控制系統綜合設計
題目換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統設計 目錄
摘要 1
第一章緒論 2
1.概述 2
2. 設計任務 2
3. 設計目的與意義 2
第二章換熱器工藝流程介紹 3
1.工藝流程圖 3
2.工藝過程簡述 3
3.控制方式的選擇 3
第三章硬體的選擇與設計 4
1. 感測器的選擇 4
2. 調節器的選擇 6
3. 執行器的選擇 8
4.組態軟體的選擇 10
第四章總體設計 10
1. 系統組成 10
2. 組態王介面設計 11
第五章**除錯 12
設計小結 13
參考文獻 14
摘要 換熱器作為工藝過程中必不可少的單元裝置，廣泛地應用於石油、化工、動力、輕工、機械、冶金、交通、製藥等工程領域中。據統計，在現代石油化工企業中換熱器投資約佔裝置建設總投資的 30%~40%；在合成氨廠中，換熱器約佔全部裝置總台數40%。由此可見，換熱器對整個企業的建設投資及經濟效益有著重要的影響。
目前,換熱器控制中大多數仍採用傳統的pid控制,以加熱、冷卻、介質的流量作為調節手段,以被加熱冷卻、工藝介質的出口溫度作為被控量構成控制系統,對於存在大的負荷干擾且對於控制品質要求較高的應用場。本文主要介紹了換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統的設計過程，通過對硬體和軟體兩部分的設計，從而實現對換熱器冷卻水出水口溫度的控制。
第一章緒論
1.概述
隨著工業的迅速發展，能量消耗量不斷增加，能源緊張己成為乙個世界性的問題。近幾年來，我國在節能方面雖然已取得很大的成績，但能源的**矛盾依然十分尖銳。我國的能源利用率很低，只有28%左右。
由此可見，我國在節能方面存在著很大的潛力。
換熱器在節能技術改造中具有很重要的作用，表現在兩個方面:一是在生產工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器的效率，顯然可以減少能源的消耗，同時，提高換熱器的控制效果，也可以充分滿足工業生產對於溫度的需求，顯著提高產品的質量;另一方面，用換熱器來**工業餘熱，可以顯著的提高裝置的熱效率。因此，換熱器的正確使用、合理設計、控制效能改善等對能源有效利用及開發有著十分重要意義。
2.設計任務
換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統設計主要是對換熱器換熱器溫度控制系統冷卻水出口水溫度的控制，通過控制不同的引數，是冷卻水的溫度達到所要求的溫度。這個過程的選擇是依據當代工業發展對能源節省的要求，通過計算機的控制，實現這個過程。
這個過程的實現，首先是通過感測器將控制物件的引數傳遞給變送器，然後經過智慧型儀器傳送給計算機，實現計算機對這個系統的控制。計算機採用組態王進行控制。
圖1設計流程圖
按照圖1所示的流程進行這次的設計。
3.設計目的與意義
換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統設計，首先是對大學三年所學知識的檢查。在過去三年我們學習了各方面關於自動控制的知識。然而很少的課程可以將這些課程進行綜合的考察。
換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統設計剛好滿足了這個要求。它的設計需要多方面的知識，不是單方面就可以完成的。其次是對部分工業生產過程的認識。
換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統設計完全是按照實際設計一套產品的流程進行的，雖然所做的是簡單的。但是這很好的讓我們知道了工作生產過程的相關事項。然後就是我們進入社會前的一次嘗試吧！
可以讓我們為以後的工作打下一定的基礎。
換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統設計可以讓我們懂得更多的知識，讓我們學會如何去查閱資料以及如何去設計一件產品。通過這套系統的設計，成功的減少資源浪費的現象，符合節約型社會對能源利用率的要求，而且可以更好的利用能源。
第二章換熱器工藝流程介紹
1.工藝流程圖
以高階換熱系統工藝流程為例
圖2高階換熱系統工藝流程
2.工藝過程簡述
在生產過程中，通過上位機進行系統調節，使得流出水的溫度達到預定的溫度。這時，通過執行器fvi103調節冷卻水進入換熱器的流量和fvi105調節熱流流出的流量，從而進行流出水溫度的控制。在這個過程中，對溫度的監控是核心。
不同的控制方式會達到不同的控制效果。
3.控制方式的選擇
3.1控制物件選擇
換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統中，存在多種影響溫度的因素。如冷水的流量、熱流的流量等。根據溫差越大，散熱越快的物理現象來看，可以選擇控制冷卻水的流入量，相應的是將熱流流量設定為定值。
控制冷卻水流量的方法又分為兩種，第一是通過控制水幫浦，從而來控制冷卻水的流量，一種是控制調節閥門來控制。對於簡單的溫度調節系統來看，對水幫浦的調節相對來說較複雜，所以選擇用調節閥來進行調節。
3.2控制方式選擇
通過對換熱器溫度調節系統的研究，單從控制方式來說，可以選擇多種方式，比如正反饋調節、負反饋調節、串級調節等。但是從效果上來說，不同的調節方式達到的效果是不同的。調節的精度也是不同的。
根據實際的需要選擇合適的方法是必須的。
本次的課程設計是換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統，相對換熱器溫度控制系統來說相對的簡單。所以採用的控制方式也相對的簡單。在各種控制方式中，最終選擇的是負反饋調節
反饋系統的工作原理是：根據系統輸出變化的資訊來進行控制，即通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，並消除偏差以獲得預期的系統效能。在反饋控制系統中，既存在由輸入到輸出的訊號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的訊號反饋通路，兩者組成乙個閉合的迴路。
因此，反饋控制系統又稱為閉環控制系統。反饋控制是自動控制的主要形式。在工程上常把在執行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統稱為自動調節系統，而把用來精確地跟隨或復現某種過程的反饋控制系統稱為伺服系統或隨動系統。
根據課題的要求，可以畫出控制系統框圖。
圖3控制系統框圖
其中被控物件gp(s)、控制閥**(s)、測量變送元件gm(s)組合在一起成為廣義被控物件；f(s)為干擾通道的傳遞函式；gc(s)是控制器傳遞函式；r（s）為設定的溫度值，y（是）為冷卻水出口實際溫度值。
第三章硬體的選擇與設計
1.感測器的選擇
對換熱器冷卻水出口溫度組態監控系統中，我們知道對溫度的要求不是很高，大約在0℃到20℃。所以選擇一般的測溫軟體就可以了。熱電偶測溫就可以了。
熱電偶是一種感溫元件 , 它把溫度訊號轉換成熱電動勢訊號 , 通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質導體組成閉合迴路 , 當兩端存在溫度梯度時 , 迴路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在 seebeck 電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端， 溫度較低的一端為自由端，自由端通常處於某個恆定的溫度下。
根據熱電動勢與溫度的函式關係 , 製成熱電偶分度表 ; 分度表是自由端溫度在 0 ℃ 時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶迴路中接入第三種金屬材料時 , 只要該材料兩個接點的溫度相同 , 熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入迴路中的影響。因此 , 在熱電偶測溫時 , 可接入測量儀表 , 測得熱電動勢後 , 即可知道被測介質的溫度。
根據以上可以選擇k型熱電偶。
熱電偶測量出來的型號要通過變送器進行傳遞。綜合考慮可以從ddz-ⅲ型中進行選擇。因為它的電流範圍不是從零開始，這樣就避免了把儀表不能正常工作誤認為是輸出為零，所以應選擇ddz-ⅲ型k型熱電偶溫度變送器——dz-5130k型熱電偶溫度變送器。
圖4k型熱電偶溫度變送器
相關引數如下：
表1 dz-5130的主要技術指標
表2 產品型號表
圖5 dz-5130接線圖
其中端子1、2為輸入，3、4為補償電阻，5、6為輸出1~5vdc，7、8為電源。
2.調節器的選擇
2.1調節器控制規律的選擇
調節器的作用是對來自變送器的測量訊號與給定值比較所產生的偏差e(t)進行比例(p)、比例積分(pi)、比例微分(pd)或比例積分微分(pid)運算，並輸出訊號到執行器。選擇調節器的控制規律是為了使調節器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設計的系統能滿足生產工藝對控制質量指標的要求。
比例控制規律(p)是一種最基本的控制規律，其適用範圍很廣。在一般情況下控制質量較高，但有餘差。此外，當過程慣性時延較大時，由於純比例作用在起始段動作不夠靈敏，因而超調量較大，同時加長了過渡過程時間，於是純比例作用的應用受到了限制。
對於過程控制通道容量較大，純時延較小，負荷變化不大，工藝要求又不太高的場合，可選用比例控制作用。
比例控制規律(p)的微分方程數學模型為：
比例積分(pi)控制規律，由於引入積分作用能消除餘差，所以當過程容量較小，負荷變化較大，工藝要求無餘差時，採用比例積分控制規律可以獲得較好的控制質量。但是當過程控制通道的純時延和容量時延都較大時，由於積分作用容易引起較大的超調，可能出現持續振盪，所以要盡可能避免用比例積分控制規律，不然會降低控制質量。通常對管道內的流量或壓力控制，採用比例積分作用其效果甚好，所以應用較多。
比例積分(pi)控制規律的微分方程數學模型為：
比例微分(pd)控制規律，由於引入微分，具有超前作用，對於被控過程具有較大容量時延的場合，會大大改善系統的控制質量。但是對於時延很小，擾動頻繁的系統，由於微分作用會使系統產生振盪，嚴重時會使系統發生事故，所以應盡可能不用微分作用。
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