【正文】 密級(jí)： NANCHANG UNIVERSITY 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 THESIS OF BACHELOR（2006 —2010 年）題 目 鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 環(huán)境與化學(xué)工程 系 化工 專業(yè)班級(jí)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 南 昌 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文屬于 不保密□。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”）作者簽名： 日期：導(dǎo)師簽名： 日期：南昌大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)號(hào)：5801206025 學(xué)生姓名：魏彩昊 指導(dǎo)教師：楊大勇摘要 溫度是流程工業(yè)中極為常見(jiàn)的熱工參數(shù)，對(duì)它的控制也是過(guò)程控制的一個(gè)重點(diǎn)。由于加熱過(guò)程、加熱裝置特殊結(jié)構(gòu)等具體原因，使得過(guò)程對(duì)象經(jīng)常具有大時(shí)滯、非線性、難以建立精確數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)的PID控制策略對(duì)其進(jìn)行控制，難以取得理想的控制效果，而應(yīng)用數(shù)字PID控制算法能得到較好的控制效果。本文主要闡述了一種改進(jìn)型的加熱爐對(duì)象及其工藝流程，采用了PLC控制裝置設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，使加熱爐的恒溫及點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，從而使加熱爐實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化的控制。此種加熱爐可廣泛應(yīng)用于鋁廠、鋼廠等金屬冶煉、金屬加工行業(yè)以及化工行業(yè)。 此設(shè)計(jì)以工業(yè)中的電加熱爐為原型，以實(shí)驗(yàn)室中的電加熱爐為實(shí)際的被控對(duì)象，采用PID控制算法對(duì)其溫度進(jìn)行控制。提出了一種適合電加熱爐對(duì)象特點(diǎn)的控制算法，并以PLC 為核心，組成電加熱爐自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其控制精度，可靠性，穩(wěn)定性指標(biāo)均遠(yuǎn)高于常規(guī)儀表組成的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：溫度；電加熱爐；PLC；控制系統(tǒng) Control System Design of Boiler ABSTRACTTemperature is a very popular parameter of pyrology in flow industry，so temperature control is an emphases of process some special condition such as heating mechanism and the special structure of heater there are often some features such as long time lag，nonlinearity and difficulties of modeling of targets of 39。s difficult to control very well by traditional PID algorithm，the Digital PID control algorithm can get better control effect.This article described a type of imp roved regenerative heating furnace, whichmakes the temperature invariable and auto ignition using PLC. It can be available inaluminum and steelmill and other metal industry, which can bring obvious economicand social benefits.The industrial design of the prototype electric oven to laboratory electric furnace of the real object, PID control algorithm for temperature paper presents a target for electric furnace characteristics of control algorithms, and PLC as the core to form the furnace adaptive control system. Control accuracy, reliability and stability indicators are much higher than the system which is consisted of the conventional instrument, thedesign uses PID algorithm to control its temperature.Keyword: Temperature；heating furnace；PLC；control system 目錄摘要 IABSTRACT II第一章 緒論 1 1 2 3 3 4第二章 控制方案確定 5 5 電加熱爐控制系統(tǒng)分析: 10 11 溫度流量串級(jí)控制系統(tǒng) 11 液位流量串級(jí)控制系統(tǒng) 11 控制系統(tǒng)主要特色 12第三章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及儀表選型 14 14 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線介紹 14 15 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 恒溫控制系統(tǒng) 16 恒壓控制系統(tǒng) 17第四章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 19 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 19 19 21 22 CC 簡(jiǎn)介 23 24第五章 儀器儀表的選型 25 25 25 26 28 壓力變送器的選型 28 壓力表的選型 29 30 溫度變送器的選型 30 31 32 32 控制柜的選型 33 33 34 34 35 35 35 36 36第六章 總結(jié)和展望 38 設(shè)計(jì)總結(jié) 38 課題展望 39參考文獻(xiàn)（References） 40致謝 4243第一章 緒論我國(guó)的電加熱鍋爐在10多年前問(wèn)世，由于受到當(dāng)時(shí)電力因素的制約，發(fā)展非常緩慢，只有幾個(gè)非鍋爐行業(yè)的廠家在生產(chǎn)。1998年以來(lái)，特別是2000年，電熱鍋爐市場(chǎng)迅速發(fā)展。行業(yè)內(nèi)許多廠家都已經(jīng)或者正在準(zhǔn)備生產(chǎn)電熱鍋爐。由于起步晚 、規(guī)模小,電加熱鍋爐的控制水準(zhǔn)很低，甚至很原始。電加熱鍋爐的控制與燃油（氣）鍋爐的控制有很大的不同[1]：1 電流巨大，屬大電流或超大電流控制；2 沒(méi)有現(xiàn)成的燃燒器及其程控器，鍋爐的加熱過(guò)程和控制品質(zhì)完全由自己決定；3 比燃油（氣）鍋爐的自動(dòng)化程度和蓄熱要求更高，外觀要求也更現(xiàn)代、更美觀。因此，電熱鍋爐控制存在較大難度。1998年我們抓住了市場(chǎng)機(jī)遇，再次把工業(yè)控制技術(shù)應(yīng)用于電加熱鍋爐控制領(lǐng)域 ，把大型電力 負(fù)荷控制的成功經(jīng)驗(yàn)移植到電加熱鍋爐的大電流控制上來(lái)，率先提出了電加熱鍋爐的循環(huán)投切和分段模糊控制的控制模式，較好地解決了電加熱鍋爐控制的理論和實(shí)際問(wèn)題。國(guó)內(nèi)電加熱爐的加熱形式主要有以下兩個(gè)：1 電阻加熱式國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)廠家采用該方式，并選用電阻式管狀電熱元件。電阻加熱方式的電氣特點(diǎn)是鍋水不帶電，但在電加熱元件漏水或爆 裂時(shí)會(huì)使鍋水帶電或稱漏電。另外，受電熱元件絕緣導(dǎo)熱層的絕緣程度的影響，電熱管存在一定的泄漏電流。泄漏電流的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是。該方式在結(jié)構(gòu)上易于疊加組合，控制靈活，更換方便。2 電磁感應(yīng)加熱式該方式的加熱原理是：當(dāng)電流通過(guò)加熱線圈時(shí)，就會(huì)形成電磁場(chǎng),把金屬鍋殼置于電磁場(chǎng)之中，就會(huì)使鍋殼產(chǎn)生渦流，并導(dǎo)致其發(fā)熱，從而完成對(duì)鍋水加熱的目的。其電流愈大，發(fā)熱量愈大。電磁感應(yīng)加熱方式在工業(yè)上的應(yīng)用較早，典型的應(yīng)用就是中頻加熱爐。但是把它應(yīng)用到鍋爐上，確屬首次，很有創(chuàng)意值得關(guān)注 。目前國(guó)內(nèi)只有一家廠家生產(chǎn)這種電熱鍋爐。該方式的優(yōu)點(diǎn)是，與水和鍋爐是非接觸式加熱，因此絕無(wú)漏電的可能性；另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該方式須用可控硅做驅(qū)動(dòng)輸出，因此具有無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；機(jī)械噪聲小，可多級(jí)或無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，使用壽命長(zhǎng)。該方式的缺點(diǎn)是熱效率比電阻加熱方式要稍低，約96%:。這是因?yàn)楹笳呤侵苯优c鍋水接觸加熱，而前者是間接加熱，況且作為功率驅(qū)動(dòng)元件的可控硅元件，其本身也要消耗一定功率。國(guó)內(nèi)電加熱爐控制有四個(gè)發(fā)展階段：第一階段：手動(dòng)控制、溫度儀表顯示處于發(fā)展初期的電加熱鍋爐控制采用溫度儀表顯示溫度，由人工手動(dòng)投切，以達(dá)到逐級(jí)投切和溫度調(diào)節(jié)的目的。還有一種形式是無(wú)論功率多大，均分三個(gè)投切組，二組為手動(dòng)，一組用溫控表控制。第一階段手動(dòng)控制方式自動(dòng)化程度極低，控制效果較差。第二階段：順序控制器或PLC程控器 ，溫度儀表參與控制人們把人工手動(dòng)投切改為用順序控制器或PLC程控器來(lái)完成逐級(jí)投切，使鍋爐控制基本能夠自動(dòng)化。為了解決逐級(jí)投切的自動(dòng)化，廠家在采用PLC作程控器，或開發(fā)了電子順序控制器后，不但可以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)投切自動(dòng)化，還能定時(shí)啟停鍋爐。然而由于仍然使用溫控表來(lái)進(jìn)行全功率的溫度控制，動(dòng)作頻繁，控制效果較差，甚至產(chǎn)生控制振蕩。第三階段：全PLC控制為了滿足市場(chǎng)對(duì)電加熱鍋爐自動(dòng)化的更高要求，有少數(shù)廠家開發(fā)了全PLC控制系統(tǒng)，全PLC控制就是不但使用PLC主機(jī)，還配置了溫度輸入模塊和顯示單元（液晶顯示或觸摸屏顯示），在硬件上組成了完整的控制系統(tǒng) 。通過(guò)廠家編制的控制程序，全PLC控制可以達(dá)到全部電加熱鍋爐的自動(dòng)化要求，并具有良好的人機(jī)界面。它的缺點(diǎn)是成本很高，應(yīng)用面很窄，控制程序的優(yōu)劣直接與編程人員 的專業(yè)水準(zhǔn)相關(guān)，還需要專業(yè)人員去現(xiàn)場(chǎng)改變現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置。第四階段：專用電腦控制用電加熱鍋爐專用電腦取代通用的PLC，更取代溫控表。它具有全PLC控制的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并克服了全plc控制的全部缺點(diǎn)，可產(chǎn)品化，成本低，易與各種電熱鍋爐配套，配備最先進(jìn)和成熟的控制程序，現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)可由一般操作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)置和解決。因此電加熱鍋爐專用電腦控制器已被廣泛采用。電加熱鍋爐加熱的調(diào)節(jié)方式和控制模型：從電氣角度上看，電加熱鍋爐就是一臺(tái)大功率的電力調(diào)功設(shè)備，鍋爐輸出的熱功率越高，電功率的輸出也應(yīng)越大。電功率的輸出調(diào)節(jié)分有級(jí)功率調(diào)節(jié)和無(wú)級(jí)功率調(diào)節(jié)兩種。無(wú)級(jí)功率調(diào)節(jié)用于調(diào)節(jié)精度要求較高的場(chǎng)合，有級(jí)功率調(diào)節(jié)用于調(diào)節(jié)精度要求較低的場(chǎng)合。由于對(duì)鍋爐輸出熱功率的精度要求一般都不很高，因此國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)電加熱鍋爐均采用有級(jí)功率調(diào)節(jié)方式[2]。電功率輸出的元件分為有機(jī)械觸點(diǎn)和無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)兩大類。前者是交流接觸器，后者是可控硅，交流接觸器只能用作有級(jí)功率調(diào)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)是主回路完全電氣隔離，耐過(guò)流和過(guò)壓能力較強(qiáng)、自身耗電小、發(fā)熱量也小、價(jià)格較低，缺點(diǎn)是有機(jī)械動(dòng)作噪聲，觸點(diǎn)壽命較短?？煽毓杩梢杂米鳠o(wú)級(jí)功率調(diào)節(jié)，也可用于有級(jí)功率調(diào)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)機(jī)械動(dòng)作噪聲，觸點(diǎn)壽命較長(zhǎng)，缺點(diǎn)是主回路不能完全關(guān)斷，過(guò)電流和過(guò)電壓能力差，自身耗電較大，需要強(qiáng)制散熱，價(jià)格較高。因此國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)電加熱鍋爐采用交流接觸器作電功率輸出元件。而中頻感應(yīng)加熱鍋爐因?yàn)殡娐返男枰?，必須用可控硅作電功率輸出元件。另外小功率家用鍋爐也適合用可控硅元件。 本設(shè)計(jì)基于PCTⅢ型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置中的電加熱爐被控對(duì)象，要求從工程的角度完成電加熱爐的PLC系統(tǒng)的自控專業(yè)施工圖設(shè)計(jì)，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程和方法。已知：流體介質(zhì)為水，相關(guān)數(shù)據(jù)：閥前壓力；壓降；溫度t = 20176。C；液體體積流量；管道直徑 。具體內(nèi)容及要求如下：1. 熟悉電加熱爐的工藝流程，掌握溫度、流量、液位等被控對(duì)象的特性；2. 完成控制對(duì)象的數(shù)學(xué)建模及控制系統(tǒng)仿真，確定控制方案，優(yōu)先采用流量變比值控制系統(tǒng)或串級(jí)控制系統(tǒng)；3. 采用PLC作為控制元件，并根據(jù)已知條件，進(jìn)行相關(guān)儀器儀表的計(jì)算與選型；4. 繪制自控專業(yè)部分施工圖圖紙，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法[6]。大中型PLC都有PID 模塊，目前許多小型PLC 也具有此功能模塊。PID 處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過(guò)程控制