锅炉温度控制系统的设计

成成绩题目基于PID的锅炉温度控制系统的设计 课程名二级学专班学生姓学指导教称过程控制系统与仪表院机电工程学院 业自动化 名金高翔 师黄丽丽 基于PID的锅炉温度控制系统的设计摘要：从上世纪的80年代到90年代中期，PLC得到了飞速的发展，在这个时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了大幅度的提高，PLC逐渐的进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的未来，是无法取代的。数，以PLC为控制器，构成锅炉温度控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。本文分别就锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。关键词：电热锅炉的控制系统温度控制PLCPID根据国内实际情况和环保问题的考虑和要求，燃料锅炉由于污染并且效率不高，已经逐渐被淘汰；燃油和燃气锅炉也存在着燃料供应不方便和安全性等问题。因此在先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪表，并在各行广泛应用。更具有吸引力。控对象，很难用数学的方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难D电热锅炉的控制中，用来代替传统的控制方法，并获得良好的控制效果。因此，锅炉温度控制系统一直是工业技术人员研究的重点及热点。CLCPLC介绍LCCPU组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合在某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如DCS(集散控制系统)组态，PLC梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持高级语言。在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：ABB-OptiMax，WinCC，进行组态的设计。(3-1)(3-1)组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。3PID控制及参数整定PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其数学表达式为：Ti0dt(1)比例系数KC对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。K偏大，振荡次c数加多，调节时间加长。K太大时，系统会趋于不稳定。K太小，又会使系统cc的动作缓慢。K可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决c定的。如果K的符号选择不当对象状态就会离控制目标的状态越来越远，如果出c现这样的情况K的符号就一定要取反。ci积分作用使系统的稳定性下降，T小(积分作用强)会使系统不稳定，但能i消除稳态误差，提高系统的控制精度。T的影响：d微分作用可以改善动态特性，T偏大时，超调量较大，调节时间较短。T偏dd小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有T合适，才能使超调量较小，减短d调节时间。采样周期T越小，采样值就越能反应温度的变化情况。但是，T太小就会增ss加CPU的运算工作量，相邻的两次采样值几乎没什么变化，将是PID控制器输出的微分部分接近于0，所以不应使采样时间太小。，确定采样周期时，应保证被控量迅速变化时，能用足够多的采样点，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。因为本系统是温度控制系统，温度具有延迟特性的惯性环节，所以采样时间不能太短，一般是15s~20s，本系统采样17s经过上述的分析，该温度控制系统就已经基本确定了，在系统投运之前还要进行控制器的参数整定。常用的整定方法可归纳为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法是在已知被控对象的数学模型的基础上，根据选取的质量指标，经过理论的计算(微分方程、根轨迹、频率法等)，求得最佳的整定参数。这类方法比较复杂，工作量大，而且用于分析法或实验测定法求得的对象数学模型只能近似的反映过程的动态特征，整定的结果精度不是很高，因此未在工程上受到广泛的应用。对于工程整定法，工程人员无需知道对象的数学模型，无需具备理论计算所学的理论知识，就可以在控制系统中直接进行整定，因而简单、实用，在实际工程中被广泛的应用常用的工程整定法有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、比例，再积分，最后微分”。(1)整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。(2)整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。先将步骤(1)中选择的比例系数减小为原来的50~80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。(3)整定微分环节若经过步骤(2)，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。某单容电加热过程如图4.1所示：QQQ=cp图4.1单容电加热过程热力过程容器内液体的总热容为C，液体的比热容为C，流体流量(流入、流出相等)p为q，液体以温度T流入加热容器，以温度T(T同时也是容器中液体的温度)流ipp出加热容器。设容器所在的环境温蒂为T(T>T)。在环境温度T、液体流入cpcc温度T和流量q不变的条件下，建立电加热电压u与液体输出温度T之间动态关ip系的数学模型。把加热容器看作一个独立的隔离体，根据能量动态平衡关系，单位时间内进入容器的热量Q化率，可得：与单位时间内流出容器的热量Q之差等于容器内热量储存的变ndTiodt 式中，输入热量由电加热器的发热量Q和流入液体携带热量qCT两部分组epiQ=Q+qCTiepi 同样，由加热容器输出的热量由流出液体携带热量由流出液体携带热量qCT和容器向周围散发的热量Q两部分组成：pprQ=Q+qCTorpp 由热力学可知，单位时间内加热容器向四周散发热量与容器散热面积(设为A)、保温材料的材料的传热系数(设为K)以及容器内、外温差成正比：rQ=AK(TT)，将上式代入式4-3得：rrpcorpcpp(4-4)加热过程工程在稳态时，T保持不变，从加热容器输出热量Q等于从外部poQiioiodt 若以增量形式表示变量相对于稳态值的变化量，即：T=T一T；ppp0iii0ooo0i0o0iodticeee0QQiepieeQAKTT)+qCT]=(AK+qC)TorpcpprppQ一(AK+qC)T=CdTperppdt 电加热器的发热量与外加电压的平方成正比，故Q与电压u成非线性关系。e为使问题简化，在工作点(u,Q)附近进行线性化处理：在工作点附近的小范e0围内，以切线代替原来的曲线，可以用下式表示电压变化(增量)u和加热量变化(增量)Qe之间的关系Qe=Kqu，将其代入式4-9得：qrppdt 令T=C，K=Kq，则上式可表示为：AK+qCAK+qCrPrpTdTp+T=Ku(4-11)dtp对式4-11取拉氏变换，可得到输出液体温度与电加热器电压之间的传递函数：(4-12)T(s)(4-12)p=U(s)T+1s5PLC控制系统的软件设计(1)编写程序前，必须先填写PID指令的参数表，参数表如表5.1所示表5.1锅炉温度控制PID参数表功能描功能描述温度经过A/D转换后的标准化数值PID回路输出值70PID程变量值参数过程变量(PVn)给定值(SPn)输出值(Mn)增益(Kc)采样时间(Ts)积分时间(Ti)微分时间(Td)积分项前值(MX)过程变量前值(PVn-1)地址VD100VD104VD108VD112VD116VD120VD124VD128VD132序号123456789(2)编写PLC控制程序图5.1锅炉温度的PLC控制梯形图(一)图5.1锅炉温度的PLC控制梯形图(二)(1)打开指令向导，选定PID。选中菜单栏中的“工具”，单击其子菜单“指令向导”，弹出如图5.2所示的界面，选定“PID”选项，单击“下一步”按钮。图5.2硬件配置图(2)指定回路号码，如图5.3所示，本例选定回路号码为0，单击“下一步”。图5.3指定回路号码(3)设置回路参数，如图5.4所示，本例将比例系数设定为3，将采样时间设定为0.5s，积分时间设定为20min，微分时间设定为0，即不使用微分项，只使用PI控制器，然后单击“下一步”按钮。图5.4设置回路参数(4)为计算指定储存区，如图5.5所示，PID指令使用V储存区中的一个36字节的参数表，储存用于控制回路操作的参数。PID计算还要求一个“暂存区”，用于存储临时结果。先单击“建议地址”，再单击“下一步”按钮，地址自动分图5.5为计算指定存储区(5)指定子程序和中断程序，如图5.6所示，本例使用默认子程序名，只要单击“下一步”按钮即可。如果项目包含一个激活PID配置，已经建立的中断程序名被设为只读。因为项目中的所有配置共享一个公用中断程序，项目中增加的任何新配置不得改变公用中断程序的名称。图5.6指定子程序和中断程序(6)生产PID代码，如图4.7所示，单击“完成”按钮，S7-200PLC指令向导为指定的配置生产程序代码和数据块代码。由向导建立的子程序和中断程序成为项目的一部分。要在程序中使能该配置，每次扫描周期时，使用SM0.0从主程序块调用该子程序。PID代码(9)编写程序，如图5.8所示双击组态王的快捷方式，出现组态王的工程管理器窗口，双击新建按扭，按照弹出的建立向导，填写工程名称。然后打开刚建立的工程。进入组态画面的设计，如图图6.2新建设备IO存图6.3新建变量图6.4变量表以上步骤进行完成，开始绘制主监控界面，主控界面实现的是操作者观察仪表，得到锅炉内液体温度和液位的实时信息，在该界面加入菜单项，可以查看历史系统报警，加入实时曲线、历史曲线和开关按钮，可以使操作者更加快捷、准确的实现对系图6.5锅炉温度控制系统主监控界面打开组态王的项目工程管理器，点击窗口栏中“VIEW”或者在画面中点击右