课 程 设 计 说 明 书
学生姓名: 学 号:
学 院: 机械工程动化学院
专 业: 程装备控制工程
题 目: 燃烧式工业窑炉温度值控制系统设计
指导教师: 职称
职称
职称
2012 年1 月 4 日
课程设计务书
20112012 学年第 1 学期
学 院: 机械工程动化学院
专 业: 程装备控制工程
学 生 姓 名: 学 号:
课程设计题目:燃烧式工业窑炉温度值控制系统设计
起 迄 日 期: 2011年12月19日~2012 年1月5日
课程设计点:
指 导 教 师:
系 :
达务书日期 2011年12月19日
课 程 设 计 务 书
1.设计目:
(1)培养学生运程检测仪表控制技术相关课程知识结合毕业实中学实践知识独立分析解决实际程控制问题初步具备设计程控制系统力
(2)运工程方法通简单课题设计练学生初步体验程控制系统设计程设计求完成工作容具体设计方法
(3)培养学生独立工作力创造力综合运专业基础知识解决实际工程技术问题力
(4)培养查阅图书资料产品手册种工具书力
(5)培养编写技术报告编制技术资料力
2.设计容求(包括原始数技术参数条件设计求等):
程检测仪表控制课程学生产实现场实际程控制策略实际环节控制系统定认识解基础针实践环节中控象(控制装置)独立完成控制系统设计通调节系统控制参数达较控制效果
1 确定系统整体控制方案系统构成方式出控制流程图
2 现场仪表选型编制关仪表信息设计文件
3 出控制系统方框图
4 分析控象特性选择控制算法
5 进行系统仿真调节控制参数分析系统性
6 写出设计工作结完成设计程进行关步骤:设计 思想指标证方案确定参数计算元器件选择原理分析等作出说明完成设计作出评价整设计工作中验教训总结收获
3.设计工作务工作量求〔包括课程设计计算说明书(文)图纸实物样品等〕:
1.确定系统整体控制方案仪表选型系统控制流程图选择控制算法
2.撰写课程设计说明书份(A4纸)
4.参考文献:
[1]程装备控制技术应 王毅 编 化学工业出版社
[2]程动化仪表 俞金寿 编 化学工业出版社
[3]工业程控制工程 王树青 编 化学工业出版社
[4]控制仪表装置 吴勤勤 编 化学工业出版社
[5]程控制仪表 徐春山 编 冶金工业出版社
[6]程装备成套技术设计指南工程 黄振仁 编 化学工业出版社
[7]程控制装置 张永德 编 化学工业出版社
[8]化工单元程设备课程设计 匡国柱 编 化学工业出版社
[9]化工设备设计设计手册() 朱庭 编 化学工业出版社
[10]工业程检测控制 孟华 编 化学工业出版社
5.设计成果形式求:
提供课程设计说明书份求容设计程相符格式符合规定求
系统控制流程图份
6.工作计划进度:
2011年12月19日 12月21日 确定系统整体控制方案系统构成方式画出控制流程图完成仪表选型接线图
12月22日 12月25日 控制系统方框图分析控象特性选择控制算法
12月26日12月28日 进行系统仿真调节控制参数分析系统性
12月29日12月31日 编写课程设计说明书
1月4 日 答辩
系审查意见:
签字:
年 月 日
目 录
1 概述……………………………………………………………………………… 7
2 控象特性研究…………………………………………………………… 7
21 控变量选择 …………………………………………………………… 8
22 操变量选择 …………………………………………………………… 8
23 控象数学描述 ……………………………………………………… 8
3 燃烧式工业窑炉温度控制原理控制方案确立 ………………………… 9
4 程检测仪表选…………………………………………………………… 10
41 测温元件温度变送器 …………………………………………………… 10
42 执行器 ……………………………………………………………………… 11
43 调节器 ……………………………………………………………………… 12
5 参数整定………………………………………………………………………… 12
6 实验仿真………………………………………………………………………… 13
7 课程设计总结…………………………………………………………………… 17
8 参考文献………………………………………………………………………… 17
1概述
燃烧式工业窑炉耐火材料砌成煅烧物料烧成制品设备般型窑炉燃料重油轻柴油煤气天然气窑炉通常窑室燃烧设备通风设备输送设备等四部分组成窑炉致分 箱式井式梭式网带式回转式窑车式推板式隧道电阻炉真空炉气体保护炉超高温式推板炉(碳炉)钨钼粉焙烧炉原炉等种高中低温工业窑炉工作温度200~2500℃ZnO压敏电阻器避雷器阀片结构陶瓷纺织陶瓷PTC&NTC热敏电阻器电子陶瓷滤波器片式电容瓷介电容厚膜电路片式电阻磁性材料粉末冶金电子粉体稀土化工聚焦电位器陶瓷基板高铝陶瓷金属化触头材料硬质合金材料钨钼材料等烧成
次课程设计完成燃烧式工业窑炉温度定值控制系统设计采值控制系统实现两两参数符合定例关系控制系统称值控制系统通常保持两种种物料流量定例关系系统称流量值控制系统
值控制系统分:开环值控制系统单闭环值控制系统双闭环值控制系统变值控制系统串级值控制组合系统等
次设计中窑炉甲烷作燃料空气甲烷分通入炉进行燃烧甲烷充分燃烧方程式空气中含氧量约20出空气流量甲烷10倍保证甲烷充分燃烧假设空气供应充足气压恒定采开环值控制系统
次课程设计中简化系统模型便分析采假设:
1燃料天然气加热介质陶瓷陶瓷厚度7厘米
2窑炉绝热炉废渣带走热量
2控象特性研究
燃烧式工业窑炉耐火材料砌成煅烧物料烧成制品设备工作原理燃料进入炉燃烧发出热量部分加热介质吸收部分维持炉整环境温度满足工艺需必须炉温度维持定范围影响炉温度素燃料进料流量通控制燃料进料流量控制炉温度
21控变量选择
控变量生产程中希保持定值获定规律变化程参数燃烧式工业窑炉温度控制系统中希炉温度保持定范围炉温度作控变量
22操变量选择
控制系统中克服干扰控变量影响实现控制作变量操变量燃烧式工业窑炉燃料流量炉温度影响燃料流量作操变量
23控象数学描述
燃烧式工业窑炉控制原理通控制燃料进料流量控制炉温度
图2 燃烧式工业窑炉温度控制示意图
现假设空气充足燃料够充分燃烧窑炉绝热没热量损失燃料燃烧热量部分加热介质吸收部分维持窑炉整环境定温度范围现假设窑炉整空气环境拥热量Q燃料体积流量燃料燃烧值空气质量空气热容加热介质传热系数传热面积炉温度加热物质空气原始温度
根热量关系
中
式带入(1)式
式进行增量化
式进行拉普拉斯变换
现假设燃料甲烷加热物质陶瓷
陶瓷厚度007m长02m宽01m
甲烷燃烧值
空气质量
空气热容
陶瓷传热系数
陶瓷传热面积
数带入(2)式
3燃烧式工业窑炉温度控制原理控制方案确立
燃烧式工业炉工作方式:燃料进入炉燃烧热量两部分部分加热介质吸收部分维持炉整环境温度
影响炉温度素燃料进料流量通控制燃料进料流量控制炉温度
控制方案采值定值控制系统方框图:
图1 值定值控制系统方框图
控制务求知燃烧式工业窑炉温度值控制系统单点恒值控制控制范围控制精度求般功特殊求采广泛PID控制
4 程检测控制仪表选
41 测温元件变送器
根生产实践现场条件仪表性选普通热电偶测温仪表热电偶温度仪表基热电效应原理制成测温仪器热电偶电测仪表连接导线组成核心元件热电偶热电偶温度计特点:
①测温精度高性稳定
②结构简单易制造产品互换性
③温度信号转换电信号便信号远传实现点切换测量
④测温范围广达200~2000℃
⑤形式样适种测温条件
选体化温度变送器Sure301系列热电偶热电阻体化温度变送器(简称温度变送器)温度传感器信号转换器组成
产品国家级仪器仪表防爆安全监督检验站测试合格防爆合格证GYB97142GYB97143GYB97144GYB97145广泛石油化工冶金机械煤炭电站船泊国防等部门测量液体气体蒸汽
等介质温度 图3 热电偶温度检测变送器
■热电偶测量范围:0~1200℃
■测量精度:热电阻±02热电偶±1~±2冷端补偿±2℃60℃
■温度漂移:±0025℃年漂移<±05
■供电电压:24VDC±10(420mA电流型模块低工作电压需10V余供负载)
■负载力:0600欧姆(24V电压时)电压变化影响<0015V
■环境湿度<85腐蚀性
42 流量计
流量计检测甲烷流量空气流量进行值控制次设计中选取涡轮流量计具压损测量精度高量程范围宽道安装求低抗扰动性强性稳定重复性等优点广泛工业领域燃气种气体城市燃气天然气贸易计量
选 ZBWL9099型涡轮流量计
■精确度:±05±10重复性优±02
■输出信号:420mA电流信号
■工作压力:016Mpa
■环境温度:30℃~+60℃介质30℃~+60℃
43 执行器
执行器作接受调节器送控制信号动改变操量(介质流量)达控参数进行调节目电动执行器执行机构调节机构(阀体)两部分组成
考虑调介质工艺条件流体特性选择调节阀分角行程(DKJ型)直行程(DKZ型)两种原理电路原理完全相输出机械传动部分区特性电动执行机构分例式积分式根实际情况介质特性选直行程(DKZ型)例式电动执行器输出直线位移输入电流信号成正
标准技术参数
阀体型式:直通铸造球形阀
阀尺寸:DN20~200
额定压力:PN 16PN40PN63PN100
连接形式:法兰(标准型)
法兰标准:钢制法兰GB91132000JB|T94
密封面型式:PN16突面
材料:阀体阀组件材料配套工作温度范围参ZMA|BM
压盖形式:压板式
填料:V型聚四氟乙烯填料柔性石墨填料
垫片:型式齿型型 材料F4|改性F4锈钢+石墨
结构形式:压力衡型式
阀芯:柱塞型
套筒:金属密封 线性特性(LG)
执行机构
型式:电动(电子)式执行机构
381LSA|XA08381LSA|XA—20
阀作:正
控制动作:例控制
输入信号:4—20mADC(负载电阻500)
功耗:A型|50VAB型|150VAC型|220VA
保护等级:IP55
出线连接:普通S型G1|2防爆X型G3|4
环境温度:空间加热器10~60
空间加热器35~60
防爆X型 10~40 图4 电动执行器
环境温度: 普通S型95
防爆X型45~85
防爆等级:ExdllBT4
载保护:AB型选C型必配
手动装置:带手柄
44 调节器
调节器称控制器构成动控制系统核心仪表作参数测量值规定参数值相较出调量偏差根定调节规律产生输出信号推动执行器工作生产程进行动调节
目前中国工业广泛应DDZⅢ型电动调节仪表具良性采取安全火花型防爆措施具先进防爆结构选DTZ2100型全刻度指示调节器
表1 DTZ2100型全刻度指示调节器相关参数
输入信号
1~5VDC
定信号
1~5VDC
外定信号
4~20mADC
调节作(例+积分+微分)
例带:2~500
积分时间:001~25分
微分时间:004~10分(切)
输入定指示表
指示范围:0~100误差:1
输出指示表
指示范围:0~100误差:25
输出信号
4~20mADC
负载电阻
250~750Ω
工作条件
环境温度:0~45℃
工作振动:频率25Hz
5参数整定
热电偶温度体化变送器
电动执行器选直线型流量调节阀
PID调节器运验试凑法进行参数整定根调节器参数验数表次设计控制窑炉温度选择
表2 调节器参数验数
系统
参数
温度
流量
压力
液位
2060
40100
3070
20100
310
011
043
053
6实验仿真
实验仿真PID调节器参数整定
时响应曲线够较效果
实验仿真结果:
图5 实验连接图
图6 空气流量实验响应曲线图
图6 炉温度实验响应曲线图
7课程设计总结
次课程设计通燃烧式工业窑炉工作原理分析结合题目求采值控制系统炉温度进行定制控制决定选炉温度作控变量选燃料进料流量作操作变量通系统分析建立控象数学模型然选合适检测变送器执行器调节器调节规律采PID调节参数通验试凑法进行整定然运matlab软件进行仿真修改调节器参数理想响应曲线
通次课程设计值控制系统进步解学会选择控变量选择操变量够简单控象建立相应数学模型加深PID调节规律理解学会整定PID调节参数够初步检测变送器执行器进行选型时加强matlab软件运力
8参考文献
[1]程装备控制技术应 王毅 张早校编 化学工业出版社
[2]动控制原理 胡寿松 编 科学出版社
[3]程装备成套技术设计指南工程 黄振仁 编 化学工业出版社
[4]程控制工程 梁昭峰 李兵 裴旭东 编 北京理工学出版社
[5]工业窑炉节技术 王学涛 编 化学工业出版社
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