1、目 录第 1 章 焦炉过程检测与控制系统 .11.1 焦炉过程检测与控制系统的工程背景及说明 .11.2 焦炉过程检测与控制系统的 CAD 流程图 .2第 2 章 标准节流装置设计及计算程序设计 .42.1 标准节流装置的简介 .42.2 标准节流装置的设计 .52.3 计算程序设计 .7第 3 章 调节阀选型及计算 .83.1 调节阀的选型 83.2 调节阀的口径计算 8第 4 章 课程设计心得 .10参考文献 .11附录 .12自控工程课程设计1第 1 章 焦炉过程检测与控制系统1.1 焦炉过程检测与控制系统的工程背景及说明如在焦炭生产过程中，任何过错参数都是非常重要的，针对不同的用途、原
2、料及配比，所要设定的温度、压力等参数的大小有所区别。因此在生产过程中，必须按照生产要求，设计使用过程检测精确的装置和可靠安全使用的控制系统，以生产出合格的产品。一座焦炉有数十乃至上百个炭化室，各室均处于工作状态，按照相应的生产计划循环的进行装煤、平煤、结焦、推焦等过程。因此需要一种方法能自动定时指导监测生产操作的装置与控制系统。对任一座焦炉而言，其数十个炭化室的物理尺寸是固定的 (约1米左右)，推焦车在轨道上运行，从起始点至某一个炭化室的距离是固定的，因此，得知推焦车与起始点的距离就可以得到炭化室的编号。推焦车在轨道上往复的运行、推焦或等待。我们在其轮轴上安装联轴器、编码器。因而在推焦车运行时
3、，可得到相应的两路电脉冲，其表示推焦车的运行方向和距离。对上述脉冲进行处理后，可以得到焦车所处的位置。检测装置由旋转编码器与PLC组成，编码器输出的信号经驱动后送往PLC的高速计数模块，PLC 定时读取该模块的计数值，依据弧长不变原理S=RQ (S:距离;R:车轮半径;Q: 从始点至当前位置，车轮旋转的弧度数)，PLC可计算出当前位置与起始点之间的距离。并由此距离值计算出推焦车所对应的炭化室号，原理见图1-1。编码器 PLC显示发送图1-1 原理图本焦炉过程检测与控制系统总的加热炉温度控制系统属于阀位控制系统（VPC ） ，具有纯滞小、非线性、节能效果明显等特点，其示意图及方框图如图1-1和图
4、1-2 。采用单片机进行温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。自控工程课程设计2TCTAVBVVPC图1-2焦炉温度控制示意图主控制阀测量变送副控制阀(VPC)主控制阀r1r2焦炉y+ -+-图1-3焦炉温度控制方框图如图所示，该温度控制系统有两个回路。主回路包括温度、温控、 及对象AV即焦炉，受控变量是出口温度，具有良好的动态品质。副回路包括阀位控制器VPC、 及对象，受控变量是 阀位。其设定值对应 较小开度（如1%） ，控制B
5、VAVAV器采用大比例度和大积分时间，使具有缓慢的控制动作，以保证系统温度时，处于小开度，达到节能的目的。A1.2 焦炉过程检测与控制系统的 CAD 流程图如下图所示为煤气储备站中焦炉过程检测与控制系统的CAD流程图。自控工程课程设计3图1-3焦炉过程检测与控制流程图自控工程课程设计4第 2 章 标准节流装置设计及计算程序设计2.1 标准节流装置的简介在石油化工生产中，流量计的应用非常广泛，而流量计中差压式流量计又占大部分。因而节流装置的选型及其设计是自控工程设计的重要组成部分。2.1.1 国家标准特点GB/T2624-1993 全称为流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体测
6、量 。其主要特点：(1)以流出系数 代替流量系数 ； 值的计算中的 降阶计算由原流量系数CC计算中的最高阶 降至流出系数 计算中的最高阶 次幂。0208(2)提出 5 种命题以适应自控工程设计中各方面的需要。(3)提出迭代计算方法，给出计算机计算程序框图。(4)差压上限不再计算，而要由用户自行选定，要求设计者有更多的经验。(5)管道粗糙度不再参加计算，而是在计算结果出来后需验证。所谓“标准节流装置 ”就是他们的结构、尺寸和技术条件都有统一标准，有关计算步骤和方法都经过系统试验而有统一规定。按统一标准规定进行设计制造的节流装置，不必经过个别标定就可以使用。在 GB/T2624-1993 中规定的
7、标准节流装置有以下几种：标准孔板：角接取压；法兰取压；径距取压（D-D/2） 。标准喷嘴：ISA1932 喷嘴；长颈喷嘴。文丘里管：文丘里喷嘴；经典文丘里管。2.1.2 设计计算的原则和依据(1)设计原则测量的精度应尽可能高；流出系数 C 稳定；节流件前后所需直管段长度，就尽可能短；流体流经节流件的压力损失尽可能小。上述四点要求之间是存在矛盾的，而标准节流装置的设计计算，则主要是根据具体情况统一考虑，妥善解决这些矛盾，找出合理的方案。(2)标准节充装置设计计算的依据主要依据是工艺生产所提供的流量测量条件、要求和有关数据。具体的原始数据有：被测流体的名称、状态、组分；被测流体的流量；最大流量 q
8、max；被测流体的工作状态：工作压力 P1、工作温度 t1、及其变化范围；自控工程课程设计5被测流体的物理参数；这一部分较难确定；允许的压力损失；管道材质、在工作温度下管道内径 D20、管道内表面情况；节流装置安装地点的平均大气压；管道敷设情况和局部阻力形式；2.2 标准节流装置的设计标准节流装置的设计计算是自控工程技术人员的基本功，此项训练十分重要。标准节流装置的设计计算数据如下表所示。表 2-1 标准节流装置设计计算数据名称 符号 单位 数值最大流量 qmax m3/h 300工作温度 t 60工况密度 1 kg/m3 1.4工作压力 P MPa 3.5工况粘度 1 CP 0.016管道直
9、径 D20 mm 80等熵指数 K 1.4压缩系数 Z 1管道材料 新的铸铁管绝对粗糙度 1 mm 0.32.2.1 辅助计算 根据原始数据的最大流量确定计算最大流量 qmax=300 m3/h 根据工作状态和被测量流体的成分，求物性参数工作状态下的粘度 1=0.016CP工作状态下的密度 1=1.4 kg/m3工作状态下的压缩系数 Z=1工作状态下的等熵指数 K=1.4 求工作状态下的管道内径已知管道直径 D20=80mm，由公式 ，其中工作温度201()Dtt=60 ，管道的热膨胀系数 =0.000013mm/mm ，代入可得在 60工况下D管道内径 D=80.0416mm自控工程课程设计
10、6 根据最大流量，求出相应的雷诺数 ReD由公式 ，其中流速 ，所以雷诺数1ReDvumaxax2()qvA=116109.34max1334401.860qReD4000 所以煤气在管道内的流动为湍流 根据管道材质及内表面情况，确定管道内壁的绝对平均粗糙度查表可知煤气管道是新的铸铁管，它的绝对平均粗糙度=0.3mm1 确定差压上限可根据 qm= 1 d2 计算 ，其中 C=0.6， =0.3， =0.5,4C 1 P 1 d= =40mm， = qmax 1，全部代入得差压上限 =44581.11 。20DP a因国产差变的系列值为 1.0,1.6,2.5,4.0,6.0 ，故取 =4000
11、0.0 ，在新n10标准中差压上限视为已知条件，由工艺人员或仪表人员自行确定。2.2.2 迭代计算方法迭代计算的实质是利用具有快速收敛的弦截法，来实现近似计算。先求得 0659271.41.58208416. 3092ReA1 PD设 3.,6.0Cn令 145827.021X又 9.25.11再求 =0.600975.065.21811.2 )(09.403.09. eDRC因此 5.121XA则精度 0846.|21E自控工程课程设计7再设定第二个假定值 6073.)10(29.1840.032.59.59.13642.0 75.65.2.2.22 eDRCXA因此 67.22A则精度 0
12、15.|2E然后同理利用公式 )3(211 时当 nnnXX计算出 X、，直到 n值小于某个规定值（即 ）时，说明1025|AEn计算已达到规定的精确度，迭代计算完毕，在此不进行计算。2.2.3 验算质量流量的不确定度的计算公式如下 2424212 1dDCqm 2/1241P2.3 计算程序设计本课程设计要求标准节流装置设计计算需编制计算机程序实现，程序设计流程框图见附录1。具体的程序设计采用C语言编写，主程序的编写是在已知 和1X的情况下编写的， 和 可由前面介绍的辅助计算计算得出，主程序代码见2X1X2附录2。自控工程课程设计8第3章 调节阀选型及计算3.1 调节阀的选型调节阀又称控制阀
13、，是执行器的主要类型，调节阀一般由执行机构和阀门组成。如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为气动、电动、液动三种，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质压力为动力的电液调节阀，另外，按其功能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型调剂阀等。调节阀的产品类型很多，节后也多种多样，而且还在不断更新和改变。一般来说阀是通用的，既可以与气动执行机构匹配，也可以与电动执行机构或其它执行机构匹配。调节阀是自动化仪表和自动调节系统的重要组成部分之一，在调节系统中称为终端控制元件。它直接与介质接触，使用条件差，尤其在高压、高压差、高温、深冷、强腐蚀、高粘度、易结
14、晶、闪蒸、气蚀等各种恶劣条件下工作时，调节阀在自动调节系统中的重要性就更为突出。随着工业生产的迅速发展，调节阀的品种、规格日益繁多，为此，对调节阀的选用技术要求也越来越高，选用不当，必然会降低调节质量。在这些调节阀中，我们认为应该尽量不选用隔膜阀，其理由是隔膜是一个极不可靠的零件，使其隔膜阀也成为了可靠性差的产品。另外，在工程计算中，调节阀口径计算是个关键问题。它不仅关系到调节系统的调节质量，还关系到生产的经济性；适用的可靠性和稳定性等问题。3.2 调节阀的口径计算阀型的选择是一项重要而复杂的工作。为了计算流量系数、预估噪声等，需要初步选择阀体结构型式。若计算结果不符合要求，还应重选阀型，并重
15、新计算，直至满足要求。选择阀型的依据是根据介质性质、工艺参数、使用要求等条件。调节阀口径计算的主要内容有流量系数计算及口径选定等。流量系数计算公式的建立与发展已有半个多世纪的历史，其中气体与液体的单相流计算公式比较成熟，双相流公式还有待进一步完善。精度较高的计算公式，还需要有正确的原始数据，才能得到满意的结果。调节阀口径计算的主要内容有流量系数 Kv 值计算及口径选定等。Kv 是国际制单位的流量系数。它定义为：温度 5至 40的水，在 105Pa 压降下，流过调节阀的每小时立方米数。从调节阀的 Kv 计算到阀的口径确定，一般需经过一下步骤：1.计算流量的确定。2.阀前后压差的确定。3.计算 K
16、v.自控工程课程设计94.选用 Kv。5.调节阀的开度验算。6.公称直径的确定。调节阀口径计算数据如下表所示。表 2-1 调节阀口径计算数据名称 符号 单位 数值最大流量 qmax m3/h 1.087工作温度 t 130工况密度 kg/m3 920工况粘度 1 Pas 0.00506管道内径 Dn mm 50阀前压力 1PMPa 1.4阀后压力 2MPa 1.33计算过程：1 计算 Kv先计算最大质量流量 = qmax=9201.087=1000.04 kg/hmaxW则 246.13.49201.)(0.21max PKv2 选定口径a.Kv 值圆整、放大取 Kv=1.5（Dn50） ，选
17、双座阀（Vn）,其放大系数为： 204.16.5m查表，知满足 m=1.2 时，阀最大开度 90%，所以 Kv 值应再向上取一档，即取 Kv=2.0（Dn60） ，此时 。06.24.15mb.开度计算，即开度 79.5%可满足要求。79.03lg6.21Lc.结论选定双座阀，取 Dn60 为选定口径，因为非阻塞流工况，故不作噪音预估及管件形状修正。放大系数 m=2.006。自控工程课程设计10第 4 章 课程设计心得我 去 图 书 馆 仔 细 查 阅 了 介 绍 过 程 控 制 系 统 的 相 关 书 籍 ， 并 在 网 上 搜 类 似的 设 计 来 参 考 ， 详 细 了 解 其 工 作
18、原 理 ， 并 对 加 热 炉 控 制 系 统 的 设 计 有 一 个 大概 的 构 思 。 使 用 Auto-CAD 是我们自动化专业的专业基础技能，由于 Auto-CAD是一门实践性很强的课程，其实践性体现在对各类图纸的绘制训练当中，在本课程设计中又要求我们学生能够独立完成自控工程设计所要求的工艺流程图，所以在完成图样的绘制过程，我了解到了 CAD 的用法。通 过 对 加 热 炉 的 了 解 ， 和 自 己 的 过 程 设 计 ， 才 真 正 了 解 到 了 加 热 炉 的 用 法和 实 际 应 用 中 的 加 热 炉 的 过 程 控 制 。自控工程课程设计11参考文献1 奚文群.调节阀口
19、径计算指南M.兰州:化工部自控设计技术中心站,1991. 2 董德发,张天春 .自控工程设计基础M.大庆:大庆石油学院,1999.3 王骥程,祝和云 .化工过程控制工程M .北京:化学工业出版社,2003.4 许峰,罗雄麟.基于自校正模型的非线性系统多模型预测控制J.中国大学学报,2006.30(2):133-137.5GB/T2624-1993,流量测量节流装置 S .自控工程课程设计12附录附录 1 程序设计流程图自控工程课程设计13附录 2 C 语言程序代码#include #include float f(float x) return (0.065692671-0.3*0.606*x); float point(float x1 ,float x2) return (x2-(f(x2)*(x2-x1)/(f(x2)-f(x1); void main() float x1,x2,x; do printf(“输 入 两 个 数 x1,x2:“); scanf(“%f%f“, while (f(x1)*f(x2) = 0); do x=point(x1,x2);if(f(x)*f(x1)0) x1=x; else x2=x; while (fabs(f(x) 0.0000000005); printf(“一 个 解 为 %fn“,x);
