mcgs電熱爐溫度控制系統(tǒng)設計

鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中主要的供熱設備。電力、機械、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，對鍋爐的大小規(guī)模不盡相同。作為重要的工業(yè)設備，在保證其安全和穩(wěn)定運行的情況下則應考慮其自動生產(chǎn)，提高自動運行能力及工作效率。

鍋爐生產(chǎn)在國民是工業(yè)中占據(jù)著重要的地位，早期的鍋爐自動化程度很低，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，導致系統(tǒng)故障不斷，但是鍋爐因為適合各種行業(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。所以對于鍋爐的自動運行這一方面還需要我們做控制的人不斷的研究和探索，力爭將鍋爐實際運行生產(chǎn)達到安全、高效的高度。

構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系來確定的，當給熱量和散熱量平衡時爐溫保持在給定的范圍內(nèi)。當某種因素出現(xiàn)變動時，從溫度傳感器采集的實際溫度與給定溫度進行比較，得到兩者的差值，即偏差。控制器根據(jù)實際偏差值的具體情況按照指定規(guī)律發(fā)出相應信號，控制被控量的大小，使溫度恢復到給定值的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對溫度的自動控制。

根據(jù)不同類型的鍋爐以及現(xiàn)場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行，為日常生活提供熱水，亦可稱為熱水鍋爐，本設計即為此類鍋爐的縮影；工業(yè)鍋爐基本在高壓下進行生產(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)，從而驅動汽輪機，進行發(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、 燃氣鍋爐、電加熱鍋爐等?；谌济?、燃油、燃氣的三類鍋爐均需要空氣做助燃劑，當燃料與空氣的比值適合時才能發(fā)揮最大的能效，因此此類控制系統(tǒng)必然會用到比值控制等復雜算法，同時燃燒的過程復雜、干擾多，還需要對煙氣含氧量、爐膛火焰等情況進行監(jiān)控，故而此類燃燒方式的鍋爐大多需要復雜、精確地設計、調(diào)試驗證及試運行后才能投入到現(xiàn)場生產(chǎn)中；電加熱鍋爐因為其提供能量方式單一，調(diào)節(jié)加熱器的電流或者電壓大小即可對爐溫進行控制，同時延遲不大，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。

基于實際條件及控制要求，本設計選擇在AE2000B型實驗裝置下的電加熱型熱水鍋爐作為對象。

AE2000B型過程控制實驗裝置是浙大中控根據(jù)工業(yè)自動化及相關專業(yè)教學特點，吸取了國外同類實驗裝置的特點和長處，并與目前大型工業(yè)自動化現(xiàn)場緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領先的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)過精心設計，多次實驗和反復論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學、學科基地建設的實驗設 備。AE2000型過程實驗裝置的檢測信號、控制信號及被控信號均采用ICE標準，即電壓1～5V、電流4～20mA。

由于實際的工業(yè)現(xiàn)場情況復雜，干擾較多，因此在控制器方面因選擇抗干擾能力強、運行穩(wěn)定的控制器，綜合單片機、PLC等控制器的特點，本設計選擇西門子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，本次設計選用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)存儲器較大、集成的RS485接口、擴展性良好、指令功能強大等特點，被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。

組態(tài)軟件在國內(nèi)是一個約定俗成的概念，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”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計算機程序，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。它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應用領域很廣，可以應用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域。

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，國外的組態(tài)軟件大多只針對自己的PLC，而國內(nèi)的組態(tài)軟件基本能與幾大主流的PLC進行配合使用。

本設計選擇北京昆侖的組態(tài)軟件MCGS作為上位機，MCGS是一套用于快速構造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。它能夠在基于Microsoft 的各種32 位Windows 平臺上運行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用。

本設計使用西門子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，通過現(xiàn)場溫度傳感器進行溫度采集，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，達到控制的所需要的工藝要求。目的在于設計過程中能夠了解S7-200 PLC是如何被運用于工業(yè)實際生產(chǎn)過程的，解決工業(yè)現(xiàn)場干擾多、情況復雜等情況下大多數(shù)控制器不穩(wěn)定的問題。通過在上位機上動手操作和觀察，實時遠程監(jiān)控鍋爐內(nèi)水溫的具體情況，并得到完整的爐溫實時曲線。同時監(jiān)控工藝運行時是否正常，達到安全生產(chǎn)的目的。

所選被控對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，同時輸送管道上面有電動調(diào)節(jié)閥，鍋爐內(nèi)部也有液位傳感器，傳感器與電動調(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，同時在程序內(nèi)設定液位上下限，保證鍋爐內(nèi)運行安全。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，同時鍋爐內(nèi)有溫度檢測裝置，兩者與控制器PLC構成閉環(huán)控制回路，達到調(diào)節(jié)溫度的目的。

在本設計中要求控制鍋爐溫度，故而對于液位部分只檢測鍋爐內(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、下限的報警值。