PCS7的加热炉温度控制系统设计与实现
加热炉装置是很多工业中重要装置之一，其主要任务是保证工艺介质出口温度和流量。由于被控变量间存在强耦合、大滞后等特性，传统PID控制很难取得理想控制效果。
为改善控制效果，本文以SMPT-1000中加热炉为对象，采用模糊PID控制算法来实现炉温控制，设计了加热炉温度控制系统。该系统以西门子PCS7过程控制系统为控制工具，利用连续功能图CFC构建加热炉温度控制回路，顺序功能图SFC创建项目开机顺序控制，WinCC监控加热炉。
最后对模糊PID和传统PID的控制结果进行了比较。结果表明，模糊PID控制器的调节能力、抗干扰能力都比传统PID强，达到了设计目标。
关键词：加热炉温度 PCS7 模糊算法 M000196
Furnace device is one of many important industrial apparatus.It largely determines the production rate and product quality.The main task of the furnace controls is to ensure the final temperature and flow of the process medium.Because of its strong coupling and large delay characteristics, the traditional PID control is difficult to achieve satisfactory control effect.
In order to improve control effects, we use SMPT-1000 as for the object in this paper.On the one hand, we can use advanced control algorithms to control the temperature of the furnace.On the other hand, we can use Siemens PCS7 process control system as the control tool, PCS7 continuous function chart CFC to construct the furnace temperature control loop, sequential function chart SFC to create a project boot sequence control and the Wincc to monitor the furnace.
Finally, the control curve obtained of advanced controller and compared with the conventional PID controllers.The results show that the ability to regulate of advanced anti-jamming capability are stronger than the conventional PID controller,and advanced controller can achieve better control effect.
Key Words: Furnace temperature; PCS7；fuzzy algorithm
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1. 引言 1
1.1课题的背景意义 1
1.2 加热炉温度控制的发展及现状 1
1.3 本文研究的主要内容 2
1.4 本文主要章节安排 2
2. 加热炉系统概述 4
2.1被控对象简介 4
2.2工艺过程简介 4
2.2.1点火升温过程 4
2.2.2稳定运行过程 5
2.2.3系统测控条件及设备参数列表 5
2.2.4控制要求 6
2.3 对象特性分析 7
2.3.1多级换热特性 7
2.3.2上料系统特性 7
2.3.3加热炉燃烧特性 8
2.3.4加热炉温度特性 8
3. 加热炉硬件系统设计 9
3.1 PCS7介绍 9
3.2 SMPT-1000实验平台简介 9
3.3系统设备选择与系统连接 9
3.3.1系统设备选择 9
3.3.2系统连接 12
4. 加热炉控制方案设计与实现 13
4.1 控制系统管道仪表流程图 13
4.2系统被控变量选择 13
4.3系统操纵变量选择 14
4.4系统整体方案 14
4.5加热炉控制系统设计 15
4.5.1基础过程控制系统设计原则 15
4.5.2热物料出口流量控制 16
4.5.3 炉膛真空度控制 16
4.5.4加热炉燃烧控制 17
4.5.5 热物料出口温度控制 19
4.5.6 模糊PID控制器设计 20
4.6安全系统的设计 26
4.6.1 声光报警系统 26
4.6.2 紧急停车 26
4.7 加热炉系统实现 27
5. 加热炉实验项目调试 30
参考文献 32
致谢语 33
1. 引言
1.1课题的背景意义
近些年来，以信息化带动工业化正在蓬勃发展。在工业生产过程中，温度、液位、压力和流量是四种最为常见的过程控制变量。其中，温度在冶金、化工、机械等各类工程中显得尤为重要，这些工业过程都需要对各种加热炉、反应炉、锅炉和热处理炉的温度进行控制。
管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，若温度过高，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管，若温度过低，则影响生产效率。因此，加热炉出口温度必须维持在一定范围。由于其具有强耦合、大滞后等特性，难以建立准确的数学模型，控制起来非常复杂，单纯采取传统的PID控制和模糊控制都很难取得理想效果。使用自适应模糊PID控制方式既有模糊控制的超调量小，动态响应好、鲁棒性强等特点，同时又兼顾有PID控制的动态跟踪品质和稳态精度，不失为一种好的控制方法。
1.2 加热炉温度控制的发展及现状
由于加热炉的温度控制对生产具有重要作用，目前已经研究了很多方法来控制加热炉的温度。
（1）PID控制
在PID控制中的关键问题是PID参数的设定，传统的方法是基于被控对象的数学模型，根据这一原则确定PID参数，这种方法广泛地应用于参数为非时变的系统，并且取得了良好的控制效果。但当遇到时变系统时，它的控制效果并不是很理想，系统的性能很差，甚至不稳定，在整定PID参数的过程中，往往得不到全局最优解，因此无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。
（2）模糊控制
模糊控制无须建立数学模型，是一种把熟练操作人员的经验或者专家的认识归纳起来，用于控制对象的控制方法，对被控对象的非线性、时滞、时变性具有一定的适应能力，同时也能很好的抑制噪声干扰，有较好的鲁棒性。但是，模糊控制器本身消除系统误差的性能较差，难以达到较高的控制精度，因此采取单纯的模糊控制很难取得理想的控制效果。
（3)模糊PID控制
把传统的PID与模糊控制相结合起来，形成模糊PID控制。根据模糊块的输入不同，根据内部的模糊规则得出不同的PID参数，将这三个参数传送给PID控制器，使得到不同输出，得到理性的控制效果。这样既能发挥模糊控制的超调小，动态响应好、鲁棒性强的特点，又有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度，不失为一种好的控制方法。
（4)神经网络控制
神经网络是一种具有高度非线性的连续时间动力系统，它有着很强学习能力和对非线性系统的强大映射能力，以广泛应用于复杂对象的控制中。神经网络具有大规模并行性、冗余性、容错性，其本质上是一个非线性系统，可以实现任意的非线性映射。该控制方法具有简单易懂、对计算机的计算能力要求不高、鲁棒性强等优点。
1.3 本文研究的主要内容
本文将以加热炉的温度控制为主要研究对象，同时也会兼顾其它的控制参数，主要研究内容有以下几个内容：1、根据被控对象加热炉的情况，以及需要控制的变量的特性选择合理的控制回路，其中包括的控制变量有：加热炉出口水温、出口流量、炉膛真空度、炉膛温度、烟气含氧量等。2、针对不同的控制对象、选择不同的控制回路，并且利用SCL语言编写先进控制算法模块，对温度进行控制。3、利用CFC（连续功能图）创建CPU的整个软件结构。4、利用SFC（顺序功能图）创建和调试工艺顺序控制系统。5、WinCC（图形编辑器）编辑要在操作员站上显示给操作员并用于过程控制的仿真图形，实现加热炉温度自动控制。
1.4 本文主要章节安排
本文安排如下：
第一章 主要介绍所研究的课题背景及意义、加热炉的重要性以及它的一些特性。对于采用先进控制算法对PID控制器进行优化的必要性进行简单说明，明确了课题所需要的工作。
第二章 针对SMPT-1000设备，描述了加热炉系统的工作流程，分析了加热炉中被控量之间的相互关系。
第三章 介绍了加热炉温度控制所用到的一些硬件简介，以及分析完成本次实验的接线问题。
第四章 分析了加热炉温度控制系统，设计整个加热炉温度控制系统的控制方案。
第五章 根据得到加热炉控制曲线图，并把传统PID控制效果和自适应模糊PID控制效果做比较。 查看完整请+Q:351916072获取
为改善控制效果，本文以SMPT-1000中加热炉为对象，采用模糊PID控制算法来实现炉温控制，设计了加热炉温度控制系统。该系统以西门子PCS7过程控制系统为控制工具，利用连续功能图CFC构建加热炉温度控制回路，顺序功能图SFC创建项目开机顺序控制，WinCC监控加热炉。
最后对模糊PID和传统PID的控制结果进行了比较。结果表明，模糊PID控制器的调节能力、抗干扰能力都比传统PID强，达到了设计目标。
关键词：加热炉温度 PCS7 模糊算法 M000196
Furnace device is one of many important industrial apparatus.It largely determines the production rate and product quality.The main task of the furnace controls is to ensure the final temperature and flow of the process medium.Because of its strong coupling and large delay characteristics, the traditional PID control is difficult to achieve satisfactory control effect.
In order to improve control effects, we use SMPT-1000 as for the object in this paper.On the one hand, we can use advanced control algorithms to control the temperature of the furnace.On the other hand, we can use Siemens PCS7 process control system as the control tool, PCS7 continuous function chart CFC to construct the furnace temperature control loop, sequential function chart SFC to create a project boot sequence control and the Wincc to monitor the furnace.
Finally, the control curve obtained of advanced controller and compared with the conventional PID controllers.The results show that the ability to regulate of advanced anti-jamming capability are stronger than the conventional PID controller,and advanced controller can achieve better control effect.
Key Words: Furnace temperature; PCS7；fuzzy algorithm
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1. 引言 1
1.1课题的背景意义 1
1.2 加热炉温度控制的发展及现状 1
1.3 本文研究的主要内容 2
1.4 本文主要章节安排 2
2. 加热炉系统概述 4
2.1被控对象简介 4
2.2工艺过程简介 4
2.2.1点火升温过程 4
2.2.2稳定运行过程 5
2.2.3系统测控条件及设备参数列表 5
2.2.4控制要求 6
2.3 对象特性分析 7
2.3.1多级换热特性 7
2.3.2上料系统特性 7
2.3.3加热炉燃烧特性 8
2.3.4加热炉温度特性 8
3. 加热炉硬件系统设计 9
3.1 PCS7介绍 9
3.2 SMPT-1000实验平台简介 9
3.3系统设备选择与系统连接 9
3.3.1系统设备选择 9
3.3.2系统连接 12
4. 加热炉控制方案设计与实现 13
4.1 控制系统管道仪表流程图 13
4.2系统被控变量选择 13
4.3系统操纵变量选择 14
4.4系统整体方案 14
4.5加热炉控制系统设计 15
4.5.1基础过程控制系统设计原则 15
4.5.2热物料出口流量控制 16
4.5.3 炉膛真空度控制 16
4.5.4加热炉燃烧控制 17
4.5.5 热物料出口温度控制 19
4.5.6 模糊PID控制器设计 20
4.6安全系统的设计 26
4.6.1 声光报警系统 26
4.6.2 紧急停车 26
4.7 加热炉系统实现 27
5. 加热炉实验项目调试 30
参考文献 32
致谢语 33
1. 引言
1.1课题的背景意义
近些年来，以信息化带动工业化正在蓬勃发展。在工业生产过程中，温度、液位、压力和流量是四种最为常见的过程控制变量。其中，温度在冶金、化工、机械等各类工程中显得尤为重要，这些工业过程都需要对各种加热炉、反应炉、锅炉和热处理炉的温度进行控制。
管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，若温度过高，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管，若温度过低，则影响生产效率。因此，加热炉出口温度必须维持在一定范围。由于其具有强耦合、大滞后等特性，难以建立准确的数学模型，控制起来非常复杂，单纯采取传统的PID控制和模糊控制都很难取得理想效果。使用自适应模糊PID控制方式既有模糊控制的超调量小，动态响应好、鲁棒性强等特点，同时又兼顾有PID控制的动态跟踪品质和稳态精度，不失为一种好的控制方法。
1.2 加热炉温度控制的发展及现状
由于加热炉的温度控制对生产具有重要作用，目前已经研究了很多方法来控制加热炉的温度。
（1）PID控制
在PID控制中的关键问题是PID参数的设定，传统的方法是基于被控对象的数学模型，根据这一原则确定PID参数，这种方法广泛地应用于参数为非时变的系统，并且取得了良好的控制效果。但当遇到时变系统时，它的控制效果并不是很理想，系统的性能很差，甚至不稳定，在整定PID参数的过程中，往往得不到全局最优解，因此无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。
（2）模糊控制
模糊控制无须建立数学模型，是一种把熟练操作人员的经验或者专家的认识归纳起来，用于控制对象的控制方法，对被控对象的非线性、时滞、时变性具有一定的适应能力，同时也能很好的抑制噪声干扰，有较好的鲁棒性。但是，模糊控制器本身消除系统误差的性能较差，难以达到较高的控制精度，因此采取单纯的模糊控制很难取得理想的控制效果。
（3)模糊PID控制
把传统的PID与模糊控制相结合起来，形成模糊PID控制。根据模糊块的输入不同，根据内部的模糊规则得出不同的PID参数，将这三个参数传送给PID控制器，使得到不同输出，得到理性的控制效果。这样既能发挥模糊控制的超调小，动态响应好、鲁棒性强的特点，又有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度，不失为一种好的控制方法。
（4)神经网络控制
神经网络是一种具有高度非线性的连续时间动力系统，它有着很强学习能力和对非线性系统的强大映射能力，以广泛应用于复杂对象的控制中。神经网络具有大规模并行性、冗余性、容错性，其本质上是一个非线性系统，可以实现任意的非线性映射。该控制方法具有简单易懂、对计算机的计算能力要求不高、鲁棒性强等优点。
1.3 本文研究的主要内容
本文将以加热炉的温度控制为主要研究对象，同时也会兼顾其它的控制参数，主要研究内容有以下几个内容：1、根据被控对象加热炉的情况，以及需要控制的变量的特性选择合理的控制回路，其中包括的控制变量有：加热炉出口水温、出口流量、炉膛真空度、炉膛温度、烟气含氧量等。2、针对不同的控制对象、选择不同的控制回路，并且利用SCL语言编写先进控制算法模块，对温度进行控制。3、利用CFC（连续功能图）创建CPU的整个软件结构。4、利用SFC（顺序功能图）创建和调试工艺顺序控制系统。5、WinCC（图形编辑器）编辑要在操作员站上显示给操作员并用于过程控制的仿真图形，实现加热炉温度自动控制。
1.4 本文主要章节安排
本文安排如下：
第一章 主要介绍所研究的课题背景及意义、加热炉的重要性以及它的一些特性。对于采用先进控制算法对PID控制器进行优化的必要性进行简单说明，明确了课题所需要的工作。
第二章 针对SMPT-1000设备，描述了加热炉系统的工作流程，分析了加热炉中被控量之间的相互关系。
第三章 介绍了加热炉温度控制所用到的一些硬件简介，以及分析完成本次实验的接线问题。
第四章 分析了加热炉温度控制系统，设计整个加热炉温度控制系统的控制方案。
第五章 根据得到加热炉控制曲线图，并把传统PID控制效果和自适应模糊PID控制效果做比较。 查看完整请+Q:351916072获取
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