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1、锅炉内胆水温定值控制系统的设计与实现 学校代码 学号 题 目 学年论文指导教师评阅意见 摘要 本实验系统为对锅炉内胆水温的定值控制，利用THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台进行试验，在局域网中，通过上位机赋予下位机的权限，利用组态王软件对锅炉内胆水温进行设定，使用PID控制能在一定的精度内实现锅炉夹套对水锅炉内胆水温的自动调节，使之达到水温设定值，并保持稳定。通过实验要求，我们采用主调节器为PID控制的系统，并使用MATLAB进行模型建立，使用试凑法得到PID参数。因为用锅炉夹套内水的流动降低锅炉内胆的温度，所以锅炉水温具有非线性、时变性、大滞后和不对称性等特点,因此我们使用PID算法
2、控制实现对锅炉内胆水温的快速精确控制，满足实验要求。 关键词：锅炉,水温，控制 The boiler tank water temperature constant value control system design and implementation Abstract This experiment system is a constant value control of the boiler tank water temperature, using THSA - 1 type control integrated automation control system experim
3、ental platform to test and in the local area network (LAN), given by the upper machine under a machine permissions, using kingview software to set the boiler tank water temperature, using PID control can realize the jacketed boiler within a certain precision of the boiler water tank water temperatur
4、e automatic adjustment, the water temperature will be set value, and keep the stability. Requirements through the experiment, we use the primary controller for the PID control system, and use of MATLAB model is established in this paper, using the trial and error method of PID parameter. Because in
5、jacketed boiler water flow to reduce the temperature of the boiler tank, so the boiler water temperature is nonlinear, time-varying, big lag and asymmetry and other characteristics, so we use PID algorithm control realize the rapid and accurate control of the boiler tank water temperature, satisfies
6、 the requirement of experiment. Key words : boiler，water temperature，control 目录 1.绪论. 1 1.1锅炉相关背景介绍. 1 12系统设计方案. 2 1.2.1设计目的. 2 1.2.2设计要求. 2 1.2.3设计思路. 3 2.系统硬件组成及设计方案. 4 2.1智能仪表. 4 2.2控制器. 4 2.3测量变送器. 5 2.4设计方案. 6 3系统仿真与分析. 7 3.1 matlab仿真结构图. 7 3.2系统的参数整定. 8 4系统的硬件调试及分析. 9 4.1组态王参数设定与工作过程分析. 9 4.2实
7、验结果分析 . 10 4.3试验中遇到的问题. 11 总结. 12 致 谢. 13 参考文献. 14 1.绪论 1.1锅炉相关背景介绍 锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能，锅炉输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。主要分为蒸汽锅炉和热水过滤。 锅炉的发展可追溯到18世纪上半叶，蒸汽机的发明使得对蒸汽的需求量大大增加，这就要求锅炉有一定的的产生蒸汽的能力。此时，所用的蒸汽压力等于大气压力。19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8兆帕左右。
8、与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。1830年左右，在掌握了优质钢管的生产技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火(烟气)在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。 19世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再
9、受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。 20世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。 第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以
10、采用小 直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，70年代最大的单台容量是27兆帕压力配1300兆瓦发电机组。后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。目前，我国制造和使用的锅炉是量大面广的供热锅炉，因此，对锅炉内胆的水温控制显得极其重要。当其温度过高时，产生的蒸汽压力会过高，如果不对其进行控制，很可能发生工业事故。而温度过低时，又不能满足用户或工业要求。根据目前国家有关标准、规范、规定的限定，供热锅炉一般指额定蒸发量D65t/h，额定压力 P3.9MPa的锅炉，这也是与建筑环境
11、与设备专业密切相关的锅炉，是本专业重点研究和使用的对象。要顺利完成化学能与热能之间的转换， 或者说要顺利地产生用户所需的蒸汽或热水，光有锅炉本体设备还是不够的，还必须配以其他辅助系统，如燃料输送及出灰渣系统，引、送风系统，汽水系统，仪表附件及控制系统。 我国供热锅炉恒久以来不停存在所谓的“大马拉小车”现象，大多数锅炉处于低负荷运转状态，一方面是由于设计院和用户在选用锅炉时，考虑到今后的生长等因素，所选锅炉的容量及台数往往超过现实需求量很多，另一方面，锅炉现实运转中负荷常随用汽、用热负荷变革在较大范围内波动，形成很多锅炉恒久在低负荷下运转。我国供热锅炉一样平常均匀负荷率在50%70%，锅炉容量愈
12、小，均匀负荷率愈低，反之则较高。 12系统设计方案 1.2.1设计目的 本次设计的是锅炉内胆的水温定值控制，本实验基本要求是能够在一定精度内进行水温控制。通过本次设计，增进学生对DCS分布式操作系统及智能仪表的了解，加强了学生的动手能力。 1.2.2设计要求 要求系统的主控制量T1等于给定值，通过副回路的调节作用可快速消除扰 动的影响。 1.2.3设计思路 通过组态王软件进入DCS操作系统，设定给定值（锅炉内胆的设定水温），通过动态自动控制空锅炉夹套的出水速度，使系统的水温达到设定值，最终系统趋于稳态。 2.系统硬件组成及设计方案 2.1智能仪表 在设计过程中，要尽量降低系统的成本，根据现有的
13、资源，控制器可采用207实验室的“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台的AI智能仪表。 AI仪表常用参数设置，仪表1主调节器。 智能仪表1常用参数设置如下，其他参数按照默认设置： HIAL=9999，LoAL=-1999,dHAL=9999, dLAL =9999, dF=0, CtrL=1,Sn=33, dIP =1, dIL =0, dIH =200, oP1=4, oPL=0, oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。 变频器常用参数设置：P1=50、P2=0、P792、P160=0、P161=1、P182=4。 图2-1 THSA-1型过控综合自动化控制系统
14、实验平台 2.2控制器 本实验采用THJ-1型过程控制系统，实现对锅炉内胆的水温加热及锅炉夹套的水循环。 图2-2 THJ-1型过程控制系统 2.3测量变送器 锅炉内胆的温度测量变送器：用来检测锅炉内胆的温度，根据检测到的温度将模拟信号转化为4-20mA的电流信号，经V/I转换后，将电流信号转化为仪表可显示的标准电压信号。 图2-3 测量变送器 2.4设计方案 在实验平台及组态王上得到系统不加PID控制的响应曲线，通过对没有加入PID控制的响应曲线分析，得到系统的模型，确定系统的传递函数。 图2-4 该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。对象具有滞后特性时，在此曲线的拐
15、点处作一切线，它与时间轴交于一点，与响应稳态值的渐近线响交。因此得到系统的K=4.9，T=290，=10。 得到系统的传递函数： G(s)=4.9?e-10s 290s+1 3系统仿真与分析 3.1 matlab仿真结构图 图3-1仿真结构图 3.2系统的参数整定 通过MATLAB的仿真模型建立，将给定值设置为43，不断的通过仿真运行观察系统的响应曲线，根据各调节参数T、K、Ti、Td对系统相应的大致程度影响，反复试凑，以达到满意的响应从而确定PID的调节参数。最终通过实验得到P=1，Ti=0.01,Td=1，此时系统的响应曲线，超调量为15.3%，基本消除了稳态误差，调节时间约为280s，基
16、本符合实验要求。 图3-2系统的响应曲线 4系统的硬件调试及分析 4.1组态王参数设定与工作过程分析 在实验仿真的基础上确定了P、I、D参数的数值，通过组态王上设定锅炉内胆水温给 定值与P、I、D的参数再利用实验仪器进行试验。 组态王与实验平台的工作过程分析： 首先在上位机的允许下我们通过下位机进入实验界面，并控制实验平台，在下位机组态王的界面中设定锅炉内胆水温的给定值与P、I、D参数，在本次试验中，我将锅炉内胆温度给定值设为43，P=5，Ti=0.1，Td=1。然后打开三相磁力开关与三相调压开关等，实验平台开始工作，在PID的控制下移相调控为100%，锅炉内胆快速加热，同时锅炉夹套在水循环的
17、作用下对锅炉内胆进行降温，但此时锅炉内胆的加热电压较大，锅炉内胆水温上升。而测量变送器将锅炉内胆的温度测量到，并转化为相应的标准电流信号，由于所选用的智能仪表只识别电压信号，因此在测量变送器将电流信号送给智能仪表之前，要先经过V/I转换，将电流信号转换为标准的电压信号，再送给智能仪表，智能仪表在上位机的允许下，将此信号，通过实验室内局域网的线路送给我们的下位机， 下位机在不断地信号 接收后，将此信号通过曲线表示出来，得到加入PID算法后的响应曲线。 4.2实验结果分析 在加入PID法后，系统能够更快的进行调节，消除了响应曲线的稳态误差，同时减小了调节时间。得到系统的超调量为21%，调节时间约为
18、180s，稳态误差被彻底消除。 由于在此次试验中，测量变送器不能将信号实时的送给下位机，因此我们通过下位机没有得到相应的响应曲线，所以我们通过对智能仪表示数的记录，用MATLAB软件采用最小二乘法进行绘图，得到了加入PID调节控制后的响应曲线。实验数据记录如下： 图4-2加入PID后的系统响应曲线 4.3试验中遇到的问题 1、在对系统建立模型时，由于温度无法从零度开始，因而造成了K、Ti、Td，的误差。 2、在对响应曲线进行作图时，会出现一定的误差。 3、由于仿真针对的是理想模型，而现实的实验设备中存在一定的干扰，因此仿真所得的传递函数与实验设备的真实情况间存在一定的误差。 4、由于实验条件所
19、限，设宴设备无法提供冷水循环，因此在锅炉夹套对锅炉内丹进行降温时，会缓慢一些。 总结 本设计完成了题目要求的基本部分的全部要求。由于时间的短缺而没有更好地完善，在今后条件允许的情况下再扩展。 通过这次设计使我学会如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为人类造福的意愿出发，做自己力所能及的，别人却没想到的事。使之不断地战胜别人，超越前人。同时，更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻言放弃，设计过程，也好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，也许这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了，胜利的钟
20、声也就一定会为我们而敲响。 通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。在设计的过程中我们得到了老师的帮助与意见。，通过这次课程设计，使我学会了MATLAB的仿真设计，增强了我的动手能力，为以后打下了坚实的基础。 致 谢 本设计的完成是在我们的导师老师刘煜的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费曲老师很多的宝贵时间和精力，在此向老师表示衷心地感谢！老师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益 终生！ 还要感谢和我同一班级的同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，
21、并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。 再次感谢刘老师长期以来悉心的指导和在设计过程提供的大量资料、修改意见及多次的参观和试验的机会，让我对单片机有了较全面了解，为日后的工作和更进一步的学习打下了坚实的基础，也积累了许多宝贵的设计经验。 参考文献 1 何衍庆，黎冰，黄海燕.工业生产过程控制.第二版.北京：化学工业出版社, 2009.8 2 邓则名, 程良伦.电器与可编程控制器应用技术M.北京：机械工业出版社, 1997.1 3 吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用M.北京：机械工业出版社，2004 4 林小峰.可编程序控制器及应用.北京：高等教育出社M, 1991 5 方承远.工厂电气控制技术.第二版.北京：北京机械工业出版社M, 6 汪道辉.逻辑与可编程控制系统.北京：机械工业出版M, 2001 2000