锅炉汽包水位课程设计说明书.docx

锅炉汽包水位控制系统（SP=70CM）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：2008.12.272009.1.08中国计量学院China Jiliang University目 录课程设计任务书4第一章 课程设计的目的5第二章 目前锅炉汽包水位控制现状62.1.单冲量控制62.2.三冲量控制62.3.模糊控制7第三章 系统工艺过程83.1.保持汽包水位正常83.2.保持给水流量稳定8第四章 控制方案的确定和要求94.1.单冲量水位控制系统94.2三冲量控制系统94.3.系统控制方法确定104.4.系统要求：11第五章 设备选型和仪表规格表125.1.对流量信号输入、通讯和变送采用AI-808H型仪表:125.2.采用CAP-3011型智能电容液位计:135.3仪表规格表13第六章 系统的监控软件组态156.1.三维力控组态：156.2.系统组态：17第七章 软件功能介绍187.1.软件主界面：187.2功能报表：187.3.趋势曲线：197.4报警：197.5 设定值的设定（SP=70cm）:207.6 策略控制生成器：217.7 DDE通信：21第八章 系统仿真和结果分析228.1系统在matlab7.0下simulink中的仿真框图：228.2.仿真曲线如下（输入为最终值为1的阶跃相应）：228.3.结果分析23第九章 设计体会24参考文献：24课程设计任务书一、设计题目：基于PID的锅炉汽包水位控制系统二、设计目的1.掌握三维力控组态软件的应用及其策略控制生成器的开发。 2.学习应用MATLAB软件对系统过程进行仿真。 3.掌握PID控制的具体过程和参数的整定。4对工程控制设计有一定的了解。三、设计任务及要求 设计并实现锅炉水位在扰动作用下稳定在某一设定值：1具有查看实时趋势、报警记录、当前实测液位、设定液位；2具有一定的抗扰动能力；四、设计时间及进度安排设计时间共十一天（2008.12.272009.1.08）,具体安排如下表：时间安排设 计 内 容设计时间前五天学习三维力控的应用和锅炉汽包水位控制的相关方法，matlab软件在系统仿真中的应用，完成和确定具体控制的方法和相关参数的计算及其在matlab中的仿真2008.12.272009.1.01后六天在三维力控中完成界面的制作，并用策略控制生成器中完成该液位的PID控制，并演示正确，完成系统说明书的书写，课程答辩2009.1.022009.1.08第一章 课程设计的目的课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。1进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；2培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；3培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。第二章 目前锅炉汽包水位控制现状 锅炉汽包是一个多输入、所输出对象，有多个被控量和相应的控制变量。与上述控制任务有关的被控量是主蒸汽压力、主蒸汽温度、汽包水位、过剩空气系数和炉膛负压；相应的控制变量有燃烧量、减温水量、给水流量、送风量和引风量等。这些被控量之间是相互关联的，改变其中一个控制变量会同时影响几个被控量。在这些控制中给水自动控制是前提，方法也很多，现在的控制系统主要包括单冲量和三冲量及模糊控制。2.1.单冲量控制汽包水位控制系统的单冲量控制是根据水位信号量去调节给水流量以稳定汽包水位。汽包两侧各有两个汽包水位差压变送器。由汽包压力作补偿后，得出汽包水位信号，再把两侧汽包水位信号经二取一选择作为汽包水位的测量值。汽包压力信号也是汽包两侧的压力值经三取平均值得到。调节模块PID参数调整：控制系统为单回路，调节器为比例积分调节器。 V为设定值，H为实时液位2.2.三冲量控制三冲量控制根据汽包水位、蒸汽流量和给水流量等3个信号量去调节给水流量以稳定汽包水位，其中汽包水位是主信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为副信号，三冲量控制对象为电泵和气泵。其主要方法可分为单级三冲量控制和串级三冲量控制两种，如右图W为给水量，D为蒸汽量，Q为锅炉燃烧率,H为实时液位。2.3.模糊控制 因为水位调节对象有迟延且无自平衡能力，它的纯迟延时间和时间常数都比较大，干扰因素多，对象模型不确定，是可控性较差的一个调节系统。目前锅炉汽包水位控制中，应用较广泛的是传统PID方法。这种方法在系统符合稳定时能够取得很好的控制效果，但当系统负荷较大时有较大波动，则难以稳定及时地对系统进行控制。故采用基于模糊控制的变参数PID控制器，可以改善控制品质。 第三章 系统工艺过程3.1.保持汽包水位正常使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，保持汽包水位在给定的范围内变化。汽包水位的稳定程度反映了给水流量和蒸汽流量之间的物质平衡关系。汽包水位的高低是直接影响锅炉安全运行和蒸汽品质指标的重要因素。如果汽包水位过高。会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽带水、带盐。使过热器管壁和汽轮机喷嘴、叶片结垢，严重时，可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶轮；汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管供水不足而烧坏、锅炉在运行中的正常水位一般规定在汽包中心线一下100200mm，允许波动范围为50mm。3.2.保持给水流量稳定给水流量稳定对于省煤器和给水管道的安全运行有极大的意义。在负荷不变时，给水流量不应出现忽大忽小的剧烈波动。在控制过程中上述两任务是相互矛盾的，为了提高水位控制的准确性，往往会使给水流量在控制过程中频繁波动。因此控制时必须全面考虑这两个指标，在满足汽包水位要求的基础上保持给水流量的动态稳定。随着锅炉容量和参数的提高，汽包的溶剂相对减少，锅炉蒸发热面的热负荷显著提高，因此，加快了负荷变化时水位的变化速度。为了保证机组的安全运行，减轻运行人员的劳动强度，锅炉运行中迫切要求对给水实现自动控制。 第四章 控制方案的确定和要求4.1.单冲量水位控制系统图631所示是一单冲量水位控制系统。这里的冲虽一例 指的是变量，单冲量即汽包水位。这种控制系统结构简单，是典型的单回路定值控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合这样的控制系统再配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作。然而，在停留时间铰短，负荷变化较大时，采用中冲量水位控制系统就不能适用。这是由于：(1)负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀。一到闪急汽化平息下来，将使水位严亟下降，被动很厉害动态品质很差、(2)负荷变化时，控制作用缓慢、即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。(3)给水系统出现扰动时动作作用缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生煽差而使调节阎动作，同样不够及时。4.2三冲量控制系统 双冲量控制系统还有两个弱点3Bp调节阎的工作特性不一定是线性，这样要做到静态补偿就比较园难；同时对于给水系统的扰动不能直接补偿。为此将给水流量信号引入，构成三冲量控制系统。 (1)三冲量控制方案之一 图634所示是三冲量控制方案之一。该方案实质上是前馈(蒸汽流量)加反馈控制系统。这种三冲量控制方案结构简单，只需要一台多通道调节器，整个系统亦可看作三冲量的综合信号为被控变量的单回路控制系统，所以投运和整定与单回路一样；但是如果系统设置不能确保物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。(2)三冲量控制方案之二 三冲量控制方案之二如图635所示，该方案与方案之一相类似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。该方案相当于前馈串级控制系统，而副回路的调节器比例度为100。该方案不管系数。和。w如何设置，当负荷变化时，液位可以保持无差。 (3)三冲量控制方案之三 团636所不是三冲量控制方案之三。这是一种比较新型的接法，可以清楚的看出AE前馈(蒸汽流量)与串级控制组成的复合控制系统。4.3.系统控制方法确定因考虑到三冲量控制比较难实现，参数也难以整定，所以本系统选用单冲量控制方法，并实现对水位干扰的消除能力，系统框图如下： 干扰设定值 输出PID控制器水位控制流程图如图 ： 蒸汽 汽包 省煤器 给水4.4.系统要求：系统能够把锅炉汽包的水位维持在设定值(SP=60CM),并且对一些扰动具有自动调整功能，使液位不发生剧烈的变化，始终稳定在设定值。第五章 设备选型和仪表规格表5.1.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100mm5.2.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0.02mm5.3仪表规格表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规格体型公称通径 6附：插入式带现场指示表插入式工作压差00.8Mpa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阀上安装图号备注第六章 系统的监控软件组态6.1.三维力控组态：本系统是基于北京三维力控组态软件环境下设计制作运行的，其软件主要特点是.6.2.系统组态：本系统运用到的组态有报警、实时趋势、报表、子图和策略控制生成器等，而且系统也运用了软件中的与DDE通讯这个功能。第七章 软件功能介绍7.1.软件主界面：在软件主界面中可以看到锅炉汽包的运行的相关参数，蒸汽流量、给水流量、实时液位。主界面左侧是查看系统运行情况的按钮，本系统提供三个查询，功能报表、趋势曲线和报警查询。7.2功能报表：功能报表中可以观察当前锅炉汽包的液位实时值和液位的设定值，并提供了打印报表的功能。7.3.趋势曲线：趋势曲线可以看出液位变化的规律和稳定时的液位，也提供了曲线的打印功能。7.4报警：当液位高于或低于某个值时就会产生报警，系统会自动把报警时的参数值记录到报警报表，用户可以在报表中查看历史报警参数。7.5 设定值的设定（SP=60cm）:在主界面中，点击“参数设置”按钮，就进入左图设置界面，可以按“调节sp”按钮，进行设定值SP的设定，点击“状态输入”按钮可以对PID参数进行设定，本系统默认为P=6.8,I=15,D=0 7.6 策略控制生成器： 打开组态软件的策略控制器，进入策略主函数main的界面，可以看到上图，里面增加了扰动值（rd.pv），main函数正确反应了锅炉汽包水位控制的方法和一些参数。7.7 DDE通信：软件系统支持去VB之间的通信，打开DDE通信客户端可以查看实时液位值和设定值及系统的扰动值。注：扰动为随机产生。第八章 系统仿真和结果分析8.1系统在matlab7.0下simulink中的仿真框图：其中锅炉水位的传递函数为查询相关文献所得：W=PID控制器参数整定后为：P=6.8,I=15,D=0.028.2.仿真曲线如下（输入为最终值为1的阶跃相应）：曲线的超调量Mp40%，上升时间Tr1.8s，峰值时间Tp2.7s，调整时间Ts11s，已基本满足设计要求。8.3.结果分析系统在运行中能基本维持液位的稳定，系统的超调量略大，系统在大扰动作用下输出特性将发生改变，但是在一般扰动下，系统能够自动调整保持输出不发生改变。第九章 设计体会 经过两个星期的课程设计，在团队的共同努力下终于完成此次课程设计的目的，即对锅炉汽包液位的控制，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，但是，经过几天的适应后，我们找到了窍门，不断的检索相关资料，看看别人做过的情况，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.学会了仿真软件matlab下的simulink仿真软件的使用，能够对一些简单反馈回路进行仿真，得出仿真曲线。3.学会了如何把simulink中的系统仿真框图反应到三维力控下的策略控制器中，并对参数的设定也有了初步的了解。4.学会了Autocad2004的制图方法。5.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.在查阅资料的过程中，学到了在图书馆查阅资料的一些方法，也学到了一些关于如何设计系统和工业过程中汽包水位控制的一些知识。6.通过团队合作最后完成了整个系统的设计，在合作过程中，体会到了团队合作的重要性，也学会了怎样融入团队，更好的运用自己的所学来服务于团队，团队的合作大大较少了系统设计的时间和增强了系统的稳定性和美观度。尚未解决的问题:系统在大扰动下，液位不稳定，这可能是经典PID控制的一个缺陷。我们也用了模糊控制并对其进行了MATLAB的仿真得到了很好的曲线，但是我们还不知道怎么运用到利控组态软件中。参考文献：1 王负生 电工热工自动控制与保护，北京 中国电力出版社，20052皱伯敏 自动控制原理，北京 机械工业出版社，20073丁轲轲 热工过程自动调节，北京 中国电力出版社，2007