炉锅内胆水温控制系统设计课程设计--毕业设计.doc

湖南工程学院

课 程 设 计

课程名称 过程控制
课题名称 锅炉内胆水温控制系统设计

专 业 自动化
班 级 1003班
学 号 201001020322
姓 名 邓涛
指导教师 沈细群

20 13 年 9 月 13 日
湖南工程学院
课 程 设 计 任 务 书

课程名称 过程控制
课 题 锅炉内胆水温控制系统设计

专业班级 自动化1003班
学生姓名 邓涛
学 号 201001020322
指导老师 沈细群
审 批 沈细群

任务书下达日期 2013 年 9 月 2 日
任务完成日期 2013 年 9 月13日
设计内容与设计要求

设计内容：
本设计的目的是控制锅炉水温监控系统的温度，使锅炉温度维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化。要求设计一个水温控制系统。

设计要求：
1）确定系统设计方案；
2）选择相应的仪器设备；
3）MCGS软件组态相应的监控画面；
4）完成控制算法程序设计；
5）在DDC控制装置中进行调试；

主 要 设 计 条 件
过程控制实验系统，AE2000B2型仪表及其模拟量模块，计算机，组态软件，通信线等。

说 明 书 格 式
1. 课程设计任务书
2. 目录
3. 系统总体方案选择与说明
4. 系统结构框图与工作原理
5. 各单元硬件设计说明及计算方法
6. 软件设计与说明（包括流程图）
7. 调试结果与必要的调试说明
8. 使用说明
9. 程序清单
10、总结
11、参考文献
附录
附录A 系统原理图
附录B 程序清单
进 度 安 排
设计时间为两周
第一周
星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍
下午：借阅有关资料，总体方案讨论
星期二、确定总体设计方案
星期三、选择相应的仪器设备，进行控制算法设计
星期四、控制算法编程
星期五、控制算法编程
第二周
星期一、MCGS组态监控画面
星期二、MCGS组态监控画面，在DDC装置上进行调试
星期三、在DDC装置上进行调试
星期四、写说明书
星期五、上午：写说明书，整理资料
下午：交设计资料，答辩
参 考 文 献
[1] 过程控制，金以慧.北京：清华大学出版社，1993.4: 103-118
[2] 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-88
[3] AE2000B2型系统实验平台实验指导书

5

目录
第1章 系统总体方案设计与选择 1
第2章 系统工作原理与框图 3
2.1 工作原理 3
2.2 系统结构框图 3
第3章 控制系统工作流程 5
第4章 系统调试 9
第5章 系统监控 14
附录 15
参考文献 15
程序清单 16
评分表 18

第1章 系统总体方案设计与选择
 过程控制就是操纵变量影响工艺条件、过程、状况，目的是为了达到所需的
目标。在石油生产加工、化学、热力、材料以及轻工业等行业领域中，我们把以温度、液位、流量、压力等等这些被作为主要的控制对象的系统都称作是“过程控制” 。过程控制除了在传统产业改造的过程控制方面有很重要的作用以外，在提高产品质量、节约原材料及能源、保护生态环境、减少环境污染方面以及提高经济效益和劳动效率方面的影响也非常大。现在过程控制已经在我国新建的大规模、结构复杂的工农业生产过程中占据非常重要的地位。
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
单回路控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，操作维护也比较方便，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系统占控制回路的绝大多数。单回路控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。对单回路控制系统进行分析，设计，调试处理的方法，理解单回路控制系统对各个环节的影响，就可以分析处理好更复杂的设计问题。这里选择的是液位单回路控制系统。图1-1是一个单回路反馈控制系统
单回路控制系统方框图的一般形式如下：

_

调节器
调节阀

被控过程
Wm(S)

X(S)
Y(S)
F(S)
Z(S)
_

图1-1 单回路反馈控制系统

第2章 系统工作原理与框图
2.1 工作原理
单回路过程控制系统亦称单回路调节系统，一般是指正对一个被控过程（调节对象），采用一个检测变松器检测被测过程，采用一个控制（调节器）来保持参数恒定（或在很小范围变化），其输出也只控制一个执行机构（调节阀）。从系统的款图看，只有一个闭环回路。单回路过程控制系统
是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。
单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。因此，学习和掌握单回路系统的工程设计方法是非常重要的。
2.2 系统结构框图
将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的基于计算机的控制系统，如图2-1所示。
反馈值
计算机
控制器
控制器
7024
电动阀
锅炉
7017
温度传感器
设定值+
_
锅炉温度

温度

图2-1 液位监控系统框图
过程控制系统，1以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。
单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛。

第3章 系统工作流程
本系统被控对象是为锅炉加热的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A/D转换将模拟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，通过D/A转换将计算机的数字信号转换为4~20mA的电流模拟信号控制三相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。锅炉内胆温度控制系统的任务是控制锅炉内胆温度等于给定值。控制框图如图1所示。

图1 锅炉内胆温度控制系统框图
1、温度检测与变送
锅炉内胆温度控制系统检测装置是用Pt100热电阻作为温度传感器。铂热电阻PT100接线说明，如图2所示：

图2 Pt100热电阻接线图
连接两端元件热电阻采用的是三线制接法，以减少测量误差。在多数测量中，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变化时，连接导线的电阻值将有明显的变化。为了消除由于这种变化而产生的测量误差，采用三线制接法。即在两端元件的一端引出一条导线，另一端引出两条导线，这三条导线的材料、长度和粗细都相同，如图1中所示的a、b、c。它们与温度变送器输入电桥相连接时，导线a和c分别加在电桥相邻的两个桥臂上，导线b在桥路的输出电路上，因此，a和c阻值的变化对电桥平衡的影响正好抵消，b阻值的变化量对仪表输入阻抗影响可忽略不计。
铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性测量温度,显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值.当被测介质存在温度梯度时,所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。
2、ICP-7017模块和ICP-7024模块
ICP-7017是8通道模拟量输入模块，面板如图3所示，ICP-7017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。ICP-7017技术指标见表一。

图3 ICP-7017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。
ICP-7017模块将温度变送器送来的电压信号通过转换为数字信号后通过RS485接口送入计算机处理。
表一 ICP-7017和ICP-7024技术指标

ICP-7024是4通道模拟量输出模块。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。ICP-7024的技术指标见表一。
ICP-7024模块将从计算机输出的信号加到三相SCR调压模块4～20mA电流控制信号输入端。

图4 ICP-7024面板
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。
3、MCGS组态环境及控制程序
MCGS (Monitor and Control Generated System，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。
4、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。
5、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7017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7017、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。
第4章 系统调试
锅炉内胆水温控制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。
首先按装置管道流向，把与锅炉内胆水温控制相关的阀门打开，方便水的流进和流出。然后按照实验指导书连线，打开组态软件，进行观察。
（一）比例调节（P）
（1）按图1所示方块图的要求接成实验系统。
（2）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）。
（3）打开单相Ⅰ、单相Ⅱ空气开关、电动调节阀、24VDC电源开关。
（4)运行MCGS组态软件，进入锅炉燃烧温度控制系统，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，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5：

图5 P调节曲线
（二）比例积分（PI）调节器控制
（1）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，以验证系统在PI调节器控制下没有余差。
（2）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。
（3）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6。
（4）选择合适的P和I值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线。此曲线可通过改变设定值(如把设定值由50%增加到60%)来实现。

图6 PI调节曲线
（三）比例积分微分（PID）调节器控制
（1）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。（2）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。（3）选择合适的P、I和D ，调节后的曲线如图7所示。

图7 PID调节曲线
第5章 系统监控
5.1 设备连接
本设计调试时，要用到组态软件MCGS。运行MCGS,打开设备窗口，添加通用串口父设备驱动程序7017和7024。7017用于采集现场数据到计算机，7024为输出设备，把计算机的控制信息输出到阀门。
按照通讯状态设置，连线控制回路个模块（7017、7024、传感器、电动阀）。
5.2 系统调试
打开实验设备和远程数据采集控制台的电源，水泵启动，在MCGS组态环境下，按F5进入运行环境，静茹自动状态。设定值为20，比例系数为20，观察运行状态。
在运行环境下，通讯标志显示通讯成功。但监控画面上没有水箱液位测量值，同时发现调节电动阀的输出，电动阀无反应，阀门开度无变化。这可能是线路或组态有问题，先把实验设备和远程数据采集控制台的线路连接检查了一遍，没有错误，那就可能是组态问题。
关闭运行环境，关闭试验台电源。进入组态环境，查看7017和7024设备组态窗口模块地址，发现7017模块地址和控制台连线不对应，重新连线，重新加载运行，液位采集成功，调试完成。
5.3 调试结果

图5-1 液位监控系统调试画面

5.4 注意事项
1、 开始实验前，先检查仪表/计算机是否拨到计算机位置。
2、 实验结束后，应先将控制台回到初始位置，将试验台红色按钮按下断电后，在关闭计算机。
3、 实验暂停时，应将阀门关闭，防止水箱内的水回流。

总结
通过本次课程设计，我对MCGS组态软件的设计方法有了初步的认识，这对我以后系统设计有很大的作用。
我还学会了如何去培养我们的创新精神，而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进之功能不断完善，成为真己的东西。设计结果能够符合题意，成功完成了此次实习要求，我们不只在乎这一结果，更加在乎的，是这个过程。这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，更重要的是，我们在学会创新的基础上，同时还懂得合作精神的重要性，学会了与他人合作。
俗话说“好的开始是成功的一半”。说起课程设计，我认为最重要的就是认真的研究老师给的题目，选一个自己有兴趣的题目。其次，老师对实验的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。
软件的编程也要我们不断的调试，最终一个能完成课程设计的劳动成果出来了，很高兴它能按着设计的思想与要求运动起来。这给了我努力后取得成果的喜悦。
这次液位监控系统的课程设计使我受益匪浅。在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师和同学的帮助下解决了。在此对给过我帮助的所有指导老师和同学再次表示忠心的感谢！

18

附录
参考文献
[1] 邵裕森，戴先中.过程控制工程(第二版).机械工业出版社

[2] 刘国荣，梁景凯.计算机控制技术与应用.机械工业出版社

[3] 周杏鹏.传感器与检测技术.清华大学出版社
程序清单

启动脚本
!setdevice(7017D,1,"")
!setdevice(7024,1,"")
q0=0
q1=0
q2=0
op2=4
set=0
sv1=0
ma=0
k=0
ti=0
td=0
内胆sv=0
内胆PV=0

循环脚本

if set=1 then
内胆sv = sv1
内胆PV = pt1
if k=0 and ti=0 and td=0 then
q0=0
q1=0
q2=0
endif ei=(sv1-pt1)/20
if k<>0 and ti<>0 then
q0=k*ei mx=k*0.5*ei/ti q2=k*td*(pvx-pt1)/0.5
endif

if ti=0 then
q0=K*ei
q1=0
mx=0 q2=k*td*(pvx-pt1)/0.5
endif
IF MX>5 THEN
MX=5
ENDIF
IF MX<-5 THEN
MX=-5
ENDIF
if sv1>=pt1 then
if op1>=100 then
q1=q1
else q1=q1+mx
endif
else
if op1<=0 then
q1=q1
else q1=q1+mx
endif
endif

pvx=pt1
op1=Q0+Q1+Q2
IF OP1<=0 THEN
OP1=0
endif
if op1>=100 then
op1=100
ENDIF
mid=op1
if ma1=1 then
OP1=ma
endif OP2=(OP1+25)/6.25
IF OP2<4 THEN
OP2=4
endif
if op2>20 then
op2=20
ENDIF op4=op40*16/50+4
IF OP4<4 THEN
OP4=4
endif
if op4>20 then
op4=20
ENDIF
else
q0=0
q1=0
q2=0
op2=4
op4=4
endif

退出脚本
!setdevice(7017D,2,"")
!setdevice(7024,2,"")
set=0
op2=4
op4=4
ma=0
q0=0
q1=0
q2=0
sv1=0
k=0
ti=0
td=0
内胆sv=0
内胆PV=0

电气信息学院课程设计评分表
项 目
评 价
优
良
中
及格
差
设计方案合理性与创造性（10%）

硬件设计或软件编程完成情况（20%）

硬件测试或软件调试结果*(10%)

设计说明书质量(20%)

答辩情况(10%)

完成任务情况(10%)

独立工作能力(10%)

出勤情况(10%)

综 合 评 分

指导教师签名：________________
日 期：________________

注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。

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