过控课设

第1章绪论

工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，随着社会的快速发展，科技的加速进步，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工控自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。测温仪器在各个领域应用越来越广泛，自动化和智能化已经成为现代的温度控制系统的主流发展方向。因为各行各业对于温度控制有着越来越高的要求，所以对温度的控制和测量就显得较为重要。我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。工控自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。集散控制系统DCS（Distributed Control System）问世于1975年，生产厂家主要集中在美、日、德等国。我国从70年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入国外的DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。当时，我国主要行业（如电力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部进口。80年代初期在引进、消化和吸收的同时，开始了研制国产化DCS的技术攻关。近10年，特别是“九五”以来，我国DCS系统研发和生产发展很快，崛起了一批优秀企业，如北京和利时公司、上海新华公司、浙大中控公司、浙江威盛公司、航天测控公司、电科院以及北京康拓集团等。这批企业研制生产的DCS系统，不仅品种数量大幅度增加，而且产品技术水平已经达到或接近国际先进水平。在2001年全国应用的4426套DCS系统中，国产DCS系统为1486套，占35%。短短几年，国外DCS系统在我国一统天下的局面从此不再出现。这些专业化公司不仅占据了一定的市场份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的DCS系统价格也大幅度下降，为我国自动化推广事业做出了贡献。与此同时，国产DCS系统的出口也在逐年增长。虽然国产DCS 的发展取得了长足进步，但国外DCS产品在国内市场中占有率还较高，其中主要是Honeywell和横河公司的产品。我国DCS的市场年增长率约为20%，年市场额约为30(35亿元。由于近5年内DCS在石化行业大型自控装置中没有可替代产品，所以其市场增长率不会下降。据统计，到2005年，我国石化行业有1000多套装置需要应用DCS控制；电力系统每年新装1000多万千瓦发电机组，需要DCS实现

监控；不少企业已使用DCS近15(20年，需要更新和改造。所以，今后5年内DCS 作为自动化仪表行业主要产品的地位不会动摇。数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展；从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了51年的历程。近10年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4种类型：1.传统数控系统；2.“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统；3.“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统；4.SOFT型开放式数控系统。 .工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展。自从1977年第一个民用网系统ARCnet投入运行以来，有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发展。然而，在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展，无线局域网技术将在工控网络中发挥越来越大的作用。

工业控制中很重要的一种就是温度控制，随着工业大发展，温度控制器的使用范围越来越广泛，各种能够应用于不同领域的智能温度控制器随着产生。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度经常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。本次设计是以蒸汽加热的贮槽温度控制系统。用蒸汽对储槽内的液体加热，生产工艺要求储槽中的物料温度需维持在55±1℃上，当进料量保持恒定值，而进料初温波动较大时，加以控制。通过传感器、变送器、控制器、执行器进行总体的控制。

第2章设计的方案

2.1概述

过程控制的对象复杂多样，控制方案和系统结构种类较多，除了简单控制系统以外，还有复杂控制系统，即串级控制系统，前馈控制系统，大滞后过程控制系统，比值控制系统，均匀控制系统，分程控制系统，阀位控制系统，选择性控制系统，接藕控制系统，还有计算机控制系统。本次设计主要是综合应用所学知识，设计以蒸汽加热的贮槽温度控制系统。用蒸汽对储槽内的液体加热，生产工艺要求储槽中的物料温度需维持在55±1℃上，当进料量保持恒定值，而进料初温波动较大时，加以控制。应用于工业生产对温度的控制，进料温度是一个扰动，通过控传感器进行感受温度，变送器进行传送，控制器和执行器进行最后的控制执行，控制贮槽温度。通常用于工业生产中，对进料的控制，整个系统是一个前馈反馈系统。

2.2系统方案设计基本要求

1.设计任务：

设计用蒸汽加热的贮槽温度控制系统

用蒸汽对储槽内的液体加热，生产工艺要求储槽中的物料温度需维持在

55±1℃上，当进料量保持恒定值，而进料初温波动较大时，加以控制。

2.技术参数：

测量范围：0-80℃；

控制温度：55±1℃；

最大偏差：5℃；

3.设计要求：

1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；

2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；

3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；

4、设计由计算机实现控制系统给出系统硬件电气连接图及程序流程图；

2.3蒸汽加热的贮槽温度控制系统设计

蒸汽加热的贮槽温度控制系统设计，蒸汽对贮槽内的液体进行加热，进料初温波动较大，传感器对贮槽内的液体温度进行测量，把信号传送给变送器进行信号的变送，最后把信号送给控制器，执行器进行执行，如果进料温度较高，则蒸汽调节阀关小，蒸汽进量减少，若进料温度较低，则蒸汽调节阀开大，蒸汽进量增大，在工业生产中，进料的温度往往是多样的，随着环境温度的不同而改变，需要通过系统设计进行蒸气量的增减控制贮槽内的液体温度。贮槽是温度控制过程的关键设备，是过程控制的重要控制对象。总体流程图如图2.3下：

图2.1 总体流程图

贮槽内的液体温度保持在55±1℃，最大偏差：5℃。

本次设计方案如图2.2所示，为前馈反馈系统。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。反馈控制分为正反馈和负反馈，负反馈即凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反，对控制部分的活动起制约或纠正作用的，称为负反馈。正反馈即凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同，对控制部分的活动起增强作用的，称为正反馈意义：加速生理过程，使机体活动发挥最大效应。本次设计为负反馈，

进料温度与贮槽温度共同控制贮槽温度，贮槽温度的控制器为主控制器，进物料的初温为副控制器。主控制器和副控制器共同作用于去操纵控制阀。在前馈-反馈系统中出现两个被控对象，即主被控参数（贮槽温度）和扰动（进物料初温）。构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，当物料温度发生变化时，前馈控制器及时发出控制指令，补偿冷物料变化对贮槽温度的影响；而进物料温度，蒸汽等扰动对贮槽温度的影响，则由反馈器来控制来克服，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。

图2.2 原理结构图

第3章控制系统设计

3.1控制系统的基本要求

生产过程对过程控制系统的要求是多种多样的，可简要概括为安全性、稳定性和经济性三个方面。经济性是指过程控制系统在提高产品质量、常量的同时，节约原材料，降低能源消耗，提高经济效益。采用有效的控制手段对声场过程进行优化控制是满足工业生产经济性要求不断提高的重要途径。安全性是指在整个生产过程中，过程控制系统能够确保人员与设备的安全，是对过程控制系统最重要、最基本的要求。稳定性是过程控制系统保证生产过程正常工作的必要条件。稳定性是指存在一定扰动的情况下，过程控制系统将工艺参数控制在规定的范围内，维持设备和系统长期稳定运行，使生产过程平稳、持续的进行，同时要求系统具有良好的动态响应特性。

3.2蒸汽加热的贮槽温度控制系统的组成与结构

蒸汽加热的贮槽温度控制系统由传感器、变送器、控制器、执行器组成，贮槽温度与进料温度共同控制蒸汽的调节阀，进料温度是扰动，有可以用单回路法进行设计，也可以用前馈反馈进行设计，如果用单回路控制系统则需要两个单回路共同控制，但是效果不够理想，前馈反馈系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，本次闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。系统中既有针对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在对被调量采用反馈控制以克服其它的扰动信号，这样的控制系统就是前馈反馈复合控制系统。

前馈反馈温度控制系统结构图如图2.6

图2.6 前馈反馈控制系统结构框图

3.3前馈反馈温度控制系统的分析

前馈反馈控制系统克服扰动，引入了副回路，使系统控制品质相对于单回路控制系统显著提高。在系统结构上，前馈反馈控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路并联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过主调节器和副调节器共同作用实现对主参数的定值控制。前馈反馈系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过他们的协调工作，使主参数能够准确的控制在工艺规定的范围内。判断副调节器的作用方式为当测量值温度上升时，由于阀门为气开阀，调节器的输出减小，即当调节器的输入值增加时，调节器的输出减小，调节器的作用为反作用。主调节的作用方式为系统原理方框图所示，当测量值温度上升时，测量值W应该下降，副调节器的作用方式为反作用，则主调节器的输入温度增大，即主调节器的输入上升时，其输出下降，主调节器的作用也为反作用。

第4章仪器仪表选型

4.1温度变送器的选择

众所周知温度是工业监测和控制系统中最基本的参数，由于人们对工业测控系统的可靠性和精确性要求越来越高，需要先进的测温技术和高精度测温设备的迫切性也便越来越强。为提高测温系统的精度，一方面应提高温度传感器的性能，另一方面则应努力提高温度传感器信号到接收设备的转换精度目前转换温度传感器的信号。本次设计选用TA10/0-100/M4/6/25H一体式温度变送器，由珠海康宝莱仪器公司生产，选用型号为TA10/50-0/M4/6/25H 的温度变送器。

TA10包含一个PT100探头, PT100阻值会随温度变化而变化，TA10内部电路将其值转化成线性模拟量输出。如图4.1所示

图4.1 温度变送器

它的特点有安装简单，多种量程可选，多种规格探头可选，全不锈钢外壳，结构紧凑坚固。并可选配现场仪表和柜装式控制表。应用为气液两用型，可用于供水系统，液压、气动系统，冷却系统，加热系统，空调系统，自动化工程等。技术参数

测量范围: 0～100°C;

线性度: <0.1%；

4.2控制器的选择

采用模拟控制器:DDZ－III型调节器。如图4.2所示

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。

图4.2 调节器

4.3执行器的选择

执行器是自动控制系统的终端执行部件，由执行机构和调节机构组成，负责从自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用。执行器常被称为实现自动化的“手脚”，它的作用是接受控制器送来的控制信号,并将其转换成相应的角位移或直行程位移,以改变操纵介质的流量,从而实现对被控变量的控制。执行器按所用驱动能源分为气动、电动和液压执行器三种。按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比例型三类。按输出位移的形式，执行器有转角型和直线型两种。按输入控制型号，执行器分为可以输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等几类。气动执行器在化工、炼油等对安全要求较高的生产过程中得到广泛的应用。安全性能差，动作不够迅速，虽然近年来有经过不断改进，应用逐渐扩大的趋势，但总体来看不如气动执行器的应用普遍。本次设计选择电动执行器，电动执行器按控制方式分为比例和积分式。比例式执行机构由电动伺服放大器和积分式执行机构组成，它能够将系统的控制信号与关于输出轴位置的反馈信号加以比较（闭环控制）以改变输出轴的行程，使之与输出信号成比例关系。积分式执行机构由伺服电机、减速器及位置发送器组成，它能够与电动操作器配合对阀门或其它调节机构实现远方操作。

本次设计选择由上海沃中阀门制造有限公司生产的电动执行器，型号为IQ10SD。如图4.3所示

图4.3 执行器

第5章仿真

第6章课程设计总结

本次课设主要是引用所学的过程控制系统进行设计，在传感器，调节器，执行器的选型上出现了一些问题，但在查了相关资料后就进行了正确的选择，绘制原理结构图、方框图时，刚开始不是很懂，在老师给我进行了指导后，我知道整个系统是前馈反馈结构，进料温度与贮槽温度共同控制贮槽温度，构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。控制调节阀，进料温度是一个扰动，前馈反馈的抗干扰的作用比单回路抗干扰的作用强，控制器的控制规律为反作用。最后用软件进行仿真，在仿真过程调试又是一个难题，总是达不到要求，有一定的干扰，最后在修改了几次数据后，得到准确的图形，仿真成功。

第7章参考文献

[1]方康玲.过程控制系统.武汉：武汉理工大学出版社，2006.6

[2]蒋慰孙，俞金寿.过程控制工程.上海：中国石化出版社，2009.9

[3]何衍庆，蒋慰孙，俞金寿.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.2

[4]邵裕森，戴先中.过程控制工程.北京：机械工业出版社，2003.5

[5]刘巨良.过程控制仪表.北京：化学工业出版社，2008

[6] 刘宗义.蒸汽锅炉温度控制系统的设计. 科技创新导报, 2009.2

[7] 金以慧.过程控制.清华大学出版社,2008.4

目录

第1章绪论......................................................... １第2章设计的方案................................................... ３

2.1概述........................................................ ３

2.2系统方案设计基本要求........................................ ３

2.3蒸汽加热的贮槽温度控制系统设计.............................. ４第3章控制系统设计................................................. ６

3.1控制系统的基本要求.......................................... ６

3.2蒸汽加热的贮槽温度控制系统的组成与结构...................... ６

3.3前馈反馈温度控制系统的分析.................................. ７第4章仪器仪表选型................................................. ８

4.1温度变送器的选择............................................ ８

4.2控制器的选择................................................ ９

4.3执行器的选择.............................................. １０第5章仿真....................................................... １１第6章课程设计总结............................................... １２第7章参考文献................................................... １３