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1、目录第一章 锅炉供暖现状.4第二章 控制方式选择.4 第三章 硬件设计8第四章 工艺生产过程简介.12第五章 可编程序控制器的选择.18第六章 系统构成.21第七章 参数检测22第八章 控制系统流程图24参考文献26仪表盘正面布置图设计.27仪表供电系统设计28仪表盘背面电气接线图29设备选型表.30第一章供暖锅炉现状现有的供暖锅炉由蒸汽锅炉改造而成的常压热水锅炉，常压锅炉使用安全，对原材料的要求比蒸汽锅炉低，无需控制蒸汽压力，控制精度要求相对要低。目前国内外对蒸汽锅炉控制的研究己经比较成熟，锅炉控制数学模型基本定型，而供暖锅炉控制相对简单，对其研究不够重视。本文以火力发电厂蒸汽锅炉的控制模型
2、为参考，提出供暖锅炉的控制模型。供暖锅炉控制系统属于过程控制系统，其控制的目标是控制锅炉燃烧过程中的出水温度、回水温度、出水压力、回水压力、炉膛负压等参数，使锅炉燃烧工况良好，保证设备运行安全，满足用户的供热要求。在供暖期间，系统根据室外温度的变化分时段控制锅炉的出水温度和系统回水温度。在室外温度较低的时段内，出水温度的设定值较低，在室外温度较高的时段内，出水温度的设定值较高，进而调节出水供热量。在某一时段内，则通过调节热水循环流量对出水供热量进行微调。锅炉出水温度的调节主要靠燃烧控制系统来实现，而系统回水温度的调节主要靠热水循环流量来调节，出水压力和回水压力的大小由循环泵和补水泵的状态来决定
3、。调节温度和压力等参数时，采用偏差控制和PID控制相结合的控制方式。偏差控制方式应用于系统的开关量输出，PID控制方式应用于系统的模拟量输出。第二章 控制方式选择2.1 偏差控制方式偏差控制是指当热工参数实际采集值与用户设定值之间存在偏差时，系统通过调节某些量来减小偏差，直至实际采集值等于用户设定值为止。但这只是一种理想设计，在实际应用中，由于系统误差的存在，实际采集值不可能等于用户设定值。因此，引入“回差”的概念，即给用户设定值一个可以接受的范围，在此范围内都可认为达到系统设定值。例如锅炉的出水温度设定值为T0，温控回差为h，则当出水温度T满足式3-1时即可。 (3一1)2.2 PID控制方
4、式. PID控制器基本概念PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时、控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用PID控制技术。1比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。2积分（I）控制在积分控制中,控制器的输出与输入误
5、差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，采用比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3微分（D）控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节
6、过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大的惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。偏差控制只能输出开关量信号，对于连
7、续调节的设备，则需要过程控制系统中最常用的控制规律PID控制方式PID控制，即按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的结果。PID调节器既能消除静差，改善系统的静态特性，又能加快过渡过程，提高系统的稳定性，改善系统的动态特性，是一种比较完善的调节规律，主要应用于温度控制和压力控制等过程控制系统中，以克服时间响应滞后，得到较好的控制指标。 , PID控制器的基本形式 PID控制分两种基本形式，即模拟PID控制器和数字PID控制器如图3-1所示，理想控制规律为其
8、中，KP为比例增益，与比例带成倒数关系，即,TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，u(t)为控制量，e(t)为偏差。 比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除静态误差，KP过大，可能会引起系统的不稳定:积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除静态误差，因而，只要有足够的时间积分作用将能完全消除误差，但调节动作缓慢;微分控制加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态特性。在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期足够短时，用求和代替积分，使模拟PID离散化变为差分方程，如式3-3所示 以上是PID
9、控制的理论控制方程，但在实际应用中，要根据控制系统的特点，做适当的改进。 , PID控制器的改进 计算机控制是一种比较准确的控制方式，只要系统偏差存在且.大于传感器的精度范围，一计算机就不断进行控制量增量的计算，并输出相应的控制信号给执行机构，改变执行机构的状态，这样容易产生某些动作过于频繁而引起振荡。为避免控制动作过于频繁以消除振荡，在实际工程应用中，通常在PID控制系统中增加一个死区环节，如图3-2所示，相应的算式为其中为人为设定的一个死区，是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象由试验确定。太小，使调节过于频繁，达不到稳定控制量的目的; 太大，则系统将产生较大的滞后。在锅炉的燃烧控制
10、系统中，为避免风机和炉排转速频繁地改变，可适当地为出水温度设定一个死区，如1。 在锅炉控制系统中，当启动/停止电机或大幅度改变温度、压力等设定值时，由于短时间内产生很大的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，以致造成很大的超调和长时间的振荡。为克服这个缺点，可采用积分分离的方法，即偏差e(k)较大时，取消积分作用;当偏差e(k)较小时才将积分作用投入。亦即当积分分离阀值刀应根据具体对象及控制要求确定。例如出水温度的控制，可以选定卢为5或10等，依据控制精度要求而定。 综上所述，锅炉控制系统中燃烧控制和水泵控制所采用的PID控制方式，作出死区设定和积分分离两项改进措施，以达到稳定控制温度和压力等信
11、号的目的。 3,经验凑试法整定PID参数PID控制器参数整定主要整定比例系数KP、积分时间界和微分时间几等参数。增大比例系数K。一般会加快系统的响应，:在有静差的情况下有利于消除静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。 增大积分时间常数TI，相当于减小积分系数，积分作用减弱，有利于减小超调，减小振荡，但系统静差的消除将随之变慢。 增大微分时间常数TD有利于加快系统响应，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。 在凑试时，可参考3个参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。 (1)首先整定比例部分。即将比例系数KP由小变大，并观
12、察相应的系统响应，直到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有消除静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线己属满意，那么只须用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。 (2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节，整定时首先置积分时间T,为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数P略为减小(如缩小为原值的0.8倍)，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据控制效果反复改变比例系数大，与积分时间T,，以期得到满意的控制过程和整定参数。- (3)若使用比例积分调节器(PI控制锥)消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加
13、入微分环节，构成完整的PID控制器。在整定时，可先置微分时间To为零。在第二步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。第三章硬件设计随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器（Programmable Logic Controller）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用控制装置。本章主要介绍西门子
14、S7-300系列PLC以及其它硬件的组成与选型。3.1 PLC的基本概念可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。3.1.1模块式PLC的基本结构这里我们主要介绍的是西门子S7-300，S7-300属于模块式PLC。西门子的PLC以其极高的性价比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7-300模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块
15、和编程设备组成，各种模块安装的机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。图3.1是PLC控制系统的示意图。CPU模块：CPU模块主要由微处理器和存储器组成，S7-300将CPU模块简称为CPU。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，模块中的存储器用来存储程序和数据。PLC控制系统示意图信号模块：输入（Input）模块和输出（Output）模块一般简称为I/O模块，开关量输入/输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入/输出模块简称为AI模块和AO模块，在S7-300中统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入
