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《锅炉温度串级控制系统》开题报告
一、 课题的目的和意义
随着我国国民经济的快速发展，锅炉的使用范围越来越广泛。而锅炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
现代锅炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为锅炉的自动化提供了有利条件。锅炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，锅炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面[1]。
国内一些大容量机组已开始应用计算机控制，主要用来作数据处理、运行监督指导及局部闭环控制等。实现锅炉自动化的意义在于：
1.提高锅炉运行的安全性； 2.提高锅炉运行的经济性； 3.改善劳动条件；
4.减少运行人员，提高劳动生产率。
总之，实现锅炉自动化是促进社会主义现代化的重要措施之一。
过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。过程控制的发展将会越来越迅速，并且被应运到越来越多的领域中，而我所探讨的问题是锅炉温度的串级控制[2]。串级控制，是一种复杂的过程控制系统，在提高控制质量和实现一些特殊工艺要求等方面有着显著的效果，使复杂过程控制系统达到一个新的水平，在过程控制中得到了广泛的应用[3]。我国现有中、小型锅炉100多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，采用合适的过程控制方案是一件具有深远意义的工作。由于起步较晚，国内电热锅炉的控制水平不高，只要表现在算法简单、粗糙，造成温度控制效果不佳，易产生输出控制量的震荡，系统不稳定的现象，而且自动化程度不高。最后的目的就是经过仿真实验和实际运行表明，所设计的系统能够可靠、稳定而安全地手动、自动和定时运行的功能，并且在系统出现超温等紧急情况时能报警并自动切断系统。以PID控制算法为核心的控制器能够很好地满足系统的
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稳定性和精度要求，通过辅助以友好的操作界面，能够简单、便利而又切实有效地应用于实际[4]。
通过实时检测装置把锅炉系统的运行状态和运行参数随时报告给人和控制系统，由自动调节装置对系统的运行状态进行调节；自动控制装置能简化操作步骤和减少操作数量，避免误操作；保护装置能使系统运行中周边设备发生异常、运行参数偏离允许值提供声光报警或自动停炉等应急自动处理[5]。并且还可以很好的提高锅炉运行的经济性，工业锅炉在燃烧过程中，各项技术指标都要求限定在一定范围内。为了确保燃烧过程的稳定、可靠和经济运行，设计采用先进的A/D转换技术和PID计算技术，锅炉燃烧过程控制装置通过检测出口温度、炉膛温度等运行物理量，通过PLC控制器及调节器，改变电阻丝两端电压，使炉膛温度控制在预定范围内，保证锅炉在最佳的温度下加热，在最节能条件下运行[6]。锅炉串级控制装置，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能，保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。
二、 文献综述
关于锅炉温度的自动化控制，先后被很多的学者所关注。
在2003年第02期的《微计算机信息》中，王丽娟发表了一篇题为“单片机在锅炉温度控制系统中的应用”， 本文介绍了单片机在锅炉温度控制上的应用,主要是以87C51单片机作为控制器核心，结合温度传感变送器、A/D转换器、LED显示器、D/A转换器,模拟多路开关等，组成一个八通道的锅炉温度控制系统。该系统能根据现场检测的温度状态做出实时精确的自动控制、实现温度的监控，具有事件与参数记录、数码管显示、报警、系统参数设置、手自动切换控制及与网络、打印机通信的功能、能够快速、稳定、安全、可靠地对工业锅炉进行控制。
在2004年01期的《信息技术》中，来自黑龙间工程学院电子工程系的张培明、邵国平教授发表了一篇“模糊控制在燃煤锅炉床层温度控制中的应用”，文中针对燃煤锅炉燃烧过程十分复杂，难用准确的数学模型来描述以及常规方法的控制效果不是十分理想等问题，在分析常规的模糊控制器的基础上，结合模糊逻辑控制理论，设计了一个带有自调整因子的模糊控制器并进行了仿真研究。仿真结果表明，该控制器对燃煤锅炉床层温度的控制，具有良好的控制性能。
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在2007年03月01日第20卷2期的《万方数据》中，来自华中科技大学电子信息与自动化学院的王石教授发表了一篇“模糊PID在热水锅炉温度控制系统中的应用”，针对热水锅炉温度控制的特点，采用模糊PID控制策略。将SMUUNK与FUZZY TOOL BOX有机地结合设计模糊自整定PID控制器。系统的仿真结果表明该控制方法提高了对非线性、滞后系统的控制效果。经过在丹东燃煤热水锅炉供暖工程的实际运行，证明系统的控制效果良好。
2002年，由华北电力大学硕士生叶虹发表的一篇“Bp神经网络在锅炉运行优化中的应用研究”， 本文引入人工神经网络之BP网络（Back-Propagation），建立了锅炉的运行优化模型。模型以影响锅炉效率的因素为输入变量，以锅炉效率及发电煤耗等为输出变量，用电厂采集的数据样本进行训练。此模型不同于传统的锅炉效率计算方法（正平衡或反平衡方法），而是通过人工神经网络本身具有的强大的联想功能和记忆功能以及对于非线性变量的映射能力，来计算锅炉效率和锅炉运行中需要调节的一些主要参数。神经网络训练成功的模型可在线对内蒙古蒙达电厂的300MW机组计算锅炉效率及其它运行中关注的参数，在一定程度上起到锅炉效率实时分析的作用，并为锅炉运行提出优化调节的方法。 本文还在DELPHI 语言支持平台上开发了锅炉运行优化的BP网络软件系统，利用DELPHI本身自带的数据库实现数据的存储功能。
关于这方面的文章还有很多，如2007年2月19日由王致杰发表的“基于神经模糊的工业锅炉温度控制器的研究”；2007年第02期《计算机技术与自动化》由赵炜、张戟、张伟红发表的“一种在线模糊控制的锅炉过热蒸汽温度调节方法”，等等。
随着工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求肯定会越来越高，所以对控制系统的继续研究有着重大的意义[7]。以前所采纳的控制系统大多数属于单回路控制，而在锅炉温度的控制过程中，不仅存在着对锅炉出口温度的扰动，还有来自对炉膛温度的扰动，如采用单回路控制，则会出现下列两种后果之一：（1）、控制通道的时间常数和容量滞后很大，控制作用不及时；（2）、不能克服所有的扰动[8]。所以往往不能满足生产工艺的严格要求。本次系统设计采用的是利用可编程控制器（PLC）实现对锅炉炉膛及锅炉出口温度的串级控制，通过合理的软件编程，克
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服扰动的能力大大增强，从而可以达到锅炉系统的最优控制[9]。运用PLC技术和电力电子整流技术控制加在热炉电阻丝上的电压，实现温度控制。PLC控制程序采用常规PID控制算法, 上述文献中列出了一些比较先进的控制算法，但是常规的PID控制算法对大多数控制系统已经能够满足误差精度要求，因此许多用于过程控制的设备都采用常规的PID控制算法[10]。此次方案的设计也不例外。
此加热炉温度控制系统具有精度高，稳定性好，可靠性高等特点。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
三、 设计内容和拟解决的关键问题
（一）设计内容：
系统结构如图1和图2所示，温度信号可输入铂电阻传感器，经变送器转换成4～20mA标准电流信号再输入至A/D转换器。系统的控制回路由炉膛温度调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称副回路）和出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）组成。主机采用欧姆龙CPM2A系列PLC工控机，执行器采用可控硅。系统输入输出与主机光电隔离。
计算机 管式电阻炉 编程 温度变送器 A/D 转换 P L C D/A转换 温度变送器 单相可控调压装置 ～220V 图1锅炉串级控制系统框图
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y2 y1 炉出口 + Z1 _ 主调节器 + Z2 _ 副调节器 调节器 炉膛 副测量变送器 主测量变送器 图2 锅炉串级系统框图 （二）关键问题：
本次设计中的关键问题是串级控制系统中主、副过程的匹配以及PID编程的实现。
四、设计方案与进度计划安排
（一）设计方案：
选取炉出口温度为主被控参数（简称主参数），选取炉膛温度为副被控参数（简称副参数），把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。这样，扰动对炉膛水温的影响主要由炉膛温度调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称副回路）来克服，扰动对炉出口水温的影响由出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）来消除。
软件设计主要内容，该系统软件采用PLC梯形图语言进行程序设计，人机交互采用图形界面，菜单及参数输入可通过鼠标和键盘方便操作。主要模块有：主程序模块、数据采集模块、A/D转换模块、D/A转换模块、实时控制模块、报警模块等。
（二）工作进程：
（1）2007.12.10-2008.03.20 进行调研、收集相关文献资料。 （2）2008.03.21-2008.03.26 完成开题报告。 （3）2008.03.26-2008.04.10 拟定论文粗纲。
（4）2008.04.11-2008.04.20 与指导老师联系后，完成论文细纲。 （5）2008.04.21-2008.05.20 完成论文初稿，教师审定。 （6）2008.05.21-2008.05.31 修改、完成论文二稿，教师审定。
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