CDCC交联生产线加热控制系统01

CDCC交联生产线加热控制系统设计说明书
第一章 CDCC交联生产线加热系统结构原理及控制方案1.1 存储管理
存储管理主要是对CDCC交联生产线安全的管理，主要包括物理参数的检测，以及消防系统的运行。

(1)消防系统运行
消防系统流程图
消防系统的基本组成部分如上图所示。

消防系统分为两个主要流程，一个是消防供水流程，一个是消防泡沫流程。

消防水源是储水罐和蓄水池，储水罐通过提升泵进行补水。

三台消防泵设计运行两台，备用一台，消防泵启动后，将储水罐中的水打进主干流程，一路直接通往消防水炮和消防栓；另一路进入泡沫罐，形成混合泡沫液后输送到CDCC交联生产线，可以直接通过安装的泡沫发生器进入覆盖液面，还可以供给泡沫炮和泡沫拴。

1.2 系统原理框图及变频控制理论、数学模型
1.2.1CDCC交联生产线加热控制系统原理框图
1. 锅炉房
在整个CDCC交联生产线加热控制中最为重要的一个环节便是：锅炉房，它是整个系统的热量来源，实现的目标就是把锅炉房产生的蒸汽通过一级板换转换为合适温度的热水，再
通过二级板换将蒸汽的热量间接地传递，实现预先设计的加热目的。

但是这不是本设计所要求的重点，这是因为锅炉的设计本来就是一个很庞大的系统，设计复杂，控制更为困难、复杂所以只需直接利用锅炉房出来的蒸汽即可，不需进行锅炉的控制。

2. 补水泵
锅炉房出来的蒸汽从上方进入汽水板换后加热循环水，循环水及蒸汽都采用顺时针的方向循环，但是循环水系统在运转过程中失水是不可避免的，如果不及时补水，系统压力就会下降，使循环水系统无法正常运行。

因此在系统运行中，为了使热水供热系统管网水压力工况运行正常，对管网系统的泄漏量必须随时补充，而且必须保证全系统每一点压力都处于正值，不许出现倒空，使运行保持平稳。

其补水量应根据供热系统失水量确定，而扬程(H)不应小于系统最高补水点的压力加3-- 5m水柱。

要提高循环泵的稳定调速区间又要使整个供暖系统的管线处于稳定安全的压力范围内运行，首要问题就是系统的压力，我们采用了以下的方法来合理的安排补水泵的工作，如下图：
具体工作原理是：在循环泵停止的时候，把整个管路中注入符合要求的水量，然后测得C点的压力为静态水压力P，。

当循环泵运行开始以后，调节阀门A、B使得C点的动水压力，此时，令补水泵工作以维持C点的动水压力和静态水压相同。

采取这种方法既能合理的给热水供暖系统补充损失的水，循环泵又能不用过多考虑因管道失水而对系统压力的影响。

采用变频调速技术后，使电动机起动电流大幅下降，减小了电网电压的波动，此技术在节能方面的贡献是非常明显的；而且对于提高整个系统的自动化水平，减轻工人的劳动强度，降低操作机构的维修费用，延长设备使用寿命和检修周期，减轻电机频繁启动对电网的冲击等各个方而也都有显著效果。

采用压力反馈PID来控制补水泵的运行。

3. 汽水板换
汽水板换是将蒸汽管道通于内部，循环水在蒸汽管道外侧循环流动，利用热传递原理将蒸汽的温度传递给循环水，起到对循环水加热的目的。

4. 给水泵
给水泵采用变频和工频两种运行方式，利用手动和自动两种方式控制。

手动方式是利用控制面板上的按钮实现给水泵的启停、工频以及变频的运行。

5. 水油板换
水油板换是将水管道置于板换器的内部，在循环水管道外侧循环流动，利用热传递原理将循环水的温度传递给柴油，起到对加热的目的。

这个板换器与一级板换器相比较，更要做好密封工作，防止循环水外泄构成影响。

所以所选择的板换器更加技术含量要求更高。

6. 蝶阀
蝶阀的蝶板安装于管道的直径方向。

在蝶阀阀体圆柱形通道内，圆盘形蝶板绕着轴线旋转，旋转角度为0°-90°之间，旋转到90°时，阀门则牌全开状态。

蝶阀结构简单、体积小、重量轻，只由少数几个零件组成。

而且只需旋转90°即可快速启闭，操作简单，同时该阀门具有良好的流体控制特性。

蝶阀处于完全开启位置时，蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力，因此通过该阀门所产生的压力降很小，故具有较好的流量控制特性。

蝶阀有弹密封和金属的密封两种密封型式。

弹性密封阀门，密封圈可以镶嵌在阀体上或附在蝶板周边。

采用金属密封的阀门一般比弹性密封的阀门寿命长，但很难做到完全密封。

金属密封能适应较高的工作温度，弹性密封则具有受温度限制的缺陷。

常用的蝶阀有对夹式蝶阀和法兰式蝶阀两种。

对夹式蝶阀是用双头螺栓将阀门连接在两管道法兰之间，法兰式蝶阀是阀门上带有法兰，用螺栓将阀门上两端法兰连接在管道法兰上。

①三向偏心的独特设计使密封面之间无摩擦传动，延长了阀门使用寿命。

②由扭矩产生弹性密封。

③巧妙的楔形设计使阀门有越关越紧的自动密封功能，密封面之间具有补偿性、零泄漏。

④体积小、重量轻、操作轻巧、便于安装。

⑤可根据用户要求配置气动、电动装置，满足遥控和程控的需要。

⑥更换零件材质可适用于各种介质，并可进行衬里防腐。

⑦连续结构多样化：对夹、法兰、对焊。

蝶阀启闭件是一个圆盘形的蝶板，在阀体内绕其自身的轴线旋转，从而达到启闭或调节的阀门叫蝶阀。

蝶阀全开到全关通常是小于90度，蝶阀和蝶杆本身没有自锁有力，为了蝶板的定位，要在阀杆上加装蜗轮减速器。

采用蜗轮减速器，不仅可以使蝶板具有自锁能力，使蝶板停止在任意位置上，还能改善阀门的操作性能。

工业专用蝶阀的特点能耐高温，适用压力范围也较高，阀门公称通径大，阀体采用碳钢制造，阀板的密封圈采用金属环代替橡胶环。

大型高温蝶阀采用钢板焊接制造，主要用于高温介质的烟风道和煤气管道。

蝶阀的优点
如下：启闭方便迅速、省力、流体阻力小，可以经常操作。

结构简单，体积小，重量轻。

可以运送泥浆，在管道口积存液体最少。

低压下，可以实现良好的密封。

调节性能好。

蝶阀按结构形式可分为偏置板式、垂直板式、斜板式和杠杆式。

按密封形式可分为较密封型和硬密封型两种。

软密封型一般采用橡胶环密封，硬密封型通常采用金属环密封。

按连接型式可分为法兰连接和对夹式连接；按传动方式可分为手动、齿轮传动、气动、液动和电动几种。

蝶阀的安装与维护应注意以下事项：在安装时，阀瓣要停在关闭的位置上。

开启位置应按蝶板的旋转角度来确定。

带有旁通阀的蝶阀，开启前应先打开旁通阀蝶阀简介:蝶阀启闭件是一个圆盘形的蝶板，在阀体内绕其自身的轴线旋转，从而达到启闭或调节的阀门叫蝶阀。

蝶阀全开到全关通常是小于90度。

综上所述，本设计采用手动的法兰式蝶阀，这样就能省略掉几个待控制变量，使得待控制变量变得较少，而且可以使系统变得便于维护。

采用顺时针的方向流动至板换器里面进行加热。

1.2.2 给水泵变频恒温控制的理论模型及数学模型
1. 给水泵变频恒温控制的理论模型
给水泵变频控制系统以循环水的温度为控制目标，在控制上实现循环水的温度跟随设定的温度。

设定的温度可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。

所以，在某个特定时段内，给水泵变频控制的目标就是使循环水的温度维持在设定的温度上。

从上图中可以看出，在系统运行过程中，如果实际循环水温度低于设定温度，本系统将得到正的温度差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供循环水温度与设定循环水温度的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。

该频率使给水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际循环水的温度和设定的循环水温度相等为止。

如果运行过程中实际循环水温度高于设定温度，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，给水泵机组的转速减小，实际循环水温度因此而减小。

同样，最后调节的结果是实际循环水温度和设定的循环水温度相等。

2. 给水泵变频恒温控制的数学模型
由于给水泵变频调速恒温系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。

给水泵由初始状态到变频启动的状态，管网从初始的循环水温度开始启动水泵运行，至管网内的循环水温度达到稳定要求时经历两个过程：
(1)给水泵将循环水水送到一级板换中，这个阶段管网内循环水温度基本保持初始的循环水温度，这是一个纯滞后的过程；
(2)水泵将循环水带动着在整个管网中顺时针运转，循环水温度随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程。

系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、循环水温度检测等的时间常数和滞后时间与循环水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。

因此，给水泵变频恒温系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成：
式中：K为系统的总增益，T为系统的惯性时间常数，r为系统滞后时间。

3. PID算法
在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。

PID 控制具有很多优点：算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现；适应性强，可以广泛的应用于各种行业；鲁棒性强，它的控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

由于具有这些优点，PID控制直到现仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。

在本次设计中，选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。

在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。

PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t):
e(t)=y(t)-r(t)
经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图2．9所示，图中u(t)为PID调节器输出的调节量。

PID控制规律为：
式中：KP为比例系数；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数。

相应的传递函数为:
PID控制器各环节的作用及调节规律如下：
(1)比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

比例环节反映了系统对当前变化的一种反应。

比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数K，的增大而减少，但是比例系数过大将导致系统不稳定。

(2)积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。

只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。

积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数rl，Z越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。

(3)微分环节：对偏差信号的变化趋势(变化速率)做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。

但过大的R对于干扰信号的抑制能力却将减弱。

PID的三种作用是相互独立，互不影响。

改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。

然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。

如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。

自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID控制算法具有更大的灵活性和可靠性。

数字PID控制算法是离散化来实现的。

用一系列的采样时刻点代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式：
式中：T为采样周期；11为采样序号；e(n)为第11时刻的偏差信号；e(n-1)为第n-1时刻的偏差信号。

PID位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号e(n)和e(n-1)，而且还要把历次的偏差信号e(j)相加，计算繁锁，占用内存大；另一方面计算机输出的控制量u(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，u(n)可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。

为此实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为：
为调节器输出的控制增量：
增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量 u(n)仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

1. 3 系统控制方案的设计与选择
在系统控制方案设计之前，我们首先分析一下CDCC交联生产线加热作业的步骤：
开始作业触发条件：出口温度下降到达5摄氏度。

作业步骤：
NO.1 通知锅炉房开始提供蒸汽。

NO.2 一级板换蒸汽进口的压力达到VW100兆帕，温度达到VW102摄氏度，启动水泵，水泵调频运行，同时设定1#或者2#给水泵工作。

NO.3打开对应的进出口电磁阀、循环电磁阀。

NO.4二级板换进出口压力达到VW104兆帕，温度达到VW106摄氏度，启动运行即可。

停止作业触发条件：出口温度达到20摄氏度，或者人工按下停止按钮(stop)。

作业步骤：
NO.5通知锅炉房停止供气。

NO.6停止。

NO.7关闭对应的进出口电磁阀、循环电磁阀等。

NO.8停止水泵，停止时有一定的延时。

从系统的工作过程及原理分析可知，该系统主要有温度传感器、压力传感器、温度变送器、压力变送器、变频器、恒温控制单元、给水泵机组、油泵机组、阀以及低压电器组成等
等。

我们先介绍一下具体的实现方法：通过变频器调节给水泵，实现给水泵的变频控制，这个变频的目的是使温度能保持一个恒定的值，这是控制的重点，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择：
1. 通用变频器+单片机+人机界面+压力传感器+温度传感器+水泵机组
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因为修改时就得替换新的芯片，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。

该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒温或者恒压系统。

2. 通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器+温度传感器+水泵机组
这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换：通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。

在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。

同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。

因此该系统能适用手各类不同要求的恒温或者恒压待控制场合中，并且与机组的容量大小无关。

通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路+PLC+人机界面+压力传感器+温度传感器+水泵机组”的控制方式更适合本系统。

这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。

在确定了主要的控制系统之后，这样就能做出最经济最有效地控制方案。

1.4 系统运行方式的分析
由于本系统能适用于这个系统，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

1.4.1 系统控制过程分析
下面重点分析一下给水泵的变频和工频运行控制过程，即一级板换和二级板换中间的部分，整个CDCC交联生产线加热控制的其他部分都比较好控制，所以有必要对给水泵的运行过程做一重点的分析：
(1)系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动水泵M1，通过PLC控制器，根据循环水管网内实际温度和设定温度的误差调节变频器的输出频率，控制M1的转速，当输出温度达到设定值，温度达到平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1工作在调速运行状态。

(2)当循环水的温度减小时，通过温度闭环和恒温控制器，增加水泵的转速到另一个新的稳定值，反之，当循环水的温度增加时，通过温度闭环和恒温控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。

(3)当用循环水温度继续减小，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时循环水的温度还未达到设定温度值，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将电机M1切换至工频电网供电后，M1恒速运行，同时使第二台给水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对循环水水温的闭环调节，直到循环水的温度达到设定值为止。

如果循环水的温度继续减小，且变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，系统将电机M2切换至工频电网供电。

此时，电机M1和M2都工作在工频恒速运行的状态。

在选择水泵容量时已经考虑过在电机M1和M2同时工频运行时循环水温度继续减小的问题，所以不会出现两台水泵同时运行循环水温度不够的情形。

当然，如果出现循环水的温度超过设定值是依着上面的步骤反之调节即可。

(4)当循环水的温度升高，变频器的输出频率降至下限频率，循环水管网的基于PLC的变频循环水恒温控制系统的设计实际水温仍高于设定循环水温度值，并且满足减少水泵的条件时，系统将上次转换成工频运行的水泵转换为变频调速并且因为两台电机是互锁运行，故当一台转换为变频是则另一台先前变频运行的水泵将停止，这样只有一台电机变频调速运行，如此便可恢复对循环水温度的闭环调节，使循环水的温度重新达到设定值。

(5)当系统停止运行时，采用互锁的原理PLC控制器将同时给M1和M2一个变频启动脉冲，这样就可以实现两台电机的同时停车，实现系统的停止。

1.4.2 水泵切换条件分析
在上述的系统工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时循环水管网的实际温度仍低于设定温度，此时需要增加水泵来满足提高温度的要求，达到恒温的目的；当调速水泵和工频运行水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时循环水管网的实际温度高于设定温度，此时需要关掉工频运行水泵来减少循环水在管网里的循环速度，达到恒温的目的。

那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的循环水温度，同时使机组不过于频繁的切换呢?
尽管通用变频器的频率都可以在0～400Hz范围内进行调节，但当它用在本设计的系统
中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。

当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。

由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。

当变频器的输出频率已经到达50Hz时，即使实际循环水温度仍然低于设定温度，也不能够再增加变频器的输出频率了。

要增加实际循环水温度，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行另一台循环水水泵来实现。

另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。

其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降传到0Hz。

因为当水泵机组运行，电机带动水泵使循环水在管网内循环时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止循环水在管网内循环，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经不能是循环水在管网内循环了，实际的循环水温度也不会随着电机频率的下降而下降。

这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。

这个频率远大于0Hz，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。

由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。

从上面的分析可以看出，当变频器的输出频率已经到达上限频率，而实际的循环水温度仍然低于设定温度值时，存在的实际循环水压力差己经不能够使输出频率增大，实际循环水温度也不会提高。

当变频器的输出频率己经下降到下限频率，实际的循环水温度却仍高于设定的循环水温度值时，存在的压力差不会使输出频率继续降低，实际的循环水温度值也不会降低。

所以，选择这两个时刻作为水泵机组切换的时机是合理的，但要做以下考虑。

判别条件可简写如下：
式中：上限频率；：下限频率；：设定循环水温度；：反馈循环水温度
对于第一个判别条件，可能出现这种情况：输出频率达到上限频率时，实际循环水温度任然在设定循环水温度上下波动。

在这种情况下，如果按照上面的判别条件，只要条件一满足就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，循环水的温度一下子就超过了设定的循环水温度。

并且使新投入运行的机组几乎在变频器输出频率的下限运行，对供水作用很小。

在极端的情况下，运行机组增加后，实际循环水温度超过设定循环水温度，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。

这样的工作状态既无法提供稳定可靠的循环水温度，也使得机组由于相互切换频繁而增。