毕业设计-电加热炉控制系统设计
密级：
NANCHANG UNIVERSITY
学士学位论文
THESIS OF BACHELOR
（2006 —2010 年）
题目锅炉控制系统的设计
学院：环境与化学工程系化工
专业班级：测控技术与仪器
学生姓名：魏彩昊学号：5801206025
指导教师：杨大勇职称：讲师
起讫日期：2010-3至2010-6
南昌大学
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
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锅炉控制系统设计
专业：测控技术与仪器学号：5801206025
学生姓名：魏彩昊指导教师：杨大勇
摘要
温度是流程工业中极为常见的热工参数，对它的控制也是过程控制的一个重点。由于加热过程、加热装置特殊结构等具体原因，使得过程对象经常具有大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点，利用传统的PID控制策略对其进行控制，难以取得理想的控制效果，而应用数字PID控制算法能得到较好的控制效果。
本文主要阐述了一种改进型的加热炉对象及其工艺流程，采用了PLC控制装置设计了控制系统，使加热炉的恒温及点火实现了自动控制，从而使加热炉实现了全自动化的控制。此种加热炉可广泛应用于铝厂、钢厂等金属冶炼、金属加工行业以及化工行业。
此设计以工业中的电加热炉为原型，以实验室中的电加热炉为实际的被控对象，采用PID控制算法对其温度进行控制。提出了一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以PLC 为核心，组成电加热炉自适应控制系统，其控制精度，可靠性，稳定性指标均远高于常规仪表组成的系统。
关键词：温度；电加热炉；PLC；控制系统
Control System Design of Boiler
ABSTRACT
Temperature is a very popular parameter of pyrology in flow industry，so temperature control is an emphases of process control.Considering 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 process.It'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, which makes the temperature invariable and auto ignition using PLC. It can be available in aluminum and steelmill and other metal industry, which can bring obvious economic and social benefits.
The industrial design of the prototype electric oven to laboratory electric furnace of the real object, PID control algorithm for temperature control.The 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
目录
摘要.................................................................................................................................I ABSTRACT.................................................................................................................. II 第一章绪论 (1)
1.1选题的背景及意义 (1)
1.2加热炉控制研究现状 (2)
1.3本设计的主要工作及技术路线 (3)
1.3.1主要工作 (3)
1.3.2本论文的技术路线 (4)
第二章控制方案确定 (5)
2.1控制对象的数学模型及仿真 (5)
2.2 电加热炉控制系统分析: (10)
2.3控制系统的控制过程 (11)
2.3.1 温度--流量串级控制系统 (11)
2.3.2 液位-流量串级控制系统 (11)
2.4 控制系统主要特色 (12)
第三章PLC 控制系统硬件设计及仪表选型 (14)
3.1系统特性分析 (14)
3.2 PROFIBUS 现场总线介绍 (14)
3.3电加热炉PLC系统结构 (15)
3.4 PLC控制系统设计 (16)
3.4.1 恒温控制系统 (16)
3.4.2 恒压控制系统 (17)
第四章控制系统的软件设计 (20)
4.1 下位机软件设计 (20)
4.1.1Step-7简介 (20)
4.1.2下位机软件设计流程图 (22)
4.2上位机软件设计 (22)
4.2.1Win CC 简介 (23)
4.2.2监控系统的设计 (24)
第五章仪器仪表的选型 (26)
5.1现场仪表的选型 (26)
5.1.1控制阀的选型 (26)
5.1.2节流装置的计算 (27)
5.1.3电气阀门的定位器 (28)
5.1.4 压力变送器的选型 (29)
5.1.5 压力表的选型 (30)
5.1.6流量计的选择 (30)
5.1.7 温度变送器的选型 (31)
5.1.8浮子液位计的选型 (32)
5.2控制室仪表选型 (33)
5.2.1PLC的选型 (33)
5.2.2 控制柜的选型 (33)
5.2.3安全栅的选型 (34)
5.2.4供电箱的选型 (34)
5.2.5智能调节器的选型 (35)
5.3其他仪器的选型 (36)
5.3.1水箱的选型 (36)
5.3.2水泵的选型 (36)
5.3.4接线箱的选型 (37)
5.3.5三相调压模块的选型 (37)
第六章总结和展望 (38)
6.1 设计总结 (38)
6.2 课题展望 (39)
参考文献（References） (40)
致谢 (42)
第一章绪论
1.1选题的背景及意义
我国的电加热锅炉在10多年前问世，由于受到当时电力因素的制约，发展非常缓慢，只有几个非锅炉行业的厂家在生产。1998年以来，特别是2000年，电热锅炉市场迅速发展。行业内许多厂家都已经或者正在准备生产电热锅炉。由于起步晚、规模小,电加热锅炉的控制水准很低，甚至很原始。电加热锅炉的控制与燃油（气）锅炉的控制有很大的不同[1]：
1 电流巨大，属大电流或超大电流控制；
2 没有现成的燃烧器及其程控器，锅炉的加热过程和控制品质完全由自己决定；
3 比燃油（气）锅炉的自动化程度和蓄热要求更高，外观要求也更现代、更美观。
因此，电热锅炉控制存在较大难度。1998年我们抓住了市场机遇，再次把工业控制技术应用于电加热锅炉控制领域，把大型电力负荷控制的成功经验移植到电加热锅炉的大电流控制上来，率先提出了电加热锅炉的循环投切和分段模糊控制的控制模式，较好地解决了电加热锅炉控制的理论和实际问题。
国内电加热炉的加热形式主要有以下两个：
1 电阻加热式
国内绝大多数厂家采用该方式，并选用电阻式管状电热元件。电阻加热方式的电气特点是锅水不带电，但在电加热元件漏水或爆裂时会使锅水带电或称漏电。另外，受电热元件绝缘导热层的绝缘程度的影响，电热管存在一定的泄漏电流。泄漏电流的国家标准是<0.5ma。该方式在结构上易于叠加组合，控制灵活，更换方便。
2 电磁感应加热式
该方式的加热原理是：当电流通过加热线圈时，就会形成电磁场,把金属锅壳置于电磁场之中，就会使锅壳产生涡流，并导致其发热，从而完成对锅水加热的目的。其电流愈大，发热量愈大。电磁感应加热方式在工业上的应用较早，典型的应用就是中频加热炉。但是把它应用到锅炉上，确属首次，很有创意值得关注。目前国内只有一家厂家生产这种电热锅炉。
该方式的优点是，与水和锅炉是非接触式加热，因此绝无漏电的可能性；另一个优点是该方式须用可控硅做驱动输出，因此具有无触点开关的独特优势；机
械噪声小，可多级或无级调节，使用寿命长。
该方式的缺点是热效率比电阻加热方式要稍低，约96%:。这是因为后者是直接与锅水接触加热，而前者是间接加热，况且作为功率驱动元件的可控硅元件，其本身也要消耗一定功率。
1.2加热炉控制研究现状
国内电加热炉控制有四个发展阶段：
第一阶段：手动控制、温度仪表显示
处于发展初期的电加热锅炉控制采用温度仪表显示温度，由人工手动投切，以达到逐级投切和温度调节的目的。还有一种形式是无论功率多大，均分三个投切组，二组为手动，一组用温控表控制。第一阶段手动控制方式自动化程度极低，控制效果较差。
第二阶段：顺序控制器或PLC程控器，温度仪表参与控制
人们把人工手动投切改为用顺序控制器或PLC程控器来完成逐级投切，使锅炉控制基本能够自动化。为了解决逐级投切的自动化，厂家在采用PLC作程控器，或开发了电子顺序控制器后，不但可以实现逐级投切自动化，还能定时启停锅炉。然而由于仍然使用温控表来进行全功率的温度控制，动作频繁，控制效果较差，甚至产生控制振荡。
第三阶段：全PLC控制
为了满足市场对电加热锅炉自动化的更高要求，有少数厂家开发了全PLC 控制系统，全PLC控制就是不但使用PLC主机，还配置了温度输入模块和显示单元（液晶显示或触摸屏显示），在硬件上组成了完整的控制系统。通过厂家编制的控制程序，全PLC控制可以达到全部电加热锅炉的自动化要求，并具有良好的人机界面。它的缺点是成本很高，应用面很窄，控制程序的优劣直接与编程人员的专业水准相关，还需要专业人员去现场改变现场设置。
第四阶段：专用电脑控制
用电加热锅炉专用电脑取代通用的PLC，更取代温控表。它具有全PLC控制的全部优点，并克服了全plc控制的全部缺点，可产品化，成本低，易与各种电热锅炉配套，配备最先进和成熟的控制程序，现场参数可由一般操作人员在现场进行设置和解决。因此电加热锅炉专用电脑控制器已被广泛采用。
电加热锅炉加热的调节方式和控制模型：
从电气角度上看，电加热锅炉就是一台大功率的电力调功设备，锅炉输出的热功率越高，电功率的输出也应越大。
电功率的输出调节分有级功率调节和无级功率调节两种。无级功率调节用于调节精度要求较高的场合，有级功率调节用于调节精度要求较低的场合。由于对锅炉输出热功率的精度要求一般都不很高，因此国内绝大多数电加热锅炉均采用有级功率调节方式[2]。电功率输出的元件分为有机械触点和无机械触点两大类。前者是交流接触器，后者是可控硅，交流接触器只能用作有级功率调节，优点是主回路完全电气隔离，耐过流和过压能力较强、自身耗电小、发热量也小、价格较低，缺点是有机械动作噪声，触点寿命较短。可控硅可以用作无级功率调节，也可用于有级功率调节，优点是无机械动作噪声，触点寿命较长，缺点是主回路不能完全关断，过电流和过电压能力差，自身耗电较大，需要强制散热，价格较高。因此国内绝大多数电加热锅炉采用交流接触器作电功率输出元件。而中频感应加热锅炉因为电路的需要，必须用可控硅作电功率输出元件。另外小功率家用锅炉也适合用可控硅元件。
1.3本设计的主要工作及技术路线
1.3.1主要工作
本设计基于PCT-Ⅲ型过程控制实验装置中的电加热炉被控对象，要求从工 程的角度完成电加热炉的PLC 系统的自控专业施工图设计，通过本次设计，掌 握控制系统设计的流程和方法。
已知：流体介质为水，相关数据：阀前压力1p 250K Pa =；压降p 200Kpa ?=； 温度t = 20°C ；液体体积流量3L Q 6m h =；管道直径12D =D =15m m 。具体内
容及要求如下：
1. 熟悉电加热炉的工艺流程，掌握温度、流量、液位等被控对象的特性；
2. 完成控制对象的数学建模及控制系统仿真，确定控制方案，优先采用流 量变比值控制系统或串级控制系统；
3. 采用PLC 作为控制元件，并根据已知条件，进行相关仪器仪表的计算与 选型；
4. 绘制自控专业部分施工图图纸，完成毕业设计报告。
1.3.2本论文的技术路线
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法[6]。大中型PLC都有PID 模块，目前许多小型PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。本文研究的是电加热炉PLC 控制系统的总体方案，从技术上分析、研究设备的控制系统、温度控制器、加热用发热元件等的选择和确定。
本文提出一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以PLC 为核心，组成电加热炉自适应控制系统，其控制精度，可靠性，稳定性指标均远高于常规仪表组成的系统。为满足提高恒温控制精度的实际需要，针对温控过程的动态特点，由PLC进行非线性计算，采用变参数(占空比）方式动态控制加热电功率，使控制系统具有自整定和自适应能力，达到了快速实现较高精度温度控制的目的。系统设计时考虑了不同控制温度对热电偶的要求，考虑了不同电加热功率对可控硅的要求，也考虑了PLC的通用接口，因此系统具有较好的通用性。
第二章控制方案确定
2.1控制对象的数学模型及仿真
在控制系统的分析和设计中首先要建立数学模型[1]。而建立控制系统数学模型的方法主要有两种：机理分析法和实验辨识法。机理分析法是通过对系统内部运动机理的分析，根据系统中的物理或化学变化规律（比如三大守恒定律等），在合理的近似后推导出系统特性方程。实验辨识法一般是根据经验假定模型的结构，然后对实际系统施加某种典型的测试信号，如阶跃信号，通过对系统的输出数据的处理来确定模型参数。本文主要采用机理分析法来建立数学模型，如下图所示。
图 2.1 数学模型
加热炉内水温为被控对象，循环冷却水的流量为操纵变量。根据非稳态下的热平衡方程可得到：
Q= UA（T -T a）+MC d T d T
Q-发热量，
U-总传热系数，
A-传热面积，
Ta-冷却水平均温度，T-加热炉内水温，
M-炉内水的质量，
C-水的比热容
把式2-1 整理成一阶时滞模型的形式，即
M C dT
Q T +T a U A dT
U A =+ M C
U A τ=
由稳态热平衡方程，利用对数平均温差的关系式： ()()()()U A T -T i T -T o T -T i Q =FC ln T -T o ln T -T i T -T o -????=????
F —冷却水流量，
Ti —冷却水入口温度
To —冷却水出口温度
T -T i
U A =FC ln T -T o
()FTi FcTc+F-Fc To =
()Fc
T i=T o-T o-T c F
()Q=FcCc To-Tc
()dT
+T =K oF t-o dt ττ 将上式进行拉氏变换，得到了过程传递函数为：
()()
()-oS T s K o
G o S ==e F s s 1ττ+
选择锅炉的高为和h=400mm ，直径D=200mm ，则传热面积A=0.5024㎡ 体积 V=0.02933m 。冷却水入口温度T i =20℃，冷却水出口温度T o =50℃。
带入已知参数如下：
水的比热容：C = 4.1868 3-1-110J K g K ???
水的传热系数：U =0.6W/mK 水的密度：31000kg m ρ=
炉内水的质量：2D
M =V =(
)h=75.36kg 2ρρπ 3M C
4.186810==100=407.05AU
600τ?? 3C
4.186810
Ko===13.89UA 6000.16 3.14??*
30K o 13.89
G (s)=s+14071tos s e e s τ--=+
根据以上数学模型，在MATLAB 中进行仿真[7]。首先创建M 文件，输入Matlab 仿真程序：
clc ；
clear ；
sysl=tf （13.89,[407,1],’ioDelay ’,30）；
step （sys1）
图2.2 在matab 中输入仿真程序
然后保存并且运行，可加热炉以得到对象的响应曲线为下图所示。
图2.3 加热炉温度对象开环阶跃响应曲线
根据以上数学模型，打开Matlab中的Simulink模块，选用数字PID控制，完成各组件连接。
图2.4 单闭环控制回路
采用工程整定经验法[10]，设置PID的三个参数，如下图
图2.5 PID三个参数
阶跃响应闭环控制效果图如下
图2.6 PID 控制阶跃响应曲线（工程整定经验法）
由上述仿真图可看出，采用数字PID控制对电加热炉温度对象进行闭环单回路控制滞后较大，控制效果不是非常理想，故考虑对其进行串级控制。
2.2 电加热炉控制系统分析:
电加热炉的复杂性及控制的困难性主要表现在以下几个方面[14]：
1．非线性。严格地说，所有的工业过程都存在非线性，只是非线性的程度不同而己。当系统的非线性不很严重时，可用线性系统来近似，这在工程上是可以接受的。但是对于存在严重非线性环节的系统，采用线性化的处理方法常会产生很大的偏差，甚至会得出完全相反的结论。线性系统的分析设计有着比较完善和系统的理论方法，而非线性系统的研究虽然取得了一些新成果，但非线性理论远非完善，有很多问题尚待研究。
2．大时滞特性。在电加热炉的过程控制中，存在着时间纯滞后与容量滞后。
时滞的存在给系统的稳定性带来了不利的影响，调节作用的不及时会导致调节系统的动态品质变差，甚至出现发散振荡。因而时滞对象被认为是最难控制的对象之一。从50 年代末以来，在时滞控制方面先后出现了基于模型的方法(如Smith预估控制、最优控制、滑模变结构控制等)和无模型的方法两大类，然而对于时滞系统的模型不确定性和干扰的不可知性，非参数模型显得更为有效，开发设计出各种智能控制方法或以不同的方式结合在一起，将是解决工业大时滞过程的有效途径汇。
3．变参数及强耦合特性。在电加热炉的控制过程中，包含了较多的过程变量，而且这些变量之间又常以各种形式相互关联着，任何一个变量的变化往往可能引起其他的变量发生变化，使系统的控制难以达到满意的指标。目前，许多单变量控制系统所以能正常工作，是因为在某些情况下变量之间的耦合程度不高。在变量间的关联比较紧密的情况下，不能简单地将系统分为若干个单变量系统进行分析和设计，否则不但得不到满意的控制效果，甚至得小到稳定的控制过程。所以，如何在电加热炉控制过程具有复杂特性的情况下，找到合理、有效的控制方式解决过程控制的难题，是非常重要的。加热炉控制系统包括温度控制系统、液位控制系统、流量控制系统和压力控制系统四大部分组成。本方案采用西门子S7-300系列PLC进行信号的采集、分析以及输出控制。S7-300 适用于各行各业的检测，检测以及控制的自动化，同时具有极高的可靠性、丰富的指令集和内置的集成功能、强大的通信能力和丰富的扩展模块。本系统由PLC进行核心控制，控制程序根据控制状态的变化采用PID 算法，使系统的控制精度大幅度提高。本文提出一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以PLC 为核心，组成加热炉自适应控制系统，其控制精度，可靠性，稳定性指标均远高于常规仪表组成的系统。
2.3控制系统的控制过程
2.3.1温度--流量串级控制系统
图2.7 温度流量串级控制系统
该系统为温度流量串级控制系统，当冷却水流量变大时，流量变送器的输出增大，从而使流量控制阀的开度减小，使输出流量减小。在流量增大的同时，锅炉的出口温度随着降低，使温度控制器的输出减小，从而使差值减小，又使控制阀的开度增大，也使锅炉的出口温度降低，两者共同作用，保持锅炉出口温度的稳定。
2.3.2 液位-流量串级控制系统
图2.8 液位流量串级控制系统
该系统为液位流量串级控制系统，当流量变大时，流量变送器的输出增大，从而使控制阀的开度减小，使输出流量减小。在流量增大的同时，锅炉的液位随着降低，使液位控制器的输出减小，从而使差值减小，又使控制阀的开度增大，同时使锅炉的液位升高，两者共同作用，保持锅炉液位的稳定。
2.4 控制系统主要特色
1 串级控制系统在工业控制系统中[5]：
1）用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。
2）用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。
3）用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动
串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。
4）用于克服被控过程的非线性
在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。
2 串级控制系统的工作过程
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
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。
3 系统特点及分析[12]
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
第三章PLC 控制系统硬件设计及仪表选型
3.1系统特性分析
准确生成有效的炉温监测信号是提高恒温控制精度的前提。通常加热炉采用热电偶进行炉温测量，生成毫伏级的的电压信号。本控制系统能将该信号进行虑波处理和调整放大，准确生成炉温监测的线性控制信号，以保证炉温的精确控制。
由于热惯性的存在，使得炉温控制过程在电加热功率与控制温度之间具有纯滞后量大（炉温滞后于加热功率）和非线性的特点[15]。另外由于对流和辐射引起的热量散失、加减炉料引起的温度变化和电源波动等因素的影响，使得控制参数随时间变化，其控制过程很难用数学模型表达。因此本控制系统能连续监测控制过程状态，根据控制过程动态特性及时测定过程偏差并自动整定控制参数，以实现温度的准确控制。为使控制系统具有通用性，本系统加热电阻可使用单相和三相负载，可控硅可选用多种加热功率，PLC和现场的输入输出有通用的接口。为适应各种场合和不同控制温度的要求，控制系统能使用K、B、J等不同型号的热电偶。
3.2 PROFIBUS现场总线介绍
现场总线（Fieldbus）是用于过程自动化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场设备互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成[14]。
其中，PROFIBUS是当今国际上现场总线的一个重要的组成部分。根据国际标准化组织ISO7498 标准，PROFIBUS的协议结构以开放系统互联网络OSI为参考模型，采用了该模型的物理层、数据链路层作为用户接口，隐去了第3～7层，而增加了直接数据连接拟合。由于PROFIBUS现场总线标准是开放的、不依赖生产厂家通信系统标准，所以在各种工业控制中得到了广泛的应用。
PROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由分散和外围设备PROFIBUS- DP （Decentralized Periphery）、报文规范PROFIBUS- FMS（Fieldbus message Periphery）、过程自动化PROFIBUS – PA （Process Automation）组成PROFIBUS系列。其中，PROFIBUS- DP用于设备级的高速数据传送，中央控制器（如PLC、PC），通过高速串行线同分散的现场设备（如I/O, 驱动器, 开关等）进行通信。PROFIBUS- DP具有快速、即插即用、高效低成本等优点。在用于现场层的高速数据传送时, 主站周期地读取从设备的