锅炉温度PID控制系统设计

第1章绪论1.1课题背景根据国内实际情况和环保问题的考虑和要求，燃烧锅炉由于污染并效率不高，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。

因些在人口密集的居民区、旅馆、医院和学校，电加热锅炉完全替代燃煤、燃油、燃气锅炉。

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，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。

电加热锅炉采用全新加热方式，它具有许多优点，使其比其他形式的锅炉更具有吸引力：(1) 无污染。

不会排放出有害气体、飞尘、灰渣，完全符合环保方面的要求。

(2) 能量转化效率高。

加热元件直接与水接触，能量转换效率很高，可达95%以上。

(3) 锅炉本体结构简单，安全性好。

不需要布管路，没有燃烧室、烟道，不会出现燃煤、燃油、燃气的泄漏和爆炸危险。

(4) 结构简单、体积小、重量轻，占地面积小。

(5) 启动、停止速度快，运行负荷调节范围大，调节速度快，操作简单。

由于加热元件工作由外部电气开关控制，所以启停速度快。

(6) 可采用计算机监控，完全实现自动化。

其温度的控制都能通过微控制芯片完成，使锅炉的运行完全实现自动化，最大程度地将控制器应用于传统的锅炉行业。

本课题主要研究锅炉温度的过程控制。

新型锅炉是机电一体化的产品，可将电能直接转化成热能，具有效率高，体积小，无污染，运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。

加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。

电热锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。

主要是控制水的温度，保证恒温供水。

随着计算机和信息技术的高速发展，单片机广泛的应用于工业控制中。

工业控制也越来越多的采用计算机控制，在这里我们采用51系列单片机来做控制器。

由于电加热锅炉是一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学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达到很好的控制效果。

而这下符合PID控制使用的条件，因而PID控制被广泛地用于电热锅炉的控制中，用来代替传统的控制方法，并获得良好的控制效果。

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）、进行控制（PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。

PID控制器问世至今有近70年历史，它以结构简单、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。

1.2 课题目的及意义本控制器主要是针对现代工业自动化生产过程中锅炉温度控制装置而设计的，用PID控制代替传统的控制方法，以获得良好的控制效果。

通过这个课题能锻炼我的能力，给我提供了一个理论和实践相结合的机会。

通过这次毕业设计，我能对单片机程序设计、自动控制理论、检测技术与仪表方面的知识有进一步的了解，以巩固学过的专业知识，开拓我的视野。

同时，由于学过的知识有限，让我认识到了自己的不足，为以后有针对性地提高有了一个明确的方向，同时也锻炼和提高我们的自学能力，为提高我们以后的自身竞争能力打下基础。

1.3设计指标此系统主要以单片机为控制器，并对显示电路，温度检测电路，人机接口电路，键盘电路，报警电路，执行电路等进行具体设计，以实现锅炉水温的控制。

具体指标要求如下：1、用单片机作为控制器，采用模块设计方法，对系统硬件、软件进行详细的设计2、锅炉温度控制在0-100℃左右。

3、通过键盘输入上下限温度、恒温温度，以及通过手动停机的功能。

4、显示电路用于显示用户设定的温度、上限温度、下限温度和当前温度值等，精确到小数点后一位。

5、水温高于上限温度和低于下限温度时，系统报警；误输入时报警。

6、加热执行机构的设计。

1.4 论文工作本系统从结构上分为两部分，第一部分是前端采集系统；第二部分是控制系统。

前端采集系统由机械开关、温度传感器组成，其任务是完成洗碗机各个测量量的测量，并且向控制机传送测量数据，当数据值超过限定范围时进行相应的操作。

控制系统主要实现对开关、电机、显示的控制，实现对洗碗机温度值、开关量的循环采集，并对其进行处理、显示、动作。

用户可通过控制机上的键盘设置相应的操作，控制系统将根据设置运行相应程序。

第1章绪论：主要介绍了本课程背景、课题目的及意义、设计指标、论文工作。

第2章系统设计方案及论证：说明了两种不同的设计方案并对两种方案的优缺点进行了对比，从而选出了最佳控制方案。

第3章系统硬件设计：详细介绍了系统中硬件电路设计结构。

第4章系统软件设计：详细介绍了系统中软件设计。

第5章调试：通过实验板测试整个控制系统的各个功能。

第2章系统设计方案与论证实现本系统设计要求的方案有多种：(1)用PLC为控制器，热电阻/热电偶作为测温器件，实现闭环控制。

(2)用单片机结合温度传感器和加热执行机构对温度进行控制，键盘修改温度参数、显示。

每一种方案都有其各自的优点。

本章详细列举、说明了两种不同的设计方案的优缺点进行对比，选出了最佳控制方案。

2.1 系统设计方案方案一：以PLC为控制器此方案用PLC作为主要控制器的核心，利用热电偶作为测温器件，然后通过一个变送器将温度转换成电压信号，送入到A/D转换器进行模拟到数字量的转换，转换结转送入PLC，由PLC根据给定值与测量值的大小作比较得到一个偏差，再由D/A将偏差数字量转换成模拟量来调节加热丝的工作时间或者通过调节不同电压来调节加热丝的加热功率，最终达到锅炉恒温控制的目的。

系统原理框图如下图1所示：实际温度加热给定值D/A转换PLC控制器A/D转换变送器热电偶图1 方案一的原理框图方案二：采用51单片机为主控芯片此方案采用单片机为主控芯片。

利用热电阻PT100作为温度传感器件，然后通过运算放大器OP-07构建差分放大器将温度信号转换成ADC0809模拟通道的输入的0-5V标准信号，再由ADC0809将模拟信号转换成八位数字信号，传送给单片机P0口，单片机将实时温度和设置参数通过数码管显示出来，同时通过键盘输入设定温度，单片机将设定温度同ADC0809传送过来的数据进行比较运算，利用PID运算，作出相应的判断，从单片机P1.0输出一个PWM波形来控制固态继电器的导通与关闭，从而控制锅炉的加热丝在一个固定周期中通电加热时间的长短来达到恒温控制的目的。

系统原理框图如下图2所示：键盘电路PWM控制SSR51单片机温度信号处理A/D转换加热机构Pt100SSR工作指示显示和报警电路图2 方案二的原理框图2.2 方案选定根据两个方案的原理和组成结构，主要考虑以下一些因素考虑。

从组成结构来比较，以PLC为控制器的方案安装接线比较繁琐，而实际显示需要单独的显示屏，调节温度时不太方便，若要改变给定值，需要添加专门的输入模块或者需要重新下载控制程序。

而51单片机控制系统，整个控制系统可以规划的一块PCB电路板上，从而安装起来更加方便，而且其功能比较齐全，显示模块简单，调节温度可通过键盘来设置，使用很方便。

从成本上来看。

以PLC为控制器的方案比较昂贵，51单片机控制系统更加经济。

考虑到用户的心里接受倾向，51单片机控制系统更有市场推广价值。

通过以上分析和比较从而得出：锅炉温度控制系统采用单片机作为控制器的系统比PLC控制系统成本更低，使用更加方便，快捷。

基于上述原因，最终确定采用方案二。

第3章锅炉温度控制系统硬件电路设计本系统硬件电路主要由以下部分组成：供电电源电路、单片机最小系统电路、温度检测电路、数模转换电路、键盘输入电路、声光报警电路、继电器输出电路、LED显示电路3.1 系统供电电源电路设计主控电路所需的+5V电源；外围电路（如继电器、运算放大器）所需的+12V 和-12V电源。

如图3系统供电电源电路原理图所示：此电路采用“降压整流滤波稳压滤波”的线形电源模式。

这里选用了78M12、79M12、78M05三端稳压器。

图3 系统供电电源电路原理图由于78M系列三端集成稳压器内部有过热、过流保护电路，外围元件少，性能优良，体积小、价格低，所以在很多电路中广泛应用。

它的工作原理与一般的分立件组成的串联调整式稳压电源相似，区别在于增加了启动电路、恒压源以及保护电路。

为了使稳压器能在比较大的电压范围内正常工作，在基准电压形成和误差放大部分设置了恒流源电路，启动电路的作用就是为恒流源建立工作点。

实际电路是由一个电阻网络构成，在输出不同电压稳压器中，采用不同的串并联接法，形成不同的分压比，通过误差放大之后去控制调整管的工作状态，以形成和稳定一系列的输出电压。

虽然三端稳压器有很多优点，但因目前功率集成技术水平的限制，它的最大电流只能达到1.5A。

然而本次设计需要的是电压，可以不考虑电流部分。

使用三端集成稳压器时一定要注意：输入电压与输出电压差不能过大，一般选择在6～10V为宜，压差过小，输出电压纹波大，起不到稳压作用，压差过大，稳压器本身消耗的功率就随之增大，容易损害稳压器。

78M05集成稳压器是将功率调整管、取样电阻以及基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上而形成的一种稳压集成电路。

电路中两个二极管IN4007是：防止系统不稳定时，输出电压高于输入电压，从而导致三端集成稳压器被烧毁，起到保护作用。

上述电源中所用的电源变压器功率为10W。

电路中的压敏电阻VDR是防雷、抑制过电压作用，保护电路免受过电压的损害。

压敏电阻VDR在它上面的电压低于它的阀值UN=471V时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过471V时，流过它的电流激增，相当于短路，这时FUSE会因为电流激增而烧毁，使电路断开。