基于仪表的锅炉温度控制系统设计

第1章绪论1.1 课题设计背景根据国内实际情况和环保问题的考虑和要求，燃烧锅炉由于污染并效率不高，已经逐渐被淘汰；燃油和燃气锅炉也存在着燃料供应不方便和安全性等问题。

因些在人口密集的居民区、旅馆、医院和学校，电加热锅炉完全替代燃煤、燃油、燃气锅炉。

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪表，并在各行广泛应用。

电加热锅炉采用全新加热方式，它具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具有吸引力：(1)无污染。

不会排放出有害气体、飞尘、灰渣，完全符合环保方面的要求。

(2)能量转化效率高。

加热元件直接与水接触，能量转换效率很高，可达95%以上。

(3)锅炉本体结构简单，安全性好。

不需要布管路，没有燃烧室、烟道，不会出现燃煤、燃油、燃气的泄漏和爆炸危险。

(4)结构简单、体积小、重量轻，占地面积小。

(5)启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快，操作简单。

由于加热元件工作由外部电气开关控制，所以启停速度快。

(6)可采用计算机监控，完全实现自动化。

其温度的控制都能通过微控制芯片完成，使锅炉的运行完全实现自动化，最大程度地将控制器应用于传统的锅炉行业。

本课题主要研究锅炉温度的过程控制。

新型锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。

加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。

电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。

主要是控制水的温度，保证恒温供水。

随着计算机和信息技术的高速发展，单片机广泛的应用于工业控制中。

工业控制也越来越多的采用计算机控制，在这里我们采用51系列单片机来做控制器。

由于电加热锅炉是一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到很好的控制效果。

而这下符合PID控制使用的条件，因而PID控制被广泛地用于电热锅炉的控制中，用来代替传统的控制方法，并获得良好的控制效果。

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）、进行控制（PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。

PID控制器问世至今有近70年历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

1.2 课题目的及意义本控制器主要是针对现代工业自动化生产过程中锅炉温度控制装置而设计的，用PID控制代替传统的控制方法，以获得良好的控制效果。

通过这个课题能锻炼我的能力，给我提供了一个理论和实践相结合的机会。

通过这次课程设计，我能对单片机程序设计、自动控制理论、检测技术与仪表方面的知识有进一步的了解，以巩固学过的专业知识，开拓我的视野。

同时，由于学过的知识有限，让我认识到了自己的不足，为以后有针对性地提高有了一个明确的方向，同时也锻炼和提高我们的自学能力，为提高我们以后的自身竞争能力打下基础。

1.3设计指标此系统主要以仪表为控制器，并对显示电路，温度检测电路，人机接口电路，键盘电路，报警电路，执行电路等进行具体设计，以实现锅炉水温的控制。

具体指标要求如下：1、用仪表作为控制器，采用模块设计方法，对系统硬件、软件进行详细的设计2、锅炉温度控制在0-100℃左右。

3、通过键盘输入上下限温度、恒温温度，以及通过手动停机的功能。

4、显示电路用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等，精确到小数点后一位。

5、水温高于上限温度和低于下限温度时，系统报警；误输入时报警。

6、加热执行机构的设计。

第2章 系统设计方案2.1 系统设计方案此方案用仪表作为主要控制器的核心，利用热电偶作为测温器件，然后通过一个变送器将温度转换成电压信号，送入到A/D 转换器进行模拟到数字量的转换，转换结转送入仪表，由控制器根据给定值与测量值的大小作比较得到一个偏差，再由D/A 将偏差数字量转换成模拟量来调节加热丝的工作时间或者通过调节不同电压来调节加热丝的加热功率，最终达到锅炉恒温控制的目的。

系统原理框图如下图2-1所示：实际温度图2-1 原理框图2.2 控制方式确定自动控制方式一般有两种：即开环控制和闭环控制。

开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作，没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力。

开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统.。

人工控制一般是开环控制。

比如人工转换电扇档位实现转速的控制。

闭环控制有反馈环节，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制。

通过反馈系统使系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。

自动控制通常是闭环控制。

比如家用空调温度的控制。

闭环控制又包含有单回路控制和串级控制等。

串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环----双闭环或称双环。

串级控制系统在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相同，就其主回路（外环）来看是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动系统。

以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。

与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。

其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。

综上所述，根据系统工艺要求，决定在系统设计中采用闭环串级控制方式。

第3章锅炉温度控制系统设备配置3.1 锅炉温度控制系统概述过程控制综合实验装置（ProcEss Control SystEm，简称PCS），是模仿现代工业生产过程中常见的物理量，诸如温度、流量、液位、压力等参数，对其进行测量、控制，分析过程参数变化特性，研究过程控制规律的教学实验设备，过程控制综合实验装置选用智能化的工业用仪器仪表，接近工业实际，使用安全，运行稳定，维护简单，性价比优越。

整个系统结构紧凑、功能多样、既能进行验证性、设计性实验,又能提供综合性实验。

PCS-E型是在PCS-C型配置的基础上发展更新的新产品，PCS-E型优化了结构，增加了配置，扩展可实验内容（涵盖了PCS-C型全部功能），以满足用户更多的实验要求。

PCS-E型过程控制综合实验装置主要是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。

有仪表控制、PLC控制和DDC控制三种控制方式。

本装置：·两路独立供水系统；·双容液位实验系统；·流量实验系统；·温控实验系统；·可满足“自动调节原理”，“过程控制”，“控制仪表”，“自动检测技术与传感器”及相关课程的教学实验需求；·可作为有关企业技术人员、仪表操作人员、系统运行监控人员的实习、培训实验设备。

设备特点：（1）分体设计，模块化组装式结构，可以根据不同的需要选择仪表控制、PLC 控制和DDC控制，组成不同的控制系统。

（2）双实验水箱配置，双路供水系统。

（3）实验柜采用不锈钢全开放式结构，内部器件全部可视，有利直观教学和维护。

（4）人性化设计，配有储水箱，进排水自控装置，减轻工作人员劳动强度。

配有实验专用线的挂线板，取线挂线方便、整洁、美观。

为实验文明操作提供条件。

（5）装置的仪表、部件均选用现代化技术工业级产品。

智能化程度高。

精度好，规格多样。

有利直观教学和拓宽学生工业现场知识。

（6）安全度高，系统配有漏电保护，带保护套的专用实验电源连线，非操作部分的壳体门加有锁，及温控箱防止无水加温自动控制等，力求保护人身、设备安全。

（7）开放度好，在教师指导下，学生可观察、可自己动手参与操作、可自行编程进行验证、可根据记录的实时曲线进行理论分析等。

3.2 实验设备系统控制对象图3-1 实验对象流程图3.2.1 被控对象由不锈钢储水箱、有机玻璃上下水箱、不锈钢温控锅炉和敷塑不锈钢管道及配件等组成。

1．水箱：包括上下水箱、储水箱。

有一个上水箱，一个下水箱，它们均采用淡黄色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。

上下水箱尺寸为：D=22cm，H=30cm；水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。

上下水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。

储水箱为不锈钢储水体，尺寸为：长×宽×高=100cm×3.5㎝×3.5㎝。

并在两侧各与一磁力泵相连，为整个系统储水和供水，内有独特的结构设计和不锈钢过滤网，拆洗维护方便，以防杂物进入水泵和管道。

2．锅炉：锅炉为不锈钢制作，里面安装一个加热换，用以对锅炉内水进行加热，表面附加水标，方便观察锅炉内水位。

3．管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，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。

3.2.2 检测装置温度传感器/变送器：装置中采用了1个Pt100铂热电阻温度传感器，用来检测锅炉内的水温。

经过控制台中的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。

温度变送器的量程：0～+100℃，精度：0.5级，输出：4～20mADC，供电：24VDC，接线方式：二线制。

Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

3.2.3 执行机构1．电动调节阀：本装置采用的电动调节阀是由是Honeywell的ML7420A6033型电动阀门执行器和三通线性阀门组成。

其执行器采用智能直行程调节，根据控制的信号变化，来调节执行器的行程，从而调节三通线性阀门的开度，进而对控制回路的流量进行调节；具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、使用和校正非常方便等优点；工作时需提供24V交流电源（此电压由变压器提供），轴杆推力：600N ，执行器行程：20mm ，输入信号:0-10Vdc或2-10Vdc ；本装置中的执行器已被设置为输入信号为2-10Vdc，由于从实验控制台输出的信号为4～20mADC,故接到执行器的信号线两端加500欧的电阻。