1、 密级： NANCHANG UNIVERSITY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（2006 2010 年）题 目 锅炉控制系统的设计 学 院： 环境与化学工程 系 化工 专业班级： 测控技术与仪器 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保
2、留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 日期：导师签名： 日期：南昌大学学士学位论文I锅炉控制系统设计专业：测控技术与仪器 学号：5801206025学生姓名：魏彩昊 指导教师：杨大勇摘要温度是流程工业中极为常见的热工参数，对它的控制也是过程控制的一个重点。由于加热过程、加热装置特殊结构等具体原因，使得过程对象经
3、常具有大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点，利用传统的 PID 控制策略对其进行控制，难以取得理想的控制效果，而应用数字 PID 控制算法能得到较好的控制效果。本文主要阐述了一种改进型的加热炉对象及其工艺流程，采用了 PLC 控制装置设计了控制系统，使加热炉的恒温及点火实现了自动控制，从而使加热炉实现了全自动化的控制。此种加热炉可广泛应用于铝厂、钢厂等金属冶炼、金属加工行业以及化工行业。此设计以工业中的电加热炉为原型，以实验室中的电加热炉为实际的被控对象，采用 PID 控制算法对其温度进行控制。提出了一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以 PLC 为核心，组成电加热炉自适应控制系统，其
4、控制精度，可靠性，稳定性指标均远高于常规仪表组成的系统。关键词：温度；电加热炉；PLC；控制系统南昌大学学士学位论文IIControl System Design of BoilerABSTRACTTemperature is a very popular parameter of pyrology in flow industry，so temperature control is an emphases of process control.Considering some special condition such as heating mechanism and the specia
5、l structure of heater there are often some features such as long time lag，nonlinearity and difficulties of modeling of targets of process.Its difficult to control very well by traditional PID algorithm，the Digital PID control algorithm can get better control effect.This article described a type of i
6、mp roved regenerative heating furnace, whichmakes the temperature invariable and auto ignition using PLC. It can be available inaluminum and steelmill and other metal industry, which can bring obvious economicand social benefits.The industrial design of the prototype electric oven to laboratory elec
7、tric furnace of the real object, PID control algorithm for temperature control.The paper presents a target for electric furnace characteristics of control algorithms, and PLC as the core to form the furnace adaptive control system. Control accuracy, reliability and stability indicators are much high
8、er than the system which is consisted of the conventional instrument, thedesign uses PID algorithm to control its temperature.Keyword: Temperature；heating furnace；PLC；control system南昌大学学士学位论文III目录摘要 .IABSTRACT .II第一章 绪论 .11.1 选题的背景及意义 .11.2 加热炉控制研究现状 .21.3 本设计的主要工作及技术路线 .31.3.1 主要工作 .31.3.2 本论文的技术路线
9、 .4第二章 控制方案确定 .52.1 控制对象的数学模型及仿真 .52.2 电加热炉控制系统分析: .102.3 控制系统的控制过程 .112.3.1 温度-流量串级控制系统 .112.3.2 液位-流量串级控制系统 .112.4 控制系统主要特色 .12第三章 PLC 控制系统硬件设计及仪表选型 .143.1 系统特性分析 .143.2 PROFIBUS 现场总线介绍 .143.3 电加热炉 PLC 系统结构 .153.4 PLC 控制系统设计 .163.4.1 恒温控制系统 .163.4.2 恒压控制系统 .17第四章 控制系统的软件设计 .194.1 下位机软件设计 .194.1.1S
10、tep-7 简介 .194.1.2 下位机软件设计流程图 .214.2 上位机软件设计 .224.2.1Win CC 简介 .234.2.2 监控系统的设计 .24第五章 仪器仪表的选型 .255.1 现场仪表的选型 .255.1.1 控制阀的选型 .255.1.2 节流装置的计算 .265.1.3 电气阀门的定位器 .285.1.4 压力变送器的选型 .285.1.5 压力表的选型 .295.1.6 流量计的选择 .305.1.7 温度变送器的选型 .305.1.8 浮子液位计的选型 .315.2 控 制 室 仪 表 选 型 .325.2.1PLC 的选型 .325.2.2 控制柜的选型 .
11、33南昌大学学士学位论文IV5.2.3 安全栅的选型 .335.2.4 供电箱的选型 .345.2.5 智能调节器的选型 .345.3 其他仪器的选型 .355.3.1 水箱的选型 .355.3.2 水泵的选型 .355.3.4 接线箱的选型 .365.3.5 三相调压模块的选型 .36第六章 总结和展望 .386.1 设计总结 .386.2 课题展望 .39参考文献（References） .40致谢 .42南昌大学学士学位论文1第一章 绪论1.1 选题的背景及意义我国的电加热锅炉在 10 多年前问世，由于受到当时电力因素的制约，发展非常缓慢，只有几个非锅炉行业的厂家在生产。1998 年以来
12、，特别是 2000 年，电热锅炉市场迅速发展。行业内许多厂家都已经或者正在准备生产电热锅炉。由于起步晚 、规模小,电加热锅炉的控制水准很低，甚至很原始。电加热锅炉的控制与燃油（气）锅炉的控制有很大的不同 1 ：1 电流巨大，属大电流或超大电流控制；2 没有现成的燃烧器及其程控器，锅炉的加热过程和控制品质完全由自己决定；3 比燃油（气）锅炉的自动化程度和蓄热要求更高，外观要求也更现代、更美观。因此，电热锅炉控制存在较大难度。1998 年我们抓住了市场机遇，再次把工业控制技术应用于电加热锅炉控制领域 ，把大型电力 负荷控制的成功经验移植到电加热锅炉的大电流控制上来，率先提出了电加热锅炉的循环投切和
13、分段模糊控制的控制模式，较好地解决了电加热锅炉控制的理论和实际问题。国内电加热炉的加热形式主要有以下两个：1 电阻加热式国内绝大多数厂家采用该方式，并选用电阻式管状电热元件。电阻加热方式的电气特点是锅水不带电，但在电加热元件漏水或爆 裂时会使锅水带电或称漏电。另外，受电热元件绝缘导热层的绝缘程度的影响，电热管存在一定的泄漏电流。泄漏电流的国家标准是0.5ma 。该方式在结构上易于叠加组合，控制灵活，更换方便。2 电磁感应加热式该方式的加热原理是：当电流通过加热线圈时，就会形成电磁场,把金属锅壳置于电磁场之中，就会使锅壳产生涡流，并导致其发热，从而完成对锅水加热的目的。其电流愈大，发热量愈大。电
14、磁感应加热方式在工业上的应用较早，典型的应用就是中频加热炉。但是把它应用到锅炉上，确属首次，很有创意值得关注 。目前国内只有一家厂家生产这种电热锅炉。该方式的优点是，与水和锅炉是非接触式加热，因此绝无漏电的可能性；另一个优点是该方式须用可控硅做驱动输出，因此具有无触点开关的独特优势；南昌大学学士学位论文2机械噪声小，可多级或无级调节，使用寿命长。该方式的缺点是热效率比电阻加热方式要稍低，约 96%:。这是因为后者是直接与锅水接触加热，而前者是间接加热，况且作为功率驱动元件的可控硅元件，其本身也要消耗一定功率。1.2 加热炉控制研究现状国内电加热炉控制有四个发展阶段：第一阶段：手动控制、温度仪表
15、显示处于发展初期的电加热锅炉控制采用温度仪表显示温度，由人工手动投切，以达到逐级投切和温度调节的目的。还有一种形式是无论功率多大，均分三个投切组，二组为手动，一组用温控表控制。第一阶段手动控制方式自动化程度极低，控制效果较差。第二阶段：顺序控制器或 PLC 程控器 ，温度仪表参与控制人们把人工手动投切改为用顺序控制器或 PLC 程控器来完成逐级投切，使锅炉控制基本能够自动化。为了解决逐级投切的自动化，厂家在采用 PLC 作程控器，或开发了电子顺序控制器后，不但可以实现逐级投切自动化，还能定时启停锅炉。然而由于仍然使用温控表来进行全功率的温度控制，动作频繁，控制效果较差，甚至产生控制振荡。第三阶
16、段：全 PLC 控制为了满足市场对电加热锅炉自动化的更高要求，有少数厂家开发了全 PLC控制系统，全 PLC 控制就是不但使用 PLC 主机，还配置了温度输入模块和显示单元（液晶显示或触摸屏显示） ，在硬件上组成了完整的控制系统 。通过厂家编制的控制程序，全 PLC 控制可以达到全部电加热锅炉的自动化要求，并具有良好的人机界面。它的缺点是成本很高，应用面很窄，控制程序的优劣直接与编程人员 的专业水准相关，还需要专业人员去现场改变现场设置。第四阶段：专用电脑控制用电加热锅炉专用电脑取代通用的 PLC，更取代温控表。它具有全 PLC 控制的全部优点，并克服了全 plc 控制的全部缺点，可产品化，成
17、本低，易与各种电热锅炉配套，配备最先进和成熟的控制程序，现场参数可由一般操作人员在现场进行设置和解决。因此电加热锅炉专用电脑控制器已被广泛采用。电加热锅炉加热的调节方式和控制模型：从电气角度上看，电加热锅炉就是一台大功率的电力调功设备，锅炉输出的热功率越高，电功率的输出也应越大。南昌大学学士学位论文3电功率的输出调节分有级功率调节和无级功率调节两种。无级功率调节用于调节精度要求较高的场合，有级功率调节用于调节精度要求较低的场合。由于对锅炉输出热功率的精度要求一般都不很高，因此国内绝大多数电加热锅炉均采用有级功率调节方式 2。电功率输出的元件分为有机械触点和无机械触点两大类。前者是交流接触器，后
18、者是可控硅，交流接触器只能用作有级功率调节，优点是主回路完全电气隔离，耐过流和过压能力较强、自身耗电小、发热量也小、价格较低，缺点是有机械动作噪声，触点寿命较短。可控硅可以用作无级功率调节，也可用于有级功率调节，优点是无机械动作噪声，触点寿命较长，缺点是主回路不能完全关断，过电流和过电压能力差，自身耗电较大，需要强制散热，价格较高。因此国内绝大多数电加热锅炉采用交流接触器作电功率输出元件。而中频感应加热锅炉因为电路的需要，必须用可控硅作电功率输出元件。另外小功率家用锅炉也适合用可控硅元件。1.3 本设计的主要工作及技术路线1.3.1 主要工作本设计基于PCT-型过程控制实验装置中的电加热炉被控
19、对象，要求从工程的角度完成电加热炉的PLC系统的自控专业施工图设计，通过本次设计，掌握控制系统设计的流程和方法。已知：流体介质为水，相关数据：阀前压力 ；压降1p250KPa；p20Ka温度t = 20C；液体体积流量 ；管道直径 。具体内3LQ6mh12D=m容及要求如下：1. 熟悉电加热炉的工艺流程，掌握温度、流量、液位等被控对象的特性；2. 完成控制对象的数学建模及控制系统仿真，确定控制方案，优先采用流量变比值控制系统或串级控制系统；3. 采用PLC作为控制元件，并根据已知条件，进行相关仪器仪表的计算与选型；4. 绘制自控专业部分施工图图纸，完成毕业设计报告。南昌大学学士学位论文41.3
20、.2 本论文的技术路线PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法6。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。本文研究的是电加热炉 PLC 控制系统的总体方案，从技术上分析、研究设备的控制系统、温度控制器、加热用发热元件等的选择和确定。本文提出一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以PLC 为核心，组成电加热炉自适应控制系统，其控制精度，可靠性，稳定性指标均远高于常规仪表组成的系统。为满足提高恒温控制精度的实际需要，针对温控过程的动态特点，由PLC进行非线性计算，采用变参数(占空比）方式动态控制加热电功率，使控制系统具有自整定和自适应能力，达到了快速实现较高精度温度控制的目的。系统设计时考虑了不同控制温度对热电偶的要求，考虑了不同电加热功率对可控硅的要求，也考虑了PLC的通用接口，因此系统具有较好的通用性。
