電加熱爐控制系統設計畢業設計(已修改)

　

【正文】 密級： NANCHANG UNIVERSITY 學 士 學 位 論 文 THESIS OF BACHELOR（2006 —2010 年）題 目 鍋爐控制系統的設計 學 院： 環境與化學工程 系 化工 專業班級： 測控技術與儀器 南 昌 大 學學士學位論文原創性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密□，在 年解密后適用本授權書。本學位論文屬于 不保密□。（請在以上相應方框內打“√”）作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：南昌大學學士學位論文鍋爐控制系統設計 專業：測控技術與儀器 學號：5801206025 學生姓名：魏彩昊 指導教師：楊大勇摘要 溫度是流程工業中極為常見的熱工參數，對它的控制也是過程控制的一個重點。由于加熱過程、加熱裝置特殊結構等具體原因，使得過程對象經常具有大時滯、非線性、難以建立精確數學模型等特點，利用傳統的PID控制策略對其進行控制，難以取得理想的控制效果，而應用數字PID控制算法能得到較好的控制效果。本文主要闡述了一種改進型的加熱爐對象及其工藝流程，采用了PLC控制裝置設計了控制系統，使加熱爐的恒溫及點火實現了自動控制，從而使加熱爐實現了全自動化的控制。此種加熱爐可廣泛應用于鋁廠、鋼廠等金屬冶煉、金屬加工行業以及化工行業。 此設計以工業中的電加熱爐為原型，以實驗室中的電加熱爐為實際的被控對象，采用PID控制算法對其溫度進行控制。提出了一種適合電加熱爐對象特點的控制算法，并以PLC 為核心，組成電加熱爐自適應控制系統，其控制精度，可靠性，穩定性指標均遠高于常規儀表組成的系統。關鍵詞：溫度；電加熱爐；PLC；控制系統 Control System Design of Boiler ABSTRACTTemperature is a very popular parameter of pyrology in flow industry，so temperature control is an emphases of process 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 39。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, whichmakes the temperature invariable and auto ignition using PLC. It can be available inaluminum and steelmill and other metal industry, which can bring obvious economicand social benefits.The industrial design of the prototype electric oven to laboratory electric furnace of the real object, PID control algorithm for temperature 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 目錄摘要 IABSTRACT II第一章 緒論 1 1 2 3 3 4第二章 控制方案確定 5 5 電加熱爐控制系統分析: 10 11 溫度流量串級控制系統 11 液位流量串級控制系統 11 控制系統主要特色 12第三章 PLC 控制系統硬件設計及儀表選型 14 14 PROFIBUS 現場總線介紹 14 15 PLC控制系統設計 16 恒溫控制系統 16 恒壓控制系統 17第四章 控制系統的軟件設計 19 下位機軟件設計 19 19 21 22 CC 簡介 23 24第五章 儀器儀表的選型 25 25 25 26 28 壓力變送器的選型 28 壓力表的選型 29 30 溫度變送器的選型 30 31 32 32 控制柜的選型 33 33 34 34 35 35 35 36 36第六章 總結和展望 38 設計總結 38 課題展望 39參考文獻（References） 40致謝 4243第一章 緒論我國的電加熱鍋爐在10多年前問世，由于受到當時電力因素的制約，發展非常緩慢，只有幾個非鍋爐行業的廠家在生產。1998年以來，特別是2000年，電熱鍋爐市場迅速發展。行業內許多廠家都已經或者正在準備生產電熱鍋爐。由于起步晚 、規模小,電加熱鍋爐的控制水準很低，甚至很原始。電加熱鍋爐的控制與燃油（氣）鍋爐的控制有很大的不同[1]：1 電流巨大，屬大電流或超大電流控制；2 沒有現成的燃燒器及其程控器，鍋爐的加熱過程和控制品質完全由自己決定；3 比燃油（氣）鍋爐的自動化程度和蓄熱要求更高，外觀要求也更現代、更美觀。因此，電熱鍋爐控制存在較大難度。1998年我們抓住了市場機遇，再次把工業控制技術應用于電加熱鍋爐控制領域 ，把大型電力 負荷控制的成功經驗移植到電加熱鍋爐的大電流控制上來，率先提出了電加熱鍋爐的循環投切和分段模糊控制的控制模式，較好地解決了電加熱鍋爐控制的理論和實際問題。國內電加熱爐的加熱形式主要有以下兩個：1 電阻加熱式國內絕大多數廠家采用該方式，并選用電阻式管狀電熱元件。電阻加熱方式的電氣特點是鍋水不帶電，但在電加熱元件漏水或爆 裂時會使鍋水帶電或稱漏電。另外，受電熱元件絕緣導熱層的絕緣程度的影響，電熱管存在一定的泄漏電流。泄漏電流的國家標準是。該方式在結構上易于疊加組合，控制靈活，更換方便。2 電磁感應加熱式該方式的加熱原理是：當電流通過加熱線圈時，就會形成電磁場,把金屬鍋殼置于電磁場之中，就會使鍋殼產生渦流，并導致其發熱，從而完成對鍋水加熱的目的。其電流愈大，發熱量愈大。電磁感應加熱方式在工業上的應用較早，典型的應用就是中頻加熱爐。但是把它應用到鍋爐上，確屬首次，很有創意值得關注 。目前國內只有一家廠家生產這種電熱鍋爐。該方式的優點是，與水和鍋爐是非接觸式加熱，因此絕無漏電的可能性；另一個優點是該方式須用可控硅做驅動輸出，因此具有無觸點開關的獨特優勢；機械噪聲小，可多級或無級調節，使用壽命長。該方式的缺點是熱效率比電阻加熱方式要稍低，約96%:。這是因為后者是直接與鍋水接觸加熱，而前者是間接加熱，況且作為功率驅動元件的可控硅元件，其本身也要消耗一定功率。國內電加熱爐控制有四個發展階段：第一階段：手動控制、溫度儀表顯示處于發展初期的電加熱鍋爐控制采用溫度儀表顯示溫度，由人工手動投切，以達到逐級投切和溫度調節的目的。還有一種形式是無論功率多大，均分三個投切組，二組為手動，一組用溫控表控制。第一階段手動控制方式自動化程度極低，控制效果較差。第二階段：順序控制器或PLC程控器 ，溫度儀表參與控制人們把人工手動投切改為用順序控制器或PLC程控器來完成逐級投切，使鍋爐控制基本能夠自動化。為了解決逐級投切的自動化，廠家在采用PLC作程控器，或開發了電子順序控制器后，不但可以實現逐級投切自動化，還能定時啟停鍋爐。然而由于仍然使用溫控表來進行全功率的溫度控制，動作頻繁，控制效果較差，甚至產生控制振蕩。第三階段：全PLC控制為了滿足市場對電加熱鍋爐自動化的更高要求，有少數廠家開發了全PLC控制系統，全PLC控制就是不但使用PLC主機，還配置了溫度輸入模塊和顯示單元（液晶顯示或觸摸屏顯示），在硬件上組成了完整的控制系統 。通過廠家編制的控制程序，全PLC控制可以達到全部電加熱鍋爐的自動化要求，并具有良好的人機界面。它的缺點是成本很高，應用面很窄，控制程序的優劣直接與編程人員 的專業水準相關，還需要專業人員去現場改變現場設置。第四階段：專用電腦控制用電加熱鍋爐專用電腦取代通用的PLC，更取代溫控表。它具有全PLC控制的全部優點，并克服了全plc控制的全部缺點，可產品化，成本低，易與各種電熱鍋爐配套，配備最先進和成熟的控制程序，現場參數可由一般操作人員在現場進行設置和解決。因此電加熱鍋爐專用電腦控制器已被廣泛采用。電加熱鍋爐加熱的調節方式和控制模型：從電氣角度上看，電加熱鍋爐就是一臺大功率的電力調功設備，鍋爐輸出的熱功率越高，電功率的輸出也應越大。電功率的輸出調節分有級功率調節和無級功率調節兩種。無級功率調節用于調節精度要求較高的場合，有級功率調節用于調節精度要求較低的場合。由于對鍋爐輸出熱功率的精度要求一般都不很高，因此國內絕大多數電加熱鍋爐均采用有級功率調節方式[2]。電功率輸出的元件分為有機械觸點和無機械觸點兩大類。前者是交流接觸器，后者是可控硅，交流接觸器只能用作有級功率調節，優點是主回路完全電氣隔離，耐過流和過壓能力較強、自身耗電小、發熱量也小、價格較低，缺點是有機械動作噪聲，觸點壽命較短。可控硅可以用作無級功率調節，也可用于有級功率調節，優點是無機械動作噪聲，觸點壽命較長，缺點是主回路不能完全關斷，過電流和過電壓能力差，自身耗電較大，需要強制散熱，價格較高。因此國內絕大多數電加熱鍋爐采用交流接觸器作電功率輸出元件。而中頻感應加熱鍋爐因為電路的需要，必須用可控硅作電功率輸出元件。另外小功率家用鍋爐也適合用可控硅元件。 本設計基于PCTⅢ型過程控制實驗裝置中的電加熱爐被控對象，要求從工程的角度完成電加熱爐的PLC系統的自控專業施工圖設計，通過本次設計，掌握控制系統設計的流程和方法。已知：流體介質為水，相關數據：閥前壓力；壓降；溫度t = 20176。C；液體體積流量；管道直徑 。具體內容及要求如下：1. 熟悉電加熱爐的工藝流程，掌握溫度、流量、液位等被控對象的特性；2. 完成控制對象的數學建模及控制系統仿真，確定控制方案，優先采用流量變比值控制系統或串級控制系統；3. 采用PLC作為控制元件，并根據已知條件，進行相關儀器儀表的計算與選型；4. 繪制自控專業部分施工圖圖紙，完成畢業設計報告。PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。作為工業控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID 調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法[6]。大中型PLC都有PID 模塊，目前許多小型PLC 也具有此功能模塊。PID 處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制