燃燒式工業(yè)窯爐溫度比值控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 題 目： 燃燒式工業(yè)窯爐溫度比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 職稱: 職稱: 職稱: 2012 年1 月 4 日 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 2011/2012 學(xué)年第 1 學(xué)期學(xué) 院： 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 課程設(shè)計(jì)題目：燃燒式工業(yè)窯爐溫度比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 起 迄 日 期： 2011年12月19日2012 年1月5日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 指 導(dǎo) 教 師： 系 主 任： 下達(dá)任務(wù)書日期: 2011年12月19日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書1設(shè)計(jì)目的：

2、（1）培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用過程檢測儀表與控制技術(shù)及其他相關(guān)課程的知識(shí)，結(jié)合畢業(yè)實(shí)習(xí)中學(xué)到的實(shí)踐知識(shí)，獨(dú)立地分析和解決實(shí)際過程控制的問題，初步具備設(shè)計(jì)一個(gè)過程控制系統(tǒng)的能力。 （2）運(yùn)用工程的方法，通過一個(gè)簡單課題的設(shè)計(jì)練習(xí)，可使學(xué)生初步體驗(yàn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法。（3）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造力；綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程技術(shù)問題的能力；（4）培養(yǎng)查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；（5）培養(yǎng)編寫技術(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：經(jīng)過過程檢測儀表與控制課程的學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)后，對(duì)現(xiàn)場的實(shí)

3、際過程控制策略、實(shí)際環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)有了一定的認(rèn)識(shí)和了解。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中的被控對(duì)象（控制裝置），獨(dú)立完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，達(dá)到較好的控制效果。1. 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構(gòu)成方式，給出控制流程圖；2. 現(xiàn)場儀表選型，編制有關(guān)儀表信息的設(shè)計(jì)文件；3. 給出控制系統(tǒng)方框圖；4. 分析被控對(duì)象特性，選擇控制算法；5. 進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能；6. 寫出設(shè)計(jì)工作小結(jié)。對(duì)在完成以上設(shè)計(jì)過程所進(jìn)行的有關(guān)步驟：如設(shè)計(jì) 思想、指標(biāo)論證、方案確定、參數(shù)計(jì)算、元器件選擇、原理分析等作出說明，并對(duì)所完成的設(shè)計(jì)作出評(píng)價(jià)，對(duì)自己整個(gè)設(shè)計(jì)工作中經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，總結(jié)收獲。

4、3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書(論文)、圖紙、實(shí)物樣品等：1確定系統(tǒng)整體控制方案、儀表選型、系統(tǒng)控制流程圖、選擇控制算法。2撰寫課程設(shè)計(jì)說明書一份（A4紙）。4主要參考文獻(xiàn)：1過程裝備控制技術(shù)及其應(yīng)用 王毅 主編 化學(xué)工業(yè)出版社2過程自動(dòng)化及儀表 俞金壽 主編 化學(xué)工業(yè)出版社 3工業(yè)過程控制工程 王樹青 主編 化學(xué)工業(yè)出版社4控制儀表及裝置 吳勤勤 主編 化學(xué)工業(yè)出版社5過程控制儀表 徐春山 主編 冶金工業(yè)出版社6過程裝備成套技術(shù)設(shè)計(jì)指南工程 黃振仁 主編 化學(xué)工業(yè)出版社7過程控制裝置 張永德 主編 化學(xué)工業(yè)出版社8化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) 匡國柱 主編 化學(xué)工業(yè)出版社9

5、化工設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)手冊（上、下） 朱有庭 主編 化學(xué)工業(yè)出版社10工業(yè)過程檢測與控制 孟華 主編 化學(xué)工業(yè)出版社5設(shè)計(jì)成果形式及要求：提供課程設(shè)計(jì)說明書一份，要求內(nèi)容與設(shè)計(jì)過程相符，且格式要符合規(guī)定要求；系統(tǒng)控制流程圖一份；6工作計(jì)劃及進(jìn)度：2011年12月19日 - 12月21日 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構(gòu)成方式，畫出控制流程圖，完成儀表選型，接線圖； 12月22日 - 12月25日 控制系統(tǒng)方框圖，分析被控對(duì)象特性，選擇控制算法；12月26日-12月28日 進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能；12月29日-12月31日 編寫課程設(shè)計(jì)說明書1月4 日 答辯系主任審查意見： 簽字：

6、年 月 日目 錄1 概述 72 被控對(duì)象特性的研究 72.1 被控變量的選擇 82.2 操縱變量的選擇 82.3 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述 83 燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制原理及控制方案的確立 94 過程檢測儀表的選用 104.1 測溫元件及溫度變送器 104.2 執(zhí)行器 114.3 調(diào)節(jié)器 125 參數(shù)整定 126 實(shí)驗(yàn)仿真 137 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 178 參考文獻(xiàn) 171.概述燃燒式工業(yè)窯爐是用耐火材料砌成的用以煅燒物料或燒成制品的設(shè)備，一般大型窯爐燃料多為重油，輕柴油或煤氣、天然氣。窯爐通常由窯室、燃燒設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備，輸送設(shè)備等四部分組成。窯爐大致分為 箱式、井式、梭式、網(wǎng)帶式、回轉(zhuǎn)式、窯車式、推板

7、式隧道電阻爐、真空爐、氣體保護(hù)爐、超高溫管式推板爐（碳管爐）、鎢鉬粉焙燒爐、還原爐等各種高、中、低溫工業(yè)窯爐，工作溫度2002500?？捎糜赯nO壓敏電阻器、避雷器閥片、結(jié)構(gòu)陶瓷、紡織陶瓷、PTC&NTC熱敏電阻器、電子陶瓷濾波器、片式電容、瓷介電容、厚膜電路、片式電阻、磁性材料、粉末冶金、電子粉體、稀土化工、聚焦電位器、陶瓷基板、高鋁陶瓷及其金屬化，觸頭材料、硬質(zhì)合金材料、鎢鉬材料等的燒成。本次課程設(shè)計(jì)是要完成燃燒式工業(yè)窯爐溫度定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用的是比值控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上參數(shù)符合一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。通常以保持兩種或幾種物料的流量為一定比例關(guān)系的系

8、統(tǒng)，稱之流量比值控制系統(tǒng)。比值控制系統(tǒng)可分為：開環(huán)比值控制系統(tǒng)，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，變比值控制系統(tǒng)，串級(jí)和比值控制組合的系統(tǒng)等。在本次設(shè)計(jì)中，窯爐以甲烷作為燃料。空氣和甲烷分別通入爐內(nèi)進(jìn)行燃燒。甲烷充分燃燒的方程式為，空氣中含氧量約為20%。所以可以得出空氣的流量是甲烷的10倍就可以保證甲烷充分燃燒。假設(shè)空氣供應(yīng)充足，大氣壓恒定。所以采用開環(huán)比值控制系統(tǒng)。在本次課程設(shè)計(jì)中，為了簡化系統(tǒng)模型、便于分析，采用如下假設(shè)：1、燃料為天然氣，被加熱的介質(zhì)為陶瓷，陶瓷的厚度為7厘米2、窯爐為絕熱爐，廢渣不帶走熱量2.被控對(duì)象特性的研究燃燒式工業(yè)窯爐是用耐火材料砌成的用以煅燒物料或燒成制

9、品的設(shè)備，其工作原理為燃料進(jìn)入爐內(nèi)燃燒，其發(fā)出的熱量一部分被被加熱介質(zhì)所吸收，另一部分用于維持爐內(nèi)整個(gè)環(huán)境的溫度。為了滿足工藝的需要，必須使?fàn)t內(nèi)溫度維持在一定的范圍內(nèi)。影響爐內(nèi)溫度最主要的因素為燃料的進(jìn)料流量，因此可以通過控制燃料的進(jìn)料流量來控制爐內(nèi)的溫度。2.1被控變量的選擇被控變量是生產(chǎn)過程中希望保持在定值獲按一定規(guī)律變化的過程參數(shù)。在燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制系統(tǒng)中，我們希望爐內(nèi)的溫度保持在一定的范圍內(nèi)，因此可以把爐內(nèi)的溫度作為被控變量。2.2操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。對(duì)于燃燒式工業(yè)窯爐，燃料的流量對(duì)爐內(nèi)溫度的影響最大，因此可以

10、把燃料的流量作為操縱變量。2.3被控對(duì)象的數(shù)學(xué)描述對(duì)于燃燒式工業(yè)窯爐，其控制原理為通過控制燃料的進(jìn)料流量來控制爐內(nèi)的溫度。圖2 燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制示意圖現(xiàn)假設(shè)空氣充足，燃料能夠充分燃燒，且窯爐是絕熱的，沒有熱量損失，則燃料燃燒的熱量一部分被被加熱的介質(zhì)所吸收，另一部分用于維持窯爐整個(gè)環(huán)境在一定的溫度范圍內(nèi)，現(xiàn)假設(shè)窯爐內(nèi)整個(gè)空氣環(huán)境所擁有的熱量為Q,燃料的體積流量為，燃料的燃燒值為,空氣的質(zhì)量為，空氣的比熱容為，被加熱介質(zhì)的傳熱系數(shù)為,傳熱面積為，爐內(nèi)溫度為，被加熱物質(zhì)和空氣的原始溫度為。根據(jù)熱量關(guān)系，有其中，則將上式帶入（1）式，得到對(duì)上式進(jìn)行增量化，則，得到對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，得到則

11、現(xiàn)假設(shè)燃料為甲烷，被加熱的物質(zhì)為陶瓷，陶瓷的厚度為0.07m，長為0.2m，寬為0.1m甲烷的燃燒值為，空氣的質(zhì)量空氣的比熱容為,陶瓷的傳熱系數(shù)為,所有陶瓷的傳熱面積為將以上數(shù)據(jù)帶入（2）式，得到3.燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制原理及控制方案的確立燃燒式工業(yè)爐的工作方式為：燃料進(jìn)入爐內(nèi)燃燒，其熱量主要用于兩部分，一部分用于被加熱介質(zhì)的吸收，另一部分用于維持爐內(nèi)整個(gè)環(huán)境的溫度。影響爐內(nèi)溫度最主要的因素為燃料的進(jìn)料流量，因此可以通過控制燃料的進(jìn)料流量來控制爐內(nèi)的溫度?？刂品桨覆捎帽戎刀ㄖ悼刂葡到y(tǒng)，其方框圖如下：圖1 比值定值控制系統(tǒng)方框圖從控制任務(wù)要求可知，燃燒式工業(yè)窯爐溫度比值控制系統(tǒng)是單點(diǎn)、恒值控制

12、，控制范圍和控制精度要求一般，功能上無特殊要求，采用廣泛使用的PID控制即可。4. 過程檢測控制儀表的選用4.1 測溫元件及變送器根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和現(xiàn)場使用條件以及儀表的性能，我們選用普通熱電偶測溫儀表。熱電偶溫度儀表是基于熱電效應(yīng)原理制成的測溫儀器，它由熱電偶、電測儀表和連接導(dǎo)線組成，其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計(jì)有以下特點(diǎn)：測溫精度高，性能穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，產(chǎn)品互換性好；將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，便于信號(hào)遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測量；測溫范圍廣，可達(dá)-2002000；形式多樣，適用于多種測溫條件；在此，我們選用一體化溫度變送器，Sure301系列熱電偶、熱電阻一體化溫度變送器（以下簡稱溫度變

13、送器）是由溫度傳感器與信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成。本產(chǎn)品經(jīng)國家級(jí)儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)站測試合格，防爆合格證為GYB97142、GYB97143、GYB97144、GYB97145。廣泛用于石油、化工、冶金、機(jī)械、煤炭、電站、船泊、國防等部門用來測量液體、氣體和蒸汽等介質(zhì)的溫度。 圖3 熱電偶溫度檢測變送器熱電偶測量范圍：01200 測量精度：熱電阻為±0.2%；熱電偶為±1%±2%；冷端補(bǔ)償為±2/60 溫度漂移：±0.025%，年漂移±0.5% 供電電壓：24VDC±10%（4-20mA電流型模塊最低

14、工作電壓需要10V余下供負(fù)載） 負(fù)載能力：0-600歐姆（24V電壓時(shí)）電壓變化影響0.015%V環(huán)境濕度85%，且無腐蝕性4.2 流量計(jì)  流量計(jì)是用來檢測甲烷流量，從而對(duì)空氣流量進(jìn)行比值控制。在本次設(shè)計(jì)中選取渦輪流量計(jì)。它具有壓損小、測量精度高、量程范圍寬、管道安裝要求低、抗擾動(dòng)性能強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域燃?xì)夂透鞣N氣體以及城市燃?xì)夂吞烊粴獾馁Q(mào)易計(jì)量。 在此選用 ZBWL-90/99型渦輪流量計(jì) 精確度：±0.5%,±1.0%;重復(fù)性；優(yōu)于±0.2%。輸出信號(hào)：4-20mA電流信號(hào)工作壓力：0-1.6M

15、pa環(huán)境溫度：-30+60；介質(zhì)-30+604.3 執(zhí)行器執(zhí)行器的作用是接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號(hào)，自動(dòng)的改變操縱量（在此為介質(zhì)流量），達(dá)到對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。電動(dòng)執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥體）兩部分組成?？紤]被調(diào)介質(zhì)的工藝條件及流體特性來選擇調(diào)節(jié)閥?？煞譃榻切谐蹋―KJ型）和直行程（DKZ型）兩種，原理和電路原理完全相同，只是輸出機(jī)械傳動(dòng)部分有所區(qū)別。按照特性不同，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為比例式和積分式。根據(jù)實(shí)際情況和介質(zhì)特性，我選用直行程（DKZ型）比例式電動(dòng)執(zhí)行器，其輸出直線位移與輸入電流信號(hào)成正比。標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)閥體型式：直通鑄造球形閥閥尺寸：DN20200額定壓力：PN 16，PN4

16、0，PN63，PN100連接形式：法蘭（標(biāo)準(zhǔn)型） 法蘭標(biāo)準(zhǔn)：鋼制法蘭按GB9113-2000，JB|T-94密封面型式：PN16為突面 材料：閥體，閥內(nèi)組件材料配套和工作溫度范圍參照ZMA|BM壓蓋形式：壓板式填料：V型聚四氟乙烯填料，柔性石墨填料墊片：型式，齒型和平型 材料，F(xiàn)4|改性F4，不銹鋼+石墨結(jié)構(gòu)形式：壓力平衡型式閥芯：柱塞型套筒：金屬密封， 線性特性（LG）執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式：電動(dòng)（電子）式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 381LSA|XA-08，381LSA|XA20閥作用：正在用控制動(dòng)作：比例控制輸入信號(hào)：420mADC（負(fù)載電阻500以下）功耗：A型|50VA，B型|150VA，C型|220VA保護(hù)等

17、級(jí)：IP55出線連接：普通S型G1|2，防爆X型G3|4環(huán)境溫度：無空間加熱器-1060 有空間加熱器-3560 防爆X型 -1040 圖4 電動(dòng)執(zhí)行器環(huán)境溫度： 普通S型95%以下 防爆X型4585%防爆等級(jí)：ExdllBT4過載保護(hù)：A、B型任選，C型必配 手動(dòng)裝置：帶手柄4.4 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器又稱控制器，是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后，得出被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，從而推動(dòng)執(zhí)行器工作，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。目前在中國工業(yè)上廣泛應(yīng)用的DDZ-型電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先進(jìn)可靠的防爆結(jié)構(gòu)。我選用

18、DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器。 表1 DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)輸入信號(hào)15V.DC內(nèi)給定信號(hào)15V.DC外給定信號(hào)420mA.DC調(diào)節(jié)作用（比例+積分+微分）比例帶：2500%積分時(shí)間：0.012.5分微分時(shí)間：0.0410分（可切除）輸入、給定指示表指示范圍：0100%，誤差：1%輸出指示表指示范圍：0100%，誤差：25%輸出信號(hào)420mA.DC負(fù)載電阻250750工作條件環(huán)境溫度：045工作振動(dòng)：頻率25Hz5.參數(shù)整定對(duì)于熱電偶溫度一體化變送器，對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器，由于選用的是直線型流量調(diào)節(jié)閥，對(duì)于PID調(diào)節(jié)器，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)試湊法對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定，根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，由于本次設(shè)計(jì)控制的是窯爐內(nèi)的溫度，所以選擇，表2 調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)參數(shù)溫度流量壓力液位20-6