基于仪表的锅炉温度控制系统设计

第1章绪论1.1 锅炉温度控制系统现状锅炉在现代生活中起着不可估量的作用，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，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。

其优越性主要在于：首先，通过对锅炉加热过程进行有效控制，使加热在合理的条件下进行，可以提高加热效率。

其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面使运行参数在CRT 上的集中监测，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。

随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业锅炉的微机控制必将得到更加广泛的应用。

为此，生产过程的各个主要参数必须严格控制。

锅炉设备是一个多输入、多输出的复杂控制对象，这些输入变量与输出变量之间是相互关联的。

如果蒸汽负荷发生变化，必将引起汽包水位、蒸汽压力和蒸汽温度等的变化，不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、蒸汽温度、炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、蒸汽温度等亦有影响；所以锅炉设备是多输入，多输出且相互关联的控制对象。

1.2 锅炉自动控制的发展历程锅炉是一个比较复杂的工业设备，有几十个测量参数、控制参数和扰动参数，它们之问相互作用，相互影响，存在明显的或不明显的复杂因果关系，而且测控参数也经常变化，存在一定的非线性特性，这一切都给锅炉的控制增加了难度。

锅炉控制技术的发展经历了四个历史阶段：1.纯手动阶段在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经验决定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。

这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。

2.自动化单元组合仪表控制阶段随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。

60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉的自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。

但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。

3.采用微机测控阶段随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单板机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我固的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。

运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统同时得到重视。

80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机测控系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。

4.分散控制阶段分散控制系统(DCS)称集成控制系统，其本质是采用分散控制和集中管理的设计思想，分而自治和综合协调的设计，采用层次化的体系结构，从下到上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。

DCS是以多台DDC计算机为基础，集分散型控制系统。

目前分散控制系统大多采用可编程控制器(PLC)进行系统设计，工控机机PLC 的组合，不但系统体积小、可靠性高，而且造价较低，得到了广大用户的青睐。

第2章控制系统的设计及设备安装本次设计的锅炉温度控制系统采用集散型控制系统结构，将锅炉控制与数据采集任务放在各个现场控制单元，而数据显示和管理等功能则由上位计算机操作站完成，当上位监视计算机系统故障或没有使用时，现场各控制单元设备还可以继续工作，对整个工艺过程没有影响。

2.1 组态软件介绍“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（Distributed Control System,简称DCS）的出现，才被广大的过程自动化技术人员所熟悉的。

在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。

这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的成本；PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。

在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。

组态的概念最早来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特殊任务、满足用户要求的目的。

监控组态软件是面向监控与数据采集（SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。

监控组态软件最早出现时，HMI或MMI是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。

随着其快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为主要内容。

随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。

目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能：比如，几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；都提供多种数据驱动程序；都使用脚本语言提供二次开发的功能，等等。

但是，从技术上说，各种组态软件提供实现这些功能的方法却各不相同。

从这些不同之处，以及PC技术发展的趋势，可以看出组态软件未来发展的方向。

大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。

然而，在这种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接口规范编写，这为用户提出了过高的要求。

由OPC基金组织提出的OPC规范基于微软的OLE/DCOM技术，提供了在分布式系统下，软件组件交互和共享数据的完整的解决方案。

在支持OPC的系统中，数据的提供者作为服务器（Server），数据请求者作为客户（Client），服务器和客户之间通过DCOM接口进行通信，而无需知道对方内部实现的细节。

随着以工业PC为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员的使用组态软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面，而是要考虑一些实质性的应用功能，如软件PLC，先进过程控制策略等。

随着企业提出的高柔性、高效益的要求，以经典控制理论为基础的控制方案已经不能适应，以多变量预测控制为代表的先进控制策略的提出和成功应用之后，先进过程控制受到了过程工业界的普遍关注。

先进过程控制（Advanced Process Control，APC）是指一类在动态环境中，基于模型、充分借助计算机能力，为工厂获得最大理论而实施的运行和控制策略。

先进控制策略主要有：双重控制及阀位控制、纯滞后补偿控制、解耦控制、自适应控制、差拍控制、状态反馈控制、多变量预测控制、推理控制及软测量技术、智能控制（专家控制、模糊控制和神经网络控制）等，尤其智能控制已成为开发和应用的热点。

目前，国内许多大企业纷纷投资，在装置自动化系统中实施先进控制。

国外许多控制软件公司和DCS厂商都在竞相开发先进控制和优化控制的工程软件包。

据资料报道，一个乙烯装置投资163万美元实施先进控制，完成后预期可获得效益600万美元/年。

从上可以看出能嵌入先进控制和优化控制策略的组态软件必将受到用户的极大欢迎。

2.2 智能仪表概述微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。

智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。

随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高，例如深圳科立恒公司的智能仪表，不但能完成多种物理量的精确显示，同时可以带变送输出、继电器控制输出、通讯、数据保持等多种功能。

智能式仪表是以微处理器为中央控制单元,能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能,并可与外界通讯的仪器仪表。

与其他常规仪表相比，有以下几个优点：a.先进的微机技术,高性能的集成芯片,功能强大,性能优越。

b.可靠性高,稳定性好,长期工作维护量小。

c.可采用LCD显示,清晰直观,读数方便。

d.适用范围广,使用灵活:可选择不同的测量值和输出值;可在线修改参数,流量小信号切除、失败模式电流输出等功能;具有内部计算、数据存储、自诊断、自校验等多种功能。

e.具有大量的非控制性信息管理信息 ,可供用户参考。

2.3 实验设备的使用以及连线说明实验系统流程图如下所示：图2-1 锅炉温度控制实验流程图1.本次试验所用到的设备按图2-2接好实验导线和通讯线。

图2-2 锅炉温度控制实验接线图2.将手动阀门1V10、1V3打开，其余阀门全部关闭。

3.先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台的总电源，再打开仪表控制单元电源。

4.在控制板上打开水泵1开关，待水标内水位超过总高度的2/3，打开V3，手动调节1V3，V3，使水标高度基本不变。

其他阀门关闭。

5.打开计算机上的PCS-E-仪表 MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。

如图2-3所示：图 2-3 登陆界面示意图6.选择单回路控制实验的锅炉温度控制实验。

7.选择计算机控制方式。

8.按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。

Ts=1 （参考值）SV=30 （参考值）Kc=20 （参考值）Ti=150 （参考值）Td=0 （参考值）9.在信号板上打开加热信号输入、温度信号输出。

第3章控制原理锅炉温度控制系统主要包括水温控制回路、给水控制回路等，系统中主要对给水、水温等主要参数进行调节控制。

如图3-1所示：图 3-1 设置界面系统中主要采用的PID算法为双相积分的PID智能控制算法。

3.1 水温控制回路通过调节锅炉内水的温度与设定值的差值来调节锅炉的出水温度。