锅炉汽包水位控制系统课程设计说明书.docx

锅炉汽包水位控制系统（SP=2M）学生学号： 学生姓名： 专业班级： 分 院： 机电工程学院 指导教师： 起止日期：2010.12.272011.1.08中国计量学院China Jiliang University目 录课程设计任务书3 1.1设计题目3 1.2设计目的31.3设计要求3锅炉汽包水位控制系统说明书4一、监控软件组态4二、设备选型4三、目前状况6四、工艺过程6五、控制方案8 六、控制流程图9七、仪表规格图10八、设计体会10软件功能介绍12参考文献：15课程设计任务书一、 设计题目锅炉汽包水位控制系统二、 设计目的通过该课程的学习，掌握计算机辅助自动控制系统设计及仿真方法，掌握简单工业监控软件的设计，培养工程观念，为毕业设计等后续实践课程打好基础三、 设计要求：1.控制方案均采用单回路控制，可以采用更复杂的控制方案，如串级控制等2.控制方案的确定：1）了解工艺过程；2）确定控制量、被控量；3）控制结构、控制策略；4）控制结构图3.控制流程图的绘制：用AUTOCAD绘制，粘帖到WORD文档中（注意仪表装置的符号，可参考过程控制系统工程设计P14）4.设备选型：传感器、仪表的选型；绘制自控仪表规格表 （可参考过程控制系统工程设计P38，图10、图11） 5.控制系统软件组态：利用ForceControl(力控组态软件，版本3.62)完成控制系统软件组态6. 软件的主要功能：工艺流程图，数据采集，显示（界面动画等），控制，报警组态，数据保存，历史数据查询，报表打印等功能 锅炉汽包水位控制系统说明书一、 监控软件组态： 图1-1.锅炉汽包水位控制组态画面二、 设备选型1.对流量信号输入、通讯和变送采用AI-808H型仪表: 仪表最多可安装6个模块。仪表型号共由8部分组成。这表示一台仪表基本型号为AI808H 型，面板尺寸为A 型（9696mm），温度及压力输入采用I0 模块（即温度采用热电偶或热电阻，压力为0-5V 或1-5V 输入），流量输入采用为I2 模块（频率信号输入），OUTP 为L1 继电器模块可用于批量控制输出，ALM 为L5 双路继电器模块可输出2 路报警信号，AUX 安装线性电流变送输出模块X 可将流量信号变送输出，COMM 装有自带隔离电源的RS485 通讯接口S4。AI808H的主要特点是： （1）. 模块化输入并可编程，流量输入信号可为1-5V、0-5V、4-20mA 及频率等，也可定制特殊输入规格，温度信号可编程输入为Pt100 热电阻、K、E、J 型热电偶、电压或电流信号，压力信号可为各种电压或电流信号。 （2）.可安装AI 系列仪表各种通用模块及丰富的可编程功能，可实现瞬时流量、温度及压力的上、下限报警功能，并具备变送输出、通讯、24V/12V 电压输出等多种功能。 （3）.可选数码管或中文LCD 显示方式。另可选安装于DIN 导轨上的E5 外型仪表，无显示，适合用RS485 联机工作。 （4）. 具有8 位累积器及4 位瞬时测量值显示，可选择开方/不开方处理及设置任意范围的小信号切除功能。 （5）.AI-808H 具备完整的温压补偿功能，无需更换不同的仪表或型号，通过编程即可实现一般气体、饱和蒸汽、过热蒸汽及液体的温压补偿运算。采用查表方式对蒸汽进行补偿运算，具有较高的精度。并可依照用户要求扩充补偿公式实现特殊功能，如对热量或其他物理量的累积，含水分天然气累积等。 （6）作为批量控制器使用时，具有独立的4 位控制累积器及12 位总累积器，及专门的显示模式，功能强大，操作方便。 （7）. 先进的运算方式，保证频率信号即使在频率很低时也有足够的流量运算精度。 （8）采用新一代高精度电流变送输出模块，提供14 位输出分辩率及0.2 级输出精度。 其具体参数如下：电源100240VAC，-15%，+10% / 5060Hz；或24VDC/AC，-15%，+10%电源消耗5W使用环境温度-10 +60；湿度90%RH面板尺寸9696mm、16080mm、80160mm、4896mm、9648mm、7272mm开口尺寸9292mm、15276mm、76152mm、4592mm、9245mm、6868mm插入深度100mm 表2-1 AI-808H型仪表参数2.采用CAP-3011型智能电容液位计: CAP-3011智能电容液位计是利用先进的射频电容检测技术，辅以工业级范围测量系统温度漂移补偿技术制作而成。它除了继承传统电容式液位检测技术的优点外，还解决了传统电容式液位计难以克服的测量系统温度漂移大、检测线性较差、分辨力差等缺陷。可应用于各种工业环境下被测介质组分相对稳定的溶性介质液位测量及干性粉末、颗粒料位测量。主要特点是1、两线制电流环，测量系统与电流环隔离； 2、测量系统温度飘移自动补偿；3、简便的两点标定；4、经C E 认证的良好的电磁兼容特性；5、连续测量液位、料位、界面；6、极优的线性测量， 更小的分辨测量单位；7、低功耗、无可动部件、精良工艺保证；8、耐高温、高压、强腐蚀；9、中文操作环境， 轻松整定， 带自诊断。技术指标：工作电压最大：30v 最小：18v负载电压220V AC/300V DC(非防爆场所)介质温度：-150150测量范围030米环境温度-4085存储温度-55100测量周期0.5秒分 辨 率0.02mm 表2-2 CAP-3011智能电容液位计参数三、 目前状况： 本锅炉汽包水位控制系统具有：1.实时控制锅炉的汽包水位、压力等符合工艺要求，实现分级报警、联锁保护，确保锅炉运行安全。 2.动态显示全部的各工艺参数、报警，主要工艺曲线，自动累计各流量，输出日报表和月报表。 3.从现场（二次仪表的数据）收集信息，建立历史数据库，提供历史曲线、报表查询功能。 4.可利用企业局域网实现在任何地点实时浏览现场数据。本系统充分结合了力控系列PLC优越的调节性能及强大监控机制，具有以下的优点： 1.控制汽包参数平稳，保证了系统运行的安全。 2.监控界面直观，操作方便，可随时随地掌握现场情况。 3.系统结构简捷，维护方便。四、工艺过程：6 气泡水位是锅炉运行的主要标志，是一个非常重要的被控变量，维持水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，这是因为：（1）水位过高会影响气泡内汽水分离，饱和水蒸气带水过多，会使过热器壁管结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度急剧下降。该过热蒸汽作为汽轮机动力的话，将会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全与经济性。（2）水位过低，则由于气泡内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，因而气泡内的水量变化速度很快，如不及时调节就会使气泡内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此，锅炉气泡水位必须严加控制。4.1汽包水位的动态特性8锅炉汽水系统结构如图所示：74211-给水母管； 2-给水调节阀3 3-省煤器； 4-气泡； 5-下降管； 6-上升管； 5 7-过热器； 8-蒸汽母管 图4-1.锅炉的水气系统汽包水位不仅受汽包的影响（包括循环水管）中储水亮的影响，亦受水位下汽包容积的影响。而水位下汽包容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉的蒸发量（蒸汽流量D）和给水量W。下面着重讨论在给水流量作用下和蒸汽流量扰动下的水位过程的动态特性。（1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性WH1HHtt 是给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中H1线。但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸取部分热量，这使得水位下汽包容积有所减少。当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。最后当水位下汽包容积不在变化时，水位变化就完全反映了由于储水量的增加而直线上升。因此，实际水位曲线如图中H线，即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联，可表示为： /s式中，响应速度，即给水流量变化单位流量时，水位的变化速度，(mm/s)/(t/h)；时滞(s)。给水温度低时，时滞亦越大。对于非沸腾式省煤器的锅炉，=30100s,对于沸腾式省煤器的锅炉，=100200s。有些文献上相应速度用相对量来表示，即是当扰动量为100%时，水位（用相对量来表示，以允许变化的范围为100%）的变化速度。并以的倒数（称为响应时间）来表示。响应时间的定义是：当扰动为100%时，水位变化100%所经过的时间，单位是s。 （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在蒸汽流量D扰动作用下，水位的阶跃响应曲线所示。H2DDtHH1t 图4-3.蒸汽流量扰动作用下的水位响应曲线 当蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于水量W，水位应下降，如图中曲线H1.但实际情况并非如此，由于蒸汽用量的增加，瞬时间必然导致汽包压力的下降。气泡内水沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，由于气泡容积增加而使水位变化的曲线如图中H2所示。而实际显示的水位响应曲线H为H1+H2.从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升），这种现象称之为“虚假水位”。应该指出：当负荷变化时，水位下气泡容积变化而引起水位的变化速度是很快的，图中的H2的时间常数只有10s20s。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用传递函数表示为： +式中 响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位的变化速度，(mm/s)/(t/h); 响应曲线H2的放大系数； 响应曲线H2的时间常数；五、控制方案：锅炉水位波动的幅度影响锅炉的安全和蒸汽汽压和稳定性。而锅炉蒸汽流量，给水流量和燃煤量的变化都会扰动水位，而且这些扰动刚开始都会造成虚假水位。从锅炉给水流量改变到水位恢复正常要经过较长的时间，属于大滞后系统，这些客观条件要求锅炉水位控制系统要有良好的性能。目前采用的较普遍的串级三冲量控制系统，也就是通过2个PID，锅炉蒸汽流量，锅炉水位，锅炉给水流量三个变量实现给水的自动控制。三冲量的特点是综合控制，各有主次，控制原理如图： 图5-1.锅炉水位控制图（三冲量） 为了稳态误差小，采用水位负反馈与水位给定的偏差做主调节器输入信号的闭环系统。为了克服大滞后和虚假水位的影响能够响应快、超调量小、调整时间短，采用蒸汽流量前馈和给水流量反馈与主调节器输出比较的偏差做副调节器输入信号的副环系统；副调节器输出信号，通过对给水流量的调节而调节锅炉的水位。该串级三冲量给水流量自动调节（水位控制）系统如图所示，具有锅炉负荷阶跃扰动时，响应快、过度过程平稳、稳态误差小等特点。采用西门子S7-300系统，。利用上位机的图形组态功能，可以很方便地实现该串级调节系统的组态和参数整定。 在本工程中，只有蒸汽流量、汽包水位2个变量，不能实现三冲量控制，实际上采用二冲量控制，PI调节中，以水位作为反馈对象，以调节阀作为执行机构，调节锅炉汽包水位，其中以蒸汽流量运算后做为PID调节输出的下限，做为锅炉运行时正常供水量的基本值，如果水位出现偏差，PI会在这个值的基础上自动进行调节，输出到调节阀，调节给水流量大小，本系统中锅炉假水位主要有2种情况，加大负荷和减小负荷，当增加蒸汽供给时，汽包内压力下降，水位立即上升，出现假水位，当减少蒸汽供给时，汽包内压力增加，水位降低，但与前者相比不是太明显。在程序设计中水位达到上限时PI调节不能及时减小供水量，所以采用水位到上限时立即关闭输出，延时一定时间后打开输出允许PI调值输出。图5-2.锅炉水位控制图（双冲量） 由于是供暖锅炉，锅炉的启停较频繁，工人操作时为了在停止时也自动供水，程序设计了在停止时采用上下限的自动供水方式，设定水位低于锅炉运行时的水位，目的是当锅炉启动后，尽量减小由于炉内升温引起水位上涨，造成假水位。六、 控制流程图 图6-1.锅炉水位控制流程图七、 仪表规格设计院工程名称锅炉汽包水位控制自控设备表编制图号设计项目工控软件课程设计项目校核第1页共1页审核系统位号及名称锅炉汽包水位控制系统仪表位号LCLV仪表及其附件数量名称智能流量积算仪智能型电容液位计水液电磁阀型号AI-808HCAP-3011ZCS6规格体型附：插入式带现场指示表插入式防爆电磁阀门防爆本安型零点迁移：20%/FS防爆本安型电磁先导式结构ZCS6精度0.2级精度0.2级阀体：不锈钢操作条件介质及重度蒸汽流体水1000kg/m31000 kg/m3温度最大999-408525流量或液位最大 14 m3/h正常11 m3/h最小9m3/h安装地点50PL201B25B阀上安装图号备注表7-1. 自控仪表规格表八、 设计体会经过两个星期的课程设计，在同学与老师帮助下终于完成此次课程设计。设计过程中也遇到了很多阻碍，专业知识的缺乏、相关软件不会应用、找不到入手点等等，这些问题一直困扰着我们。通过不断的检索相关资料，以及参考网上有关信息，终于摸索出了一套自己的设计、学习方法，并在设计过程中不断完善系统，使之更精确、更美观。下面列举了一下设计过程中自己的收获：1.学会了三维力控组态软件的使用，并能够设计一些简单的工业过程系统。2.初步了解了三维力控下的策略控制器，并能进行简单的操作。3 .巩固Autocad2004的制图方法。4.增强和锻炼了自己的动手能力和把理论运用到时间的能力。 5.通过查阅资料，对如何设计系统有了进一步的认识，了解了工业过程中锅炉控制的相关知识，为今后学习过程控制打下了一定基础。 软件功能介绍 1、 锅炉水位双冲量控制：汽包水位自动控制回路采用二冲量控制，PI调节中，以水位作为反馈对象，以调节阀作为执行机构，调节锅炉汽包水位。这样，迅速消除由于蒸汽负荷扰动所产生的“虚假液位”，提高了控制回路的调节品质。 图1-1.锅炉汽包水位控制组态画面 图1-2.锅炉汽包水位控制策略组态画面 2、安全报警：可实现高低水位、汽包压力等信号报警与记录。 图2-1.锅炉汽包水位控制系统报警画面 图2-2.锅炉汽包水位系统报警记录 3、 历史曲线：提供主要工艺数据曲线记录，支持曲线无级放大、曲线浏览和细节查看；支持多条曲线同时显示；支持任意时间段的数据查看，实现按特定需求查询。 图3-1.锅炉汽包水位控制系统历史趋势曲线 4、历史报表：实现日报表、月报表记录，方便查询。 图4-1.锅炉汽包水位控制系统历史报表 5、存盘数据：客户端输入时间查询条件，直接浏览多种数据库中的数据；数据统计；各种表格形式。 6、动画显示：动画显示工艺界面，形象逼真直观，响应速度快，操作简单、灵活、方便 7、用户权限管理：采用分层认证，拥有完整安全机制，可以充分保证系统运行软件时设备控制和工艺信息的安全性。同时避免误操作造成的不必要的损失。 图7-1.锅炉汽包水位控制系统登陆界面参考文献：1. 朱晓青.过程检测控制技术与应用M.北京:冶金工业出版社.20022. 何衍庆.黎冰.黄海燕.工业生产过程控制M.北京:化学工业出版社.20103. 梁昭峰.李兵.过程控制工程M.北京:北京理工大学.20104. 蒋慰孙.俞金.过程控制工程M.上海:中国石化出版社.19995. 龚运新.方立友.工业组态软件实用技术M.北京:清华大学.2005