锅炉温度串级控制系统

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：

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2011年06月08日

目录

摘要 (2)

1系统简介 (2)

1.1 控制方式的确定 (3)

1.2 检测元件和执行机构的选择 (4)

1.2.1 检测元件的选择 (4)

1.2.2 执行机构的选择 (4)

1.2.3 微型计算机的选择 (4)

1.2.4 输入输出通道及外围设备的选择 (6)

2设计方案及仪表选型

2.1系统控制硬件的设计

2.1.1系统的原理框图.

2.1.2 温度检测电路单元 (7)

2.1.3 执行器的选择 (14)

2.1.4 控制系统仪表配接图及说明

2.1.5 仪表型号清单

2.2 系统控制的软件设计

3系统仿真的实现

4设计总结

参考文献 (20)

摘要

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。

1、系统简述

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和产量。现代锅炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为锅炉的自动化提供了有利条件。锅炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，锅炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。实现锅炉自动化能够提高锅炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。

锅炉是工业企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽或热水，以满足负荷的需要。锅炉设备是一个复杂的控制对象，燃气燃油锅炉主要输入变量包括负荷、给水、燃料量、送风和引风量等，主要调节变量包括水位、温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等；电加热锅炉主要输入变量包括负荷、锅炉给水和电阻丝电压等，主要调节变量包括水位和温度等。锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。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[3] 。

在生产过程控制中，一些复杂环节，往往需要进行串级控制。即把两个控制

器串联起来，第一个控制器的设定值是控制目标，它的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，第二个控制器的输出作为串级控制系统的输出，送到被控系统，作为它的控制“动作”。控制系统的这种串级形式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。串级控制对克服被控系统的时滞之所以能收到好的效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时,每个控制器克服时滞的负担相对减小,这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。

在锅炉自动控制系统中，除了应用基于反馈控制原理而设计的各种调节器系统以外，计算机技术的应用也越来越普及。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[4] 。

本设计以电加热锅炉为被控对象，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，以加热炉电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统，实现锅炉水温的定值控制。

1.1 控制方式的确定

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。

而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 [5] 。

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。

1.2检测元件和执行机构的选择

1.2.1检测元件的选择

检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。被检测参数性质的不同，准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能要求的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。检测、变送器选择的几个基本原则如下 [6] ：

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。

本系统需要两个温度传感器，一个安装在炉膛内；另一个安装在出口处。根据测量精度和测量范围等要求，选用铂热电阻pt100为温度传感器，选择JCJ100G 为温度变送器。

1.2.2 执行机构的选择

由于本次设计选用的是电阻丝加热炉，属于电加热形式，应该选择温度控制器作为执行机构，选用对应的MJYD-JL-20型单相交流模块。

PLC控制器输出的数字量经过D/A转换成温度控制器可识别的模拟电压信号

后，根据不同的电流值，MJYD-JL-20型单相交流模块输出相应的电压值从而控制电阻丝两端的电压值，达到调节温度的目的。

1.2.3微型计算机的选择

工业中常用的控制器有工业控制计算机、单片机和可编程控制器等。与其它几种控制器相比较，可编程控制器是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器，是专为工业环境应用而设计的。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制，比如，将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元器件作为输入信号，输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程的存储器，在其内部存储，执行逻辑运算，顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程实现自动化。工业控制采用PLC，显示了突出的优越性，因它可对用户提出的生产控制要求和意见，能方便地在现场进行程序修改和调试，使系统的灵活性大大增强。内部的软继电器使系统在控制中能严格地起到互锁作用，增加了系统的可靠性，简化设备，维修方便。而且，随着PLC 的发展，在硬件、软件方面都会有更先进的计数出现。针对系统的特点，分析各控制器的优缺点，采用PLC作为本次设计的控制器。具体比较如下[7] ：首先，PLC和PC控制相比,具有以下优点：

(1)对低端应用,PLC具有极大的性能价格比优势.工控机的价格较高,将它用于小型开关量控制系统以取代继电器控制,无论是在体积和价格上都很难接受,可靠性也远不如PLC。

(2)PLC的可靠性无可比拟,故障停机时间最少.基本WindowsNT/2000/XP操作系统的IPC控制系统,在实时任务处理,长期稳定运行,抗病毒和恶意攻击等方面还存在较大的问题.IPC控制系统在可靠性和安全性等方面还未获得广泛的认同。

(3)PLC是专为工厂现场应用环境设计的,结构上采取整体密封或插件组合型,对印制板,电源,机架,插座的制造和安装,均采取了严密的措施。

(4)PLC是使用专门为工业设计的编程语言,这些语言简单易学.工控机如果用VB,VC等语言来编程,需要花更多时间来学习,编程的效率也没有PLC高.如果使用Windows操作系统，其稳定性远远不如PLC,时间控制精度也较差。

(5)与PC机发展太快相比,PLC产品可以长期供货,并提供长期的技术支持。

(6)PLC有庞大的有经验的设计人员,维护人员和技术支持系统。

其次，与单片机相比，具有以下优点：

1.由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。

2.编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。

3.抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。

4.有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。

再次，目前在张力、速度、液位特别是温度等过程控制中，经常使用温控器等专用控制器或用户自制设备。这些控制器虽然使用和设置比较简单且控制针对性强，但是用途比较单一，控制范围有限，同时用户自身的经验技巧不易应用到其中。近年来，随着技术的发展，PLC的处理速度越来越快，功能也越来越丰富。因此，采用PLC进行PID控制可以逐渐取代一些传统的控制手段。就以温度为例，可以比较出采用PLC的优点。通常所使用的温度控制器适用于单纯的单回路温度控制，而PLC可以实现多回路的整体控制，相比主要有以下的特点：在多点加热时，可以错开加热导通时序，避免同时导通引起的大电流;在控制过程中可以自由简便地修改设定值及其它参数；可以定时自动执行所需的控制曲线；可以使用相位控制，降低冲击电流、峰值电流，减少加热器频繁冷热变化引起的热压力；可以同时控制系统或机械中的其它动作；可以实现多种报警功能等等。

最初的PLC主要是用于取代继电器进行顺序控制，其后又逐步扩充了数值运算、模拟量、电机控制、网络通信。从发展趋势看，PID控制特别是温度控制将是今后PLC应有的功能。

综上，针对系统的工艺机构及要求，最后选择了小型机CPM2A系列PLC，具体型号为CPM2A-40CDR-A，I/O点数为40，使用电源类型为AC，输出方式为继电器输出型。

1.2.4输入输出通道及外围设备的选择

根据锅炉的控制、监视和管理的要求，选择输入输出通道的配置并配备所需要的外围设备如下：

输入通道：Pt100温度传感器→JCJ100G铂电阻温度变送器→MAD02→

CPM2A-40CDR-A

输出通道：CPM2A-40CDR→MAD02→MJYD-JL-20型单相交流模块

。

2、2设计方案及仪表选型

2.1系统控制硬件的设计

2.1.1系统的原理框图.

系统原理框图如图2-1所示，工作原理如下：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。

本系统是以CPM2A-40CDR-A为核心的温度串级控制系统的设计,在设计中采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

2.1.2温度检测电路单元.

（1）检测器件的选择

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。它

的物理、化学性能稳定，容易得到纯净物质，而且电阻-温度特性复制性很强。

因此，可以制作-50℃以下、100℃以上的工业用热电阻。它的缺点是价格昂贵。

铂在0℃以上，其电阻与温度的关系近似于直线，а0=3.9×10-3/℃，ρ=0.1

Ω.mm2 /m。在-200℃～0℃范围内电阻-温度的特性为[14]

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t5]

(2-1)

在0℃～650℃范围内电阻-温度的特性为

Rt=R0[1+At+Bt2]

（2-2）

式中，A、B、C为常系数。

铂电阻兼具热电偶和热敏电阻两种技术优点，而又克服其缺点。铂热电阻温

度传感器RTD具有稳定性好、温度范围宽、抗震动、抗冲击等优点，在温度检测

系统中应用广泛。铂电阻RTD在0～850℃范围内，其温度与阻抗的关系为

Rt=R0 (1+at+bt2) （2-3）

式中常数a=3.90802×10-3℃1-，b=-5.80195×10-7℃2-；Rt是t℃时RTD传感

器的直流电阻值；R。=100Ω。从上式可以看到，式中存在的二次项bt2，导致了RTD电阻值随温度的变化呈非

线性关系，影响着温度检测的精度。在0～850℃温度范围内，非线性大约为2.7%。

为了对铂电阻进行线性校正，并提高温度信号的远距离传输能力，研制线性化的铂电阻变送器具有重要的实用价值。可以采用一种利用负电阻校正铂电阻非线性的4～20mA变送器。

根据测温范围（0～1000C）及设计所要求的精度（0.2%FS），采用的温度变送器件为JCJ100G温度变送器。

（1）产品简介

JCJ100G温度变送器将热电阻（热偶）所测的温度变化通过电路处理，经信号放大后转化成标准的电压或电流信号。信号可以供给指示、记录仪、模拟调节器、DCS系统，广泛用于工业生产过程检测与控制系统。信号输出一般采用两线制电流，其具有以下优点：

①二线制输出4～20mA，抗干扰能力强；

②节省补偿导线及安装温度变送器费用；

③测量范围大；使用率高，标准级输出信号；

④冷端温度自动补偿，非线性校正电路。

（3）JCJ100G接线示意图：

图2-1 JCJ100G接线示意图

技术参数：