PLC换热器热流出口温度组态监控.docx
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PLC换热器热流出口温度组态监控
换热器热流出口温度组态监控系统设计
摘要:
换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备,广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。
据统计,在现代石油化工企业中换热器投资约占装置建设总投资的30%~40%;在合成氨厂中,换热器约占全部设备总台数40%。
由此可见,换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。
目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热(冷却)介质的流量作为调节手段,以被加热(冷却)工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合。
本课题利用智能仪表控制系统,结合组态王监控软件设计人机对话界面,实现热换器热流出口温度组态监控系统设计。
通过对现场系统数据的采集处理,在组态王中实现动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线和报表输出等功能。
同时利用智能仪表控制系统,在所设计的组态王监控界面中,进行相关仪表调校和控制器参数整定。
最后向用户提供热换器热流出口温度控制系统的动态运行结果。
关键字:
热换器;组态王;智能仪表;PID控制;温度
目录
1设计目的和意义1
2设计内容1
3控制方案3
3.1被控对象分析3
3.2控制系统原理4
3.2.1换热器的工作原理4
3.2.2换热器的动态特性4
3.2.3组态软件工作原理5
3.2.4PID离散控制原理5
4系统设计6
4.1硬件选择6
4.1.1变送器选型6
4.1.2检测元件选型7
4.1.3执行器选型8
4.1.4调节器选型9
5软件设计描述9
6系统组态仿真结果10
结束语11
参考文献12
1设计目的和意义
换热器是在化工、制冷、石油等行业广泛使用的热交换设备。
在换热器的应用中,由于生产工艺的要求,需要控制工艺介质的出口温度。
传统上控制途径有四种:
调节载流体的流量、调节载流体的企划温度、将工业介质分路和调节传热面积。
在大多数情况下控制变量选择调节载热体的流量,然而PID调节技术是最成熟、应用最广泛的一种调节方式,其调节的实质是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系进行运算,其运算结果用于输出控制。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境的基础之上,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态王6.5提供了资源管理器式的操作主界面,并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持和多种硬件驱动程序。
为了对以上热换器和组态软件更深入的了解,做了此次课程设计。
通过这次课程设计可以巩固了书本上的理论知识,也对大学里学的知识有了一个很好的总结和概括,特别是在过程控制和组态方面的理论知识有了个很好整理和应用。
同时要把这些大学学的理论应用今后的工作中去又是一个漫长的过程,通过这次课程设计也希望能为今后的学习和工作打下良好的基础,另外也希望自己的探索研究能力,查找和收集资料的能力得到相应的锻炼和提高。
2设计内容
换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。
这个对象的特点是:
热流体和冷流体通过对流热传导进行换热,从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。
换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象(出口温度)组成闭合回路。
被调参数(换热器出口温度)经检验元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号,测量值与给定值的差值送入调节器,调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。
冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程,通过热传导,从而使热流体的出口温度降低。
热流体加热炉加热到某温度,通过循环泵流经换热器的管程,出口温度稳定在设定值附近。
冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程,与热流体交换热后流回蓄电池,循环使用。
在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀,可以调节冷热流体的大小。
在冷流体出口设置一个电功调节阀,可以根据输入信号自动调节冷流体流量的大小。
进而监测并控制热换器的热出口温度。
如图2-1所示为换热器热流出口温度监控系统方框图。
图2-1换热器热流出口温度监控系统方框图
根据图2-1可以看出来自冷流体流量方面的干扰因素包括在副回路内,因此可以大大减少这些扰动因素对于热流体出口温度的影响。
对于热流体流量和温度方面的干扰,采用此种控制系统也可以得到改善,具体控制效果明显改善。
综上所述,我们可以对上述控制系统方案的基本参数进行确定:
主回路:
热流体出口温度——冷流体流量控制回路
副回路:
冷流体流量——离心泵转速控制回路
主变量:
换热器出口温度
副变量:
冷流体流量
主检测变送器:
铂电阻温度传感器
副检测变送器:
涡轮流量传感器
执行器:
变频器
高阶换热系统工艺流程图如图2-2所示。
图2-2高阶换热系统工艺流程图
检测仪表及执行机构说明分别如表2-1、2-2所示。
表2-1检测仪表说明
表2-2执行机构说明
3控制方案
3.1被控对象分析
图2-1中,控制器,执行机构、测量变送器都属于自动化仪表,他们都是围绕被控对象工作的。
也就是说,一个过程控制的控制系统,是围绕被控现象而组成的,被控对象是控制系统的主体。
因此,对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。
只有深入了解被控对象的动态特性,了解他的内在规律,了解被控辩量在各种扰动下变化的情况,才能根据生产工艺的要求,为控制系统制定一个合理的动态性能指标,为控制系统的设计提供一个标准。
性能指标顶的偏低,可能会对产品的质量、产量造成影响。
性能指标顶的过高,可能会成不必要的投资和运行费用,甚至会影响到设备的寿命。
性能指标确定后,设计出合理的控制方案,也离不开对被控动态特性的了解。
不顾被控对象的特点,盲目进行设计,往往会导致设计的失败。
尤其是一些复杂控制方案的设计,不清楚被控对象的特点根本就无法进行设计。
有了正确的控制方案,控制系统中控制器,测量变送器、执行器等仪表的选择,必须已被控对象的特性为依据。
在控制系统组成后,合适的控制参数的确定及控制系统的调整,也完全依赖与对被控对象动态特性的了解。
由此可见,在控制工程中,了解被控制的对象是必须首先做好的一项工作。
被控对象为单容对象:
即
(3-1)
控制阀为比例控制:
即Gv(s)=Kv(3-2)
3.2控制系统原理
3.2.1换热器的工作原理
换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下:
冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程,通过热传导,从而使热流体的出口温度降低。
热流体加热炉加热到某温度,通过循环泵流经换热器的管程,出口温度稳定在设定值附近。
冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程,与热流体交换热后流回蓄电池,循环使用。
在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀,可以调节冷热流体的大小。
在冷流体出口设置一个电功调节阀,可以根据数入信号自动调节冷流体流量的大小,多级离心泵的转速由变频器来控制。
3.2.2换热器的动态特性
理论分析及工程实践都表明,换热器的动态特性可以用一个带延迟环节的一阶系统来描述。
其函数形式如公式(3-3)所示。
(3-3)
其中K,T,τ的确定方式如下:
a)对换热器做一组阶跃响应试验,得到阶跃响应曲线。
b)在阶跃响应曲线中,系统达到给定阶跃值的28.3%和63.2%所对应的时间t1,t2。
c)其中T=3×(t1−t2)2,τ=t2-T;K是放大系数,其大小等于被控变量的最大改变值与操纵变量的最大改变值之比。
3.2.3组态软件工作原理
图3-1组态软件工作原理示意图
如图3-1所示为组态软件工作原理示意图。
组态软件提供一种友好的人机界面,运用用户编写的脚本程序,通过对扰动的控制达到理想的目标。
工作原理如图1所示。
扰动可以是用户设定值,也可以是环境中的扰动。
组态软件利用I/O设备与工业对象实现信息传递,主要运用下位机来实现,KINGVIEW6.5虽然支持多种传输协议,但工业对象的自身特性决定了组态软件采取的控制策略。
3.2.4PID离散控制原理
PID离散控制原理图如图3-2所示。
图3-2PID控制原理图
PID调节器各校正环节的作用
a)比例环节:
即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,调节器立即产生控制作用以减小偏差。
b)积分环节:
主要用于消除静差,提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数TI,TI越大,积分作用越弱,反之则越强。
c)微分环节:
能反应偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号的值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。
PID调节是系统控制中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式,其调节的实质是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系进行运算,运算结果用于输出控制。
控制原理图如图2所示。
这里采用增量型的离散PID控制算法。
如式(3-4)、(3-5)所示。
(3-4)
(3-5)
4系统设计
4.1硬件选择
4.1.1变送器选型
变送器是将各种被测参数如温度、压力、流量、液位等物理量转换成0~10mA或4~20mA直流统一标准信号,传送到指示、记录、调节等仪表或巡回检测装置、控制计算机,以实现对生产过程的自动检测和控制。
SBWR/Z系列一体化温度变送器模块是一种现场安装式温度变送单元。
采用二线制方式(电源输入与信号输出为两根公用导线),输出与被测温度成线性4~10mA电流信号。
SBWR/Z温度变送器模块可以安装于热电阻的接线盒内与之形成一体化结构,也可单独安装在仪表内作转换元件。
如图4-1所示为变送器接线图。
此系统中所选变送器的型号为SBWR/Z2□61,其技术参数如表4-1所示。
表4-1变送器技术参数
测量精度
±0.1%F.S
电源
24VDC
环境温度影响
±0.1%F.S/℃
环境温度
-25℃~+85℃
电源输出二线制
24VDC、4-20mA
贮存温度
-25℃~+125℃
长期稳定性
<1°/F.S/年
测量介质温度
-200℃~+1600℃
负载电阻
0-600Ω
响应时间
≤10mS
同时此种变送器有如下特点:
可具有防暴特性;先进的非线性矫正电路;漂移自矫正电路;独有的抗干扰电路;高精度冷端补偿电路;耐腐蚀、抗震性、可靠性好。
图4-1变送器接线图
4.1.2检测元件选型
温度是表征物体冷热的物理量。
与人类生活关系最为密切,是工业控制过程中的四大物理量(温度、压力、流量和物位)之一,也是人类研究最早、检测方法最多的物理量之一。
温度的测量与控制对保证产品质量、提高生产效率、促进国民经济的发展起着十分重要的作用。
测量温度的方法很多,从测量与被测介质接触与否来分,有接触式和非接触式测温两类。
接触式测温是通过测量体与被测介质的接触来测量物体温度的。
在测量温度时,测量体与被测介质接触,被测介质与测量体之间进行热交换,最后达到热平衡,此时测量体的温度就是被测介质的温度。
接触式测温的主要特点是:
方法简单、可靠、测量精度高。
非接触式测温是通过接受被测介质发出的辐射热来判断温度的。
非接触式测温的主要特点是:
测温上限原则上不受限制;测温速度较快,可以对运动提进行测量。
但是受到物体的辐射率、距离、烟尘和水汽的因素影响,测温误差较大。
当测量低于150℃是温度是,由于热电偶输出的热电动势很小,故常用热电阻测量温度。
热电阻温度计的最大特点是性能稳定、测量精度高、测量范围宽,同时还不需要冷端温度补偿,一般可在-270—900℃范围内使用。
热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的性质来测量温度的。
铂易于提纯,在氧化性介质中,甚至在高温时,其物理、化学性质稳定,测量精度高。
但是,在高温时易受到还原性介质玷污。
铂电阻不仅在工业上作为测温元件,而且还作为复现温标的基准。
在0~850℃范围内,铂电阻与温度的关系如式(4-1)所示。
(4-1)
式中Rt—温度为t时的电阻值;R0—温度为0℃时的电阻值。
A、B、C—常数,我国规定铂电阻的A=3.90802*10-3/℃;B=-5.80195*10-7/℃;C=-4.27350*10-12/℃。
满足上式关系的铂电阻,其温度系数α=0.003850/℃。
系统设计中采用的是接触式测温方法。
选用的是热电阻Pt100传感器。
为上海维连电子科技有限公司生产的T-2系列温度传感器。
该产品为德国进口芯片,精度高,固定螺纹安装,互换型好。
型号为T-2Pt100AGS,所代表的含义如表4-2所示。
表4-2热电阻型号
T-2
基本型号
G
温度范围(0~850℃)
Pt100
分度号
S
三线制接法
A
精度等级
4.1.3执行器选型
执行器(调节阀)由执行机构和调节机构(阀)两部分组成。
执行器是过程控制工程中的一个重要组成环节。
在一个工程控制系统中,接受调节器输出的控制信号,并转换成直线位移或角位移,来改变阀芯与阀座间的流通截面积以控制流入或流出被控过程的流体介质的流量,从而实现对过程参数的控制。
根据使用能源不同,执行器可分为气动执行器、电动执行器和液动执行器三类,在过程控制工程中,气动执行器应用最广,其次是电动执行器。
电动执行器的输入信号为DC4~20mA(DDZ-Ⅲ型)。
电动执行器动作迅速,其信号便于远传、并便于与计算机配合使用。
本设计选用的是Honeywell的电动执行器,型号为ML7420A3055-E,其特点是:
无需连杆,安装方便快捷,标准导管式接线连接,无需调整,阀门定位准确,低功耗,高的关断压力,终端推力限位开关,同步马达,0~10VDC或2~10VDC信号输入,正反作用可选,防腐设计。
4.1.4调节器选型
在这里选用DDZ-Ш型仪表,型号为DTZ-2100型全刻度指示调节器。
DTZ-2100型全刻度指示调节器是DDZ-Ш系列电动单元组合仪表中调节单元类的一个基型品种,它接收变送器或转化器的测量信号作为输入信号并以全刻度值进行显示,将输入信号与给定信号进行比较,对其偏差进行比例、积分、微分运算之后输出4-20mADC信号至操作端,通过执行机构控制压力、温度、流量、液位等工业参数,使其达到预期的效果。
5软件设计描述
本课程设计运用组态王软件进行监控仿真,对各个参数进行实时检测,实现控制系统整个启停工作,显示屏上有数字和曲线两种显示方式。
组态王开发监控系统软件,是新型的工业自动控制系统,它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层,对上连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与控制,且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
使用组态王实现控制系统实验仿真的基本步骤有:
a)图形界面的设计。
图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
b)构造数据库。
数据,是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,此设计中如液位量。
c)建立动画连接。
连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
d)运行和调试。
6系统组态仿真结果
系统组态仿真结果见附录所示。
参考文献
[1]张毅.自动检测技术及仪表控制系统.北京:
化学工业出版社.2008.
[2]周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.北京:
化学工业出版社.2008.
[3]金以慧.过程控制.北京:
清华大学出版社.2007.
[4]胡寿松.自动控制原理.北京:
科学出版社.2006.
[5]王平主.仪器仪表.北京:
新时代出版社.2002.
[6]叶江祺,《热工测量和控制仪表的安装》,中国电力出版社。
[7]刘自放,《热工检测与自动控制》,中国电力出版社。
[8]卢胜利,《智能仪器设计与实现》,重庆大学出版社。
[9]吴勤勤,《控制仪表装置》,第三版,化学工业出版社。
[10]蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程[M].北京:
烃加工出版社,1988.
[11]章熙民,任泽霈.传热学[M].北京:
中国建筑工业出版社,2001.
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