加热炉温度控制系统设计

设计说明书

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指导教师： 加热炉温度控制系统设计

吴雨冬

过程控制

自动化1031

2011年12月 1日～2011年 12月30日

黎鸿坤

广西工业职业技术学院

设计说明书

题目： 加热炉温度控制系统设计 - 1 -

目 录

前言 ………………………………………………………1 第一章 设计的目的及意义…………………………………2 第二章 控制系统工艺流程及控制要求……………………2

2.1 生产工艺介绍 2.2 控制要求

第三章 总体设计方案………………………………………3

3.1 系统控制方案 3.2 系统结构和控制流程图

第四章 控制系统设计………………………………………5

4.1 系统控制参数确定

第五章 控制仪表的选型和配置……………………………6

5.1一体化温度变送器 5.2 DX2000型无纸记录仪

5.3 调节器 5.4 执行器

5.5 电/气阀门定位器ZPD-01 5.6 安全栅 5.7 配电器

5.8 薄膜气动调节阀ZMBS-16K

第六章 联锁保护……………………………………………11 第七章 系统控制接线图……………………………………12 第八章 收获和体会…………………………………………13 参考文献

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前言

在工业中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中温度控制也也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对环境中的温度进行控制。在石油工业中，加热炉尤为重要，加热炉应用非常明显。而对加热炉进行温度控制在整个工艺生产中的重要性尤为突出。

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第一章 设计的目的及意义

加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。由于这类对象使用方便，可以

通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机械、化工等领域中得到了广泛的应用。

在一些工业过程控制中,工业加热炉是关键部件,炉温控制精度及其工作稳定性已成为产品质量的决定性因素。对于工业控制过程,PID 调节器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点,因此在控制理论和技术飞跃发展的今天,它在工业控制领域仍具有强大的生命力。

在产品的工艺加工过程中，温度有时对产品质量的影响很大，温度检测和控制是十分重要的，这就需要对加热介质的温度进行连续的测量和控制。

在冶金工业中，加热炉内的温度控制直接关系到所冶炼金属的产品质量的好坏，温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。为此，可靠的温度的监控在工业中是十分必要的。

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第二章 控制系统工艺流程及控制要求

2.1 生产工艺介绍

加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的

高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。

加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。

本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。物料被加热后，温度达到生产要求后，进入下一个工艺环节。

用泵将从初馏塔底得到的拔顶油送入加热炉中加热到360 ℃～370 ℃后，再送入常压分馏塔中。经分馏，在塔顶可得到低沸点汽油馏分，经冷凝和冷却到30 ℃～40 ℃时，一部分作为塔顶回流液，另一部分作为汽油产品。此外，还设有1～2个中段回流。在常压塔中一般有3～4个侧线，分别馏出煤油、轻柴油。侧线产品是按人们的不同需要而取的不同沸点范围的产品，在不同的流程中并不相同。有的侧线产品仅为煤油和轻柴油，而重油为塔底产品；有的侧线为煤油、轻柴油和重柴油，而塔底产品为常压渣油。

初底油用泵加压后与高温位的中段回流、产品、减渣进行换热，一般换后温度能达到260°C以上，如果换热流程优化的好，换热温度可达到310°C左右。初底油在进入常压炉进一步加热至365°C（ 各装置设定的炉出口温度随所炼不同原油的组成性质而差异，一般都在360°C至370°C之间）。最后初底油进入常压塔进行分离。 加热炉设备主要工艺流程图如图2-1所示。

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图2-1 加热炉设备主要工艺流程图

2.2 控制要求

加热炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使加热炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，加热炉设备将有主要的控制要求：

加热炉燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应物料负荷的需要，保证燃烧的经济型和加热炉的安全运行，使物料温度与燃料流量相适应，保持物料出口温度在一定范围内。

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第三章 总体设计方案 3.1 系统控制方案

随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。

本加热炉温度控制系统较为简单，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。采用PID调节器组成的PID自动控制系统调节炉温。PID调节器的比例调节, 可产生强大的稳定作用; 积分调节可消除静差; 微分调节可加速过滤过程, 克服因积分作用而引起的滞后。控制系统通过温度检测元件不断的读取物料出口温度，经过温度变送器转换后接入调节器，调节器将给定温度与测得的温度进行比较得出偏差值，然后经PID算法给出输出信号，执行器接收调节器发来的信号后，根据信号调节阀门开度，进而控制燃料流量，改变物料出口温度，实现对物料出口温度的控制。

本加热炉温度控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。在运行过程

中，当物料出口温度受干扰影响改变时，温度检测元件测得的模拟信号也会发生对应的改变，该信号经过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比较，得出对应偏差信号，经PID算法计算后输出，通过执行器调节燃料流量，不断重复以上过程，直至物料出口温度接近给定，处于允许范围内，且达到稳定。由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。

3.2 系统结构和控制流程图

根据控制要求和控制方案设计的加热炉温控制系统结构如图3-1所示, 该系统主要由调节对象(加热炉)、检测元件(测温仪表)、变送器、调节器和执行器等5个部分组成, 构成单回路负反馈温度系统。

其中显示器是可选接次要器件，故用虚线表示；θ为物料出口温度，Qg为燃料流量。箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，经过一系列器件和运算后，由执行器改变燃料流量，进而实现温度控制。

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图3-1 加热炉温度控制系统结构图

图3-2 加热炉温度控制系统整体控制流程图

Qg为燃料流量，θ为物料出口温度，加热炉作为控制对象。

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第四章 控制系统设计

4.1 系统控制参数确定 4.1.1 被控参数选择

单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数；所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。

综合以上原则，在本系统中选择物料的出口温度θ作为被控参数。该参数可直接反应控制目的。

4.1.2 控制参数选择

工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。而控制参数选择的基本原则为：

① 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数；

② 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控

制；

③ 在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使

控制系统响应较快；

综合以上原则，选择燃料的流量Qg量作为控制参数。

第五章 控制仪表的选型

5.1 测温元件

本控制系统的测温元件采用Pt100热电阻，工业用铂电阻作为温度测量变送器，通常用来和显示、记录、调节仪表配套，直接测量各种生产过程中从0 ～ 500℃

范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体等表面温度。

5.2度变送器

型号：DBW-4230，环境温度:0~50℃,环境湿度:90%RH,供电电源:220AC、220VAC(开关电源)

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功耗:≤6W,分度号：热电阻Pt100，测量范围：0~500℃，输入信号：1-5V，输出信号：4-20mA，精度等级：0.5级

5.2 DX2000

型无纸记录仪:

DX2000系列新型无纸记录仪,为DX200系列无纸记录仪的升级产品,DX2000最多可达48通道.可以广泛应用于各种环境中。额定电源电压：220VAC +10-15 ％，使用电源电压范围：90 ～ 260 VAC，额定电源频率：50 ～ 60 Hz，功耗：< 15W环境温度 0 ～ 50 ℃环境湿度： 20 ～ 80% RH （ 5 ～ 40 ℃）

5.3 调节器

DDZ-III型PID调节器TDM-400性能指标如下表所示： 表5.2 DDZ-III型PID调节器性能指标

名称 输入信号 外给定信号 输出信号 负载电阻 输入与给定指示 输出信号指示 性能 1~5V直流电压 4~20mA直流电流（输入电阻250Ω） 4~20mA直流电流 250Ω~750Ω 0~100%，指示误差为1.0% 0~100%，指示误差为2.5% 比例带Xp=2~500%连续可调，最大值刻度误差2.5%； 积分时间Ti有两档0.01~2.5分与0.1~25分。分别连续可调，最大值与最小值刻度误差为50%； 25整定参数 （F=1情况下） 微分时间Td=0.04~10分，连续可调，最大刻度误差为50% 25干扰系数F 积分增益Kd 闭环跟踪误差 2.DDZ-III型调节器接线端子如下图所示：

F1TD/TI Kd10 0.5%

图5-6 DDZ-III型调节器调节器接线端子

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5.4 执行器 5.4.1 执行器选型

本系统中，执行器是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节燃料流量的装置。 1.执行器的结构形式：

执行器在结构上分为执行机构和调节机构。其中执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。

调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：

① 生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应

该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；

② 保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的

质量不应降低；

③ 尽可能的降低原料、产品、动力损耗； ④ 从介质的特点考虑。

综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器的调节阀选择气开阀：执行机构采用正作用方式，调节机构正装以实现气开的气动薄膜调节蝶阀。

1.调节阀的流量特性：

调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性、抛物线特性和快开特性四种，在本系统中执行器的调节阀的流量特性选择等百分比特性。

2.调节阀的口径：

调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。

5.5 电/气阀门定位器ZPD-01

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表5.3 ZPD-01参数表

名称 输入信号 输出信号 性能 4-20mA²DC 0-0.14MPa

图5-8 ZPD-01端子图

5.6 安全栅

型号：DFA-3100，防爆等级：ia II CT6 ，最大允许电压VM：（防爆额定值）AC/DC、220V，额定工作电压VD：DC 24（+10～-5）%V，额定工作电流ID：DC4～20mA，内阻：（DC 20mA）DFA-3100≤190Ω，DFA-3300≤150Ω精度： 0.2%

可行性：安全栅是本质安全防爆型仪表的关键设备。在正常状态时，安全栅不影响系统正常运行，当发生故障时（危险场所的连线短路或接地 ，非危险场异常电压混触）安全栅具有限压限流和断电等功能可以将危险场的电能量限制在点火界限以内，确保现场的安全。它广泛用于石油、化工、轻工等易爆易燃的场所。它具有：防爆等级高、精度高、体积小、价格便宜安装方便等优点。 采用双重化元件电路，可靠性高。

5.7 配电器

型号：DFP-2100 ，通道数:2，重量:1.5Kg，功耗：2.4W

DFP-2100配电器属于控制室内仪表它通过DC-DC转换器向现场二线制变送器提供隔离24VDC电源同时把从变送器来4～20mADC信号转换成隔离的1～5VDC或4～20mADC输出. 5.7.1 功能与特征

向现场二线制变送器提供隔离24VDC电源，本安防爆型仪表.其标志为(ib)ⅡCT，实行电源-输入-输出之间三隔离将变送器来4～20mADC信号转换成隔离的1～5VDC或4～20mADC输出，采用高性能固定模块结构紧凑体积小重量轻，仪表系列化有架装和短架装二种结构形式.

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5.7.2 主要技术指标 输入信号::4～20mADC

温度漂移:≤0.1³基本误差1℃

输出信号:输出电流:4～20mADC 输出电压:1～5VDC 配电电压:18.5～28.5VDC 配电回路:1～5个 基本误差:±0.2%

绝缘电阻:电源 输入与输出端子间≥100MΩ 绝缘强度:电源/输入/输出端子间1500VAC/1分钟 工作条件:环境温度:0～50℃ 相对湿度≤90%(RH) 电源电压:24VDC(可订制220VAC) 功耗:＜2W

防爆等级:(ib)ⅡCT6 重量:＜2kg

外型尺寸:44(宽)³175(高)³360(深)或44(宽)³175(高)³2000(深)

5.8 薄膜气动调节阀ZMBS-16K

表5.4 ZMBS-16K参数表

名称 输入信号 输出信号 性能 0.02-0.1MPa 开度（%）

图5-9 执行器接线端子图

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第七章 联锁保护

一、原料介质流量过低或中断导致加热炉被烧坏。 二、燃料压力过低将造成回火现象。 三、燃料压力过高将造成喷嘴脱火现象。

基于安全因素考虑设置了流量低值连锁报警FSAL1、FSAL2和火焰检测器BS动作。

在加热炉控制系统中，采用加热炉出口温度与燃料控制阀阀后压力的选择性控制方案来保证原料出口温度符合控制要求。其中，燃料控制阀采用气开式，选择器采用LS低选器，温度控制器TC和压力控制器PC均采用反作用。

正常生产时，温度控制器输出信号通过LS低选器调节燃料控制阀。当出现异常扰动使燃料控制阀阀后压力过高，达到安全极限时，压力控制器输出信号通过低选择器取代温度控制器工作，关小燃料控制阀，以防止脱火。恢复正常后，压力控制器退出工作转为后备，转为温度控制器重新调节燃料控制阀。

当燃料气流量过低时，流量检测装置FSAL1触点动作；当炉内火焰熄灭时，火焰检测器BS动作；而当原料流量过低时，流量检测装置FSAL2动作。当以上三个检测装置的一个或几个动作时，使接在气源上的三通电磁阀失电，来自起源的压缩空气放缩空，温度控制器或压力控制器的信号失效。由于控制阀是气开式控制阀，失去信号后将自动关闭阀门，切断燃料。电电磁阀上需要设置人工复位开关，连锁动作以后，不能自动复位，必须确认危险已经解除后，通过手动复位使生产过程恢复运行。

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总结

本控制系统设计综合运用了自动检测技术、自动控制理论以及过程控制理论。为了更好的完成设计，我将以前的一些教科书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。

在做这个项目设计之前，我一直以为自己的理论知识学的还是蛮可以的。但当我拿到设计任务书的时候，却不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少的。

设计中遇到了很多自己无法解决的问题，我于是向老师、同学求助，在指导老师的点拨以及同学们的建议下，我成功的解决了遇到的问题。由此我意识到，任何时候任何事情，闭门造车都是不可取的，要一直向周围的师长、同学求教，以取得新鲜的知识。

对生产过程进行自动化控制是我们以后专业学习以及工作中非常重要的一项任务，通过此次控制系统项目设计我比较清楚地明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想，对我以后的专业学习，甚至工作都将产生很深远的影响。

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参考文献

[1]王爱广，王琦 主编.过程控制.化学工业出版社2005.6 [2]乐嘉谦主编.仪表工手册.北京：化学工业出版社，2004年；

[3]张毅、张宝芬、曹丽、彭黎辉编著.自动检测技术及仪表控制系统.北京：化学

工业出版社，2009年

[4]周泽魁主编.控制仪表与计算机控制装置.北京：化学工业出版社，2009年； [5]工业自动化仪表手册编辑委员会编.工业自动化仪表手册.第三册 产品部 分（二）。北京：机械工业出版社，1986年

[6]高金生责任编辑.仪器仪表产品目录（第二册）.北京：机械工业出版社， 1991 年

[7]刘小慧责任编辑.仪器仪表产品目录（第三册）.北京：机械工业出版社，1991年

[8] 刘迎春主编.传感器原理设计与应用[M].长沙：国防科技大学出版社，1997 年 [9] 李亚芬主编.自动化仪表与过程控制.北京：电子工业出版社，2003年

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