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内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书（毕业论文） deps4 热电厂锅炉的温度控制系统 摘 要 本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计， 而在锅炉主汽温度控制系统中，也有越来越多的方法可以实现生产控制，这里需要对过热器的出口蒸汽温度进行检测，当温度不在控制范围内时就通过对减温器阀门的控制，利用PLC设计锅炉主汽温度控制系统，并加以组态，仿真，实现对汽包主蒸汽温度的控制，以产生合格的产品。本设计采用串级控制系统，这样可以极大地消除控制系统工作中的各种干扰因素，使系统能在一个较为良好的状态下工作，同时使锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。在本设计用到的串级控制系统中，主对象为送入负荷设备的出口温度，副对象为减温器和过热器之间的蒸汽温度。通过控制减温水的流量来实现控制过热蒸汽温度的目的。 关键词：温度控制；PLC；组态；仿真； The temperature of the thermal power plant boiler control system Abstract This article is an analysis and design of temperature control system of superheated steam in boiler. And in the main steam’s temperature control system, there are an increasing number of ways to control the production. Here a detection for the superheater outlet steam temperature is needed. When temperature is not in the control range, we need to control the valve of desuperheater ,the main steam temperature control system of a boiler using PLC , together with the configuration, simulation, to achieve the main steam temperature control of the drum to produce qualified products. This design uses a cascade control system, which can greatly eliminate a variety of confounding factors in the control system operation , so that the system can work in a relatively good working state, while the steam temperature of boiler superheater outlet is within the allowable range, and to protect the superheater tube wall temperature does not exceed the allowable operating temperature. In the cascade control system of this design, the main object is the outlet temperature of the load equipment, vice object is the temperature of the steam between desuperheater and superheater .By controlling the flow of desuperheating water to control the superheated steam temperature. Key words: temperature control; PLC; The configuration; The simulation; 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪 论 1 第二章 生产工艺概述 2 2.1 热电厂发电概述 2 2.2 锅炉系统 3 2.2.1 锅炉概述 3 2.2.2 锅炉、锅筒设备及结构 4 2.2.3 锅炉控制的工作原理 4 2.3 锅炉蒸汽温度控制 5 第三章 锅炉主汽温度控制系统综述 8 3.1 锅炉主汽温度控制原理 8 3.2 锅炉主汽温度控制系统安全保护对策 9 3.3 锅炉主汽温度控制系统的理论依据 10 3.3.1 闭环控制 10 3.3.2 串级系统 10 3.3.3 PID控制 11 第四章 热电厂锅炉温度控制系统的硬件设计 13 4.1 PLC的选型和硬件配置 13 4.1.1 PLC型号的选择 13 4.1.2 S7-200 CPU的选择 13 4.2 主、副控制回路的设计原则 14 4.3 温度变送器的选择 15 4.3.1 SBWR系列温度变送器概述 17 4.3.2 SBWR-4160温度变送器 17 4.4 反比例阀的选择 19 4.4.1 型号选择 19 4.4.2 参数设定――模拟量型 20 4.4.3 技术参数 21 4.5 系统硬件接线图 22 第五章 热电厂锅炉的温度控制的软件设计 23 5.1 PLC程序设计 23 5.1.1 西门子S7-200 23 5.1.2 计算机与PLC的通信 24 5.1.3 程序设计 25 5.2 基于WinCC的组态 27 5.3 系统仿真与参数整定 32 5.3.1 控制参数整定 33 5.3.2 MATLAB仿真 34 第六章 结束语 38 参考文献 39 附录 41 致谢 48 deps4 第一章 绪 论 从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，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大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，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、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 当今社会，人类对电能的需求越来越大，对电厂的发电能力要求越来越高。而锅炉作为热电厂的主要部分，它的性能直接影响着电厂的发展。又直接影响着锅炉设备的安全和电厂的生产效率。而本设计的意义就是为了提高生产效率，减小能量消耗，提高生产的安全性和自动化控制程度。 火力发电机组由锅炉、汽轮机、发电机等机器设备组成，系统庞大，工艺过程复杂，众多设备需要协调运转，有数千个过程及设备状态参数需要检测、操作和控制。为了保证电力生产的安全性、可靠性和经济性，提高火电厂的自动化水平就尤为重要。现代锅炉的过热器在高温高压条件下工作,过热器出口的过热蒸汽的温度是全厂整个汽水流程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处，所以锅炉的蒸汽温度控制是热电厂自动控制的一个非常重要的环节，蒸汽温度的稳定直接影响着发电的效率。如果过热蒸汽温度过高，容易烧坏过热器，也会引起汽轮机内部零件过热，影响安全运行，因此出口蒸汽的上限不超过额定值5℃；温度过低则又会降低全厂热效率，一般蒸汽每降低5~10℃，热效率降低1%，不仅增加燃料消耗能源，而且还使汽轮机最后几级蒸汽湿度增加，加速腐蚀汽轮机叶片。所以过热器出口蒸汽的温度下线不低于额定值10℃。过热蒸汽温度自动控制系统是锅炉控制中的难点。本课题就是为了解决生产过程中温度控制中的问题，实现温度控制的自控化。 第二章 生产工艺概述 2.1 热电厂发电概述 热电厂即是火力发电厂，热电厂发电是利用燃料燃烧得到的热能发电。一般情况下火力电厂发电通常是以汽轮发电机组为主，即利用锅炉产生高温高压蒸汽推动汽轮机[1]旋转带动发电机发电。 发电厂的主要生产过程是:首先把燃煤用输煤皮带从煤场运至煤斗中。大型火电厂为提高燃煤效率都是燃烧煤粉。因此，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉，磨碎的煤粉由热空气携带经排粉风机送入锅炉的炉膛内燃烧。煤粉燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来。洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。助燃用的空气由送风机送入装设在尾部烟道上的空气预热器内，利用热烟气加热空气。这样，一方面使进入锅炉的空气温度提高，易于煤粉的着火和燃烧外，另一方面也可以降低排烟温度，提高热能的利用率。从空气预热器排出的热空气分为两股：一股去磨煤机干燥和输送煤粉，另一股直接送入炉膛助燃。燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，与从除尘器分离出的细灰一起用水冲至灰浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。 火力发电厂在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。在省煤器内，水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上下两端均通过联箱与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁不断循环，吸收着煤受燃烧过程中放出的热量。部分水在冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸汽，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中。饱和蒸汽在过热器中继续吸热，成为过热蒸汽。过热蒸汽有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。 汽轮机的转子与发电机的转子通过连轴器联在一起，当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。在发电机转子的另一端带着一台小直流发电机，叫励磁机。励磁机发出的直流电送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，周围产生磁场。当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。电能经变压器将电压升压后，由输电线送至电用户。 图2.1热电厂生产流程 2.2 锅炉系统 2.2.1 锅炉概述 随着科学技术的发展，自动控制在现代工业中起着重要的作用，目前已经广泛应用于生产方面。锅炉是热电厂基本且重要的设备，其中最主要的输出变量之一就是主蒸汽温度。主汽温度自动调节的任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，以确保机组运行的安全性和经济性。 如果该温度过高，会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，降低使用寿命。若长期超温，则会导致过热器爆管，在汽机侧还会导致汽轮机的汽缸、气阀、前几级喷嘴和叶片、高压缸前轴承等部件的寿命缩短，甚至损坏；如果该汽温过低，会降低机组的循环热效率，同时会使通过汽轮机最后几级蒸汽湿度增加，引起叶片磨损；当汽温变化过大时，将导致锅炉和汽轮机金属管材及部件的疲劳，还将引起汽轮机汽缸和转子的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全，所以有效精准的控制策略是十分必要的。 随着工业生产过程规模的不断扩大，生产过程不断强化，作为全厂动力和热源的锅炉设备，亦可向大容量、高参数、高效率方向发展。它所产生的蒸汽不仅可以供生产过程作为热源，而且还可作为蒸汽透平的动力源。为确保锅炉生产的安全操作和稳定运行，对锅炉设备的自动控制也提出了更高的要求。 2.2.2 锅炉、锅筒设备及结构 按锅炉设备所使用燃料的种类、燃烧设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产有各种不同的流程。 给水经过水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料与经预热的空气按一定配比混合，在炉膛内燃烧产生热量，汽包生成饱和蒸汽，经过热器形成过热蒸汽，并经负荷分配后供生产过程使用。燃烧过程的废气将饱和蒸汽过热，并经过省煤器对锅炉的给水和空气预热，最后烟气经过引风机送烟囱排空。 根据生产负荷的不同需要，锅炉需要提供不同规格温度的蒸汽，应根据安全性和经济性的要求，使锅炉安全运行和完全燃烧。 锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。 锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。 锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁出来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的小水滴。 2.2.3 锅炉控制的工作原理 常见的锅炉设备主要工艺流程图如图2.2所示。 由图可知，燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统锅炉，产生饱和蒸汽 ,然后经过热器变成一定汽温的过热蒸汽，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使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器[2]预热锅炉预热空气，最后经引风机送往烟筒排入大气。 图2.2 锅炉设备主要工艺流程图 根据经济性和安全性的总体要求，使锅炉安全运行和使完全燃烧。锅炉设备的主要控制要求应有如下几条： （1） 供给蒸汽量适应负荷变化。 （2） 锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。 （3） 过热蒸汽温度保持在一定范围内。 （4） 锅筒水位保持在一定范围内。 （5） 炉膛负压保持在一定范围内并保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。 2.3 锅炉蒸汽温度控制 1、锅炉蒸汽温度控制概述 锅炉蒸汽温度控制在热电厂安全经济运行方面有着相当重要的地位, 也是防止锅炉超温的一种重要手段，但绝大多数热电厂内的锅炉系统不时会出现锅炉主蒸汽超温或过热器[3]局部超温问题，这就涉及如何有效地控制锅炉减温水系统的问题了。在经典控制理论中，通常假定调节量响应迅速且远大于调节对象的变化量，但在生产实践中，大多数控制系统并非如此。锅炉主蒸汽温度信号是一个大滞后信号，热电厂锅炉蒸汽温度控制系统通常采用串级PID调节方式，在工况相对稳定的情况下，每台锅炉都能将蒸汽温度控制得很好,但是,在较大幅扰动情况下很难达到控制要求。 对汽温调节方法的基本要求是：调节惯性或延迟时间[4]小，调节范围大，对热循环热效率影响小，结构简单可靠及附加设备消耗少。 2、过热器的基本概念 锅炉过热器是回收锅炉烟气能量的，使锅炉出来的蒸汽可以获得加热，变为过热蒸汽，有利于提高锅炉热效率，也有利于蒸汽轮机避免水击。过热器主要作用是把饱和蒸汽加热到具有一定温度的过热蒸汽。 过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组热效率，一般蒸汽温度降低5~10℃，热效率约降低1%，不仅增加燃料的消耗量，浪费能源，而且将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。 过热器有以下特点： : a! {% {# v( \2 v （1）过热器是锅炉中金属壁温最高的受热面，对材质要求高。 （2）过热器的阻力不能太大。 （3）高热负荷区的过热器工质流速高。电力联盟 缔造电力行业最具权威的技术 （4）过热器出口汽温将随锅炉负荷的改变而变化。 （5）过热器布置受锅炉参数影响。 （6）在锅炉点火升炉或汽轮机甩负荷时，过热器要有一定的保护措施。 3、锅炉主汽温度控制系统的总体设计方案 对于常规锅炉主汽温度常用控制方法有两种： （1）经典串级控制系统 该控制方法广泛应用于工业生产现场。通过对主控制器或副控制器的改进,又产生了很多变形的控制算法,在众多控制算法中的一种是将主调节器改进为两个单神经元的控制器。其中一个神经元用于对过热汽温进行预测,另一个神经元完成常规神经PID 控制,具有自适应性。 （2）负荷分级串级控制系统 该类控制系统的基本思路是仍采用以上串级控制系统,但考虑到主汽流量变化对主汽温度的调节特性影响最大,所以采用根据不同的锅炉负荷,主控制器和副控制器采用不同的PID 调节参数的控制方法。在该方法中,将锅炉负荷分为五级,并融入预测控制及自适应控制技术,对不同负荷下的PID 参数进行预估并自适应调整,以达到较好的控制效果。其核心思想是按照不同工作负荷进行分段控制。 但是在这次的锅炉主汽温度控制系统设计中并不考虑锅炉负荷对控制的影响，采用人们最熟悉的经典串级控制系统。 第三章 锅炉主汽温度控制系统综述 3.1 锅炉主汽温度控制原理 锅炉蒸汽温度控制主要包括一级过热器温度控制和二级过热器温度控制，其任务是维持两级过热器出口温度在允许的范围内。大体的系统结构示意图就如图3.1所示： 图3.1 锅炉蒸汽温度控制示意图 因此，该锅炉控制系统底层设备是一、二级过热器和减温器。从锅炉汽包的汽水分离器分离出来的蒸汽经一级过热器加热后，有减温器减温，进入二级过热器加热之后蒸汽经过热蒸汽管道形成合格产品。 热电厂锅炉控制系统中，汽包中的水经过炉膛的燃料加热后就会被蒸发，变成饱和蒸气与水分离，饱和蒸汽充满汽包空间，蒸汽会从汽包上面的管道流出，即锅炉主蒸汽从汽包中流出。此时的出口温度还比较低，大约是在400℃左右，达不到生产的要求，所以要将蒸汽送入两级过热器进行加热，一般情况下小型的生产设备不需要两级过热器，但是在大型锅炉生产过程中要有两级过热器，以保证蒸汽被加热到生产工艺要求的控制温度，540℃，这样的产品才是合格的产品。通过温度变送器的测量，可以知道二级过热器出口时的过热蒸汽的温度，如果过热蒸汽的温度在530℃-545℃之间，都是合格的，这时的过热蒸汽便是生产所需要的产品，将会用于其他的生产过程或供给用户使用。如果被加热的饱和蒸汽还没有达到生产所必须的温度，则需要通过减温水的控制阀门来控制减温水的流量，控制器控减温水阀门的开度减小，此时减温水的压力便减小了，过热器通过烟气继续给蒸汽加热，直到蒸汽的温度是要求范围内的为止。同理，如果温度变送器的检测结果是过热蒸汽的温度已经超过了要求的范围，就需要使减温水的控制阀开度增大，这样减温水的流量就增大了，将会降低蒸汽的温度，从而达到生产要求。 锅炉蒸汽温度控制就是通过在过热器的出口出放置温度变送器，测量出口的蒸汽温度，从而检测过热蒸汽的温度是否达到了生产的要求。进而控制减温水的阀门开度，是蒸汽的温度降低或提高，以达到控制的目的，输出合格的产品。 这样就可以采取很多控制方案来实现设计的要求，我们可以采用单回路控制系统也可以采用串级控制系统，在这次的设计当中，采用串级控制系统，主蒸汽温度调节是通过两侧进行调节，这样一方面能保证温度值的真实性和可靠性；另一方面能反映出两侧汽温的偏差并及时进行调整。 而这两侧的汽温调节可归纳为两大类：蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。蒸汽侧的调节，是指通过改变蒸汽的热焓来调节温度。喷水式减温器向过热器中喷水，喷入的水的吸热和蒸发要消耗过热蒸汽的一部分热量，从而使汽温下降，调节喷入的水量，可以达到调节汽温的目的。烟气侧的调节，使通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面的吸热量分配比例的方法或改变流经过热器的烟气量的方法来调节过热蒸汽温度。本设计采用蒸汽侧调节。 3.2 锅炉主汽温度控制系统安全保护对策 在锅炉蒸汽温度控制系统中，其作用是将饱和蒸汽加热成具有一定热度的过热蒸汽。而过热器又是锅炉最复杂的受热面, 所布置的区域烟气流速比较高，受热面管壁温度比较高，管内蒸汽温度比较高[5]。所以过热器的工作状况不仅决定主蒸汽品质高低, 而且一定程度上决定锅炉的安全运行, 对锅炉的经济性及安全性有重要的影响, 必须对过热器采取保护措施。 以下是一些常用的保护措施： （1）管壁温度及蒸汽温度是运行人员判断过热器管材受热状况比较主要依据，在过热器进出口联箱及导汽管上均应有足够的管壁及蒸汽温度测点。 （2）定期对过热器进行吹灰。 （3）在锅炉大修时,应对过热器进行酸洗、除垢、减少管壁的热阻。 （4）减温器投入之前,要尽量先将减温水管内冷水排出，起动过程中要经常检查过热器的膨胀值,膨胀过快时,要及时降低锅炉升温升压速度,防止两侧膨胀不均匀造成过大的热应力。 （5）锅炉进行保养要停炉,防止空气进入汽水系统对受热面管壁的氧化腐蚀。 3.3 锅炉主汽温度控制系统的理论依据 3.3.1 闭环控制 闭环控制系统是指被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输入，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。 3.3.2 串级系统 串级系统是由调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统[6]。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、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、副过程和主过程构成。外扰：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。内扰：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。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。 通过上面的分析也对工艺有一定的理解，就可以得到如图3.2所示的方框图。 图3.2 控制系统方框图 该图为过热蒸汽的控制系统，此串级控制系统实现了蒸汽温度控制的部分任务。系统中蒸汽温度控制使用PID功能块，并由两个PID功能块组成串级控制系统。串级控制系统与单回路控制系统相比，在系统结构上多了一个副回路，所以系统的响应时间比较短[7]。工作频率比较高，抗外界干扰能力强，并且对负荷变化的适应性也增强。串级控制的过程为：实测过热器出口蒸汽温度与给定温度进行比较，偏差信号经PID运算后作为温度(减温器出口蒸汽温度)的给定信号，这个信号与实测温度进行比较，偏差经PID运算后产生控制信号用于控制减温量，以达到调节主蒸汽[8]温度的目的。 为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应适当合理的设计主、副回路及主、副调节器的控制规律，温度变送器也要选择合适的型号，减温水的阀门也要选择合适的形式以及控制器的正反作用形式。这些我们在第四章做详细介绍。 3.3.3 PID控制 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器[9]。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。 其输入e（t）与输出u（t）的关系为： (3-1) 它的传递函数为： (3-2) 其中Kp为比例系数； Ti为积分时间常数； Td为微分时间常数。基本用途它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp ,Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 （1）比例控制 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。 （2）积分控制 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。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。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，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组件（环节）或有滞后组件，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，从而避免了被控量的严重超调。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[10]。 第四章 热电厂锅炉温度控制系统的硬件设计 4.1 PLC的选型和硬件配置 4.1.1 PLC型号的选择 本温度控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化[11]。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 4.1.2 S7-200 CPU的选择 S7-200 系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。根据控制系统要求，首先确定 PLC 的控制规模,估算出所需要的I/O点数,再增加部分的备用量，以便随时增加控制功能，保证系统投入运行后能够替换个别故障点或弥补遗漏的点数[12]。统计出I/O总点数后即可以确定 PLC 的控制规模从而确定存储器的容量。本设计只需要手动开关1个开关量输入，运行灯、报警灯2个开关量输出，两个SBWR-4160 E型热电偶温度变送器共计两个个模拟量输入。反比例阀一个模拟量输出。因此考虑使用CPU224并扩展一个EM235扩展单元。下面将分别介绍CPU224及EM235。 1、 CPU224的概述 CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。13]I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 2、EM235的概述 在工业控制中，压力、温度、流量和转速等输入量是模拟量，变频器、电动调节阀和晶闸管调速装置等设备要求输出模拟量信号进行控制。CPU主机一般只有数字量I/O接口，或者是仅具有少量的模拟量接口，所以就要进行模拟量输入和输出模块的扩展才能满足控制要求。模拟量扩展模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，也有电气隔离功能。模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出（D/A）模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。 EM235具有4个模拟量输入一个模拟量输出，考虑到本设计有七个模拟量输入一个模拟量输出，因此运用两个EM235便可解决问题。 以下是EM235的各项技术规范： 常用技术参数： 表4.1 PLC模拟量扩展模块（EM235）常用技术参数 模拟量输入特性 模拟量输入点数 4 输入范围 电压（单极性）010V、05V、01V、0500mV、0100mV、050mV 电压（双极性）10V、5V、2.5V、1V、500VmV、250mV、100mV、50mV、25mV 电流020mA 数据字格式 双极性 全量程-32000+32000 单极性 全量程范围032000 分辨率 12位A/D转换器 模拟量输出点数 1 信号范围 电压输出10V 电流输出020mA 数据字格式 电压 -32000+32000 电流 032000 分辨率电流 电压 12位 电流11位 4.2 主、副控制回路的设计原则 1、主、副回路调节器调节规律选择原则 （1）若主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可以采用比例控制。 （2）若要求主参数波动范围很小，且不允许有余差，此时副调节器可以采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。 （3）若主参数要求高，副参数亦有要求，这时主、副调节器均采用比例积分形式。 （4）副参数的选择。应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。副回路应该把生产控制系统的主要干扰包括在内。 （5）副回路应包含被控对象所受的主要干扰。 （6）主、副对象的时间常数应当匹配。 2、主、副调节器的选型： 串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们选型及控制规律的选择也要不同考虑。 （1）副调节器的选型 副调节器的任务是要快速动作迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以选P调节器，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，也可以采用PI调节器。本设计副回路不需要无差调节，是为了消除扰动，所以采用P调节。 （2）主调节器的选型 主调节器的任务是准确保持被调量符合生产的要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质的要求都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。本设计也采用PI调节。 3、控制器的正反作用形式 通过方框图3.2分析，温度变送器2检测的温度越低，偏差就越大。此时需要使温度升高，所以应该减小减温器控制阀门的开度。且反比例阀门为气开形式，所以控制器应该为反作用。 4.3 温度变送器的选择 根据工艺流程可以知道，蒸汽和烟气的温度都比较高，所以选用热电阻是不合适的。蒸汽温度大约在500℃~540℃左右，所以选用的是E型热电偶[14]。由下表可知，本设计选用SBWR-4160温度变送器。 表4.2 SBWR系列温度变送器型号规格 型 号 传感器分度号 最大量 程规定 规定最小量程范围（上限下限之差） SBWR-2160 E 0~800℃ 300℃ SBWR-2260 K 0~1300℃ 400℃ SBWR-2360 S 0~1600℃ 600℃ SBWR-2460 B 0~1800℃ 800℃ SBWR-2560 T 0~400℃ 200℃ SBWR-2660 J 0~1200℃ 300℃ SBWR-2760 N 0~1200℃ 400℃ SBWR-4160 E 0~800℃ 300℃ SBWR-4260 K 0~1300℃ 400℃ SBWR-4360 S 0~1600℃ 600℃ SBWR-4460 B 0~1800℃ 800℃ SBWR-4560 T 0~400℃ 200℃ SBWR-4660 J 0~1200℃ 300℃ SBWR-4760 N 0~1200 400℃ SBWZ-2160 Cu50 -50~150℃ 50℃ SBWZ-2260 Cu100 -50~150℃ 50℃ SBWZ-2460 Pt100 0~600℃ 50℃ SBWZ-2460 Pt100 -100~200℃ 50℃ SBWZ-4460 Pt100 -200~600℃ 50℃ 4.3.1 SBWR系列温度变送器概述 SBWR热电偶温度变送器、SBWZ热电阻温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送单元。它采用将热电偶、热电阻信号变换成与输入电信号或被测温度成线性的4~20mA的输出信号，变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测温仪表可广泛应用于冶金、石油化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。 技术参数： 1、 输入：热电阻Pt100、Cu50、Cu100 热电偶K、E、S、B、T、J、N 2、 输出：在量程范围内输出4~20mA直流信号可与热电阻温度计的输出电阻信号成线性，可与热电阻温度计的输入温度信号成线性；可与热电偶输入的毫伏信号成线性，也可与热电偶温度计的输入温度信号成线性。 3、 基本误差：0.2%、0.5% 4、 传送方式：二线制 5、 变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。 6、 环境温度影响≤0.05%1℃ 7、 正常工作环境： (1)环境温度-25℃~+80℃ (2)相对湿度5%~95% 机械振动f≤55Hz振幅<0.15mm。 SBWZ/R系列信号隔离器主要与DCS、PLC等工业测控系统配合使用，用来完善和补充系统模拟I/O插件功能，增加系统适用性和现场环境下的可靠性。本产品按国际电磁兼容性标准设计，采用国际上同行业公认的调制式变压器隔离技术，完成输入、输出、电源的相互隔离。在模块内部电路设计上，以低功耗，低温漂技术为基础，采用高品质元器件，使产品能够长期稳定工作，同时产品设有输入保护、干扰抑制、隔离等功能。 4.3.2 SBWR-4160温度变送器 热电偶二线制变送器安装接线图如下： 图4.2 热电偶二线制变送器安装接线图 1、 技术指标 （1） 型号：SBWR-4160 （2） 量程：0-800℃ （3） 输出：在量程范围内输出4~20mA直流信号可与热电偶温度计的输出电阻信号成线性，可与热电偶温度计的输入温度信号成线性；可与热电偶输入的毫伏信号成线性，也可与热电偶温度计的输入温度信号成线性。 （4） 工作电源：DC24V （5） 基本误差：0.2%、0.5% （6） 传送方式：二线制 （7） 变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。 （8） 环境温度影响≤0.05%1℃ （9） 正常工作环境：0~50℃，相对温度≤85%，无腐蚀气体，无强烈震动场合。 2、热电偶温度变送器校验步骤 （1）校验时，在输入端接入电位差计，输出信号为电动势，在输出端接上24VDC稳压电源并串接上标准电流表。 （2）调零：反接信号输入线，使电位差计输出校验现场室温对应电动势，调整电位器Z，使电流表读数为4mA。 （3）调满：正接信号输入线，使电位差计输出满量程对应电动势，调整电位器S，使电流表读数为20mA。（该电动势为满度电动势减去室温对应电动势后的值）。 图4.3 SBWR-4160 型号涵义图 4.4 反比例阀的选择 4.4.1 型号选择 由于变差越大，反比例阀开度越小，所以必须采用反比例阀。减温水的阀门在调节器输出为零时，从安全方面考虑，为了保证执行器的工作状态避免算坏生产设备和伤害操作人员，所以减温水的阀门应该选择气开形式的反比例阀[15]。这里我们采用纽曼蒂E223-043H型号的反比例阀。 图4.4 反比例阀针脚图 图4.4 比例阀接线图 表4.3 反比例阀针脚功能表 针脚 控制信号 Pin1 模拟量 数字量 +24DC Pin2 模拟量 数字量 输入信号1 输入信号1 Pin3 0V DC 公共端 Pin4 模拟量 数字量 输入信号2 输入信号2 4.4.2 参数设定――模拟量型 常规设定 步骤 1. 长按3 秒“SET”键直至屏幕显示“IS” 步骤 2. 短按“SET”键进入单位选择界面，此时屏幕显示“U－P”；通过面板上、下箭头按钮可进行显示单位转换。 步骤 3. 确定选定的显示单位后，短按“SET”键，存储选定单位并进入零点设定状态。此时屏幕显示“0”并处于闪烁 状态。 步骤 4. 通过面板上、下箭头按钮可设置目标的“零点值”（下限压力值），设定范围是全量程的0～50％。 步骤 5. 短按“SET”键，存储设定的零点值，并进入跨度设定状态，此时屏幕显示“SP”并处于闪烁状态。 步骤 6. 通过面板上、下箭头按钮可设置目标的“跨度值”（上限压力值），设定范围是全量程的10～100％，且必须大于“零点值”。 步骤 7. 短按“SET”键，存储设定的跨度值，返回工作状态 4.4.3 技术参数 （1） 电源电压：24DC （2） 输入信号：0—10V电压信号 （3） 螺纹类型：NPTF螺纹 （4） 反馈信号：0—10V电压 （5）接线：四线制 图4.6 反比例阀型号涵义图 4.5 系统硬件接线图 根据系统的控制要求、系统的总体设计及系统所选的元器件，设计出系统的控制原理图及PLC外部接线图，如附录A所示热电厂锅炉温度控制系统PLC I/O控制原理电路图。 注释： 1、PLC系统的电源接线：PLC供电电源可采用直流24V、交流100V～120V或200V～240V的工作电源。如果电源发生故障，中断时间少于10ms，PLC工作不受影响。若电源中断超过10ms或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力，也可以安装一个变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。 2、接地：良好的接地是保证PLC可靠工作的必要条件。在接地时应注意以下几点： （1）PLC的接地线应为直径在2mm以上的专用线 （2）接地电阻应小于100Ω （3）PLC的地线不能和其它设备共用 （4）PLC的各单元地线应相连在一起 3、PLC的维护和检修：虽然PLC的设计，已使维修和运行故障减少到最小程度，但为了保证系统的正常工作，尽量延长系统的使用寿命，应定期进行维护和检修。注意电源电压、环境指标、I/0参数、安装情况及备份电池等情况的检查与维护，确保PLC正确稳定的运行。 第五章 热电厂锅炉的温度控制的软件设计 5.1 PLC程序设计 PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分本在硬件基础上，详细介绍本项目的软件设计，主要包括软件设计的基本步骤，编程软件STEP7-Micro/WIN[17]的介绍以及本项目的程序设计。 5.1.1 西门子S7-200 可编程逻辑控制器（PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。 PLC技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。本设计通过对德国西门子公司的S7-200系列PLC控制器，温度传感器将检测到的实际温度转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0-10V的电压信号输入控制反比例阀调节减温器。 1、 PLC程序设计的方法 PLC程序设计常用的方法：主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、顺序控制设计法、逻辑设计法等。 （1） 经验设计法：经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。 （2） 继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。 （3） 顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。 （4） 逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。 2、 编程软件STEP7--Micro/WIN概述 STEP7-Micro/WIN 编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。 以 STEP7-Micro/WIN创建程序，为接通STEP7-Micro/WIN，可双击桌面上的图标，STEP7-Micro/WIN项目窗口将提供用于创建程序的工作空间。浏览条给出了多组按钮，用于访问STEP7--Micro/WIN的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象指令。[19]程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的的底部按标签显示。 本项目中我们利用 STEP7--Micro/WIN V4.0 SP5编程软件。项目包括的基本组件：程序块、数据块、系统块、符号表、状态表、交叉引用表。 5.1.2 计算机与PLC的通信 在STEP7-Micro/WIN 中双击指令树中的“通信”图标，或执行菜单命令的“查看”/“组件”/“通信”，将出现“通信”对话框,见图5.1。在将新的设置下载到S7-200之前，应设置远程站的地址，是它与S7-200的地址。双击“通信”对话框中“双击刷新”旁边的蓝色箭头组成的图标，编程软件将会自动搜索连接在网络上的S7-200，并用图标显示搜索到的S7-200。 图5.1 PLC通信窗口 5.1.3 程序设计 PLC运行时，通过特殊继电器SM0.0产生初始化脉冲进行初始化，将温度设定值，PID参数值等存入数据寄存器，随后系统开始温度采样，采样周期是30秒，TT2(过热器出口蒸汽温度传感器)将采集到的出口蒸汽温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW2进入PLC，作为主回路的反馈值，经过主控制器的PI运算产生输出信号，作为副回路的给定值。TT1(过热器入口温度传感器)将采集到的蒸汽温度信号转换为电流信号，电流信号在通过AIW0进入PLC，作为副回路的反馈值，经过副控制器的P运算产生输出的信号,由AQW0输出，输出的0—10V电流信号控制反比例阀，从而控制减温水的流量，完成对温度的控制。 因为由AIW0和AIW2输入的是6400--32000的数字量，所以要转换为实际的温度要进行运算，运算公式（5-1）其中，T为实际温度，D为AIWO和AIW2输入的模拟量 （5-1） 表5.1 PID参数控制表[20] 偏移量 域 类型 说明 0 PVn进程变量 入 包含进程变量，必须在0.0至1.0范围内。 4 SPn定点 入 包含定点，必须在0.0至1.0范围内。 8 Mn输出 入/出 包含计算输出，在0.0至1.0范围内 12 Kc增益 入 包含增益，此为比例常量，可为正数或负数。 16 Ts样本时间 入 包含样本时间，以秒为单位，必须为正数。 20 Ti积分时或重设 入 包含积分时间或重设，以分钟为单位，必须为正数。 24 Td微分时间或速率 入 包含微分时间或速率，以分钟为单位，必须为正数。 28 Mx偏差 入/出 包含0.0和1.0之间的偏差或积分和数值。 表5.2 PLC的I/O口分配 输入 I0.0 手动启动 输出 Q0.0 启动灯 Q0.1 报警灯 PLC内部寄存器 表5.3 PLC内部寄存器 存储地址 数值 数值 备注 VD100 温度反馈 主调节器过程变量（PVn） 必须在0.0~1.0之间 VD104 VD4 主调节器给定值（SPn） 必须在0.0~1.0之间 VD108 作为副环的给定 主调节器输出值（Mn） 必须在0.0~1.0之间 VD112 20 主调节器增益（Kc） 比例常数，可正可负 VD116 30 主调节器采样时间（Ts） 单位为s，必须是正数 VD120 4 主调节器积分时间（Ti） 单位为min，必须是正数 VD124 0 主调节器微分时间（Td） 单位为min，必须是正数 VD200 温度反馈 副调节器过程变量（PVn） 必须在0.0~1.0之间 VD204 VD108 副调节器给定值（SPn） 必须在0.0~1.0之间 VD208 副调节器输出值（Mn） 必须在0.0~1.0之间 VD212 50 副调节器增益（Kc） 比例常数，可正可负 VD226 6 副调节器采样时间（Ts） 单位为s，必须是正数 VD220 0 副调节器积分时间（Ti） 单位为min，必须是正数 VD224 0 副调节器微分时间（Td） 单位为min，必须是正数 设置梯形图程序：用流程图表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。明确寄存器空间的分配，专用寄存器的确定等。控制系统的程序的设计，主程序的编制及各功能子程序的编制以及程序的调试。其他辅助程序的设计.根据控制系统流程图，绘制系统控制的梯形图和编制程序指令表，其完整梯形图及指令表见附录B。 5.2 基于WinCC的组态 对于监控画面，采用西门子公司的WinCC。德国西门子的WinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。WinCC组态软件也是一套完备的组态开发环境，西门子公司提供类C语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC组态软件内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。本设计通过WinCC实现锅炉温度控制系统的组态，并与PLC完成通信。 1、项目的设置 打开项目管理器，为了更有效地创建WinCC项目，应对项目的结构给出一些初步的考虑。根据所规划项目的大小，按照确定的规则进行某些设置，在开始创建一个项目前应考虑以下几方面： （1） 项目类型 在开始创建项目前，应清楚创建的是单用户项目，还是多用户项目。 由于实验设备没有联网，故本项目创建为单用户项目。 （2） 项目路径 可将WinCC项目创建在一个单独的分区上，不要将WinCC项目放在系统分区上。且由于WinCC的汉化功能不是很完善，项目路径中最好不要包含任何中文字符。否则运行速度将会受到影响。 （3）项目名称 一旦完成项目的创建，再对项目的名称进行修改就会涉及许多步骤。因此，建议在创建项目之前就确定合适的名称。此外，所创建的项目还具有统一的画面、函数和变量命名的约定等。 本项目名称为“datong.MCP”。 （4）设置运行环境 在项目环境的

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