过程控制课程设计 加热炉温度控制

目 录

1 系统简介 .......................................................... 2 2 设计方案及仪表选型 ................................................ 3 2.1 设计方案 ..................................................... 3 2.2 仪表选型 ..................................................... 4 2.2.1 调节器 ................................................ 6 2.2.2 执行器 ................................................ 8

2.2.3 变送器 ................................................ 9 2.2.4 检测元件 .............................................. 11

3 控制系统仪表配接图及说明 .......................................... 12 3.1 控制系统仪表配接图 ........................................... 12 3.2 控制系统仪表配接说明 ......................................... 12 4 仪表型号清单 ...................................................... 13 5 参考文献 .......................................................... 14 附录 控制系统仪表配接图 ........................................... 15

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1 系统简介

电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。

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。 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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2 设计方案及仪表选型

2.1 设计方案

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。加热炉设备主要工艺流程图如图一所示。

图一 加热炉设备主要工艺流程图

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二所示, 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控制系统。

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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。

图二 加热炉温度控制系统结构图

根据控制要求和结构图绘制得加热炉温度控制系统整体控制流程图如下图三所示：

图三 加热炉温度控制系统整体控制流程图

其中，调节器采用数字PID算法，Qg为燃料流量，θ为物料出口温度，加热炉作为控制对象。

2.2 仪表选型

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。故在本系统中选择物料的出口温度θ作为被控参数。

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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；

故本系统选择燃料的流量Qg量作为控制参数。

对温度的控制算法, 采用技术成熟的PID 算法, 对于时间常数比较大的系统来说, 其近似于连续变化, 因此用数字PID 完全可以得到比较好的控制效果。简单的比例调节器能够反应很快, 但不能完全消除静差, 控制不精确, 为了消除比例调节器中残存的静差, 在比例调节器的基础上加入积分调节器, 积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果, 在差不变的情况下, 积分器还在输出直到误差为零, 因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量, 消除静差, 使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差, 但使系统响应速度变慢。

进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差, 并对误差的变化作出响应, 于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器, 组成比例、积分、微分( PID)调节器, 微分调节器的加入将有助于减小超调, 克服振荡, 使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度,缩短调整时间, 从而改善了系统的动态性能, 其控制规律的微分方程为:

YKP(X1dXXdtTD) TIdt1TDs) TIs传递函数为：

G(s)KP(1 用PID 控制算法实现加热炉温度控制是这样一个反馈过程: 比较实际物料出口温度和设定温度得到偏差, 通过对偏差的处理获得控制信号, 再去调节加热炉的燃料流量, 从而实现对炉温的控制, 由于加热炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象, 所以式中Kp、K d 和K i的选择取决于加热炉的响应特性和实际经验。

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2.2.1 调节器

实现PID算法的控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动II型、III型。在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。电动III型和电动II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II型典型信号为

0~10mADC，而电动III型仪表的典型信号为4~20mADC，此外。III型仪表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动III型仪表。调节器的构成方框图如图四所示。

图四 电动III型调节器构成方框图

作用方式选择：对于单回路控制系统，调节器正、反作用的选择要根据控制系统所包括的各个环节的情况来确定，这样只要根据被控参数与变送器放大倍数的符号及整个控制回路开环放大倍数的符号为“负”的要求，就可以确定调节器的正、反作用。在本系统中，被控参数的放大倍数为的符号为“正”，所以调节器应选“负”作用即反作用。

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本系统采用的DDZ-III型PID调节器TDM-400。 其主要技术参数见下表：

表一 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。分别连整定参数 （F=1情况下） 续可调，最大值与最小值刻度误差为50%； 25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 F1TD/TI Kd10 0.5% DDZ-III型调节器接线端子如下图所示：

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图五 DDZ-III型调节器TDM-400接线端子图

2.2.2 执行器

执行器在控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。

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。执行器由电/气阀门定位器和气动调节阀配合使用组成，其方框图如图六所示。

图六 电/气阀门定位器和气动调节阀组成的系统框图

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。

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

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有较大的比例。

1.本系统选用电/气阀门定位器ZPD-01和薄膜气动调节阀ZMBS-16K。 其主要技术参数见下表：

表二 ZPD-01参数表

名称 输入信号 输出信号 性能 4-20mA·DC 0-0.14MPa 表三 ZMBS-16K参数表

名称 输入信号 输出信号 接线端子见图七、图八：

性能 0.02-0.1MPa 开度（%）

图七 ZPD-01端子图

图八 执行器接线端子图

2.2.3 变送器

变送器在自动检测和控制系统中的作用，是对各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量进行检测，以供显示、记录或控制之用。无论是由模拟仪表构成的系统，还是由计算机控制装置构成的系统，变送器都是不可缺少的环节，

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获取精确和可靠的过程参数值是进行控制的基础。

本系统中的变送器用于温度信号变送，故选择温度变送器。其中较为常用的有模拟式温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器三种，本系统采用典型模拟式温度变送器中的DDZ-III型热电偶温度变送器，属安全火花型防暴仪表，还可

以与作为检测元件的热电偶相配合，将温度信号线性的转换成统一标准信号。 DDZ-Ⅲ类仪表相对于DDZ-Ⅱ类仪表的一个优点是电流范围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，所以应选择DDZ-Ⅲ型K型热电偶温度变送器。本系统选择型号为HR-WP-20-1TC20K-W的单输入单输出热电偶温度变送器。

主要特点有：全智能、数字化、可编程；环境温度、零点、满幅自动补偿；符合国际电工委员会IEC61000相关抗电磁干扰标准。

其主要技术参数见下表：

表四 热电偶温度变送器参数表

名称 系统传输准确度 冷端温度补偿准确度 输入阻抗 电流输出允许外接的负载阻抗 温度漂移 工作环境温度 供电电源

接线端子图如下：

4～20mA≤350Ω；0～10mA≤700Ω ＜0.005％F.S/℃ -10—+55℃ 直流，DC24V±10%；交流，AC95～265V 性能 ±0.5%×F.S（可订制±0.2%） ±1℃（预热时间30分钟） 电流—100Ω；电压—500KΩ - 输入 ++ 输出 - 1 2 9 10 14 15 16地- 24VDC +

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过程控制仪表课程设计 图九 热电偶变送器接线端子图

2.2.4 检测元件

温度的测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类。本系统选择接触式测温元件。其中较为常用的有热电偶、热电阻和集成温度传感器三种，由于系统对温度的要求不是很高，一般的测温元件即可满足要求，故选择K型热电偶作为测温元件，其电路原理图如下图所示：、

图十 热电偶电路原理图

3 控制系统仪表配接图及说明

3.1 控制系统仪表配接图：见附录图 3.2控制系统仪表配接说明

接线图主要由接线板W、温度变送器K（HR-WP-20-1TC20K-W）、电动III型调节器T（TDM-400）、电/气阀门定位器Z（ZPD-01）和气动薄膜调节阀S（ZMBS-16K）五个部分组成。K型热电偶的输出接入温度变送器HR-WP-20-1TC20K-W的输入信号端K1(-），K2(+)；变送器输出信号由K9(+)，K10(-)端子接至电动III型调节器TDM-400的输入信号端T1(+)，T2(-)；调节器的输出信号由T13(+)，T14(-)端子接至电/气阀门定位器ZPD-01的输入信号端子Z1(+)，Z2(-)；阀门定位器的输出信号由Z3(+)，Z4(-)端子接至气动薄膜调节阀ZMBS-16K的输入信号端子S1(+)，S2(-)。

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4 仪表型号清单

编号 1 2 3 4 名称 电/气阀门定位器 气动薄膜角型调节阀 热电偶温度变送器 电动III型调节器 个数 1 1 1 1 型号 ZPD-01 ZMBS-16K HR-WP-20-1TC20K-W TDM-400

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5 参考文献

[1]金以慧主编.过程控制.北京：清华大学出版社2010年 [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[M].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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附录：手绘加热炉控制系统接线图

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