锅炉内胆温度实训实习2DOCWord下载.docx
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前言
随着工业技术的更新，特别是半导体技术，微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化仪表已经进入了计算机控制装置时代。
在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、压力、液位成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”系统。
过程控制就是对过程装备及其系统的状态和工况进行监测、控制，以确保生产工艺有序稳定运行，提高过程装备的可靠度和功能可利用度。
过程控制不仅在传统工业改造中起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且已成为新建的规模大，结构复杂的工业生产过程中不可或缺的组成部分。
随着计算机控制装置在控制仪表基础上的发展，自动化控制手段也越来越丰富。
在现代工业控制中，过程控制技术正为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产效率、改善劳动条件、保护生态环境等起到越来越大的作用。
本次实训实习就是利用THJ-2型高级过程控制实验装置为硬件基础对锅炉内胆水温控制系统进行调试，并采用MCGS组态软件在上位机上实现显示和控制。
目前，锅炉温度控制主要采用PID控制。
PID控制由于具有简单、直观、鲁棒性好的特点，成为过程控制中最为常用的控制方式。
在工程实际中，调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
一、实验装置简介
THJ-2型高级过程控制实验装置包括不锈钢水箱、冷热水交换有机玻璃圆筒型大水箱、上下串接的有机玻璃双容上下小水箱、带有机玻璃冷却水循环夹套的小加温箱、三相电加热锅炉等，适用于控制系统组成认识实验、对象数学模型的测试实验、调节阀流量特性测试实验、位式控制实验、单回路调节实验、串级控制实验等其相似实验。
该实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的优点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。
本装置还可根据用户的需要设计构成DDC，DCS，PLC，FCS等多种控制系统。
THJ-2型高级过程控制实验装置的特点：
1、被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数。
2、执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器、晶闸管移相调控等电力拖动类执行器。
3、系统除了改变调节器的设定值做阶跃扰动外，还可在中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动。
4、一个被调节参数可用不同动力源、不同的执行器，不同的工艺线路下了演变成多种调节回路，以利于讨论，比较各种调节方案的优劣。
5、能进行多变量控制系统及特定过程控制系统实验。
6、各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以控制。
7、实验数据及图表在MCGS软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。
二、系统的组成与工作原理
“THJ-2型高级过程控制实验装置”由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位监控PC机三部分组成。
组成一个可控的系统。
首先得确定被控参数、控制参数、还要确定如何调节，此外特别重要的就是控制方法的选择。
本系统可以直接选取加热炉的温度作为被控参数；
影响加热炉的温度有两个量，一是冷水的流量，二是燃料的流量。
所以加热炉温度控制就有两种方案。
一般控制参数选燃料的流量控制较好；
采用调节阀调节；
PID控制是在PI控制的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（如：
快速性、稳定性等），所以便选用PID控制。
该系统为单输入单输出过程控制系统，结构简单只采用了一个测量变送器监测被控过程、一个调节器来保持一个被控参数恒定或在很小的范围内变化，其输出也只控制一个调节阀，故采用单回路控制系统。
其单回路控系统框图如下：
系统的控制原理：
本系统的控制任务是控制锅炉内胆温度等于给定值。
热电阻元件检测到温度信号后，通过变送器将加热炉温度信号转化为电流信号送到ICP-7033的A/D转换，转换为1～5V的电压信号，通过串行总线将信号输入计算机，MCGS组态环境下，根据控制要求，将信号与设定值比较得到电压偏差信号，输给PID控制器进行整定，然后将控制器的输出电压信号经过ICP-7024的D/A转换，转换为4～20mA的电流信号，作用调节阀，来调节燃料的流量，从而调节加热炉温度，反复循环，使加热炉温度达到设定值的要求，从而达到锅炉内胆水温的自动调节。
（一）温度检测
温度检测是利用金属导体是电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
锅炉内胆温度控制系统检测装置是用Pt100热电阻作为温度传感器。
铂热电阻PT100接线说明如下所示：
连接两端元件热电阻采用的是三线制接法，以减少测量误差。
在多数测量中，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电阻值将有明显的变化。
为了消除由于这种变化而产生的测量误差，采用三线制接法。
即在两端元件的一端引出一条导线，另一端引出两条导线，这三条导线的材料、长度和粗细都相同，如图所示的a、b、c。
可以看出a和c阻值的变化对电桥平衡的影响正好抵消，b阻值的变化量对仪表输入阻抗影响可忽略不计。
铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性测量温度,显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值.当被测介质存在温度梯度时,所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。
用Pt100测得温度信号后通过温度变送器将其转换为电流信号。
（二）温度变送
本系统温度变送采用的是DDZ-Ⅲ电动温度变送器。
DDZ-Ⅲ电动温度变送器输出为4～20mA直流电流、1～5V直流电压信号。
温度变送器的作用是将热电偶、热电阻的检验信号转变成统一信号。
如4～20mA直流电流、1～5V直流电压输出给显示仪表或调节器，实现对温度的显示、记录或自动控制。
温度变送器还可以作为直流毫伏转换器来使用，以将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变成标准统一信号输出。
（三）输入模块ICP-7033
远程数据采集热电阻输入模块ICP-7033是8通道模拟量输入模块。
ICP-7033模块为24V供电，面板上提供了3通道的输入端口。
每一通道根据功能表可输入允许范围的热电阻。
支持485通讯。
ICP-7033分辨率16bit，输入通道为8路差动，采样率10Hz。
ICP-7033的作用是将温度变送器的电流信号通过ICP-7033模块转换为数字信号（电压信号）通过RS485接口送入计算机处理。
（四）输出模块ICP-7024
远程数据采集热电阻输出模块ICP-7024是4通道模拟量输出模块。
ICP-7024模块24V供电，面板上提供了4通道的输出端口。
每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。
ICP-7024分辨率14bit，输出通道为4路差动，电压输出+/-10V，+/-5V，0～10V，0～5V。
电流输出0～20mA，4～20mA。
ICP-7024模块作用是将从计算机输出的信号加到三相SCR调压模块4～20mA电流控制信号输入端。
（五）三相SCR调压模块
三相SCR调压模块，它是通过4～20mA电流控制信号控制单相220V交流电源在0～220V之间根据控制电流的大小实现连续变化。
本系统通过计算机中的组态软件MCGS进行PID整定后输出控制信号通过远程数据输出模块加到单相SCR调压装置的输入端，以此来控制加热管电流的大小。
（六）MCGS组态环境及PID整定介绍
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件。
可运行于MicrosoftWindows95/98/NT/2000等操作系统。
组态软件为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据的采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
MCGS组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。
同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。
在计算机上运行MCGS打开其运行环境，找到锅炉内胆水温定值控制系统的实验，打开脚本程序即可查看实现PID算法的程序。
1、PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法。
它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期。
（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
（七）控制系统接线
1、将三相电源的输出端U、V、W对应接SCR移相调压器的输入端U、V、W。
2、三相SCR移相调压器的输出端U0、V0、W0接到三相电加热管输入端U0、V0、W0。
3、变频器输出端A、B、C对应接到三相磁力泵（～220V）的A、B、C端。
4、内胆温度TT1铂电阻的1a、1b、1c端对应接到7033输入模块的第一通道的E1、S1、C1端。
5、7024模块第一输出通道A/O的正端接到24V开关电源的正端，将7024模块第一输出通道A/O的负端接到三相电加热管4~20mA输入正端，三相电加热管4~20mA输入负端接到24V开关电源的负端。
6、将通信电缆连接到7033、7024的485通讯接口，再通过485/232转换器连接到计算机的COM2口上。
三、调试分析
（一）操作介绍
按控制要求接成实验系统。
操作步骤：
1、打开调节阀1、调节阀，关闭调节阀2。
2、启动丹麦泵往锅炉进水，约经1-2分钟后，关闭丹麦泵（保证锅炉内胆里有水）。
3、打开单相Ⅰ、单相Ⅱ空气开关、电动调节阀、24V直流电源开关。
4、运行MCGS组态软件，进入锅炉内胆温度控制系统，把温度设定于某给定值，设置各项参数。
5、观察实验曲线图。
注：
实验调试是在给定30℃调节稳定后将给定设置为50℃进行的再次调试。
（二）三种控制参数设定比较
1、P参数设置：
P参数反应的是系统的灵敏度，P越小，系统的灵敏度越高，但太小会引起振荡，反之，系统的灵敏度就越低。
如不能肯定比例调节系数P应为多少，建议把P参数先设置大些，以避免开机出现超调和振荡，运行后视响应情况再逐步调小，以加强比例作用的效果，提高系统响应的快速性，以既能快速响应，又不出现超调或振荡为最佳。
2、I参数设置：
I参数反映的是系统消除静差所需的时间常数，I越大，系统消除静差所需的时间越短，但易引起周期性波动。
反之，就会使系统很长时间不能消除静差。
如不能肯定积分时间参数I应为多少，请先把I参数设置小些，（I＝0时，积分作用去除）系统投运后先把P参数调好，尔后再把I参数逐步往小调，观察系统响应，以系统能快速消除静差进入稳态，而不出现超调振荡为最佳。
3、D参数设置：
D参数反映的是系统按温度偏差变化的趋势进行超前调节的时间常数，如果系统的纯滞后较大，适当增加D常数可抑制超调，有利于提高系统的稳定性。
但D太大则容易引起波动。
如不能肯定微分时间参数D应为多少，请先把D参数设置为O，即去除微分作用，系统投运后先调好P参数和I参数，P、I确定后,再逐步增加D参数,加微分作用，以改善系统响应的快速性，以系统不出现振荡为最佳，（多数系统可不加微分作用）。
运行MCGS组态软件，进入锅炉内胆温度控制系统，进入如下界面；
设定参数。
一般PID参数可任意设定。
本次实验温度设定值为50℃，给定值为45℃。
按P、I、D参数设定方法尝试设定参数，最后取P为30，I为350，D为40。
系统自动PID整定调节曲线如下图。
一般的，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）
四、总结体会
一周的工程培训实习，我通过认真的学习和研究，收获颇多。
本次工程实践利用THJ-2型过程控制实验装置为硬件基础做锅炉内胆水温控制系统实验分析。
一周的学习研究增强了我独立完成一项工作的流程和解决问题的方法的能力，增加了对MCGS组态软件的认识与应用，特别是关于这个组态软件的编程有了一定的了解。
提高了我的学习能力以及掌握了用所学知识解决工程实际问题的方法，同时也学到了很多新的知识，开阔了视野。
在做实验之前，老师给我们详细介绍整个装置，以及过程控制系统的工作原理。
在讲解电动阀时，老师问我们为什么有两根输入线，我们当时谁都没答上。
老师就给我们细细地讲解了电动阀的工作原理。
原来电动阀要动起来，必须加工作电压。
所以其中一个线是强电，给电动阀提供动力，另一根线为控制线。
在做实验时，给定一个水温后启动实验，却发现通信失败，检查是通信线出了问题。
我们就又换了机子做，又不成功，再一仔细检查发现竟忘记给远程数据采集输出模块7033加24V电源。
加上后实验，终于成功了。
我深刻的意识到做任何事，都要仔细才行。
本次工程培训是工作是在沈细群老师的悉心指导下完成的。
感谢她在这段时间里的辛勤指导，我们认真学习，锻炼了我分析问题与解决问题的能力，提高了我的学习能力以及掌握了用所学知识解决工程实际问题的方法，同时也学到了很多新的知识，开阔了视野，积累了不少的知识和经验。
沈老师不仅教我们学，还教我们做，做人的原则，技巧。
间我们怎么去找工作还有怎么和同事领导处好关系，真是收益非浅啊！
她让我们了解到社会竞争的残酷，让我们对于如何适应这个快速发展的社会有了初步的认识。
在此特别感谢沈老师！
这次实习的意义，对我来说已经不再是完成学分、完成实习的任务，而是在开启生命之旅大门的过程中迈出了第一步。
基于此，再次深深地感谢沈老师！
谢谢！
五、系统总图
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