锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统的实验教学方案设计

王建晖，张立

（1.广州大学机械与电气工程学院，广州 510006；2.广州市土地房产管理学校，广州 510006）

锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统的实验教学方案设计

王建晖1，张立2

（1.广州大学机械与电气工程学院，广州 510006；2.广州市土地房产管理学校，广州 510006）

介绍了一种基于现场总线的过程控制系统实验装置，设计了基于现场总线的锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统实验方案，以培养学生的科研创新能力。

控制技术；实验室；创新；实验教学；现场总线

从人才培养体系整体出发，建立分层次、多模块、相互衔接的实验教学体系，实验教学与理论教学既有机结合又相对独立，与科研、工程、社会应用实践密切联系，鼓励学生探索，推进学生自主合作、研究性学习的培养模式是创新型人才培养的有效途径[1]。为适应现代控制技术人才培养的发展要求,我院购买了一套现场总线过程控制系统（FCS）实验装置。本文在现有实验装置基础上设计了基于现场总线的锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统实验方案，旨在培养学生的科研和创新能力，并可一定程度上解决学校大型实验装置数量不足的问题。

一、锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统结构

图1 控制系统结构图

本实验控制系统设计采用三层网络结构。上层为工业以太网，中间层为PROFIBUS DP总线，下层为PROFIBUS PA总线。其网络结构如图1所示。

本实验主要有三路信号，其中两路为现场测量信号，它们分别是锅炉内胆温度和变频器支路的管道流量，另外一路是控制移项调压模块输出的控制信号。

锅炉内胆温度的检测装置为PT100热电阻，PT100热电阻检测到的信号传送给温度变送器，本系统采用带PROFIBUS-PA通讯接口的温度变送器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线通过CPU315-2 DP传送现场测量信号到CPU。

二、锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统软件平台

（一）下位机软件平台

本实验控制系统下位机编程软件采用SIEMENS公司的下位编程软件STEP7，是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分[2]。一般来说，要在STEP7中完成一个完整自动控制项目的下位机程序设计，需经过设计自动化任务解决方案、生成项目、组态硬件，生成程序、传送程序到CPU并调试等步骤，其结构流程图如图2所示。

图2 程序设计结构流程图

（二）上位机软件平台

本实验控制系统上位机软件采用SIEMENS公司的上位监控组态软件SIMATIC W INCC（W indows Control Center），是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性[3]。

WINCC是基于Windows NT 32位操作系统的，具有以下性能特点：

1.基本系统中的历史数据归档；

2.对IT功能和商务集成优化；

3.可连续扩展；

4.新支持的开放性标准；

5.增强的WEB功能；

6.具有WINCC数据库等多种选件；

7.具有更强灵活性和开放性的报表系统。

本实验在让学生了解上述两种软件平台后，团体讨论设计方案，最终设计的人机交互界面如图3所示。

图3 人机交互界面图

三、实验原理

本实验以锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。本实验要求锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号与给定量比较后的差值反馈给调节器，调节器根据此反馈信号控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。在锅炉内胆水温的定值控制系统中，其参数的整定方法与其他单回路控制系统一样，但由于加热过程容量时延较大，所以其控制过渡时间也较长，系统的调节器可选择PD或PID控制。本实验系统结构图和方框图如图4所示。

图4 锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统

四、实验方法与步骤

本实验选择锅炉内胆作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-6、F1-13全部打开，将锅炉出水阀门F2-12关闭，其余阀门也关闭。将变频器输出A、B、C三端连接到三相磁力驱动泵（220V），打开变频器电源并手动调节其频率，给锅炉内胆贮一定的水量，根据实验需要，我们利用ASP.NET技术构建了一个网络化远程控制系统[4],在原有的一台操作站基础上,扩展多操作站，原有操作站做服务器（Server），其余做浏览器（Browser），即采用B/S结构实现远程多用户控制效果。在做实验时,学生在任一台非原操作站的联网PC上打开相应的浏览器软件，登陆相关网站，通过用户权限管理确认后即可进行远程实验，在相应实验项目组态界面中可以进行与权限相符的参数设置、观察并获取实验数据或实时曲线。

本实验的整个实验教学过程采用循序渐进分阶段的方法，具体有以下几个阶段：

第一阶段：实验系统基础研究。该阶段的主要工作是让学生掌握实验系统开发软件和软件开发方案流程，以及系统运作的工作原理等。

第二阶段：实验系统设计方案。学生复习巩固与系统相关的课程知识，在教师的指导下根据自己所学和实验系统工作原理，提出独立可行的设计方案。

第三阶段：实验系统软硬件搭建。搭建过程主要是在教师指导下进行。由于该实验系统以小组形式展开，学生应定期展开研讨，在讨论中解决问题，从而提高团队合作能力。

第四阶段：实验系统整体调试。学生因参与了系统相应的软硬件设计与搭建开发，对系统已经有较深入的了解，整体调试过程可由学生自行负责，锻炼提高学生发现问题，解决问题的能力。

五、实验结果

图5中，直线为给定量设定值，曲线为根据本实验教学方案控制的锅炉内胆水温实验曲线，其中增益（P）=1.5，积分时间（I）=200，微分时间（D）=21，实验结果超调量为12.4%，响应时间为28s。最终可以比较好地实现稳定和平衡，误差小于5%。可以看出本实验教学方案具有很好的快速跟踪控制效果，当系统响应趋向无穷，直线和曲线基本重合，误差极小。

六、结束语

本实验教学方案增强了学生的创新意识，提高了专业水平，为毕业设计、科技竞赛等团队合作打下坚实的基础，并且本实验教学方案中提及的B/S架构的网络化远程控制技术可有效地解决实验室的开放、学生创新性培养、实验设备与学生人数的矛盾等问题，提高了学生的实践能力和创新精神。

图5 锅炉内胆水温实验曲线

［1］梁慧军.计算机网络实验教学的改革与创新型人才的培养［J］.南阳师范学院学报，2010（12）．

［2］刘锴.深入浅出西门子S7-300PLC［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［3］苏昆哲.深入浅出西门子W inCCV 6［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［4］李展飞.基于.net&B/S架构的NET-OA研究与开发［J］.电脑知识与技术，2010(09)．

The Design of Boiler Tank'sW ater Tem perature Feed forward-Feedback Con trol System s

WANG Jian-hui1,ZHANG Li2
（1.College of Mechanic and Electric Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006; 2.Guangzhou Real Estate Management Vocational School,Guangzhou 510006,China）

Experimental teaching is the important part of innovation personnel training process.This paper describes a field bus-based process control system test equipment.For limited number of large-scale experimental apparatus schools and the concept of higher education reform and innovation,this paper established a system of training students to a research and innovation,and Designed test program of boiler tank's water temperature feed forward-feedback control systems based on fieldbus.

control technology;laboratory;innovation;experimental teaching;fieldbus

G482

A

1008-2794（2011）06-0106-04

2011-03-17

王建晖（1984—），男，广东省广州市人，广州大学机械与电气工程学院助理实验师，硕士，主要研究方向为智能控制与信息处理技术。