锅炉夹套水温PID控制Word文档下载推荐.docx

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D=25cm，H=20cm；

下水箱尺寸为：

D=35cm，H=20cm。

水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。

水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。

上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。

储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：

长×

宽×

高=68cm×

52cm×

43cm，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。

储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

2．模拟锅炉：

是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。

做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。

3．盘管：

模拟工业现场的管道输送和滞后环节，长37米（43圈），在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中可根据不同的实验需要选择不同的温度检测点。

盘管的出水通过阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。

它可用来完成温度的滞后和流量纯滞后控制实验。

4．管道及阀门：

整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的阀门均采用优质阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。

有效提高了实验装置的使用年限。

其中储水箱侧面有一个进水阀和出水阀，当水箱需要更换水时，可把球阀打开将水直接接入或排出。

1.3检测仪表

1．压力传感器、变送器：

三个液位传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。

采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：

4～20mADC。

2．温度传感器：

装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。

Pt100测温范围：

-200～+420℃。

经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。

Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

3．流量传感器、变送器：

三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。

它的优点是测量精度高，反应快。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。

流量范围：

0～1.2m3/h；

精度：

1.0%；

输出：

4．锅炉防干烧保护装置：

为保证实验效果好、不降低锅炉加热功率的前提下，本套装置配备了良好的防干烧保护系统，当锅炉内胆液位低于红色警戒水位线时，保护装置将切断调压模块输出电压，以有效保护电加热管不被干烧损坏。

1.4执行机构

1．电动调节阀：

采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。

电动调节阀型号为：

QSVP-16K。

具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

2．水泵：

本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。

泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。

本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

3．电磁阀：

本套装置共有17支优质电磁阀配合控制器完成所有实验项目，其阀体为黄铜材质，磁力连接栓为不锈钢榜及弹簧、弹杆、橡皮膜片，以防止生锈，它具有体积小、流量大、耐高温、耐高压、动作快、寿命长等特点。

1.5控制屏组件

1．通讯线介绍

“THJ-4型高级过程控制系统实验平台”可以挂智能仪表、远程数据采集和S7-200PLC挂件，并可控制对象系统完成相应的实验。

屏中布有485通讯线线，从正面看控制屏时，从左边数的五个通讯口挂在一条485总线上，然后引出来一根通讯线，通讯头上标有“1”的字样；

最右边的通讯口单独从控制屏后引出一个通讯头，上面标有“6”的字样。

485通讯线主要用于仪表和远程数据采集模块与计算机的通讯，485通讯方式与计算机建立通讯时需接一个转换器到计算机串口上。

THJ-4-3面板是与对象系统通过2号42芯和3号19芯电缆线相连的接口板，可取来对象上的信号，也可将控制屏上的信号通过它送出；

面板上有24V开关电源的输出端子，它不但控制着面板上三路24V直流输出，而且控制着对象系统所有变送器的电源。

2．SA-11交流变频控制挂件

采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH（R）型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。

变频器常用参数设置：

P30＝1；

P53＝1；

P62＝4；

P79＝0。

3．三相移相SCR调压装置

采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。

输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

1.6实验控制系统流程图

本实验控制系统流程图如图所示。

本实验控制系统中锅炉夹套温度信号和移项调压控制模块控制信号均为模拟量信号，信号的传输路径不涉及PROFIBUS-PA总线，锅炉夹套温度信号TT2直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，模拟量输出模块SM332和模拟量输入模块SM331与分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），由于PROFIBUS-DP总线信号传输的双向性，这样既完成了现场测量信号到CPU的传送，又使得CPU发出的控制信号能传送到模拟量输出模块，模拟量输出模块输出的4到20mA电流信号控制移项调压模块的输出电压。

1.7控制原理框图

图4.锅炉夹套水温定值控制系统

（a）结构图（b）方框图

本实验系统结构图和方框图如图4所示。

本实验以锅炉夹套作为被控对象，夹套的水温为系统的被控制量。

本实验要求锅炉夹套的水温稳定至给定值，将铂电阻TT2检测到的锅炉夹套温度信号作为反馈信号，与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉夹套水温的目的。

在锅炉夹套水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其它单回路控制系统一样，但由于锅炉夹套的温度升降是通过锅炉内胆的热传导来实现的，所以夹套温度的加热过程容量时延非常大，其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。

实验中用变频器支路以固定的小流量给锅炉内胆供循环水，以加快冷却。

图4（b）为一个单回路的锅炉夹套温度控制系统的结构框图.实验前先用丹麦泵给锅炉内胆打适量的水，而锅炉夹套为动态环水,变频器,齿轮泵，锅炉内胆组成循环供水系统。

实验投入运行后，变频器以固定得频率使锅炉夹套得水处于循环状态。

在单回路的锅炉夹套温度控制系统中，若没有循环水加以快速热交换，散热过程相对比较缓慢，温度调节得效果受对象特性和环境的限制，在精确和稳定性上存在着一定的误差。

当增加了循环水系统以后，有利于热交换并提高散热能力。

相比与静态温度控制实验，在控制的精确性，快速性上有很大的提高。

本系统控制的被控制量锅炉夹套水温，既控制任务是控制锅炉夹套水温等于给定值，并采取工业智能PID调节。

（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），由于PROFIBUS-DP总线信号传输的双向性，这样既完成了现场测量信号到CPU的传送，又使得CPU发出的控制信号能传送到模拟量输出模块，模拟量输出模块输出的4到20mA电流信号控制移项调压模块的输出电压。

2.实验内容与步骤

本实验选择锅炉夹套水温作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将F2-6，F2-9，F2-8打开。

将变频器A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节变频器频率，给锅炉内胆和夹套贮满水，然后关闭变频器、关闭F2-8，打开F2-9，为给锅炉内胆供冷水作好准备。

1、比例调节器（P）控制

（1）按图4（b）所示方框图的要求接成实验系统。

（2）打开储水箱到锅炉内胆和锅炉夹套水路相关阀门，启动丹麦甭既变频器与齿轮泵两条动力支路，分别往锅炉内胆和锅炉夹套进水，约进1-2分钟后，关闭两套动力系统。

（3）启动工艺流程并开启相关仪器和计算机，把智能调节器置于“手动”输出，把温度设定于某给定值（如：

水温控制在40°

C）并设置相关参数，使调节器工作在比例度（δ）调节器状态，此时系统处于开环状态。

（4）启动变频器，以15赫兹的频率启动循环水系统。

（5）运行Wincc组态软件，进入相应的试验，观察实时或历史曲线，待水温（由智能调节器的温度显示器指示）基本稳定于给定值后，将调节器“手动”切换至“自动”位置，使系统变为闭环控制运行。

待基本不再变化时，加入阶跃扰动。

通过改变智能调节器的设定值来实现，观察并记录在当前比例P余差和超调量.每当改变值δ后，,再加同样大小的阶跃信号，比较不同δ时的ess和σp。

图5.锅炉夹套温度P控制不同P时的阶跃响应曲线

表1不同比例P时的余差和超调量

δ

大

中

小

ess

σp

（6）记录实验过程各项数据绘成过渡过程曲线。

（数据可在软件上获得）

改变变频器的输出频率，观察并记录在当前比例度δ余差和超调量。

待系统稳定后，再改变输出频率，比较不同的输出频率时的ess和σp。

2、比例积分（PI）调节器控制

（1）在比例调节器控制实验的基础上，待被调量平稳后，加入积分（“I”）作用，观察被控制量能否回到原设定的位置，以验证系统在PI调节器控制下没有余差。

（2）固定比例度δ值（中等大小），然后改变积分时间常数Ti值，观察加入扰动后被调量的动态曲线，并记录下不同Ti值时的超调量σp。

图6.锅炉夹套温度PI控制不同I时的阶跃响应曲线

表2不同Ti值时的超调量σp

Ti

超调量σp

（3）固定Ti于某一中间值，然后改变比例度δ的大小，观察加扰动后被调量的动态曲线，并记下相应的超调量σp。

（4）选择合适的δ和Ti值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满意的曲线。

3、比例微分调节器（PD）控制

（1）在比例调节器试验的基础上，待系统被调量平稳后，引入微分作用“D”。

固定比例度δ值（中间值），改变微分时间常数D的