锅炉内胆水温控制系统设计50830.docx

湖南工程学浣课程设计课程名称过程限制课题名称锅炉内胆水温限制系统设计专业自动化班级1003班学号201001020322姓名邓涛指导老师沈细建2013年9月13日湖南工程学院课程设计任务书课程名称过程限制课题锅炉内胆水温限制系统设计专业班级自动化1003班学生姓名邓涛学号201001020322指导老师沈细群审批沈细群任务书下达日期2013年9月2日任务完成日期2013年9月13日设计内容与设计要求设计内容：本设计的目的是限制锅炉水温监控系统的温度，使锅炉温度维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变更。要求设计一个水温限制系统。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）完成限制算法程序设计；5）在DDC限制装置中进行调试；主要设计条件过程限制试验系统,AE2000B2型仪表及其模拟量模块,计算机，组态软件，通信线等。说明书格式1 .课程设计任务书2 .书目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 .运用说明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，总体方案探讨星期二、确定总体设计方案星期三、选择相应的仪器设备，进行限制算法设计星期四、限制算法编程星期五、限制算法编程其次周星期一、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Ul过程限制,金以慧.北京：清华高校出版社，1993.4:103-11812何衍庆.工业生产过程限制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-8813AE2000B2型系统试验平台试验指导书书目第1章系统总体方案设计与选择1第2章系统工作原理与框图32.1工作原理32.2系统结构框图3第3章限制系统工作流程5第4章系统调试9第5章系统监控14附录15参考文献15程序清单16评分表18第1章系统总体方案设计与选择过程限制就是操纵变量影响工艺条件、过程、状况，目的是为了达到所需的目标。在石油生产加工、化学、热力、材料以及轻工业等行业领域中，我们把以温度、液位、流量、压力等等这些被作为主要的限制对象的系统都称作是“过程限制”。过程限制除了在传统产业改造的过程限制方面有很重要的作用以外，在提高产品质量、节约原材料及能源、爱护生态环境、削减环境污染方面以及提高经济效益和劳动效率方面的影响也特别大。现在过程限制已经在我国新建的大规模、结构困难的工农业生产过程中占据特别重要的地位。随着工业技术的更新，特殊是半导体技术、微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，自动化仪表已经进入了计算机限制装置时代。在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中，以温度、流量、物位、压力和成分为主要被控变量的限制系统都称为“过程限制”系统。过程限制不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，削减环境污染等特别重要的作用，而且已成为新建的规模大、结构困难的工业生产过程中不行缺少的组成部分。随着计算机限制装置在限制仪表基础上的发展，自动化限制手段也越来越丰富。其中有在工业领域有着广泛应用的智能数字仪表限制系统、智能仪表加计算机组态软件限制系统、计算机DDC限制系统、PLC限制系统、DCS分布式集散限制系统、FCS现场总线限制系统等。在现代化工业生产中，过程限制技术正为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产效率、改善劳动条件、爱护生态环境等起到越来越大的作用单回路限制系统的结构比较简洁，所需的自动扮装置数量少，操作维护也比较便利，因此在化工自动化中运用很普遍，这类系统占限制回路的绝大多数。单回路限制系统虽然简洁，但它的分析、设计方法是其它各种困难过程限制系统分析、设计的基础。对单回路限制系统进行分析，设计,调试处理的方法，理解单回路限制系统对各个环节的影响，就可以分析处理好更困难的设计问题。这里选择的是液位单回路限制系统。图1-1是一个单回路反馈限制系统单回路限制系统方框图的一般形式如下：图1-1单同路反馈限制系统第2章系统工作原理与框图2.1 工作原理单回路过程限制系统亦称单回路调整系统，一般是指正对一个被控过程（调整对象），采纳一个检测变松器检测被测过程，采纳一个限制（调整器）来保持参数恒定（或在很小范围变更），其输出也只限制一个执行机构（调整阀）。从系统的款图看，只有一个闭环回路。单回路过程限制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简洁、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的限制要求、因此在工业生产小应用特别广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变更比较平缓，或者限制质量要求不太高的场合。单回路过程限制系统虽然简洁，但它的分析、设计方法是其它各种困难过程限制系统分析、设计的基础。因此，学习和驾驭单回路系统的工程设计方法是特别重要的。2.2 系统结构框图将模拟过程限制系统中的限制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的基于计算机的限制系统，如图2-1所示。图2-1液位监控系统框图过程限制系统，1以表征生产过程的参量为被限制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动限制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的限制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗削减。一般的过程限制系统通常采纳反馈限制的形式，这是过程限制的主要方式。单回路系统结构简洁，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的限制要求，因此应用特别广泛。第3章系统工作流程本系统被控对象是为锅炉加热的IKW电加热管，被限制量是锅炉内胆的水温T,通过温度检测与变送器将检测的水温信号转化为电流信号，再A/D转换将模拟信号转换为数字信号后,通过串行总线将信号输入计算机,在MCGS组态环境下，依据限制要求，将信号经过PID整定后，通过D/A转换将计算机的数字信号转换为420mA的电流模拟信号限制三相SCR调压装置输出电压，达到对加热管电压大小调整，从而达到限制锅炉内胆水温的作用。锅炉内胆温度限制系统的任务是限制锅炉内胆温度等于给定值。限制框图如图1所示。图1锅炉内胆温度限制系统框图AD转换模块1、温度检测与变送锅炉内胆温度限制系统检测装置是用PtlOO热电阻作为温度传感器。伯热电阻PTlOO接线说明，如图2所示：温度变送器图2PtlOo热电阻接线图连接两端元件热电阻采纳的是三线制接法，以削减测量误差。在多数测量中，热电阻远离测量电桥，因此与热电阻相连接的导线长，当环境温度变更时，连接导线的电阻值将有明显的变更。为了消退由于这种变更而产生的测量误差，采纳三线制接法。即在两端元件的一端引出一条导线，另一端引出两条导线，这三条导线的材料、长度和粗细都相同，如图1中所示的a、b、Co它们与温度变送器输入电桥相连接时，导线a和C分别加在电桥相邻的两个桥臂上，导线b在桥路的输出电路上，因此，a和C阻值的变更对电桥平衡的影响正好抵消，b阻值的变更量对仪表输入阻抗影响可忽视不计。钳电阻温度传感器是利用金属粕在温度变更时自身电阻值也随之变更的特性测量温度,显示仪表将会指示出钳电阻的电阻值所对应的温度值.当被测介质存在温度梯度时,所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。2、ICP-7017模块和ICP-7024模块ICP-7017是8通道模拟量输入模块，面板如图3所示，ICP-7017模块24V供电，面板上供应了3通道的输入端口。每一通道依据功能表可输入允许范围的热电阻。支持485通讯。ICP-7017技术指标见表一。工CP-7033远程数据采集模拟量输入模块图3ICP-7017面板图3中，a：电源开关；b：RS485接口；c：ICP-7017模块；d：4通道的输入接口。ICP-7017模块将温度变送器送来的电压信号通过转换为数字信号后通过RS485接口送入计算机处理。表一ICP-7017和ICP-7024技术指标号功底、I-7017模拟显入分辨率16bit谕入通道8路差动采样率IOHzPtlOO-100100CO-100C0-200C0600CPtlOOO-2000-600CNi80TOOCo-ooC号功能1-7024分辨率14bit输出通道4路差动模拟+/-IOV5电压输出+/-5V福010V出05V电流输出O2O114-2O11AICP-7024是4通道模拟量输出模块。面板如图4所示，ICP-7024模块24V供电，供应了4通道的输出端口。每一通道依据功能表可输入允许范围的电压或电流。支持485通讯。ICP-7024的技术指标见表一。ICP-7024模块将从计算机输出的信号加到三相SCR调压模块420mA道的输出接口。3、MCGS组态环境及限制程序MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem,通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程限制和报表输出等多种方式向用户供应解决实际工程问题的方案，在工业限制领域有着广泛的应用。MCGS组态软件功能强大，操作简洁，易学易用，一般工程人员经过短时间的培训就能快速驾驭多数工程项目的设计和运行操作。同时运用MCGS组态软件能够避开困难的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，依据工程作业的须要和特点，组态配置出高性能、高牢靠性和高度专业化的工业限制监控系统。在计算机上运行MCGS打开其运行环境，找到锅炉内胆水温定值限制系统的试验，打开脚本程序即可查看实现PID算法的程序。4、三相SCR调压模块三相SCR调压模块，它是通过420mA电流限制信号限制三相沟通电源在0380V之间依据限制电流的大小实现连续变更。本系统通过计算机中的组态软件MCGS进行PID整定后输出限制信号通过远程数据输出模块加到单相SCR调压装置的输入端，以此来限制加热管电流的大小。5、限制系统的连线将三相电源的输出端U、V、W对应接到SCR移相调压器的输入端U、V、W,三相SCR移相调压器的输出端UO、VO.WO接到三相电加热管输入端U0、V0>W0,变频器输出端A、B、C对应接到三相磁力泵（220V）的A、13、C端。内胆温度TTl钳电阻的la、lb、IC端对应接到7017输入模块的第一通道的El、Sl、Cl端，7024模块第一输出通道A/0的正端接到24V开关电源的正端，将7024模块第一输出通道A/0的负端接到三相电加热管420mA输入正端，三相电加热管420mA输入负端接到24V开关电源的负端。用通信电缆连接到7017、7024的485通讯接口，再通过485/232转换器连接到计算机的COM2口上。第4章系统调试锅炉内胆水温限制系统运用水泵给锅炉加水，通过对调整阀1的限制，调整进水量。为了防止锅炉水满溢出，有一个自然出水口Io调整阀2限制输出的热水量。电压调整电路实现对电加热管的限制，以此来调整水的温度。通过温度变送传感器，将水温实时温度传到限制中心，从而形成闭环限制来调整锅炉内水的温度。首先按装置管道流向，把与锅炉内胆水温限制相关的阀门打开，便利水的流进和流出。然后依据试验指导书连线，打开组态软件，进行视察。（一）比例调整（P）（1）按图1所示方块图的要求接成试验系统。（2）打开调整阀1、调整阀，关闭调整阀2,启动丹麦泵往锅炉进水,约经1-2分钟后，关闭丹麦泵（保证锅炉内胆里有水）。（3）打开单相I、单相II空气开关、电动调整阀、24VDC电源开关。（4）运行MCGS组态软件，进入锅炉燃烧温度限制系统，把温度设定于某给定值（如：将水温限制在800,设置各项参数，使调整器工作在比例（P）调整器状态，此时系统处于开环状态。实时曲线如图5：图5P调整曲线（二）比例积分（PI）调整器限制（1）在比例调整器限制试验的基础上，待被调量平稳后，加入积分（“I”）作用，视察被限制量能否回到原设定值的位置，以验证系统在Pl调整器限制下没有余差。（2）固定比例P值（中等大小），然后变更积分时间常数I值，视察加入扰动后被调量的动态曲线。（3）固定I于某一中间值，然后变更比例P的大小，视察加扰动后被调量的动态曲线如图6o（4）选择合适的P和I值，使系统瞬态响应曲线为一条令人满足的曲线。此曲线可通过变更设定值（如把设定值由50%增加到60%）来实现。图6Pl调整曲线（三）比例积分微分（Pn）调整器限制（1）在比例调整器限制试验的基础上，待被调量平稳后，引入积分（iiVf）作用，使被调量回复到原设定值。减小P,并同时增大L视察加扰动信号后的被调量的动态曲线，验证在Pl调整器作用下，系统的余差为零。（2）在PI限制的基础上加上适量的微分作用“D”，然后再对系统加扰动（扰动幅值与前面的试验相同），比较所得的动态曲线与用PI限制图7PID调整曲线第5章系统监控5.1 设备连接本设计调试时，要用到组态软件MCGS。运行MCGS,打开设备窗口，添加通用串口父设备驱动程序7017和7024O7017用于采集现场数据到计算机，7024为输出设备，把计算机的限制信息输出到阀门。依据通讯状态设置，连线限制回路个模块（7017、7024、传感器、电动阀）。5.2 系统调试打开试验设备和远程数据采集限制台的电源，水泵启动，在MCGS组态环境下，按F5进入运行环境，静茹自动状态。设定值为20,比例系数为20,视察运行状态。在运行环境下，通讯标记显示通讯胜利。但监控画面上没有水箱液位测量值，同时发觉调整电动阀的输出，电动阀无反应，阀门开度无变更。这可能是线路或组态有问题，先把试验设备和远程数据采集限制台的线路连接检查了一遍，没有错误，那就可能是组态问题。关闭运行环境，关闭试验台电源。进入组态环境，查看7017和7024设备组态窗口模块地址，发觉7017模块地址和限制台连线不对应，重新连线，重新加载运行，液位采集胜利，调试完成。5.3调试结果图5-1液位监控系统调试画面38.05.4留意事项1、起先试验前，先检查仪表/计算机是否拨到计算机位置。2、试验结束后，应先将限制台回到初始位置，将试验台红色按钮按下断电后，在关闭计算机。3、试验暂停时，应将阀门关闭，防止水箱内的水回流。总结通过本次课程设计，我对MCGS组态软件的设计方法有了初步的相识，这对我以后系统设计有很大的作用。我还学会了如何去培育我们的创新精神，而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进之功能不断完善，成为真己的东西。设计结果能够符合题意，胜利完成了此次实习要求，我们不只在乎这一结果，更加在乎的，是这个过程。这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，更重要的是，我们在学会创新的基础上，同时还懂得合作精神的重要性，学会了与他人合作。俗话说“好的起先是胜利的一半”。说起课程设计，我认为最重要的就是仔细的探讨老师给的题目，选一个自己有爱好的题目。其次，老师对试验的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，假如没弄明白，就模模糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。软件的编程也要我们不断的调试，最终一个能完成课程设计的劳动成果出来了，很兴奋它能按着设计的思想与要求运动起来。这给了我努力后取得成果的喜悦。这次液位监控系统的课程设计使我受益匪浅。在设计中遇到了许多编程问题，最后在老师和同学的帮助下解决了。在此对给过我帮助的全部指导老师和同学再次表示忠心的感谢！附录参考文献1.lJ邵裕森，戴先中.过程限制工程（其次版）.机械工业出版社2刘国荣，梁景凯.计算机限制技术与应用.机械工业出版社3周杏鹏.传感器与检测技术.清华高校出版社程序清单启动脚本!setdevice(7017D,l；,M)!setdevice(7024,1,1,n)q0=0ql=0q2=0op2=4set=Osvl=0ma=0k=0ti=0td=O内胆Sv=O内胆PV=O循环脚本ifset=1then内胆SV=SVl内胆PV=PtIifk=Oandti=0andtd=Othenq0=0ql=0q2=0endifei=(svl-pt1)/20mx=k*0.5*eitiifk<>0andti<>0thenq=k*eiq2=k*td*(pvx-ptl)/0.5endififti=0thenqO=K*eiql=0mx=0q2=k*td*(pvx-pt1)/0.5endifIFMX>5THENMX=5ENDIFIFMX<-5THENMX=-5ENDlFifsv1>=ptlthenifopl>=100thenql=qlelseq1=q1+mxendifelseifopl<=0thenql=qlelseql=ql+mxendifendifpvx=pt1opl=Q0+Ql+Q2IFOPK=OTHENOPl=Oendififopl>=100thenopl=100ENDlFmid=oplifmal=lthen0Pl=maendifOP2=(OP1+25)/6.25IFOP2<4THENOP2=4endififop2>20thenop2=20ENDlFop4=op40*16/50+4IFOP4<4THENOP4=4endififop4>20thenop4=20ENDIFelseq0=0ql=0q2=0op2=4op4=4endif退出脚本!setdevice(7017D,2,"")!setdevice(7024,2,"")set=Oop2=4op4=4ma=0q0=0ql=0q2=0svI=Ok=0ti=0td=O内胆sv=0内胆PV=O电气信息学院课程设计评分表项目评价优良中及格差设计方案合理性与创建性（10%）硬件设计或软件编程完成状况（20%）硬件测试或软件调试结果Yl0%）设计说明书质量（20%）答辩状况（10%）完成任务状况（10%）独立工作实力（10%）出勤状况（10%）综合评分指导老师签名：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终一页。课程设计说明书装订依次：封面、任务书、书目、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。