锅炉夹套水温定值控制系统

锅炉温度定值S7-300控制系统课程设计（论文）报告
专业班级：10级自动化3班
姓名：庞小双（080310170）
宗利（080310191）
阮涛（080310148）
指导教师：世军
设计时间: 2013.6.15
物理与电气工程学院
2013年6月15日
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。

在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。

对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。

例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。

温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。

它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

关键字：温度控制PLC 组态
1. 绪论 (1)
2. 检测仪表及控制原理框图 (1)
2.1 被控对象 (1)
2.2 检测仪表 (1)
2.3 执行机构 (1)
2.4 控制屏组件 (2)
2.4.1 西门子S7-300系列PLC简介 (2)
2.4.2 三菱D700变频器简介 (2)
2.4.3 磁力驱动泵CQ型 (3)
2.4.4 数据采集模块 (3)
2.4.5 智能调节阀 (3)
2.5 控制原理框图 (4)
2.6 实验容与步骤 (4)
3.组态软件界面、逻辑、代码 (4)
3.1 MCGS组态软件 (5)
3.2 组态软件设计 (6)
3.3 代码 (7)
4.数据采集硬件系统构件、连线 (8)
4.1 数据采集硬件系统构件 (8)
4.2 硬件系统连线 (9)
5.控制算法代码 (10)
5.1 PID控制器简介 (11)
5.2 PID控制系统 (12)
5.3 PID控制参数的整定及方法 (12)
5.3.1 PID控制参数的整定简介 (13)
5.3.2 PID控制参数整定方法 (12)
6.实验结果曲线及分析 (15)
7. 心得体会 (15)
8.参考文献 (17)
1. 绪论
在系统的学习了《自动控制原理》，《过程检测技术及仪表》，《控制仪表及装置》等课程后，为了更好的提高我们对所学知道的认识加深对理论知识的理解。

借助THJ-4工程实验平台，通过对下水箱前馈反馈控制系统的设计，调试完成系统设计的设计与开发提高学生工程意识和能力提高创新能力。

1．了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。

2．了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。

3．研究调节器相关参数的改变对温度控制系统动态性能的影响。

4．分析比较锅炉夹套水温控制与锅炉胆动态水温控制的控制效果。

2. 检测仪表及控制原理框图
本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。

供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流量计及自动电磁阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及自动电磁阀组成。

2.1 被控对象
由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。

1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉胆）和冷却层（锅炉夹套）。

3．盘管
4．管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的阀门均采用优质阀。

2.2 检测仪表
1．压力传感器、变送器
2．温度传感器：装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器。

3．流量传感器、变送器
4．锅炉防干烧保护装置
2.3 执行机构
1．电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。

2．水泵：本装置采用磁力驱动泵
3．电磁阀：本套装置共有17支优质电磁阀配合控制器完成所有实验项目。

2.4 控制屏组件
1．通讯线介绍
“THJ-4型高级过程控制系统实验平台”可以挂智能仪表、远程数据采集和S7-200PLC挂件，并可控制对象系统完成相应的实验。

2．SA-11交流变频控制挂件
采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH（R）型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

变频器常用参数设置：
P 30＝1；P 53＝1；P 62＝4；P 79＝0。

3．三相移相SCR调压装置
采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。

输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

2.4.1 西门子S7-300系列PLC简介
图1. S7-300户外型模总体技术规图
SIMATIC S7-300可编程序控制器是模块化结构设计。

各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。

包含中央处理单元；信号模块(SM)；通讯处理器(CP)；功能模块(FM)。

SIMATIC S7-300适用于通用领域：高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。

S7-300 有两种类型：
2.4.2 三菱D700变频器简介
型号：D700系列变频调速器紧凑型多功能变频器
1.功率围：0.4~7.5KW；
2.通用磁通矢量控制，1Hz时150%转矩输出；
3.采用长寿命元器件；
4.置Modbus-RTU协议；
5.置制动晶体管；
6.扩充PID，三角波功能；
7.带安全停止功能。

三菱变频器FR-D700系列虽然是高可靠性产品，但周边电路的连接方法错
误以及运行，使用方法不当也会导致产品寿命缩短或损坏，在产品运行前我们需要重新确认注意事项。

2.4.3 磁力驱动泵CQ型
CQ型磁力驱动泵（简称磁力泵），CQG型耐高温磁力驱动泵（耐温≤250℃）（简称磁力泵）是将永磁联轴器的工作原理应用于离心泵的新产品。

它具有良好的抗腐蚀性能，并可以使被输送介质免受污染。

CQ型磁力驱动泵型号意义：
CQ型磁力驱动泵安装尺寸：
图2. CQ型磁力驱动泵安装尺寸图
2.4.4 数据采集模块
产品简介：
集智达R-8000系列RemoDAQ-8024/R-8024+数据
采集模块，4路模拟量输出模块。

2.4.5 智能调节阀
QSVP系列智能电动单座调节阀是QS智能电动调
节阀系列产品之一，它由PSL智能型电动执行器与优质
的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀，可广泛应用于电力、冶金、石油、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中。

2.5 控制原理框图
图4. 锅炉夹套水温定值控制系统
(a)结构图(b)方框图
本实验系统结构图和方框图如图4所示。

2.6 实验容与步骤
本实验选择锅炉夹套水温作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将F2-6，F2-9，F2-8打开。

将变频器A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节变频器频率，给锅炉胆和夹套贮满水，然后关闭变频器、关闭F2-8，打开F2-9，为给锅炉胆供冷水作好准备。

1、比例调节器( P )控制
（1）按图4（b）所示方框图的要求接成实验系统。

（2）打开储水箱到锅炉胆和锅炉夹套水路相关阀门，启动丹麦甭既变频器与齿轮泵两条动力支路，分别往锅炉胆和锅炉夹套进水，约进1-2分钟后，关闭两套动力系统。

（3）启动工艺流程并开启相关仪器和计算机，把智能调节器置于“手动”输出，把温度设定于某给定值（如：水温控制在40°C）并设置相关参数，使调节器工作在比例度（δ）调节器状态，此时系统处于开环状态。

（4）启动变频器，以15赫兹的频率启动循环水系统。

（5）运行MCGS组态软件，进入相应的试验，观察实时或历史曲线，待水温（由智能调节器的温度显示器指示）基本稳定于给定值后，将调节器“手动”切换至“自动”位置，使系统变为闭环控制运行。

待基本不再变化时，加入阶跃扰动。

通过改变智能调节器的设定值来实现，观察并记录在当前比例P余差和超调量.每当改变值δ后，,再加同样大小的阶跃信号，比较不同δ时的ess和σp。

图5. 锅炉夹套温度P控制不同P时的阶跃响应曲线
表1 不同比例P时的余差和超调量
（6）记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线。

（数据可在软件上获得）改变变频器的输出频率，观察并记录在当前比例度δ余差和超调量。

待系统稳定后，再改变输出频率，比较不同的输出频率时的ess和σp。

2、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）固定比例度δ值（中等大小），然后改变积分时间常数Ti值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录下不同Ti值时的超调量σp。

图6. 锅炉夹套温度PI控制不同I时的阶跃响应曲线
表2 不同Ti值时的超调量σ
p
（3）固定Ti于某一中间值，然后改变比例度δ的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp。

（4）选择合适的δ和Ti值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线。

3、比例微分调节器(PD) 控制
（1）在比例调节器试验的基础上，待系统被调量平稳后，引入微分作用“D”。

固定比例度δ值(中间值)，改变微分时间常数D的大小，观察系统在阶跃输入作用下相应的动态响应曲线。

（2）选择合适的δ和Td值，使系统的瞬态响应为一条令人满意的动态曲线。

4、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δ，并同时增大Ti，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）在控制PI的基础上加上适量的微分“D”作用，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δ、Ti和Td，以获得一条较满意的动态曲线。

5、PID参数自整定的连续温度控制
当发现AI人工智能调节效果不佳时可启动自整定功能(具体操作参考人AI工智能工业调节器说明书)。

当自整定结束后，以前设定的参数会被整定出来的参数所替代，并自动将CTRL参数设为3，这样就无法再次从面板上启动自整定功能，可以避免人为的误操作再次启动自整定。

之后系统直接将整定出来的参数投入运
行。

根据自整定得出来的参数去控制被控对象，若此效果不是很满意，可根据输出特性，在自整定参数的基础上适当修改一下参数，可达到满意效果。

一般通过自整定得出来的δ、Ti、Td参数，效果都比较好。

超调量小，过渡过程时间短。

但如果一开始，温控对象的温度不是最低，也就是说自整定寻求的最大斜率不一定是真正的。

此时自整定得出的δ、Ti、Td参数并不一定很理想。

3.组态软件界面、逻辑、代码
3.1 MCGS组态软件
MCGS 5.5为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

MCGS （Monitor and Control Generated System）软件是一套几基于Windows 平台的32位工控组态软件，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国外众多数据采集与输出设备,广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、冶金、纺织、航天、建筑、材料、制冷、通讯、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种行业。

MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个部分组成。

MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。

MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe 支持,以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。

利用MCGS软件组建工程的过程简介：（1）工程项目系统分析；（2）工程立项搭建框架（3）设计菜单基本体系；（4）制作动画显示画面；（5）编写控制流程程序；（6）完善菜单按钮功能；（7）编写程序调试工程；（8）连接设备驱动程序；（9）工程完工综合测试
3.2 组态软件设计
本设计为盘管出水口水温与流量串级控制系统, 目的是通过过程控制，由上述分析可知, 本系统应具有7个用户窗口：盘管水温与热水流量串级控制、实验指导、实时曲线、历史曲线、通讯状态、数据浏览、退出指示。

图7. 组态软件界面3.3 代码
源代码
启动脚本
k1=5
ti1=10
control=0
q0=0
q1=0
q2=0
ei=0
ei1=0
ei2=0
ei3=0
ei4=0
mx=0
op11=0
电动阀输出=0
变频器输出=0
调压器输出=0
循环脚本
if alarm2<1 or alarm2>31 then do3=1
do10=1
endif
if 主设定值>20 then
主设定值=20
endif
if control=1 then
ei= ( 主设定值-下水箱液位) *2 q0=k1*(ei-ei1)
if ti1=0 then
q1=0
else
q1=k1*0.2*ei/ti1
endif
q2=k1*td1*(ei-2*ei1+ei2)/0.2 mx=q0+q1+q2
op11=op11+mx+ei4
ei4=0
if op11<0 then
op11=0
endif
if op11>100 then
op11=100
endif
电动阀输出=op11
ei2=ei1
ei1=ei
else
op11=电动阀输出
endif
ei4=k3* ( ei3-变频器支路流量) ei3=变频器支路流量
退出脚本
do3=0
do10=0
电动阀输出=0
变频器输出=0
调压器输出=0
4.数据采集硬件系统构件、连线
4.1 数据采集硬件系统构件
图8. 数据采集系统框图
图9. 硬件系统连线实图
5.控制算法代码
5.1 PID控制器简介
PID控制器可以方便地实施多种控制算法，多年以来，在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器），是应用最为广泛的一种自动控制器。

它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。

1、比例（P）调节
2、积分（I）调节
3、微分（D）调节
PID是常规调节器中性能最好的一处调节器。

它将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，只要三项作用的强度配合适当，便可得到满意的调节效果。

它的传递函数为
G c(S)=K p(1+1/T1S+ T D S)
图10. PID 控制系统结构图
PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r （t ）与实际输出值c(t)构成
5.3 PID
控制参数的整定及方法
5.3.1 PID 控制参数的整定简介
由于人们在参数调整中，总是力图达到最佳的控制效果，所以常称“最佳整定”，相应的控制器参数称为“最佳参数整定”。

衡量控制器参数是否最佳，需要规定一个明确的反应控制系统质量的性能指标，一般分为稳态指标和动态指标。

5.3.2 PID 控制参数整定方法
控制器参数的整定方法可归纳为理论计算整定法与工程整定法。

由于理论计算所得到的整定参数值可靠性不够高，在现场使用中还需进行反复调整。

相反工程整定法虽未必得到“最佳整定参数”，但由于其不需知道过程的完整数学模型，使用者不需要具备理论计算所必须的控制理论知识，因而简便、实用，易于被工程技术人员所接受并优先使用。

下面将介绍本次设计中在现场调试调节器参数时所采用的一种整定方法，现场经验整定法。

（1）经验法
表3 经验法整定参数
图11. 具有周期T s的等幅振荡图
表4 临界比例度法整定调节器参数
在实验过程中发现，温度控制不容易稳定，无论采用哪种控制规律，都有一定的微小振荡，加入微分控制规律后，虽然提高了系统的响应速度，但是也降低了系统的稳定性。

如果采用PD控制规律，不能消除系统的稳态余差，采用PID 控制规律，系统的稳定性不好，所以在温度控制系统中,为什么用PD和PID控制,系统的性能并不比用PI控制有明显的改善。

表5 阻尼振荡法计算公式
6.实验结果曲线及分析
本实验选择锅炉夹套水温作为被控对象，实验之前先将储水箱贮足水量，将阀门F1-1、F1-2、F1-5、F1-13全开，手动调节阀门F1-3至适当开度，其余阀门关闭。

启动380伏交流磁力泵，给锅炉胆贮一定的水量（要求至少高于液位指示玻璃管的红线位置），然后关闭阀F1-13，打开阀F1-12，给锅炉夹套注一定的水量。

1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的PC机，进入的实验主界面。

2、在实验主界面中选择本实验项即“锅炉夹套水温PID控制实验”，系统进入正常的测试状态。

3、在上位机监控界面中点击“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接在输出值显示框中输入。

4、合上三相电源空气开关，三相电加热管通电加热，适当增加/减少输出量，使锅炉胆的水温稳定于设定值。

5、按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PID
控制规律，并按整定后的PID参数进行调节器参数设置。

6、待锅炉胆水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待水温稳定后，突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，一般为设定值的5％～15%为宜），锅炉胆的水温便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水温稳定至新的设定值。

点击实验界面下边的切换按钮，观察实时曲线、历史曲线、数据报表所记录的设定值、输出值，胆水温的响应过程曲线将如图13所示。

图13. 胆水温的响应过程曲线
7、适量改变控制器的PID参数，重复步骤6，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

8、开始往锅炉夹套打冷水，重复步骤3～7，观察实验的过程曲线与前面不加冷水的过程有何不同。

9、采用PI控制规律，重复上述实验，观察在不同的PID参数值下，系统的阶跃响应曲线。

本实验中，得到的等幅振荡曲线如下：
图14. 临界比例度整定时的等幅振荡曲线
得到Tk=180s，δk = 1
根据表三计算得：P=1.6 δk=1.6
Ti=0.5 Tk=90s
Td=0.125 Tk=23s
根据上面整定的参数，得出下面响应曲线：
图15. 整定后的阶跃响应曲线
上面的曲线超调量小，响应速度快，也比较稳定，是比较理想的一条曲线。

7. 心得体会
通过这次过程参数检测及仪表的课程设计，使我们加深了对过程参数检测基本概念的理解，掌握了仪表的基本设计方法和设计步骤。

这次课程设计的主要容是锅炉夹套水温定值控制系统的设计，通过这次实践环节，还让我们认识到了实践的重要性。

要真正落实时间环节，要在今后的学习中注意这几点：（1）在课程设计当中，要多独立思考、独立操作、独立分析，以培养独立工作的能力和严谨的工作态度。

（2）重视对实际问题的解决。

学习了过程参数检测及仪表这门课程，不光是会解答课后问题，还要能够解决实际问题才是最重要的。

这次课程设计，我们翻阅了很多的书籍和毕业论文，并上网搜索了很多关于锅炉夹套水温定值系统的设计材料。

并借鉴了许多期刊、论文、报告的指导，完成此课程设计。

虽然在设计和书写过程中，遇到了很多的问题，但是我们都努力突破。

当然，我们也知道该系统还存在很多的不足，还有很多的地方需要创新或者新技术的改进。

但是，完成的情况对于自己来说还是挺满意的。

不过，希望自己在以后更加努力的学习，争取可以做出真正具有社会价值的东西来。

在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。

回顾此次课程设计，使我们懂得了理论与实践相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从实践中得出结论，才能服务社会，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。

试验过程中，也对团队精神进行了考察，让我们在合作起来更默契，在成功后一起体会喜悦的心情。

此次课程设计也让我们明白了思路及出路，有什么不懂不明白的地方要及时
查阅资料，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识。

实用文档
8.参考文献
[1] 天煌科技实业. THJ-4型实验指导书[M].
[2] 杜维. 过程检测技术及仪表[M]. 化学工业.
[3] 昆仑通态自动化软件科技. MCGS用户指南[M].
[4] 高志宏. 过程控制与自动化仪表[M]. 大学，2006.
[5] 厉玉鸣. 化工仪表及自动化[M]. 化学工业，2004.
[6] 王森. 仪表工试题集[M]. 化学工业.
[7] 吴勤勤. 控制仪表及装置，化学工业.
大全。