燃燒式工業(yè)窯爐溫度單回路控制2008版

學 院： 機械工程與自動化學院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 學生姓名： 學號 課程設計題目： 課程設計任務書設計目的： (1)培養(yǎng)學生運用■過程檢測儀表與控制技術及其他相關■課程■的知識，結合畢業(yè)實習'中學到的實踐知識，獨立地分析和解決實際過程控制的問題，初步具備設計一個過程控制系統(tǒng)的能力。運用工程的方法，通過一個簡單課題的設計練習，可使學生初步體驗過程控制系統(tǒng)的設計過程、設計要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設計方法。培養(yǎng)學生獨立工作能力和創(chuàng)造力；綜合運用專業(yè)及基礎知識，解決實際工程技術問題的能力；培養(yǎng)查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；培養(yǎng)編寫技術報告和編制技術資料的能力。設計內(nèi)容和要求(包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、條件、設計要求等):經(jīng)過《過程檢測儀表與控制》課程的學習和生產(chǎn)實習后，對現(xiàn)場的實際過程控制策略、實際環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)有了一定的認識和了解。在此基礎上，針對實踐環(huán)節(jié)中的被控對象(控制裝置)，獨立完成控制系統(tǒng)的設計，并通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，達到較好的控制效果。確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構成方式，給出控制流程圖；現(xiàn)場儀表選型，編制有關儀表信息的設計文件；給出控制系統(tǒng)方框圖；分析被控對象特性，選擇控制算法；進行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能；寫出設計工作小結。對在完成以上設計過程所進行的有關步驟：如設計思想、指標論證、方案確定、參數(shù)計算、元器件選擇、原理分析等作出說明，并對所完成的設計作出評價，對自己整個設計工作中經(jīng)驗教訓，總結收獲。設計工作任務及工作量的要求〔包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等〕: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。撰寫課程設計說明書一份(A4紙)。4?主要參考文獻:《過程裝備控制技術及其應用》 王毅主編化學工業(yè)出版社《過程自動化及儀表》 俞金壽主編化學工業(yè)出版社《工業(yè)過程控制工程》 王樹青主編化學工業(yè)出版社《控制儀表及裝置》 吳勤勤主編化學工業(yè)出版社《過程控制儀表》 徐春山主編冶金工業(yè)出版社《過程裝備成套技術設計指南工程》 黃振仁主編化學工業(yè)出版社《過程控制裝置》 張永德主編化學工業(yè)出版社《化工單元過程及設備課程設計》 匡國柱主編化學工業(yè)出版社《化工設備設計設計手冊》（上、下）朱有庭主編化學工業(yè)出版社《工業(yè)過程檢測與控制》 孟華 主編化學工業(yè)出版社目錄概述………………7被控對象特性的研究……………7被控變量的選擇……………7操縱變量的選擇……………7被控對象的數(shù)學描述………7燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制原理及控制方案的確立…………10執(zhí)行器的數(shù)學模型……………10檢測變送器的數(shù)學模型………10過程檢測儀表的選用……………11測溫元件及溫度變送器……………………11執(zhí)行器………………………11調(diào)節(jié)器………………………12參數(shù)整定與實驗仿真……………13課程設計總結……………………16參考文獻…………16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、燃燒設備、通風設備，輸送設備等四部分組成。窯爐大致分為箱式、井式、梭式、網(wǎng)帶式、回轉式、窯車式、推板式隧道電阻爐、真空爐、氣體保護爐、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200?2500°C?？捎糜赯nO壓敏電阻器、避雷器閥片、結構陶瓷、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。本次課程設計是要完成燃燒式工業(yè)窯爐溫度定值控制系統(tǒng)的設計，采用的是單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)的有如下特點：系統(tǒng)結構簡單、易于分析設計，投資少、便于施工，并能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此在生產(chǎn)中得到廣泛的應用。但單回路控制系統(tǒng)也有一些缺點，如系統(tǒng)適用于控制負荷變化較小的被控對象，如果負荷變化較大，無論選擇哪種調(diào)節(jié)規(guī)律，簡單控制系統(tǒng)都很難得到滿意控制質(zhì)量。在本次課程設計中，為了簡化系統(tǒng)模型、便于分析，采用如下假設：1、燃料為天然氣，被加熱的介質(zhì)為磚，磚的厚度為7厘米2、窯爐為絕熱爐，廢渣不帶走熱量3、空氣供應充足，燃料在爐內(nèi)能夠充分燃燒2.被控對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品的設備，其工作原理為燃料進入爐內(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)整個環(huán)境的溫度。為了滿足工藝的需要，必須使爐內(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料流量，因此可以通過控制燃料的進料流量來控制爐內(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。操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。對于燃燒式工業(yè)窯爐，燃料的流量對爐內(nèi)溫度的影響最大，因此可以把燃料的流量作為操縱變量。被控對象的數(shù)學描述對于燃燒式工業(yè)窯爐，其控制原理為通過控制燃料的進料流量來控制爐內(nèi)的溫度。圖1燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制示意圖現(xiàn)假設空氣充足，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環(huán)境在一定的溫度范圍內(nèi)，現(xiàn)假設窯爐內(nèi)整個空氣環(huán)境所擁有的熱量為Q,燃料的體積流量為V(dm3/S)，燃料的燃燒值為CR，空氣的質(zhì)量為MK，空氣的比熱容為CK，被加熱介質(zhì)的傳熱系數(shù)為H，傳熱面積為A，爐內(nèi)溫度為°，被加熱物質(zhì)和空氣的原始溫度為°°。根據(jù)熱量關系，有TOC\o"1-5"\h\zdQ二VC-HA(Q-Q) (1)dtR 0dQMCd(°-°)Q二MC(0-0) — —其中 KK、 0，則dt dt將上式帶入(1)式，得到忖(°-°0)=VC-HA(0-0)dt R 0MKCKd°VC-HA(0-0)dt R 0對上式進行增量化，則0=0，得到MCd 二AVC-HAA0KKdt RMCdA°+HAA0二AVCKKdt R對上式進行拉普拉斯變換，得到(MCS+HA)A°(S)二AV(SCKK (S) (S)RGs)=A°(S)= CR (2)則(s)AVMCS+HA(S) KK現(xiàn)假設燃料為甲烷，被加熱的物質(zhì)為磚，磚的厚度為0.07m，長為0.2m，寬為0.lm甲烷的燃燒值CR為36.22KJ/dm，空氣的質(zhì)量空氣的比熱容為0.717KJ/(kg*K)空氣的質(zhì)量空氣的比熱容為0.717KJ/(kg*K)M=1.205kg/m3x30m3=36.15kgK磚的傳熱系數(shù)為1.433x10"2KW/(m2*K),所有磚的傳熱面積為30A二 x70%x(0.07x0.2+0.2x0.1+0.07x0.1)x2二1230m20.07x0.2x0.1將以上數(shù)據(jù)帶入(2)式，得到Ao 2.06G二 (s)二(S)AV_ 1.47S+1(S)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)整個環(huán)境的溫度。影響爐內(nèi)溫度最主要的因素為燃料的進料流量，因此可以通過控制燃料的進料流量來控制爐內(nèi)的溫度?？刂品桨覆捎脝位芈范ㄖ悼刂葡到y(tǒng)，其方框圖如下：4貳?￥、艮忌-檢視變變送送器圖2單回路定值控制系統(tǒng)方框圖從控制任務要求可知，燃燒式工業(yè)窯爐溫度單回路控制系統(tǒng)是單點、恒值控制，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。執(zhí)行器的數(shù)學模型對于電動執(zhí)行器，由于選用的是直線型流量調(diào)節(jié)閥，輸入與輸出成線性關系，其增益為KA=_8°加二5dm3/mAAv(20-4)mA檢測變送器的數(shù)學模型

選用熱電偶溫度檢測變送器，對于熱電偶溫度一體化變送器，由于其輸入與輸出成線性關系，所以其增益為K.T=訃=0.0133mA/七KAKAT二0.0133x12°°=]~16~過程控制儀表的選用6.1測溫元件及變送器根據(jù)生產(chǎn)實踐和現(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原理制成的測溫儀器，它由熱電偶、電測儀表和連接導線組成，其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計有以下特點：測溫精度高，性能穩(wěn)定；結構簡單，易于制造，產(chǎn)品互換性好；將溫度信號轉換為電信號，便于信號遠傳和實現(xiàn)多點切換測量；測溫范圍廣，可達-200~2000°C；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（以下簡稱溫度變送器）是由溫度傳感器與信號轉換器組成。本產(chǎn)品經(jīng)國家級儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗站測試合格，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:0~1200C■測量精度：熱電阻為土0.2%；熱電偶為±1%~±2%；冷端補償為±2C/60C■溫度漂移：土0.025%C，年漂移V±0.5%■供電電壓：24VDC±10%（4-20mA電流型模塊最低工作電壓需要10V余下供負載）■負載能力：0-600歐姆（24V電壓時）電壓變化影響V0.015%V■環(huán)境濕度＜85%，且無腐蝕性6.2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，自動的改變操縱量（在此為介質(zhì)流量），達到對被控參數(shù)進行調(diào)節(jié)的目的。電動執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)機構（閥體）兩部分組成。考慮被調(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，只是輸出機械傳動部分有所區(qū)別。按照特性不同，電動執(zhí)行機構可分為比例式和積分式。根據(jù)實際情況和介質(zhì)特性，我選用直行程（DKZ型）比例式電動執(zhí)行器，其輸出直線位移與輸入電流信號成正比。標準技術參數(shù)閥體型式：直通鑄造球形閥閥尺寸：DN20~200額定壓力：PN16，PN40，PN63，PN100連接形式：法蘭（標準型）

法蘭標準：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+石墨結構形式：壓力平衡型式閥芯：柱塞型套筒：金屬密封，線性特性（LG）執(zhí)行機構型式：電動（電子）式執(zhí)行機構381LSA|XA-08,381LSA|XA—20閥作用：正在用控制動作：比例控制輸入信號：4—20mADC（負載電阻500以下）功耗：A型|50VA，B型|150VA，C型|220VA保護等級：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-10~60有空間加熱器--35~60防爆X型-10~40環(huán)境溫度：普通S型95%以下防爆X型45~85%防爆等級：ExdllBT4過載保護：A、B型任選，C型必配圖4電動執(zhí)行器手動裝置：帶手柄6.3圖4電動執(zhí)行器調(diào)節(jié)器又稱控制器，是構成自動控制系統(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，從而推動執(zhí)行器工作，對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)。目前在中國工業(yè)上廣泛應用的DDZ-III型電動調(diào)節(jié)儀表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先進可靠的防爆結構。我選用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)器相關參數(shù)輸入信號1~5V.DC內(nèi)給定信號1~5V.DC外給定信號4~20mA.DC調(diào)節(jié)作用（比例+積分+微分）比例帶：2~500%積分時間：0.01~2.5分微分時間：0.04~10分（可切除）輸入、給定指示表指示范圍：0~100%,誤差：土1%輸出指示表指示范圍：0~100%，誤差：土25%輸出信號4~20mA.DC負載電阻250~750Q工作條件環(huán)境溫度：0~45°C工作振動：頻率＜25Hz

參數(shù)整定與實驗仿真系統(tǒng)參數(shù)8/%T/minTD/min溫度20-603-100.5-3流量40-1000.1-1壓力30-700.4-3液位20-100對于PID調(diào)節(jié)器，運用經(jīng)驗試湊法對其進行參數(shù)整定，根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表，由于本次設計控制的是窯爐內(nèi)的溫度，所以初步選擇K=4，T/=60s，Td=Os經(jīng)過實驗仿真，得到如下響應曲線:TiiriEoffset:0圖6實驗響應曲線圖當K=