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1 前言 (1)2 控制系统的总体方案 (2)2.1 概述 (2)2.2 控制方式的确定 (2)2.3检测元件和执行机构的选择 (3)2.4微型计算机的选择 (4)2.5输入输出通道及外围设备的选择 (6)2.6系统的原理框图 (6)3 控制算法的选择和参数计算 (8)3.1 控制算法的选择 (8)3.2 参数的计算 (8)4系统硬件设计 (16)4.1概述 (16)4.2 系统的硬件设计 (16)4.3系统电气原理图 (33)4.4 元器件明细表 (34)5 软件程序的编制 (35)5.1概述 (35)5.2程序流程图 (35)5.3 地址分配 (40)5.4程序设计 (40)6 控制系统的调试与实验 (42)6.1单元电路调试 (42)6.2 程序调试 (42)6.3 系统调试 (43)6.4 系统实验和结果分析 (43)7 设计总结 (44)7.1 系统具备的主要功能 (44)7.2 系统的测量精度 (44)7.3 存在的问题及改进措施 (44)参考文献 (46)致谢 (47)1 前言随着我国国民经济的快速发展，锅炉的使用范围越来越广泛。
而锅炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常必要的。
而锅炉系统是一个具有时变和时滞的比较复杂的系统，因此，对锅炉温度进行控制是工业过程控制中一个重要而且困难的问题。
由于串级控制具有有效改善过程的动态特性、提高工作频率、减小等效过程时间常数和加快响应速度等特点，所以在克服被控系统的时滞方面能够取得较好的效果[1]。
由于PLC具有高可靠性、易于实现等优点，在工业控制领域中得到了广泛的应用。
进入21世纪以来，PLC已经由原来的逻辑控制器发展成具有较强的数据处理能力、通讯能力的标准工控设备，用其进行各种算法的实现是工控领域的发展趋势。
本设计以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID 算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制[2]。
锅炉夹套水温与内胆水温串级控制系统一、实验目的1．熟悉温度串级控制系统的结构与组成。
2．掌握温度串级控制系统的参数整定与投运方法。
3．研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4．主、副调节器参数的改变对系统性能的影响。
二、实验设备三、实验原理本实验系统的主控量为锅炉夹套的水温T1，副控量为锅炉内胆的水温T2，它是一个辅助的控制变量。
系统由主、副两个回路所组成。
主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量T1等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID 控制。
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T1的控制目的，因而副调节器可采用P控制。
由于锅炉夹套的温度升降是通过锅炉内胆的热传导来实现的，显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象下水箱的时间常数，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15所示。
图15 锅炉夹套与内胆温度串级控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤本实验选择锅炉夹套和锅炉内胆组成串级控制系统。
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。
待实验投入运行时，用变频器支路以较小的流量给锅炉内胆供循环冷却水。
具体实验内容与步骤可根据本实验的目的与原理参照前一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的接线图连接。
图16 智能仪表控制温度串级控制实验接线图图17 远程数据采集控制温度串级控制实验接线图图18 DCS分布式控制温度串级控制实验接线图图19 S7-200PLC控制温度串级控制实验接线图图20 S7-300PLC控制温度串级控制实验接线图五、实验报告要求1．画出温度串级控制系统的结构框图。
过程控制仪表课程设计题目：锅炉温度串级控制系统学生姓名：安春雨薛龙朝常玉龙班级：生产过程0901指导老师：张娓娓2011年06月08日•电阻炉是现代工业生产的主要装备，在国民经济建设中具有举足轻重的作用。
本次设计是根据电阻炉温度控制技术的发展要求而设计的一种温度实时串级控制系统。
其控制原理、思想非常适用于自动化程度比较高的企业以及现场环境比较复杂的控制场所。
本系统利用温度传感器、变送器、PLC及其配套的A/D转换器件MAD02、上位计算机等，完成了电阻炉温度可编程控制器串级控制系统的设计，以CX-Programmer、Windows为平台，通过上位机和下位机软件的设计，实现电阻炉温度的实时串级控制。
变送器选择的几个基本原则如下①尽可能选择测量误差小的测量元件。
②尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。
③正确采用微分超前补偿。
④合理选择测量点位置并正确安装。
⑤对测量信号作必要的处理。
锅炉温度串级控制系统框图锅炉温度串级控制系统工作原理•选取炉出口温度为主被控参数（简称主参数），选取炉膛温度为副被控参数（简称副参数），把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。
这样，扰动对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称副回路）来克服，扰动对炉出口温度的影响则由出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）来消除。
•用高精度的铂电阻传感器对电热锅炉的水温进行实时精确测量,用JCJ100G温度变送器把传感器的输出信号转换成0～5V标准电压信号,再送入8位的MAD02进行A/D转换,从而实现自动检测。
控制部分采用PID算法,经过PID运算产生的控制信号u(k)是数字信号，将其送入012通道实现D/A 转换，此时在MAD02的输出端就形成了模拟信号，将此模拟信号送入执行机构（温度控制器）。
实时更新PWM控制输出参数,控制可控硅,最终实现对炉温的高精度控制。
热电阻的温度特性系统检测部分采用铂电阻传感器测量输入信号，铂是目前最好的热电阻材料，它在国际使用温标中13.81K～630.74℃范围内作为基准器的复现温标。
火电厂主汽温度控制解决方案Solving Plan of Controlling the T emperature of Primary Steam in Power Plant白志刚（华润热电有限公司技术部，河南焦作 454001）摘要：总结了火电厂中间仓储式锅炉的主汽温自动可能会遇到的各类问题，并提出了解决方案。
这些解决方案都有作者自己在实际工作中的独特见解，有些甚至是创造性方案。
它们绝大部分都经过了实践检验，有着良好的应用效果。
关键词：串级调节系统导前微分调节系统燃烧干扰参数整定Abstract：This thesis summarizes problems of all kinds of auto-controlling temperature of main steam, which are probably encountered in middle-storage boilers of a fire-power electrical plant, and makes resolving projects by a variety of problems. These projects all have writer's own particular opinions of his practicing works, some of them are even creating projects. All most of these projects have been more times tested in practice and have very good effects of applications.Keywords：Cascade control system Feedforward differentiation control system Interferes of burning Parameters setting0 引言不是所有的电厂主汽温度自动调节系统都不好的。
第三章控制系统的控制方案及原理3.1 控制方案的确定温度流量串级控制实验是以串级控制系统来控制换热器热水出口温度，以换热器冷水流量为副对象，流量变动的时间常数小，时延小，控制通路短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速，反应灵敏等要求。
换热器热水出口温度为主对象，冷水流量的改变需要经过一定时间后通过换热器的热交换才能反映到换热器热水出口温度，时间常数比较大，时延大。
将主调节器的输出作为副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。
反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与负反馈值相同。
若参数比较理想，且主回路扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响换热器热水出口温度。
如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主回路进一步调节，从而完成克服上述扰动，使换热器热水出口温度调节到给定值上。
例如当通过调节变频器改变左边水泵的频率时，即改动了热水的流量，将立即影响到换热器热水出口温度，如果没有副回路，主回路将产生校正作用，克服扰动对温度的影响。
但是由于副回路的存在，加快了校正作用，使扰动对主回路的温度影响较小。
串级控制系统方框图如图 3-1 所示，各个回路独立调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。
副回路对FT102进行控制，这个反应比较快，副回路控制目的是很快把流量控制回给定值。
主回路对换热器热水出口温度TE103进行控制。
可以在换热器热水出口加入主回路干扰，要平衡这个干扰，则需要经过流量调整，通过 FT102来平衡这图3-1 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制框图电磁流量计FT102AI0换热器热水出口温度TE103AI1调节阀FV101AO03.2 主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。
目录1总体设计 (1)1.1系统概述 (1)1.2系统基本工作原理 (2)2系统分析 (3)2.1控制方案分析 (3)2.2串级控制系统的特点 (3)2.3主、副调节器控制规律 (3)2.4主、副调节器正、反作用方式的选择 (3)2.5串级控制系统的整定方法 (4)2.6组态软件MCGS简介 (5)3硬件组态说明 (6)3.1数据采集 (6)3.2模拟数据设备的组态 (6)3.3变量定义及说明 (6)4程序设计与数据连接 (7)4.1按钮链接 (7)4.2数据输入、输出的制作与连接 (9)4.3系统初始状态 (10)4.4循环程序编写 (10)5系统运行 (12)6总结 (13)参考文献 (14)夹套与锅炉内胆水温串级控制1总体设计1.1 系统概述本设计以锅炉作为被控对象，夹套的水温为系统的被控制量。
设计目的是使锅炉夹套的水温稳定至给定量；使用MCGS组态软件结合研华数据采集设备来实现具体调节效果；系统整体硬件组态界面如图1所示，控制界面如图2所示。
图1 硬件组态界面图图2控制组态界面图1.2 系统基本工作原理将温度传感器TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号形成副回路；主回路以TT2检测到的被控量（即夹套水温）为反馈信号，与输入设定值相比较送入主调节器，主调节器输出再与副回路反馈信号比较后，经副调节器将控制信号传给执行器，以达到控制锅炉内胆水温的目的。
系统原理方框图如图3所示。
图3 系统原理方框图2系统分析2.1 控制方案分析系统的主控量为锅炉夹套的水温，副控量为锅炉内胆的水温，它是一个辅助的控制量。
系统由主、副两个回路所组成，主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控量等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制；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，已达到对主控量的控制目的，因而副调节器可采用P控制，必要时引入适当的积分环节。
由于锅炉夹套的温度升降式通过锅炉内胆的热传导来实现的，显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象时间常数，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，故设计为串级控制结构如上图2所示。
（二零一二年三月化工学院 科研训练报告 学生姓名：岳超系 别：过程装备与控制工程系专 业：过程装备与控制工程班 级：过控08--1班实习地点：薛家湾热电厂指导教师：白竞平学校代码： 10128学 号： 200820506086锅炉夹套和内胆温度串级控制实验相关知识一串级控制系统：串级控制系统-----两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
1.基本概念即组成结构2.串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
3前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
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的，即包括在副回路范围内的扰动。
2.串级控制系统的工作过程3.当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。
根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：1）扰动作用于副回路2）扰动作用于主过程3）扰动同时作用于副回路和主过程4.分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
5.系统特点及分析1*改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。
2* 能迅速克服进入副回路的二次扰动。
3* 提高了系统的工作频率。
4* 对负荷变化的适应性较强二串级控制系统的设计1. 主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
火电厂锅炉温度串级控制方案
【摘 要】本文主要介绍了火电厂锅炉温度串级控制方案，主要包括其串级
控制系统的结构、控制特点与控制规律，为实际工作中锅炉温度控制方案的选择
提供了参考。
【关键词】火电厂；锅炉温度；串级控制
引言
随着经济的快速发展，环境污染问题日益严重，节能降耗的需求日益强烈。
电力行业发展中，随着大容量火力发电机组的不断建设，提高机组运行效率和热
经济性也非常迫切。在计算机技术快速发展的今天，很多先进控制技术和方法应
用于锅炉的各种控制中。
目前电厂主蒸汽温度传统串级控制系统中设计有主、副两个PID控制器。
由于主汽温对象具有较大的迟延和惯性，主控制器采用PID控制规律，副控制
器采用PI或P控制规律，接受导前汽温信号和主控制器输出信号。当过热汽温
升高时，主控制器输出减小，副控制器输出增加，减温水量增加，过热汽温下降。
在主、副控制器均具有PI控制规律的情况下，主、副控制器的输入偏差均为零。
因此可以认为主控制器的输出是导前汽温的给定值。
上述传统串级控制系统具有内外回路。内回路由导前汽温变送器、副控制器、
执行器、减温水调节阀及减温器组成；外回路由主汽温对象、汽温变送器、主控
制器及整个内回路组成。内回路相当于以主控制器输出为给定值、以导前汽温为
被调量、以减温器为控制对象组成的一个单回路控制系统。因这一系统的控制对
象迟延和惯性较小，所以它的控制过程是稳定的。当减温水发生扰动或减温器后
的温度发生变化引起导前汽温变化时，系统能及时调整，快速稳定，减小扰动、
特别是减温水扰动对过热汽温的影响；相对于内回路，外回路是一个低速回路，
它的主要任务是维持主汽温等于给定值。主蒸汽温度有着复杂的动态和强耦合特
性。上面所述常规的PID控制仅仅关注控制回路中单个输入输出变量之间的关
系，而无法对强耦合或者次强耦合的输入输出变量之间的关系予以补偿。实际运
行中，出口蒸汽温度不仅受到减温器中减温水量的影响，同时也受燃料流量，空
气流量和蒸汽流量等过程量的影响。所以在回路中需要设计针对可测干扰变量的
前馈控制以减少暂态响应过程中蒸汽温度的变化。
1 锅炉温度串级控制方案
1.1 控制方案的选择
在确定锅炉温度控制方案时，首先要考虑到整个锅炉控制系统的自动化程
度，然后再进行各个分系统控制方案的选择。对于比大型的控制系统，一定要结
合实际工况来进行系统的选择和论证，以避免系统与实际工况不匹配，造成不必
要的损失。
通过对某火电厂实际工作情况的调研和反复的论证来确定一个合理的锅炉
温度控制方案十分重要，在这过程中要选择与确认被控变量﹑操纵变量，初步选
择检测点，并最终绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计等等。
经过综合考虑，本文选择了锅炉温度串级控制方案，串级控制系统主要有如下特
点：
（1）串级控制系统抗内扰能力很强，系统的开环放大系数越大，那么系统
的稳态误差就越小，系统抗干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越
大，这个优点越显著。
（2）串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高
系统的工作频率，当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副调节器都采用比例作
用时，串级控制系统由于改善了对象的特性，从而使整个系统的工作频率比单回
路系统的工作频率有所提高，而且当主、副对象特性一定时，副调节器放大倍数
越大，则工频率越高。当主调节器采用其它调节规律时，上述特点也是适用的。
这一特点说明即使在外扰作用下，由于副回路减小了对象的时间常数，使整个系
统的工频得以提高，因此仍能改善整个系统过渡过程的品质。
（3）串级控制系统具有一定的自适应能力，串级控制系统主回路是一个定
值系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是主调节器的输出，是一个随机变
化的量，主调节器按照被控对象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节
器的给定值，副调节器使系统时间常数缩短能很快克服扰动，改善动态特性，也
就是一种自适应能力。而采用单回路控制统就没有这种随动控制系统的作用。这
种自适应能力可以从系统的稳态偏差上表现出来，串级控制系统的稳态偏差比单
回路控制系统的稳态误差要小得多，就在于前者具有一定的自适应力。
所以该方案选用的是串级控制系统来控制。串级控制系统方块图如下图1
所示：
1.2 控制规律的选择
选择控制规律的原则可归纳为以下几点：
（1）当广义过程控制通道的时间常数大，或多容量引起的容量滞后大时，
采用微分作用有良好效果，积分作用可以消除余差，因此，可选用PID或PD控
制规律，如温度过程，此时若选用PI控制规律则因积分作用有滞后，控制质量
差。
（2）当广义过程控制通道存在纯滞后时，若用微分作用来改善控制质量是
无效的。也就是说，微分作用对克服纯滞后是无能为力的。
（3）当广义过程控制通道的时间常数较小，系统负荷变化也较小时，为了
消除余差，可以采用PI控制规律，如流量过程。
（4）当广义过程控制通道时间常数较小，而负荷变化很大时，这时采用微
分作用和积分作用都易引起振荡。如果控制通道时间常数很小时，可采用反微分
作用来提高控制质量。
（5）当广义过程控制通道的时间常数或时滞很大，而负荷变化又很大时，
简单控制系统无法满足要求，可以设计复杂控制系统来提高控制质量。
由于在控制系统中，主、副调节器的任务不同，对他们各自的选择也应有不
同的考虑。
主调节器的主要任务是确保被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生
产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须
具有积分作用，一般都采用PI调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，
同时又有主要扰动落回在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。
副调节器的任务是要快速动作以消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不
要求误差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复
杂性，在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，
也可以考虑采用PI调节器。
2 结语
本文介绍了火电厂锅炉温度的串级控制方案，串级控制系统是一个自动控制
系统有两个串级控制器通过两个测量元件构成的控制回路，并且一个控制器的输
出作为另一个控制器的给定。串级控制系统比简单的控制系统多了一个测量变送
器和一个控制器，增多的仪表并不多，而控制效果却得到了显著的改变。
参考文献：
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[5]肖隽.锅炉温度串级控制系统.机电工程，2003（4）5.
