电厂锅炉水位串级控制系统设计答辩稿
锅炉温度-流量串级控制方案设计
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毕业设计18锅炉温度串级控制系统
由于本次设计选用的是电阻丝加热炉，属于电加热形式， 应该选择温度控制器作为执行机构，选用对应的MJYD-JL20型单相交流模块。 PLC控制器输出的数字量经过D/A转换成温度控制器可识 别的模拟电压信号后，根据不同的电流值，MJYD-JL-20型 单相交流模块输出相应的电压值从而控制电阻丝两端的电 压值，达到调节温度的目的。
致谢
这次毕业设计是我在大学里过得最充实、 最有意义、最开心的一段经历，让我为大 学画出了一个圆满的句号。感谢老师，感 谢同学，感谢在设计过程中所有帮助过我 的人！
ＭＡＤＯ２接线图
输出接线图
CPM1A-MAD02-CH 屏 蔽 电 缆 + V+ 电 压 输 出 电压输入 屏蔽电缆
输入接线图
CPM1A-MAD02-CH V+ 250E I+
+
I+ 电 流 输 出
_ COM 10K 0V
COM
+
V+
0V
电流输入 _ FG
I+
COM
250E
FG
10K 0V
执行器的选择
系统硬件的设计
温度检测电路单元
PLC及其配套的MAD02
执行器的选择 系统电气原理图
温度检测电路单元
JCJ100G接线示意图
PLC及其配套的MAD02
在本次设计中选用的是日本OMRON（立石）公司推出的 CPM2A型可编程控制器，型号为CPM2A-40CDR-A 。
在本次设计中，需要进行温度信号的采集，但采集过来的 信号为模拟信号，而PLC所能存储并进行处理的信号为数 字信号，因此，需要对采集到的温度信号，进行相应的模 数转换，以便实现锅炉温度的串级控制。相应地，PLC输 出的为数字信号，必须进行D/A转换形成模拟量才能实现 对执行器的控制。由于本次设计选用PLC作为控制工具， 所以应选择转换模块或与所选用PLC相配套的器件。因此 本次设计选用CPM2A—MAD02作为本设计中的A/D、D/A 转换器件。
锅炉原理课程设计答辩
锅炉原理课程设计答辩尊敬的评委老师们，大家好！我是XX，今天非常荣幸能为大家分享我的锅炉原理课程设计成果。
本次课程设计，我选取了锅炉原理及其应用为研究方向，旨在通过学习与实践，深入理解锅炉的工作原理，掌握其在实际应用中的基本操作与维护知识。
我简要介绍了锅炉的分类和基本构造。
锅炉按用途分为工业锅炉和民用锅炉，按循环方式分为自然循环锅炉和强制循环锅炉，按水循环方式分为高压锅炉和低压锅炉。
我还详细介绍了锅炉的基本构造，包括炉膛、汽包、各种管道和阀门等。
这些知识的掌握对于理解锅炉原理和运行起到了重要的启发作用。
接下来，我详细讲解了锅炉的工作原理。
我通过图文并茂地展示了锅炉内部的工作流程，包括燃料的燃烧、水的循环、产生蒸汽等。
在此基础上，我对锅炉的热效率进行了计算与分析，并提出了一些提高燃烧效率的改进措施。
通过理论计算和实例演示，我让大家更加直观地感受到了这些改进措施对于提高锅炉效率的重要作用。
为了进一步加深对锅炉原理的理解，我进行了一系列实验项目。
我设计了锅炉的装置与参数调节实验。
通过调整不同的参数，如水位、供气量等，观察和分析其对锅炉性能的影响，加深对锅炉原理的理解。
我设计了锅炉的节能环保实验，通过改变燃料种类和供气方式等措施，观察和比较锅炉的热效率和废气排放情况。
我进行了一些事故处理实验，如炉膛爆炸和水位突变等。
通过实验教学，我让大家了解了锅炉在实际运行中可能遇到的问题和处理方法。
在课程设计过程中，我注重理论与实践相结合，旨在培养学生动手能力和问题解决能力。
我通过设计锅炉的装置和参数调节实验，促使学生对锅炉工作原理进行深入理解；通过设计节能环保实验，引导学生从实践角度思考如何提高锅炉效率；通过事故处理实验，培养学生处理危险情况的能力。
我还加强了与同学们之间的交流与互动，鼓励他们在实验过程中发表意见和提出疑问。
综上所述，我的锅炉原理课程设计以理论教学和实践教学相结合为核心思想，旨在深入理解锅炉的工作原理和应用，培养学生的动手能力和问题解决能力。
毕业设计基于PLC和组态技术的锅炉水温串级控制系统设计
摘要本设计论述了基于PLC和组态技术的锅炉内胆水温和夹套水温构成的串级控制系统的设计过程。
下位机编程软件采用SIEMENS公司的STEP 7软件，选用西门子S7-400PLC控制锅炉温度的控制系统，介绍了西门子S7-400PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。
上位机组态画面软件采用SIMATIC WINCC，对其进行了简单介绍，并详细介绍了项目的创建、变量的新建、画面的组态。
上位机进行程序编写实现控制，下位机组态画面，建立人机界面，进行远程控制。
锅炉水温具有非线性、时变性、大滞后和不对称性等特点，采用传统的控制方法所得到的控制量的控制品质不高。
锅炉内胆与夹套构成串级控制。
由于串级控制具有有效改善过程的动态特性、提高工作频率、减小等效过程时间常数和加快响应速度等特点，所以在克服被控系统的时滞方面能够取得较好的效果。
串级控制中的主副回路是控制夹套和内胆的温度，温度是一个多变且不易控制的量，而PID控制在这方面具有突出的优点，很适合采用PID控制技术。
综合以上得到一个品质比较高的控制系统。
关键词PLC；组态技术；串级控制；锅炉水温；PID控制ABSTRACTThis design is discussed based on PLC and configuration technology of water temperature and clip boiler water tank consists of cascade control system design process. Lower level computer programming software using the SIEMENS company's STEP 7 software, choose SIEMENS s7-400plc control boiler temperature control system, introduces SIEMENS s7-400plc and system hardware and software, and the specific design process. Upper unit used in the software configuration screen WINCC, the SIMATIC simply introduced, and introduces the creation, variable of project construction, picture configuration. PC for programming realize control, lower frame) unit, establish normal screen man-machine interface, carries on the remote control.Boiler water temperature with nonlinearness, time delay and asymmetry wait for a characteristic, USES the traditional control method can get control portion control quality is not high. Boiler of the bladder and clip constitutes a cascade control. Due to the cascade control has effectively improve the dynamic characteristics, improve process working frequency, reducing the time constant and accelerate equivalent process characteristic, the response speed of the controlled system in overcome delay to the good result is achieved. Cascade control the principal deputy loop is control of the temperature of the clamping and bladder, temperature is a variable and not easy to control, and the amount of PID control in this respect has outstanding advantages, very suitable PID control technology. Comprehensive above gets a quality higher control system.Key words plc；configuration technology；cascade control；boiler water temperature；pid control目录1 引言 (4)1.1 系统的设计背景 (4)1.2 系统设计内容及技术要求 (5)1.3 系统的设计原理 (5)1.4 系统的整体设计方案 (6)2 串级控制系统设计 (7)2.1 串级控制系统的概述 (7)2.2 PID控制系统的简介 (8)2.3 PID控制器的参数整定 (10)3 硬件系统设计 (13)3.1 PLC的基本介绍 (13)3.2 S7-400简介 (14)3．3 其它器件介绍 (16)4 STEP 7简介及组态硬件、程序编写 (18)4.1 STEP 7简介 (18)4.2 STEP 7项目的创建 (20)4.3 组态硬件 (22)4.4 SETP 7编程介绍 (25)4.5 变量及系统程序 (26)5 WINCC简介及人机界面组态 (33)5.1 WinCC简介 (33)5.2 WinCC系统功能 (34)5.3 WinCC的项目创建及组态方法 (35)6 控制系统整体调试 (46)6.1 系统整体测试 (46)6．2 系统测试的结果 (47)结束语 (48)参考文献 (49)致谢 (51)1 引言1.1 系统的设计背景自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。
锅炉温度串级控制系统的设计说明书
1 前言 (1)2 控制系统的总体方案 (2)2.1 概述 (2)2.2 控制方式的确定 (2)2.3检测元件和执行机构的选择 (3)2.4微型计算机的选择 (4)2.5输入输出通道及外围设备的选择 (6)2.6系统的原理框图 (6)3 控制算法的选择和参数计算 (8)3.1 控制算法的选择 (8)3.2 参数的计算 (8)4系统硬件设计 (16)4.1概述 (16)4.2 系统的硬件设计 (16)4.3系统电气原理图 (33)4.4 元器件明细表 (34)5 软件程序的编制 (35)5.1概述 (35)5.2程序流程图 (35)5.3 地址分配 (40)5.4程序设计 (40)6 控制系统的调试与实验 (42)6.1单元电路调试 (42)6.2 程序调试 (42)6.3 系统调试 (43)6.4 系统实验和结果分析 (43)7 设计总结 (44)7.1 系统具备的主要功能 (44)7.2 系统的测量精度 (44)7.3 存在的问题及改进措施 (44)参考文献 (46)致谢 (47)1 前言随着我国国民经济的快速发展，锅炉的使用范围越来越广泛。
而锅炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常必要的。
而锅炉系统是一个具有时变和时滞的比较复杂的系统，因此，对锅炉温度进行控制是工业过程控制中一个重要而且困难的问题。
由于串级控制具有有效改善过程的动态特性、提高工作频率、减小等效过程时间常数和加快响应速度等特点，所以在克服被控系统的时滞方面能够取得较好的效果[1]。
由于PLC具有高可靠性、易于实现等优点，在工业控制领域中得到了广泛的应用。
进入21世纪以来，PLC已经由原来的逻辑控制器发展成具有较强的数据处理能力、通讯能力的标准工控设备，用其进行各种算法的实现是工控领域的发展趋势。
本设计以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；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[2]。
电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统设计答辩稿
u(t)KP[e(t)T1i0te(t)dtTddd(te)t]
或以传递函数形式表示：
G(s)U(s)kp (11Td) s
E(s)
T is
其中 K p －比例系数, T i －积分时间常数，T d －微分时间常数
PID控制参数整定方法
系统
温度 流量 压力 液位
δ（%） 20～60 40～100 30～70 20～80
3、串级控制系统具有一定的自适应能力，串级控制系统主 回路是一个定值系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是 主调节器的输出，是一个随机变化的量，主调节器按照被控对 象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节器的给定值， 副调节器使系统时间常数缩短能很快克服扰动，改善动态特性， 也就是一种自适应能力。
本次毕业设计从一接到任务书，就在金文凯老师的悉心指导 下，还有我自己的查阅资料，我了解到了串级控制的作用，还有 PID控制的作用，也知道了MATLAB软件使得工程应用变得更加快 捷和方便。同时了解综合应用过程控制理论以及近年来兴起的仿 真技术、计算机远程控制、组态软件，设计了锅炉温度串级控制 系统。从而一步步的顺利完成任务。在此过程当中，我学到了很 多有用的东西，让我把整个本科知识又回顾了一遍，为以后进入 社会打下了良好的基础，同时在查阅资料的过程当中也学到许多， 新的或者以前未掌握的知识，在此，我要感谢学校能够给我这次 毕业设计的机会，让我从中受益匪浅。
水位三冲量调节控制策略及串级调节参数整定方法
水位三冲量调节控制策略及串级调节参数整定方法 锅炉汽包水位三冲量调节系统是火电厂锅炉核心控制之一。
汽包水位三冲量调节系统的给水调节阀动作频繁，锅炉水位对给水调节阀执行机构的动作比较敏感，稍有不慎就可能出现严重的危险情况，汽包水位三冲量调节系统关系到整个机组的安全运行：若汽包水位过高，会造成蒸汽带水；若汽包水位过低，会造成锅炉“干锅”，可能严重烧坏锅炉设备。
汽包水位三冲量调节系统的重要性由此可见一斑，所以汽包水位的相关保护要完善可靠、汽包水位自动调节系统运行要平稳。
目前，汽包水位三冲量自动调节控制策略已经相当成熟，但在实际锅炉运行中会各种原因导致水位自动调节系统投入困难，甚至自动不能投入。
这种现象让人对串级三冲量调节系统的调节能力和控制策略产生疑问。
为此昌晖数显仪表与大家交流运用心得，对级三冲量调节系统进行定性分析，并对一些异常情况的处理办法进行探讨。
1、水位三冲量调节控制策略汽包水位三冲量调节系统使用的三个冲量分别是汽包水位、给水流量和蒸汽流量。
汽包水位作为主调（PID调节器）的输入信号，去抑制水位本身的偏差。
副调（外给定调节器）使用了一个反馈信号（给水流量）和一个前馈信号（蒸汽流量），以消除扰动和虚假水位。
各种介绍汽包水位三冲量调节系统的书籍中，都有对传递函数的计算，这些计算对系统设计很重要。
如果用经验调节法对于系统维护，则完全可以抛开理论计算。
昌晖仪表在此只对其物理意义进行定性思考和作一番揣测。
1.1 反馈信号反馈信号指给水流量信号，也叫内扰。
水位三冲量调节系统中被调量发生变化的时候，PID经过运算，去控制执行机构进行合理的动作，执行机构改变给水调节阀的开度，阀门控制介质变化，达到控制给水流量的目的。
可是给水调节阀执行机构特性、水位三冲量调节系统的运行状况存在很多差异，这些差异主要有：①执行机构线性：执行机构改变开度后，流量随之改变的大小。
②执行机构死区：PID 输出每变化多少，执行机构才能动作一次。
基于HSIC的串级三冲量锅炉汽包水位控制系统
[7 ] [6 ]
,对汽包水位系统的主控制器选用 HSIC 控制策略 .
在控制策略选定后 ,控制的基本思路是对不同的系统误差特征模式采用不同的控制算法 . 这种控制策 略构思来源于人 机学习系统 ,因此 ,它反映了人控制器的一些控制规则 . 其基本控制算法可以概括为 1) 若 e ・e ≥0 且 e + e ≠0 ,则比例 半微分控制 ( P2HD (proportion and half derivation) 模式) ; 2) 若 e ・e < 0 或 e = e = 0 ,则半开环控制 ( HO ( half open2loop ) 控制模式) . 由结构化英语描述法可归纳为如下的表达式 :
Abstract : Based on the study of advantages of cascade control system and comparison PID (proportional2in2 gegral2differential controller) HSIC ( with human simulation intelligent control ) algorithm , the main control strategy applied cascade2three parameters control approach based on HSIC for water level adjust in the boiler drum was presented. The control difficulty points of drum water level , three parameters system structure of boiler water level system , control strategy choosing and control algorithm of HSIC were studied. The simulation result points out that the system control quality is better by HSIC than by PID in main adjuster for the dynamic and steady performance. In addition , the basic system test shows that the control based on HSIC has better ap2 plication values in practical engineering for main adjuster in the water level control of cascade2three parameters boiler drum system. Key words : boiler drum level ; cascade control ; human simulation intelligent control ; disturbance ;cascade2 three parameters control
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双冲量控制系统
单级三冲量水位控制系统
从图中可以看出，调节器接受三 个信号(H,W,D),其输出通过执行结构去 控制给水流量W，其中水位H是主要控 制信号，水位高时应减少给水流量，水 位低时应增加给水流量。蒸汽流量D和 给水流量W的变化是引起水位变化的主 要原因（扰动信号），它们分别作为水 位控制的前馈信号和反馈信号。当D改 变时，调节器动作。适当地改变给水量 W，保证D和W比值不变；而当W自发 地改变时，PID也立即动作使W恢复原 来数值，有效地控制水位的变化。
2. 保持稳定的给水量.稳定工况下,给水量不 应该时大时小地剧烈波动,否则,将对省煤器和给水 管道的安全运行不利。
汽包炉给水控制对象的结构系统
给水控制对象的动态特性
给水量扰动下水位变化的动态特性
从物质平衡的观点来看，加大了给水 量G，水位应立即上升，但实际上并不是这 样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再 上升。这是因为给水温度远低于省煤器的 温度，即给水有一定的过冷度，水进入省 煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸 腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾 度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此， 进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中 因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过 一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量 不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在 此过程中，负荷还未发生变化，汽包中的 水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。
控制锅炉水位的意义
锅炉的控制系统中汽包液位是工业锅炉安 全运行的一个十分重要的参数，是自动控制的 重要环节，汽包液位保持在规定范围内是保证 锅炉正常运行的必要条件。“虚假水位”现象 给水位控制带来了困难和挑战，所以要对锅炉 水位进行控制，以保证锅炉能安全、可靠、有 效地运行。
锅炉水位控制系统的任务
锅炉水位控制系统方案
单冲量控制系统
单冲量指只有一个变量，即汽包水位。 单冲量控制系统的特点有： 1. 结构简单，投资少。 2. 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重 ，负荷较平稳的场合。 3. 为安全运行，可设置水位报警和连锁控 制系统。 该过程具有虚假水位的反向特性，因此， 当负荷变化较大时，会造成控制器输出误动作 ，影响控制系统的控制品质。蒸汽负荷变化后 ，要在引起水位变化后才改变给水量，因此， 控制不及时。
汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉 蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定范围内，具 体要求有以下两个方面：
1. 维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是 影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏 汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水 增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的 结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位 过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。 正常运行时水位波动范围：±（30～50）mm 异常情况：±200mm 事故情况：>±350mm
单冲量控制系统
双冲量控制系统
双冲量即增加蒸汽流量作为前馈 信号，坐车前馈加反馈控制系统。
双冲量控制系统的特点有： 1. 采用蒸汽流量作为前馈信号 ，可克服蒸汽负荷变化的影响。 2. 对给水流量扰动的影响未加 考虑，因此，适用于给水流量波动较 小的场合。 3. 由排污等水损失，给水流量 应大于蒸汽流量。
燃料扰动下水位阶跃响应曲线
给水控制对象的动态特性总结
以上三种扰动在锅炉运行中都经常发生。但是由于控制通道在给 水侧，因此蒸汽流量D和燃料量M习惯上称为外部扰动，它们只影响 水位波动的幅度。而给水量G扰动在控制系统的闭合回路里产生，一 般称为内部扰动。因此，汽包水位对于给水扰动的动态参数是给水 控制系统调节器参数整定的依据，此外，由于蒸汽流量D和燃料量M 的变化也是经常发生的外部扰动。所以常引入蒸汽流量信号D作为给 水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。
蒸汽量D扰动下水位阶跃响应曲线
燃料量扰动下水位的动态特性
此处的炉膛热负荷扰动是指燃料量M 的扰动。燃料量M增加时，锅炉吸收更多 的热量，使蒸发强度增大，如果不调节 蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸 汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量 ，水位应下降。但由于在热负荷增加时 蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽 泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸 发量增加之前发生，从而使汽包水位先 上升，从而引起“虚假水位”现象。当 蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅 速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽 量扰动时要小一些，但持续时间较长。
研究背景
锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、 数量最多的热力设备，是化工、炼油、发电、造 纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设 备。锅炉安全是一个非常重要的问题，必须引起 高度重视。汽包水位是锅炉系统正常运行的重要 参数，维持锅炉汽包水位在规定范围内，是保证 锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生 产运行的主要指标之一。锅炉的几个调节系统中 ，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条 件，是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉的水 位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在 锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等 方面起着重要作用。
论文报告概要
本次设计重点针对串级三冲量给水系 统进行了详细的设计及仿真研究。根据实 验给定的参数，用理论计算的方法整定调 节器的参数，同时借助MATLAB应用软件 进行仿真，整定系统，得到串级三冲量给 水控制系统对各种典型影响因素的干扰均 能做出快速反应，具有较高的调节质量和 调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保 障锅炉的安全稳定运行。
给水量扰动时水位阶跃响应曲线
蒸汽流量扰动下水位的动态特性
如果只从物质平衡的角度来看，蒸 发量突然增加 时，蒸发量高于给水量 ，汽包水位是无自平衡力的，所以水位 应该直线下降，如图中 所示那样， 但实际水位是先上升，后下降，这种现 象称为“虚假水位”现象，如图中 所示。其原因是由于负荷增加时，在汽 水循环回路中的蒸发强度也将成比例增 加，水面下汽泡的容积增加得也很快， 此时燃料量 还来不及增加，汽包中汽 压 下降，汽包膨胀，使汽泡体积增大 而水位上升。