北京石油化工学院
本科毕业设计（论文）开题报告
题目名称：氢气罐压力分程控制的设计
题目类型： 自动化类
学生姓名：
专 业： 自动化
学 院： 信息工程学院
年 级：
指导教师：
2013 年 5 月 23日
一、 系统简介
气罐是工业生产过程中常见的装置和设备，其主要作用是存储生产过程中的气体，它是一种压力容器。气罐中的压力关乎整个生产过程的安全，因此对气罐压力的控制显得非常重要。气罐在生产过程中不是一个很复杂的控制对象，其输入量是输入气体流量，输出量是输出气体流量，是一个单输入单输出设备，而气罐中的气体压力则是我们主要控制的目标。
二、控制方案简介
本设计是以控制气罐中的压力分程为目的的控制系统。气罐是一个单输入单输出系统，因此在保证一定的安全性和经济性情况下，采用简单的单输入单输出控制方案即可满足要求。
气罐压力分程控制系统如图1所示，该方案采用了最简单的单回路闭环控制系统，系统中只有一个调节器。控制系统方框图如图2所示，其主要由压力变送器、控制器、执行器和被控对象（气罐）组成。压力变送器实时检测气罐中的压力，并将其转换成相应的信号，然后将其输入到调节器的信号测量端，与调节器的给定值进行偏差计算，偏差信号在调节器中进行PID运算，输出相应的信号到执行机构，按偏差方向调节阀门的开度，直到被控压力稳定在给定值。
图1.气罐压力分程控制系统
图2.气罐压力分程控制系统框图
该压力控制方案中，统一采用DDZ-Ⅲ型系列仪表，仪表间传输信号为4—20mA直流电流信号，抗干扰能力强，误差小，利于远传。
三、 仪表选型
1、调节器选型
1）型号：KSC5-AH智能PID调节仪。
KSC5系列智能PID调节仪与各类传感器、变送器配合，可实现对温度、压力、液位、成分等过程的测量、变换、显示、通讯和控制。采用先进的PID智能控制算法，抗超调，具备自整定功能。误差小，并具备调校、数字滤波功能，可帮助减少传感器、变送器误差，有效提高测量、控制精度。适用于电压、电流、热电阻、热电偶、mV、电位器、远传压力表等信号类型。
2）参数
①输入
电流：4～20mA、0～10mA、0～20mA可通过设定选择
电压：1～5V、0～5V可通过设定选择
热电阻：Pt100、Cu100、Cu50、BA1、BA2、G53可通过设定选择
热电偶：K、S、R、B、N、E、J、T可通过设定选择
②调节方式
连续PID调节
位式PID调节
③精度
测量周期：0.3s
控制周期：0.3s～75.0s可设置
测量精度：±0.2%F·S±1个字，自动对温漂、时漂进行补偿
测量分辨率：1/16000、14位A/D转换器
显示范围：-1999～9999
热电阻输入导线电阻：小于20Ω
热电偶输入冷端补偿范围：0～60℃，精度±1℃
设定精度：与显示值一致无相对误差
④输出
控制输出：
可控硅无触点开关输出：100V-240V AC、0.2A（持续）、1A（20ms瞬时，重复周期大于5s）
可控硅过零触发输出：可触发5A-500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块
SSR电压输出：8V DC，40mA（用于驱动SSR固态继电器）
继电器输出：触电容量220V AC，3A
线性电流/电压输出：同变送输出（如下）
变送输出：
光电隔离
4～20mA、0～10mA、0～20mA直流电流，可通过设定选择。负载能力大于600Ω
输出分辨力：1/1000，误差小于±0.5%FS
报警输出：
12种报警方式，通过设定选择。具备延时报警功能
继电器输出：触电容量220V AC，3A
⑤其他
电源:220V AC,功耗小于7VA
工作环境：0～50℃，湿度低于90%RH
显示范围：-1999～9999，小数点位置可设定
显示分辨力：1/10000
基本误差：小于±0.2%FS
测量分辨力：1/60000,16位A/D转换器
测量控制周期：最短0.2s，可通过参数设定
手/自动输出：自动/手动双向无扰动切换
外供电源：24V DC
3）仪表接线端子
图3.KSC5-AH接线端子图
表1. KSC5-AH接线端子说明表
|
端子 |
说明 |
端子 |
说明 |
端子 |
说明 |
|
1（+） |
信号输入端 |
10 |
第三报警输出端 |
16 |
第二报警输出端 |
|
2（-） |
11 |
17 |
|
3（-） |
外供电源输出端（24V DC） |
12 |
18 |
|
4（+） |
13 |
第一报警输出端 |
19 |
与RS232接口端 |
|
5（+） |
控制输出端 |
14 |
20 |
|
6（-） |
15 |
21 |
|
7（+） |
变送输出端 |
23（+） |
电源输入端（220V AC） |
22 |
接地端 |
|
8（-） |
24（-） |
9 |
空 |
2、变送器选型
1）型号：DBS308系列压力变送器。
DBS308采用进口扩散硅作为压力检测元件，传感信号经高性能电子放大器件转换成4～20mA DC统一输出信号。
2）参数
电源电压：24V DC
量程范围：0～70KPa
精度等级：0.25%
输出信号：4～20mA DC
输出负载：0-600Ω
非线性误差：≤±0.3%FS
滞后误差：≤±0.3%FS
防爆标志：Exia Ⅱ CT4-6
3）仪表接线端子
图3.DBS308接线端子图
表2. DBS308接线端子说明表
|
端子 |
说明 |
|
1（+） |
电源输入（24V DC）和信号输出（4～20mA DC） |
|
2（-） |
|
2（-） |
输出测试和检测 |
|
3（+） |
|
4 |
接地端 |
3、执行器选型
（1）调节阀
1）型号：KVHQ电动调节球阀。
KVHQ电动开关型球阀，配用电动执行机构，单相电源即可控制运行，实现对压力、流量、温度、液位等参数的调节。
2）参数
公称通径：DN25-300mm
公称压力：PN1.6，4.0，6.4MPa
连接形式：法兰式按JB/T79.2-94凹或按JB78-5P对夹式法兰连接
阀芯形式：O形缺口半球体
流量特性：近似等百分比或近似直线特性及快开特性
球体阀杆材料：2Cr131Gr18Ni9Ti oCr17NI17Mo2（316L）
金属阀座材料：与阀杆材料相同，密封堆焊钴铬硬质合金
非金属阀座材料：增强聚四氟乙烯
动作范围：0～90º
允许压差：小于公称压力（1.6MPa）
控制精度：基本误差：±2% ；回差≤2% ；死区≤1%
可调范围：250:1
环境温度：-20～60º
（2）执行机构
1）型号：3610R系列角行程电子式电动执行机构，规格361RSB-10。
3610R系列角行程全电子式电动执行机构，以AC220单相交流电源作为驱动电源，直接接受来自DCS、PLC系统或调节仪表操作器的控制信号，是以角度（0～90º）位移运动的执行机构。
2）参数
电源电压：220VAC，50Hz
驱动电机：AC可逆单相齿轮减速电机
耗电功率：150VA
输入信号：4～20mA DC或1～5V DC
输出信号：DC4～20mA（负载电阻500Ω以下）或DC1～5V
控制精度：基本误差：±1% ；回差≤1% ；死区≤1%
工作行程调整范围：零点±25%；行程20%～100%
输出力矩：100N/m
动作时间：18s/90º
最大转角：90º
防爆等级：Exd II BT4
3）仪表接线端子图
图5.361RSB-10接线端子图
表.3 361RSB-10接线端子说明表
|
端子 |
说明 |
|
1（-） |
电源输入（AC220V） |
|
2（+） |
|
3（-） |
信号输出（DC4～20mA） |
|
4（+） |
|
5（-） |
信号输入（DC4～20mA） |
|
6（+） |
四、 仪表配接图及说明
1）变送器DBS308采用二线制接法，1脚接KSC5-AH的4脚，由调节器KSC5-AH外供电源供电，2脚接调节器KSC5-AH的1脚。
2）调节器KSC5-AH与二线制变送器DBS308电流信号接线，其2脚和3脚短接，1脚接变送器DBS308的2脚，4脚接DBS308的1脚。调节器KSC5-AH的控制输出端5脚和6脚分别接执行机构的6脚和5脚。调节器KSC5-AH为220V交流供电电源，其23脚和24脚分别接电源的正极和负极。调节器KSC5-AH的22脚接地。
3）执行机构361RSB-10的输入信号端6脚和5脚分别接调节器KSC5-AH的5脚和6脚。执行机构361RSB-10的2脚和1脚分别接220交流电源的正极和负极。
五、仪表型号清单
表4.仪表选型清单
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元器件 |
型号 |
生产厂家 |
数量 |
|
控制器 |
KSC5-AH |
北京昆仑海岸传感技术中心 |
1 |
|
压力变送器 |
DBS308 |
江苏苏科仪表有限公司 |
1 |
|
调节阀 |
KVHQ |
上海耐博泵阀制造有限公司 |
1 |
|
执行机构 |
361RSB-10 |
上海利沪阀门有限公司 |
1 |
六、参考文献
[1] 周泽魁.控制仪表与计算机控制装置.化学工业出版社.2002
[2] 张毅，张宝芬，曹丽，彭黎辉.自动检测技术及仪表控制系统（第二版）.化学工业出版社.2004
[3] 金以慧.过程控制.清华大学出版社.2007
[4] 胡寿松.自动控制原理（第五版）.科学出版社.2007
[5] 中国自动化控制系统总公司.自动系统成套设备.陕西科学出版社.1989
