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1、毕业设计说明书基于组态王智能仪表锅炉过热蒸汽控制系统的设计专业自动化学生姓名班级B自动化051学号0510630126指导教师完成日期2009年6月5日基于组态王智能仪表锅炉过热蒸汽控制系统的设计摘 要：过热蒸汽温度是各种工业锅炉设备的重要参数。如果过热蒸汽温度过高，则过热器容易损坏，也会使汽轮机内部引起过度的热膨胀严重影响生产运行的安全；过热蒸汽温度偏低，则设备的效率将会降低，同时使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片的磨损。因此，必须控制过热器出口蒸汽温度。锅炉过热蒸汽温度的控制任务，就是为了维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。本课题利用智
2、能仪表控制系统，结合组态王监控软件设计人机对话界面，实现锅炉过热蒸汽控制系统设计。通过对现场系统数据的采集处理，在组态王中实现动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线和报表输出等功能。同时利用智能仪表控制系统，在所设计的组态王监控界面中，进行相关仪表调校和控制器参数整定。最后向用户提供锅炉过热蒸汽控制系统的动态运行结果。关键词：过热蒸汽温度；智能仪表；组态王Design of Intelligent Instrument based on Kingview boiler superheated steam control systemAbstract: Superheated steam tem
3、perature is a variety of important industrial boiler equipment parameters, in the production process, the entire path of soft drink is the highest temperature of superheated steam temperature, superheater temperature normal working hours, there are generally closer to the material to allow the maxim
4、um temperature, if overheating steam temperature too high, easy to damage superheater and steam turbine will cause excessive internal seriously affected the production of thermal expansion of the safety of operation; superheated steam temperature is low, it will reduce the efficiency of equipment, w
5、hile the adoption of the final class of steam turbine steam humidity increased, the wear and tear caused by the leaves. Therefore, we must control the export steam superheater temperature. Overheated steam boiler control is tantamount to the task, that is, in order to maintain the export steam super
6、heater temperature in the permit, and to protect the superheater tube wall temperature does not exceed allowable operating temperature. The subject control system using smart meters, combined with monitoring software Kingview dialogue man-machine interface design, the realization of superheated stea
7、m boiler control system design. Through on-site data acquisition and processing system, in achieving kingview animation, alarm processing, process control, real-time curves and the functions of the output statements. At the same time, the use of intelligent instrument control system, designed in Kin
8、gview monitoring interface, the associated instrumentation and controls to adjust the setting parameters. Finally, to provide users with superheated steam boiler control system for dynamic results.Key Words: suerheated steam temperature; intelligent instrument; Kingview目 录1.绪论11.1课题研究背景11.2课题研究意义11.
9、3.设计内容及要求22. 系统方案设计32.1锅炉概述32.1.1锅炉的基本构造32.1.2锅炉的工作原理及过程42.2.设计方案52.2.1.过热蒸汽温度调节方案选择52.2.2.控制方案选择73.硬件选型123.1智能仪表概述及选型123.2温度传感器概述及选型153.3变送器概述及选型173.4执行器概述及选型184过热蒸汽温度度控制监控系统设计194.1组态软件概述194.2组态王概述214.3过热蒸过热蒸汽温度度控制界面设计224.4报警和事件窗口设计234.5建立数据库连接244.6报表系统设计255 锅炉过热蒸汽控制的动态运行结果256 结束语27参考文献28致 谢29附 录30
10、附录1：基于组态王智能仪表锅炉过热蒸汽控制系统电气原理图31附录2：基于组态王智能仪表锅炉过热蒸汽控制系统工艺流程图32基于组态王智能仪表锅炉过热蒸汽控制系统的设计1.绪论1.1课题研究背景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，致力于节能新方案的研究。锅炉是化工、冶炼、发电等作为公用民用部门必不可少的主要动力设备，其产品是蒸汽，即将一次能源（煤炭、石油、提燃气等）转换为二次能源（蒸汽）。工业锅炉是工业生产的重要设备，往往直接影响生产的正常进行和产品的质量、产量和成本。工业锅炉又是能耗极大的
11、设备，在整个工业生产的能源消耗中占相当大的比重。而燃煤锅炉又是一种广泛实用的工业锅炉，广泛地应用于国民经济各个领域。由于技术落后、设备陈旧、操作水平低下，目前我国工业燃煤锅炉普遍存在着热效率低、能耗高的问题。据不完全统计，我国共有各类锅炉近四十万台，每年的耗煤量达三亿多吨，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，而且锅炉热效应低。由此可见，提高锅炉的效率，具有十分重要的意义。然而我国近些年来的实践表明，除设备本身经过合理改进或采用先进的节能设备外，另一条节能的途径就是通过对锅炉的自动控制。此外，要想实现锅炉安全运行，保证向用户提供高质量的蒸汽，减轻工
12、人的劳动强度，减少环境污染等目的，采用自动控制也是必须的。过热蒸汽温度是锅炉汽水工质中的最高温度，维持过热蒸汽温度稳定，控制过热蒸汽温度在给定值上，保证整个过热器不要超温是过热蒸汽温度控制系统的重要任务。首先，过热蒸汽温度过高，可能造成过热器 蒸汽管和汽轮机的高压部分损坏，会影响过热器金属材料的使用寿命；过热蒸汽温度过低 ，又会降低全厂的热效率，并使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载，还会使汽轮机末级蒸汽湿度增加，从而降低汽轮机的内效率，加剧对叶片的侵蚀，影响汽轮机的安全运行；汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机汽缸的转子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全
13、 。因此，过热蒸汽温度是锅炉运行中的一个重要参数，直接影响锅炉 、汽轮机的安全经济运行。1.2课题研究意义锅炉是发电厂及其它工业企业中最普遍的动力设备之一，功能是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各种设备。目前，国内大多数工业锅炉都是人工控制的，燃料浪费很大。工业锅炉作为一个设备总体，有许多被控制量与控制量，扰动因数也很多，许多参数之间明显地存在着复杂的耦合关系。对于工业锅炉这个复杂的系统，锅炉过热蒸汽具有大惯性、大滞后的特点,并且动态特性随机组负载变化而变化,运行过程中扰动多、难控制，由于其内部能量转换机理过于复杂，难以达到理想的控制效果，因此，必须采用智能控制方式控
14、制，才能获得最佳控制效果。燃煤锅炉生产过程中所发生的事故大部分是由于锅炉过热蒸汽温度控制不当引起的。组态王是一款国产组态软件，具有：丰富的图库及图库开发工具，通过形象简单的组态工作，即可构成所需功能的界面；大量的设备驱动接口，支持国内主流的各种PLC、智能仪表、板卡和现场总线等工控产品；一种类似C语言的编程环境，便于建立命令语言文本，处理一些简单的算法和操作；内嵌许多控件函数、命令语言函数供用户调用，另外支持自定义函数。智能式仪表是以微处理器为中央控制单元,能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能,并可与外界通讯的仪器仪表。其可靠性高,稳定性好,长期工作维护量小。可采用LCD显示,清
15、晰直观,读数方便。适用范围广,使用灵活:可选择不同的测量值和输出值;可在线修改参数,流量小信号切除、失败模式电流输出等功能;具有内部计算、数据存储、自诊断、自校验等多种功能。具有大量的非控制性信息(管理信息) ,可供用户参考。过程控制系统通常是指工业生产中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度等这样一些过程变量的系统，具有连续生产过程自动控制、由过程检测和控制仪表组成、被控过程多样，控制方案丰富的特点。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争力等方面
16、起着越来越大的作用。综上所述，锅炉过热蒸汽温度控制在锅炉设备控制系统中非常重要。本课题利用智能仪表控制系统，结合组态王监控软件设计人机对话界面，实现锅炉过热蒸汽控制系统设计，可以使过热蒸汽温度控制在合适的范围内。实现了系统的自动化，使操作员的劳动强度大大减小，提高了生产的效益和劳动成本。1.3.设计内容及要求本课题利用智能仪表控制系统，结合组态王监控软件设计人机对话界面，实现锅炉过热蒸汽控制系统设计。要求通过对现场系统数据的采集处理，在组态王中实现动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线和报表输出等功能。同时利用智能仪表控制系统，在所设计的组态王监控界面中，进行相关仪表调校和控制器参数整定，记录
17、并分析控制结果。最后向用户提供锅炉过热蒸汽控制系统的动态运行结果。2. 系统方案设计2.1锅炉概述2.1.1锅炉的基本构造锅炉是一种产生蒸汽的热交换设备。锅炉通过煤、油或天然汽等燃料的燃烧过程释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业、生活等生产中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。锅炉的主要设备：汽锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。炉子：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积
18、达到规定的数值。锅筒：是自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。省煤器：是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料。同时，由于提高了进入气包的给水温度，所以减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了气包的使用寿命。燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧。引风设备：包括引风机，烟囱，烟道几部分。用引风设备将锅炉中的烟气连续排出。送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用送风设
19、备来供应燃料所需的空气。给水设备：由水泵和给水管组成。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换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。燃料供给设备：由运煤设备，原煤仓和储媒斗等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。除灰除尘设备:是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀，水位表，高低水位报警器，压力表，主气阀，排污阀，止污阀等。还有
20、用来消除受热面上积灰以利用传热的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性。2.1.2锅炉的工作原理及过程锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。A.燃料的燃烧过程：首先将燃料加到煤斗中，借助于重力下落在炉排面上，炉排接电动机通过变速齿轮箱减速后由链轮来带动，将燃料煤带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动，燃料所需要的空气是由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃料反应形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗，这整个过程称为燃烧过程。B.水的汽化过程：水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和水分离过程
21、。经处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽，水混合物。位于烟温较低区段的对流灌束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小，从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒形成了锅水的自然循环。此外，为了阻止水循环和进行疏导分配的需要，而筒锅上集箱上的汽水混合物导入炉墙外的不受热地上锅筒。蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒本身空间的重力分离力作用，是汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后，进入蒸汽过热气，而分离下来的水仍回到上锅筒下半
22、部的水中。锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接触的金属受热面的以冷却而不被烧坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要的设备。C.烟气向水的传热过程：由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。继而烟棋手引风机，烟囱的引力尔向炉膛上方流动。烟气出烟窗炉膛出口）并略过防渣管后，就冲刷蒸汽过热一组垂直放置的蛇型管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到的过热。烟气流经过过热气后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈
23、“S”型形成曲折地横向冲刷，再次以对流换热的方式将热量传递给管束的工质。沿途降低着温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热气内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上同给水预热气和空气预热器一样，斗设置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。以上就是一般锅炉工作的过程，一个锅炉进行工作，其主要任务是：a.要是锅炉出口蒸汽压力稳定。b.保证燃烧过程的经济性。c.保持锅炉负压恒定。2.2.设计方案2.2.1.过热蒸汽温度调节方案选择A.影响过热蒸汽温度变化的主要因素影响锅炉过热蒸汽温度度变化的因素很多，例如蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系
24、数以及火焰中心位置、燃料成分等，这些因素不仅与机组的运行方式、运行状态有关，而且有的是互相关联的。通常可以把这些干扰因素分为蒸汽侧和烟气侧两个方面。a.蒸汽侧:包括蒸汽负荷、给水温度、饱和蒸汽含湿量、减温水量、减温水焓值等。(1)蒸汽负荷变化对过热蒸汽温度的影响送入炉内的燃料量取决于锅炉的出力，当锅炉出力需要变动时，燃料量必须作相应改变，随着燃料量的改变锅炉出口烟温及烟气流速都会发生变化，这势必引起炉膛内辐射传热量及烟道内对流传热的改变，从而引起过热器及再热器管道内蒸汽吸热量的改变，对出口过热蒸汽温度或蒸汽焓值影响就更大。总体来看，当锅炉蒸汽量增加时过热器出口过热蒸汽温度将增高。蒸汽量变化时，
25、沿过热器整个管长各点的温度几乎同时变化，过热器出口过热蒸汽温度随蒸汽量的阶跃响应曲线特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。但由于蒸汽量是由机组负荷决定的，不能用来作为调节过热蒸汽温度的手段。(2)给水温度的变化在具有给水母管的系统中，给水温度一般不会变动很大，但对于单元机组来说，如果高压加热器不能投入运行，给水温度可能比额定值低50-120 左右，而给水温度的降低将增加给水进入锅炉后水加热阶段的吸热量。如果燃料量不变，则会降低蒸发量，因为过热器所吸收的热量基本不变，所以在过热器中每公斤蒸汽所吸收的热量增加，使过热蒸汽温度升高。如果要恢复蒸发量以满足汽机的需要，必须增加燃料，结果同样使过热蒸汽温
26、度升高。对于单元机组，给水温度是随着机组的出力而变化的。当机组出力降低时，由于抽气压力随之降低，使用于加热器加热给水的蒸汽量减少，因此对过热蒸汽温度的变化起到一定的自补偿作用，但由于管道系统很长其迟延较大。(3)饱和蒸汽含湿量的变化过热器入口蒸汽(即饱和蒸汽)的焓值决定于蒸汽压力及其含湿量，饱和蒸汽含湿量越大，蒸汽焓值越小。在正常情况下，进入过热器的饱和蒸汽含湿量一般变化很小，饱和蒸汽的湿度一般保持不变。但在工况不稳定和运行不正常的条件下，例如，当锅炉负荷突增，汽包水位过高，以及炉水含盐浓度太大而发生汽水沸腾时，将会使饱和蒸汽的含湿量大大增加，由于增加的水分在过热器中汽化要吸收热量，在燃烧工况
27、不变的情况下，用于使干饱和蒸汽过热的热量相应减少，因而将引起过过热蒸汽温度下降。(4)减温水的变化减温器中减温水的温度和流量的变化都会引起过热器蒸汽侧吸热量的变化，从而使过热蒸汽温度发生变化。当减温水温度降低或减温水量增大都会使过热蒸汽温度下降，而当减温水温度升高或减温水量减小则会使过热蒸汽温度上升。b烟气侧包括燃料量、 燃料种类或成分特性、送入炉内燃烧的空气量、燃烧器的运行方式以及受热面的洁净程度等。(1)煤质的变化燃煤中的水分和灰分增加时，燃煤的发热量降低，为了保证锅炉蒸发量，必须增加燃料消耗量。因为水分蒸发和灰分本身提高温度均要吸收炉内的热量，故使炉内温度水平降低，炉内辐射传热量减少，辐
28、射式过热器出口过热蒸汽温度会降；低炉膛出口烟温升高，水分增加使烟气体积增大，烟气流速增加，使对流换热量增加，故使对流式过热器出口过热蒸汽温度升高。当燃煤的挥发分降低，含碳量增加(例如由烧烟煤改成烧无烟煤或贫煤)或煤粉较粗时，煤粉在炉内的燃尽时间较长，火焰中心上移炉膛出口烟温升高，从而使过热蒸汽温度上升。(2)炉内过剩空气系数的变化当送风量和漏风量增加使炉内过剩空气系数增加时低温空气的吸热及烟气容量的增加将使炉膛温度降低流经过热器的烟量增加烟速增高使对流过热器传热加强过热蒸汽温度升高(3)燃烧器运行方式的变化燃烧器运行方式改变，例如，燃烧器从上排切换到下排，或燃烧器的摆角改变时，火焰中心位置也会
29、改变，从而引起过热蒸汽温度变化。(4)配风工况的改变在总风量不变的情况下，由于配风工况不同，也会造成火焰中心位置的变化而使过热蒸汽温度发生变化。当送风和引风配合不当而造成炉膛负压变化使火焰中心位置变化时，也会造成过热蒸汽温度变化。B.过热蒸汽温度调节方法过热蒸汽温度调节方法也可以分为蒸汽侧调节和烟气侧调节两大类。蒸汽侧调节是指通过改变蒸汽的焓值来调节过热蒸汽温度；烟气侧调节是指通过改变受热面的烟气量或通过改变炉内辐射受热面的吸热量份额来调节过热蒸汽温度。蒸汽侧调节主要采用喷水减温器，烟气侧调节主要采用改变燃烧火焰中心位置的方法。喷水减温是将水直接喷入蒸汽中，喷入的水在加热、蒸发的过程中将消耗蒸
30、汽的部分热量，使过热蒸汽温度降低。喷水减温装置通常都安装在过热器的连接管道或者联箱处。减温水一般采用给水。一般设计的喷水量约为锅炉容量的47。喷水减温器有三种形式：多孔管式、涡旋式和文丘里管式喷水减温器。在采用喷水减温作为过热蒸汽温度的调节手段时，不仅减温水流量发生变化时过热蒸汽温度会发生变化，而且减温水温度发生变化时过热蒸汽温度也会变化。喷水减温调节法调节灵敏，惯性小，易于实现自动化，加上调节范围大，设备结构简单，在锅炉上获得了普遍应用。所有本课题采用喷水减温法来控制过热蒸汽温度。2.2.2.控制方案选择A过程控制概述过程控制系统通常是指工业生产中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位
31、、成分、粘度、湿度等这样一些过程变量的系统，具有连续生产过程自动控制、由过程检测和控制仪表组成、被控过程多样，控制方案丰富的特点。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争力等方面起着越老越大的作用。自从进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要组成部分。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产效率、节约能源、改善劳动条件、
32、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用。过程控制的特点是与其它自动控制系统相比而言的，大致可归纳如下；a.连续生产过程的自动控制过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量地控制，而且应是连续可调的。若控制动作时间上是离散的（如采样控制系统等），但是其被控量需要定量控制，也归入过程控制。b.系统由过程检测、控制仪表组成过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机(看作一台仪表)等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。过程监测控制仪表
33、包括检测元件、变送器、调节器、调节阀等。过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。c.被控过程是多种多样的、非电量的在现代工业生产过程中，工业过程很复杂。由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品品种多样，因此过程控制中的被控过程是多种多样的。诸如石油化工过程中的精馏塔、化学反应器、流体传输设备；热工过程中的锅炉、热交换器；冶金过程中的转炉、平炉；机械工业中的热处理炉等。动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些机理复杂（如发酵、化生过程等）的过程至今尚未背人们认识，所以很难用目前过程辨识方法建立其
34、精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。d.过程控制的过程多属慢过程，而且多半为参量控制由于被控过程具有大惯性、大滞后等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。另外，在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等工业生过程中，往往用一些物理量和化学量来表征其生产过程是否正常，因此要对上述过程参数进行自动检测和自动控制，故过程控制多半为参数控制。e.过程控制方案十分丰富随着现代工业生产的飞速法杖，工艺条件越来越复杂，对过程控制的要求越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。
35、为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方案是十分丰富的。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有仪表过程控制系统，也有计算机集散控制系统；有复杂控制系统，也有满足特定要求的控制系统。f.定值控制是过程控制的一种常见形式在石油、化工、电力、冶金、轻工、环保和原子能等现代工业生产过程中，过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定在给定值上，使工业生产能实现优质、高产和低能耗的目的。定值控制仍是目前过程控制的一种常见形式。B.方案选择要分析、设计和应用好一个过程控制系统，首先应对被控过程做全面了解，对工艺过程、设备等深入的分析，然后应用自动控制原理与技术，拟定一
36、个合适正确的控制方案，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降耗节能、保护环境和提高管理水品等目的。过程控制系统可分为单回路控制系统、串级控制系统、前馈控制系统、大滞后补偿控制系统、比值控制系统、模糊控制系统等一些复杂控制系统。a.串级控制系统串级控制系统特点串级控制系统是改善控制过程品质极为有效的方法，因而得到了较为广泛应用。与简单控制系统相比，串级控制系统只是在结构上增加了一个内回路，却能收到显的控制效果。这是因为在串级控制系统中，由于副回路具有快速作用，因此串级控制系统对进入内回路的扰动有很强的克服能力；同时由于有副回路的存在，改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率，且使系统具有一定的
37、自适应能力，为了充分发挥串级控制系统的优点，在设计实际控制系统时应当合理设计主、副回图2-1 串级控制系统结构框图路及选择主、副调节器的控制规律。副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般选择P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性。在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可考虑采用PI或PID调节器。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在静态，偏差因此主调节器必须具有积分作用，一般采用PI或PID控制器。采用喷水减温的串级汽温控制系
38、统如图2-2所示。从被控对象的动态特性来看，喷水扰动下的汽温动态特性不如其他扰动下的动态特性，为了克服控制通道的滞后和惯性，采用了导前汽温信号。在喷水量扰动下肯定比主汽温能提前反映控制作用。因此，采用导前汽温信号构成串级汽温控制系统，以改善汽温的控制质量。图2-2 喷水减温串级系统结构框图串级汽温控制系统的工作原理图2-2所示的串级汽温控制系统，只要导前汽温发生变化，副调节器P就去改图2-3 喷水减温串级汽温控制系统变减温水流量，初步维持后级过热器入口汽温在一定范围内，起粗调作用。而过热器出口汽温的控制，则是通过主调节器PI来校正副调节器工作，只要未达到给定值，主调节PI的输出信号就不断的变化
39、，使副调节器不断去控制减温水喷水量的变化，直到恢复到给定值为止。稳态时，导前汽温可能稳定在与原来数值不同的数值上，而主汽温则一定等于给定值。在串级汽温控制系统中，由于两个回路的任务及动态特性不同，可以选用不同的调节器。副回路及副调节器的任务是快速消除内扰，要求控制过程的持续时间较短，但不要求无差，故一般可选用纯比例调节器。当导前汽温惯性较大时，也可选用比例微分调节器。主回路及主调节器的任务是维持恒定，一般选用比例积分调节器。当过热器惰性区较大时，也可选用比例、积分、微分调节器。b.单回路控制系统单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般是指针对一个过程（调节对象），采用一个测量变
40、送器监测被控过程，采用一个控制（调节）器来保持一个被控参数恒定（或在很小范围内变化），其输出也只控制一个执行机构（调节阀）。从系统的框图看，只有一个闭环回路。图2-4单回路控制系统框图其中 W 调节器的传递函数； W 调节阀传递函数； W 被控过程的传递函数； W 测量变送器的传递函数。单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者不对被控质量要求不高的场合，约占目前工业控制系统的80%以上。与单回路控制系统相比，串级控制系统的控制效果显著提高，原因是在串级控制系统中增加了一个二
41、次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，对二次干扰有很强的克服能力，提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。但就工艺要求而言，串级控制系统比单回路控制系统多了一个测量变送器和一个控制器，增加了成本，并且单回路控制质量即可满足一般的小型锅炉，所以本课题选用单回路控制系统来控制过热蒸汽温度。根据工艺流程和控制方案的选择，可以得出本设计的控制流程（图2-5）。图2-5系统框图当主汽温的测量值等于设定值时，喷水阀门不动，系统处在动态平衡状态，此时，若炉膛燃烧工况发生变化使汽温变化，造成给定值和测量值产生偏差，则偏差信号经过控制器的方向判断及数学运算后，产生
42、控制信号使喷水阀门以适当形式打开喷水流量。测量值最终回到设定值，系统重新回到平衡状态。图2-6控制流程图其中： 1热电阻； 2温度变送器； 3温度调节器； 4调节阀。3.硬件选型3.1智能仪表概述及选型A.智能仪表介绍智能式仪表是以微处理器为中央控制单元,能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能,并可与外界通讯的仪器仪表。与其他常规仪表相比，有以下几个优点：a.先进的微机技术,高性能的集成芯片,功能强大,性能优越；b.可靠性高,稳定性好,长期工作维护量小；c.可采用LCD显示,清晰直观,读数方便；d.适用范围广,使用灵活:可选择不同的测量值和输出值;可在线修改参数,流量小信号切除、失
43、败模式电流输出等功能;具有内部计算、数据存储、自诊断、自校验等多种功能；e.具有大量的非控制性信息 管理信息 ,可供用户参考。B.智能仪表的起源为了实现模拟信号的远距离传送,并将多个现场变送器的模拟信号通过一对信号线传送到控制中心,美国Rosemount公司于1985年开发出一种将模拟信号调制成数字调频信号,并用数字调频信号实现传输的 HART Highway Addressable Remote Transducer协议;在现场安装的仪表是一种被称为“Smart Feld Instrument”的智能式仪表,Smart仪表可以用同一对传输线同时送出 420mA和FSK调频制数字这两种信号,实
44、现控制中心与仪表之间的双向通信。并开发出HART手持式通讯器,方便地实现智能仪表与通讯器之间的双向通讯。美国的另一大仪表生产商Honeywell公司20世纪80代初也开发出第一代智能式仪表,及与之配套的ST2102智能通讯器,可设定智能仪表的输出模式:模拟式420mA输出或数字输出模式DE 模式,以便与DCS实现数字通讯;STS2102智能通讯器也可方便地用于Honeywell系列仪表的组态和调试。C.原理框图智能式仪表自20世纪80年代问世以来,很多公司推出了多种不同设计、格各异的产品,但其核心结构却基本上是一致的,可以将其归纳为图3-1所示的框图结构。D.智能式仪表的应用除智能式仪表正确的
45、安装和设定量程范围外,还应注意以下几点。a)智能式仪表的参数选择性强,在参数设置时应正确地检查和设定信号输出。通过正确的设定,在测量介质流向相反时,也能正常输出电流。b)部分需要触点输出的变送器,应正确地设定其回差,以保证系统控制的平稳性。c)智能变送器的使用电压和环境温度考虑图3-1智能仪表原理结构框图1）一般智能变送器的适应电压范围较宽，但超出其通讯要求范围的电压将使变送器不能与外界进行数字通讯。2）使用环境温度和湿度考虑。d)智能仪表的精度考虑。1）要追求高精度的测量和控制，仪表的绝对测量误差是考虑的一个重要因素；应根据仪表的绝度误差表现选择最优的测量范围。2）仪表标称的测量精度不是一成
46、不变的，而是符合要求下的最高精度。在测量范围一定的情况下，过高的耐压范围将导致仪表精度的降低；故应合理选择。3）当仪表具有自动、手动量程范围的选择时，使用自动量程固然可以自动测量参数，但往往以牺牲测量精度为代价。要获得较高精度的测量，建议选择手动量程范围。E智能仪表选型本设计选用的智能仪表为百特公司的XMA5000系列的智能仪表。功能特点是：1) 适用范围适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场和设备配套。2) 技术要求采用单片机技术设计，可保证全量程不超差，长期运行五时漂、零漂；严格按ISO90021认证的工艺生产，可保证长期无故障运行，平均可利用率达99.98%；信号输入、控
47、制输出，全部采用软件调试；输入分度号、输出参数、控制算法按键可设定；万能输入信号；只需做相应的按键设置和硬件跳线 ，即可在一下所有输入信号之间任意切换，即设即用；热电阻：Pt100、Pt100.0、Cu50、Cu100、Pt10；热电偶：K、E、S、B、T、R、N；标准信号：010mA、420mA、05V、15V；霍尔传感器：mA输入信号，05V以内任意信号按键即设即用。远传压力表：30350，信号误差现场按键修正。其它用户特殊订制信号。3) 多种给定方式可选本机给定方式（LSP）可通过面板上的增减键直接修改给定值，也可以加密码锁定不让修改。时间程序给定（TSP）每段程序最长6000分钟，曲线最多可设16段。外部模拟给定（远程给定）（RSP）010mA/420mA/05V/15V通用。4) 多种控制输出方式可选（96*96、72*72放表和48*96小表多种控制输出之间可模块切换）10mA、420mA、05V、15V控制输出；时间比控制继电器输出（1A/220V DC阻性负载）；时间比控制530VSSR控制信号输出；时间比控制双向可控硅输出（
