mcgs電熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中主要的供熱設(shè)備。電力、機(jī)械、冶金、化工、民用都需要鍋爐提供熱量，但是根據(jù)行業(yè)的不同，對(duì)鍋爐的大小規(guī)模不盡相同。作為重要的工業(yè)設(shè)備，在保證其安全和穩(wěn)定運(yùn)行的情況下則應(yīng)考慮其自動(dòng)生產(chǎn)，提高自動(dòng)運(yùn)行能力及工作效率。

鍋爐生產(chǎn)在國(guó)民是工業(yè)中占據(jù)著重要的地位，早期的鍋爐自動(dòng)化程度很低，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，導(dǎo)致系統(tǒng)故障不斷，但是鍋爐因?yàn)檫m合各種行業(yè)仍然被廣泛使用，鍋爐的廣泛使用使鍋爐現(xiàn)代化成為必然。鍋爐現(xiàn)代化的管理不但需要安全、高度自動(dòng)化的控制方案，還需要考慮高效、節(jié)能、環(huán)保等方面的因素。所以對(duì)于鍋爐的自動(dòng)運(yùn)行這一方面還需要我們做控制的人不斷的研究和探索，力爭(zhēng)將鍋爐實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)達(dá)到安全、高效的高度。

構(gòu)成鍋爐的溫度控制方法有很多種，但基本都是基于鍋爐的給熱量和散熱量平衡的關(guān)系來確定的，當(dāng)給熱量和散熱量平衡時(shí)爐溫保持在給定的范圍內(nèi)。當(dāng)某種因素出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，從溫度傳感器采集的實(shí)際溫度與給定溫度進(jìn)行比較，得到兩者的差值，即偏差?？刂破鞲鶕?jù)實(shí)際偏差值的具體情況按照指定規(guī)律發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，控制被控量的大小，使溫度恢復(fù)到給定值的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制。

根據(jù)不同類型的鍋爐以及現(xiàn)場(chǎng)的具體情況有不同的控制方法。從用途就可分為生活鍋爐、工業(yè)鍋爐、電站鍋爐。生活鍋爐主要是在低壓情況下運(yùn)行，為日常生活提供熱水，亦可稱為熱水鍋爐，本設(shè)計(jì)即為此類鍋爐的縮影；工業(yè)鍋爐基本在高壓下進(jìn)行生產(chǎn)，其需要提供大量熱量；電站鍋爐主要是將水加熱到高溫高壓的蒸汽狀態(tài)，從而驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，進(jìn)行發(fā)電，亦可成為蒸汽鍋爐。另一方面主要從燃料的角度區(qū)分鍋爐，主要有燃煤鍋爐、燃油鍋爐、 燃?xì)忮仩t、電加熱鍋爐等。基于燃煤、燃油、燃?xì)獾娜愬仩t均需要空氣做助燃劑，當(dāng)燃料與空氣的比值適合時(shí)才能發(fā)揮最大的能效，因此此類控制系統(tǒng)必然會(huì)用到比值控制等復(fù)雜算法，同時(shí)燃燒的過程復(fù)雜、干擾多，還需要對(duì)煙氣含氧量、爐膛火焰等情況進(jìn)行監(jiān)控，故而此類燃燒方式的鍋爐大多需要復(fù)雜、精確地設(shè)計(jì)、調(diào)試驗(yàn)證及試運(yùn)行后才能投入到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中；電加熱鍋爐因?yàn)槠涮峁┠芰糠绞絾我?，調(diào)節(jié)加熱器的電流或者電壓大小即可對(duì)爐溫進(jìn)行控制，同時(shí)延遲不大，能源使用率較高等因素被受親睞，但是其能提供的能量較少因此使用的規(guī)模不大。

基于實(shí)際條件及控制要求，本設(shè)計(jì)選擇在AE2000B型實(shí)驗(yàn)裝置下的電加熱型熱水鍋爐作為對(duì)象。

AE2000B型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是浙大中控根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，吸取了國(guó)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處，并與目前大型工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領(lǐng)先的AI智能儀表加組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、DCS（分布式集散控制系統(tǒng)），經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學(xué)、學(xué)科基地建設(shè)的實(shí)驗(yàn)設(shè) 備。AE2000型過程實(shí)驗(yàn)裝置的檢測(cè)信號(hào)、控制信號(hào)及被控信號(hào)均采用ICE標(biāo)準(zhǔn)，即電壓1～5V、電流4～20mA。

由于實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，干擾較多，因此在控制器方面因選擇抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定的控制器，綜合單片機(jī)、PLC等控制器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇西門子S7-200型PLC作為控制器。常用的西門子S7-200系列的PLC有224或226，本次設(shè)計(jì)選用224作為控制器。西門子S7-200系列PLC作為西門子推出的小型PLC，擁有體積小、通訊開放、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器較大、集成的RS485接口、擴(kuò)展性良好、指令功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的小規(guī)模控制系統(tǒng)。

組態(tài)軟件在國(guó)內(nèi)是一個(gè)約定俗成的概念，并沒有明確的定義，它可以理解為“組態(tài)式監(jiān)控軟件”。是指用戶通過類似“搭積木”的簡(jiǎn)單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計(jì)算機(jī)程序，也就是所謂的“組態(tài)”。

組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。

目前常用的組態(tài)軟件有西門子的WINCC、北京昆侖的MCGS、亞控的組態(tài)王、北京三維的力控，國(guó)外的組態(tài)軟件大多只針對(duì)自己的PLC，而國(guó)內(nèi)的組態(tài)軟件基本能與幾大主流的PLC進(jìn)行配合使用。

本設(shè)計(jì)選擇北京昆侖的組態(tài)軟件MCGS作為上位機(jī)，MCGS是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它能夠在基于Microsoft 的各種32 位Windows 平臺(tái)上運(yùn)行，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)使用西門子S7-200型PLC作為控制器，北京昆侖的組態(tài)軟件MCGS作為上位機(jī)，通過現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，使用可控硅調(diào)節(jié)加熱器兩端電壓等系列方法控制加熱效果，達(dá)到控制的所需要的工藝要求。目的在于設(shè)計(jì)過程中能夠了解S7-200 PLC是如何被運(yùn)用于工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程的，解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾多、情況復(fù)雜等情況下大多數(shù)控制器不穩(wěn)定的問題。通過在上位機(jī)上動(dòng)手操作和觀察，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控鍋爐內(nèi)水溫的具體情況，并得到完整的爐溫實(shí)時(shí)曲線。同時(shí)監(jiān)控工藝運(yùn)行時(shí)是否正常，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

所選被控對(duì)象是常見的電加熱鍋爐，通過電加熱棒與待加熱液體直接進(jìn)行熱傳遞，將一定量的液體加熱到工藝要求的溫度。

待加熱液體由丹麥泵直接抽到鍋爐中，同時(shí)輸送管道上面有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，鍋爐內(nèi)部也有液位傳感器，傳感器與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥形成閉環(huán)控制回路，保證鍋爐內(nèi)部液體穩(wěn)定，同時(shí)在程序內(nèi)設(shè)定液位上下限，保證鍋爐內(nèi)運(yùn)行安全。在鍋爐內(nèi)有電加熱棒并通過單相SCR可控調(diào)壓裝置控制其輸出電壓，同時(shí)鍋爐內(nèi)有溫度檢測(cè)裝置，兩者與控制器PLC構(gòu)成閉環(huán)控制回路，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

在本設(shè)計(jì)中要求控制鍋爐溫度，故而對(duì)于液位部分只檢測(cè)鍋爐內(nèi)有無液體，將此液位作為參考值，在安全控制方面作為液位上、下限的報(bào)警值。