基于仪表的锅炉温度控制系统设计.docx
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基于仪表的锅炉温度控制系统设计
基于仪表的锅炉温度控制系统设计
学院：
物理与电气工程学院
班级：
自动化3班
成员：
吴飞，鲁嘉诚，金智勇，汪帮磊
学号：
080312105，080312134,080312113,080312123
指导老师：
江善和
第一章绪论3
第二章制系统的设计及设备安装5
第三章控制原理10
第四章扰动对实验的影响13
第五章总结16
第1章绪论
1.1锅炉温度控制系统现状
锅炉在现代生活中起着不可估量的作用，是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。
它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。
随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，向着大容量、高参数、高效率发展。
为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。
随着经济的迅猛发展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制系统的工作效率要求也越来越高，为了提高锅炉的工作效率，较少对环境的污染问题，所以利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。
其优越性主要在于：
首先，通过对锅炉加热过程进行有效控制，使加热在合理的条件下进行，可以提高加热效率。
其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面使运行参数在CRT上的集中监测，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。
随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。
为此，生产过程的各个主要参数必须严格控制。
锅炉设备是一个多输入、多输出的复杂控制对象，这些输入变量与输出变量之间是相互关联的。
如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和蒸汽温度等的变化，不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、蒸汽温度、炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、蒸汽温度等亦有影响；所以锅炉设备是多输入，多输出且相互关联的控制对象。
1.2锅炉自动控制的发展历程
锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数、控制参数和扰动参数，它们之问相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都给锅炉的控制增加了难度。
锅炉控制技术的发展经历了四个历史阶段：
1.纯手动阶段
在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。
这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。
2.自动化单元组合仪表控制阶段
随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。
60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。
但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。
3.采用微机测控阶段
随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我固的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。
运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统同时得到重视。
80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。
4.分散控制阶段
分散控制系统（DCS）称集成控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理的设计思想，分而自治和综合协调的设计，采用层次化的体系结构，从下到上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。
DCS是以多台DDC计算机为基础，集分散型控制系统。
目前分散控制系统大多采用可编程控制器（PLC）进行系统设计，工控机机PLC的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价较低，得到了广大用户的青睐。
第2章控制系统的设计及设备安装
本次设计的锅炉温度控制系统采用集散型控制系统结构，将锅炉控制与数据采集任务放在各个现场控制单元，而数据显示和管理等功能则由上位计算机操作站完成，当上位监视计算机系统故障或没有使用时，现场各控制单元设备还可以继续工作，对整个工艺过程没有影响。
2.1组态软件介绍
“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem,简称DCS）的出现，才被广大的过程自动化技术人员所熟悉的。
在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。
这些优势主要体现在：
PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的成本；PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。
在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
组态的概念最早来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特殊任务、满足用户要求的目的。
监控组态软件是面向监控与数据采集（SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。
监控组态软件最早出现时，HMI或MMI是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。
随着其快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为主要内容。
随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。
目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能：
比如，几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；都提供多种数据驱动程序；都使用脚本语言提供二次开发的功能，等等。
但是，从技术上说，各种组态软件提供实现这些功能的方法却各不相同。
从这些不同之处，以及PC技术发展的趋势，可以看出组态软件未来发展的方向。
大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。
然而，在这种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接口规范编写，这为用户提出了过高的要求。
由OPC基金组织提出的OPC规范基于微软的OLE/DCOM技术，提供了在分布式系统下，软件组件交互和共享数据的完整的解决方案。
在支持OPC的系统中，数据的提供者作为服务器（Server），数据请求者作为客户（Client），服务器和客户之间通过DCOM接口进行通信，而无需知道对方内部实现的细节。
随着以工业PC为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员的使用组态软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面，而是要考虑一些实质性的应用功能，如软件PLC，先进过程控制策略等。
随着企业提出的高柔性、高效益的要求，以经典控制理论为基础的控制方案已经不能适应，以多变量预测控制为代表的先进控制策略的提出和成功应用之后，先进过程控制受到了过程工业界的普遍关注。
先进过程控制（AdvancedProcessControl，APC）是指一类在动态环境中，基于模型、充分借助计算机能力，为工厂获得最大理论而实施的运行和控制策略。
先进控制策略主要有：
双重控制及阀位控制、纯滞后补偿控制、解耦控制、自适应控制、差拍控制、状态反馈控制、多变量预测控制、推理控制及软测量技术、智能控制（专家控制、模糊控制和神经网络控制）等，尤其智能控制已成为开发和应用的热点。
目前，国内许多大企业纷纷投资，在装置自动化系统中实施先进控制。
国外许多控制软件公司和DCS厂商都在竞相开发先进控制和优化控制的工程软件包。
据资料报道，一个乙烯装置投资163万美元实施先进控制，完成后预期可获得效益600万美元/年。
从上可以看出能嵌入先进控制和优化控制策略的组态软件必将受到用户的极大欢迎。
2.2智能仪表概述
微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。
智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。
随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高，例如深圳科立恒公司的智能仪表，不但能完成多种物理量的精确显示，同时可以带变送输出、继电器控制输出、通讯、数据保持等多种功能。
智能式仪表是以微处理器为中央控制单元,能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能,并可与外界通讯的仪器仪表。
与其他常规仪表相比，有以下几个优点：
a.先进的微机技术,高性能的集成芯片,功能强大,性能优越。
b.可靠性高,稳定性好,长期工作维护量小。
c.可采用LCD显示,清晰直观,读数方便。
d.适用范围广,使用灵活:
可选择不同的测量值和输出值;可在线修改参数,流量小信号切除、失败模式电流输出等功能;具有内部计算、数据存储、自诊断、自校验等多种功能。
e.具有大量的非控制性信息管理信息,可供用户参考。
2.3实验设备的使用以及连线说明
实验系统流程图如下所示：
图2-1锅炉温度控制实验流程图
1.本次试验所用到的设备按图2-2接好实验导线和通讯线。
图2-2锅炉温度控制实验接线图
2.将手动阀门1V10、1V3打开，其余阀门全部关闭。
3.先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台的总电源，再打开仪表控制单元电源。
4.在控制板上打开水泵1开关，待水标内水位超过总高度的2/3，打开V3，手动调节1V3，V3，使水标高度基本不变。
其他阀门关闭。
5.打开计算机上的PCS-E-仪表MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。
如图2-3所示：
图2-3登陆界面示意图
6.选择单回路控制实验的锅炉温度控制实验。
7.选择计算机控制方式。
8.按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。
Ts=1（参考值）
SV=30（参考值）
Kc=20（参考值）
Ti=150（参考值）
Td=0（参考值）
9.在信号板上打开加热信号输入、温度信号输出。
第3章控制原理
锅炉温度控制系统主要包括水温控制回路、给水控制回路等，系统中主要对给水、水温等主要参数进行调节控制。
如图3-1所示：
图3-1设置界面
系统中主要采用的PID算法为双相积分的PID智能控制算法。
3.1水温控制回路
通过调节锅炉内水的温度与设定值的差值来调节锅炉的出水温度。
初始温度为40度，设定值为45度，如图3-2所示：
图3-2温度曲线
锅炉出水温度是热水锅炉的最重要的参数，采用微机控制可有效克服人工控制的缺陷．微机内预存有各种室外温度下的标准供水温度及标准供水、回水温度差曲线，微机首先根据当前室外温度及一段时间的室外温度变化情况推算出室外温度的变化趋势，再由标准供水曲线上查得当前锅炉的出水温度标准值，作为出水温度控制回路的给定值。
微机根据锅炉当前出水温度与给定值的偏差大小，通过内部的控制算法，使锅炉出水温度逐渐达到设定值，即水温的曲线与设定值曲线重合；阀门开度曲线表示的是水温变化的程度。
如图3-3和图3-4所示：
图3-3温度曲线
图3-4阀门开度曲线
3.2给水控制回路
打开进水开关，待水标内水位超过总高度的2/3，手动调节相应的进水开关，使水标高度基本不变。
由于水位调节对象没有自平衡能力，而且水位调节对象存在滞后，因此不能采用丌环调节方法。
常用的汽包水位的控制算法有单冲量控制，双冲量控制以及三冲量控制三种。
系统采用以蒸汽流量和给水流量作为补充信号的三参数调节方法，又称为三冲量水位调节系统。
本次实验采用计算机控制，将锅炉的水温控制在设定温度。
根据加热器温度送输出给计算机，计算机根据PID运算，然后控制输出信号。
通过调压模块，调整电加热器的功率，使得锅炉里水温控制在设定的温度。
锅炉温度控制的方块原理图如图3-5所示：
图3-5锅炉温度控制实验方框图
3.3母管控制回路
某锅炉控制系统是共母管供水锅炉，对于共母管供水的锅炉，需要设置给水母管压力控制回路，用于稳定给水母管压力，以保证各锅炉汽包水位不受其他锅炉以及其他设备上水对锅炉水位的扰动，取母管压力为被控量，通过调节阀门开度调节母管压力。
第4章扰动对实验的影响
4.1PID参数对系统的影响分析
PID控制器的参数Kp,Ki和Kd分别会对系统性能产生不同的影响，因此要通过反复调节才能使控制达到最佳状态，使得控制系统的整体性能较优，然后通过改变Kp,Ki和Kd来分析这三个参数对系统性能的影响，同时当系统处于稳态时给系统施加一定的干扰，分析系统的抗扰性能。
4.1.1比例系数Kp对系统性能的影响
（1）对系统的动态性能影响：
Kp加大，将使系统响应速度加快，Kp偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；；Kp太小又会使系统的响应速度缓慢。
Kp的选择以输出响应产生4:
1衰减过程为宜。
如图4-1所示：
图4-1仪表参数
（2）对系统的稳态性能影响：
在系统稳定的前提下，加大Kp可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。
因此Kp的整定主要依据系统的动态性能。
4.1.2积分时间TI对系统性能的影响
积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。
（1）对系统的动态性能影响：
积分控制通常影响系统的稳定性。
TI太小，系统可能不稳定，且振荡次数较多；TI太大，对系统的影响将削弱；当TI较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。
如图4-2所示：
图4-2仪表参数
（2）对系统的稳态性能影响：
积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若TI太大，积分作用太弱，则不能减少余差。
4.1.3微分时间TD对系统性能的影响
积分控制通常和比例控制或比例积分控制联合作用，构成PD控制或PID控制。
（1）对系统的动态性能影响：
微分时间TD的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。
适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度。
但TD值偏大或偏小都会适得其反。
另外微分作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。
如图4-3所示：
图4-3曲线对比
（2）对系统的稳态性能影响：
微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。
它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。
PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。
在工业过程控制中，通常要保证闭环系统稳定，对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。
在不同干扰下输出应能保持在给定值附近，控制量尽可能地小，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。
一般来说，要同时满足这些要求是很难做到的，必须根据系统的具体情况，满足主要的性能指标，同时兼顾其它方面的要求。
在选择采样周期T时，通常都选择T远远小于系统的时间常数。
因此，PID参数的整定可以按模拟控制器的方法来进行。
总结
通过这几天对课程设计所作的努力，成功完成了对锅炉的稳定控制系统的工作原理，实验所用到的软硬件以及扰动对系统的影响等几方面进行阐述。
通过改造锅炉的控制系统使其具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。
运用仪器仪表等的检测和控制，加深了对温度控制系统的认识。
通过老师与文献的帮助，我学会了组态软件的基本知识和使用技巧，熟练应用在以后的工作和生活中，对以后的工作起到了积极的作用，增强了我的实践动手能力。
致谢
课程设计不仅仅是完成一篇论文的过程，而是一个端正态度的过程，是大学生活的一个过程，是在踏入社会前的历练过程。
这个过程将使我受益匪浅！
在这次课程设计中，使我明白了自己原来知识还比较欠缺。
自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。
通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
在此要感谢我的指导老师胡新月老师的指导，感谢老师给我的帮助。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
参考文献
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机械工业出版社,2006
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[4]林德杰.过程控制仪表及控制系统.机械工业出版社,2008
[5]组态王.组态王使用说明书.北京亚控,2006
[6]邵裕森,戴先中.过程控制工程[J].北京：
机械工业出版社,2000;134-220
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