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锅炉温度定值S7-300控制系统设计摘要：锅炉温度定值S7--300 控制系统采用PLC作为控制系统的核心，使用西门子公司的S7--300 系列PLC编程软件中的PID功能块来实现控制算法，通过和计算机的通信实现数据的自动处理和操作的远程控制。
监控画面采用西门子公司的Wincc组态软件来制作，从而实现对Kp、Ti、Td三个参数的在线修改，以及实时监视被控对象的运行状态。
关键词：PID 可编程控制器组态软件1 引言锅炉的水温控制在一些场合仍然采用传统的继电器、接触器控制方式，没有控制算法，自动化程度不高，运行稳定性较差，操作维护部方便。
针对这些问题，本文采用S7--300 PLC 作为主控制单元，配合外围检测电路、执行单元、人机界面等技术，引入PID算法控制程序，设计出一种新的锅炉定值水温控制系统，以获得良好的控制效果。
在工业控制领域，基于运行稳定性考虑，大多采用PLC控制器作为控制核心。
特别是对生产过程中的各种物理量的检测和控制，PID控制仍然占据着非常重要的地位，在冶金、机械、化工等行业中获得了广泛应用。
PID算法简单、实用，容易为现场工程技术人员所掌握，它不需要求出被控系统的数学模型，通过调节比列（P）、积分（I）、微分（D）三个参数的大小就可以获得较好的控制效果。
对于比较复杂的控制系统，例如具有大惯性、纯滞后系统，可以在传统PID调节器的基础上，融入相应的智能控制算法衍生出各种实用可行的改进PID算法，因此，它具有较强的灵活性和应用性。
西门子中可编程控制器自带有两路模拟量输入和一路模拟量输出，具有较好的数值运算能力和处理模拟信号量的功能，可以设计出各种PID调节器，运用于具有连续量控制的闭环系统；还可根据被控对象的具体特点和要求来调整必要的控制参数，利用组态软件Wincc还具有监控功能，并可以在运行中调整参数。
2 锅炉温度定值控制系统结构2.1 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。
中国矿业大学课程设计姓名：陈寇忠学号：******** 学院：信息与电气工程学院专业：电气工程与自动化2010－10设计题目：锅炉内胆水温控制系统建模和控制器设计指导教师：郭西进职称：教授2010年6月徐州目录1 绪论 (1)1.1 课题简介 (1)1.2 温度控制方式研究现状 (1)1.2.1 传统控制方法—PID控制算法 (1)1.2.2 模糊控制 (2)1.2.3 神经网络控制 (2)1.2.4 自适应控制 (3)1.2.5 PID控制方法和其他控制方法的结合使用 (4)1.3 本文所做的工作 (6)2 温度控制系统的概述 (7)2.1 实验装置简述 (7)2.2 温度控制系统概述 (13)2.2.1 温度控制系统的结构框图 (13)2.2.2 调节器及其基本调节规律 (13)2.2.3 执行器 (14)2.2.4 被控对象 (14)2.2.5 检测元件 (14)3 温箱系统建模 (15)3.1 数学模型概述 (15)3.2 温箱数学模型的建立 (16)3.3 系统建模 (18)4 PID控制方案 (18)4.1 PID控制概述 (18)4.2 PID控制原理 (19)4.2.1 模拟PID控制器 (19)4.2.2 数字PID控制器 (20)4.2.3S7-300控制PID实现 (23)4.3 PID控制整定方法 (25)4.3.1 Ziegler—Nichols整定公式 (25)4.3.2 最优PID控制器 (26)4.3.3 自整定PID控制器 (28)4.4 PID控制仿真 (28)4.4.1 建模 (28)4.4.2 系统仿真 (31)4.4.3 分析比较 (35)5 结论 (36)6 体会 (37)7 参考文献 (38)1 绪论1.1 课题简介这学期我们学习了《过程控制系统与自动化仪表》，它是自动化专业比较重要的一门专业课。
过程控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
火电厂锅炉温度控制系统设计课程设计任务书学生姓名专业班级指导教师工作单位题目火电厂锅炉温度控制系统设计初始条件锅炉温度的控制效果直接影响着产品的质量温度低于或高于要求时要么不能达到生产质量指标有时甚至会发生生产事故采用双交叉燃烧控制以锅炉炉膛温度为主控参数燃料和空气并列为副被控变量设计火电厂锅炉温度控制系统以达到精度在℃范围内要求完成的主要任务包括课程设计工作量及其技术要求以及说明书撰写等具体要求1选择控制方案2绘制锅炉温度控制系统方案图3确定系统传感与变送器的选择数据采集系统控制电路等4说明系统工作原理时间安排1月21日选题理解课题任务要求1月22日方案设计1月2324日参数计算撰写说明书1月25日答辩指导教师签名 2008 年 1 月 9 日系主任或责任教师签名 2008 年 1 月 12 日目录1绪论 12锅炉的工艺流程及控制要求 221锅炉的工艺流程222锅炉的控制要求33锅炉炉膛温度的动态特性分析 34方案设计541炉膛温度控制的理论数学模型 542炉膛温度控制方法的选择 543 系统单元元件的选择 6com测变送器的选择 6com测变送器的选择8com副控制器正反作用的选择10com的PID调节器和副回路的PI调节器10com仪表的选择10com的选择125控制系统的工作原理 146设计心得157参考文献161绪论工程控制是工业自动化的重要分支几十年来工业过程控制获得了惊人的发展无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中还是在传统工业过程改造中过程控制技术对于提高产品质量以及能源的节约都起着重要的作用生产过程是指物料经过若干加工步骤而成为产品的过程该过程中通常会发生物理化学反应生化反应物质能量的转换与传递等等或者说生产过程表现为物流过变化的过程伴随物流变化的信息包括物流性质的信息和操作条件的信息生产过程的总目标应该是在可能获得的原料和能源条件下以最经济的途径将原物料加工成预期的合格产品为了打到目标必须对生产过程进行监视和控制因此过程控制的任务是在了解生产过程的工艺流程和动静态特性的基础上应用理论对系统进行分析与综合以生产过程中物流变化信息量作为被控量选用适宜的技术手段实现生产过程的控制目标生产过程总目标具体表现为生产过程的安全性稳定性和经济性1安全性在整个生产过程中确保人身和设备的安全是最重要和最基本的要求在过程控制系统中采用越限报警事故报警和连锁保护等措施来保证生产过程的安全性另外在线故障预测与诊断容错控制等可以进一步提高生产过程的安全性2稳定性指系统抑制外部干扰保持生产过程运行稳定的能力变化的工业运行环境原料成分的变化能源系统的波动等均有可能影响生产过程的稳定运行在外部干扰下过程控制系统应该使生产过程参数与状态产生的变化尽可能小以消除或者减少外部干扰可能造成的不良影响3经济性在满足以上两个基本要求的基础上低成本高效益是过程控制的另外一个重要目标为了打到这个目标不进需要对过程控制系统进行优化设计还需要管控一体化即一经济效益为目标的整体优化工业过程控制可以分为连续过程工业离散过程工业和间隙过程工业其中连续过程工业占的比重最大涉及石油化工冶金电力轻工纺织医药建材食品等工业部门连续过程工业的发展对我国国民经济意义最大过程控制主要指的就是连续过程工业的过程控制锅炉是工业生产中不可缺少的动力设备它多产生的蒸汽不仅能够为蒸馏化学反应干燥蒸发等过程提供热源而且还可以作为风机压缩机泵类驱动透平的动力源随着石油化学工业规模的不断扩大生产过程不断强化生产设备不断革新作为全厂动力和热源的锅炉亦向着大容量高参数高效率的方向发展为确保安全稳定生产对过路设备的自动控制就显得尤为重要2锅炉的工艺流程及控制要求21锅炉的工艺流程由于锅炉设备使用的燃料燃烧设备炉体形式锅炉功用和运行要求的不同锅炉有各种各样的流程常见流程如图21所示由图可知蒸汽发生系统由给水泵给水调节阀省煤器汽包及循环管组成燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧产生的热量传递给蒸汽发生系统产生饱和蒸汽然后经过热器形成一定汽温的过热蒸汽汇集至蒸汽母管压力为的过热蒸汽经负荷设备调节阀供给生产负荷使用与此同时燃烧过程中产生的烟气将饱和蒸汽变成过热蒸汽后经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气最后经引风机送往烟囱排入大气22锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要锅炉需要提供不同规格压力和温度的蒸汽同时根据安全性和经济性的要求是锅炉安全运行和完全燃烧锅炉设备的主要控制要求如下1供给蒸汽量适应负荷变化需要或者保持给定负荷2锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内3 过热蒸汽温度保持在一定范围4汽包水位保持在一定范围5保持锅炉燃烧的经济性和安全性6 炉膛负压保持在一定的范围内根据上述要求锅炉设备的主要控制系统见表21表21 锅炉设备的主要控制系统控制系统被控变量操纵变量控制目的锅炉给水控制系统锅炉汽包水位给水流量锅炉内产生的蒸汽和给水的无聊平衡过路燃烧控制系统蒸汽压力烟气成分炉膛负压燃料流量送风流量引风流量蒸汽负荷的平衡燃烧的完全和经济性锅炉运行的安全性过热蒸汽控制系统过热蒸汽温度喷水流量过热蒸汽的温度和安全性3锅炉炉膛温度的动态特性分析火电厂的锅炉炉膛由于采用的燃料为煤粉在燃烧过程中炉膛和汽包之间的传热过程是一个相当复杂的过程炉膛的温度的动态特性具有一般的大滞后时变非线性和不对称性等特点在过程控制中为了方便设计同时又在一定的要求范围内我们通常把锅炉炉膛的温度的动态特性看作是一个线性的系统可以用以下传递函数描述具有时滞的一阶环节具有时滞的二阶环节在现场环境中炉膛内的温度变化是时时刻刻的很难用一个固定的数学公式将炉温的变化规律总结出来但是我们要对炉膛内的温度进行控制就必须要对炉膛内的温度变化进行一个规律的总结所以在规定的要求范围内对一些情况进行近似处理是很合理和必要的在通常情况下我们给定炉膛一个温度值作为系统的给定使锅炉炉膛在这个给定的温度状态下工作这个温度的变化又是和炉内的燃料燃烧量和炉体的总散热量相关的对于火电厂锅炉来说炉体的容量结构检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大小它不是一个单一的问题是一个系统问题容积滞后时间就是级联的各个惯性环节的时间常数之和纯滞后产生的根源也要从整个测量系统来考虑并且与温度的高低有关热量从热源传到温度传感器要经过多个热阻与热容相串联的热惯性环节而串联的多容对象会产生等效纯时滞后随着温度的升高辐射传热的比例增大辐射具有穿透性使传热路径缩短传热速度加快所以纯滞后的时间会随温度升高而减小由于火电厂锅炉使用的燃料是煤粉即锅炉能量的来源方式是通过化学燃料的燃烧获得能量的同时炉膛内能量的散发形式又是以炉膛的炉体热量散失对汽包进行热量传导进行散失等多种途径进行的所以炉膛内的温度的变化是一个相当复杂的过程是一个非线性变化的过程从模型参数上看在锅炉炉膛的整个温度调节范围内对象的增益容积滞后时间和纯滞后时间通常是与工作温度与负载变化有关的变参数而且参数变化量与温度变化量之间是非线性关系由于锅炉炉膛内的温度是高温段的在高温段温度变化的纯滞后时间和过程增益将比低温段有显著减少而时间常数则显著增大锅炉作为一种高负荷运转的设备特别是火电厂内的锅炉长期处于高负荷运转下随着运行时间的变化其各项性能都会逐渐发生变化特别是随着使用时间的增长炉子的保温隔热材料会逐渐老化炉膛内部由于长期处于高温环境中炉体的保温密封性能变差通过炉体向外散失的热量增大此外锅炉初次使用和久停后再用时由于绝热保温材料中的水分大炉膛温度的特性差别也是很大的另外随着季节的变换锅炉运行的外部环境温度也是经常变化的冬天外部环境相对较冷炉体的散热较快夏天气温炎热炉体的散热相对会较慢如此种种因素都会引起炉膛温度特性的变化但变化的速度十分缓慢而不明显火电厂锅炉炉膛温度具有大惯性大滞后特性在炉膛的整个温度范围内对象的增益容积滞后时间纯滞后时间都是与工作温度有关的变参数从传热原理可知这些参数也与负荷变化有关在锅炉设计的工作温区在工作点附近的小范围内其动特性接近于线性较容易控制用常规的PID调节器也能控制得很好但不能经受太大的扰动也不能够大范围地跟踪变化较快的给定信号对于常规仪表大范围地改变温度要靠手动仅当温度接近给定值时方可投入自动根据以上分析可以认为火电厂锅炉炉膛温度是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象在整个炉膛的温区内其动态参数随锅炉的工作温度变化在工作点附近的小温度范围内炉膛的动态特性近似线性的4方案设计41炉膛温度控制的理论数学模型根据以上分析可知炉膛温度问题是比较复杂的对炉膛温度动态特性进行分段线性化则在每个较小的温度区间锅炉炉膛的燃料流量炉膛温度系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征即1其中K为过程的增益为过程的纯滞后时间To为过程的等效容积滞后时间在锅炉炉膛的整个温度范围内对象的增益容积滞后时间和纯滞后时间都是炉膛温度和负载的非线性函数K随锅炉炉膛内温度升高而减小To随锅炉炉膛内的温度升高而增大机理建模和计算机仿真分析以及实验辨识等也证明了这一模型的可行性42炉膛温度控制方法的选择双交叉燃烧控制是以锅炉炉膛温度为主被控量燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统其中两个并列的副环具有逻辑比值功能使该控制系统在稳定工作的情况下保证空气和燃料的最佳比值也能在动态过程中尽量维持空气燃料在最佳比值附近因此具有良好的经济效益和社会效益在煤粉流量调节回路中炉温PID的输出A1与根据实测空气流量折算成需要的煤粉流量之后分别乘以一个偏置系数K3得到信号A2乘以一个偏置系数K4得到信号A3A1A2A3三者经过高低选择器比较选中者作为煤粉流量PID的设定值空气流量调节回路中炉温PID的输出B1与根据实测煤粉流量折算成所须空气流量之后分别乘上一个偏置系数K1得到信号B2乘上偏置系数K2得到信号B3B1B2B3三者经高低选择器比较选中者乘上流量补偿系数送到空气PID作为设定值其系统组成原理图如图41所示43 系统单元元件的选择com测变送器的选择在本次设计中选用热电阻温度变送器它的量程单元的原理图如图42图42热电偶温度变送器量程单元原理图热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用可将温度信号线性地转换成为4～20mADC电流信号或1～5VDC电压信号输出它是由量程单元和放大单元两部分组成的热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化这个特殊的性质反馈回路能按照热电偶温度－毫伏信号间的非线性关系调整反馈电压以保证输入温度t与整机输出或间的线性关系由图可见热电偶温度变送器的量程单元由信号输入回路A零点调整及冷端补偿回路B以及非线性反馈回路C等部分组成输入信号为热电偶产生的热电势输入回路中限流电阻和限压稳压管为安全火花防爆元件电阻还与电容组成低通滤波器零点调整量程调整电路的工作原理与直流毫伏变送器大致相仿所不同的是在热电偶温度变送器的输入回路中增加了由铜电阻等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路同时把调零电位器移动到了反馈回路的支路上在反馈回路中增加了运算放大器等组成的线性化电路起线性化作用由于锅炉炉膛内的温度值较高所以选用的热电偶变送器的温度测量值必须达到要求这里我选用的是DBW-1150型热电偶温度变送器DBW-1150型热电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种本温度变送器用热电偶作为测温元件将被测温度线性地转换成标准信号1-5VDC或4-20mADC 输出供给指示记录凋节器计算机等自动化监控系统技术参数◆输入标准热电偶◆输出输出电流4～20mADC输出电压1～5VDC输出电阻250Ω允许负载变化范围100Ω◆量程0～1600℃◆冷端补偿误差≤1℃◆温度漂移≤01×基本误差1℃◆绝缘电阻电源输入与输出端子间≤100MΩ◆绝缘强度电源输入输山端子间1500VAC分钟◆工作条件环境温度0～50℃相对湿度≤90RH◆电源电压24VDC±5◆功耗＜2W◆防爆等级 ib IICT6◆重量＜2Kg com测变送器的选择由于流量变送的对象是煤粉和热空气所以在选择流量变送装置的时候必须是能够检测气体流量和和粉末混合气体的流量的另外由于空气是热空气所以还要求变送装置能够在一定的高温下工作所以这里选用的流量变送器为LUGB型涡街流量计LUGB型涡街流量计根据卡门karman涡街原理测量气体蒸汽或液体的体积流量标况的体积流量或质量流量的体积流量计广泛用于各种行业气体液体蒸汽流量的计量也可测量含有微小颗料杂质的混浊液体并可作为流量变送器用于自动化控制系统中LUGB型涡街流量传感器防爆型符合GB3836-2000《爆炸性环境用防爆电气设备》有关规定防爆标志为ExiaIICT6该仪表适用于工厂C级T6组及其以下的爆炸场所在本次设计中选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求产品特点◆可测量蒸汽气体液体的体积流量和质量流量◆无机械运动部件测量精度高结构紧凑维护方便◆压力损失小量程范围宽量程比达10－40倍◆采用消扰电路和抗振传感头仪表具有抗环境振动性能◆可测介质温度达350℃450℃技术参数◆公称口径 DN10～DN500◆测量介质气体液体蒸气◆可测介质温度 -40℃～150℃-40℃～280℃-40℃～350℃-40℃～450℃◆公称压力 25MPa 25 MPa协商供货◆精度等级 1级05级注05级量程范围≥17◆输出信号①电压脉冲低电平≤1V高电平≥6V脉冲宽04ms负载电阻 150Ω② 420mA转换精度±05满度值负载电阻19V350Ω24V500Ω30V750Ω③现场液晶显示瞬时流量6位显示m3h或kghth转换精度±01累计流量8位显示m3kgt转换精度±01◆供电电源①电压脉冲输出12VDC或24VDC② 420mA输出19VDC30VDC③现场液晶显示电池供电36V1节1号锂电池使用寿命大于3年外部供电12VDC或24VDC可实现带背光的液晶显示订货注明环境温度①电压脉冲输出-30℃65℃② 420mA输出-10℃55℃③现场液晶显示 -25℃55℃◆防爆标志 ExiaIIBT6◆表体材料 1Cr18Ni9Ti 其它材料协议供货 45号钢法兰连接型◆全智能型仪表①输出信号标态的体积流量或质量流量②现场液晶显示循环显示6位瞬时流量压力温度8位显示累积量com副控制器正反作用的选择副控制器的正反作用要根据副回路的具体情况决定而与主回路无关副环可以按照单回路控制系统确定正反作用的方法来确定副控制器的正反作用主控制器的正反作用根据主回路所包括的各环节来确定副回路的放大倍数可视为正因变送器一般为正这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一致本设计中主控制器和副控制器都要反作用com的PID调节器和副回路的PI调节器因为主回路是一个定制系统主控制器起着定制控制作用保持主变量的稳定是首要任务主控制器必须有积分作用在这里采用的是PID调节器它综合了比例控制积分控制和微分控制三种规律的优点又克服了各自的缺点比例部分能够迅速响应控制作用积分部分则最终消除稳态偏差微分部分可以稳定调节精度因为副回路是一个随动系统其给定值随主控制器输出的变化而变化同时两个并列的副环具有逻辑比值关系其变化是双交叉的为了能快速跟踪同时比例调节应该采用PI调节com仪表的选择采用模拟控制器DDZ－III型调节器DDZ―Ⅲ基型控制器框图如图43由控制单元和指示单元两部分组成控制单元包括输入电路比例积分微分电路手动电路保持电路指示单元有两种因此基型控制器也分两种即全刻度指示控制器和偏差指示控制器控制器的输入信号为1～5V的测量信号设定信号有内设定和外设定两种内设定信号为1～5V外设定信号为4～20mA测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算输出偏差到比例积分微分电路进行比例积分微分运算后由输出电路转换为4～20mA信号输出手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中手动电路可实现软手动和硬手动两种操作当处于软手动状态时用手指按下软手动操作键使控制器输出积分式上升或下降当手指离开操作键时控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上当控制器处于硬手动状态时移动硬手动操作杆能使控制器的输出快速改变到需要的数值只要操作杆不动就保持这一数值不变由于有保持电路使自动与软手动相互切换硬手动只能切换到软手动都是无平衡无扰动切换只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换如果是全刻度指示控制器测量信号的指示电路和设定信号的指示电路分别把1～5V电压信号转化为1～5mA电流信号用双针指示器分别指示测量信号和设定信号当控制器出现故障需要把控制器从壳体中取出检查时可以把便携式手动操作器插入手动操作插孔以实现手动操作图43中的4～20mA输出信号通过精密电阻转化为1～5V电压反馈到控制器的输入端使控制器形成了自闭系统提高了控制器的运算精度根据火电厂生产设计要求采用WHSPL型调节器技术参数◆调节器输入通道5路信号标准4-20mA1-5VDC或0-10 mA0-25VDC◆调节器输出通道1路信号标准4-20mA或0-10 mA◆跟踪输入通道1路信号标准1-5VDCDDZ-III型或0-25VDCDDZ-II型◆模拟输入通道的输入阻抗为250Ω◆故障接点输出1路晶体管集电极开路输出◆手自接点输入1路无电压开关接点接点容量05A手动ON自动OFF◆电源220±10AC02A◆每个通道都可以用拨码开关设定为是否进行开方运算阻尼时间可通过面板修改◆PID参数范围 1给定值-691069 2比例带007999 3积分时间00999分 4微分时间00999分 5采样周期200毫秒◆安装方式表盘安装仪表自带悬挂装置◆仪表外尺寸80×160×260mm com的选择按所用能源形式的不同执行器分为电动气动和液动三类本设计主要是采用气动执行器为了安全考虑采用气开式它由气动执行机构和控制机构两部分组成气动执行机构又分为薄膜式和活塞式它们都是以压缩空气为能源具有控制性好结构简单动作可靠维修方便防活防爆和价廉等优点并可以方便地与气动仪表配套使用气动执行器也称为气动调节阀介绍典型产品气动薄膜调节阀地结构和工作原理气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分上面是执行机构下面是调节机构从所学的知识可以了解到它主要由膜片弹簧推杆阀芯阀座等零部件组成当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时在膜片上产生一个推力并推动推杆部件向下移动使阀芯和阀座之间的空隙减小流体受到的阻力增大流量减小推杆下移的同时弹簧受压产生反作用力直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止此时阀芯与阀座之间的流通面积不再改变流体的流量稳定可见调节阀是根据信号压力的大小通过改变阀芯的行程来改变阀的阻力大小达到控制流量的目的为了满足火电厂的安全生产要求在此次设计中使用VBD气动端面密封蝶阀VBD气动端面密封蝶阀是一种重量轻结构简单的后座式端面密封蝶阀阀体阀板均用钢板焊接或铸造加工而成适用于低压状态的空气或其他气体的流量压力控制本产品符合GBT4213-92标准技术参数◆型式扁平式焊接或铸造阀体◆公称通径 125～2000mm5〃～80〃◆公称压力PN025061016MPa JIS2K JIS5KJIS10K ANSI 150◆连接型式法兰式125～2000mm8〃～80〃密封面型式RF◆材料 25SUS304SUS316高温耐热钢Ni25Mo等◆标准型适用-5～200℃公称通径DN550以下◆外部轴承型公称通径DN600以上公称通径DN550以下温度200～600℃◆压盖形式螺栓压紧式◆填料聚四氟乙烯聚四氟乙烯石棉常温用柔性石墨中温高温用阀内组件◆额定行程全开60°或全开90°◆阀板材料 25SUS304SUS316等◆旋转轴材料SUS630SUS304SUS316◆阀体阀板密封形式端面密封型执行机构◆型式气缸活塞执行机构◆供气压力500kPa◆气源接口G18"G14"G38"G12"◆环境温度0～＋70℃◆阀作用型式根据执行机构与旋转轴之间键连接位置不同可实现阀的气关式或气开式◆阀门安装方式阀杆应水平地安装在配管上若安装方式发生变化请予以注明附件◆定位器空气过滤减压器保位阀行程开关阀位传送器手轮机构等5控制系统的工作原理目前在火力发电厂中锅炉炉膛温度的控制虽然已经普遍采用了计算机控制但最常用的控制方法仍是普通PID控制包括单回路串级回路和分程控制等都是由PID作为基本的控制算法在此次设计中我们采用串级回路控制方法串级调节系统多用于燃料源受频繁扰动的锅炉炉膛该系统由主回路和副回路组成主回路根据实际值与给定值的偏差由PID调节规律对燃料流量进行调节副回路根据燃料流量实际值与主回路温度调节器输出的燃料流量的偏差对流量进行调节以避免扰动对燃料流量的影响在系统稳定状态时温度PID的输出以A1送到煤粉流量调节回路PID作为设定值以B1送到空气流量调节回路PID作为设定值在负荷剧增温测温给时温度PID的输出剧增对于空气流量调节回路随着B1开始增加时B1 B2低选器选中B1空气流量增加当B1正跳变到B1 B2时低选器选中B2B1被中断同时B3 B2高选器选B2B2作为该回路PID的设定值使空气流。
1 引言1．1 系统设计背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。
因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。
由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。
随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生PLC控制技术所取代。
而PLC 本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。
通过本设计可以熟悉并掌握西门子S7-300PLC的原理与功能以及它的编程语言，以自动控制理论为指导思想，解决工业生产及生活中温度控制的问题。
1．2 系统工作原理加热炉温度控制系统基本构成如图1-1所示，它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。
PLC主控系统图1-1 加热炉温度控制系统基本组成加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为西门子S7-300PLC可识别的数字量，然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过PID运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号控制固态继电器的输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。
既加热炉温度控制得到实现。
其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。
1．3 系统组成本系统的结构框图如图2-3所示。
由图1-2可知，温度传感器采集到数据后送给S7-300PLC，S7-300PLC通过运算后给固态继电器一个控制信号从而控制加热炉的导通与否。
单位代码01学号100119064分类号TP273+.2密级毕业设计说明书电锅炉温度控制系统的设计院（系）名称信息工程学院专业名称测控技术与仪器学生姓名邓继文指导教师吴娟2014年4月25日电锅炉温度控制系统的设计摘要电锅炉温度智能控制系统在工业生产和科研工作中占有重要的地位。
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。
基于单片机技术实现的电锅炉温度控制系统主要由温度检测电路、温度控制电路、温度显示电路三个部分组成。
在本次设计中，选用符合测量温度范围要求的热电偶温度传感器来实现数据采集，用仪表放大电路对电压信号进行放大，实现对温度的检测和信号的传输；用单片机对所采集的数据进行处理后，再进行相应的控制，从而实现对温度的控制；采用LCD1602液晶显示器将处理的数据进行实时显示。
然后根据设计电路进行了实际制作和测试分析，达到了预期的要求。
关键词：单片机，热电偶温度传感器，LCD，MAX6675The Design of the Electric Boiler Temperature Control SystemAuthor：Deng JiWenTutor：Wu JuanAbstractAnnealing temperature control system in industrial production and scientific research occupies an important bustion system of boiler steam drum is industrial steam boiler safe and stable operation of the important indicators.Temperature is too high, can make the steam with water too much, separation of poor, make the follow-up of superheater tube wall scaling, heat transfer efficiency drops, superheated steam temperature drop, serious when will cause steam quality to drop, affect the production and safety; Temperature is too low will damage part of the wall of the water cycle can't meet the technological requirements, serious happens when the boiler exploded.Especially large boiler, once the improper control, easy to make all of the water in the water or steam drum drum with vaporization, cause serious accident. Therefore, in boiler operation, it is very important to ensure that the temperature in the normal range.Based on single chip microcomputer technology to realize the electric boiler temperature control system is mainly composed of the temperature detection circuit, temperature control circuit, display circuit of three parts.In this design, choose to meet the requirements of measuring temperature range thermocouple temperature sensor to achieve data acquisition, instrument amplifier circuit of voltage signal is amplified and realize the temperature detection and signal transmission; After the data collected in the MCU, then the corresponding control, so as to realize the temperature control; Adopt LCD1602 LCD monitor the real-time display of data processing.Then according to the design of circuit are analyzed in actual production and testing, to achieve the desired requirements.Key words: MCU，Thermocouple Temperature Sensor，LCD，MAX6675目录1 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 电锅炉简介 (1)1.3 电锅炉温度控制系统 (2)1.4 设计要求 (2)2 温度控制系统方案分析 (3)2.1 设计思想 (3)2.2 几种方案设计 (3)2.3 方案设计要求 (4)2.4 课题研究的意义 (4)3 电锅炉温度控制系统硬件设计 (6)3.1 温度检测电路 (6)3.1.1 热电偶传感器 (6)3.1.2 MAX6675电路 (6)3.2 温度显示单元电路 (8)3.3 温度控制电路 (10)3.3.1 蜂鸣器驱动电路 (10)3.3.2 继电器 (11)3.3.3 STC89C51单片机 (12)4 电锅炉温度控制系统软件设计 (18)5 电锅炉温度控制系统仿真 (20)5.1 电路仿真结果 (20)6 电锅炉温度控制系统设计实物图 (22)结论 (23)致谢 (24)参考文献 (25)附录 (26)附录A (26)附录B (26)1绪论1.1课题背景锅炉技术的发展受经济发展速度和投资规模因素影响，能源政策和节能、环保要求的制约等越来越严重。
设计基于PLC 的锅炉控制系统需要考虑到控制逻辑、传感器选择、执行器配置、人机界面以及安全性等多个方面。
以下是一个基本的PLC 锅炉控制系统设计方案：1. 控制逻辑设计：-设定温度和压力设定值，根据实际情况设定控制策略。
-设计启动、停止、调节锅炉火焰和水位控制等具体操作逻辑。
2. 传感器选择：-温度传感器：用于监测锅炉管道和水箱的温度。
-压力传感器：监测锅炉的压力情况。
-液位传感器：监测水箱水位，确保水位在安全范围内。
-其他传感器：根据需要选择氧含量传感器、烟气排放传感器等。
3. 执行器配置：-配置控制阀门、泵等执行器，用于控制水流、燃料供应、风扇转速等。
-确保执行器与PLC 的通讯稳定可靠，实现远程控制和监控。
4. 人机界面设计：-设计人机界面，包括触摸屏或按钮控制板，显示关键参数和状态信息。
-提供操作界面，方便操作员设定参数、监控运行状态和进行故障诊断。
5. 安全性设计：-设计安全保护系统，包括过压保护、过温保护、水位保护等，确保锅炉运行安全。
-设置报警系统，当参数超出设定范围时及时警示操作员。
6. 通讯接口：-考虑与其他系统的通讯接口，如SCADA 系统、远程监控系统等，实现数据传输和远程控制。
7. 程序设计：-使用PLC 编程软件编写程序，包括控制逻辑、报警逻辑、自诊断等功能。
-测试程序逻辑，确保系统稳定可靠，符合设计要求。
以上是基于PLC 的锅炉控制系统设计方案的基本步骤，具体设计还需根据实际情况和需求进行调整和优化。
在设计过程中，还需遵循相关标准和规范，确保系统安全可靠、运行稳定。
基于PLC的锅炉供热控制系统的设计一、本文概述随着科技的不断发展，可编程逻辑控制器（PLC）在工业自动化领域的应用日益广泛。
作为一种高效、可靠的工业控制设备，PLC以其强大的编程能力和灵活的扩展性，成为现代工业控制系统的重要组成部分。
本文旨在探讨基于PLC的锅炉供热控制系统的设计，通过对锅炉供热系统的分析，结合PLC控制技术，实现对供热系统的智能化、自动化控制，提高供热效率，降低能耗，为工业生产和居民生活提供稳定、可靠的热源。
文章首先介绍了锅炉供热系统的基本构成和工作原理，分析了传统供热系统存在的问题和不足。
然后，详细阐述了PLC控制系统的基本原理和核心功能，包括输入/输出模块、中央处理单元、编程软件等。
在此基础上，文章提出了基于PLC的锅炉供热控制系统的总体设计方案，包括系统硬件选型、软件编程、系统调试等方面。
通过本文的研究，期望能够实现对锅炉供热控制系统的优化设计，提高供热系统的控制精度和稳定性，降低运行成本，促进节能减排，为工业生产和居民生活提供更加安全、高效的供热服务。
也为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考和借鉴。
二、锅炉供热系统基础知识锅炉供热系统是一种广泛应用的热能供应系统，其主要任务是将水或其他介质加热到一定的温度，然后通过管道系统输送到各个用户端，满足各种热需求，如工业生产、居民供暖等。
该系统主要由锅炉本体、燃烧器、热交换器、控制系统和辅助设备等几部分构成。
锅炉本体是供热系统的核心设备，负责将水或其他介质加热到预定温度。
其根据燃料类型可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、电锅炉等。
锅炉的性能参数主要包括蒸发量、蒸汽压力、蒸汽温度等。
燃烧器是锅炉的重要组成部分，负责燃料的燃烧过程。
燃烧器的性能直接影响到锅炉的热效率和污染物排放。
燃烧器需要稳定、高效、低污染，同时要适应不同的燃料类型和负荷变化。
热交换器是锅炉供热系统中的关键设备，负责将锅炉产生的热能传递给水或其他介质。
热交换器的设计应保证高效、稳定、安全，同时要考虑到热能的充分利用和防止结垢、腐蚀等问题。
锅炉温度控制系统设计方案第1章绪论1.1课题背景及研究的意义锅炉是工业生产中最常用的能量转换设备之一，它通过转化燃料中的化学能或利用电能转化为能，成为人们广为依赖的采暖工具。
在电锅炉中，利用电阻在通电流状态下发热的原理，通过对电流的大小的控制对温度的控制。
由于电流易控制的特点，电锅炉在小型锅炉和精密控温的到使用者的青睐。
但是，在大部分城市中，由于国家实行“西气东输”计划，燃气价格为普通人家所接受，经数据统计和计算，燃气锅炉更便宜，比电锅炉应用更受欢迎。
锅炉温度的稳定是锅炉性能的一项重要指标，温度过高和温度过低都会给锅炉的稳定运行和生产造成重大的的影响，甚至发生安全事故。
温度过高，导致锅炉金属材料和相关部件的超温过热，加速管材金属氧化，降低锅炉和相关部件的使用寿命；温度过低，假定在保持锅炉蒸发量不变的情况下，锅炉的损耗将大幅上升，能源利用率因此下降，而且负荷也将受到限制。
所以，限定锅炉在安全温度成为每一个温度控制系统的核心部分。
随着科技发展，人们对采暖方式和热水方式渐渐发生变化，家用燃气锅炉进入寻常百姓家，但是国燃气锅炉的开发与应用还处于较落后的阶段，市场上的大多数此类商品还是以国外为主，所以燃气锅炉依然有广大市场与研究价值。
本设计以家用燃气锅炉为研究目标，使用AT89C51单片机为控制核心组成温度控制系统，采用热电阻感应温度的变化，单片机实现收集数据、处理数据、发送控制命令的功能，从各方面详细的说明单片机在温度控制的应用。
1.2 温度传感技术自工业时代以来，随着大型机械的出现和广泛应用，温度对机械工作性能的影响越来越被人们所重视，对温度的未知可能造成机械损坏或发生重大事故。
于是温度传感器便应运而生。
温度传感器用在生活的方方面面，从冶金行业到每一个人身边中的一部分，它已经随着时代的步伐在进步。
目前使用的较为先进的温度传感器是数字传感器。
数字传感器的优点是不需要像传统方式一样加入转换部分，利用当今成熟的集成技术，在其部已经集成了感应温度系统和温度转换系统，尤其是它单端数据输出的功能，极大减少对主控器件端口的占用，是端口资源优化的方法之一。
它的数据传输方法是在部得到具体的温度数据后，利用部的缓冲器进行缓存，利用主控器件对它发出控制命令进行读取数据，这就是单总线传输，这也是它的最主要的特点。
虽说数字传感器得到广泛应用，但是在工业中仍是大量应用热电阻传感器。
因为数字温度传感器的测温围有限，不超过150℃，这与工业中经常200℃以上的情况显然不合适。
热电阻传感器测量温度围在-200~960℃，包含了大多数工业设备的工作温度，至今，仍然有很大的研究与利用价值。
1.3 系统的总体设计思想本系统的总体设计思路是，本着精确、可靠、稳定的原则，采用模块化设计，自顶向下构思。
根据题目提出的设计任务及性能任务指标，通过理论分析及计算，整体把握，然后再逐步细化，分模块的进行设计，期间辅以电路仿真软件proteus 进行电路原理仿真，最后进行各模块的组合以完成整个系统的设计任务。
通过查阅资料与借鉴，此次设计决定用一个多功能键盘实现诸多的设置作用和信息输入，单片机进行自动调节。
用恒流源驱动热电阻，通过模/数转换对热电阻的电压实现精确的模拟量到数字量的转换.实时数据被AT89C51接受，并在芯片进行软件识别后输出到LCD完成对当前温度值的显示。
同时，考虑到系统驱动电源，芯片的电源等要求，添加了可调线性直流稳压电源。
第2章系统方案设计与论证2.1 系统结构框图图2.1 系统结构框图2.2 系统性能要求及特点1. 系统性能要求以AT89C51单片机为核心，搭配合理的人机互动界面，设计一个锅炉温度控制系统。
该系统具有自动调节和手动设置功能，通过操作界面调节，并能显示温度和上下限温度，且具有历史记录功能。
（1）控制温度在0-150度，误差±1度；（2）工作形式有手动、自动工作形式，手动形式用于控制系统调试，自动形式用控制系统正常运行；热电偶选型要合理；（3）当系统发生某种不良情况导致控制失灵时，控制系统具有报警功能；（4）设计和仿真方案合理，最后得到的数据和结果真实可靠。
2. 系统特点根据上述要求可以总结出，该系统要求有较高的测温准确精度，能即时反映现下的温度值，并且具有手动可调功能。
通过手动调节，控制锅炉的温度，也可以在设置后，让锅炉实现智能温控。
同时，我们可以结合现实生活中一些锅炉或机械情况，使用矩阵键盘操作更灵活，用LCD显示可提供更多信息量。
2.3 设计方案论证设计一个实用的电子应用系统，首先必须考虑该系统需要实现的功能，其次要考虑设计成本，接着要考虑其可靠性和可维护性，最后揉合以上因数，力求该系统具有较高的性价比。
因此，我们对此次设计进行了多方面的论证与分析。
2.2.1 温度采集方案的论证与比较1. 方案1：采用单总线数字温度传感器DS18B20温度被检测到之后，在该传感器部直接进行处理，得出相应的数据，缓存在芯片的缓冲区，等待传输。
DS18B20连接到控制器的线路只需要一条信号线，且用了串行通信，符合现下多数设备的通信标准，使得DS18B20更受欢迎。
但是其测温围仅在-55~155摄氏度左右，且编程比较复杂。
2. 方案2：恒流源驱动PT100用1mA恒定电流驱动PT100热电阻，将电阻阻值（80.31~280.98Ω）经信号调理电路转换成0.8~2.8V之间的电压信号，ADC0809对该电压信号进行采样。
查询PT100分度表可知，在0~100摄氏度以，其阻值依线性缓缓上升，因此，在软件部建立线性方程可算出被测温度值。
PT100铂热电阻工作在1mA电流下，此电流下，铂热电阻不会因为电流流过发生的自热会引起测量误差。
因为电流恒定，无论电阻值大小都不会引起自热发生的测量误差，温度变化时铂热电阻值变化，根据欧姆定律，电压是电阻和电流的乘积，由于电流恒定不变，电压随电阻线性变化。
该方案得到了广泛应用，借鉴性高，实用性强，决定采取该方案。
2.2.2 A/D转换模块设计方案的论证与比较1. 方案1：采用芯片MC14433实现数据采集MC14433利用抗干扰性较好的二次积分原理为转换方式，牺牲转换速率以达到±1/1999的分辨率，相当于11位二进制转换精度，是性价比较高的模数转换芯片。
在速度要求不高的场合，是首选的ADC方案。
但其基准电压要求为2V，而2V电压在电子市场上的供应少，对于+5V或+15电源来说，价格要贵许多，同时其BCD码的传输方式输出会极大占用CPU的运行，且它在proteus没有仿真模块，不易于仿真和测试。
故不准备采用这种方案。
2. 方案2：采用芯片ADC0809实现数据采集模块ADC0809是目前要求精度不是很严格的大多数电子设计产品中的通用模数转换器件。
它通过逐次逼近的方式，对模拟电压进行分阶段性的比较，比较得出的8位数据作为数字量，实现模数转换。
8位数字量锁存在芯片的三态输出锁存器，单片机通过发送控制信号决定是否获取数据。
ADC0809程序设计简单，连接方便，在proteus中具有仿真模型，便于仿真和调试。
故采用这种方案。
3.1.3 AT89C51单片机部结构AT89C51的基本结构包括CPU、存储器、I/O口、定时器/计数器、中断系统、时钟电路等。
接下来我们选取基本结构中的重要部分进行详细介绍：CPU：8位CPU，主要用来完成算数和逻辑运算，是单片机中最重要的部分。
片RAM：共258个存储单元，分为两个部分，低128字节RAM和特殊功能寄存器SFR[3]。
其中低128字节的RAM又被分为00H~1FH的工作寄存区、20H~2FH 的可位寻址区、30H~7FH的数据缓冲区。
片ROM：4KB存储空间，可由EA引脚电平决定片还是片外寻址。
定时器/计数器：C51系列包含有两个16位的可编程定时器/计数器分别称为定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；它们都具有定时器工作模式和计数器工作模式，对控制寄存器TMOD和TCON编程或位操作，可以选择工作模式和工作方式。
定时器/计数器的核心是2个8位的特殊功能寄存器TH1和TH2，开启定时或计数功能后，在这两个寄存器每过一个时钟周期就进行一次加“1”，计数对外部脉冲加1计数，定时则设定计数次数获得定时时间。
在单片机设计中，定时和计数功能的开启，定时的时间，计数的数目都由软件进行设定。
并行I/O口：共4个8位的双向I/O口，即P0、P1、P2、P3，因此数据可以用并行数据的方式与单片机进行数据传输[4]。
串行口：一个全双工的串行口，用于单片机与其他设备之间的串行数据发送和接收，当I/O口资源紧缺时，可利用串行口传输，极大提高I/O口利用率。
在多机通信中，串行口被用于异步通信，实现多机信息间的交流和控制[5]。
中断控制系统：C51系统通过4个特殊功能寄存器中的各标志位置“1”或清零操作来实现各种中断控制功能，分别为TCON定时器/计数器T0及T1的控制寄存器，SCON串行口控制寄存器，IE中断允许控制寄存器，IP中断优先级控制寄存器[6]。
在单片机中，中断申请只能单个响应，所以要依据自己的设计要求对中断源进行优先级排列。
中断系统分为外部中断和部中断，共5个中断源，如表3.2所示。
表3.2 AT89C51的中断源中断源中断入口地址说明INT00003H 外部中断0请求，由引脚P3.2输入，低电平/下降沿有效，中断求标志为IE0 T0 000BH 定时器/计数器T0溢出中断请求，中断请求标志为TF0INT10013H 外部中断1请求，由引脚P3.3输入，低电平/下降沿有效，中断求标志为IE1T1 001BH 定时器/计数器T1溢出中断请求，中断请求标志位TF1串行口0023H 串行口中断请求，当串行口完成一帧数据的发送或接受一帧数据时请求中断，中断请求标志为TI或RI2.2.3 键盘设计方案的论证与比较1. 方案1：采用独立式按键在单片机外围电路设计中，当I/O口资源充足时，我们通常选择独立式按键。
因为独立式按键基本不需要占用程序实行，在需要不断需要检测按键有效性的程序中，省却许多的检测时间。
独立式按键的使用也很简单，往往一个功能配一个键。
但是，一旦项目中需要按键实现大量的功能，比如在本次设计中需要数字键和其它功能键，如果采用独立式键盘，I/O口就会紧缺。
故不采用这种方案。
2. 方案2：采用矩阵键盘在大部分机械中，要求输入的容与信息不仅仅是简单的控制信号，在这种需要按键较多的情况下，通常采用矩阵键盘。
在本设计中，根据功能来说，需要0~9的数字按键10个，上下限温度功能键2个，确定、删除、返回、菜单功能按键共4个，总共16个按键。
使用4×4的矩阵键盘完全符合本次设计的需求，只需要8根I/O口线，即可以全部使用P2口控制。
