干燥器温度控制系统方案设计

1前言………………………………………………………………….3一、工艺过程描述…………………………………………………3二、设计要求………………………………………………………4三、设计方案………………………………………………………4四、仪器仪表的选择………………………………………………9五、设计总结………………………………………………………12六、参考文献………………………………………………………122干燥器温度控制系统方案设计前言当今中国工业技术蓬勃发展，日益先进的科学技术推动了自动化技术的发展，过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标，提高经济效益，节约能源、提高市场竞争能力等方面起着越来越重要的作用。本次课程设计通过一个干燥器温度控制系统方案设计，旨在让学生将过程控制与检测技术这门课程的精髓学以致用。随着工业生产自动化的不断发展，单回路控制系统仅适用于较简单的单输出生产的控制，不能解决多输出过程的控制问题。因此我们可以采用复杂过程控制系统，本课程设计中就用到串级控制，前馈控制等复杂控制过程。一、工艺过程描述某干燥器的流程所示。干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。夹套内通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热介质采用的是饱和蒸汽。为了提高干燥速度，应有较高的干燥温度θ，但θ过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥器温度进行严格控制。3二、设计要求分别针对以下情况：①蒸汽压力波动是主要干扰；②冷水流量波动是主要干扰；③冷水流量和蒸汽压力均波动明显；④冷水流量、蒸汽压力以及进料压力波动均为主要干扰；1、确定控制方案，说明理论依据，画出控制工艺流程图；2、画出控制系统原理方框图；3、确定调节器正反作用，阐述系统工作过程。4、对设计中用到的仪表的结构、特点进行说明。三、设计方案1、蒸汽压力波动是主要干扰该系统应采用干燥温度与蒸汽压力的串级控制系统如图所示，这时选择蒸汽压力作为副变量。一旦蒸汽压力有所波动，引起蒸汽流量变化，马上由副回路可以及时得到克服，以减少或消除蒸汽压力波动对主变量θ的影响，提高控制质量。系统工艺流程图如下所示。4蒸汽压力波动为主的工艺流程图控制阀应选择气开式，这样一旦气源中断，马上关闭蒸汽阀门，以防止干燥器内温度θ过高。由于蒸汽流量（副被控变量）和干燥温度（主被控变量）升高时，都需要关小控制阀，所以主控制器TC应选“反”作用。由于副对象特性为“+”（蒸汽流量因阀开大而增加），阀特性也为“+”，故副控制器（蒸汽压力控制器）应为“反”作用。2、冷水流量波动是主要干扰5如果冷水流量波动是主要干扰，应采用干燥温度与冷水流量的串级控制系统。这时选择冷水流量作为副变量，以及时克服冷水流量波动对干燥温度的影响。其系统图和方框图如下所示。控制阀应选择气关式，这样一旦气源中断时，控制阀打开，冷水流量加大，以防止干燥温度过高。由于冷水流量（副被控变量）增加时，需要关小控制阀；而干燥温度增加时，需要打开控制阀。主、副被控变量增加时，对控制阀的动作方向不一致，所以主控制器TC应选“正”作用。由于副对象为“+”，阀特性是“－”，故副控制器（冷水流量控制器）应选“正”作用。3、冷水流量和蒸汽压力均波动明显如果冷水流量与蒸汽压力都经常波动，由于它们都会影响加热器6的热水出口温度，所以这时可选用干燥温度与热水温度的串级控制系统，以干燥温度为主变量，热水温度为副变量。在这个系统中，蒸汽流量与冷水流量都可选作为操纵变量，考虑到蒸汽流量的变化对热水温度影响较大，即静态放大系数较大，所以这里选择蒸汽流量作为操纵变量，构成前馈加反馈系统，如图所示的串级控制系统。原理图同图2由于干燥温度（主变量）和热水温度（副变量）升高时，都要求关小蒸汽阀，所以主控制器（干燥温度控制器）应选用“反”作用。由于蒸汽流量增加时，热水温度是升高的，副对象特性为“+”，控制阀为气开式，为“+”，故副控制器（热水温度控制器）应选“反”作用。4、冷水流量、蒸汽压力以及进料压力波动均为主要干扰构成温度温度串级系统，冷水流量单独设计流量单回路系统理由：当被控变量为干燥器出口温度时，不宜选冷水流量做操纵变量，故单独设计流量单回路系统抑制冷水流量波动。以干燥器出口温度7为被控量、蒸汽流量为操纵变量的控制系统中，控制通道太长，存在较大的时间常数和纯滞后，故选择换热器出口温度为副变量，构成串级系统，利用副回路减小等效时间常数。以热水温度为为副变量,干燥器的温度为主变量串级系统。理由：将蒸汽压力波动这一主要干扰包含在副回路中,利用副回路的快速有效克服干扰作用抑制蒸汽压力波动对干燥器出口的温度的影响.冷水流量、蒸汽压力以及进料压力波动均为主要干扰系统图8四、仪表的选择根据生产工艺要求，此次设计选用DDZ-III型仪表，具体选择如下：1.测温元件及变送器的选择因被控温度在600度以下，热电阻的线性特性要优于热电偶，而且无需进行冷端温度补偿，使用更加方便，故选用热电阻温度计。由于热电阻的三线制接法可利用电桥平衡原理较好地消除导线电阻的影响，所以选用三线制接法，并配用温度变送器。热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性地转换成为4～20mADC电流信号或1～5VDC电压信号输出，它是由量程单元和放大单元两部分组成的。热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化。这个特殊的性质反馈回路能按照热电偶温度－毫伏信号间的非线性关系调整反馈电压，以保证输入温度t与整机输出OI或OV间的线性关系。热电偶温度变送器9零点调整、量程调整电路的工作原理与直流毫伏变送器大致相仿。所不同的是：在热电偶温度变送器的输入回路中增加了由铜电阻CuR等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路；同时把调零电位器iW移动到了反馈回路的支路上；在反馈回路中增加了运算放大器1IC等组成的线性化电路起线性化作用。2.调节阀的选择根据生产工艺安全的原则，适宜选用气关式调节阀；根据过程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀。调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或kg）。可见流通能力直接代表了调节阀的容量。由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量即流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系。3、调节器的选择根据过程特性与工艺要求，宜选用将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差的比例积分控制（PI）控制规律。该系统采用模拟控制器:DDZ－III型调节器，DDZ―Ⅲ基型控制器框图如图所示。10控制器的输入信号为1～5V的测量信号。设定信号有内设定和外设定两种。内设定信号为1～5V，外设定信号为4～20mA。测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算，输出偏差到比例积分微分电路进行比例积分微分运算后，由输出电路转换为4～20mA信号输出。手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处于软手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离开操作键时，控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上，当控制器处于硬手动状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出快速改变到需要的数值，只要操作杆不动，就保持这一数值不变。由于有保持电路，使自动与软手动相互切换，硬手动只能切换到软手动，都是无平衡无扰动切换，只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换。如果是全刻度指示控制器，测量信号的指示电路和设定信号的指示电路分别把1～5V电压信号转化为1～5mA电流信号用双针指示器分别指示测量信号和设定信号。当控制器出现故障需要把控制器从壳体中取出检查时，可以把便携式手动操作器插入手动操作插孔，以实现手动操作。DDZ―Ⅲ基型控制器框图11五、设计总结通过本次干燥器系统控制方案设计，自己在很多方面都有所提高。在这次课程设计中，我基本上掌握了控制系统的设计方法，并且过程控制与检测技术更深入的的了解，进一步加强了自己对控制系统在生产实际中的运用原理及过程的能力。虽然本次课程实际中出现了很多问题和不足，但自己在翻阅大量书籍和查阅各种电子资料后，都有新的收获和提升。提高了个人独立工作和学习能力，巩固与扩充了过程控制系统这方面所学的内容，掌握控制系统设计的方法和步骤，熟悉了设计规范和标准，同时各科相关的知识都有了全面的复习，独立思考的能力也有了很大的提高。课程设计是对一门所学知识的检验和巩固，让自己受到很多启示，同时希望自己在今后的学习生活中，脚踏实地，不断进步！在此鸣谢王俭老师认真的教学与指导！参考文献1.邵裕森、戴先中，过程控制工程.北京;机械工业出版社2.梁昭峰，李兵.过程控制工程.北京：北京理工大学出版社3.王树青，工业过程控制工程.北京：化学工业出版社4.王毅，张早校.过程装备控制技术及应用.北京：化学工业出版社