九江学院电子工程学院
电子工程学院课外学分设计报告
题目：锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统
姓名：曾志成黄家平龙建平学号：25、32、29 专业：自动化实验室：开放实验室班级：A1031
设计时间：2012年9月10日——2012年12月30 日
评定成绩：审阅教师：
目录
1．专业综合设计任务 (1)
2．方案设计与论证 (1)
3．硬软件设计 (1)
4．实现与测试 (6)
5．分析与总结 (6)
1.专业综合设计任务
本实验选择锅炉内胆和循环水组成串级控制系统。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-6、F1-12、F1-13全开，将锅炉出水阀门F2-11、F2-12关闭，其余阀门也关闭。将变频器A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节变频器频率，给锅炉内胆和夹套贮满水。然后关闭变频器、关闭阀F1-12，打开阀F1-13，为给锅炉内胆供循环冷水作好准备。
具体实验内容与步骤可根据本实验的目的与原理参照本章第二节水箱液位串级控制中相应方案进行，实验的接线可按照下面电路图中的的接线图连接。
2. 方案设计与论证
本实验系统的主控量为锅炉内胆的水温T，副控量为锅炉内胆循环水流量Q，它是一个辅助的控制变量。内胆内的电热管持续恒压加热，执行元件为电动调节阀，它控制管道中流过的冷水的流量大小，以改变内胆中的水温。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量T的控制目的，因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数远小于主对象锅炉内胆的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路的调节作用可快速消除扰动的影响。本实验系统结构图和方框图如图5-21所示。
图5-21 锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统
(a)结构图(b)方框图
3. 硬软件设计
图5-22 智能仪表控制温度-流量串级控制实验接线图
图5-23 远程数据采集控制温度-流量串级控制实验接线图
图5-24 DCS分布式控制温度-流量串级控制实验接线图
图5-25 S7-200PLC控制温度-流量串级控制实验接线图
图5-26 S7-300PLC控制温度-流量串级控制实验接线图
4. 实现与测试
本实验选择锅炉内胆水温作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-6、F1-13全开，将锅炉出水阀门F2-12关闭，其余阀门也关闭。将变频器输出A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节其频率，给锅炉内胆贮一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。
同时也研究好串级控制，控制好相应的阀门。
5. 分析与总结
首先了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。其次研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。再则了解PID参数自整定的方法及其参数整定在整个系统中的重要性。最重要的是分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处。同时要学会处理串级控制。
实验过程中遇到不少问题，但是都认真完成，在老师同学的帮助下完成。
参考文献：
［1］廖常初，s7-200 PLC编程及应用．机械工业出版社2007-8
［2］任彦硕，自动控制原理．机械工业出版社 2007-2
［3］高景德，王祥珩．交流电机的多回路理论[J]．清华大学学报，1987，27(1)：1-8 ［4］竺可桢．物理学[M]．北京：科学出版社，1973．1-3.
［5］郭琦.数据库系统开发技术.人民邮电出版社2003
［6］郝成.基于PC的DCS研究与应用.微计算机信息.2005.5
［7］范逸之，陈立元.Visual Basic 与RS-232串行通信控制.清华大学出版社.2002
锅炉温度控制系统上位机设计 1.设计背景 锅炉是化工、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，作为全厂动力和热源的锅炉，办向着大容量、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。 2.任务要求 (1) 按照题目设计监控画面及动态模拟； (2) 在数据字典中定义需要的内存变量和I/O变量； (3) 实现监控系统的实时、历史曲线及报警界面显示； (4) 实现保存数据和参数报表打印功能； (5) 实现登陆界面和帮助界面。 3. 界面功能 3.1 系统说明 本系统的目的是实现锅炉的温度控制，所以在监控界面设置了加热部分和降温部分，同时通过观察相应仪表，操作者手动的实现对锅炉温度的控制，而且在加热过程和降温过程中有信号灯可以清楚地显示系统工作在什么阶段。此外，在监控界面加入了液位控制部分，通过对进水量和出水量的控制实现液位平衡。实时曲线和历史曲线可以让操作者清楚地观察到锅炉内液体的液位高度和温度，从而更加准确的操作系统，达到控制要求。实时报警界面可以随时进行提醒，防止发生意外情况。帮助界面可以让初次登陆该系统的用户快速学会如何操作系统。登陆界面中加入用户登陆部分，只有有相应权限的操作者也可以控制系统。该系统还加入历史曲线打印功能和对系统相关变量的保存功能，用户可以随时查看历史记录。 3.2主监控界面 主控界面实现的是操作者观察仪表，得到锅炉内液体温度和液位的实时信息，通过调节电磁阀1、2，使得锅炉内液体液位保持在要求范围内，通过加热按钮和降温按钮对
习题六 1．什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答：串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。 2．串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为： (1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3．串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是：． (1)主、副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化； (2)通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰； (3)在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近； (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而
主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。 6．如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用? 答副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为—个负反馈系统的原则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。 从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。
水温控制系统（B题） 摘要 在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机和电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费。但是利用AT89C51 单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成的控制系统却能解决这个问题。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，并显示于1602显示器上。该系统具有灵活性强，易于操作，可靠性高等优点，将会有更广阔的开发前景。 水温控制系统概述 能源问题已经是当前最为热门的话题，离开能源的日子，世界将失去一切颜色，人们将寸步难行，我们知道虽然电能是可再生能源，但是在今天还是有很多的电能是依靠火力，核电等一系列不可再生的自然资源所产生，一旦这些自然资源耗尽，我们将面临电能资源的巨大的缺口，因而本设计从开源节流的角度出发，节省电能，保护环境。 一、设计任务 设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为 1 升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。 二、要求 1、基本要求 （1）温度设定范围为：40～90℃，最小区分度为1℃，标定温度≤1℃。 （2）环境温度降低时温度控制的静态误差≤1℃。 （3）能显示水的实际温度。 第2页，共11页
2、发挥部分 （1）采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量。 （2）温度控制的静态误差≤0.2℃。 （3）在设定温度发生突变时，自动打印水温随时间变化的曲线。 （4）其他。 一系统方案选择 1.1 温度传感器的选取 目前市场上温度传感器较多，主要有以下几种方案： 方案一：选用铂电阻温度传感器。此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好,但其成本较高。 方案二：采用热敏电阻。选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。 方案三：采用DS18B20温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出远端引入。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。 比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。 1.2温度显示模块 方案一：采用8个LED八段数码管分别显示温度的十位、个位和小数位。数码管具有低能耗，低损耗、寿命长、耐老化、对外界环境要求低。但LED八度数码管引脚排列不规则，动态显示时要加驱动电路，硬件电路复杂。 方案二：采用带有字库的12864液晶显示屏。12864液晶显示屏具有低功耗，轻薄短小无辐射危险，平面显示及影像稳定、不闪烁、可视面积大、画面
第五节锅炉内胆水温PID控制实验 一、实验目的 1. 根据实验数据和曲线,分析系统在阶跃扰动作用下的动、静态性能。 2. 比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。 3. 分析P、PI、PD、PID四种控制规律对本实验系统的作用。 二、实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只 三、实验原理 本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，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PD或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图5-1所示。
图5-1 锅炉内胆温度特性测试系统 (a)结构图(b)方框图 可以采用两种方案对锅炉内胆的水温进行控制： （一）锅炉夹套不加冷却水（静态） （二）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。无论操作者采用静态控制或者动态控制，本实验的上位监控界面操作都是一样的。 四、实验内容与步骤 1.先将储水箱贮足水量，将阀门F1-1、F1-4、F1-5、F1-13全开，打开电磁阀开关，其余阀门关闭，启动380伏交流磁力泵，给锅炉内胆贮存一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13、F1-4及电磁阀，打开阀F1-12，为给锅炉夹套供冷水做好准备。
锅炉温度控制系统上位机设计 1. 设计背景 锅炉是化工、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，作为全厂动力和热源的锅炉，办向着大容量、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。 2.任务要求 (1) 按照题目设计监控画面及动态模拟； (2) 在数据字典中定义需要的内存变量和I/O变量； (3) 实现监控系统的实时、历史曲线及报警界面显示； (4) 实现保存数据和参数报表打印功能； (5) 实现登陆界面和帮助界面。 3. 界面功能 3.1 系统说明 本系统的目的是实现锅炉的温度控制，所以在监控界面设置了加热部分和降温部分，同时通过观察相应仪表，操作者手动的实现对锅炉温度的控制，而且在加热过程和降温过程中有信号灯可以清楚地显示系统工作在什么阶段。此外，在监控界面加入了液位控制部分，通过对进水量和出水量的控制实现液位平衡。实时曲线和历史曲线可以让操作者清楚地观察到锅炉内液体的液位高度和温度，从而更加准确的操作系统，达到控制要求。实时报警界面可以随时进行提醒，防止发生意外情况。帮助界面可以让初次登陆该系统的用户快速学会如何操作系统。登陆界面中加入用户登陆部分，只有有相应权限的操作者也可以控制系统。该系统还加入历史曲线打印功能和对系统相关变量的保存功能，用户可以随时查看历史记录。 3.2主监控界面 主控界面实现的是操作者观察仪表，得到锅炉内液体温度和液位的实时信息，通过调节电磁阀1、2，使得锅炉内液体液位保持在要求范围内，通过加热按钮和降温按钮对温度进行控制，使得温度在要求范围内。这样，就实现了锅炉温度的控制。在该界面加入菜单项，可以查看历史系统报警。加入实时曲线、历史曲线和帮助界面按钮，可以使操作者更加快捷、准确的实现对系统的控制。如图1所示：
过程控制系统 课程设计 题目: 基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计 院系名称:电气工程学院 专业班级:自动化1105 学生姓名:金星宇 学号:201123910807 指导教师:马利冯肖亮 设计地点: 31520 设计时间: 2014.7 设计成绩:指导教师: 本栏由指导教师根据大纲要求审核后,填报成绩并签名。 工业过程控制课程设计任务书之 学生姓名金星宇专业班级自动化1105 学号201123910807 题目基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计
课题性质课题来源自拟题目 指导教师马利冯肖亮 主要内容 通过某种组态软件,结合实验室已有设备,按照定值系统的控制要求,根据较快较稳的性能要求,采用双闭环控制结构和PID控制规律,设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位—流量串级过程控制系统。 任务要求1. 根据液位-流量串级过程控制系统的具体对象和控制要求,独立设计控制方案,正确选用过程仪表。 2. 根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要,正确选用过程模块。 3. 根据与计算机串行通讯的需要,正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。 4. 运用组态软件,正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 5. 提交包括上述内容的课程设计报告。 主要参考资料[1] 组态王软件及其说明文件 [2] 邵裕森.过程控制工程.北京:机械工业出版社2000 [3] 过程控制教材 [4] 辅导资料 审查意见 指导教师签字:
年月日 摘要 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。在这种情况下,简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求,因此就提出了串级控制方案。串级控制具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有很多单回路控制系统所没有的优点。因此,串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好,而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现,所以,串级控制是一种易于实现且效果又极好的控制方法。 。 关键词:控制系统单回路串级控制 目录 1引言 (1 2 系统结构设计 (1 2.1控制方案 (1 2.2 控制规律 (2 3 过程控制仪表的选择 (2 3.1 液位传感器 (2 3.2 电磁流量传感器电磁流量转换器 (3 3.3 电动调节阀 (3 3.4 变频器 (4
水温自动控制系统设计 摘要 水温自动控制系统在工业及日常生活中应用广泛，在生产中发挥着重要作用。实现水温控制的方法很多，如单片机控制、PLC控制等等。而其中用单片机控制实现的水温控制系统，具有可靠性高、价格低、简单易实现等多种优点。单片机用于工业控制是近年来发展非常迅速的领域，现在许多自动化的生产车间里，都是靠单片机来实现的。 温度是工业控制对象主要被控参数之一，在温度控制中，由于受到温度被控对象特性（如惯性大、滞后大、非线性等）的影响，使得控制性能很难提高，有些工艺过程其温度控制的好坏直接影响着产品的质量，因此设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。 为了实现高精度的水温测量和控制，本文介绍了一种以Atmel公司的低功耗高性能CMOS 8位单片机为核心，以PID算法控制以及PID参数整定相结合的方法来实现的水温控制系统，其硬件电路包括温度采集、温度控制、温度显示、键盘输入以及RS232接口等电路。该系统可实现对温度的测量，并能根据设定值对温度进行调节，实现控温的目的。 关键词：AT89S52；温度控制；PT1000；PID
Design of Temperature Automatic Control System ABSTRACT The temperature is one of the mainly charged parameters which are industrial control targets. It is difficult to enhance the control performance due to the characteristics of the temperature charged object. Such as inertia, hysteresis and non-linear, etc…Its temperature control process will have a direct impact on the quality of the product in some technological process. Therefore it is absolute valuable to design a ideal temperature control system. In order to realize the high accuracy survey and control of water temperature. Systematic core is AT89S52, which is a low-power loss, high-performance 8-bit MCU of Atmel Company. The system unifies PID control algorithm and PID parameter tuning to control the water temperature. Its hardware circuit also includes temperature gathering, temperature control and temperature display, keyboard input and RS232 interfaces. The system can realize to survey the water temperature, and it can adjust the temperature according to the setting value. Keywords：AT89S52; temperature control; PT1000; PID
1 PLC构成及WinCC的组态 采用WinCC组态技术设计多机联网运行的实时监控系统，核心思想是通过计算机超强的处理能力，以软件实现实际生产过程变化，把传统控制中进行人工操作或数据分析与处理、数据输出与表达的硬件，利用方便的PC机软硬件代替。 建立WinCC组态监控系统。首先启动WinCC，建立一个单用户项目——添加通讯驱动程序——选择通道单元——输入逻辑连接名，确定与S7—300端口的通讯连接。然后在驱动程序连接下建立结构类型和元素，给过程变量分配一个在PLC中的对应地址（地址类型与通讯对象相关），给除二进制变量外的过程变量和内部变量设定上限值和下限值（当过程值超出上限值和下限值的范围时，数值将变为灰色，并且不可以再对其进行任何处理）。 接着创建和编辑主导航画面、单台空压机组态画面、远程监控画面、分析诊断画面、数据归档画面、报警显示画面、报警在线限制值画面、报表打印画面、用户登录方式画面等。对画面中添加的按钮、窗口和静态文本等，进行组态变量连接、状态显示设置等等。 再对远程控制画面中的启动/停止按钮进行变量连接，设置手动控制和自动控制两种方式，并且手动控制为高级控制方式。通过设置随变量值的变化范围而改变颜色的比功率棒图进行故障诊断分析；通过对过程值的归档，建立历史和当前的表格与曲线两种状态的监控界面；利用报警和报表打印等，实现信息上报、及时反馈的功能，实现最佳的生产状态监测控制。还可通过用户管理权限的设置，为不同级别的用户设置权限和等待空闲时间，以更好地安全防护。 1.1 PLC控制柜的组成 (1) 电源部分 (2) CPU模块 西门子S7-300PLC，型号为CPU315-2 DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站点、操作站OS、编程器PG、操作员面板建立较小规模的通讯。它还集成了PROFIBUS-DP接口，通过DP可以组建更大范围的分布式自动化结构。 工作电压:DC 24V; 通讯方式:CP5611网卡进行通讯; 通讯协议:PROFIBUS-DP。 (3) 模拟量输入模块 采用西门子SM331-7NF00-OABO模拟量输入模块。输入所采集到的信号至控制单元。规格:AI 8×16bit; (4) 模拟量输出模块 采用西门子SM332-5HD01-OABO模拟量输出模块。输出控制信号至执行机构。规格:AO 4×12 bit (5) 数字量模块 本系统采用西门子SM323-1BH01-0AA0数字量模块，该模块集成了8路数字量输入通道和8路数字量输出通道。锅炉内胆水温控制系统没用到此模块，但在硬件组态时需编入硬件组态。 1.2 基于PLC的锅炉内胆水温控制的系统结构
锅炉自动控制系统 摘要 锅炉是国民经济中主要的供热设备之一。电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。各种工业的生产性质与规模不同，工业和民用采暖的规模大小不尽相同。锅炉是供热之源，锅炉及其设备的任务在于安全，可靠，有效把燃料的化学能转化成热能，进而将热能传递给水，以生产热水和蒸汽。为了生产工艺有特殊要求外，所生产的热水不需要过高温的压力和温度，容量也无需很大。 随着现代工业技术的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高。锅炉作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一，其控制和管理的水平也日趋提高。但在我国，大部分锅炉还采用仪表和继电器控制，甚至人工操作，已无法满足生产需求。因此，对锅炉控制系统采用先进的控制技术，不仅能够保证安全生产，而且能够节能增效，具有很好的市场发展空间和投资收益前景。 本论文的主要方向就是采用过程控制对工业锅炉进行控制。 关键字：锅炉；过程控制；控制算法；DCS；现场总线；工业以太网；监控软件 一、锅炉的基本构造及其工作原理 锅炉的主要设备包括汽锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧热备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃烧供给设备以及除灰除尘设备等。 锅炉的原理及过程 锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程，烟气向水的传热过程，水的汽化过程。 一个锅炉进行工作，其主要任务是：（1) 要使锅炉出口蒸汽压力稳定；（2）保证燃烧过程的经济性；（3）保持锅炉负压稳定，通常我们是炉膛负压保持在微负压（-10～80Pa）。为了完成上述三项任务，我们对三个变量进行控制：燃烧
基于组态软件的串级液位流量控制系统 1概述 1.1本课程设计课题研究的意义 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法。 本课程设计课题讨论了一个简单的液位流量串级控制系统的设计方法及步骤。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本课程设计课题具有较大的现实意义。 1.2 设计的目的 通过课程设计，加深对所学传感器技术、自动控制原理、转换技术以及过程控制的基本原理等基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础。 1.3 设计要求 （1）根据液位-流量串级过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。 （2）根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。 （3）根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。（4）运用组态软件，正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 2 系统控制方案 2.1 控制系统在实际应用中的重要意义
《电子技术综合设计》 设计报告 设计题目：水温自动控制系统 组长姓名：学号： 专业与班级：工业自动化14-16班 姓名：学号： 专业与班级：工业自动化14-16班 姓名：学号： 专业与班级：工业自动化14-16班 时间： 2016 ～ 2017 学年第（1）学期指导教师：陈烨成绩：评阅日期：
一、课题任务 设计并制作一个水温自动控制系统，对1.5L净水进行加。水温保持在一定范围内且由人工设定。 细节要求如下： 1.温度设定范围为40℃~90℃，最小分辨率为0.1℃，误差≤1℃。 2.可通过LCD显示屏显示温度目标值与实时温度。 3.可以通过键盘调整目标温度的数值。 二、方案比较 1.系统模块设计 为完成任务目标，可以将系统分为如下几个部分：5V直流电供电模块、测温模块、80C52单片机控制系统、键盘控制电路、温度显示模块、继电器控制模块、强电加热电路。通过各模块之间的相互配合，可以完成水温检测、液晶显示、目标值设置、水温控制等功能。 系统方框图如下：
2.5V直流电供电模块 方案一：直接用GP品牌的9v电池，然后接通过三端稳压芯片7805稳压成5伏直流电源提供给单片机系统使用，接两个5伏电源的滤波电容后输出。 方案二：通过变压器，将220v的市电转换成9v左右的交流电，变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波。要得到一个比较稳定的5v电压，在这里接一个三端稳压器的元件7805。 由于需要给继电器提供稳定的5V电压，而方案一中导致电池的过度损耗，无法稳定带动继电器持续工作，所以我们选用能够提供更加稳定5v电源的方案二。 3.测温模块 经查阅资料,IC式感温器在市场上应用比较广泛的有以下几种： AD590：电流输出型的测温组件,温度每升高1 摄氏度，电流增加1μA，温度测量范围在-55℃～150℃之间。其所采集到的数据需经A/D 转换，才能得到实际的温度值。 DS18B20：内含AD转换器，所以除了测量温度外，它还可以把温度值以数字的方式(9 B i t ) 送出，因此线路连接十分简单，它无需其他外加电路，直接输出数字量，可直接与单片机通信，读取测温数据。它能够达到0.5℃的固有分辨率，使用读取温度暂存寄存器的方法还能达到0.0625℃以上精度，温度测量范围在-55℃～125℃之间，应用方便。 SMARTEC感温组件:这是一只3个管脚感温IC，温度测量范围在 -45℃～13℃，误差可以保持在0.7℃以内。 max6225/6626：最大测温范围也是-55～+125℃，带有串行总线接口，测量温度在可测范围内的的误差在4℃以内，较大，故舍弃该方案。 本设计选用DS18B20感温IC，这是因其性能参数符合设计要求，接口简单，内部集成了A/D 转换，测温更简便，精度较高，反应速度快，且经过市场考察，该芯片易购买，使用方便。 下面是DS18B20感温IC的实物和接口图片
锅炉内胆温度控制系统设计 一．引言 过程控制是自动化的重要分支，其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。无论是在现代复杂工业生产过程中还是在传统生产过程的技术改造中，过程控制技术对于提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件以及保护生态环境、优化技术经济指标等方面都起着非常重要的作用。 过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数(温度、压力、流量、物位、成分、湿度、PH值和物性等)进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，是连续型生产过程自动的进行下去。实际的生产过程千变万化，要解决生产过程的各种控制问题必须采用有针对性的特殊方法与途径。这就是过程控制要研究和解决的问题。二．任务和要求 任务：设计锅炉内胆温度控制系统，选择合适的传感器、控制器和执行器，使其满足一定的控制要求。 要求：本系统的控制对象为锅炉内胆的水温，要求锅炉内胆的温度的稳定值等于给定值，误差保持在 5%的误差带以内。 三．总体方案 系统组成：本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路:一路由三相(380V交流)磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成;另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵(220V变频)、涡轮流量计及手动调节阀组成。1．原理框图 图1
2．简要原理 单闭环锅炉水温定值控制系统的结构示意如课程设计指导书所示，图1为其结构框图。其中锅炉内胆为动态循环水，磁力泵、电动调节阀、锅炉内胆组成循环供水系统。而控制参数为锅炉内胆的水温，即要求锅炉内胆的水温等于设定值。先通过变频器-磁力泵动力支路给锅炉内胆打满水，然后关闭锅炉内胆的进水阀。待系统投入运行后，再打开锅炉内胆的进水阀，允许变频器-磁力泵以固定的小流量使锅炉内胆的水处于循环状态。在锅炉内胆水温的控制过程中，由于锅炉内胆由循环水，因此锅炉内胆循环水水温控制相比于内胆静态水温控制时更充分，因而控制速度有较大的改善。 在结构原理框图中可以清楚的看出，我们给定温度的设定值，将温度传感器的值与设定值相比较，把偏差值送入PID调节器，PID调节器的输出信号送入可控硅调压装置，经调压装置输出的电压信号来控制加热装置的阻值，从而控制锅炉内胆的水温。此控制系统为单闭环反馈系统，只要PID参数设置的合理，就能够使系统达到稳定。 3．优缺点分析 优点：单闭环系统结构简单，稳定性好、可靠性高，在工业控制中得到广泛的应用。 缺点：对动态特性复杂、存在多种扰动或扰动幅度很大，控制质量要求高的生产过程，简单控制系统难以满足要求 四．元器件的选择与参数整定 1．元器件的选择： (1)被控对象 由不诱钢储水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒构成)、冷热水交换盘管和敷朔不锈钢管道组成。 模拟锅炉：本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，设计巧妙。 管道：整个系统管道采用不诱钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀步打开直接将水排出。 (2)检测装置 变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器，含不诱钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。 温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4~20mA DC电流信
综述 锅炉汽包燃烧系统是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，温度过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；温度过低又将破坏部分水冷壁的水循环不能满足工艺要求，严重时会发生锅炉爆炸。尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。因此，在锅炉运行中，保证温度在正常范围是非常重要的。 本文设计了一种数字式锅炉温度控制系统，并给出了硬件原理图。该控制系统是用MCS-51系列单片机及其相关硬件来实现，利用传感器测量温度数据、CPU循环检测传感器输出状态，并用光柱和LED指示温度的高度。当锅炉温度低于用户设定的值时，系统自动打开燃料通道，当温度到达设定值时，系统自动关闭燃料通道。通过定量的计算表明该控制系统设计合理、可行。
一.系统总体设计 1．1 系统总体设计方案 设计框图如下所示： 图1-1系统框图 1．2 单元电路方案的论证与选择 硬件电路的设计是整个实验的关键部分，我们在设计中主要考虑了这几个方面：电路简单易懂，较好的体现物理思想；可行性好，操作方便。在设计过程中有的电路有多种备选方案，我们综合各种因素做出了如下选择。 1．2．1 温度信号采集电路的论证与选择 采用温度传感器DS18B20 美国DALLAS公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DS18B20可实现室内温度信号的采集，有很多优点：如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大及模数转换部分，外围电路简单，成本低;单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DS18820,便于多点测量且易于扩展。 DS 18 B2 0的测温范围较大，集成度较高，但需要串口来模拟其时序才能使用，故没有选用此方案。
实验3 液位流量串级控制实验 一、实验目的 通过实验掌握串级控制系统的基本概念，掌握串级控制系统的组成结构，即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。 通过实验掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计，掌握串级控制主、副控制回路的选择。掌握串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。 二、实验设备 过程控制实验系统，计算机 三、实验原理 单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。 1、串级控制系统的结构 串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。 2、串级控制系统的名词术语 主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。 副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。 主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。 副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。
主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。 副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。 副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。 主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。 一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。 当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分为三种情况： (1)在副对象上的扰动 副对象加上扰动后，副调节就立即发出校正信号，控制执行对象(工程上一般是调节阀的开度，而本实验装置中是泵电机的转速)动作，以克服扰动对主被控参数的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响被控量，如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响被控量；此时再有主回路的进一步调节，从而使被控量回到平衡时的值。 (2)主对象上的扰动 主对象加上扰动后，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对被控量的影响比单回路系统时要小。 (3)一次扰动和二次扰动同时存在 如果一、二次扰动的作用使主，副被控参数同时增大或减少时，主、副调节器对调节阀(或泵电机转速)的控制方向一致的，即大幅度关小或开大阀门(或大幅度地使泵电机加速或减速)，加强控制作用，使主被控量很快地回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减少，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。 3、串级控制系统的特点
实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验 一、实验目的 1）、熟悉实验装置，了解二位式温度控制系统的组成。 2）、掌握位式控制系统的工作原理、控制过程和控制特性。 二、实验设备 过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。 三、实验原理 1、温度传感器 温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度关系式如下： Rt＝Rt [1+α(t-t0)] 式中Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值； Rt 0——温度为t (通常为0℃)时的电阻值； α——电阻的温度系数。 可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。 虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是它们并不能都作为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：电阻温度系数小、电阻率要大、热容量要小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的重复性；并要求电阻值随温度的变化呈线性关系。 但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。本装置使用的是铂电阻元件PT100，并通过温度变送器（测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调节器）将电阻值的变化转换为电压信号。 铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料制成，具有很高的稳定性和耐震动等特点，还具有较强的抗氧化能力。 在0~650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为：
Rt ＝Rt 0(1+At+Bt 2+Ct 3) 式中Rt ——温度为t(如室温20℃)时的电阻值； Rt 0——温度为t 0(通常为0℃)时的电阻值； A 、 B 、 C 是常数，一般A=3.90802*10－31/℃，B=-5.802*10－71/℃，C=-4.2735*10－121/℃。 Rt-t 的关系称为分度表。不同的测温元件用分度号来区别，如Pt100、C U 50等。 2、二位式温度控制系统 二位控制是位式控制规律中最简单的一种。本实验的被控对象是1.5KW 电加热管，被控制量是复合小加温箱中内套水箱的水温T ，智能调节仪内置继电器线圈控制的常开触点开关控制电加热管的通断，图3-1为位式调节器的工作特性图，图3-2为位式控制系统的方块图。 图3-1、位式调节器的特性图 由图3-1可见，在一定的范围内不仅有死区存在，而且还有回环。因而图3-2所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开”或“关”两种极限输出状态，故称这种控制器为两位调节器。 该系统的工作原理是当被控制的水温测量值V P =T 小于给定值V S 时，即测量 值〈给定值，且当e=VS-VP ≥dF 时，调节器的继电器线圈接通，常开触点变成常闭，电加热管接通380V 电源而加热。随着水温T 的升高，Vp 也不断增大，e 相应变小。若T 高于给定值，即Vp 〉Vs ，e 为负值，若e ≤-dF 时，则两位调节器的继电器线圈断开，常开触点复位断开，切断电加热管的供电。由于这种控制方
实验六、锅炉内胆水温PID整定实验（动态） 一、实验目的 1）、了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。 2）、研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度系统的控制作用。 3）、改变P、PI、PD和PID的相关参数，观察它们对系统性能的影响。 二、实验设备 CS2000型过程控制实验装置， PC机，DCS监控软件，DCS控制系统。 三、实验原理 图6-1、温度控制系统原理图 本系统所要保持的恒定参数是锅炉内胆温度给定值，即控制的任务是控制锅炉内胆温度等于给定值。根据控制框图，采用DCS控制系统。 一、实验内容与步骤 1）、开通以水泵、电动调节阀、孔板流量计以及锅炉内胆进水阀所组成的水路系统，关闭通往其他对象的切换阀。 2）、将锅炉内胆的出水阀关闭。 3）、检查电源开关是否关闭。 4）、开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验六。 5)、点击上位机界面上的“点击以下框体调出PID参数”按钮，设定好给定值，并根据实验情况反复调整Ｐ、Ｉ、Ｄ三个参数，直到获得满意的测量值。 6）、比例调节（P）控制 待基本不再变化时，加入阶跃扰动（可通过改变调节器的设定值来实现）。观察并记录在当前比例P时的余差和超调量。每当改变值P后，再加同样大小的阶跃信号，比较不同P 时的ess和σp，并把数据填入表一中。 表一、不同比例P时的余差和超调量
记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线。（数据可在软件上获得） 7）比例积分调节（PI）控制 （1）、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分（I）作用，观察被控制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在PI调节器控制下没有余差。 （2）、固定比例P值，然后改变积分时间常数I值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录不同I值时的超调量σp。 表二、不同Ti值时的超调量σp （3）、固定I于某一中间值，然后改变比例P的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp。 表三、不同δ值时的超调量σp （4）、选择合适的P和I值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线。此曲线可通过改变设定值(如把设定值由50%增加到60%)来实现。 8）比例微分调节器（PD）控制 在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入微分作用（D）。固定比例P 值，改变微分时间常数D的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。 表四、不同D时的超调量和余差 9）比例积分微分（PID）调节器控制 （1）、在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，引入积分（I）作用，使被调量回复到原设定值。减小P，并同时增大I，观察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证
引言 随着科学技术的发展，自动控制在现代工业中起着主要的作用，目前已广泛应用于工农业生产及其他建设方面。生产过程自动化是保持生产稳定、降低成本、改善劳动成本、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志之一。可以说，自动化水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。电力工业中电厂热工生产过程自动化技术相对于其他民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。 本次毕业设计的主要是针对单元机组汽温控制系统的设计。锅炉汽温控制系统主要包括过热蒸汽和再热蒸汽温度的调节。主蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。一般规定过热器的温度与规定值的暂时偏差不超过±10℃，长期偏差不超过±5℃。 如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，据估计，温度每降低5℃，热经济性将下降约1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。一般规定过热汽温下限不低于其额定值10℃。通常，高参数电厂都要求保持过热汽温在540℃的范围内。 由于汽温对象的复杂性，给汽温控制带来许多的困难，其主要难点表现在以下几个方面： （1）影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化。 （2）汽温对象具有大延迟、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。 （3）汽温对象在各种扰动作用下（如负荷、工况变化等）反映出非线性、时变等特性，使其控制的难度加大。