锅炉温度控制过程控制工程实践 2.docx
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锅炉温度控制过程控制工程实践 2.docx
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锅炉温度控制过程控制工程实践2
目录
前言…………………………………………………………………………1
一、实验装置简述…………………………………………………1
二、系统组成与工作原理………………………………………2
(一)温度检测与变送器………………………………………………3
(二)远程数据采集热电阻输入模块ICP-7033………………………3
(三)MCGS组态环境及控制程序………………………………………5
(四)远程数据采集模拟量输出模块ICP-7024………………………5
(五)单相SCR调压装置………………………………………………6
(六)控制系统的连线…………………………………………………6
三、调试与故障分析………………………………………………7
(一)P调节……………………………………………………………7
(二)PI调节……………………………………………………………7
(三)PID调节…………………………………………………………8
四、总结与体会……………………………………………………9
附录:
系统总图……………………………………………………10
前言
随着工业技术的更新,特别是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展,自动化仪表已经进入了计算机控制装置时代。
在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中,以温度、流量、物位、压力和成分为主要被控变量的控制系统都称为“过程控制”系统。
过程控制不仅在传统工业改造中,起到了提高质量,节约原材料和能源,减少环境污染等十分重要的作用,而且已成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。
随着计算机控制装置在控制仪表基础上的发展,自动化控制手段也越来越丰富。
其中有在工业领域有着广泛应用的智能数字仪表控制系统、智能仪表加计算机组态软件控制系统、计算机DDC控制系统、PLC控制系统、DCS分布式集散控制系统、FCS现场总线控制系统等。
在现代化工业生产中,过程控制技术正为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产效率、改善劳动条件、保护生态环境等起到越来越大的作用。
本次工程实践就是通过锅炉内胆水温控制系统调试,来熟悉THJ-2型高级过程控制实验装置。
通过本次工程实践,来熟悉工业过程控制的工作流程以及其控制原理。
一、实验装置简述
THJ-2型高级过程控制实验装置是基于工业过程的物理模拟对象,它集自动化仪表技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置,该装置是本企业根据自动化及其它相关教学的特点,吸收了国内外同类实验装置的优点和长处,经过精心设计,多次实验和反复论证,推出了一套全新的实验装置,该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数,可实现系统参数辨识,单回路控制,串级控制,前馈-反馈控制,比值控制,解耦控制等多种控制形式。
本装置还可根据用户的需要设计构成DDC,DCS,PLC,FCS等多种控制系统。
二、系统组成与工作原理
图1所示为锅炉温度控制系统控制过程中的工艺设备。
该系统使用水泵给锅炉加水,通过对调节阀1的控制,调节进水量。
为了防止锅炉水满溢出,有一个自然出水口1。
调节阀2控制输出的热水量。
电压调节电路实现对电加热管的控制,以此来调节水的温度。
通过温度变送传感器,将水温实时温度传到控制中心,从而形成闭环控制来调节锅炉内水的温度。
图1锅炉温度控制系统工艺设备
本系统所要保持的恒定参数是锅炉内胆温度给定值,即控制的任务是控制锅炉内胆温度等于给定值。
控制框图如图2所示。
图2锅炉内胆温度控制系统框图
本系统被控对象是1KW电加热管,被控制量是锅炉内胆的水温T,通过温度检测与变送器将检测的水温信号转化为电流信号,再通过3路热电阻输入模块ICP-7033信号转换为数字信号后,通过串行总线将信号输入计算机,在MCGS组态环境下,根据控制要求,将信号经过PID整定后,输出4~20mA的电流信号控制单相SCR调压装置输出电压,达到对加热管电压大小调节,从而达到控制锅炉内胆水温的作用。
(一)温度检测与变送器
温度测量通常采用热电阻元件(感温元件)。
它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
其电阻值与温度关系式如下:
Rt=Rt0[1+α(t-t0)]
式中Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值;
Rt0——温度为t0(通常为0℃)时的电阻值;
α——电阻的温度系数。
可见,由于温度的变化,导致了金属导体电阻的变化。
这样只要设法测出电阻值的变化,就可达到温度测量的目的。
本装置使用的是铂电阻元件PT100,并通过温度变送器(测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调节器)将电阻值的变化转换为电压信号。
(二)远程数据采集热电阻输入模块ICP-7033
8通道模拟量输入模块。
表1为ICP-7033的技术指标。
面板如图3所示,ICP-7033模块24V供电,面板上提供了3通道的输入端口。
每一通道根据功能表可输入允许范围的热电阻。
支持485通讯。
表1ICP-7033的技术指标
型号
功能
I-7033
模
拟
量
输
入
分辨率
16bit
输入通道
8路差动
采样率
10Hz
Pt100
-100~100℃、0~100℃
0~200℃、0~600℃
Pt1000
-2000~600℃
Ni
-80~100℃、0~100℃
将温度变送器的电压信号通过ICP-7033模块转换为数字信号通过RS485接口送入计算机处理。
图3ICP-7033面板
图3中,a:
电源开关;b:
RS485接口;c:
ICP-7017模块;d:
4通道的输入接口。
(三)MCGS组态环境及控制程序
MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem,通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,通过对现场数据的采集处理,以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在工业控制领域有着广泛的应用。
MCGS组态软件功能强大,操作简单,易学易用,普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。
同时使用MCGS组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题,集中精力去解决工程问题本身,根据工程作业的需要和特点,组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。
在计算机上运行MCGS打开其运行环境,找到锅炉内胆水温定值控制系统的实验,打开脚本程序即可查看实现PID算法的程序。
(四)远程数据采集模拟量输出模块ICP-7024
4通道模拟量输出模块。
表2为ICP-7024的技术指标。
面板如图4所示,ICP-7024模块24V供电,提供了4通道的输出端口。
每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。
支持485通讯。
图4ICP-7024面板
表2ICP-7024的技术指标
型号
功能
I-7024
模
拟
量
输
出
分辨率
14bit
输出通道
4路差动
电压输出
+/-10V
+/-5V
0~10V
0~5V
电流输出
0~20mA
4~20mA
图4中,a:
电源开关;b:
RS485接口;c:
ICP-7014模块;d:
4通道的输出接口。
(五)三相SCR调压模块
三相SCR调压模块,它是通过4~20mA电流控制信号控制三相交流电源在0~380V之间根据控制电流的大小实现连续变化。
本系统通过计算机中的组态软件MCGS进行PID整定后输出控制信号通过远程数据输出模块加到单相SCR调压装置的输入端,以此来控制加热管电流的大小。
(六)控制系统的连线
将三相电源的输出端U、V、W对应接到SCR移相调压器的输入端U、V、W,三相SCR移相调压器的输出端U0、V0、W0接到三相电加热管输入端U0、V0、W0,变频器输出端A、B、C对应接到三相磁力泵(~220V)的A、B、C端。
内胆温度TT1铂电阻的1a、1b、1c端对应接到7033输入模块的第一通道的E1、S1、C1端,7024模块第一输出通道A/O的正端接到24V开关电源的正端,将7024模块第一输出通道A/O的负端接到三相电加热管4~20mA输入正端,三相电加热管4~20mA输入负端接到24V开关电源的负端。
用通信电缆连接到7033、7024的485通讯接口,再通过485/232转换器连接到计算机的COM2口上。
整个系统的结构见附录系统总图。
三、调试与故障分析
按图2所示方块图的要求接成实验系统;打开调节阀1、调节阀,关闭调节阀2,启动丹麦泵往锅炉进水,约经1-2分钟后,关闭丹麦泵(保证锅炉内胆里有水);打开单相Ⅰ、单相Ⅱ空气开关、电动调节阀、24VDC电源开关;运行MCGS组态软件,进入锅炉内胆温度控制系统,把温度设定于某给定值(如:
将水温控制在80。
C),设置各项参数。
(一)P调节使调节器工作在比例(P)调节器状态,此时系统处于开环状态。
实时曲线如图6:
图6P调节曲线
(二)PI调节在比例调节器控制实验的基础上,待被调量平稳后,加入积分(“I”)作用,观察被控制量能否回到原设定值的位置;固定比例P值(中等大小),然后改变积分时间常数I值,观察加入扰动后被调量的动态曲线;固定I于某一中间值,然后改变比例P的大小,观察加扰动后被调量的动态曲线如图7。
图7PI调节曲线
(三)PID调节在比例调节器控制实验的基础上,待被调量平稳后,引入积分(“I”)作用,使被调量回复到原设定值。
减小P,并同时增大I,观察加扰动信号后的被调量的动态曲线,验证在PI调节器作用下,系统的余差为零。
在PI控制的基础上加上适量的微分作用“D”,然后再对系统加扰动(扰动幅值与前面的实验相同),比较所得的动态曲线与用PI控制时的不同处。
选择合适的P、I和D,调节后的曲线如图8所示。
一般言之,用比例(P)调节器的系统是一个有差系统,比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小,而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分(PI)调节器,由于积分的作用,不仅能实现系统无余差,而且只要参数δ,Ti调节合理,也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用,从而使系统既无余差存在,又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性等)。
图8PID调节曲线
四、总结与体会
本次工程实践就是利用THJ-2型过程控制实验装置为硬件基础做锅炉内胆水温控制系统实验分析,采用MCGS组态软件在上位机实现显示和控制。
通过本次工程实践,来熟悉工业过程控制的控制流程以及其控制原理。
在做实验之前,老师给我们详细介绍整个装置,以及过程控制系统的工作原理。
在讲解电动阀时,老师问我们为什么有两根输入线,我们当时谁都没答上。
老师就给我们细细地讲解了电动阀的工作原理。
原来电动阀要动起来,必须加强电。
所以其中一个线是强电,给电动阀提供动力,另一根线为控制线,控制其开度。
通过她的讲解,我明白了热电阻的工作原理是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的;水位检测装置是将压力信号转换为电压信号。
在做实验时,给定一个水温后启动实验,却发现通信失败,我想可能是通信线没连好,于是我检测了通信线的连接,发现没有问题。
再一仔细检查发现远程数据采集输出模块7024没有加上24V电源。
加上后实验,终于成功了。
这让我明白,在做任何事,都要仔细才行,以后的工作中就可以少走错路。
总体来说,这次设计让我受益匪浅。
比如对于MCGS软件,之前是根本不懂的,经过沈老师的耐心指导,我已经基本能够运用这个软件了,对其基本的编程也有了一些了解。
这次课程设计培养了我的设计思维,扩充了自己的理论知识。
我想对沈老师的指导表达我衷心的谢意。
在他耐心的指导下,使这次实践圆满完成任务,达到训练的要求。
感谢学校为我们提供实验装置和场所。
希望我们通过对实验该装置的了解和使用,进入企业后能够很快适应企业环境进入角色。
附录:
系统总图
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- 锅炉温度控制过程控制工程实践 锅炉 温度 控制 过程 控制工程 实践