锅炉温度定值fx2n32mr控制系统设计.docx

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锅炉温度定值fx2n32mr控制系统设计

《锅炉温度定值FX2n-32MR控制系统设计》

课程设计说明书

摘要

从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

本文介绍了以锅炉为被控对象，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。

锅炉的水温控制在一些场合仍然采用传统的继电器、接触器控制方式，没有控制算法，自动化程度不高，运行稳定性较差，操作维护部方便。

针对这些问题，本文采用FX2n-32MRPLC作为主控制单元，配合外围检测电路、执行单元、人机界面等技术，引入PID算法控制程序，设计出一种新的锅炉定值水温控制系统，以获得良好的控制效果

引言

锅炉是将燃料中的可燃元素碳、氢等成分在高温条件下与氧结合发生化学反应，放出热量，进而又将此热量传递给水，使水升温变成热水或蒸汽，供用户使用的一种设备，因此，我们可以把锅炉称之为将燃料的化学能转化为热能的一种设备。

锅炉的发展可追溯到18世纪上半叶，蒸汽机的发明使得对蒸汽的需求量大大增加，这就要求锅炉有一定的的产生蒸汽的能力。

此时，所用的蒸汽压力等于大气压力。

19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8兆帕左右。

与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。

随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。

1830年左右，在掌握了优质钢管的生产技术之后出现了火管锅炉。

一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火（烟气）在管内流过。

在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。

它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。

19世纪中叶，出现了水管锅炉。

锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。

锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。

这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。

初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。

20世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。

直水管锅炉已不能满足要求。

随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。

开始是采用多锅筒式。

随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。

第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。

发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。

随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。

在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，70年代最大的单台容量是27兆帕压力配1300兆瓦发电机组。

后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。

如今，锅炉的发展无论是在安全方面还是工艺效率都达到了前所未有的高度。

绝大多数锅炉采用了单片机、PLC、智能仪表等进行控制。

采用此类的控制方法使得系统运行稳定、反应快、精度高、安全系数高，满足工业的控制要求。

锅炉所产生的热水或蒸汽可以供给用户用以采暖、空调、通风、制冷，也可用以工业加热、烘干、蒸煮、消毒等。

除此之外，锅炉所产生的蒸汽还可用于拖动、发等。

锅炉除了可将固体燃料、液体燃料、气体燃料中的化学能转变为热能外，也可直接用电能、核能或废热能使水变成热水或蒸汽以供用户使用。

目前，我国制造和使用的锅炉是量大面广的供热锅炉，因此，对锅炉内胆的水温控制显得极其重要。

当其温度过高时，产生的蒸汽压力会过高，如果不对其进行控制，很可能发生工业事故。

而温度过低时，又不能满足用户或工业要求。

根据目前国家有关标准、规范、规定的限定，供热锅炉一般指额定蒸发量D≤65t/h，额定压力P≤3.9MPa的锅炉，这也是与建筑环境与设备专业密切相关的锅炉，是本专业重点研究和使用的对象。

要顺利完成化学能与热能之间的转换，或者说要顺利地产生用户所需的蒸汽或热水，光有锅炉本体设备还是不够的，还必须配以其他辅助系统，如燃料输送及出灰渣系统，引、送风系统，汽水系统，仪表附件及控制系统。

我国供热锅炉恒久以来不停存在所谓的“大马拉小车”现象，大多数锅炉处于低负荷运转状态，一方面是由于设计院和用户在选用锅炉时，考虑到今后的生长等因素，所选锅炉的容量及台数往往超过现实需求量很多，另一方面，锅炉现实运转中负荷常随用汽、用热负荷变革在较大范围内波动，形成很多锅炉恒久在低负荷下运转。

我国供热锅炉一样平常均匀负荷率在50%~70%，锅炉容量愈小，均匀负荷率愈低，反之则较高。

尽管供热锅炉在节能新技能、新产物应用方面获得了一些成果，但由于缺乏须要的政策支持，总体推行力度不大。

循环流化床锅炉、新型水火管锅炉、渣滓焚烧锅炉、燃生物质锅炉、真空锅炉等新产物都有不同程度的生长。

螺纹烟管技能在锅壳式锅炉上险些得到片面采用，并在其他换热设置装备摆设中得到应用。

燃煤分层安装、锅炉复合相变尾部换热器、锅炉计算机控制体系等产物在现有锅炉改造中也有不同程度的应用，其中燃煤分层安装应用相对广一些。

各地在供热锅炉改造中，还不同程度地采用了变频调速技能对供热锅炉配套的水泵和鼓、引风机进行控制改造。

电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。

目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。

电热锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。

加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。

热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。

主要是控制水的温度，保证

恒温供水。

PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。

因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。

PID控制的效果完全取决于其四个参数即采样周期ts、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。

因而PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。

一.系统总体设计

1．1系统总体设计方案

设计框图如下所示：

图1-1系统框图

1．2单元电路方案的论证与选择

硬件电路的设计是整个实验的关键部分，我们在设计中主要考虑了这几个方面：

电路简单易懂，较好的体现物理思想；可行性好，操作方便。

在设计过程中有的电路有多种备选方案，我们综合各种因素做出了如下选择。

1．2．1温度信号采集电路的论证与选择

采用温度传感器DS18B20

美国DALLAS公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DS18B20可实现室内温度信号的采集，有很多优点：

如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大及模数转换部分，外围电路简单，成本低;单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DS18820,便于多点测量且易于扩展。

DS18B20的测温范围较大，集成度较高，但需要串口来模拟其时序才能使用，故没有选用此方案。

1.2.1输入输出通道及其接口设计

1）温度检测模拟输入通道设计

图1-2输入通道原理图

设V／F变换器的额定输出频率为F，计数器对输出脉冲的计数时间为Ts，A／D转换结果的分辨率为i，则有：

取Ts＝1s，则在V／F的输出频率范围0～10kHz内，可以得到13位的A／D转换结果。

2）晶闸管数字触发输出通道设计

晶闸管的工作方式有：

调压方式;调功方式

调压方式：

是通过利用移相触发脉冲调节晶闸管的导通角，使输入到电加热元件的电压改变，达到调节用电器的输入功率，来实现控制目的。

图1-3调压方式原理图

图1-4波形图

调功方式：

触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压过零时控制信号才使晶闸管的触发导通，则负载上得到的电压是一个正弦波。

调功方式输入电炉的平均功率为：

P——输入电炉的功率；R——负载有效电阻；U——电网电压；n——允许导通的波头数；N——设定的波头数。

当n＝0时，电炉的输入功率为零；

n＝N时，电炉的输入功率为满功率。

由以上分析可得晶闸管数字触发输出通道设计

图1-4过零检测同步脉冲电路

图1-5波形图

3）拨码盘给定输入通道

拨码盘作为数字量的输入设备，设定和修改码盘值可作为控制系统的给定值。

输入非数字信息时，需要事先将非数字信息转换为数字代码，再由拨码盘输入。

4）数码显示输出通道包括：

数字量输出接口电路；锁存译码驱动电路；七段数码管显示器。

5）打印机输出通道包括：

系统配置了通用打印机接口电路；打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。

二.系统框图

2.1系统原理图

2.2系统框图

由系统原理图可画出系统的结构框图为

闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。

闭环控制系统优点----不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。

因此闭环控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力，其应用范围非常广泛。

缺点---闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。

在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统

3.温度系统控制器的设计

由以上分析可知，锅炉的温度控制系统可以近似为二阶系统，可表示为，以大林算法设计数字控制器D（z）。

设采样周期T=0.5s。

3.1计算广义对象的脉冲传递函数

把T=0.5s、代入得

3.2的计算

由于

此处N=0、T=0.5s，τ是整个系统（包括数字控制器和被控对象）的时间常数，代入上式得

由于

所以

3.3数字控制器的设计

由数字控制器的公式

把式（3）中的代入式（4）得数字控制器

3.4消除振铃现象

由于直接用大林算法构成的闭环控制系统时，数字控制器的输出U（z）会以1/2的采样频率大幅度上下摆动，我们把这种现象叫做振铃现象。

振铃现象与被空对象的特性、闭环时间常数、采样周期、纯滞后时间的大小等有关，振铃现象中的震荡是衰减的，并且由于被控对象中惯性环节的低通特性，使得这种震荡对系统输出几乎无任何影响，但是振铃现象却会增加执行机构的磨损。

所以要想尽办法消除振铃现象。

由于令z=-1附近的极点会引起振铃现象，为消除振铃令现象，令z=-1附近的极点的z=1，代入上式得

4.硬件设计

本控制系统原理框图如图1所示，它由以下几个模块构成：

信号转换及调理电路、数据采集模块、数据显示模块、脉宽调制控制及驱动电路和执行机构。

图4-1系统硬件电路

4.1．信号转换及调理电路

信号转换调理就是将温度信号转化为电信号，然后调理为可采集的电压信号。

具体电路参见图。

4.2数据采集模块

通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量，