基于PLC的锅炉汽包液位控制系统设计.doc

内蒙古科技大学过程控制课程设计论文摘 要锅炉是钢铁、石油、化工、发电等工业过程中必不可少的重要动力设备，所产生的高压蒸汽既可作为驱动的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。例如电厂里的汽轮发电机，就是靠锅炉产生的一定温度和压力的过热蒸汽来推动的，化工厂里许多换热器的热源大多是锅炉提供的蒸汽。为适应生产的需要，锅炉的大小、型号也是各种各样。锅炉的大小是以锅炉每小时产生的蒸汽量来衡量的，小型锅炉每小时产几吨蒸汽，大的锅炉每小时能产200t 以上的蒸汽，蒸汽压力有高、中、低之分。在应用类型上，可将锅炉分为动力锅炉和工业锅炉，其中工业锅炉又分为辅助锅炉、废热锅炉、快装锅炉、夹套锅炉等。锅炉的燃料也各不相同，有燃气型、燃油型、燃煤型和化学反应型等。锅炉产生蒸汽的压力和温度是否稳定、锅炉运行是否安全，直接影响到生产能否正常进行，更关系到人员和设备的安全与否，因此，锅炉的过程控制十分重要。工业蒸汽锅炉是一个复杂的控制对象，为了保证锅炉能够提供合格的蒸汽，生产过程中的各工艺参数必须严格控制。在这些工艺参数中，锅炉汽包水位是一个非常重要的参数，水位的大小不仅是影响蒸汽质量的主要因素，而且将水位控制在一定的范围之内是保证锅炉安全运行的必要因素。关键词：锅炉汽包；三冲量；PLC；PID；目 录第一章 锅炉的工艺流程描述3第二章 锅炉汽包水位控制系统的设计62.1系统的硬件设计9 (1) 主控制器的设计9（2) 检测电路的设计9（3）输出控制电路102.2系统软件设计：11第三章 PID调节规律的选择及参数整定133.1 比例调节作用对系统性能的影响133.2积分调节作用对系统性能的影响133.3微分调节作用对系统性能的影响143.4整定的基本方法14（1）临界比例度法(闭环整定）14（2）衰减曲线法(闭环整定）14（3）反应曲线法（动态特性参数法）14（4）现场实验整定法143.5调节规律的确定原则15总结16参考文献17附录:18第一章 锅炉的工艺流程描述锅炉的工艺流程如图1.1 所示。图1.1锅炉工艺流程图燃料和热空气按一定的比例混合后进入燃烧室燃烧，加热汽包内的水产生饱和蒸汽Ds，经过热器后形成一定温度的过热蒸汽D，再汇集到蒸汽总管PM，最后经过负荷设备调节阀供给负荷设备使用。燃料在燃烧时产生的烟气，其热量一部分将饱和蒸汽变成过热蒸汽，另一部分经省煤器对锅炉供水和空气进行预热，最后由引风机从烟囱排入大气。锅炉的正常运行必须要保持物料（水）平衡和热量平衡。在物料平衡中负荷是汽包内水的蒸发量，被控变量是汽包的水位，操纵变量是锅炉的给水量；在热量平衡中负荷是蒸汽带走的热量，被控变量是蒸汽压力，操纵变量是燃料量。上述的物料平衡和热量平衡是相互关联、互相影响的。汽包水位不仅受到给水流量的影响，而且也受到热量变化的影响。例如，当热量平衡被破坏，蒸汽压力发生变化后，会影响到汽包水面下蒸发管中的汽水混合物的体积，使汽包水位发生变化。同样蒸汽压力不仅受到燃料输入量的影响，而且进水量的变化也会影响到蒸汽压力的稳定。例如，给水流量增加时，由于冷水的温度低，会使汽包内的蒸发量减少，导致蒸汽压力下降。综上所述，锅炉的运行主要包括以下三个方面的过程控制系统：（1）汽包水位控制系统：是锅炉安全运行的必要保证，它要维持汽包内的水位在工艺允许的范围内；（2）燃烧系统的控制：通过使燃料量与空气量保持一定的比值，以保证经济燃烧和锅炉的安全运行，同时保证引风量与送风量相适应，维持炉膛内的负压恒定不变，其最终目的是使燃料产生的热量满足蒸汽负荷的需要；（3） 过热蒸汽系统的控制：这是一个温度控制系统，其作用主要有2 个：一是保持过热器出口温度在允许范围内；二是保证管壁的温度不超过允许的工作温度。影响汽包水位的主要因素是给水量和蒸汽流量，其他因素都可以作为干扰因素另作考虑。当负荷增大时，蒸汽流量增大，会使得汽包水位下降，当突然增加蒸汽流量会使得蒸汽压力减小，汽包水位不降反增，出现虚假水位现象，这是设计中必须要考虑的因素。给水量对汽包水位的影响存在惯性区，但基本是线性的。汽包水位是锅炉运行的重要指标，对锅炉的安全运行非常重要，保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，水位过高或过低， 都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不利影响。过高会影响汽水分离效果，蒸汽过湿，饱和水蒸汽将会带水过多，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽的温度严重下降，若以此过热蒸汽带动汽轮机，将因蒸汽带液损坏汽轮机的叶片，造成运行的安全事故。然而，水位过低，则因汽包内的水量较少，而负荷很大，加快水的汽化速度，使汽包内的水量变化速度很快，若不及时加以控制，将有可能使汽包内的水全部汽化；尤其是大型锅炉，水在汽包内的停留时间极短，从而导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。汽包水位控制系统的任务是维持给水量与蒸汽蒸发量的平衡，使汽包水位保持在允许的范围内。第二章 锅炉汽包水位控制系统的设计目前，锅炉汽包水位常采用单冲量、双冲量及三冲量控制方案。此处的“冲量”不是物理上定义的作用在物体上力和时间的乘积，而是一种表示变量的习惯沿用。锅炉汽包水位单冲量控制系统是一个典型的单回路控制系统，其被控变量是汽包水位，操纵变量是锅炉的给水流量。当汽包水位偏离设定值时，变送器将测量到的信息送给控制器，按照特定的控制规律来增加或减少供水量，使汽包水位回到设定值。影响锅炉汽包水位的主要扰动是蒸汽负荷的波动，因为用户的蒸汽需要量是在不断变化的。假设蒸汽需要量突然加大，汽包的压力会瞬时降低，水的沸腾加剧，使水加速汽化，水中的气泡量会骤然增多。而气泡的体积比其液态时的体积大很多倍，结果出现汽包内的水位不降反升的假象，即出现“假水位”。控制器获得的信息是“水位升高了”，本来该增加供水量，现在却错误地减少供水量，严重时会使汽包水位下降到危险区内以致发生事故。产生上述“假水位”的主要原因是蒸汽负荷量的波动而造成“闪蒸”现象，如果把蒸汽流量作为前馈信号引入控制系统，及时知道其变化情况，就可以克服这个主要的扰动。为此我们引入双冲量控制系统。这里的“双冲量”是指汽包水位信号和蒸汽流量信号2个变量。它是一个前馈-反馈控制系统。水位信号从系统的输出端返回到输入端，因此属于反馈控制；蒸汽流量信号未经反馈而直接与水位控制器的输出信号相加，因此是前馈控制。当蒸汽负荷变化可能导致汽包水位大幅度波动时，蒸汽流量信号的引入起着超前控制作用，它在汽包水位还没有出现波动时，提前使调节阀动作，从而减少因蒸汽负荷量变化引起的水位波动，极大改善了控制品质。尽管双冲量控制克服了蒸汽压力变化带来的扰动，却不能克服供水压力变化的干扰，当供水压力变化时，同样会引起供水流量的变化，会导致汽包水位的波动，双冲量控制系统只有在汽包水位变化后才由控制器进行调整，控制不及时。因此，当供水压力波动比较频繁时，双冲量控制系统的控制质量较差，这时可采用三冲量控制系统。在锅炉汽包水位三冲量控制系统，该系统除了水位、蒸汽流量信号以外，又增加了一个供水流量信号，显然，当蒸汽负荷不变，供水量因压力波动而变化时，加法器的输出相应变化，直接调整给水流量的大小。不需要等汽包水位变化了再去由控制器调整，从而极大减少了水位的波动，缩短了过渡过程的时间，提高了控制质量。三冲量控制系统动作及时，有较强的抗干扰能力，在较大的扰动时也能有效地控制水位的变化，显著地改善了控制系统的品质。对于现代大、中型锅炉来说，对象控制通道的迟延和变化速度都比较大，“虚假水位”现象比较严重，工艺上对控制质量的要求又比较高，因此，普遍采用具有蒸汽流量前馈信号及给水流量反馈信号和汽包水位主信号的三冲量水位控制系统。系统控制流程图如图2.1。图2.1锅炉汽包液位控制系统根据系统的控制流程图，我们还可以绘制出三冲量控制系统的方框图，如图2.2。图2.2三冲量控制系统的方框图三冲量控制系统由于控制器有不同的位置，又可以有多种不同控制方案，以下为常见的三种方案，如图2.3。图2.3常见控制方案2.1系统的硬件设计(1) 主控制器的设计在自动控制系统中，最常见的控制器有两种： 一种是PLC，另外一种是单片机。PLC自诞生以来，由于其可靠的性能、高的性价比、强大的功能等众多的优点而受到了广泛的应用，本系统也采用PLC。PLC选用西门子公司的S7200CPU214，该系列PLC性能稳定，可以根据设计要求灵活的选择相关模块。本系统需要输入的模拟量有：给水流量信号、水位信号、蒸汽流量信号，需要输出的数字量有：变频器控制信号，所以只需要选择模拟量输入模块EM231，EM231具有四个模拟量输入点，可以刚好满足需要。（2) 检测电路的设计由于该设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的准确测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理的选择水位传感器在水位控制系统的设计中有关键作用。本系统采用双室平衡容器进行液位信号的采集，用差压变送器对液位信号进行变送。江苏威腾自控设备有限公司生产的微差压变送器（WT-1151/3351DR）可满足变送要求。该型号变送器可以将微小差压转换成420mA DC信号。它采用专门设计的放大线路板和特殊的温度补偿工艺，性能稳定可靠。根据控制方案我们可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信号可以有效地改善控制质量，因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系统的控制质量。上海正博自动化仪表有限公司生产的LUGB-99型涡街流量计是一种基于卡门涡街原理流体振动式新型流量计，它具有测量范围广、压损小、性能稳定、准确度高和安装、使用方便等优点，广泛应用于封闭工业管道中液体、汽体和蒸汽介质体积和质量流量的测量。该流量计的部分技术参数如下：测量介质：蒸汽、汽体、液体传感器的感应元件不直接与被测介质接触，性能稳定、可靠性高传感器内无可动部件，结构简单而牢固，压损小、维扩量小、使用寿命长范围度宽达10：115：1测量范围：正常工作范围，雷诺数为20，0007，000，000；输出信号不受液体温度、压力、粘度及组份影响。测量可能范围，雷诺数8，0007，000000精度等级：液体，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5%输出信号：a.电压脉冲低电平：0-1V；高电平：大于4V；占空比为 50% b.电流: 420mA(三线制)（3）输出控制电路PLC根据采样的相对液位数值对其进行相应规则的计算、处理、判断后，得出控制结果，输出相应的控制信号，模拟量输出模块我们选择EM232，它有两个模拟量输出点，可满足要求。 电机是锅炉汽包供水的动力设备，电机的准确选型关系到汽包能否准确供水进而影响到汽包水位的稳定，经查阅资料可知选用功率为100Kw的三相异步电动机完全可以满足工作要求，由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机，选用鼠笼型电机就可以满足要求。济南华力贝尔机电设备有限公司生产的YJTG三相变频调速电机专门为变频调速设计可以根据技术要求订货设定其额定电压为380V额定功率为100Kw。变频器是电机的供能设备，合理选择变频器关系到电机能否正常工作为汽包供水。由电机的选型可以知道电机在50Hz三相交流电下工作时电机的功率大约是100Kw，我们可以选择罗克韦尔公司的1336PlusII系列1336F-B150型号的变频器。该变频器可以输入380V-480V 50/60Hz三相交流电，输出380-480V三相交流电并通过控制信号控制其输出频率，其容量是149Kw，可以满足设备功率要求。该型号变频器具有丰富灵活的控制接口，可以通过控制信号方便地改变变频器的工作特性。至此，系统硬件电路设计完成，系统的总体框图如图2.4。图2.4系统硬件原理图2.2系统软件设计：整个控制系统的软件包括以下几部分: 液位的实时采集，电机调速，算法的控制( 这里采用PID 算法)等功能。本系统的软件结构采用了总分的形式，即PLC一直在运行主控制程序，然后主控制程序根据各种条件来运行和调用各子程序，用来实现各种功能。这种总分设计方式使得软件简单明了，一看便知，并且在调试起来时也特别方便。系统的程序设计框图如图2.5。图2.5系统软件原理图第三章 PID调节规律的选择及参数整定众所周知，要使控制系统具有良好的控制性能，除了必须正确的选取、设计控制方案以外，还必须正确的选择控制算法并进行参数整定。在控制系统中，按照给定信号和反馈信号之间的偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶惯性纯滞后”与“二阶惯性纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，可以方便的改变为PI、PD、PID等控制器。3.1 比例调节作用对系统性能的影响比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；比例系数偏大，振荡次数加多，调节时间加长；系统会趋于不稳定；比例系数太小，又会使系统的动作缓慢。比例系数可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。3.2积分调节作用对系统性能的影响是使系统消除稳态误差。提高无差度。因为有误差积分调节就进行，直至无差积分调节停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。Ti越小积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。3.3微分调节作用对系统性能的影响微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强地加大微分调节对系统抗干扰不利。此外微分反应的是变化率，当输入没有变化时微分作用输出为零，因此微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合组成PD或PID控制器。整定的任务：根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度 、Ti积分时间以及微分时间TD 的大小。3.4整定的基本方法（1）临界比例度法(闭环整定）首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值 等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小直到出现等幅振荡曲线为止。记录下此时的临界比例度k和等幅振荡周期TK 查表按经验公式计算出调节器的参数、Ti、TD。（2）衰减曲线法(闭环整定）衰减曲线法与临界比例法类似。观察衰减比然后记录。s、Ts、Tp按经验公式计算、Ti、TD。（3）反应曲线法（动态特性参数法）反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定，是一种开环整定方法。（4）现场实验整定法现场实验整定法，实质上是一种经验试凑法，所以也称为经验法。在现场的应用中，将各类过程控制系统调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的顺序置于某些经验数值后，把系统闭合起来，然后再作给定值扰动，观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想，则改变调节器的、Ti和Td的数值，进行反复试凑，以寻求“最佳”的整定参数，直到控制质量符合要求为止。 3.5调节规律的确定原则 调节器放大系数Kp的正负号正作用方式：yu，Kp为“-”；反作用方式: y u， Kp为“+”。 调节阀放大系数的正负号气开式调节阀Kv为“+”；气关式调节阀Kv为“-”。 被控过程放大系数的正负号正作用y，被控过程的静态放大系数Ko为“+”；反作用y ，被控过程的Ko为“-”。 变送器的放大系数Km为正号根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开、气关形式；按被控过程特性，确定其正、反作用；根据组成系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则，确定调节器的正、反作用方式。 在本系统中，由于调节阀为电机，可以视作为气开式，故Kv为“+”；当电机转速加快，液位上升，故被控对象的Ko为“+”；测量变送器的Km为“+”；则调节器的Kp应该为“+”，故调节器应采用反作用方式。总结为期两周的过程控制课程设计即将结束，这两周感觉过的好快，也感觉过的好充实。由于上学期过程控制这门课没好好学，好多知识学的稀里糊涂，不懂也不会，还有的干脆就是不知道。所以在做设计的时候就感觉很吃力，很困难。不过，在老师们悉心的指导下和同学热心的帮助下终于完成并达到本次设计的基本任务和要求。通过本次设计使我们对以前所学的理论知识有了进一步地理解，深化了我们所学过的知识，并增强了我们独立分析和独立解决工程实践中的问题的能力以及用所学的知识进行工程设计的能力。这次设计给我们提供了一次难得的锻炼的机会，虽然这次课程设计只有短短的两周时间，但我们从中得到了很多体会，也增强了我们的动手能力。在做设计的过程中我们掌握并熟练了许多软件的用法，如：Word、AutoCAD、visio等，增强了我们软件学习的能力，也为日后踏上工作岗位后自我学习能力打下了良好的基础。另外，我还认识到实践能力的重要性，如果我们缺乏一定的实践能力，也将使我们在今后的工作中难以有所作为。虽然我们以前有过几次动手锻炼的机会，但那远远还不能满足我们作为当代大学生的标准。因此，在以后的学习工作中，我们应该更加培养自身的这种能力，以适应社会的需要。最后，在这两周课程设计中对帮助过我的老师和同学表示衷心地感谢！参考文献1 李文涛,过程控制,北京:科学出版社，2012。2 俞金寿、孙自强，过程控制系统，北京：机械工业出版社，20083 孙洪程、翁维勤、魏杰，过程控制系统及工程，北京：化学工业出版社，20104 王树青、戴连奎、于玲，过程控制工程，北京：化学工业出版社，20085 郭一楠、常俊林、赵峻、樊晓虹，过程控制系统，北京：机械工业出版社，20096 刘秀芝，工业锅炉汽包水位控制系统的设计，山东煤炭科技，2013年第2期7 黄永杰，工业锅炉汽包水位自动控制系统分析与研究，煤炭技术，2013 年第6 期8 安鹏羽，锅炉汽包水位控制方法分析，电气时代，2013 年第 2 期9 丁荣、蔡新平，锅炉汽包水位控制系统的分析与确定，应用能源技术 2011年第4期(总第160期)10 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