mcgs电热炉温度控制系统设计

锅炉是工业生产中主要的供热设备。电力、机械、冶金、化工、民用都需要锅炉提供热量，但是根据行业的不同，对锅炉的大小规模不尽相同。作为重要的工业设备，在保证其安全和稳定运行的情况下则应考虑其自动生产，提高自动运行能力及工作效率。

锅炉生产在国民是工业中占据着重要的地位，早期的锅炉自动化程度很低，监控系统不完善，导致系统故障不断，但是锅炉因为适合各种行业仍然被广泛使用，锅炉的广泛使用使锅炉现代化成为必然。锅炉现代化的管理不但需要安全、高度自动化的控制方案，还需要考虑高效、节能、环保等方面的因素。所以对于锅炉的自动运行这一方面还需要我们做控制的人不断的研究和探索，力争将锅炉实际运行生产达到安全、高效的高度。

构成锅炉的温度控制方法有很多种，但基本都是基于锅炉的给热量和散热量平衡的关系来确定的，当给热量和散热量平衡时炉温保持在给定的范围内。当某种因素出现变动时，从温度传感器采集的实际温度与给定温度进行比较，得到两者的差值，即偏差。控制器根据实际偏差值的具体情况按照指定规律发出相应信号，控制被控量的大小，使温度恢复到给定值的范围内，从而实现对温度的自动控制。

根据不同类型的锅炉以及现场的具体情况有不同的控制方法。从用途就可分为生活锅炉、工业锅炉、电站锅炉。生活锅炉主要是在低压情况下运行，为日常生活提供热水，亦可称为热水锅炉，本设计即为此类锅炉的缩影；工业锅炉基本在高压下进行生产，其需要提供大量热量；电站锅炉主要是将水加热到高温高压的蒸汽状态，从而驱动汽轮机，进行发电，亦可成为蒸汽锅炉。另一方面主要从燃料的角度区分锅炉，主要有燃煤锅炉、燃油锅炉、 燃气锅炉、电加热锅炉等。基于燃煤、燃油、燃气的三类锅炉均需要空气做助燃剂，当燃料与空气的比值适合时才能发挥最大的能效，因此此类控制系统必然会用到比值控制等复杂算法，同时燃烧的过程复杂、干扰多，还需要对烟气含氧量、炉膛火焰等情况进行监控，故而此类燃烧方式的锅炉大多需要复杂、精确地设计、调试验证及试运行后才能投入到现场生产中；电加热锅炉因为其提供能量方式单一，调节加热器的电流或者电压大小即可对炉温进行控制，同时延迟不大，能源使用率较高等因素被受亲睐，但是其能提供的能量较少因此使用的规模不大。

基于实际条件及控制要求，本设计选择在AE2000B型实验装置下的电加热型热水锅炉作为对象。

AE2000B型过程控制实验装置是浙大中控根据工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS（分布式集散控制系统），经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设 备。AE2000型过程实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压1～5V、电流4～20mA。

由于实际的工业现场情况复杂，干扰较多，因此在控制器方面因选择抗干扰能力强、运行稳定的控制器，综合单片机、PLC等控制器的特点，本设计选择西门子S7-200型PLC作为控制器。常用的西门子S7-200系列的PLC有224或226，本次设计选用224作为控制器。西门子S7-200系列PLC作为西门子推出的小型PLC，拥有体积小、通讯开放、程序和数据存储器较大、集成的RS485接口、扩展性良好、指令功能强大等特点，被广泛用于工业生产现场的小规模控制系统。

组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式监控软件”。是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。

组态软件，又称组态监控软件系统软件。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

目前常用的组态软件有西门子的WINCC、北京昆仑的MCGS、亚控的组态王、北京三维的力控，国外的组态软件大多只针对自己的PLC，而国内的组态软件基本能与几大主流的PLC进行配合使用。

本设计选择北京昆仑的组态软件MCGS作为上位机，MCGS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、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。

本设计使用西门子S7-200型PLC作为控制器，北京昆仑的组态软件MCGS作为上位机，通过现场温度传感器进行温度采集，使用可控硅调节加热器两端电压等系列方法控制加热效果，达到控制的所需要的工艺要求。目的在于设计过程中能够了解S7-200 PLC是如何被运用于工业实际生产过程的，解决工业现场干扰多、情况复杂等情况下大多数控制器不稳定的问题。通过在上位机上动手操作和观察，实时远程监控锅炉内水温的具体情况，并得到完整的炉温实时曲线。同时监控工艺运行时是否正常，达到安全生产的目的。

所选被控对象是常见的电加热锅炉，通过电加热棒与待加热液体直接进行热传递，将一定量的液体加热到工艺要求的温度。

待加热液体由丹麦泵直接抽到锅炉中，同时输送管道上面有电动调节阀，锅炉内部也有液位传感器，传感器与电动调节阀形成闭环控制回路，保证锅炉内部液体稳定，同时在程序内设定液位上下限，保证锅炉内运行安全。在锅炉内有电加热棒并通过单相SCR可控调压装置控制其输出电压，同时锅炉内有温度检测装置，两者与控制器PLC构成闭环控制回路，达到调节温度的目的。

在本设计中要求控制锅炉温度，故而对于液位部分只检测锅炉内有无液体，将此液位作为参考值，在安全控制方面作为液位上、下限的报警值。