混合器是化學工業(yè)重要的裝置之一，它的任務(wù)是把原料或反應(yīng)物通過水蒸汽加熱到一定的溫度，以保證下一步化學反應(yīng)的順利進行。混合器出口溫度是決定汽化率、塔內(nèi)各點溫度和熱平衡的關(guān)鍵，是混合器用空氣預熱溫度、過熱蒸汽溫度及被加熱材料換熱的重要影響因素。要保持混合器的平穩(wěn)操作，關(guān)鍵是維持混合器出口溫度和蒸汽流量的恒定。當處理量為恒定時，混合器出口溫度如果偏低直接影響進塔被加熱物的汽化量和帶入的熱量，相應(yīng)地塔頂和側(cè)線溫度都要降低，輕組分比例減小，重物的比例增大。相反，混合器出口溫度偏高，會造成輕組分比例增大，重組分容易蒸發(fā)、汽化此系統(tǒng)為混合器溫度控制系統(tǒng)，混合器采用蒸汽為加熱介質(zhì)，冷流體在混合器的管道內(nèi)流動時，受到管外加熱介質(zhì)的加熱。被加熱物料無腐蝕性，采用電動Ⅲ型儀表，且控制規(guī)律采用PID控制即可滿足控制要求。熱體的出口溫度經(jīng)過測量和變送，送到控制器經(jīng)PID調(diào)節(jié)控制閥門的開度從而控制加熱物料的流量，達到控制熱體出口溫度的目的。

    工業(yè)設(shè)計方案可以采用混合器溫度控制系統(tǒng)的單回路控制，系統(tǒng)圖如下（圖1所示）：

                         圖1混合器溫度控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)又稱單回路反饋控制系統(tǒng)。在所有的反饋控制系統(tǒng)中它是最簡單最基本的一種，因此它又被稱為簡單控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)由4個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象或者被控過程，測量變送裝置，控制器，執(zhí)行器。對于混合器溫度控制系統(tǒng)，被控量為混合器出口溫度t,擾動為入口溫度、蒸汽流量等。

在實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較，并對由此所產(chǎn)生的偏差進行比例、積分或微分處理后，輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行器的動作，以實現(xiàn)對不同被測或被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動調(diào)節(jié)作用。

3.2調(diào)節(jié)器正反作用的選擇

調(diào)節(jié)器有正作用和反作用調(diào)節(jié)器兩種。調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇同被控過程的特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)。被控過程的特性也分正、反兩種。即當被控過程的輸入量增加(或減小)時，其輸出(被控參數(shù))亦增加(或減小)，此時稱此被控過程為正作用；反之，當被控過程的輸入量增加時，其輸出卻減小，稱此過程為反作用。

3.3調(diào)節(jié)器的選型

由于已經(jīng)選用DDZ-Ⅲ型變送器，所以調(diào)節(jié)器也選用DDZ-Ⅲ的，DDZ-Ⅲ型電動調(diào)節(jié)器有兩個基型品種：全刻度指示調(diào)節(jié)器和偏差指示調(diào)節(jié)器。它們的結(jié)構(gòu)和線路相同，僅指示線路有些差異，這兩種基型調(diào)節(jié)器均具有一般控制器應(yīng)具有的對偏差進行PID運算、偏差指示、正反作用切換、內(nèi)外給定切換、產(chǎn)生內(nèi)給定信號、手動/自動雙向切換和閥位顯示等功能。

主、副調(diào)節(jié)器的選型一致，都選用DTZ-2200D。它接受變送器經(jīng)信號分配器送來的信號征收給定信號進行比較，對其差值進行比例、積分、微分運算，以電流輸出控制執(zhí)行機構(gòu)。其主要技術(shù)指標如下：

輸入信號： 1-5VDC
給定方式： 內(nèi)給定1-5VDC
           外給定4-20mADC(250Ω±0.1%)
輸出信號： 4-20mADC
閉環(huán)跟蹤誤差： <±0.5%
負載電阻： 250Ω-750Ω
功 能： 自動/手動，非平衡無擾動切換
調(diào)節(jié)動作： PD；PI；PID
比 例 帶：(P)2%-500%
積分時間：(TI)0.01分-2.5分和0.1分-25分兩檔(開關(guān)切換)
微分時間：(TD)關(guān)、0.04分-10分(開關(guān)切換)
微分增益： KD=10

工作環(huán)境： 環(huán)境溫度： 0-50℃；相對濕度： ≤85%(RH)
電源電壓： 24VDC±10%
功 耗： 3W
重 量： 3kg

本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用DDZ—Ⅲ型調(diào)節(jié)器，它除了能夠提供PID運算調(diào)節(jié)隔離外，還具有內(nèi)給定、偏差指示、手動、輸出閥位指示與簡單調(diào)節(jié)器相同的功能。基型調(diào)節(jié)器基本電路由指示單元和控制單元兩部分組成。指示單元主要包括輸入指示電路、給定指示電路和內(nèi)給定電路；控制單元包括輸入電路，比例微分電路、比例積分電路、軟手動硬手動電路和輸出電路。調(diào)節(jié)器將變送器或轉(zhuǎn)換器送來的直流1～5V DC信號Vi，與給定值1～5V DC信號比較進行疊加，然后對比較所得的偏差順序進行PD和PI運算，最后轉(zhuǎn)換成一個4～20mA DC的直流電流I0，并作為輸出信號輸出至執(zhí)行器。

DDZ—Ⅲ型調(diào)節(jié)器選用高增益、高阻抗線性集成電路元件，提高了調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度，穩(wěn)定性和可靠性，還降低了功耗；實現(xiàn)軟、硬手動兩種操作方式，尤其是軟手動與自動之間的相互切換雙向無平衡無擾動特性，有效的提高了操作性能。

本系統(tǒng)所采用的調(diào)節(jié)器為20端接線的DTZ2200型號調(diào)節(jié)器。其中1端和2端為1～5V輸入端子，接收變送器送來的測量轉(zhuǎn)換信號；7端和8端為外給定4～20mA 輸入端子，接收設(shè)定信號，或在串級控制系統(tǒng)中接收主調(diào)節(jié)器的輸出信號，13 端和14端為4～20mA輸出端子，用于作為控制信號輸出，控制執(zhí)行器的動作，18端為接地端子；19端和20端為電源端子，接24V直流信號供調(diào)節(jié)器正常工作。

DDZ—Ⅲ型調(diào)節(jié)器的主要性能如下：

輸入信號         1～5V DC

內(nèi)給定信號       1～5V DC

外給定信號       4～20mA DC

輸入阻抗影響     ≤滿刻度的0.1%

輸出信號         4～20mA DC

負載電阻         250～750Ω

比例度           P=2%～7500%

積分時間         0.01～25min

微分時間         0.04～10min

調(diào)節(jié)精度         0.5級

輸出保持特性     -0.1%每小時

DTZ-2200的接線端子圖如圖4所示：

變送器在自動檢測和控制系統(tǒng)中的作用，是對溫度、壓力、流量、成分等各種工藝參數(shù)進行檢測，以供顯示、記錄或控制之用。無論是有模擬儀表構(gòu)成的系統(tǒng)還是由計算機控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，變送器都是不可缺少的環(huán)節(jié)，獲取精確和可靠的過程參數(shù)值是進行控制的基礎(chǔ)。

按照被測參數(shù)分類，變送器主要有差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器、液位變送器和流量變送器等。由于本次設(shè)計的被控量為溫度，所以采用溫度變送器。

3.3 DDZ-Ⅲ型溫度變送器

DDZ-Ⅲ型溫度變送器有帶線性補償電路和不帶線性補償電路的熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器以及直流毫伏變送器等多個品種。各品種的原理與結(jié)構(gòu)大致相仿。直流毫伏變送器是將直流毫伏信號轉(zhuǎn)換成4～20mADC輸出信號，帶線性補償電路的熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器則分別與熱電偶和熱電阻想配合，將溫度信號線性地轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標準信號。

（1）直流毫伏變送器

   直流毫伏變送器用于把直流毫伏信號信號Ei轉(zhuǎn)換成4～20mADC電流信號。由檢測元件送來的直流毫伏信號Ei和調(diào)零與零遷電路產(chǎn)生的調(diào)零信號Uz的代數(shù)和同反饋電路產(chǎn)生的反饋信號Uf進行比較，其差值送入電壓放大器進行電壓放大，再經(jīng)功率放大器和隔離輸出電路轉(zhuǎn)換得到整機的4～20mADC輸出信號Io。直流毫伏變送器的構(gòu)成方框圖如圖3。

與各種熱電偶配合使用，將溫度信號變換為成比例的4～20mADC電流信號和1～5VDC電壓信號。熱電偶溫度變送器的線路在直流毫伏變送器線路的基礎(chǔ)上，做了如下兩點修改：

① 在輸入回路增加了由銅補償電阻RCu1、RCu2等元件組成的熱電偶冷端補償電路。同時，在電路安排上把零電位器W1和電阻R104移到了反饋回路的支路上。

② 在反饋回路中增加了由運算放大器A2等構(gòu)成的線性化電路。如圖4所示：

圖6.熱電偶溫度變送器構(gòu)成方框圖

（3）熱電阻溫度變送器

   熱電阻溫度變送器與各種熱電阻配合使用，可以將溫度信號變換為成比例的4～20mADC電流信號和1～5VDC電壓信號，熱電阻溫度變送器的線路在直流毫伏變送器線路的基礎(chǔ)上，輸入回路增加了由A2、R16～R19等元件構(gòu)成的線性化電路和由R23、R24等元件構(gòu)成的熱電阻導線電阻補償電路，同時零點調(diào)整電路有所改變。

3.5溫度測量儀表的選擇

由于本系統(tǒng)對溫度的要求不是很高，所以只需要一般的測溫元件，比較常見的傳感器是熱電偶。熱電偶測溫的基本原理是利用兩種金屬的熱電效應(yīng)不同，從而在兩種金屬構(gòu)成的回路中，當溫度變化時產(chǎn)生一定的電勢，進而反映所測物體的溫度變化，熱電偶具有測溫范圍廣，性能穩(wěn)定，精度能夠滿足工業(yè)需求，結(jié)構(gòu)簡單和動態(tài)特性好等特點，故選擇K型熱電偶。 DDZ-Ⅲ類儀表相對于DDZ-Ⅱ類儀表的一個優(yōu)點為電流范圍不是從零開始，這樣就避免了把儀表不能正常工作誤認為輸出為零，所以選擇DDZ-Ⅲ型K型熱電偶溫度變送器----DZ-5130。DZ-5130輸入信號為K型熱電偶，輸出信號為4-20mADC。

圖6中1、2腳為輸入端子，3、4腳接補償電阻，5、6腳為輸出端子，7、8腳接24V直流電源。

變送器：采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，含不誘鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。

溫度傳感器：本裝置采用Pt100熱電阻，Pt100鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性測量溫度,顯示儀表將會指示出鉑電阻的電阻值所對應(yīng)的溫度值.當被測介質(zhì)存在溫度梯度時,所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。由于導線組織的變化會引起測量信號發(fā)生誤差，所以為了減少誤差，采用三線制接法。在多數(shù)測量中，熱電阻遠離測量電橋，因此與熱電阻相連接的導線長，當環(huán)境溫度變化時，連接導線的電阻值將有明顯的變化。為了消除由于這種變化而產(chǎn)生的測量誤差，采用三線制接法。即在兩端元件的一端引出一條導線，另一端引出兩條導線，這三條導線的材料、長度和粗細都相同，如圖4中所示的a、b、c。它們與溫度變送器輸入電橋相連接時，導線a和c分別加在電橋相鄰的兩個橋臂上，導線b在橋路的輸出電路上，因此，a和c阻值的變化對電橋平衡的影響正好抵消，b阻值的變化量對儀表輸入阻抗影響可忽略不計。

本系統(tǒng)采用的型號為NKB-24S-P1-T2U4-D24,經(jīng)過主調(diào)節(jié)器的溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成1~5V DC電壓信號，輸入輸出選擇范圍寬，精度高，采用直流24V電源供電，接線端子如圖5：

Pt100溫度變送器性能指標如下：

精確度：         ±0.2%FS

輸入信號：       Pt100

負載電阻：       0～500Ω

對應(yīng)溫度范圍：   0～200℃

輸出信號：       1～5V DC

隔離方式：       輸入/輸出/電源三方全隔離

溫度穩(wěn)定向：     零點漂移 標準 0.05%FS/℃

                 量程漂移 標準 0.02%FS/℃

引線電阻：       ≤10Ω

電源：           24V DC

執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩個部分構(gòu)成，如圖7所示：

執(zhí)行機構(gòu)是執(zhí)行器的推動裝置，它根據(jù)輸入控制信號的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出力F（或輸出力矩M）和位移（直線位移l或角位移θ），推動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。調(diào)節(jié)機構(gòu)是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，在執(zhí)行機構(gòu)的作用下，調(diào)節(jié)機構(gòu)的閥芯產(chǎn)生一定位移，即執(zhí)行器的開度發(fā)生變化，從而直接調(diào)節(jié)從閥芯、閥座之間流過的被控介質(zhì)的流量。

4.2 執(zhí)行器的分類及特點

執(zhí)行器按其使用的能源形式可分為氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器和液體執(zhí)行器三大類。工業(yè)生產(chǎn)中多數(shù)使用前兩種類型，它們常稱為氣動調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥。氣動調(diào)節(jié)閥具有結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠穩(wěn)定、輸出力大、安裝維修方便、價格便宜和防火防爆等優(yōu)點。氣動執(zhí)行器的缺點是響應(yīng)時間大、信號不適于遠傳。電動調(diào)節(jié)閥具有動作較快，特別適合遠距離的信號傳輸，能量獲取方便等優(yōu)點；其缺點是價格較貴，一般只適用于防爆要求不高的場合。

4.3 氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)

氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)原理圖如圖8所示：

1-上膜蓋；  2-波紋膜片 3-下膜蓋；  4-支架    5-推桿；   6-壓縮彈簧

7-彈簧座；  8-調(diào)節(jié)件   9-連接閥桿螺母   10-行程標尺

工作原理如下：當信號壓力通入由上膜蓋1和膜片2組成的氣室時，在膜片上產(chǎn)生一個向下的推力，使推桿5向下移動壓縮彈簧6，當彈簧的反作用力與信號壓力在膜片上產(chǎn)生的推力相平衡時，推桿穩(wěn)定在一個對應(yīng)的位置，推桿的位移l即為執(zhí)行機構(gòu)的輸出，也稱行程。

4.4 執(zhí)行器的選擇

調(diào)節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，其特性好壞對控制質(zhì)量的影響是很大的。由于其結(jié)構(gòu)較簡單又較粗糙，所以往往不被人們所重視。實踐證明，在過程控制系統(tǒng)設(shè)計中，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會嚴重影響控制質(zhì)量。

通過調(diào)節(jié)閥的選擇原則，及本系統(tǒng)的要求，閥門選擇氣動薄膜式單座直通閥，安裝方式為氣關(guān)，引線端子如圖9所示。為了與氣動薄膜式單座直通閥相匹配，還需要選擇一個閥門定位器，與之配套使用，電氣閥門定位器的型號為HEP-17，

主要技術(shù)指標為：

• 、精度：小于全行程±1%。
  (2)、回差：小于全行程1%。
  (3)、死區(qū)：小于全行程0.4%。
  (4)、特性：線性(可改變成快開、等百分比特性)。
  (5)、氣源壓力：0.14-0.16MPa 0.17-0.5MPa。
  (6)、最大流量：140NL/min(當氣源壓力在0.14MPa時)。
  (7)、耗氣量：5NL/min(當氣源壓力在0.14MPa時)。
  (8)、環(huán)境溫度：-25℃～+55℃。
  (9)、環(huán)境濕度：10-90%RH。
  (10)、最大行程速度：4mm/秒(配ZH -22執(zhí)行機構(gòu)時)。
  (11)、輸入阻抗：250 Ω(4-20mADC) 100Ω(10-50mADC)。
  (12)、電氣連接：G1/2螺紋。
  (13)、氣管連接：卡套式氣管接頭(φ6或φ8)。
  (14)、防爆(防護)型式(等級)：隔爆型d(Diibt6)，本質(zhì)安全型 i(iaIICT6)
  (15)外殼材料：鋁合金 噴朔工藝處理
  (16)外形尺寸：392.5*141.5*231(mm)(長*寬*高)
  (17)重 量： 3.5kg
  

引線端子如圖9所示：

在實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較，并對由此所產(chǎn)生的偏差進行比例、積分或微分處理后，輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行器的動作，以實現(xiàn)對不同被測或被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動調(diào)節(jié)作用。

5.1調(diào)節(jié)器正反作用的選擇

調(diào)節(jié)器有正作用和反作用調(diào)節(jié)器兩種。調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇同被控過程的特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式有關(guān)。被控過程的特性也分正、反兩種。即當被控過程的輸入量增加(或減小)時，其輸出(被控參數(shù))亦增加(或減小)，此時稱此被控過程為正作用；反之，當被控過程的輸入量增加時，其輸出卻減小，稱此過程為反作用。

5.2調(diào)節(jié)器的選型

由于已經(jīng)選用DDZ-Ⅲ型變送器，所以調(diào)節(jié)器也選用DDZ-Ⅲ的，DDZ-Ⅲ型電動調(diào)節(jié)器有兩個基型品種：全刻度指示調(diào)節(jié)器和偏差指示調(diào)節(jié)器。它們的結(jié)構(gòu)和線路相同，僅指示線路有些差異，這兩種基型調(diào)節(jié)器均具有一般控制器應(yīng)具有的對偏差進行PID運算、偏差指示、正反作用切換、內(nèi)外給定切換、產(chǎn)生內(nèi)給定信號、手動/自動雙向切換和閥位顯示等功能。

主、副調(diào)節(jié)器的選型一致，都選用DTZ-2200D。它接受變送器經(jīng)信號分配器送來的信號征收給定信號進行比較，對其差值進行比例、積分、微分運算，以電流輸出控制執(zhí)行機構(gòu)。其主要技術(shù)指標如下：

輸入信號： 1-5VDC
給定方式： 內(nèi)給定1-5VDC
           外給定4-20mADC(250Ω±0.1%)
輸出信號： 4-20mADC
閉環(huán)跟蹤誤差： <±0.5%
負載電阻： 250Ω-750Ω
功 能： 自動/手動，非平衡無擾動切換
調(diào)節(jié)動作： PD；PI；PID
比 例 帶：(P)2%-500%
積分時間：(TI)0.01分-2.5分和0.1分-25分兩檔(開關(guān)切換)
微分時間：(TD)關(guān)、0.04分-10分(開關(guān)切換)
微分增益： KD=10

工作環(huán)境： 環(huán)境溫度： 0-50℃；相對濕度： ≤85%(RH)
電源電壓： 24VDC±10%
功 耗： 3W
重 量： 3kg

圖13.DTZ-2200D引線端子圖

調(diào)節(jié)器的1、2輸入端子接變送器的5、6輸出端子；7、8端子接外給定4-20mA；13、14輸出端子接執(zhí)行器；18端子接地；19、20端子接24VDC電源。變送器的1、2輸入端子接K型熱電偶的輸出；3、4端子接補償電阻；5、6輸出端子接調(diào)節(jié)器的輸入端子1、2；7、8端子接24VDC電源。

過程儀表課程設(shè)計報告.doc (1.49 MB, 下載次數(shù): 9)

2018-5-25 17:44 上傳

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