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過程控制儀表課程設計
設計題目 混合器溫度控制系統
學生姓名
專業班級
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指導老師
前言
溫度是工業生產中常見的工藝參數之一，任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關。在科學研究和生產實踐的諸多領域中溫度控制占有著極為重要的地位 特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業中，具有舉足輕重的作用。對于不同生產情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、機械、食品、化工等各類工業生產中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。溫度控制系統的工藝過程復雜多變，具有不確定性，因此對系統要求更為先進的控制技術和控制理論。
可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業控制計算機，是繼續計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學易用等特點，在工業領域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業控制的各個領域中被廣泛地使用。
目前在控制領域中，雖然逐步采用了電子計算機這個先進技術工具，特別是石油化工企業普遍采用了分散控制系統（DCS）。但就其控制策略而言，占統治地位的仍舊是常規的PID控制。PID結構簡樸、穩定性好、工作可靠、使用中不必弄清系統的數學模型。PID的使用已經有60多年了，有人稱贊它是控制領域的常青樹。
組態軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。在組態概念出現之前，要實現某一任務，都是通過編寫程序來實現的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且輕易犯錯誤，不能保證工期。組態軟件的出現，解決了這個問題。對于過去需要幾個月的工作，通過組態幾天就可以完成。組態王是海內一家較有影響力的組態軟件開發公司開發的，組態王具有流程畫面，過程數據記錄，趨勢曲線，報警窗口，生產報表等功能，已經在多個領域被應用。
1．總體方案設計 混合器是化學工業重要的裝置之一，它的任務是把原料或反應物通過水蒸汽加熱到一定的溫度，以保證下一步化學反應的順利進行。混合器出口溫度是決定汽化率、塔內各點溫度和熱平衡的關鍵，是混合器用空氣預熱溫度、過熱蒸汽溫度及被加熱材料換熱的重要影響因素。要保持混合器的平穩操作，關鍵是維持混合器出口溫度和蒸汽流量的恒定。當處理量為恒定時，混合器出口溫度如果偏低直接影響進塔被加熱物的汽化量和帶入的熱量，相應地塔頂和側線溫度都要降低，輕組分比例減小，重物的比例增大。相反，混合器出口溫度偏高，會造成輕組分比例增大，重組分容易蒸發、汽化此系統為混合器溫度控制系統，混合器采用蒸汽為加熱介質，冷流體在混合器的管道內流動時，受到管外加熱介質的加熱。被加熱物料無腐蝕性，采用電動Ⅲ型儀表，且控制規律采用PID控制即可滿足控制要求。熱體的出口溫度經過測量和變送，送到控制器經PID調節控制閥門的開度從而控制加熱物料的流量，達到控制熱體出口溫度的目的。 工業設計方案可以采用混合器溫度控制系統的單回路控制，系統圖如下（圖1所示）： 
圖1混合器溫度控制系統 2.單回路控制系統 2.1 單回路控制系統的組成 單回路控制系統又稱單回路反饋控制系統。在所有的反饋控制系統中它是最簡單最基本的一種，因此它又被稱為簡單控制系統。單回路控制系統由4個基本環節組成，即被控對象或者被控過程，測量變送裝置，控制器，執行器。對于混合器溫度控制系統，被控量為混合器出口溫度t,擾動為入口溫度、蒸汽流量等。 圖2單回路控制系統方框圖
3.儀表選型 3.1 調節器 在實際工業生產應用中，調節器是構成自動控制系統的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較，并對由此所產生的偏差進行比例、積分或微分處理后，輸出調節信號控制執行器的動作，以實現對不同被測或被控參數如溫度、壓力、流量或液位等的自動調節作用。 3.2調節器正反作用的選擇 調節器有正作用和反作用調節器兩種。調節器正、反作用的選擇同被控過程的特性及調節閥的氣開、氣關形式有關。被控過程的特性也分正、反兩種。即當被控過程的輸入量增加(或減小)時，其輸出(被控參數)亦增加(或減小)，此時稱此被控過程為正作用；反之，當被控過程的輸入量增加時，其輸出卻減小，稱此過程為反作用。 3.3調節器的選型 由于已經選用DDZ-Ⅲ型變送器，所以調節器也選用DDZ-Ⅲ的，DDZ-Ⅲ型電動調節器有兩個基型品種：全刻度指示調節器和偏差指示調節器。它們的結構和線路相同，僅指示線路有些差異，這兩種基型調節器均具有一般控制器應具有的對偏差進行PID運算、偏差指示、正反作用切換、內外給定切換、產生內給定信號、手動/自動雙向切換和閥位顯示等功能。 主、副調節器的選型一致，都選用DTZ-2200D。它接受變送器經信號分配器送來的信號征收給定信號進行比較，對其差值進行比例、積分、微分運算，以電流輸出控制執行機構。其主要技術指標如下： 輸入信號： 1-5VDC
給定方式： 內給定1-5VDC
外給定4-20mADC(250Ω±0.1%)
輸出信號： 4-20mADC
閉環跟蹤誤差： <±0.5%
負載電阻： 250Ω-750Ω
功 能： 自動/手動，非平衡無擾動切換
調節動作： PD；PI；PID
比 例 帶：(P)2%-500%
積分時間：(TI)0.01分-2.5分和0.1分-25分兩檔(開關切換)
微分時間：(TD)關、0.04分-10分(開關切換)
微分增益： KD=10 工作環境： 環境溫度： 0-50℃；相對濕度： ≤85%(RH)
電源電壓： 24VDC±10%
功 耗： 3W
重 量： 3kg 圖3 DTZ-2200D引線端子圖 本系統的調節器采用DDZ—Ⅲ型調節器，它除了能夠提供PID運算調節隔離外，還具有內給定、偏差指示、手動、輸出閥位指示與簡單調節器相同的功能。基型調節器基本電路由指示單元和控制單元兩部分組成。指示單元主要包括輸入指示電路、給定指示電路和內給定電路；控制單元包括輸入電路，比例微分電路、比例積分電路、軟手動硬手動電路和輸出電路。調節器將變送器或轉換器送來的直流1～5V DC信號Vi，與給定值1～5V DC信號比較進行疊加，然后對比較所得的偏差順序進行PD和PI運算，最后轉換成一個4～20mA DC的直流電流I0，并作為輸出信號輸出至執行器。 DDZ—Ⅲ型調節器選用高增益、高阻抗線性集成電路元件，提高了調節器的調節精度，穩定性和可靠性，還降低了功耗；實現軟、硬手動兩種操作方式，尤其是軟手動與自動之間的相互切換雙向無平衡無擾動特性，有效的提高了操作性能。 本系統所采用的調節器為20端接線的DTZ2200型號調節器。其中1端和2端為1～5V輸入端子，接收變送器送來的測量轉換信號；7端和8端為外給定4～20mA 輸入端子，接收設定信號，或在串級控制系統中接收主調節器的輸出信號，13 端和14端為4～20mA輸出端子，用于作為控制信號輸出，控制執行器的動作，18端為接地端子；19端和20端為電源端子，接24V直流信號供調節器正常工作。 DDZ—Ⅲ型調節器的主要性能如下： 輸入信號 1～5V DC 內給定信號 1～5V DC 外給定信號 4～20mA DC 輸入阻抗影響 ≤滿刻度的0.1% 輸出信號 4～20mA DC 負載電阻 250～750Ω 比例度 P=2%～7500% 積分時間 0.01～25min 微分時間 0.04～10min 調節精度 0.5級 輸出保持特性 -0.1%每小時 DTZ-2200的接線端子圖如圖4所示： 圖4 DTZ-2200的接線端子圖 3.4 溫度變送器 變送器在自動檢測和控制系統中的作用，是對溫度、壓力、流量、成分等各種工藝參數進行檢測，以供顯示、記錄或控制之用。無論是有模擬儀表構成的系統還是由計算機控制裝置構成的系統，變送器都是不可缺少的環節，獲取精確和可靠的過程參數值是進行控制的基礎。 按照被測參數分類，變送器主要有差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器、液位變送器和流量變送器等。由于本次設計的被控量為溫度，所以采用溫度變送器。 3.3 DDZ-Ⅲ型溫度變送器 DDZ-Ⅲ型溫度變送器有帶線性補償電路和不帶線性補償電路的熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器以及直流毫伏變送器等多個品種。各品種的原理與結構大致相仿。直流毫伏變送器是將直流毫伏信號轉換成4～20mADC輸出信號，帶線性補償電路的熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器則分別與熱電偶和熱電阻想配合，將溫度信號線性地轉換成統一標準信號。 （1）直流毫伏變送器 直流毫伏變送器用于把直流毫伏信號信號Ei轉換成4～20mADC電流信號。由檢測元件送來的直流毫伏信號Ei和調零與零遷電路產生的調零信號Uz的代數和同反饋電路產生的反饋信號Uf進行比較，其差值送入電壓放大器進行電壓放大，再經功率放大器和隔離輸出電路轉換得到整機的4～20mADC輸出信號Io。直流毫伏變送器的構成方框圖如圖3。 圖5.直流毫伏變送器構成方框圖 （2）熱電偶溫度變送器 與各種熱電偶配合使用，將溫度信號變換為成比例的4～20mADC電流信號和1～5VDC電壓信號。熱電偶溫度變送器的線路在直流毫伏變送器線路的基礎上，做了如下兩點修改： ① 在輸入回路增加了由銅補償電阻RCu1、RCu2等元件組成的熱電偶冷端補償電路。同時，在電路安排上把零電位器W1和電阻R104移到了反饋回路的支路上。 ② 在反饋回路中增加了由運算放大器A2等構成的線性化電路。如圖4所示： 
圖6.熱電偶溫度變送器構成方框圖 （3）熱電阻溫度變送器 熱電阻溫度變送器與各種熱電阻配合使用，可以將溫度信號變換為成比例的4～20mADC電流信號和1～5VDC電壓信號，熱電阻溫度變送器的線路在直流毫伏變送器線路的基礎上，輸入回路增加了由A2、R16～R19等元件構成的線性化電路和由R23、R24等元件構成的熱電阻導線電阻補償電路，同時零點調整電路有所改變。 圖7.熱電阻溫度變送器構成方框圖 3.5溫度測量儀表的選擇 由于本系統對溫度的要求不是很高，所以只需要一般的測溫元件，比較常見的傳感器是熱電偶。熱電偶測溫的基本原理是利用兩種金屬的熱電效應不同，從而在兩種金屬構成的回路中，當溫度變化時產生一定的電勢，進而反映所測物體的溫度變化，熱電偶具有測溫范圍廣，性能穩定，精度能夠滿足工業需求，結構簡單和動態特性好等特點，故選擇K型熱電偶。 DDZ-Ⅲ類儀表相對于DDZ-Ⅱ類儀表的一個優點為電流范圍不是從零開始，這樣就避免了把儀表不能正常工作誤認為輸出為零，所以選擇DDZ-Ⅲ型K型熱電偶溫度變送器----DZ-5130。DZ-5130輸入信號為K型熱電偶，輸出信號為4-20mADC。 表1.DZ-5130的主要技術指標 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 安裝形式： DIN 導軌安裝 ， 導軌尺寸 35mm |
表2.產品型號表 圖8.DZ-5130接線圖 圖6中1、2腳為輸入端子，3、4腳接補償電阻，5、6腳為輸出端子，7、8腳接24V直流電源。 變送器：采用工業用的擴散硅壓力變送器，含不誘鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。 溫度傳感器：本裝置采用Pt100熱電阻，Pt100鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性測量溫度,顯示儀表將會指示出鉑電阻的電阻值所對應的溫度值.當被測介質存在溫度梯度時,所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層中的平均溫度。由于導線組織的變化會引起測量信號發生誤差，所以為了減少誤差，采用三線制接法。在多數測量中，熱電阻遠離測量電橋，因此與熱電阻相連接的導線長，當環境溫度變化時，連接導線的電阻值將有明顯的變化。為了消除由于這種變化而產生的測量誤差，采用三線制接法。即在兩端元件的一端引出一條導線，另一端引出兩條導線，這三條導線的材料、長度和粗細都相同，如圖4中所示的a、b、c。它們與溫度變送器輸入電橋相連接時，導線a和c分別加在電橋相鄰的兩個橋臂上，導線b在橋路的輸出電路上，因此，a和c阻值的變化對電橋平衡的影響正好抵消，b阻值的變化量對儀表輸入阻抗影響可忽略不計。 本系統采用的型號為NKB-24S-P1-T2U4-D24,經過主調節器的溫度變送器，可將溫度信號轉換成1~5V DC電壓信號，輸入輸出選擇范圍寬，精度高，采用直流24V電源供電，接線端子如圖5： 圖9 溫度變送器接線端子 Pt100溫度變送器性能指標如下： 精確度： ±0.2%FS 輸入信號： Pt100 負載電阻： 0～500Ω 對應溫度范圍： 0～200℃ 輸出信號： 1～5V DC 隔離方式： 輸入/輸出/電源三方全隔離 溫度穩定向： 零點漂移 標準 0.05%FS/℃ 量程漂移 標準 0.02%FS/℃ 引線電阻： ≤10Ω 電源： 24V DC 4.執行器選型 4.1 執行器的構成 執行器由執行機構和調節機構兩個部分構成，如圖7所示： 圖10.執行器的構成框圖 執行機構是執行器的推動裝置，它根據輸入控制信號的大小，產生相應的輸出力F（或輸出力矩M）和位移（直線位移l或角位移θ），推動調節機構動作。調節機構是執行器的調節部分，在執行機構的作用下，調節機構的閥芯產生一定位移，即執行器的開度發生變化，從而直接調節從閥芯、閥座之間流過的被控介質的流量。 4.2 執行器的分類及特點 執行器按其使用的能源形式可分為氣動執行器、電動執行器和液體執行器三大類。工業生產中多數使用前兩種類型，它們常稱為氣動調節閥和電動調節閥。氣動調節閥具有結構簡單、動作可靠穩定、輸出力大、安裝維修方便、價格便宜和防火防爆等優點。氣動執行器的缺點是響應時間大、信號不適于遠傳。電動調節閥具有動作較快，特別適合遠距離的信號傳輸，能量獲取方便等優點；其缺點是價格較貴，一般只適用于防爆要求不高的場合。 4.3 氣動薄膜式執行機構 氣動薄膜執行機構原理圖如圖8所示： 圖11.氣動薄膜執行機構原理圖 1-上膜蓋； 2-波紋膜片 3-下膜蓋； 4-支架 5-推桿； 6-壓縮彈簧 7-彈簧座； 8-調節件 9-連接閥桿螺母 10-行程標尺 工作原理如下：當信號壓力通入由上膜蓋1和膜片2組成的氣室時，在膜片上產生一個向下的推力，使推桿5向下移動壓縮彈簧6，當彈簧的反作用力與信號壓力在膜片上產生的推力相平衡時，推桿穩定在一個對應的位置，推桿的位移l即為執行機構的輸出，也稱行程。 4.4 執行器的選擇 調節閥是過程控制系統的一個重要組成部分，其特性好壞對控制質量的影響是很大的。由于其結構較簡單又較粗糙，所以往往不被人們所重視。實踐證明，在過程控制系統設計中，若調節閥特性選用不當，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會嚴重影響控制質量。 通過調節閥的選擇原則，及本系統的要求，閥門選擇氣動薄膜式單座直通閥，安裝方式為氣關，引線端子如圖9所示。為了與氣動薄膜式單座直通閥相匹配，還需要選擇一個閥門定位器，與之配套使用，電氣閥門定位器的型號為HEP-17， 主要技術指標為： - 、精度：小于全行程±1%。
(2)、回差：小于全行程1%。
(3)、死區：小于全行程0.4%。
(4)、特性：線性(可改變成快開、等百分比特性)。
(5)、氣源壓力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。
(6)、最大流量：140NL/min(當氣源壓力在0.14MPa時)。
(7)、耗氣量：5NL/min(當氣源壓力在0.14MPa時)。
(8)、環境溫度：-25℃～+55℃。
(9)、環境濕度：10-90%RH。
(10)、最大行程速度：4mm/秒(配ZH -22執行機構時)。
(11)、輸入阻抗：250 Ω(4-20mADC) 100Ω(10-50mADC)。
(12)、電氣連接：G1/2螺紋。
(13)、氣管連接：卡套式氣管接頭(φ6或φ8)。
(14)、防爆(防護)型式(等級)：隔爆型d(Diibt6)，本質安全型 i(iaIICT6)
(15)外殼材料：鋁合金 噴朔工藝處理
(16)外形尺寸：392.5*141.5*231(mm)(長*寬*高)
(17)重 量： 3.5kg
引線端子如圖9所示： 圖12.電動閥門定位器的引線端子圖 5.調節器選型 在實際工業生產應用中，調節器是構成自動控制系統的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較，并對由此所產生的偏差進行比例、積分或微分處理后，輸出調節信號控制執行器的動作，以實現對不同被測或被控參數如溫度、壓力、流量或液位等的自動調節作用。 5.1調節器正反作用的選擇 調節器有正作用和反作用調節器兩種。調節器正、反作用的選擇同被控過程的特性及調節閥的氣開、氣關形式有關。被控過程的特性也分正、反兩種。即當被控過程的輸入量增加(或減小)時，其輸出(被控參數)亦增加(或減小)，此時稱此被控過程為正作用；反之，當被控過程的輸入量增加時，其輸出卻減小，稱此過程為反作用。 5.2調節器的選型 由于已經選用DDZ-Ⅲ型變送器，所以調節器也選用DDZ-Ⅲ的，DDZ-Ⅲ型電動調節器有兩個基型品種：全刻度指示調節器和偏差指示調節器。它們的結構和線路相同，僅指示線路有些差異，這兩種基型調節器均具有一般控制器應具有的對偏差進行PID運算、偏差指示、正反作用切換、內外給定切換、產生內給定信號、手動/自動雙向切換和閥位顯示等功能。 主、副調節器的選型一致，都選用DTZ-2200D。它接受變送器經信號分配器送來的信號征收給定信號進行比較，對其差值進行比例、積分、微分運算，以電流輸出控制執行機構。其主要技術指標如下： 輸入信號： 1-5VDC
給定方式： 內給定1-5VDC
外給定4-20mADC(250Ω±0.1%)
輸出信號： 4-20mADC
閉環跟蹤誤差： <±0.5%
負載電阻： 250Ω-750Ω
功 能： 自動/手動，非平衡無擾動切換
調節動作： PD；PI；PID
比 例 帶：(P)2%-500%
積分時間：(TI)0.01分-2.5分和0.1分-25分兩檔(開關切換)
微分時間：(TD)關、0.04分-10分(開關切換)
微分增益： KD=10 工作環境： 環境溫度： 0-50℃；相對濕度： ≤85%(RH)
電源電壓： 24VDC±10%
功 耗： 3W
重 量： 3kg 
圖13.DTZ-2200D引線端子圖 5.控制系統儀表的配接圖及說明 調節器的1、2輸入端子接變送器的5、6輸出端子；7、8端子接外給定4-20mA；13、14輸出端子接執行器；18端子接地；19、20端子接24VDC電源。變送器的1、2輸入端子接K型熱電偶的輸出；3、4端子接補償電阻；5、6輸出端子接調節器的輸入端子1、2；7、8端子接24VDC電源。
6.儀表型號清單 表3.控制系統儀表元件清單
6.總結通過此次課程設計我鞏固了書本中所學的理論知識，并且對過程控制系統在工業生產用的運用有了更深刻的認識，此外我對過程控制系統的設計步驟、思路有了進一步的了解與認識，更加明確了過程控制系統的設計方法和步驟，拓展了理論與應用的知識面，進一步認識到了工業工程中控制系統起到的重要作用。 在本次設計過程中，從方案的設計到方案的確定，再到后續的回路的設計，調節器的正反作用的確定，被控參數的選擇，這其中每一步都付出了許多精力也收獲匪淺，雖然在設計中遇到過許多困難，但還是通過各種方法積極探索，使自己最終得以完成這次關于管式加熱爐溫度-流量控制系統的設計。這次過程控制系統的課程設計給了我們一個十分好的平臺，讓我們切實把所學知識開始嘗試初步運用于實踐中，讓我們通過自己查找資料，鞏固知識，了解原理，設計方案，改進方案，撰寫報告等過程來更加銘記所學的知識與現實工業生產之間的聯系，讓我收獲頗豐，十分感謝這么一個寶貴的機會。
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