1、 过程控制系统与装置 课程设计（论文）题目：自来水消毒系统的设计1课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论 文）题 目自来水消毒系统的设计课程设计（论文）任务自来水厂将自来水供给用户之前，必须进行消毒处理，氯气是常用的消毒剂。氯气具有很强的杀菌能力，但如果用量太少，则达不到灭菌的作用，而用量太多，则会对人们饮用带来副作用。为了使氯气注入到自来水中的量合适，必须使氯气注入量自来水量成一定的比值关系，试设计自来水消毒系统。消毒时氯浓度介于 0.3mgL 和 0.5mgL 之间，消毒后剩余氯浓度应介于 0.05mgL 和 0.5
2、mgL 之间。1.精度要求:测量范围：水流量 01000t/h，液态氯流量同水流量成比例；控制精度：0.1 级；2.说明书要求:确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号；确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；编写设计说明书。指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩：成绩： 指导教师签字： 年 月 日目录第 1 章 概述 1第 2 章 自来水消毒系统的方案论证 1第 3 章 控制设备选型 .53.1 流量变送器的选择 53.2 主、副控制调节器的选型 63.3 执行器的选择
3、 6第 4 章 系统性能分析 .74.1 参数整定 74.2.控制算法的确定 9第 5 章 课程设计总结 11参考文献 .11第 1 章 概述许多位于第三世界国家的地区，由于没有清洁的饮用水，使得民众的健康饱受威胁，而和饮用水有关的常见疾病，则包括伤寒、痢疾、霍乱等。十九世纪初，当时的 净水技术并不如今天进步，像是美国也曾有许多人因感染伤寒而死亡，在 1900 年高峰期时，每十万人中的死亡人数曾高达 25 人。至 1908 年，美国开始使用氯来消毒自来水，才得以供应卫生、安全的自来水，而在自来水中以加氯的方式来消毒，也逐渐为各国采用。从此自来水的卫生得以确保，使全球数以亿计人口的健康得到保障。
4、自从在自来水中加氯的消毒方式成为卫生安全课题，科学家便不断进行研究。虽然加氯消毒有许多好处，但科学家也发现不少的问题和不完善的地方。首先水中的余氯会影响水的口感和气味，特殊刺激的气味使得水的品质大打折扣。但若是水中的余氯不足，也不能保证自来水的卫生。第 2 章 自来水消毒系统的方案论证方案一 开环比值控制系统开环比值控制系统是最简单的比值控制方案，图 2.1 是其原理图。图中 Q1是主流量水的流量。Q2 是副流量氯气的流量。当 Q1 变化时，通过流量变送器FT 检测主物料流量 Q1；由于控制器 FC 及安装在从物料管道上的执行期来控制副流量 Q2，使其满足 Q2=KQ1 的要求。改系统副流量无
5、抗干扰能力，当副流量管线压力等改变时，就不能保证所要求的比值。所以这种开环比值控制系统只适用于副流量管线压力比较稳定、对比值精度要求不高的场合，其优点是结构简单，投资少。1FTFCQ2图 2.1 开环比值控制系统方案二 单闭环比值控制系统单闭环比值控制是为了克服开环比值控制方案的不足，在开环比值的基础上，通过增加一个副流量闭环控制系统而组成的，如图2.2。系统处于稳定状态时，主、副流量满足比值要求，即Q2=KQ1 。当主流量Q1变化时，副流量闭环系统为一个随动系统，使Q2跟随Q1变化，流量比值K 保持不变。当主流量Q1没有变化而副流量Q2由于自身干扰发生变化时，副流量壁画系统相当于一个定制控制
6、系统，通过控制回路克服干扰，时工艺要求的流量比值K 仍保持不变。当主、副流量同时受到扰动时，调节器T2C在克服副流量扰动的同时，有根据新的设计定制改变调节阀的开度，使主、副流量的新流量数值仍保持其原设定的比值关系Q1F1TF1CF2C F2TQ1Q2图 2.2 单闭环比值控制系统管道调合是将各个组分和添加剂按比例同时送入总管道和管道调合器进行均匀调合的方法。管道调合系统由输油管线、油品性质在线分析仪、计算机控制系统、调节阀、常规测量仪表、静态混合器等硬件部分及调合优化控制软件组成。典型的管道调合控制系统结构如图2.3所示。Gm1(s) Gc1(s) +-Gc2(s) Gv2(s) Go2(s)
7、Gm2(s)Q1(S)图 2.3 单闭环比值控制系统框图通过比较，单闭环比值控制系统的优点是他不但能实现副流量跟随主流量控制，而且可以克服副流量本省干扰对比值的影响，主.副流量的比值比较精确。这种方案的结构形式较简单，通过比较，选用单闭环比值控制系统。方案三 双闭环比值控制的系统双闭环比值控制系统是为了克服单闭环比值控制系统主流量不受控制，产生负荷（与总物料量有关）在较大范围内波动的不足而设计的。它是在单闭环比值控制系统的基础上，增加了主流量控制回路，当主流量 Q1变化时，一方面通过主流量调节器 F1C 进行控制，另一方面通过比值控制器 K 乘以适当的系数Q2(S)3作为副流量控制器的设定值进
8、行控制。双闭环比值控制系统实现了对主流量 Q1的定制控制，增强了主流量抗干扰能力，使主流量变得比较平稳。这样也确保了两物料总流量保持不变。Q1Q2图 2.3 双闭环比值控制系统构成X1(S)Q1F1TF1CF2C F2TK+-Gc1(s) Gv1(s) Go1(s)Gm2(s)Gc2(s) Gv2(s) Go2(s)Gm2(s)KQ2 图 2.4 双闭环比值控制系统框图生产过程对过程控制系统的要求是多种多样的，可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。安全性是指在整个生产过程中，过程控制系统能够确保人员与设备的安全（并兼顾环境卫生、生态平衡等社会安全性要求），是对过程控制系统最重要、最基本的
9、要求。通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。稳定性是过程控制系统保证生产过程正常工作的必要条件。稳定性是指在存在一定扰动的情况下，过程控制系统将工艺参数控制在规定的范围内，维持设备和系统长期稳定运行，使生产过程平稳、持续地进行，同时要求系统具有良好的动态响应特性。经济性是指过程控制系统在提高产品质量、产量的同时，节省原材料，降低能源消耗，提高经济效益与社会效益。采用有效的控制手段对生产过程进行优化控制是满足工业生产对经济性要求不断提高的重要途径。经过全面考虑，选择方案二做为本系统的设计方案。Q 1为自来水Q 2 为氯水。5第 3 章 控制设备选型3.1 流量变送器的选择经过对
10、本系统的分析及主要性能指标，选用 插入式涡轮流量计，型号LWC为 插入式。LWC插入式涡轮流量计的特点：压力损失小，叶轮具有防腐功能，采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强、功耗低、性能优越。具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器。修正公式精度优于0.02% 仪表系数可由按键在线设置，并可显示在 屏上， 屏直观清晰，可靠性强。采用LCD对累积流量、仪表系数掉电保护，保护时间大于 10 年。采用高性能EPROMMCU 中央处理器，完成数据采集处理显示输出、累积流量瞬时流量同屏显示方便的人机界面实现， 以标准 485 形式进行数据传输。采用全硬质合金（碳化钨）屏蔽式悬臂梁结构轴承，集转动轴承与
11、压力轴承于一体，大大提高了轴承寿命，并可在有少量泥沙与污物的介质中工作。采用 全不锈钢结构， （涡轮189CrNiT采用 ）防腐性能好。容易维修，有自整流的结构，小型轻巧，结构简单，213Cr可在短时间内将其组合拆开，内部清洗简单。有较强抗磁干扰和振动能力、性能可靠、寿命长。下限流速低,测量范围宽，现场显示型液晶屏显示清晰直观，功耗低，3V 锂电池供电可连续运行 5 年以上，耐腐蚀，适用于酸碱溶液。3.2 主、副控制调节器的选型在比值控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的。主控制器的作用是准确保证被控量符合生产要求。凡是需要采用比值调节的场合，工艺上对控制品质的要求是很高的，不允许被调量存
12、在偏差，因此，主控制器都必须具有积分作用，一般都采用PI控制器，故主控制器采用 PI控制器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地实现主控制器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，对于他们的选型即调节动作规律的选择可有不同的考虑，副控制器的任务是快动作以迅速抵消在副环内的二次扰动，而且副参数则并不要求无差，所以一般都选 P 控制器，因而副控制器采用 P 控制器3.3 执行器的选择最常用的执行器是控制阀，也称调节阀。执行器由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构可分解为两部分：将控制器输出信号转换为控制阀的推力或力矩的部件称为力或力矩转换部件；将推力或力矩转换为
13、直线或角位移的部件称为转换部件。调节机构将位移信号转换为流通面积的变化，改变操纵变量的数值。根据所使用的能源，执行机构分为气动、电动和液动三类。它们各有特点，适用于不同的场合。气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。由于气动执行机构有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，并且安全防爆等优点，在发电厂、化工，炼油等对安全要求较高的生产过程中有广泛的应用。液动执行器的推力很大，现在一般都是机电一体化的，但比较笨重，所以现在很少有人使用。电动执行机构防爆性能较差，电机动作不够迅速，且在行程
14、受阻或阀杆被札住时电机容易受损。尽管电动执行器进几年来不断扩大且有扩大应用的趋势，但不如气动执行机构在应用上普遍。气动执行机构结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，并且安全防爆的优点，所以在工业生产中得到广泛的应用。执行机构的选择类型主要考虑的因素性是：（1）可靠性（2）经济性（3）动作平稳，足够的输出力（4）结构简单，维护方便。气开控制阀和气关控制阀中的“气”是指输入到执行机构的信号。气开控制阀指当输入到执行机构的信号增加时，流过控制阀的流量增加；反之，气关控制阀指当输入到执行机构的信号增加时，流过控制阀的流量减小。因此，故7障时，气开控制阀处于全关状态，气关控制阀处于全开状态。考虑到氯气具有
15、很强的杀菌能力，但如果用量太少，则达不到灭菌的作用，而用量太多，则会对人们饮用带来副作用。所以选用气开阀。第 4 章 系统性能分析4.1 参数整定在工程实践中，串级控制系统调节器常用的整定方法有逐步逼近法、一步法和两步法。（1）逐步逼近法逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。该方法较繁琐。具体步骤为： 先断开主回路，整定副调节器。 后闭合主回路，整定主调节器。 重新调整副调节器参数， 。 若未达到控制要求，再调整主调节器参数。 以上步骤循环进行，直到满足（逼近）控制指标为止。对于不同的控制系统和不同的控制指标的要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。（2）一步整定法由于两步整定法要
16、寻求两个 4：1 的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。（3）两步整定法两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器 参数。在换热过程中，换热器温度与蒸气流量组成串级控制系统。温度为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过 ，冷物料流量为副参数，允许在一5C定范围内变化，要求不高。系统调节器参数采用两步整定法，过程如下。在系统设计时，主调节器选用 控制规律，副调节器选用 控制规律。PIDP在系统稳定允许条件下
17、，主、副调节器均置于纯比例作用，主调节器的比例度置于 100，用 4：1 衰减曲线法整定副调节器的参数，得=32， =15s。2s2sT两步整定法的调节器参数经验数据如表 4-1 所示表 4-1 两步整定法的调节器参数经验数据调节参数调节规律比例度 /% 积分时间 Ti微分时间 mindPsI1.2 s0.5 TsPD0.8 s0.3 0.1 Ts 将副调节器的比例度置于 32上，用相同的方法整定，将主调节器的比例度由大到小逐渐调节，取得主控制器的 =50， =7min。1s1sT 根据上述求得的各参数，运用 4：1 衰减曲线法整定计算公式（见上表3-1） ，计算主、副调节器的整定参数为：主调
18、节器（温度调节器）：比例度 =0.8 =40,积分时间1s=0.3 =2.1min1Ts副调节器（流量调节器）：比例度 = =402s 把上述计算的参数分别设置在主、副调节器上，使串级控制系统在该参数下运行。实际运行，换热器温度稳定，完全满足生产工艺的要求。94.2.控制算法的确定当采用数字计算机作为控制系统，例如采用 进行直接数字控制时，对DCS各种数据的处理在时间上是离散的。数字控制方式的特点是采样控制，设采样周期为 则每经过一个采样周期进行一次数据采样、控制运算和数据输出。sT数字控制算法分为位置算法、增量算法和速度算法三种。本系统采用增量算法。 1ukuk212c idKeKekek（
19、41）21cidk其中公式 4-1 中 为积分环节系数， 为微分环节系数。i d， ， 为比例系数; 为采样周期; 为积分/icsiKT/dcdsKTcKsTiT时间常数; 为微分时间常数。数字 增量算法程序框图如图 4.1 所示。PID回路处于自动调内存 取 ,1,Kcirek形成采样指令，采样 ek计算增量输出 uk1ek形成输出采样指令，并输出送内存1,ekekNY图 4.1 数字 PID 增量算法程序框图PID 调节器各校正环节的作用：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号 ，偏差一旦产et生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无
20、差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越大，积分作用越弱，反之则越强。Ti（3）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。11第 5 章 课程设计总结本次课程设计自来水消毒系统的设计，其主要作用是实现自来水出厂前进行有效的消毒，以达到人们饮用的标准。本比值控制系统中流量变送器采用插入式涡轮流量计，调节阀为气开形式。 现在自来水消毒大都采用氯化LWC法，公共给水氯化的主要目的就是防止水传播疾病，这种方法推广到至今有100 多年历史了，具有较完善的生产技术和设备，氯气用于自来水消毒
21、具有消毒效果好，费用较低，几乎没有有害物质的优点。参考文献1 何衍庆,俞金寿.工业生产过程控制,北京:化学工业出版社,20032 胡寿松.自动控制原理（第四版）,北京:科学出版社,2002 3 孙优贤,邵惠鹤.工业过程控制技术-应用篇,北京:化学工业出版社,20064 孙优贤,褶健.工业过程控制技术-方法篇,北京:化学工业出版社,20065 王树青.工业过程控制工程,北京:化学工业出版社,20036 翁维勤.过程控制系统及工程,北京:化学工业出版社,20027 金以慧.过程控制,北京:清华大学出版社,19938 邵惠鹤.工业过程高级控制,上海:上海交通大学出版社,19979 蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程（第二版）,北京:中国石化出版社,199910 吴勤勤.电动控制仪表及装置,北京:化学工业出版社,2000
