冶金沸腾焙烧炉温度控制系统的设计

课程设计（论文）题目冶金沸腾焙烧炉温度控制系统的设计负载电阻小于等于500（电流输出）大于等于3KR（电压输出）输入线阻小于50R电源电压24VDC/AC12VDC/AC（0-5）V输出环境温度-20-80度相对湿度5-90百分RH消耗功率小于等于

0.6W准确度热电阻

0.5百分FS罗斯蒙特3051GP压力变送器如图

3.2所示图

3.2压力变送器3051压力变送器是扩散硅压力变送器具有工作可靠、性能稳定、安装使用方便、体积小、重量轻、性能价格比高等点，能在各种正负压力测量中得到广泛应用采用进口扩散硅或芯体作为压力检测元件,传感器信号经高性能电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号可替代传统的远传压力表，霍尔元件、差动变送器，并具有DDZ-II及DDZTH型变送器性能能及各种型号的动圈式指示仪、数字压力表、电子电位差计配套使用，也能及智能调节仪或计算机系统配套使用扩散硅变送器选用进口扩散硅压力芯片制成，当外界液位发生变化时，压力作用在不锈钢隔离膜片上，通过隔离硅油传递到扩散硅压力敏感元件上引起电桥输出电压变化，经过精密的补偿技术、信号处理技术、转换成标准的电流信号该电流信号的变化正比于液位的变化工作原理当压力信号作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换成及被测介质液体的液位压力成线性对应关系的4-20nA标准电流输出信号主要技术参数电源24VDC输出420111A二线制零位可调范〜围:±5%F.S量程调节比31以上量程范围TOOkPa060MPa〜〜负载特性:负载在0600内24VDC供电维持恒流输出隔爆型d II〜BT4,本安型ia IICT5过压极限2倍于以上限压力温度范围过程-2060℃精度等级±

0.5%稳定性±

0.2%F.S重量约1kg特〜点分析，参数超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量技术参数数字精度:+-

0.05%模拟精度+-

0.75%+-

0.1%F.S全性能+-

0.25F.S稳定性

0.25%60个月量程比1001测量速率

0.2S小型化

2.4kg全不锈钢法兰，易于安装过程连接及其它产品兼容，实现最佳测量，世界上唯一采用H合金护套的传感器，实现了优良的冷、热稳定性采用16位计算机的智能变送器标准4-20mA,带有基于HART协议的数字信号，远程操控支持向现场总线及基于现场控制的技术的升级

3.2控制器选型按照设计要求，本设计选用一个KSW-6-16型温度控制器和一个YTT压力控制器，KSW-6T6如图

3.3所示图

3.3温度控制器KSW-6-16型号温度控制器为1300C电炉的配套设备，及钳错一钳热电偶配套使用，可对电炉内的温度进行测量、显示、控制，并可使炉膛内的温度自动保持恒温以硅碳棒为加热元件的高温电阻炉，其加热元件的冷态及热态时的电阻值相差较大，在长期使用中硅碳棒的电阻值将逐渐变大也称之为老化所以必须及调压设备配套使用，KSW-6-16型号的温度控制器具有温度控制和电压调节二种功能，该温度控制器的温度显示有数字显示和指针显示二种，其中尤以固态继电器为执行元件并配以数字显示的控制器性能更为优越结构及工作原理温度控制器的外壳由钢板冲压折制成型并采用铝合金框架结构，外壳表面采用高强度的静电喷涂，漆膜光滑牢固控制器的前部装有温度控制仪表、电压表、电流表和电源开关控制器的内部装有可控硅（固态继电器）、线路板及螺旋保险和接线端子等电器元件该温度控制系统采用了优质电子集成元件，控温灵敏、性能可靠、使用方便其工作原理热电偶将电炉内部的温度转换为毫伏电压值，经过集成放大器的放大、比较后，输出移相控制信号，有效地控制可控硅的导通角，进而控制硅碳棒的平均加热功率，使炉膛内的温度保持恒温技术参数型号KSW-6T6额定电压220V±10%；最大控制功6KW输出电:50-210V输出电050A〜最高控制温1600℃S位式YT-1压力控制器如图

3.所示4图

3.4压力控制器YT-4型压力调节器是阀前式气体压力调节器（即一般所说的减压器），可控制其前部装置的压力为一恒定值YT-4型压力调节器是我江苏阜宁中力阀门厂根据石油化工科研装置的特点和要求，综合国内外同类产品设计和研制的它具有外型美观，体积小（阀体外径为80mni）,重量轻（总重为

2.3kg）,耐高压、抗腐蚀、调压准确、性能可靠，维修方便和使用范围广等优点、适用于石油、化工中、小型试验装置调节阀前气体压力使用YT-4型压力调节器为直接作用式压力调节器，采用力平衡原理设计而成使用时，首先关闭放空阀，打开给定阀，根据需要定出给定室的压力,称之为给定压力当装置的压力（装置和平衡室接通）大于给定的压力时，膜片下方的力大于上方的力，膜片上移，装置的气体通过阀杆小孔进入出口，当装置的压力逐步降低达到给定压力时，膜片两边所受的气体压力相等，膜片又恢复到原位置，调节阀自动关闭这样循环往复，确保装置的操作压力为一恒定值（其压力波动不大于

0.5公斤/厘米2）o技术参数入口压力P1W320公斤/厘米2入出口压差P1-P2W160公斤/厘米2流量系数C=5X10-2适用介质弱腐蚀性、无杂质液体使用温度常温压力特性当Pl±40%时，AP2〈

0.2公斤/厘米2流量特性当Ql±40%时，APZa.3公斤/厘米2接管尺寸

①8X

1.5接管方式外螺纹卡套式连接

3.3执行器的选择本设计选择气动执行机构Q611F-16P/R如图

3.5所示图

3.5执行器电动阀使用电机作动力，气动阀使用压缩空气作动力，电动阀对液体介质和大管道径气体效果好，不受气候影响不受空气的压力影响但是成本较高，在潮湿环境作用效果不好气动阀对气体介质和小管径液体效果较好，成本低，维护方便气动阀一般要比电动阀快,气动阀动作力矩比电动阀大，气动阀门开关动作可以调整，结构简单,动作过程中因气体本身的缓冲特性，不易因卡主而损坏，根据本设计的设计任务要求，所以本设计选择气动执行机构Q611F-16P/R,Q611F-16P/R是气动三片式球阀丝口球阀内螺纹球阀，这种气动阀精巧的外形设计、适用于夹小空间地工况上使用（微型气动球阀）通过角行程电动执行机构90°旋转对球阀的（开关或调节）进行控制.阀及执行机构的连接采用一体连方式、具有连线简单，结构紧凑、尺寸小、重量轻、阻力小、动作稳定可靠等优点主要功能调节型、切断型规格结构双作用式、单作用式、工作使用气源（干燥、清洁工、不含腐蚀性）气体工作使用气源压力双作用式（2-8bar）、单作用式（2-8bar）环境温度-20C+80℃（高温可定作）〜气动机构行程角行程（90°180）〜回转角度标准型90°±5°、非标型0°180°.〜输出扭矩双作用（410560N.ni）等、单作用（

6.92668N.m）〜〜等接口螺纹Gl/8G1/4第章4系统控制算法

4.1控制规律选择选择调节器的控制规律就是为了使调节器的特性及控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求根据本设计的任务要求，主控制器选择PI即可实现功能，副控制器只要选择P控制规律即可由于副被控变量流量参数，比例度必须选的较大以保持系统稳定，比例控制作用偏弱，为此采用PI控制规律,以增强控制作用副控制器不引入微分控制规律，否则会使控制阀动作过大，对控制不利

4.2气开气关选择气动调节阀气开或者气关，通常是通过执行机构的正反作用和调节阀结构的不同组装方式实现气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑的在本设计中，沸腾焙烧炉的温度控制，调节阀安装在燃料气管道上，根据炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来控制燃料的供应根据生产过程的工艺特点和安全要求，保证人身安全原则、系统及设备安全原则，保证产品的质量原则，减少原料和动力浪费原则，基于介质特点的工艺设备安全原则，本设计选用气开阀更安全些，因为一旦气源停止供给，阀门处于关闭比阀门处于全开更适合如果气源中断，燃料阀全开，会使加热过量发生危险

4.3调节器正负作用选择副调节器作用方式的选择，确定副被控过程的Ko2,当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以Ko20o最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数（即增益）乘积必须为正，所以副调节器K20,副调节器作用方式为反作用方式主调节器作用方式的选择，炉膛温度升高，物料出口温度也升高,主被控过程Koi0为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必o须为正，所以副调节器的放大系数Kl0,主调节器作用方式为反作用方式第章5仿真5-1已知主对象传递函数:5-2Gp2=10s+15+12副对象的传递函数:在MATLAB中画出仿真框图，如图

5.1所示:图

5.1系统仿真图在比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度此时的仿真曲线如图

5.2所示s8Poi保持副回路的比例度不变，逐步降低主回路的比例度P1,直到得到主回路过渡过程衰减比为41的比例度P1S,记取过渡过程的振荡周期TS当衰减比为41时，比例度以为98,振荡周期为七为

56.3,此时主回路的仿真曲线如图

5.3所示图

5.3仿真曲线2本设计是冶金沸腾焙烧炉温度控制系统的设计，锌精矿的焙烧，直接法制取高级氧化锌,首先是将锌精矿经过焙烧转变成氧化物,然后再经制团、韦氏炉冶炼得到高级氧化锌,焙烧工序是必不可少的第一步沸腾焙烧是目前应用最广泛的焙烧技术,它具有设备简单处理量大、控制容易、气一固间热质交换迅速、层内温度均匀、质量稳定、易于自动化等一系列优点考虑到鼓风量及其压力、炉膛压力、排烟量、循环冷却水量等的外界干扰从生产工艺出发，合理选择调节阀的气开气关方式，确保设备和人员的安全本设计选择温度传感器、压力变送器、温度变送器、温度控制器、压力控制器和执行器构成串级控制系统实现对沸腾焙烧炉温度的控制，串级控制系统的主回路是定制控制系统，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之内关键词温度控制；串级控制；变送器；炉膛压力;按已求得的PIS、T1S和P2s、T2s值，结合已选定的调节规律，按衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值经计算以后，主、副调节的参数设置如图

5.

4、

5.5所示unction BlockParameters:PID ControPIDConf rollermask1inkEnter expressionsfor proportional,integral andderivative terms.P+l/s+Ds』Paramet ersProportional:70Integral:

1.5Derivative:

5.63QK]Cancel

11.elp]App17图

5.4整定参数设置1图

5.5整定参数设置2当副调节器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响一般串级系统对主参数的控制质量要求高，而对副参数的控制要求相对较低因此，当副调节器参数整定好之后再去整定主调节器参数时，虽然会影响副参数的控制品质，但只要主参数控制品质得到保证，副参数的控制品质差一点也是可以接受的主、副调节器参数整定好以后系统输出图如图

5.6所示对设定值施加干扰信号以后，系统输出如图

5.7所示图

5.6整定完成后系统输出图图

5.7施加干扰时系统输出图第章6课程设计总结本次设计通过物料平衡和热平衡的计算，设备的选型及计算，再结合锌精矿沸腾焙烧炉生产实践，设计了一个冶金沸腾焙烧炉温度控制系统这次设计采用串级控制系统，根据被控过程特性及生产工艺要求，通过相关书籍资料以及网络媒体，合理的选择了本次设计需要的变送器、控制器、和调节阀，其中的执行器、控制器、变送器等都选用了可靠性高、造价低及开发周期短的优秀设备，使我对更多产品有了更深刻的了解通过过程控制系统的选择，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一，合理选择气动阀的气开气关方式以及控制器的正反作用的分析通过软件对本次设计进行模拟仿真，得到了科学准确的数据，更有利的说明本设计是能实现任务要求的参考文献

[1]金以慧，方崇智编.过程控制.清华大学出版社，

2010.

[2]薛定宇编.控制系统辅助设计.清华大学出版社，

2008.

[3]张毅，张宝芬编.自动检测技术及仪表控制技术.化学工业出版社，

2009.

[4]周泽魁编.控制仪表及计算机控制装置.化学工业出版社，

2009.

[5]王兆安，黄俊编.电力电子技术.机械工业出版社，

2000.

[6]刘迎春.传感器原理设计及应用.国防科技大学出版社，

1997.

[7]周庆海，翁维勤编.过程控制系统工程设计.化学工业出版社，

1992.

[8]朱瑞、张鹏等.自动温度控制系统.济南山东大学，

2.1任务分析根据本系统分析，该系统是对沸腾焙烧炉温度的控制，所以被控参数为焙烧炉出口温度在检测温度之后如果及设定值有偏差，需要对调节阀开度进行调节，即调节阀控制给料流量，所以控制参数为给料流量

2.2方案选择方案一采用单回路控制系统单回路控制系统是指由一个测量元件及变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控过程组成，并只对一个被控参数进行控制的单闭环反馈控制系统温度传感器经变送器送到控制器直接控制电动执行器锌精矿沸腾焙烧炉过程，锌精矿由圆盘给料机送至皮带，经加料皮带将料送入炉内生产过程中放出热量，经过变送器Gm s传送到调节器Gc s及设定值进行比较调整作用于控制器Gv s,控制器根据调节器传送的值调节阀门的开度来控制冷却水的流量，以此控制焙烧炉内的温度方案二采用串级控制系统采用串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，它增加了一个副控制回路，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，采用串级控制系统有两个闭合回路，主回路和副回路，主、副调节器串联工作；主调节器输出作为副调节器设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作,实现对主参数的定值控制串级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，使主参数能准确地控制在工艺规定的范围之内串级调节中，主、副调节器的放大倍数（主、副调节器放大系数的乘积）可整定得比单回路调节系统大，因此，提高了系统的响应速度和抗干扰能力，也有利于改善调节品质串级调节系统中，副回路中的调节对象特性变化对整个系统的影响不大，而当主调节参数操作条件变化或负荷变化时，主调节器又能自动改变副调节器的给定值，提高了系统的适应能力，由于副回路控制通道环节少,时间常数小，反应灵敏，所以当干扰进入副回路时，串级系统可以获得比单回路系统更快的控制作用，有效的克服燃料压力或热值变化对原料出口温度的影响，从而大大提高了控制质量，所以本设计应该选择方案二串级控制系统图

2.2串级系统结构图压力变送器*温度变送器图

2.3串级系统方框图第草3仪表选择

3.1变送器的选择本设计选用串级控制系统选用JCJ100G温度变送器和3051压力变送器JCJ100G温度变送器如图

3.1所示图

3.1温度变送器JCJ100G温度变送器将热电热偶所测的温度变化通过电路处理，经信号放大后转化成标准的电压或电流信号信号可以供数字仪表、记录仪、模拟调节器、DCS系统，广泛用于工业生产过程检测及控制系统本温度变送器采用优质电子器件，性能远高于其他同类产品,物美价廉输出信号一般为两线制电流信号，其具有以下优点

1、二线制输出4-20mA,抗干扰能力强；

2、节省补偿导线及安装温度变送器费用；

3、测量范围大；使用率高，标准级输出信号；

4、冷端温度自动补偿，非线性校正电路技术参数输出信号4-20mA0-5VDC0-10VDC输入信号热电阻:Ptl00Pt500Ptl000Cu50。