锅炉内胆水温PID控制系统设计与监控

1、 锅炉内胆水温PID控制系统设计与监控 院 、 部： 电气与信息工程学院 班 级： 自本0903班 完成时间： 2013/5/30 摘 要在工业生产的过程中，经常存在一些如温度，液位，流量和速度等连续变化的量。对这些变量的控制已成为当今自动化技术发展的热点。作为控制系统中的一种，水温控制系统在自动化领域有着广泛的应用。基于可编程控制器（PLC）的水温控制大多是采用PID控制，PID控制由于结构简单，稳定性好，可靠性高，在工业控制中得到了广泛的应用。本文的水温控制采用过程现场总线系统，过程现场总线（PROFIBUS）以其国际化，开放式，高可靠性，高灵活性等优势，在过程自动化，制造自动化，楼宇自动化等领域内得到了广泛的应用。论文首先简单做了一些背景资料的介绍，然后重点阐述了PLC水温定值控制系统的设计，包括硬件设计，硬件配置，下位机西门子PLC S7-300的主要功能模块的介绍和程序的设计，上位机的监控组态画面的设计，以及系统的调试和参数的整定。系统中应用到了WinCC和STEP 7两种软件，WinCC软件主要是做监控画面，对现场数据进行监控；STEP 7软件设计程序，完成对水温定值控制系

2、统的设计。关键词：现场总线；WinCC；可编程控制器；水温控制ABSTRACT In the process of industrial production, often there are a few such as temperature,liquid level ,flow and speed of the amount of continuous change. For control of these variables has become a hot field in todays automation technology development. As one of the control system, water temperature control system has been widely used in the field of automation. Based on Programmable Logic Controller temperature control with PID control, PID control because of i

3、ts simple structure, good stability, high reliability, widely used in industrial control. In this paper, process of water temperature control adopts field bus systems, process field bus (PROFIBUS) in its internationalization, open, high flexibility, high reliability advantages, in process automation, manufacturing automation, building automation and other fields has been widely used. First,thesis introduce simple did some background information , and then expounds the design of the control syste

4、m of PLC temperature setting value, including hardware design, hardware configuration, the machine of main function module of Siemens PLC S7-300 is introduced and program design, PC monitor configuration screen design, as well as the system debugging and parameter setting .These are two software are used in the system,such as the WinCC and STEP 7.WinCC software mainly do monitoring, to monitor field data; The STEP 7 software design program, complete the design of the control system of water temp

5、erature setting value.Key words: Field bus; WinCC; Programmable Logic Controller; Water temperature control 目 录1 绪论1 1.1 锅炉1 1.2 现场总线12 锅炉内胆水温控制系统的设计3 2.1 控制系统介绍3 2.1.1 控制系统结构3 2.1.2 硬件设计4 2.2 硬件配置4 2.2.1 生成新项目4 2.2.2 硬件配置5 2.3 程序设计6 2.3.1 FB41简介6 2.3.2 FC105简介9 2.3.3 FC10610 2.3.4 控制程序11 2.3.5 程序与组态的连接12 2.3.6 建站13 2.4 组态步骤143 系统的整定及调试24 3.1 PID调节器24 3.1.1 PID的传递函数24 3.1.2 控制规律的选择24 3.1.3 PID控制器参数整定的方法25 3.2 调试步骤及结果27结束语31参考文献32致 谢331 绪论1.1 锅炉锅炉是化工、供热供暖、炼油、发电等生产中不可或缺的设备。它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型

6、泵类的驱动动力源，又可以作为蒸馏、化学反应、干燥等过程的热源。随着生产规模的扩大，生产设备的革新，作为动力设备和供热设备的锅炉，正在向着更大的容量、更高的系统参数、更高的效率等方面去发展。因此为了确保安全，稳定生产，锅炉的控制系统就显得越发的重要。电锅炉也称电加热锅炉、电热锅炉，顾名思义，它是以电力为能源并将其转化成为热能，然后经过锅炉的转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的设备。电锅炉主要由钢制的壳体、电脑控制系统、低压电气系统、电加热管、进出水管及检测仪表等组成。电锅炉的加热方式有电磁感应加热方式和电阻（电加热管）加热方式两种。电阻加热方式又分为不锈钢加热管和陶瓷加热管，电阻加热方式就是采用电阻式电热元件进行加热。电锅炉的优点就是在结构上易于叠加和组合，控制更加灵活，维修更换更方便。 随着国家经济的快速发展，自动化控制水平也越来越高，相对的，用户对锅炉控制系统工作的效率要求也就越来越高，为了有效的提高锅炉的工作效率，减少对环境的污染，利用计算机技术与组态软件技术对锅炉的生产过程进行自动化的控制就有着非常重要的意义。目前，国内的许多地方锅炉的控制系统主要还是采用分布式

7、控制系统DCS(Distributed Control System)进行控制。因为锅炉的整个系统的仪器仪表的信号比较多，采用DCS系统进行控制的性价比较好。但是随着PLC控制技术的发展革新，PLC的功能已经得到了很大的强化，在仪表的控制方面也有了较大的突破，用于回路调节和组态画面的功能也在不断的完善。并且PLC的抗干扰能力很强，对电源的质量要求也比较低。1.2 现场总线现场总线控制技术是当今自动化控制领域技术发展的热点之一，它被誉为是自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新的时代的来临。现场总线是用于连接控制现场的仪器仪表和控制室内的控制设备之间的数字化、串行、多站通信的网络。现场总线技术的出现使传统的控制系统结构发生了革命性的变化，使自动控制系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迅速的迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统-现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。现场总线实现了微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信，因为其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特性。所以可以很方便地与因特网（Inter

8、net）、企业内部网（Interanet）相连。2 锅炉内胆水温控制系统的设计2.1 控制系统介绍2.1.1 控制系统结构 本系统是以锅炉的内胆作为被控对象，内胆水温作为控制系统的被控量。要求当水温稳定至预设好的给定量时，将铂电阻TT1测到的锅炉内胆水温温度作为反馈的信号，在与预设好的给定量进行比较后，它们之间的差值就转化成调节器控制的三相调压模块的输出电压（即三相电阻式电加热管两端的电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆的水温定值控制系统中，其参数整定的方法和其它单回路控制系统是一样的，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PI或PID控制。系统结构图如图1所示。图1系统结构框图 (a)结构图 (b)方框图因此，本系统可以采用两种方案对锅炉内胆水温来进行控制： （1） 锅炉夹套不加冷却水（静态） （2） 锅炉夹套加冷却水（动态）显然，两种方案的控制效果是不一样的，后者比前者的升温过程稍慢，降温过程稍快。无论采用静态方式进行控制还是采用动态方式进行控制，本系统的上位机监控界面的操作都是一样的。 本设计采取第1种方案：锅炉夹套不加冷却水（静态）。2.1.2 硬件设计 （1）模拟锅炉此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。由于本文采用锅炉夹套不加冷却水，所以动态回流过程可以省略，只是开始用气动阀门调节向水箱内注入一定量的冷却水。（2）水泵本系统采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体全部采用不锈钢材料，这样既可以防止生锈，也能延长水泵使用的寿命。它是使用三相380V恒压驱动的。（3）温度传感器本系统的温度传感器是采用Pt100传感器，它是带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，可直接把温度信号转化成数字信号。Pt100传感器的测量精度高，热补偿性能好。（4）三相移相调压装置该装置是用可控硅移相触发装置，输入的控制信号为

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