《过程控制系统》课程设计3#自蒸发器压力控制系统.doc

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1、中南大学过程控制系统课程设计报告设计题目 3#自蒸发器压力控制系统 指导老师 设计者 专业班级 设计日期 2011/1/12 目 录第一章 概 述 1 1.1 设计目的 1 1.2 具体任务 1 1.3 氧化铝生产的意义 1第二章 氧化铝高压溶出工序介绍 2 2.1 铝工业的国内外现状 .2 2.2 氧化铝生产过程 3 2.3 高压溶出工序 9第三章 氧化铝高压溶出工序生产设备及控制要求 12 3.1 双程预热器 .12 3.2 溶出器 13 3.3 自蒸发器 14 3.4 蒸汽缓冲器 15第四章 氧化铝高压溶出3#自蒸发器压力控制系统设计 17 4.1 总体方案论证 17 4.2 硬件设计

2、19 4.3 控制算法 23 4.4 软件设计 23第五章 3#自蒸发器压力控制系统调试 255.1比例、积分和微分的分析 255.2 PID参数整定方法 26第六章 总 结29 6.1 方案评价及改进方向 29 6.2 收获及体会 29参考文献31第一章 概述 1.1 设计目的综合控制理论，过程控制，微机控制，可编程控制器，软件程序设计等课程的相关理论知识，设计一个完整的3#自蒸发器压力控制系统，全面学习和掌握典型控制系统的设计方法，控制方法和调试技巧。1.2 具体任务设计一压力控制系统对3#自蒸发器的压力进行控制，要求是3#自蒸发器的压强值为1.2Mpa，误差0.1Mpa以内。1.3 氧化

3、铝生产的意义氧化铝主要用于电解生产铝，它占氧化铝总产量的90%以上。此外还供硅酸盐、耐火材料、机械、无线电、冶金、化工、制药等工业部门使用。铝和铝合金是国民经济、国防军工和民用制品的基础原材料。铝工业是国家的基础工业之一。高性能铝合金是制造飞机、潜艇、火箭、导弹、鱼雷、坦克的重要部件的原材料，被称为国家的战略物资。铝工业从上游到下游可分成三段：氧化铝是电解铝企业的原料，电解铝(铝锭)是铝加工企业的原料。目前每生产1吨铝需要2吨氧化铝。第二章 氧化铝高压溶出工序介绍2.1 铝工业的国内外现状2.1.1 铝工业的国内外现状我国具有丰富的铝土矿资源。迄今，我国已探明铝土矿矿区310处，分布于全国19

4、个省、自治区、直辖市，已探明保守储量23亿吨，位居世界第4，具备发展氧化铝工业的资源条件。 国内的氧化铝生产从50年代起步，8090年代得到了快速发展，年生产能力已达到近800万吨2008年氧化铝年产量约高达2465.6万吨，较去年同期提高26.44%，居世界前列 。由于矿石结构和组成的原因，国外富产氧化铝的国家主要采用拜耳法生产氧化铝。我国的铝土矿资源大部分为含硅高较难溶出的矿石，不适合直接采用世界上大多数国家采用的拜耳法生产工艺流程，绝大部分都是采用流程长、工艺复杂的混联法和烧结法生产的。2.1.2 国内氧化铝生产状况改革开放以来，为适应国民经济发展的需要，国家在铝土矿资源丰富的四省区内大

5、力发展氧化铝工业，规划并建成了山西铝厂，平果铝厂和中州铝厂等氧化铝项目采用新工艺、新技术和先进设备，加大对已有的山东铝厂、贵州铝厂和郑州铝厂的技术改造，提高产能，形成了六个氧化铝厂为基地的生产布局。为进一步发挥桂西和晋北铝土矿资源优势，国家规划建设华银氧化铝和晋北氧化铝基地，进一步扩大氧化铝产能，使氧化铝基地由六个增加到八个。民营企业发展迅速。大量非中铝系的民营及合资企业涉足氧化铝项目，使得国内氧化铝产能激增。三门峡东方希望公司、三门峡开曼公司、洛阳香江万基公司（新安铝电）以及山东、内蒙等地的民营企业迅速发展。铝业是朝阳产业，市场需求量大。据有关数据，2008年我国共生产氧化铝2465.6万吨

6、。2.2 氧化铝生产过程迄今为止，已经提出了很多从铝矿石或其他含铝原料中提取氧化铝的方法。由于技术和经济的原因，有些方法已被淘汰，有些还处于试验研究阶段。已经提出的氧化铝生产方法可以归纳为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前用于大规模工业生产的只有碱法。铝土矿的特点是化学组成和矿物组成多种多样，要采用不同的方法来处理。铝土矿处理方法和合理的工艺设备的选择取决于许多因素，其中主要的是：a.硅指数，b.原料中硫化物；碳酸盐和有机物的含量；c.铝化合物和硅化合物的矿物组成；d.氧化铁含量。我国铝土矿资源丰富，储量大；高铝、高硅、低铁；铝硅比较低，中低品位铝土矿居多；多数铝土矿是一水硬铝石型铝土

7、矿。碱法生产氧化铝使用碱（NaOH、Na2CO3）处理铝土矿，使矿石中的氧化铝转变成铝酸钠溶液，铁、钛等杂质和绝大部分硅则成为不溶解的化合物。将不溶解的残渣（赤泥）与铝酸钠溶液分离，残渣经过洗涤后丢弃或综合利用以回收其中的有用组分；铝酸钠溶液经净化后分解析出氢氧化铝，氢氧化铝经煅烧后成为氧化铝；分解后的母液经过蒸发浓缩后循环利用。 碱法生产氧化铝的实质是将铝转变为铝酸钠进入苛性碱溶液。铝原料中可溶SiO2含量越高，转变为不溶性沉淀的水合铝酸钠就越多。而从原料提取到铝酸钠溶液的氧化铝则越少。铝硅比是评价铝土矿质量和选择其具体处理方法的主要指数。生产氧化铝的碱式法有四种：烧结法、 拜耳法、 混联法

8、、 选矿拜耳法。2.2.1 拜耳法高温和高浓度的铝酸钠溶液处于介稳状态，而在温度和浓度降低的时候则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样的基础上的。铝土矿所含的一水和三水氧化铝在一定条件下（提高温度和浓度）以铝酸钠的形式进入溶液。在95100摄氏度时铝酸钠稳定，当降低温度和浓度时它转变为不稳定状态，析出氢氧化铝。图2.1 拜耳法生产流程按拜耳法制取氢氧化铝的过程：1）铝土矿的溶出铝土矿在溶出之前，先在矿山粗碎，然后再冶金混匀、中碎、细碎和湿磨。坚硬的铝土矿在工厂中用23级破碎，松软的用12级破碎。铝土矿在球磨机中湿磨，磨机与分级机或水力旋流器组成闭路循环。细磨过程在铝酸钠中进行，液固比

9、为0.81.0。大部分循环溶液在其加热溶出之前加入到分级机和搅拌槽中，以制备原矿浆。铝土矿的溶出应该在消耗最小而氧化铝进入溶液的溶出率最高的条件下进行。对于铝土矿的溶出速度和程度起作用的主要因素如下：温度、循环液的浓度和苛性比、铝土矿的细磨程度、原矿浆的搅拌速度和石灰添加量。温度是影响溶出过程的主要因素。为了达到目前实践中所允许的速度：a.三水铝石型铝土矿的溶出过程是在95100摄氏度进行的b.一水软铝石型铝土矿是在150200摄氏度进行的c.一水硬铝石型铝土矿是在230245摄氏度进行的。石灰石对一水软硬铝石型铝土矿的溶解速度和程度有十分良好的作用，向过程中添加石灰石对一水铝石型铝土矿的溶出

10、过程有很大的意义:铝土矿中未溶出的氧化铝一般为0.55%。2）赤泥的分离和洗涤铝土矿溶出后的浆液用赤泥洗涤过程得到的一次洗液稀释至 三氧化二铝的浓度为120150克/升。为了实现铝酸钠的脱硅并保证溶液黏度降低到赤泥分离过程能以工业要求的速度进行，这种稀释过程是必要的。赤泥的分离和洗涤方法和设备流程取决于铝土矿的处理方法。3）铝酸钠溶液的分解过滤之后的铝酸钠溶液，在分解前，在换热器中自95100摄氏度冷却到5055摄氏度，分解过程持续很长时间（5060小时）。4）母液的蒸发为了使拜耳循环闭路，根据铝土矿溶出条件将母液蒸发到氧化钠浓度为200300克/升的循环母液。蒸发水量取决于溶出温度和被洗涤的

11、赤泥的物理过程。蒸发过的 溶液冷却时，结晶出纯碱，随同析出的还有各种有机物和其他杂质。5）循环纯碱的苛化补充的纯碱以及溶液蒸发时析出的棕色纯碱都用石灰乳苛化，以制取苛性碱来补偿拜耳法中的碱损失。为了避免在沉淀中生成难溶的复盐，这个过程是在氧化钠的浓度约为100克/升的溶液中进行的。6）氢氧化铝的煅烧最后这道工序的目的是将氢氧化铝在12001250摄氏度煅烧使之成为成品氧化铝。2.2.2 烧结法所有类型的高硅原料都可以用这种方法处理。烧结法的实质是含铝原料与纯碱、石灰石一同烧结时原料中的硅转变为在碱溶液中难溶的化合物原硅酸钙，而铝和铁转变为铝酸钠和铁酸钠。含铝原料与纯碱、石灰石烧结时，各原始组分

12、的固体粉末之间的化学反应，是在有少量熔体存在下进行的。碱石灰烧结法生产氧化铝的基本原理是：将铝土矿、纯碱、石灰等原料按一定比例配制成生料浆，在高温下烧结，SiO2与CaO化合生成原硅酸钙、氧化铁与纯碱化合成铁酸钠、氧化铝与纯碱化合生成铝酸钠。熟料溶出时，铝酸钠（Na2O.Al2O3）进入溶液，铁酸钠（Na2O.Fe2O3）水解生成氢氧化钠和氧化铁的水合物，原硅酸钙（2CaO.SiO2）与氧化铁的水合物进入赤泥。铝酸钠溶液精制后大部分进行碳酸化分解、少部分进行晶种分解析出氢氧化铝，分离后的碳分母液和种分母液经蒸发后分别去配料和脱硅。氢氧化铝焙烧后成为氧化铝。图2.2 烧结法生产流程按制取氢氧化铝

13、的过程： 生料备制。 生料烧结 铝酸盐熟料的破碎和溶出。 泥渣的分离和洗涤及铝酸钠溶液的脱硅 溶液炭化分解，氢氧化铝的分离和洗涤 纯碱母液的蒸发 石灰石的煅烧和氢氧化铝的煅烧在处理铝土矿的烧结法中，循环的物料是纯碱而不是拜耳法中的苛性钠，溶液是用炭化方法来分解的。纯碱以蒸发后浓溶液形态返回到生料配制过程。2.2.3 混联法1）并联法在并联法中，大部分铝土矿按拜耳法处理，由烧结法处理的只是少部分。这两部分平行的进行直到成为铝酸钠溶液为止，然后将烧结法的脱硅的铝酸钠溶液与拜耳法部分的溶液 混合，再将混合的溶液加晶种分解。图2.3 并连法生产流程优越性： 可以在一个工厂里高硅和低硅两种铝土矿。 拜耳

14、法循环中的全部苛性碱损失都用铝土矿烧结时的苛化来补偿，降低了成本。 烧结法部分除了实现 纯碱的热化苛化，还增产一定量的氧化铝。 拜耳法赤泥经洗涤和过滤后，用烧结法回收其中的氧化铝和氧化钠 烧结法除了处理拜耳法赤泥外，还添加相当数量的低品位的铝土矿。 2）串联法在串联法中，铝土矿常压溶出或压煮溶出后的高氧化铝和氧化钠赤泥与纯碱和石灰石一同烧结。熟料溶出后的铝酸钠溶液经过脱硅，然后与稀释的拜耳法溶液混合到一起分解。母液蒸发出的棕色纯碱在烧结之前与赤泥、棕色纯碱返料、石灰石和霞石组成的。加入的霞石数量应该保证完全补偿拜耳法中苛性碱损失。图2.4 串联法生产流程在烧结过程处理赤泥时，生料的组成应该保证

15、在熟料中得到铝酸钠、原硅酸钙，或是合成铁酸钙。在烧结过程中氧化时催化剂。串联法适用于处理高硅铝土矿，具有以下优点： 有当量的纯碱来补偿苛性碱的损失。 原料中总氧化铝回收高。 烧结过程的生料流量较烧结法少。2.2.4 选矿拜耳法选矿拜耳法生产工艺与烧结法有很大不同，总体上可分为选矿和拜耳法两大部分。选矿部分主要包括磨浮选矿、矿浆调配等工段；拜耳法部分主要包括高压溶出、种子分解、过滤洗涤、焙烧等工段。图2.5 选矿拜耳法生产流程2.3 高压溶出工序2.3.1 高压溶出工序流程高压溶出工序属于拜耳法中的一个环节。它也是混联法生产氧化铝的生产过程中的重要工序。高压溶出的目的就是用苛性钠溶液把铝土矿中的

16、氧化铝溶出来。图2.6 高压溶出生产流程高压溶出的生产条件为：2.02.2 Mpa的高压；2450C 的高温。高压溶出的化学反应可以分为两大类：、氧化铝水合物的溶出反应，这是主反应。、各种杂质在溶出过程中的化学反应，这是副反应。2.3.2 溶出化学反应在常压下低碱浓度溶液中溶出三水铝石型铝土矿时，其中Al(OH)3与NaOH发生反应：用高碱浓度或用稀碱溶液在较高温度下溶出一水铝石型铝土矿时，反应如下：2.3.3 溶出速度铝土矿溶出属于多相反应，即液体和固体之间的反应，其特征是反应过程发生于两相（矿粒与碱液）的界面上。两相接触界面的OH-,由于不断反应而逐渐消耗，在靠近矿粒表面层的溶液中的OH-

17、浓度显著降低。同时，在这一层中的反应产物Al(OH)4-或Al(OH)2-的浓度则接近饱和，于是形成扩散层。OH-通过扩散层不断地向固相（矿粒）表面移动与氧化铝水合物反应，而反应产物Al(OH)4-或Al(OH)2-则不断地通过扩散层向外移动（离开矿粒），使反应能继续进行。因此，铝土矿的溶出过程可分为下列几步： (1) 循环母液湿润矿粒表面；(2)OH-与氧化铝水合物反应；(3)形成NaAl(OH)4或NaAl(OH)2扩散层；(4)Al(OH)4-或AlO(OH)2-从扩散层扩散出来，而OH-则从溶液中扩散到固液接触面上。铝土矿的溶出过程：在低温低碱浓度下的溶出速度随温度变化很快，因而在这种

18、情况下的溶出速度是决定于化学反应。在高温高碱浓度下，化学反应速度极快，此时溶出速度随温度变化而变化的幅度较小，因而这时溶出速度决定于扩散。溶出速度可以用下式表示：由溶出速度的表达式可得下式：当矿石一定时，其粘度一定，且P、S均为常数，则从式中可以看出通过控制温度T，可以控制反应速度。并且，通过提高温度来提高溶出反应的速度也是可行的。第三章 氧化铝高压溶出工序生产设备及控制要求高压溶出工序的生产设备主要包含四个部分：1）双程预热器2）溶出器3）自蒸发器4）蒸汽缓冲器它们全部是不同结构的高压罐。高压溶出工序生产设备的四个部分中，各部分高压罐的级数是由各工厂的实际情况和设计情况来定的。但是，各部分生

19、产设备的功能并不因工厂的不同而不同。在此次的课程设计中所做的高压溶出工序源自于郑州铝厂。因此，在后面介绍高压溶出工序各部分生产设备时，如涉及到具体的量或某高压罐的级数的话，那就是说它是针对于郑州铝厂而言的。首先对后面将要用到的符号作相应的解释： I -表示该监测量要显示 P-表示该监测量为压力 T-表示该监测量为温度 T-这个T是紧跟在压力或温度 后面的，表示该监测量要传送 F-表示该监测量为流量3.1 双程预热器双程预热器有四组双程预热罐。采用高压蒸汽间接加热。其内部是蒸汽管。矿浆在蒸汽管外，包围着蒸汽管，由600C被加热到1950C左右，称为预热。这时，因为矿浆温度低（反应温度为2450C

20、），所以还不能用于生产。预热器在此次控制系统未作要求。图3.1 双程预热罐双程预热器需要监测的量有以下一些：(1) 矿浆入口温度T11(2) 矿浆出口温度T12(3) 各级之间入口温度和各级之间出口温度T101-T106之所以要分上层预热器和下层预热器是因为氧化铝生产为流程工业，反应过程不能间断，需要一套备用。3.2 溶出器溶出器由九个高压罐串联构成，1#罐和2#罐用高压蒸汽直接加热使矿浆达到溶出温度（2450C左右）。溶出器内加热为直接加热，其效率较高，但是加热过程中由蒸汽带来了水份，使得矿浆溶液的浓度降低。溶出器的温度是溶出温度，对氧化铝的溶出率影响很大，保持溶出温度稳定，是提高溶出率的关

21、键之一。在溶出稳度低到一定值（240摄氏度），则控制变频调速装置，降低电机转速，减少进入高压溶出器的矿浆流量（每降低1摄氏度，则减少矿浆流量0.5%）；若溶出温度高到一定值（250摄氏度），则控制变频调速装置，提高电机速度，增加进入高压溶出器的矿浆流量（每提高1摄氏度，则增加矿浆流量0.5%），以保证溶出温度的稳定。矿浆经19溶出器后，形成一定的压差，为了保证正常生产，压差应尽量稳定在0.2MPa左右。 溶出器需要监测的量有:1#9#溶出器的压力PT401PT409以及就地仪表显示的量PI401PI409。在此次控制系统的设计中，溶出器部分包括3#溶出器温度控制和9#溶出器液位控制。 3#溶出

22、器需要将其温度控制在工艺要求的溶出温度245摄氏度左右，精度控制在+0.5摄氏度。而液位控制则采用两个数字开关量来表示正常和非正常情形。3.3 自蒸发器自蒸发器的作用主要是回收热量。它由五个高压罐组成，各级压力逐渐降低，由2.02.2Mpa下降到0.2Mpa。在压力下降的过程中，蒸汽会从矿浆中逸出。 其产生的蒸汽称为乏气。不同压力的乏气被送至双程预热器用作加热矿浆。图3.2 自蒸发器高压罐#自蒸发器 4#双程预热器#自蒸发器 3#双程预热器#自蒸发器 2#双程预热器#自蒸发器 1#双程预热器为了既充分利用乏汽又保证自蒸发器正常工况，选择自蒸发器压力作为监测量。自蒸发器需要监测的量有：自蒸发器各

23、级的压力PT501PT505；同时还有就地显示仪表PI501PI505。需要控制的压力PC ,不能过高亦不能过低。在此次控制系统的设计中，自蒸发器部分包括#，#，#自蒸发器压力控制三部分。氧化铝高压溶出工序蒸发器压力控制系统分为#自蒸发器的分步控制，通过这五步的控制使压力由2.02.2Mpa降到0.2Mpa。矿浆由#自蒸发器进入，通过调节蒸汽流量来控制自蒸发器的压力。给定的矿浆流量值经过调节蒸汽来达到所要求的#自蒸发器的出口压力值。之后矿浆进入到#自蒸发器，经调节最后由#自蒸发器流出，此时压力为所需要的值。压力的控制精度应为：+0.1Mpa。自蒸发器的压力控制可以通过控制蒸汽的流量来调节压力的

24、变化，用压力变送器来检测压力并返回控制。3.4 蒸汽缓冲器蒸汽缓冲器用于存储高压蒸汽，给1#溶出器和2#溶出器提供加热蒸汽。其高压蒸汽一般为2.4Mpa。它有稳定加热蒸汽压力的作用。在此次控制系统的设计中，蒸汽缓冲器部分包括蒸汽缓冲器压力控制。为了防止蒸汽缓冲器的矿浆倒流，其进口压力必须为3.3MPa,出口压力为3.15MPa，若蒸汽缓冲器的进出口压力降低了0.05MPa，则给出报警信号。图3.3 蒸汽缓冲器高压罐蒸汽缓冲器需要监视的量有：TT301和PT301；就地显示的量有：TI301和PI301。蒸汽缓冲器中的蒸汽来自锅炉房（热电厂）。有新蒸汽Z2、Z3加入。此处需要监测蒸汽的流量FT1

25、01和FT102（此处监测蒸汽流量主要是为了与锅炉房输出的流量作比较，用作蒸汽费用凭证）。新蒸汽的压力是由电动阀门的开度来调节。第四章 氧化铝高压溶出3#自蒸发器压力控制系统4.1 总体方案论证4.1.1 单回路控制系统方案单回路控制系统作为过程控制系统中最简单，最基础，应用最广泛的形式，可解决工业生产过程中大量参数定值控制问题。其压力控制基本形式如下图：调节器阀门自蒸发器压力变送器-图4.1 单回路系统压力控制基本形式其运用到3#自蒸发器上，控制系统构造如下图：乏气III#料浆PTPC图4.2 单回路系统3#自蒸发器压力控制（1） 确定被控变量被控变量为3#自蒸发器管内压强，给定值1.2Mp

26、a，要求误差在0.1Mpa以内。（2） 确定操纵变量影响3#自蒸发器罐内压强的有乏气放出量和料浆进入量，料浆进入量不可控，故选择乏气放出量为操纵变量。（3） 控制器正反作用的选择出现故障是应选择阀门全开以保证安全，故选择气关阀，Kv为为负；乏气出口开度增加，罐内压强减小，故对象增益Kp为负；检测变送环节Km为正；为保证为负反馈=KcKpKmKv大于零，因此应选择控制器增益Kc为正，即为反作用控制器。4.1.2 串级控制系统方案由于使用单回路控制系统调节时间偏大，运行时有较大的时间延迟，无法达到较好的控制质量。而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本也增加不大，却可以起到明显的提高控制质量的

27、效果。在此设计任务中，乏气出口的流量是影响压强的主要因素，其时间常数较小，故可以把它纳入负回路进行控制，不仅有效克服了乏气流量对压强造成的干扰，而且使系统的工作频率提高，能够对压强实行较快的控制。当然还有一些其他的复杂控制方法，例如前馈控制等，但这些方案难以用一般常规仪表来实现，在经济和便捷性上不如串级控制。故综上考虑，决定使用串级控制方案，其框图如下：图4.3 3#自蒸发器压力串级控制系统框图其运用到3#自蒸发器上，结构如下：III#乏气料浆PTPCFTFC图4.4 3#自蒸发器压力串级控制系统原理图4.2 硬件设计4.2.1 硬件连接由上面的所采用的控制方案可以得到，该控制系统硬件应该有四

28、部分组成：压力检测变送装置，流量检测变送装置，控制阀，控制器。控制器采用单片机实现。III#流量检测变送器流量调节器压力检测变送器压力调节器乏气料浆图4.5 硬件连接图4.2.2 控制器 在此采用两片单片机构成其控制器部分。一片负责对压力传感器所得到的压力进行判断，一片为主控制器，负责接收1#单片机与压力传感器所发送的信息，并作出判断，并对调节阀进行控制。图4.6 控制器结构示意图4.2.3 压力变送器依据操控变量，我们选取压力变送器（当压力传感器采用标准电压电流时，称为压力变送器）。依据被测压力的大小，确定仪表量程。在测量稳定压力时，争成操作压力值应在仪表测量范围上限值的1/32/3。在脉动

29、压力测量（如泵、风机和压缩机等出口处压力）时，正常操作压力值应在仪表测量范围上限值的1/31/2。在测量高、中压力（大于4MPa）时，正常操作压力不应超过仪表测量范围上限值的1/2。考虑到工业现场环境恶劣，温度、测量范围要求高，安全性能高，故做如下选择： 图4.7 3351/1151压力变送器技术参数如下：生产厂商： 杭州纽盛股份有限公司测量范围： 00.05kPa到025MPa 应用范围： 高可靠、高稳定性，高静压，抗过压强，可满足各种恶劣工业环境 典型运用： 工业流程控制量程范围： 表压：00.05kPa到025MPa，可约定过载范围： 与测量范围相关，最低1MPa，最高32MPa-具体参

30、数可索取精度等级： 0.1%F.S.，0.2 %F.S，0.5 %F.S工作电压： 1230VDC，24VDC输出信号： 420mA，15VDC，HART,可约定补偿温度： -1080，可约定介质温度： -2585 环境温度： -3085储存温度： -40125温度影响： 0.02%F.S./(典型值)具体参数可索取电气连接： 接线端子：防护等级： IP67螺纹接口： M20*1.5外螺纹，1/2NPT内螺纹，1/4NPT内螺纹，可约定抗振动性： 20g，205000HZ抗冲击性： 100g，11ms外壳材质： SUS304不锈钢、低铜铝合金使用寿命： 1108压力循环4.2.4 流量变送器图

31、4.8 图涡轮流量传感器LWGY-10B产品介绍LWGY型涡轮流量传感器（以下简称传感器）与相应的流量显示仪表（如XSF-40A、XSF-39系列流量积算仪）配套，可用于测量液体的瞬时流量或总流量。广泛用于石油、化工、冶金、科研等领域的计量、控制系统。根据需要，传感器可分为普通型和高精度耐磨型两种；放大器分为普通型和隔爆型两种。 技术数据 公称通径mm 流量范围(m3/h) 公称压力(MPa) 最大压损 (MPa) 基本误差0.2 基本误差0.5 基本误差1.0。4.2.5 压力控制阀产品型号：D73H对夹式硬密封蝶阀产品概述： 我厂引进能够国外先进技术的基础上，采用精密的J形弹性密封圈和三偏

32、心多层次金属硬密封结构，被广泛用于介质温度425的治金 、电力、石油化工、以及给排水和市政建设等工业管道上，作调节流量和载断流体使用。该阀采用三偏心结构，阀座与碟板密封面均采用不同硬度和不锈钢制作，具有良好的耐腐蚀性，使用寿命长，本阀具有双向密封功能，产品符合国家GB/T13927-92阀门压力试验标准。产品结构特点：1、本阀采用三偏心密封结构，阀座与蝶板几乎无磨损，具有越观越紧的密封功能。2、密封圈选用不锈钢制作，具有金属硬密封和弹性密封的双重优点，无论在低温和高温的情况下，均具有优良的密封性能，具有耐腐蚀,使用寿命长等特点。3、碟板密封面采用堆焊钴基硬质合金，密封面耐磨损，使用寿命长4、大

33、规格蝶板采用绗架结构，强度高，过流面积大，流阻小。5、本阀具有双向密封功能，安装时不受介质流向的限制，也不受空间位置的影响，可在任何方向安装。6、驱动装置可以多工位（旋转90或180）安装，便于用户使用。 图4.9 D73H对夹式硬密封蝶阀4.3 控制算法一般来说，对于串级控制系统，主变量不允许有余差。对于副变量的要求一般都不是很严格，允许它有波动和余差。为了主变量的稳定，主调节器必须具有积分总用。因此，主调节器通常都选用比例积分规律。有时，对象控制通道滞后比较大，应选择比例积分微分作用的调节器作为主调节器。副调节器的给定值随主调节器的变化而变化，为了能快速跟踪，副调节器一般不设置积分作用，微

34、分作用也不需要，因为当副调节器有微分作用时，一旦主调节器的输出稍有变化，执行机构就将大幅度地变化。但副调节器容量之后比较大时，可以适当加一点微分作用，一般情况下，副调节器只需要比例作用就可以了。本系统压力控制时间常数较小，故主调节器不需要微分作用，选用比例积分调节作用。而流量对象时间常数很小，副调节器只用比例作用。4.4 软件设计系统软件主要由主程序、采样程序、PID算法程序和一些子程序组成。主程序的主要功能是完成51单片机的初始化，设置压力给定值等。增量式PID算式为：-e(k-1)+Kie(k)+Kde(k)-2e(k-1)-e(k-2)主程序流程图如下：开始CPU初始化参数设定采样子程序

35、是否等于1.2Mpa是否过高或过低调节阀门PID算法子程序报警YYNN图4.10 主程序流程图第五章 3#自蒸发器压力控制系统调试5.1比例、积分和微分的分析5.1.1 比例调节（P调节）比例控制是一种简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成正比关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减小偏差。比例作用大，可以加快调节，减小误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统不稳定。5.1.2 积分调节（I调节） 单纯的比例调节是很少使用的，一般只能用在扰动较少的场合。因为单纯的比例调节有调节余差

36、。所谓调节余差，就是被调参数没有完全恢复到给定值，就稳定下来，不能再调节了。这个已调节的数值与给定值之间的差值，就称为调节余差。 要改变这种情况，就必须改善调节器输出信号跟偏差之间的关系，以使只要有偏差存在，那怕偏差极其微小，也会有输出信号产生；经过一段时间的积累，就会有足够的输出去控制执行机构以消除偏差。这种调节规律就是所谓的积分调节。 如图所示，突然出现偏差后，调节器的输出会逐渐地变化。偏差越大，输出信号的变化速度也就越大；偏差信号存在的时间越长，输出的信号也就越大。直到偏差为零时，调节器的输出信号才停止变化。所以，积分调节能够有效地、较为准确地维持被调参数在给定值附近。由此可见，能够消除

37、余差是积分调节的最大的优点。 在积分调节器中，常以积分时间的长短来说明积分作用的强弱。积分时间短，积分作用就愈强，变化也就愈快，就可以在较短的时间内把被测参数调整好。积分调节器的缺点在于它的滞后作用。也就是说，积分调节会使调节过程增长，不能立即采取措施。5.1.3 微分调节（D调节）在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就

38、应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。5.2 PID参数整定方法5.2.1 采样周期的选择（1） 首先要考虑的因素 香农定理给出了采样周期的上限。根据采样定理，采样周期应满足 其中为被采样信号的上限角频率。采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间，系统的采样周期智能在和

39、之间选择。采样周期既不能太大也不能太小。太小时，一方面增加了微型计算机的负担，不利于发挥计算机的功能；另一方面，两次采样间的偏差变化太小，数字控制器的输出值变化不大。因此，采样周期应在和之间，即 若选择采样周期在和之间，则体统可以稳定工作，但控制质量较差，因为这时不能满足采样定理，丢失了部分信息。若采样周期选择在了和之间，满足采样定理，可得到较好的控制质量。（2）其次要考虑到一下各方面的因素 给定值的变化频率 加到被控对象上的给定值变化频率越高，采样频率应越高。这样给定值的改变可以迅速得到反应。 被控对象的特征 若被控对象是慢速的热工或化工对象是，采样周期一般取得较大；若被控对象是较快速的系统

40、时，采样周期应取得最小。 执行机构的类型 执行机构的动作惯性大，采样周期也应大一些，否则执行机构来不及反应数字控制器输出值的变化。 控制算法的类型 当采用PID算式时，积分作用和微分作用与采样周期的选择有关。选择采样周期太小，将使微分积分作用不明显。因为当小到一定程度后，由于受计算机精度的限制，偏差始终为零。另外，各种控制算法也需要计算时间。 控制的回路数 控制的回路数与采样周期有下列关系 式中，指第回路控制程序执行时间和输入输出时间。5.2.1 扩充临界比例度法选择PID参数 扩充临界比例度法是以模拟调节器中使用的临界比例度法为基础的一种PID数字调节器参数的整定方法。整定步骤如下：(1)

41、选择合适的采样周期，系统闭环工作,调节器作纯比例控制。(2) 逐渐加大比例 ，使控制系统出现临界振荡。(3) 选择控制度。控制度就是以模拟调节器为基准，将数字调节器的控制效果和模拟调节器比较。取各自的过渡过程的误差平方的积分之比作为评价参数，即： 控制度为1.05时，数字调节器与模拟调节器的控制效果相当。当控制度为2.0时，数字调节器较模拟调节器的控制质量差一倍。 控制度无需按公式计算，只需根据系统精度要求选择即可。控制度可在1.05，1.2，1.5，2.0中选择。（4） 根据选定的控制度和控制规律查“扩充临界比例度法参数整定表”得对应的、。表5.1 扩充临界比例度法参数整定表第六章 总结6.

42、1 方案评价及改进方向 本次设计采用串级控制系统，避免了使用单回路控制系统调节时间过长，无法精确及时控制罐内压强的缺陷。故本系统能达到课题所要求的精度。在控制器设计上，采用价格便宜的单片机来实现，较PLC与工控机等方案更具优势。且加了报警装置，能对要强过高或过低进行报警。在算法上，采用较为普及的PID算法，可以达到控制目的。总之，本方案应该可以达到3#自蒸发器压力控制的要求，使罐内压强为1.2Mpa，误差0.1Mpa以内。当然，本方案依然有许多缺陷和可改进的地方：（1） 串级控制虽可以实现精确控制，但控制方法比较复杂，参数不易设置。（2） 由于未能对3#自蒸发器的参数有更细致的了解，无法对其进

43、行matlab仿真。（3） 软件部分没有写出具体程序。 等6.2 收获及体会 通过为期两个星期的课程设计，我的收获与体会很多。对我来说这是一次很好的机会来锻炼自己的动手实践能力，而本次课程设计显然是与以往的课程实验课是不同的，它的综合性很强，而且趣味性很强。与实际联系了起来，是检验我是否能真正学以致用，运用到实际中去的很好的一次实践。在学习完一个学期的这门课程后，我对它的相关内容学到了很多，在此之前对这方面似乎没有什么具体的概念，只是在通过学习自动化其它学科的过程中对此有些了解。通过本学期对这门课程的具体的、有针对性的学习让我对其了解不再仅仅是停在表面，而是更深了一步。但是学习后也一定不会立刻全懂，更主要的是对以表的应用并不很清楚。如果只学一个学期的这本