过热蒸汽温度控制系统课程设计 2分解.docx

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过热蒸汽温度控制系统课程设计2分解

湖南工程学院

课程设计

课程名称过程控制

课题名称过热蒸汽温度控制系统设计

专业

班级

学号

姓名

指导教师

2007年1月22日

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称过程控制

课题过热蒸汽温度控制系统设计

专业班级

学生姓名

学号

指导老师

审批

任务书下达日期2007年1月9日

任务完成日期200年1月22日

设计内容与设计要求

设计内容：

过热蒸汽是工业生产中常用的环节之一，在生产过程中，蒸汽通过加热炉对其进行加热，工艺要求过热蒸汽温度必须维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化，要求设计一个温度控制系统。

设计要求：

1）确定系统设计方案；

2）选择相应的仪器设备；

3）MCGS软件组态相应的监控画面；

4）完成控制算法程序设计；

5）在DDC控制装置中进行调试；

主要设计条件

假设加热炉是普通锅炉，被加热物料是冷水，生产工艺要求热水温度应保持在400±5℃，设计控制系统满足该要求。

说明书格式

1.课程设计任务书

2.目录

3.系统总体方案选择与说明

4.系统结构框图与工作原理

5.各单元硬件设计说明及计算方法

6.软件设计与说明（包括流程图）

7.调试结果与必要的调试说明

8.使用说明

9.程序清单

10、总结

11、参考文献

附录

附录A系统原理图

附录B程序清单

进度安排

设计时间为两周

第一周

星期一、上午：

布置课题任务，讲课及课题介绍

下午：

借阅有关资料，总体方案讨论

星期二、确定总体设计方案

星期三、选择相应的仪器设备，进行控制算法设计

星期四、控制算法编程

星期五、控制算法编程

第二周

星期一、MCGS组态监控画面

星期二、MCGS组态监控画面，在DDC装置上进行调试

星期三、在DDC装置上进行调试

星期四、写说明书

星期五、上午：

写说明书，整理资料

下午：

交设计资料，答辩

参考文献

目录

一、控制系统设计……………………….……….1

二、组态界面设计与说明………………….….…5

三、PID控制程序……………………………..….10

四、系统调试……………………………….…….12

五、总结与体会……………………………….….14

六、参考文献……………………………….……..16

课程设计成绩评分表

一、控制系统设计

电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的控制任务是使出口蒸汽温度维持在允许的范围内，并保护过热蒸汽不超过允许的工作温度。

提供给下一工业环节。

同时，应满足安全性和经济性的要求，流程图如图1-1所示。

图1-1过热蒸汽温度控制系统流程图

过热蒸汽温度控制要完成①供给蒸汽量适应负荷变化需要或保护给定负荷；②出口的蒸汽温度保持在一定范围内；③减温器的水位保持在一定的范围；④保持过热蒸汽系统的经济安全运行。

（1）方案选择

单回路系统结构简单，投资少，又能满足不少生产过程的控制要求。

适用于被控制过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者被控制质量不高的场合下。

由于在系统结构上多了一个副回路，串级控制系统能迅速地克服进入副回路的二次干扰，从而大大减少了二次干扰对主参数的影响，改善了过程的动态特性，提高了控制作用的快速性，对负荷变化的适应性强。

双冲量控制系统利用反馈控制克服其他扰动，能使被控量迅速而准确地稳定在给定值上，提高控制系统的控制质量。

综合上面几种控制系统，串级控制系统最适用于过热蒸汽温度的控制。

但是串级控制系统结构复杂，费用较高。

限于实验室所能提供的条件，为了便于调试，本次设计选用单回路控制系统。

①、被控量

根据工艺可知，过热蒸汽控制系统的控制任务是使过热器。

出口温度保持在允许范围内，并保护过热管管壁温度不超过允许温度。

所以直接选取，出口的过热蒸汽温度为被控量。

②、操纵量

影响过热蒸汽管出口处蒸汽温度的干扰有：

蒸汽流量F1（t），减温水量F2（t），这两种量均可以作为操纵量，如采用过热蒸汽流量作为操纵量，蒸汽直接进入过热器对出口蒸汽温度的校正作用最灵敏。

从控制品质来讲，应该选择该方案，但过热蒸汽量是生产负荷，要为下一阶段的系统提供动力，这样不可能保持在稳定的负荷点工作。

限制了生产能力。

一般不选用。

因此采用以减温水量作为操纵量，通过调节减温水流量来实现过热蒸汽温度控制。

③、控制仪表

根据生产工艺要求，蒸汽温度在400±5℃，由于被控温度在600℃以下，故选择热电阻传感器作为检测元件，配DDZ--Ⅲ型过热电阻温度变送器，采用三线接发，控制方法采用计算机控制。

该系统要求稳态误差小，精度比较高，积分可以消除余差，所以首选PI调节，又考虑到蒸汽温度由减温水量来控制，系统延迟会比较大。

而微分可以改善系统的动态性能。

综合考虑应该选择PID控制。

④、控制系统方框图

综上所述，所设计的系统方框图如图1－2所示，

过热蒸汽

图1-2系统方框图

该系统中，输送到电厂锅炉的蒸汽经过一级过热器被加热，再经过减温器和二级过热器对蒸汽温度进行调节，由传感变送器对出口的蒸汽温度进行检测，并把检测结果由4～20mA的电流信号通过A/D转换器转化为数字信号，送到计算机。

计算机接收到信号后形成PID算法，并通过D/A转换器把结果转化为4～20mA的电流信号，用来调节减温水阀的开度，从而实现对过热蒸汽温度的控制。

（2）硬件系统介绍

①AE2000B2型实验对象

AE2000B2型过程控制实验装置是由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。

该系统设计从工程化、参数化、现代化、开放性和培养综合性人才的原则出发，在实验对象中采用了工业现场常用的检测控制装置！

仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件等。

计算机控制系统的硬件一般由主机、外部设备、过程通道、总线、接口、操作台及过程控制仪表等几部分组成，如图2-1所示。

②ICP-7017模块

ICP-7017模块24V供电，面板上提供了4通道的输入端口。

ICP-7017模块是利用RS485和上位机进行通讯的8通道模拟输入采集模块，如图2-1所示。

选择的输入类型为电流型。

2-1ICP-7017接口图

③ICP7024模拟输出类型

7024模拟输出的方式有电压型和电流型两种，电压型输出只是在输出端并接一个电阻。

本次设计中选用电流型输出接线方式，模块图形如图2-2所示。

其电流输出范围：

采用4～20mA的输出范围。

2-2ICP7024接口图

④控制台介绍

控制台由喷塑钢板作为框架，以防火材料为桌面板，桌底装有滚动轮子和固定地盘，外观优美，耐用结实。

控制面板用喷塑铝合金板制作，容易安装拆卸。

控制面板上安装了智能调节仪、S7200PLC模块、流量积算仪、DDC输入输出模块、变频调速器以及电源和I/O信号。

二、组态界面设计与说明

本次设计采用的组态软件是由北京昆仑公司开发的MCGS。

利用该组态软件创造出非常实用，美观人机控制界面，并能配置出高性能、高可靠性、高度专业化控制系统。

在自动化有着广泛的应用领域，通过对系统参数的整定，使其运行在最佳状态，实现对局部生产过程的最优控制，使其达到完美的工业过程制。

1、工程建立

（1）鼠标单击文件菜单中的“新建工程”选项，默认的工程名为：

“新建工程X.MCG”；

（2）选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口；

（3）在文件名一栏内输入“过热蒸汽温度控制系统”，点击“保存”按钮，工程创建完毕。

2、制作工程画面

①在“用户窗口”中单击“新建窗口”，建立窗口“0”；

②选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”；

③将窗口名称改为：

蒸汽温度控制；窗口标签改为：

水位控制；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。

④在“用户窗口”中，选中“蒸汽温度控制”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口如图3-1所示。

图3-1启动画面

3、编辑画面：

选中“蒸汽温度控制”窗口图标，单击“动态组画”，进入动画组态窗口，开始编辑画面，首先制作文字框图。

（1）单击工具条中的“工具箱”

按钮，打开绘图工具箱；

（2）选中“工具箱”内的“标签”按钮

，在窗口顶端中心位置拖拽鼠标，根据需要拉出一个一定大小的矩形；

（3）在光标闪烁位置输入文字“蒸汽温度控制系统演示工程”；

（4）选中文字框，作如下设置：

点击

（填充色）按钮，设定文字框的背景颜色：

没有填充；

点击

（线色）按钮，设置文字框的边线颜色：

没有边线；

点击

（字符字体）按钮，设置文字字体为：

宋体；字型为：

粗体；大小为：

26；

点击

（字符颜色）按钮，设置文字颜色，制作工程画面。

（1）单击绘图工具箱中的

（插入元件）图标，弹出对象元件管理对话框图，如图3-2所示。

图3-2工程画面的制作

（2）制作减温器；

（3）从“阀”类中选取阀；

（4）将元件调整为适当大小，放到适当位置；

（5）选中工具箱内的流动块动画构件图标

，生成流动块。

（6）使用工具箱中的

图标，分别对元件进行注释。

（7）选择“文件”菜单中的“保存窗口”选项，保存画面。

最后生成的组态软件的界面如图3-3所示。

图3-3实验软件界面

4、动画连接

由图形对象搭制而成的图形画面静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。

图3-4动画连接

5、设备连接

通常情况下，在启动MCGS组态软件时，模拟设备都会自动装载到设备工具箱中。

（1）双击“设备工具箱”中的“模拟设备”，模拟设备被添加到设备组态窗口中

（2）双击“设备0-[模拟设备]”，进入模拟设备属性设置窗口

（3）点击基本属性页中的“内部属性”选项，该项右侧回出现

图标，单击此按钮进入“内部属性”设置；

（4）单击“确认”，完成“内部属性”设置；

图3-5模拟设备窗口

（5）点击通道连接标签，进入通道连接设备；

（6）进入“设备调试”属性页，即可看到通道值中数据在变化，

按“确认”按钮，完成设备属性设置。

三、PID控制程序

用户脚本程序是用来完成特定操作和处理的程序，脚本程序的变成语法非常类似于普通的Basic语言，但是在概念和使用上更为简单直观，力求做到使大多数用户能正确、快速地掌握和使用。

本系统的所有程序如下所示。

过热蒸汽PV=（pvx-1000）*0.1；1~5V电压信号变成0~400℃温度信号

if过热蒸汽PV>400then；

过热蒸汽PV=400

endif

过热蒸汽SV=sv

AOch0=（OPS+25）/6.25；温度控制信号转变为4~20mA电流信号

AOch1=（OPA+25）/6.25；阀门开度信号转变为4~20mA电流信号

ifrun=0then；如果是自动状态则参数设为0

Qp=0

Qi=0

Qd=0

pvx=0

else；否则，如果是手动状态

ei=sv-（pvx-1000）*0.1；算出偏差信号

ifk=0andTi=0andTd=0then；如果k,、Ti、Td都为零

Qp=0

Qi=0

Qd=0

endif

ifk<>0andTi<>0then；如果k,、Ti不为零

Qp=k*ei；比例项为k,乘以偏差值

mx=k*0.2*ei/Ti；积分项为k*0.2*ei/Ti

Qd=k*Td*（（pvx-pv1）*0.1）/0.2；微分

endif

ifk=0then；如果比例参数为0

Qp=0；则比例系数为0

mx=0.2*ei/Ti；最小采集周期为200mS

Qd=Td*（（pvx-pv1）*0.1）/0.2

endif

ifTi=0then；积分等于0的情况

Qp=k*ei

Qi=0

mx=0

Qd=k*Td*（（pvx-pv1）*0.1）/0.2；计算微分

endif

ifmx>5then；积分项总和的上限为5

mx=5

endif

ifmx<-5then

mx=-5；积分项总和的下限为-5

endif

ifei>0andOPS>=100thenQi=Qi

else

Qi=Qi+mx；将此时的Qi和mx相加赋给Qi

endif

ifei<0andOPS<=0then；温度控制百分比为0

Qi=Qi；Qi值不再增加

else

Qi=Qi+mx

endif

pvx=pv1；将此次采集的pv1赋给pvx

OPS=Qp+Qi+Qd；输出总和为三项和相加

ifOPS<0then；设定温度控制百分比下限为0%

OPS=0

endif

ifOPS>100then；设定温度控制百分比上限为100%

OPS=100

endif

endif

四、系统调试

本系统所要保持的参数是过热蒸汽温度，由于实验室控制对象只有水箱和锅炉，温度控制只能在100度以下，所以调试时只能把锅炉作为控制对象，温度控制在100度以下，根据控制框图，这是一个单回路的控制系统，控制质量的好坏与控制器参数有很大关系。

1、调试过程：

（1）将实验装置电源插头接到220V的单相交流电源。

（2）打开电源带漏电保护空气开关。

（3）打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。

（4）开启24VDC电源开关。

打开7017、7024的电源开关。

（5）启动计算机MCGS组态软件，得到监控画面如图4-1所示。

图4-1监控画面

（1）由曲线图4-1可以看出，系统超调量叫小，主要是因为在调节过程中看到曲线上升幅度较为明显，又增大了微分的作用，使超调量减小，改善了系统的动态性能。

（2）进行第一次仿真时，得到的测量曲线一直震荡，很难稳定，通过对比例系数的调节（减小比例系数），消除了系统的震荡。

（3）用组态软件仿真的时超调量很大，等了较长时间系统达到预期的控制目标。

分析后可以得出由于微分的系数没有调节好，最后加大了微分的作用，使系统很快就稳定下来。

（4）在进行仿真时发现组态软件界面上显示“检测温度”PV一直是-25℃。

经过检查发现，由于模块地址没有设定，而用了默认值，系统没有接收到检测信号。

最后，把7017的模块地址改为4，把7024的模块地址改为5。

“检测温度”可以正常显示。

（5）进行温度检测时，发现温度的显示与正常值偏差比较明显，经检查发现，是由于循环脚本的程序“AOch0=（OPS+25）/6.25”有误。

由于温度信号要转化为4～20mA的电流信号，而过热蒸汽要求控制在400℃，所以0对应的电流应该为4mA，400℃对应20mA，经过运算，程序应改为AOch0=（OPS+100）/25。

2、调试结果

经过运行MCGS组态软件，本次设计较好的完成了过热蒸汽温度的监控和控制，把出口蒸汽的温度控制在规定的范围内，波动较小，曲线超调量较小。

得到的实时曲线如图4-2所示。

图4-2过热蒸汽控制实时曲线

五、总结与体会

本次过热蒸汽温度控制的设计，使我熟悉了组态软件的操作环境，同时对过程控制的控制系统知识有了更为深刻的了解。

对理论知识有了非常直观的了解。

增加了对MCGS组态软件的认识与应用，特别是对系统设计方案的选择以及组态软件的编程有了一定的了解。

提高了我的学习能力，掌握了用所学知识解决工程实际问题的方法，同时也学到了很多新的知识，开阔了视野，这无论是对毕业设计、还是将来的工作都积累了不少的经验。

最重要的是，我更加深刻的认识到：

体会到在学校里学的知识仅仅是个理论上的东西，而要把学过的知识应用到生产技术当中去却是一个相当复杂的过程。

一名出色的工程师要靠日积月累的努力，不是光凭一点书本知识就能造就的。

我们今后走进企业的第一件是就是从基层做起，积累了一定的经验和动手操作能力以后，对于今后的工作有很大的帮助。

使自己能够更为深刻的领悟书本知识和实际工作之间的差别，让我们所学的理论知识与理论实际联系起来。

这次课程设计是在沈细群老师的悉心指导下完成的，从设计思路、脚本语言的编制、组态软件的调试完成。

整个过程都给了我精心的指导。

严谨的治学态度和深厚的理论与工程实践功底都使我受益匪浅。

六、参考文献

[1]金以慧.过程控制.北京:

清华大学出版社，1993

[2]钟庆昌，谢剑英，李辉.变参数PID控制器信息与控制，1999.8

[3]王毅.过程装备控制技术及应用.北京:

化学工业出版社,2002.

[4]陈曦，姚普光.工业控制软件的面向对象开发技术.河北工业大学学报,1998.27

[5]王培进，范宝德.控制系统的面向对象分析与设计.计算机应用研究,2002.10[61金以慧.生产过程的先进控制化工自动化及仪表.1997.24

[7]陈夕松，张景胜.过程控制发展综述与教学探讨.南京工程学院学报，2002.2

[8]朱学峰.过程控制技术的发展现状与展望测控技术.1999.18

[9」召联合.PID控制算法的仿真与研究.承德石油高等专科学校学报，2001.3

[10]陶永华、尹怡欣、葛芦生.新型PID控制及其应用.北京:

机械工业出版社，1998

[11]王强远程监控系统的应用与研究.硕士论文.2003

[12]倪显.工业控制组态软件的产品对比及发展趋势测控技术.2000.19

[13]林伟.浅谈组态软件发展趋势.动化博览,2003.1

[14]MCGS参考手册.北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.2004.2

[15]MCGS用户指南.北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.2004.2

电气与信息工程系课程设计评分表

项目

评价

设计方案的合理性与创造性

硬件制作或软件编程完成情况

硬件制作测试或软件调试结果

设计说明书质量

设计图纸质量

答辩汇报的条理性和独特见解

答辩中对所提问题的回答情况

完成任务情况

独立工作能力

组织纪律性（出勤率）

综合评分

指导教师签名：

________________

日期：

________________

注：

表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

此表装订在课程设计说明书的最后一页。

课程设计说明书装订顺序：

封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。