等結(jié)構(gòu)組成，通過各種電路和裝置完成對溫度信號的檢測、變送和運算處理功能，并經(jīng)氣動執(zhí)行裝置作用于實際生產(chǎn)，從而使溫度控制系統(tǒng)穩(wěn)定在預(yù)定的范圍內(nèi)工作。由于采用單片機控制，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實用的特點。關(guān)鍵詞：溫度控制 單回路控制系統(tǒng) 過程控制 · 目錄·摘要I·目錄II第1章緒論11.1溫度控制

2、系統(tǒng)的發(fā)展狀況11.2設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的意義及相關(guān)技術(shù)指標1·第2章 課程設(shè)計的方案22.1概述22.2控制器的選型32.3傳感器的選型32.4變送器選型32.5執(zhí)行器選型42.6最優(yōu)方案5·第3章 硬件電路設(shè)計53.1 電源電路設(shè)計53.2 復(fù)位電路53.3時鐘電路63.4 A/D轉(zhuǎn)換電路63.5采樣檢測電路設(shè)計73.6 D/A轉(zhuǎn)換電路7·第4章 軟件設(shè)計84.1 程序流程圖84.2 PID算法子程序9·第5章 系統(tǒng)測試仿真與參數(shù)整定11·第6章 課程設(shè)計總結(jié)12·參考文獻1315第1章 緒論1.1溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況隨著科技的發(fā)

3、展，近年來我國以信息化帶動的工業(yè)化正在蓬勃發(fā)展，溫度已成為工業(yè)控制對象中一種重要的參數(shù)，特別是在冶金，化工，機械等各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐和液態(tài)丙烯氣化等方式實現(xiàn)溫度的恒定控制。對于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的處理方式和控制方案也有所不同。處理方式一般有加熱和冷卻兩種，控制方案一般有PID控制，直接數(shù)字控制（DDC），推斷控制，預(yù)測控制，模糊控制（Fuzzy），專家控制(Expert Control)，魯棒控制（Robust Control），推理控制等。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足高精度、高速度的控制要求。如接觸器溫度控制儀表，其主要缺點

4、是溫度波動范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。對于控制系統(tǒng)而言，單回路控制系統(tǒng)由一個控制器完成，具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計和使用方便的特點，而串級控制系統(tǒng)由兩個串接工作的控制器構(gòu)成，主要應(yīng)用于對象的滯后和時間常數(shù)很大、干擾作用強而頻繁、負荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高的場合。1.2設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的意義及相關(guān)技術(shù)指標

5、化工的生產(chǎn)需要在既定的穩(wěn)定溫度下才能持續(xù)的進行。當溫度過高時，可能引起原料的反應(yīng)過于劇烈，使生產(chǎn)不易控制甚至可能導(dǎo)致爆炸的危險，并且持續(xù)的過高溫度也會導(dǎo)致系統(tǒng)裝置的快速老化。而當溫度過低時，原料的化學(xué)反應(yīng)可能會不充分，從而導(dǎo)致原材料的大量浪費，因此為使生產(chǎn)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的工作，有必要使生產(chǎn)溫度穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)。本次過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計為石油裂解氣溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，通過液態(tài)丙烯的氣化來吸收熱量，以保持裂解氣出口溫度的穩(wěn)定。該溫度控制系統(tǒng)技術(shù)指標如下：測量范圍：0300，控制溫度：220±1，最大偏差：5· 第2章 課程設(shè)計的方案2.1概述本次設(shè)計主要是綜合過程控制系統(tǒng)知識，設(shè)

6、計石油裂解氣溫度控制系統(tǒng)，并在實踐的基本技能方面進行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“過程控制系統(tǒng)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。應(yīng)用場合：化工生產(chǎn)過程中的石油裂解氣溫度控制系統(tǒng)功能介紹：通過傳感器，變送器，控制器和執(zhí)行器等部件構(gòu)成一個溫度控制系統(tǒng)，能使系統(tǒng)溫度控制在220±1且最大偏差不超過5。本設(shè)計采用單回路控制系統(tǒng)即可滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)方框圖如2.1圖所示。圖2.1系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2控制器的選型常用控制器有單片機，PLC等PLC具有可靠性，易操作性和靈活性等特點，常用于控制性能要求穩(wěn)定且精度較

7、高的場合。單片機控制簡單易于實現(xiàn)，且具有成本低等優(yōu)點。根據(jù)分析，本設(shè)計為簡單溫度控制，選用單片機就能實現(xiàn)其控制功能，經(jīng)濟實用。本設(shè)計的單片機選用Atmel 公司的AT89C51 單片機，采用雙列直插封裝（DIP），有40個引腳與MCS51 系列單片機的指令和引腳設(shè)置兼容。2.3傳感器的選型（1）鐵-銅鎳熱電偶（J型熱電偶）又稱鐵-康銅熱電偶，是一種價格低廉的廉金屬的熱電偶。它的正極（JP）的名義化學(xué)成分為純鐵，負極（JN）為銅鎳合金，鐵-康銅熱電偶的覆蓋測量溫區(qū)為-2001200，但通常使用的溫度范圍為0750 。J型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等

8、優(yōu)點,廣為用戶所采用。 J型熱電偶可用于真空，氧化，還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制。（2）AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。AD590的測溫范圍為-55+150。電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流變化1mA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出電阻為710MW且具有精度高的特點。（3）熱電阻的測溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。其優(yōu)點很多，可以遠傳電信號，

9、靈敏度高，穩(wěn)定性強，互換性以及準確性都比較好，需要電源激勵，不能夠瞬時測量溫度的變化。工業(yè)用熱電阻一般采用Pt100，鉑熱電阻的測溫的范圍一般為-200800，銅熱電阻為零下40到140。 熱電偶、AD590及熱電阻相比較而言，AD590精度最高但不滿足設(shè)計測溫要求，熱電阻適合于測量低溫（一般為800以下），熱電偶適合于測量高溫（一般為800以上），熱電阻使用方便且價格一般較熱電偶便宜。 經(jīng)分析采用鉑熱電阻Pt100即可滿足設(shè)計要求。2.4變送器選型為了使系統(tǒng)具有很好的可控性，本設(shè)計選用智能溫度變送器。常用的智能溫度變送器為STT3000/250系列，其特性為多協(xié)議輸出，可以直接代替當今使用的

10、任何傳統(tǒng)的或智能的溫度變送器。它儲存有常用的溫度傳感器的特征曲線， 用戶可以使用手持通訊器或智能組態(tài)工具對各種溫度傳感器的變送器進行組態(tài)，并自動修正其非線性。只需選擇傳感器類型和量程即可實現(xiàn)期望的精度。對量程上下限溫度值的校驗?zāi)苁咕忍岣邇杀?，給傳感器施加上限或下限溫度，或模擬已知數(shù)據(jù)對傳感器進行校驗,可消除傳感器的誤差。典型應(yīng)用場合為電力、冶金、石油化工、水處理、制藥、造紙、食品及煙草等，其實物圖形如圖2.3所示：圖2.3STT3000/250系列智能溫度變送器實物圖2.5執(zhí)行器選型執(zhí)行器按其能源形式分為氣動，電動和液動三大類，它們各有特點，適用于不同的場合。對于石油化工等重要的場合應(yīng)選擇氣

11、動執(zhí)行器，以免引起電火花。 常用氣動執(zhí)行器為GT系列閥門氣動裝置。GT系列閥門氣動裝置是新研制的輸出軸回轉(zhuǎn)角為90°的部分回轉(zhuǎn)型氣動執(zhí)行裝置。它可以與球閥、蝶閥等閥門組合成氣動閥門，也適用于需90°回轉(zhuǎn)運動的其它機械裝置。該產(chǎn)品可以實現(xiàn)連續(xù)動作控制（自動調(diào)節(jié)控制）。用戶可根據(jù)實際需要進行選擇。其特性為相同規(guī)格有雙作用式、單作用式（彈簧復(fù)位），有正、反作用功能，移動速度大，輸出力與操作壓力有關(guān)，可靠性高，檢修維護簡單，對環(huán)境的適應(yīng)性好，特殊的腐蝕環(huán)境可采用不銹鋼外殼，輸出功率較大，具有防爆功能，其實物圖形如圖2.4所示：   圖2.4GT系列氣動執(zhí)行器實物

12、圖2.6最優(yōu)方案本設(shè)計以單片機作為控制器，選用鉑熱電阻Pt100為溫度傳感器，選用STT3000/250系列智能溫度變送器，以GT系列氣動執(zhí)行器作為執(zhí)行器，構(gòu)成一個單回路控制系統(tǒng)，從而達到溫度控制的目的。· 第3章 硬件電路設(shè)計3.1 電源電路設(shè)計由220V交流電供電，經(jīng)過橋式整流，電容濾波，然后與三端穩(wěn)壓器件LM7805連接使電壓穩(wěn)定在5V給單片機供電，其電路圖如圖3.1所示；圖 3.1電源電路3.2 復(fù)位電路單片機的復(fù)位是靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要RST 引腳上出現(xiàn)兩個機器周期時間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位。為了保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，一般使RESE

13、T 引腳保持10ms 以上的高電平，單片機就能實現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(開關(guān))復(fù)位。本系統(tǒng)采用手動復(fù)位方式，復(fù)位電路如圖3.2所示。圖3.2復(fù)位電路3.3時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種操作的時間基準。AT89C51 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1（X1）和XTAL2（X2）分別是此放大電器的輸入端和輸出端。該反向放大器可配置為內(nèi)部振蕩。在其外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，時鐘電路如圖2.4所示。圖3.3時鐘電路3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809轉(zhuǎn)換器。將采集來的模擬信號轉(zhuǎn)換成

14、數(shù)字信號輸出轉(zhuǎn)換完成的信號EOC經(jīng)反相器接單片機的P3.2口，A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2.2所示。圖3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路3.5采樣檢測電路設(shè)計為了達到測量高精度的要求,選用鉑熱電阻溫度傳感器和超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度一電壓信號進行放大,便于A/D進行轉(zhuǎn)換,以提高溫度采集電路的可靠性。采樣檢測電路如圖2.1示。圖3.5測電路3.6 D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832作為轉(zhuǎn)換器，將單片機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化模擬信號來給執(zhí)行器作為激勵信號，進而控制執(zhí)行器的開度，達到溫度控制的目的。D/A轉(zhuǎn)換電路如圖3.6所示：開始初始化采集溫度信號e=0 ？調(diào)用PID控制程序NY輸出信號結(jié)束輸

15、出執(zhí)行器計算偏差e圖3.6 D/A轉(zhuǎn)換電路· 第4章 軟件設(shè)計4.1 程序流程圖單片機控制主程序流程圖如圖4.1所示圖4.1主程序流程圖4.2 PID算法子程序本次設(shè)計采用增量式PID控制算法，來實現(xiàn)溫度控制。增量式PID控制算法公式如下：uk=uk-uk-1=Kpek-ek-1+TTiek+Tdek-2ek-1+ek-2T =Kp1+TdT+TTiek-Kp1+2TdTek-1+KpTdTek-2 (4-1)其子程序流程圖如圖4.2所示：圖1.2溫度控制算法程序子程序入口計算ek=r-y ek=r-y eeek=r-y計算 Kp1+TdT+TTiek計算 Kp1+2TdTek-1計

16、算KpTdTek-2計算uk子程序返回溫度控制算法程序如下：/*PID Function The PID (比例、積分、微分) function is used in mainly control applications.PIDCalc performs one iteration of the PID algorithm. While the PID function works, main is just a dummy program showing a typical usage. */ typedef struct PID int SetPoint; /設(shè)定目標 Desired V

17、alue long SumError; /誤差累計 double Proportion; /比例常數(shù) Proportional Const double Integral; /積分常數(shù) Integral Const double Derivative; /微分常數(shù) Derivative Const int LastError; /Error-1 int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID; static PID *sptr = &sPID; /*PID程序初始化*/void IncPIDInit(void) sptr->SumError

18、 = 0; sptr->LastError = 0; /Error-1 sptr->PrevError = 0; /Error-2 sptr->Proportion = 0; /比例常數(shù) Proportional Const sptr->Integral = 0; /積分常數(shù)Integral Const sptr->Derivative = 0; /微分常數(shù) Derivative Const sptr->SetPoint = 0; /*增量式PID計算部分 */ int IncPIDCalc(int NextPoint) register int iErro

19、r, iIncpid; /當前誤差 iError = sptr->SetPoint - NextPoint; /增量計算 iIncpid = sptr->Proportion * iError /Ek項 - sptr->Integral * sptr->LastError /Ek1項 + sptr->Derivative * sptr->PrevError; /Ek2項 /存儲誤差，用于下次計算 sptr->PrevError = sptr->LastError; sptr->LastError = iError; /返回增量值 return(iIncpid); · 第5章 系統(tǒng)測試仿真與參數(shù)整定根據(jù)系統(tǒng)原理連接好單回路控制系統(tǒng)的電路，先接通電源，然后打開MCGS組態(tài)控制界面，開始對系統(tǒng)進行測試，測試的過程也就是參數(shù)整定的過程，在測試過程中不斷地調(diào)整比例度、積分時間、微分時間等參數(shù)，直到得到滿意的響應(yīng)曲線為止。通過不斷地測試，最終得到了如圖5.1所示的響應(yīng)曲線，溫度逐漸穩(wěn)定在預(yù)定的狀態(tài)。獲得的參數(shù)為：比例度P=0.