锅炉控制系统论文

1、分类号： tp29 编号：by 15 4788 10/11/2 12-0702沈阳化工大学本科毕业论文题 目：锅炉综合自动控制系统设计 院 系： 信息工程学院 专 业： 自动化 班 级： 0702 学生姓名： 白静 指导教师： 郭小萍 论文提交日期：2011年 6月 24日论文答辩日期：2011年 6月 28日摘要随着现代化工业的飞速发展，对能源利用率的要求越来越高，作为将一次能源转化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理随之要求越来越高。目前，我国燃烧供热所用的锅炉的燃烧效率还相当低，而且也使得锅炉的燃烧不充分，而造成大气污染加重，所以这就迫切要求我们的锅炉技术得到提高，设计出一套热效

2、率高、节能、环保、安全的锅炉控制系统。因此，进行锅炉过程控制系统设计具有重要的实际意义。该论文在参考文献的基础上，首先介绍了课题研究意义，基础理论知识，其中包括plc相关的理论以及过程控制系统的理论，描述了锅炉燃烧、水位控制系统的工作原理。然后分析了锅炉控制系统的控制任务及控制目标，设计了相应的控制系统，主要包括锅炉汽包水位控制系统、燃烧控制系统以及蒸汽温度控制系统，并且选择了满足要求的控制方案。在有了基础理论后，找控制系统中i/o点,详细分析i/o点的类型、数量等。根据i/o点，对plc进行选型，再根据所选的plc，对i/o点的地址进行分配。最后进行软件设计。绘制程序流程图，然后设计梯形图，

3、最后在s7-200的编程软件上实现。关键词：锅炉;水位控制;燃烧控制;蒸汽温度控制;可编程序控制器abstractwith the rapid development of modern industry, the energy utilization ratio of the demand is higher and higher, as will a energy into two times the energy of one of the important equipment, the boiler control and management then demand is high

4、er and higher. at present, chinas burning heating boiler combustion efficiency used is rather low, but also make the boiler combustion is not full, and cause air pollution is aggravating, so it is urgent requirement of our boiler technology improvements, design a set of high thermal efficiency, ener

5、gy saving, environmental protection, safety of boiler control system. therefore, in the process control system design of boiler is important practical significance. this paper on the basis of the references, first introduced the research significance, the basic knowledge, including plc related theor

6、y and the theory of process control system, describes the boiler combustion, water level control system principle of work. and then analyzes the boiler control system of the controlling tasks and control target, the relevant control system design, including the boiler drum water level control system

7、, the combustion control system and steam temperature control system, and select the meet the requirements of control plan .look for control system i/o point. according to the i/o points, the selection of plc, again according to the selected plc, the i/o address for the distribution of the points. d

8、esign the software. draw program flow charts, and then design ladder diagrams, the last in the s7-200 programming software realization. key words: boiler; water level control; burning control; steam temperature control; programmable controller 目 录第一章 绪论11.1 锅炉控制系统设计目的及意义11.2 锅炉控制系统的国内外发展状况21.2.1 锅炉自

9、动控制的国内外现状21.2.2 锅炉自动控制的发展前景31.3 本文主要内容及论文结构41.3.1 论文主要内容41.3.2 论文结构5第二章 基础理论知识62.1 plc介绍62.1.1 plc的基本概念62.1.2 plc的基本结构62.1.3 plc的工作原理72.1.4 plc的编程语言82.1.5 plc的程序结构92.1.6 plc在控制系统中编程的步骤102.2 过程控制系统简介112.2.1 过程控制系统的发展112.2.2 简单控制系统122.2.3 复杂控制系统122.2.4 pid控制简介15第三章 锅炉综合控制系统设计183.1 背景介绍183.1.1 工艺及装置介绍1

10、83.1.2 锅炉控制任务203.1.3 锅炉控制方案203.2 选型233.2.1 i/o点分布233.2.2 plc选型253.2.3 i/o地址分配263.3 软件编程283.3.1 程序流程图283.3.2 梯形图32第四章 结论36参考文献37致谢38第一章 绪论1.1 锅炉控制系统设计目的及意义目前，相当多的锅炉仍旧在采用传统方式控制，主要依靠操作员手工来完成，这样就要求锅炉操作员时刻都要在现场监控锅炉运行情况，并且要对整个锅炉系统的运行过程以及过程中各个环节的相互影响都有相当深刻的了解，能够根据现场实际情况及时调整各个相关参数以达到工艺要求。其过程复杂，而且还凸显了很多弊端。操作

11、容易导致安全事故，而且参数控制不够准确及时，而导致能源和资源的浪费严重，另外运行维护成本也高，劳动效率低下。随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。锅炉是我国石油、化工、发电等工业生产过程中必不可少的设备，其产物蒸汽不但可以作为蒸馏、干燥、反应、加热等过程的热源，并可以作为驱动设备的动力源。根据不完全统计，我国共有各类锅炉近40万台，每年的耗煤量达3亿多l吨，占我国原煤产量的三分之一。由于煤质变化大，设备陈旧，不仅工人劳动条件差，劳动强度大，而且锅炉热效率低。因此，在

12、满足工艺要求的前提下，为了提高锅炉的效率，低能源消耗，把工人从繁重的劳动中解放出来，促进文明生产，锅炉实现自动控制是一个急待解决的问题1。 据有关资料统计，一台10t/h的锅炉,若提高热效率1%，每年就能节约煤200吨左右，约合人民币20000多元，济效益是很明显的。又如对燃煤锅炉进行改进，实行自动控制，在不需要人工干预的情况下，随时调整给水量、燃料量、送风量及引风量，维持水位、蒸汽压力、蒸汽温度及负压的恒定，有可能将锅炉的热效率提高5%以上。另外，使锅炉达到经济燃烧状态，还可以减少烟气中的含尘量，减少空气污染。随着能源问题的突出，企业现代化管理水平的提高，还有环保意识的增强，作为将一次能源转

13、化为二次能源的重要设备之一的锅炉，其控制和管理的要求越来越高，现在的企业中的小型锅炉的控制技术不提高将难以适应生产的需要。因此，这就需要在锅炉控制技术上进行变革，需要设计一种性价比合理的、使用和维护方便的新型工业锅炉控制系统。plc的出现，使人们摆脱了常规仪表的局限性，为锅炉的自动控制注入了新的活力，使得一些先进的控制方法得以实现。plc是目前最常用的装置，其最大特点就是可靠性高、功能强大，他的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。此外，plc编程简单，使用方便，现场调试时间短。为此，本课题通过plc来对整个锅炉作业过程进行实时监控，配置控制与管理系统，实现自动控制2。总结国内外锅炉控制

14、经验，结合实际，设计出适合锅炉的控制硬件系统，并实现先进控制算法，提高锅炉的自动化水平，以及效率，合理利用资源，达到锅炉控制系统安全、节能、环保运行。这具有重要的经济效益和深远的社会效益。1.2 锅炉控制系统的国内外发展状况1.2.1 锅炉自动控制的国内外现状锅炉的自动控制经历了三、四十年代单参数仪表控制，四、五十年代单元组合仪表、综合参数仪表控制，直到六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。在欧美和日本等发达国家，石油和天然气己成为第一能源，占

15、能源消费的60%左右，燃油和燃气锅炉己逐步取代燃煤锅炉，风机和水泵等电机的变频控制己相当成熟。自20世纪90年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制、自适应控制等智能控制算法的发展以及智能控制器的应用，锅炉控制水平大大提高，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。在我国，锅炉的控制大致经历了四个阶段3：(1) 手动阶段在六十年代以前，由于自动化技术与电子技术发展不成熟，人们的自动化观念还比较淡薄，这段时期的锅炉一般采用纯手动的控制方式，即操作工人通过经验决

16、定送风、给水、引风、给煤的多少，通过手动操作器等方式来达到控制锅炉的目的。这样就要求司炉人员必须有丰富的经验，增加了工人的劳动强度，事故率高，更谈不上保证锅炉的高效率运行。(2) 自动化单元组合仪表控制阶段随着自动化技术与电子技术的发展，国外己经开发并广泛应用了全自动工业锅炉控制技术。60年代前期，我国工业锅炉的控制技术开始发展，60年代后期我国引进了国外的全自动燃油工业锅炉的控制技术，70年代后期己经研制了一些工业锅炉自动化仪表，正式将自动化技术应用于工业锅炉控制领域，因而热效率有所提高，事故率也有所下降。但是，由于采用单元组合仪表靠硬件来实现控制功能，可靠性低，精度不高，而且只能完成一些简

17、单的控制算法，不能实现一些较先进的算法和控制技术，控制效果仍然不理想。(3) 采用微机测控阶段随着电子技术的发展，高集成度、高可靠性、价格低廉的微型计算机、单片机、工业专用控制计算机的出现以及在我国的广泛应用，为锅炉控制领域开辟了一片广阔的天地。运用计算机技术，开发出高效率、高可靠性、全自动的微机工业测控系统日益得到重视。80年代后期至今，国内己经陆续出现了各种各样的锅炉微机检测系统，明显地改善了锅炉的运行状况，但还不够完善，并对环境和抗干扰要求较高。(4) 智能控制的广泛应用阶段由于现代控制理论的发展以及在各方面的应用，解决了传统控制理论难以解决的问题，给工业过程控制带来了崭新的应用前景，并

18、取得了前所未有的效果，成为目前正在迅速发展的一个领域。各种形式的控制系统、智能控制器不断地开发和利用。1.2.2 锅炉自动控制的发展前景现代过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，对生态环境的影响也日益突出，这些都对控制提出了越来越高的要求。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此，仅用常规仪表己不能满足现代化企业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及有很强的通信能力等特点，已在过程控制中得到十分广泛的应用。锅炉作为一种典型的生产过程，其自动控制水平已随着过程计算机系统的发展而发展。从当前的

19、趋势看，在大型企业中，过程控制计算机正成为一种把控制和管理融为一体的综合自动化系统。自动化技术，信息技术和各种工业生产技术的基础上，通过计算机系统将工厂全部生产活动所需的信息和各种分散的自动化系统有机的集成起来，形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统，现已成当前控制领域的一个重要研究方向。在控制技术方面，近年来，为了获得更好的控制性能，把基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术相结合的集成控制技术受到了重视，获得了较广泛的研究4。由于锅炉生产过程是缓慢的，而计算机的运算过程是相当快的，所以计算机在完成系统控制功能的基础上还可以利用软件

20、来代替许多仪表单元（如函数发生器、加减器、微分器、限幅报警器、滤波器等），从而既减少投资又减少故障率。计算机控制还可以把许多必要的参数（如压力，流量、温度等）定时打印出来，使管理更现代化、科学化。计算机参与锅炉的控制还能够对运行系统进行各种在线测试，使锅炉以较高的效率进行，这样能节约能源，也为提高控制精度和完善锅炉结构指出了改进的方向。如果计算机发展到智能计算机系统，也就是接近人的计算机系统。这种计算机如果应用到工业锅炉生产上，那么锅炉生产的管理会更完善，能源的利用会更加合理，更加充分。到那时，工业锅炉的控制将会出现更新的局面。计算机在工业锅炉上的应用是很有发展前途的。 因此，锅炉的自动控制当

21、前正朝着多学科结合的计算机技术的应用，管理控制一体化的趋势发展。1.3 本文主要内容及论文结构1.3.1 论文主要内容论文首先介绍了工业锅炉的组成及工作过程，对整个生产工艺进行了概述。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些输入变量与输出变量之间相互关联，构成了锅炉主要的控制系统。1.锅炉汽包水位控制系统。采用三冲量控制系统，即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。2.锅炉燃烧控制系统。在燃烧控制系统的三个子

22、系统中，通常通过调节燃料量维持蒸汽压力的恒定，调节送风量以保证燃烧的经济性，调节引风量维持炉膛负压的稳定。3.过热蒸汽温度控制系统。过热蒸汽温度是锅炉生产工艺的重要参数，过热蒸汽温度控制的任务是将汽包出来的饱和蒸汽加热到一定温度，形成过热蒸汽。在设计完控制方案的基础上，本系统采用plc控制，对plc进行硬、软件的设计。最后对系统实现自动控制。1.3.2 论文结构论文的第一章，主要介绍了课题的研究目的及意义，对锅炉综合控制系统的国内外发展情况进行了介绍。论文的第二章，主要介绍了本设计涉及到的一些基础知识及理论，包括可编程控制器以及过程控制等的一些知识。论文的第三章，首先介绍了锅炉的工艺流程及装置

23、，对整个工艺进行了说明，其次介绍了主要的控制系统及控制方案，在此基础上进行硬件选型，最后根据前面的工作，进行软件设计。论文的第四章，结论，即对整个设计总结，包括优缺点，以及展望等。第二章 基础理论知识2.1 plc介绍2.1.1 plc的基本概念可编程逻辑控制器(programmable logic controller)简称plc，它是采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和计算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分5。早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着微电子技术、计算机技术和通信

24、技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，plc无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的plc己不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.1.2 plc的基本结构plc实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为

25、6：a、电源plc的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去。b、中央处理单元(cpu)中央处理单元(cpu)是plc的控制中枢。它按照plc系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序

26、，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。c、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。d、输入输出接口电路一是现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路组成，作用plc与现场控制的接口界面的输入通道。二是现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用plc通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。e、功能模块如计数、定位等功能模块。f、通信

27、模块 如以太网、rs485等通讯模块2.1.3 plc的工作原理plc的工作原理可用一句话概括，即扫描的工作模式。有周期性、批处理的特点。当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cpu以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(1) 输入采样阶段 在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因

28、此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(2) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。(3) 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o

29、映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是plc的真正输出。一般来说，plc的扫描周期还包括自诊断、通信等，即一个扫描周期等于自诊断、通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间总和。2.1.4 plc的编程语言以西门子plc的编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。(1) 顺序功能图这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：机械手控制程序）。编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。(2) 梯形图 这是使用最多的plc编程语言。因

30、与继电器电路很相似，具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气人员所掌握，特别适合于数字量逻辑控制。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，常用来控制指示灯，开关和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。(3) 语句表是一种类似于微机汇编语言的一种文本编程语言，由多条语句组成一个程序段。语句表适合于经验丰富的程序员使用，可以实现某些梯形图不能实现的功能。(4) 功能块图功能块图使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框

31、图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。(5) 结构文本结构化文本（st）是为iec611313标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。2.1.5 plc的程序结构西门子的cpu的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。 (1) 主程序 主程序是程序的主体，每个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。主程序通过指令控制整个应用程序的执行，每个扫描周期都要执行一次主程序。 (2) 子程序 子程序是可选的，仅在被

32、其他程序调用时执行。同一个子程序可以在不同的地方被多次调用。使用子程序可以简化程序代码和减少扫描时间。设计的好的子程序容易移植到别的项目中去。 (3) 中断程序 中断程序用来及时处理与用户程序的执行时序无关的操作，或者不能事先预测何时发生的中断事件。因为不能预知何时会出现中断事件，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器。2.1.6 plc在控制系统中编程的步骤(1) 仔细阅读产品说明书7第一步看起来很简单，因此会被很多设备工程师认为是浪费时间而忽略。仔细阅读说明书，首先要阅读安全守则，知道哪些机构可能会对人造成伤害，哪些机构最容易发生撞击，当发生危险时如何解决。这是很重要的一步。(

33、2) 编程软件中进行硬件配置，找出i/o点。在编程前，首先要找到需要控制的i/o点，对其进行具体分析，编程根据实际plc的类型建立硬件配置以及相应的通讯配置，将i/o地址进行分配。(3) 编写程序流程图在进行plc软件编程之前，一定要先写出程序的流程图。一个完整的程序，应该包括主程序、停止程序、急停程序、复位程序等部分，如果软件允许，应该将各个程序按“块”的形式编写，即一个程序是一个块，最终将每个块按需求来调用即可。(4) 软件中编写程序确保流程没有问题后，便可以在软件中编写程序了。编写程序时按照程序流程图来编写。(5) 调试程序一般调试程序，可以分成两个方面：a、如果条件允许，可以先用软件的

34、仿真功能做测试。b、传到plc中进行在线的调试。目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，plc能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型plc都有pid模块，目前许多小型plc也具有此功能模块。pid处理一般是运行专用的pid子程序。此外，plc可靠性高、功能强大，他的高可靠性的设计非常适合在工业现场环境下应用。由此可看出，plc在工业控制中已经起到了非常重要的作用。2.2 过程控制系统简

35、介2.2.1 过程控制系统的发展 随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程

36、信息系统相结合，具有更多的功能。在现代工业控制中，过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是:分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中,过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方

37、向发展，即计算机集成制造系统(cims)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化8。工业生产过程控制是现代工业自动化的一个重要领域。它是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性应用学科，理论性、综合性和实践性都很强。2.2.2 简单控制系统简单控制系统指的是单输入-单输出的线性控制系统，是控制系统的基本形式。其特点是结构简单，而且具有相当广泛的适应性。在计算机控制已占主流的今天，即使在高水平的自动控制设计中，简单控制系统仍占控制回路的绝大多数。力求简单、

38、可靠、经济与保证控制效果是控制系统设计的基本准则。简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。检测元件和变送器用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。控制器用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，按一定的控制规律对其偏差进行运算，运算结果输出到执行器。执行器是控制系统回路中的最终元件，直接用于控制操作变量变化。被控对象是需要控制的设备。设定值被控变量控制器执行器被控对象测量变送图2.1 单回路控制系统方框图2.2.3 复杂控制系统随着生产的发展、工艺的革新必然导致对操作条件的要求更加严格，变量间的相关关系更加复杂，为适应生产发展的需要，产生了复杂控制系统。

39、在特定条件下，采用复杂控制系统对提高控制品质，扩大自动化应用范围起着关键性作用。在单回路控制系统的基础上，再增加计算环节、控制环节或者其他环节的控制系统称为复杂控制系统。常用的复杂控制系统有串级控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统、选择控制系统、前馈控制系统等等。以下介绍前馈控制系统、串级控制系统、比值控制系统，具体介绍如下所示9。(1) 前馈控制系统前馈控制的基本原理就是测量进入过程的干扰量（包括外界干扰和设定值变化），并根据干扰的测量产生合适的控制作用来改变控制量，使被控变量维持在设定值上。它是当扰动产生以后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对

40、被控变量的影响。主要是针对易测的干扰，目的是在干扰还未影响被控变量之前就把干扰消灭。 图2.2 前馈控制系统方框图其中，是干扰对被控变量的传递函数；是操作变量对被控变量的传递函数；是前馈控制器的传递函数。 前馈控制系统的主要特点有：a、前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效；b、前馈控制是属于“开环”控制系统；c、前馈控制使用的是“专用”控制器，又称前馈补偿装置；d、一种前馈作用只能克服一种干扰。前馈控制主要用于下列场合：a、干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；b、主要干扰是可测不可控的变量；c、对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采

41、用前馈-反控制系统，以提高控制质量。(2) 串级控制系统采用不只一个控制器，且控制器间相互串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数）；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。串级控制系统的工作过程：当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分情况

42、进行分析：a、扰动作用于副回路；b、扰动作用于主回路；c、扰动同时作用于副回路和主回路。分析可以看到，在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。y 图2.3串级控制系统方框图串级控制系统的工业应用：a、用于克服被控过程较大的容量滞后；b、用于克服被控过程的纯滞后；c、用于抑制变化剧烈幅度大的扰动；d、用于克服被控过程的非线性。串级控制系统特点：a、从在系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送

43、器。b、在串级控制中有主、副两个变量。c、串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特性，使控制过程加快，提高控制质量。d、串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。(3) 比值控制系统在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。a、主物料，也称主动量：处于主导地位的物料，在要保持一定比例关系的物料中，起着主导作用。一般是较贵重、稀有、用量少的定为主物料。b.从物料，也称从动量：按主物料进行配比，随主

44、物料的变化而成比例地变化的物料。一般把易控、便宜、用量较多的定为从物料。比值控制系统可分为：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。其中，单闭环比值控制系统使两种物料的比值较为精确，实施较方便，所以得到了广泛的应用。以下以单闭环比值控制系统为例，介绍比值控制系统。检测变送2检测变送1控制器执行器流量对象比值器图2.4单闭环比值控制系统方框图单闭环比值控制系统的四种工作情况10：a、当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。b、当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定

45、值，保证比值一定。c、当主物料流量受到扰动，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量变化，从而保证原设定的比值不变。d、当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。2.2.4 pid控制简介当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。在工程实际中，

46、应用最广的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称pid控制，又称pid调节。pid控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。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。pid控制，实际中也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。(1) pid控制原理pid控制器由比例单元（p）、积分单元（i）和微分单元（d）组成。其控制规律为11+式中：-为比例系数； -为积分时间常数；

47、-为微分时间常数a、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。不过对于那些允许余差存在，控制要求不高的场合，这时可以采用纯比例控制。b、积分（i）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。在比例控制中存在误差，为了消除误差，控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，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，可消除余差。但积分作用也有缺点，即积分饱和，因此使用积分时要考虑。c、微

48、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惯性环节或有滞后环节，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，所以对有较大惯性或滞后的被控对象，要加“微分项”，这样能改善系统在调节过程中的动态特性。 (2) pid控制的参数整定pid控制器的参数整

49、定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定pid控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。pid控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。pid控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控

50、制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行pid控制器参数的整定步骤如下：a、首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；b、仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；c、在一定的控制度下通过公式计算得到pid控制器的参数12。pid参数的预置是相辅相成的,运行现场应根据实际情况进行具体分析，使其参数间互相协调，经过反复的调试、修改，从而找到最适合控制系统的数值。第三章 锅炉综合控制系统设计3.1 背景介绍3.1.1 工艺及装置介绍图3.1工艺设备图一般的锅炉结构主要由以下几部分组成13：(1)

51、 汽锅:由上下锅筒和沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而在管簇内发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽聚集在锅筒里面。为了得到干度比较大的饱和蒸汽，在上锅筒中还装有汽水分离设备，下锅筒作为连接沸水管之用，同时储存水和水垢。(2) 炉膛:是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。燃料由传送设备直接送入炉内燃烧。所需的空气由鼓风机送入，燃尽的灰渣被炉排带到除灰口，入灰斗中。高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水以后，由烟囱排到大气中。(3) 过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为合格蒸汽的换热器件，亦称为过热蒸汽换热器。(4) 省煤器：是利用烟气预热锅炉的给水，以降低烟气温度的换热器件。

52、省煤器由蛇形管组成。(5) 空气预热器:是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器。通常，大、中型锅炉中均设有空气预热器。 (6) 引风设备:包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出。 (7) 送风设备:由送风机和风道组成，供应燃料燃烧所需要的空气。 (8) 给水设备:由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路和省煤器的流动阻力和锅炉的压力，把水送入锅筒。 (9) 水处理设备:用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。(10) 燃料供给设备:由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。

53、(11) 除灰除尘设备:分别为收集锅炉灰渣并运往存灰场地及除去烟气中灰粒的设备，以减少对周围环境的污染。原煤或煤粉炉排炉膛炉省煤器给水引风机烟囱预热器鼓风机汽包汽水分离过热器过热蒸汽图3.2锅炉工作流程示意图由上面的锅炉工作流程示意图可以看出，燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过热器，形成一定温度、压力的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备调节阀供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气14。3.1.2 锅炉控制任务燃煤

54、蒸汽锅炉的生产任务是根据负荷设备的要求，生产具有一定参数（压力及温度）的蒸汽，为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉控制主要有下列自动调节任务15： (1) 保持汽包水位在设定范围，汽包水位是锅炉正常运行的主要标，关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数。对于汽包水位的调节，调节参数可以选用给水阀的开度。 (2) 维持蒸汽压力在预定值，蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽锅炉的重要工艺参数。控制蒸汽压力，是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。 (3) 维持锅炉燃烧的经济性，必须使空气和燃料维持适

55、当的比例，使锅炉燃烧过程工作在最佳工况下，使锅炉热效率最高，达到节能降耗的目的。 (4) 维持炉膛负压在一定范围内，炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。要使蒸汽压力、炉膛负压和燃烧经济性指标保持在允许范围内。3.1.3 锅炉控制方案为了实现上述调节任务，将锅炉设备控制划为若干控制系统。主要控制系统如下16： a、 锅炉汽包水位控制系统，被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。 b、 锅炉燃烧控制系统，有三个被控量，蒸汽压力、烟气成分和炉膛负压。其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持锅炉负压在一定的范围内。操纵变量也有三个，即燃料量、送风量、和引风量。 c、 过热