冶金沸腾焙烧炉温度控制系统的设计

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1、课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 冶金沸腾焙烧炉温度控制系统的设计冶金沸腾焙烧炉温度控制系统的设计 I摘 要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

2、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；II目 录第 1 章 绪论.1第 2 章 系统方案论证.22.1 任务分析 .22.2 方案选择 .2第 3 章 仪表选择.43.1 变送器的选择 .43.2 控制器选型 .63.3 执行器的选择 .8第 4 章 系统控制算法.104.1 控制规律选择 .104.2 气开气关选择 .104.3 调节器正负作用选择 .10第 5 章 仿真

3、.11第 6 章 课程设计总结.15参考文献.160第 1 章 绪论沸腾焙烧炉是湿法炼锌过程中的重要环节，当今世界随着湿法炼锌技术的不断发展，生产规模的不断大型化，要求沸腾焙烧炉的技术也不断的发展，沸腾焙烧炉在湿法炼锌中占有重要地位，沸腾焙烧的基础是固体流态化，用沸腾焙烧炉焙烧锌精矿，炉内热容量大且均匀，温差小，颗粒与空气接触表面积大，反应速度快，强度高，传热传质效率高，这些都使焙烧过程大大强化，产品质量稳定，生产效率高，设备与操作便于实现生产连续化和自动化等一系列优点，各国都很重视此项技术，因此得到了广泛应用。沸腾焙烧 1944 年开始用于硫铁矿的焙烧，1952 年引入湿法炼锌工业。现在在我

4、国湿法炼锌技术已经得到了很大的发展，1992 年西北冶炼厂从日本引进了一台世界第二亚洲第一的沸腾焙烧炉，此台沸腾焙烧炉的投产运行使得我国沸腾焙烧技术跨入了世界先进行列。在消化此项引进技术基础上，中国有色工程设计研究总院于 2002 年为云南驰宏锌锗股份有限公司设计了第四台沸腾焙烧炉，2005年正式投料，现已进入正常运行生产。本设计根据沸腾焙烧炉系统的主要设计工艺特点、技术性能、装备选型与生产实践的情况进行设计。12第 2 章 系统方案论证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与设定值有偏差，需要对调节阀开度进行调节，即调

5、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）与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。图 2.1 单回路系统结构图方案二：采用串级控制系统。采用串级控

6、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3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

7、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 串级系统结构图图 2.3 串级系统方框图4第 3 章 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JCJ10

8、0G 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与控制系统。 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（420）mA，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：4-20mA 0-5VDC 0-10VDC输入信号：热电阻：Pt100、Pt500、Pt1000、Cu50负载电阻

9、：小于等于 500（电流输出）大于等于 3KR(电压输出)输入线阻：小于 50R5电源电压：24VDC/AC 12VDC/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

10、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-及 DDZ-型变送器性能。能与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，也能与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 电压电流转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对

11、应关系的 4-20mA 标准电流输出信号。主要技术参数 电源：24VDC 输出 420mA 二线制 零位可调范围：5%F.S 量程调节比：3：1 以上 量程范围：-100kPa060MPa 负载特性：负载在 0600 内（24VDC 供电）维持恒流输出隔爆型 d BT4，本安型 ia CT5 过压极限：2 倍于以上限压力 温度6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

12、 稳定性：0.25% 60 个月 量程比：100：1 测量速率：0.2S 小型化（2.4kg）全不锈钢法兰，易于安装 过程连接与其它产品兼容，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 支持向现场总线与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 YT-1 压力控制器，KSW-6-16 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 1300电炉的配套设备，与铂铑铂热

13、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，其加热元件的冷态与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)。所以必须与调压设备配套使用，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7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

14、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-6-16额定电压:220V10%；最大控制功:6KW输出电:50-210V输出电:050A最高控制温:1600S 位式 YT-1 压力控制器如图 3.4 所示。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

15、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 80mm） ，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8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

16、，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） 。技术参数：入口压力：P1320 公斤/厘米 2入出口压差：P1-P2160 公斤/厘米 2流量系数：C=510-2适用介质：弱腐蚀性、无杂质液体使用温度：常温压力特性：当 P140%时,P20.2 公斤/厘米 2流量特性：当 Q140%时, P20 。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 K 20 ，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

17、，炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数 K 1 0，主调节器作用方式为反作用方式。11第 5 章 仿真已知主对象传递函数： （5-1）) 15)(130(11ssGp副对象的传递函数： （5-2）2) 1)(110(12ssGp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：12图 5.2 仿真曲线 1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

18、4：1 的比例度 P1S，记取过渡过程的振荡周期 T1S。当衰减比为4：1 时，比例度为 98，振荡周期为为 56.3，此时主回路的仿真曲线如图2sP2sT5.3 所示:图 5.3 仿真曲线 213按已求得的 P1S、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 所示图 5.4 整定参数设置 1图 5.5 整定参数设置 214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

19、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15第 6 章 课程设计总结本次设计通过物料平衡和热平衡的计算，设备的选型与计算，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，根据被控过程特性与生产工艺要求，通过相关书籍

20、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。16参考文献1 金以慧，方崇智编过程控制清华大学出版社， 20102 薛定宇编控制系统辅助设计清华大学出版社，20083 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 周泽魁编控制仪表与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. 传感器原理设计与应用. 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，2006.