毕业设计-电加热炉控制系统设计.docx

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密级：

NANCHANGUNIVERSITY

学士学位论文

THESISOFBACHELOR

（2006—2010年）

题目锅炉控制系统的设计

学院：

环境与化学工程系化工

专业班级：

测控技术与仪器

学生姓名：

魏彩昊学号：

5801206025

指导教师：

杨大勇职称：

讲师

起讫日期：

2010-3至2010-6

南昌大学

学士学位论文原创性申明

本人郑重申明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于

不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

日期：

导师签名：

日期：

南昌大学学士学位论文

锅炉控制系统设计

专业：

测控技术与仪器学号：

5801206025

学生姓名：

魏彩昊指导教师：

杨大勇

摘要

温度是流程工业中极为常见的热工参数，对它的控制也是过程控制的一个重点。

由于加热过程、加热装置特殊结构等具体原因，使得过程对象经常具有大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点，利用传统的PID控制策略对其进行控制，难以取得理想的控制效果，而应用数字PID控制算法能得到较好的控制效果。

本文主要阐述了一种改进型的加热炉对象及其工艺流程，采用了PLC控制装置设计了控制系统，使加热炉的恒温及点火实现了自动控制，从而使加热炉实现了全自动化的控制。

此种加热炉可广泛应用于铝厂、钢厂等金属冶炼、金属加工行业以及化工行业。

此设计以工业中的电加热炉为原型，以实验室中的电加热炉为实际的被控对象，采用PID控制算法对其温度进行控制。

提出了一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以PLC为核心，组成电加热炉自适应控制系统，其控制精度，可靠性，稳定性指标均远高于常规仪表组成的系统。

关键词：

温度；电加热炉；PLC；控制系统

ControlSystemDesignofBoiler

ABSTRACT

Temperatureisaverypopularparameterofpyrologyinflowindustry，sotemperaturecontrolisanemphasesofprocesscontrol.Consideringsomespecialconditionsuchasheatingmechanismandthespecialstructureofheaterthereareoftensomefeaturessuchaslongtimelag，nonlinearityanddifficultiesofmodelingoftargetsofprocess.It'sdifficulttocontrolverywellbytraditionalPIDalgorithm，theDigitalPIDcontrolalgorithmcangetbettercontroleffect.

Thisarticledescribedatypeofimprovedregenerativeheatingfurnace,which

makesthetemperatureinvariableandautoignitionusingPLC.Itcanbeavailablein

aluminumandsteelmillandothermetalindustry,whichcanbringobviouseconomic

andsocialbenefits.

Theindustrialdesignoftheprototypeelectricoventolaboratoryelectricfurnaceoftherealobject,PIDcontrolalgorithmfortemperaturecontrol.Thepaperpresentsatargetforelectricfurnacecharacteristicsofcontrolalgorithms,andPLCasthecoretoformthefurnaceadaptivecontrolsystem.Controlaccuracy,reliabilityandstabilityindicatorsaremuchhigherthanthesystemwhichisconsistedoftheconventionalinstrument,thedesignusesPIDalgorithmtocontrolitstemperature.

Keyword:

Temperature；heatingfurnace；PLC；controlsystem

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章绪论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.2加热炉控制研究现状 2

1.3本设计的主要工作及技术路线 3

1.3.1主要工作 3

1.3.2本论文的技术路线 4

第二章控制方案确定 5

2.1控制对象的数学模型及仿真 5

2.2电加热炉控制系统分析:

10

2.3控制系统的控制过程 11

2.3.1温度--流量串级控制系统 11

2.3.2液位-流量串级控制系统 11

2.4控制系统主要特色 12

第三章PLC控制系统硬件设计及仪表选型 14

3.1系统特性分析 14

3.2PROFIBUS现场总线介绍 14

3.3电加热炉PLC系统结构 15

3.4PLC控制系统设计 16

3.4.1恒温控制系统 16

3.4.2恒压控制系统 17

第四章控制系统的软件设计 19

4.1下位机软件设计 19

4.1.1Step-7简介 19

4.1.2下位机软件设计流程图 21

4.2上位机软件设计 22

4.2.1WinCC简介 23

4.2.2监控系统的设计 24

第五章仪器仪表的选型 25

5.1现场仪表的选型 25

5.1.1控制阀的选型 25

5.1.2节流装置的计算 26

5.1.3电气阀门的定位器 28

5.1.4压力变送器的选型 28

5.1.5压力表的选型 29

5.1.6流量计的选择 30

5.1.7温度变送器的选型 30

5.1.8浮子液位计的选型 31

5.2控制室仪表选型 32

5.2.1PLC的选型 32

5.2.2控制柜的选型 33

5.2.3安全栅的选型 33

5.2.4供电箱的选型 34

5.2.5智能调节器的选型 34

5.3其他仪器的选型 35

5.3.1水箱的选型 35

5.3.2水泵的选型 35

5.3.4接线箱的选型 36

5.3.5三相调压模块的选型 36

第六章总结和展望 38

6.1设计总结 38

6.2课题展望 39

参考文献（References） 40

致谢 42

42

第一章绪论

1.1选题的背景及意义

我国的电加热锅炉在10多年前问世，由于受到当时电力因素的制约，发展非常缓慢，只有几个非锅炉行业的厂家在生产。

1998年以来，特别是2000年，电热锅炉市场迅速发展。

行业内许多厂家都已经或者正在准备生产电热锅炉。

由于起步晚、规模小,电加热锅炉的控制水准很低，甚至很原始。

电加热锅炉的控制与燃油（气）锅炉的控制有很大的不同[1]：

1电流巨大，属大电流或超大电流控制；

2没有现成的燃烧器及其程控器，锅炉的加热过程和控制品质完全由自己决定；

3比燃油（气）锅炉的自动化程度和蓄热要求更高，外观要求也更现代、更美观。

因此，电热锅炉控制存在较大难度。

1998年我们抓住了市场机遇，再次把工业控制技术应用于电加热锅炉控制领域，把大型电力负荷控制的成功经验移植到电加热锅炉的大电流控制上来，率先提出了电加热锅炉的循环投切和分段模糊控制的控制模式，较好地解决了电加热锅炉控制的理论和实际问题。

国内电加热炉的加热形式主要有以下两个：

1电阻加热式

国内绝大多数厂家采用该方式，并选用电阻式管状电热元件。

电阻加热方式的电气特点是锅水不带电，但在电加热元件漏水或爆裂时会使锅水带电或称漏电。

另外，受电热元件绝缘导热层的绝缘程度的影响，电热管存在一定的泄漏电流。

泄漏电流的国家标准是<0.5ma。

该方式在结构上易于叠加组合，控制灵活，更换方便。

2电磁感应加热式

该方式的加热原理是：

当电流通过加热线圈时，就会形成电磁场,把金属锅壳置于电磁场之中，就会使锅壳产生涡流，并导致其发热，从而完成对锅水加热的目的。

其电流愈大，发热量愈大。

电磁感应加热方式在工业上的应用较早，典型的应用就是中频加热炉。

但是把它应用到锅炉上，确属首次，很有创意值得关注。

目前国内只有一家厂家生产这种电热锅炉。

该方式的优点是，与水和锅炉是非接触式加热，因此绝无漏电的可能性；另一个优点是该方式须用可控硅做驱动输出，因此具有无触点开关的独特优势；机械噪声小，可多级或无级调节，使用寿命长。

该方式的缺点是热效率比电阻加热方式要稍低，约96%:

。

这是因为后者是直接与锅水接触加热，而前者是间接加热，况且作为功率驱动元件的可控硅元件，其本身也要消耗一定功率。

1.2加热炉控制研究现状

国内电加热炉控制有四个发展阶段：

第一阶段：

手动控制、温度仪表显示

处于发展初期的电加热锅炉控制采用温度仪表显示温度，由人工手动投切，以达到逐级投切和温度调节的目的。

还有一种形式是无论功率多大，均分三个投切组，二组为手动，一组用温控表控制。

第一阶段手动控制方式自动化程度极低，控制效果较差。

第二阶段：

顺序控制器或PLC程控器，温度仪表参与控制

人们把人工手动投切改为用顺序控制器或PLC程控器来完成逐级投切，使锅炉控制基本能够自动化。

为了解决逐级投切的