鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 論論 文文 題目： 鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 別： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： xxxx 學(xué)院 20xx 年 xx 月 xx 日 xxxxx 學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 任 務(wù) 書(shū) 題 目 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 別專業(yè) 班級(jí)學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名指導(dǎo)教師 發(fā)放日期 xxxx 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 一、主要任務(wù)與目標(biāo)： 主要任務(wù)： 設(shè)計(jì)一鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，維持鍋爐汽包水位在一定范圍內(nèi) 變化。完成控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 目標(biāo)： 1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)的能力。 2、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。 3、培

2、養(yǎng)學(xué)生調(diào)查研究、查閱技術(shù)文獻(xiàn)、資料、手冊(cè)以及編寫(xiě)技術(shù) 文獻(xiàn)的能力。 二、主要內(nèi)容與基本要求： 主要內(nèi)容： 1、分析鍋爐汽包水位系統(tǒng)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。 2、確定系統(tǒng)的控制方案。 3、進(jìn)行控制器參數(shù)整定。 4、各部分設(shè)備選型。 5、對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 基本要求： 1、選擇某鍋爐作為控制對(duì)象，通過(guò)分析其動(dòng)態(tài)特性，得出數(shù)學(xué)模 型。 2、設(shè)計(jì)方案應(yīng)比較先進(jìn)，能滿足實(shí)用的要求。 3、通過(guò)仿真曲線和數(shù)據(jù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的控制效果。 三、計(jì)劃進(jìn)度： 畢業(yè)設(shè)計(jì)從第 5 周到第 14 周共 10 周時(shí)間。 第 5 周，熟悉題目，查閱資料，調(diào)研。 第 6 周，分析控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，得出數(shù)學(xué)模型。 第 7-8 周，進(jìn)

3、行方案比較，確定系統(tǒng)的控制方案。 第 9-10 周，完成硬件接線圖和器件選型。 第 1112 周，控制器參數(shù)整定和仿真。 第 13 周，編寫(xiě)整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 第 14 周，答辯。 四、主要參考文獻(xiàn)： 1、付家才，工業(yè)控制工程實(shí)踐技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社， 2、楊獻(xiàn)勇，熱工過(guò)程自動(dòng)控制，清華大學(xué)出版社 3、孫優(yōu)賢、孫紅，鍋爐設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié)，化工工業(yè)出版社 4、金以慧，過(guò)程控制，清華大學(xué)出版社 5、張亮明、夏桂娟，工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制，中國(guó)建筑工業(yè)出版社 指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日 教研室審核意見(jiàn)： （建議就任務(wù)書(shū)的規(guī)范性；任務(wù)書(shū)的主要內(nèi)容和基本要求的明確具體性；任務(wù)書(shū)計(jì)劃進(jìn)度 的合理性；提供的參考文

4、獻(xiàn)數(shù)量；是否同意下達(dá)任務(wù)書(shū)等方面進(jìn)行審核。 ） 教研室主任簽名： 年 月 日 注：任務(wù)書(shū)必須由指導(dǎo)教師和學(xué)生互相交流后，由指導(dǎo)老師下達(dá)并交教研室主任審核后發(fā)給學(xué) 生，最后同學(xué)生畢業(yè)論文等其它材料一起存檔 成績(jī)?cè)u(píng)定 成績(jī)?cè)u(píng)定說(shuō)明 一、答辯前每個(gè)學(xué)生都要將自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）在指定的時(shí)間內(nèi)交給指導(dǎo)， 教師，由指導(dǎo)教師審閱，寫(xiě)出評(píng)語(yǔ)并預(yù)評(píng)分。 二、答辯工作結(jié)束后，答辯小組應(yīng)舉行專門(mén)會(huì)議按學(xué)校統(tǒng)一的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)分辦 法，在參考指導(dǎo)教師預(yù)評(píng)結(jié)果的基礎(chǔ)上，評(píng)定每個(gè)學(xué)生的成績(jī)。系對(duì)專業(yè)答 辯小組提出的優(yōu)秀和不及格的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），要組織系級(jí)答辯,最終確定 成績(jī)，并向?qū)W生公布。 三、各專業(yè)學(xué)生的最后成績(jī)應(yīng)

5、符合正態(tài)分布規(guī)律。 四、具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和辦法見(jiàn)河南城建學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作條例。 五、答辯小組評(píng)分包括兩部分：（1）學(xué)生答辯情況的得分和評(píng)閱教師評(píng)分；（2）指導(dǎo)教 師對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)分 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?cè)u(píng)定 答辯小組評(píng)定意見(jiàn) 一、評(píng)語(yǔ)（根據(jù)學(xué)生答辯情況及其論文質(zhì)量綜合評(píng)定） 。 二、評(píng)分（按下表要求評(píng)定） 評(píng)分項(xiàng)答 辯 小 組 評(píng) 分評(píng) 閱 教 師 評(píng) 分合 班級(jí)班級(jí) 1224072 姓名姓名 樊建黨樊建黨 學(xué)號(hào)學(xué)號(hào) 122407208 綜合成績(jī)：綜合成績(jī)： 分（折合等級(jí)分（折合等級(jí) ） 答辯小組組長(zhǎng)簽字 年 月 日 目 完成任務(wù) 情況 （5 分） 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）質(zhì) 量（5

6、 分） 表達(dá)情況 （5 分） 回答問(wèn)題 情 況 （5 分） 質(zhì) 量 （正確性、條理性、 創(chuàng)造性、實(shí)用性） （10 分） 成果的技術(shù) 水平（科學(xué) 性、系統(tǒng)性） （10 分） 計(jì) （40 分） 評(píng)分 答辯小組成員簽字 年 月 日 畢業(yè)答辯說(shuō)明 1、答辯前，答辯小組成員應(yīng)詳細(xì)審閱每個(gè)答辯學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），為答辯做好準(zhǔn)備，并 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)給出實(shí)際得分。 2、嚴(yán)肅認(rèn)真組織答辯，公平、公正地給出答辯成績(jī)。 3、指導(dǎo)教師應(yīng)參加所指導(dǎo)學(xué)生的答辯，但在評(píng)定其成績(jī)時(shí)宜回避。 4、答辯中要有專人作好答辯記錄。 指導(dǎo)教師評(píng)定意見(jiàn) 一、對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的學(xué)術(shù)評(píng)語(yǔ)（應(yīng)具體、準(zhǔn)確、實(shí)事求是）：一、對(duì)

7、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的學(xué)術(shù)評(píng)語(yǔ)（應(yīng)具體、準(zhǔn)確、實(shí)事求是）： 簽字： 年 月 日 二、對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)分二、對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)分按下表要求綜合評(píng)定按下表要求綜合評(píng)定。 （1）理工科評(píng)分表 評(píng)分項(xiàng)評(píng)分項(xiàng) 目目 （分值）（分值） 工作態(tài)度工作態(tài)度 與與 紀(jì)紀(jì) 律律 （1010 分）分） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文）完成任務(wù)文）完成任務(wù) 情況與水平情況與水平 （工作量與質(zhì)（工作量與質(zhì) 量）量） （2020 分）分） 獨(dú)獨(dú) 立立 工作能力工作能力 （1010 分）分） 基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論 和和 基本技能基本技能 （1010 分）分） 創(chuàng)創(chuàng) 新新 能能 力力 （1010 分）分） 合合 計(jì)計(jì) （6060

8、 分）分） 得分得分 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 摘摘 要要 汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，汽包水位過(guò)高或者過(guò)低的后 果都非常嚴(yán)重，因此對(duì)汽包水位必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。plc 技術(shù)的快速發(fā)展使得 plc 廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域并極大地提高了控制系統(tǒng)性能，plc 已經(jīng)成為當(dāng)今 自動(dòng)控制領(lǐng)域不可缺少的重要設(shè)備。 本文從分析影響汽包水位的各種因素出發(fā)，重點(diǎn)分析了鍋爐汽包水位的“假 水位現(xiàn)象” ，提出了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的三沖量控制方案。按照工程整定的 方法進(jìn)行了 pid 參數(shù)整定，并進(jìn)行了仿真研究。根據(jù)控制要求和所設(shè)計(jì)的控制方 案進(jìn)行硬件選型以及系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，利用 plc 編程實(shí)現(xiàn)控制算

9、法進(jìn)行系統(tǒng)的軟 件設(shè)計(jì)，最終完成 plc 在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中應(yīng)用。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：汽包水位 三沖量控制 plc pid 控制 abstract the steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. with

10、the rapid development of plc technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. plc has already become the essential important equipment in automatic control domain. based on the analysis of all kinds of factors which influen

11、ce steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. pid parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. according to the needs of control, the

12、selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. finally the application of plc in boiler steam drum water control system is completed. key words: steam drum water level three impulses control plc pid control 目 錄 1 緒 論.1 1.1 汽包水

13、位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.2 本設(shè)計(jì)的主要工作.2 2 控制方案設(shè)計(jì).3 2.1 虛假水位的形成及對(duì)策.3 2.2 汽包水位的影響因素.4 2.3 汽包水位的控制方案設(shè)計(jì).6 3 硬件選型.11 3.1 水位傳感器選型.11 3.2 流量傳感器的選型.11 3.3 電機(jī)的選型.13 3.4 變頻器的選型.13 3.5 接觸器的選型.14 3.6 熔斷器的選型.14 3.7 功率三極管的選型.14 3.8 plc 及相關(guān)模塊的選型 .15 4 硬件設(shè)計(jì).17 4.1 系統(tǒng)總體線路設(shè)計(jì).17 4.2 控制線路設(shè)計(jì) .19 5 控制算法及參數(shù)整定.22 5.1 pid 算法簡(jiǎn)介.22 5.2 三

14、沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定 .22 6 軟件設(shè)計(jì).29 6.1 程序流程設(shè)計(jì).29 6.2 devicenet網(wǎng)絡(luò)組態(tài).31 6.3 rslogix5000 程序設(shè)計(jì).34 結(jié)束語(yǔ).40 參考文獻(xiàn).41 致 謝.42 1 緒緒 論論 1.11.1 汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 蒸汽鍋爐是企業(yè)重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽產(chǎn)品，以滿 足負(fù)荷的需要。鍋爐是一個(gè)十分復(fù)雜的控制對(duì)象，為保證提供合格的蒸汽產(chǎn)品以 適應(yīng)負(fù)荷的需要，與其配套設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)必須滿足各主要工藝參數(shù)的需要。保 持鍋爐汽包水位在正常范圍內(nèi)是鍋爐運(yùn)行的一項(xiàng)重要的安全性能指標(biāo)，由于負(fù)荷、 燃燒狀況及給水流量

15、等因素的變化，汽包水位會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化1。因此鍋爐汽包 水位應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加以嚴(yán)格控制以保證鍋爐的安全運(yùn)行。 工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動(dòng)態(tài)平 衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件， 鍋爐汽包水位也是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負(fù)荷和 給水之間的平衡關(guān)系。 傳統(tǒng)的控制方法是以各種分立器件的應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用各種檢測(cè)器件對(duì)被控 參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)并反饋給控制器件，再根據(jù)自動(dòng)控制理論的有關(guān)算法完成相應(yīng) 的運(yùn)算并驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。但是這種控 制方式受分立器件的性能影響

16、大，系統(tǒng)各部分之間影響較大，自動(dòng)化水平不高， 控制效果并非十分理想，而且容易出現(xiàn)故障，不利于系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全、高效運(yùn)行。 現(xiàn)在廣泛使用的控制技術(shù)還有 dcs 集散控制系統(tǒng)2，但由于 dcs 系統(tǒng)適合有多個(gè) 控制回路同時(shí)工作的復(fù)雜系統(tǒng)，而且集散控制系統(tǒng)往往價(jià)格昂貴，對(duì)于像汽包水 位這樣的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)性價(jià)比太高，因此對(duì)于汽包水位控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并非理想的 選擇。 plc 是 70 年代發(fā)展起來(lái)的中大規(guī)模的控制器，是集 cpu、ram、rom、i/o 接 口與中斷系統(tǒng)于一體的器件3，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、能源、 交通等各種行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通信能力上的飛速發(fā)展， 大大增

17、強(qiáng)了 plc 通信能力，豐富了 plc 編程軟件和編程技巧，增強(qiáng)了 plc 過(guò)程控 制能力。因此，無(wú)論是單機(jī)還是多機(jī)控制、生產(chǎn)流水線控制及過(guò)程控制都可以采 用 plc 技術(shù)。plc 控制鍋爐技術(shù)是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。它是 plc 軟、硬件、 自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。作為鍋爐控制裝置，其主要任 務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 采用 plc 控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功 能。它的被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是汽包給水流量，通過(guò)對(duì)汽包水位的實(shí) 時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行反饋，plc 對(duì)反饋信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)控制算法對(duì)

18、 二者的偏差進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)給水流量的調(diào)節(jié)， 使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，汽包水位變化在允許范圍之內(nèi)。 1.21.2 本設(shè)計(jì)的主要工作本設(shè)計(jì)的主要工作 本次設(shè)計(jì)的主要工作有： （1） 設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制方案 從鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)性能入手，分析影響鍋爐汽包水位的主要因素，并對(duì) 這些因素對(duì)鍋爐汽包水位動(dòng)態(tài)性能的影響進(jìn)行理論研究。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)各 個(gè)因素對(duì)鍋爐汽包水位的影響采用汽包水位三沖量方案，達(dá)到控制鍋爐汽包水位 穩(wěn)定的目的。 （2） 硬件設(shè)備的選型與設(shè)計(jì) 根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制方案合理地選擇檢測(cè)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制設(shè)備以及其它 必要設(shè)備，并在此基礎(chǔ)之上根據(jù)控制方

19、案合理地進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí) 現(xiàn)以及穩(wěn)定、可靠運(yùn)行打下基礎(chǔ)。 （3） 控制算法的參數(shù)整定 根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)以及它的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性按照工程整定的方法進(jìn)行控制 器的參數(shù)整定，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。在此基礎(chǔ)之上對(duì)整定結(jié)果進(jìn)行仿真，并 對(duì)整定結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整判斷其可行性，為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。 （4）plc 程序 根據(jù)參數(shù)整定和仿真的結(jié)果利用相關(guān)軟件進(jìn)行 plc 梯形圖程序設(shè)計(jì)，最終實(shí) 現(xiàn)控制算法。 2 2 控制方案設(shè)計(jì)控制方案設(shè)計(jì) 鍋爐是重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負(fù)荷的需要。 汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，如果水位過(guò)高，會(huì)破壞汽水分離裝置 的正常工

20、作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。 如果水位過(guò)低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干鍋，損 壞汽包。所以鍋爐汽包水位過(guò)高過(guò)低都可能造成重大事故。在鍋爐汽包水位控制 系統(tǒng)中被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過(guò)對(duì)給水流量的調(diào)節(jié), 使 汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而使汽包水位的變化在允許范圍之內(nèi)，保 證鍋爐的安全運(yùn)行，生產(chǎn)出合格穩(wěn)定的高質(zhì)量蒸汽，以滿足負(fù)荷的需要。 本設(shè)計(jì)控制對(duì)象的主要參數(shù)有： 汽包水位控制在：30010 mm 正常工作時(shí)的蒸發(fā)量：35t/h 水位穩(wěn)定時(shí)供水量為：35 m3/h 正常工作時(shí)汽包蒸汽壓力大約是 0.5mp 2.

21、12.1 虛假水位的形成及對(duì)策虛假水位的形成及對(duì)策 虛假水位是鍋爐運(yùn)行時(shí)不真實(shí)的水位。虛假水位的產(chǎn)生是由于當(dāng)汽包壓力突 降時(shí)，爐水飽和溫度下降到壓力較低時(shí)的飽和溫度，使?fàn)t水大量放出熱量來(lái)進(jìn)行 蒸發(fā)。于是爐水內(nèi)的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，使水位不是下降而是很快 上升，形成虛假水位。當(dāng)汽包壓力突升時(shí)，則相應(yīng)的飽和溫度提高一部分熱量被 用于加熱爐水，而用來(lái)蒸發(fā)爐水的熱量則減少，爐水中汽泡量減少，使汽水混合 物的體積收縮，使水位不是上升而是很快下降，形成虛假水位。 此外當(dāng)鍋爐內(nèi)熱負(fù)荷增加或驟減時(shí)，水的比容將增大或減小，也會(huì)形成虛假 水位。鍋爐負(fù)荷突變、滅火、安全門(mén)動(dòng)作、燃燒不穩(wěn)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生虛假水位

22、。在 負(fù)荷突然變化時(shí)，汽壓也相應(yīng)變化，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)虛假水位。負(fù)荷變化速度越快， 虛假水位越明顯。如遇汽輪機(jī)甩負(fù)荷，汽壓突然升高，水位將瞬時(shí)下降；運(yùn)行中 燃燒突然增強(qiáng)或減弱，引起汽泡量突然增大或減少，使水位瞬時(shí)升高或下降；安 全閥起座時(shí)，由于壓力突然下降，水位瞬時(shí)明顯升高；鍋爐滅火時(shí)，由于燃燒突 然停止，鍋水中汽泡產(chǎn)量迅速減少，水位也將瞬時(shí)下降。 在輸入端引入蒸汽流量信號(hào)，設(shè)置水位系統(tǒng)的前饋調(diào)節(jié)，于是當(dāng)蒸汽流量增 大時(shí)，給水量隨之增大，給水量增多，水溫又較低，有利于克服“虛假水位”的 影響。 2.22.2 汽包水位的影響因素汽包水位的影響因素 首先應(yīng)該從分析汽包水位的動(dòng)態(tài)特性入手。鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)

23、象如圖 2.1 所示。 給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為變頻器調(diào)節(jié)給水量 w，汽輪機(jī)耗汽量 d 是由汽輪機(jī)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控 制的。 省煤器 過(guò)熱器 水冷壁 汽 包 變 頻 器 圖 2.1 鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象 初看起來(lái)，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性似乎和單容水槽一樣，給水量和蒸汽流量影 響汽包水位的高低4。但實(shí)際情況并非如此，最突出的一點(diǎn)就是水循環(huán)系統(tǒng)中充 滿了夾雜著大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的體積 v 是隨著汽包壓力和爐膛熱負(fù)荷 的變化而變化的。如果有某種原因使汽泡的總體積變化了，即使水循環(huán)系統(tǒng)的總 水量沒(méi)有發(fā)生變化，汽包水位也會(huì)因此隨之發(fā)生改變從而影響水位的穩(wěn)定。 影響汽包水位 h 的主要因素有給水量 w，汽輪機(jī)耗汽量 d

24、和燃料量 b 三個(gè)主 要因素。 （1）給水?dāng)_動(dòng)的影響 如果把汽包及其水循環(huán)系統(tǒng)看作一個(gè)單容水槽，那么水位的給水階躍擾動(dòng)響 應(yīng)曲線應(yīng)該為圖 2.2 所示的曲線 h1所示。但考慮到給水的溫度低于汽包內(nèi)飽和的 水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量使得鍋爐內(nèi)部的蒸 汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽泡的總體積 v 也就會(huì)相應(yīng)的減小，從而導(dǎo)致水位下降 如圖 2.2 所示的曲線 h2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線應(yīng)是曲線 h1和 h2之和，如圖 2.2 所示的曲線 h 所示。它是一個(gè)具有延遲時(shí)間的積分環(huán)節(jié)，水的過(guò)冷度越大則 響應(yīng)延遲時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。其傳遞函數(shù)可以近似表示為： (2.1) 1 1s (1)

25、g ss 式 2.1 中表示汽包水位的飛升速度，表示延遲時(shí)間。 1 t hh1 h h2 圖 2.2 給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線 （2）汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)的影響 當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量 d 突然做階躍增加時(shí)，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)， 使汽包內(nèi)液體蒸發(fā)量變大從而使水位下降，如圖 2.3 所示的曲線 h1所示，另一方 面由于汽輪機(jī)耗汽量 d 的突然增加，將迫使鍋爐內(nèi)汽泡增多，同時(shí)由于燃料量維 持不變，汽包壓力下降，會(huì)導(dǎo)致水面以下蒸汽泡膨脹，總體積 v 增大，從而導(dǎo)致 汽包水位上升，如圖 2.3 所示曲線 h2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線應(yīng)該是曲線 h1 和 h2之和，如圖 2.3 所示曲線 h 所示。對(duì)于大中型

26、鍋爐來(lái)說(shuō)，后者的影響要大 于前者，因此負(fù)荷做階躍增加后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)水位不但沒(méi)有下降反而明顯 升高的現(xiàn)象，這種反常現(xiàn)象通常被稱為“假水位現(xiàn)象” ?？梢哉J(rèn)為這是一個(gè)慣性 加積分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以近似的表示為： (2.2) 2 0 2 1 ( ) k st s gs 式 2.2 中表示汽包水位對(duì)于蒸汽流量的飛升速度，表示“假水位現(xiàn)象”的延 1 0 t 遲時(shí)間。 t h h1 h h2 圖 2.3 汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)響應(yīng)曲線 （3）燃料量擾動(dòng)的影響 燃料量的擾動(dòng)必然也會(huì)引起蒸汽流量 d 的變化，因此也同樣會(huì)有“假水位 現(xiàn)象”發(fā)生。但由于汽包水循環(huán)系統(tǒng)中有大量的水，汽包和水冷壁管道也會(huì)存 儲(chǔ)大量的

27、熱量，因此具有一定的熱慣性。燃料量的增大只能使蒸汽量緩慢增大， 而且同時(shí)汽壓也會(huì)緩慢上升，它將使汽泡體積減小，因此燃料量擾動(dòng)下的“假 水位現(xiàn)象”比負(fù)荷擾動(dòng)下要緩和的多。 由以上分析可知道給水量擾動(dòng)下的水位響應(yīng)有遲滯性，負(fù)荷擾動(dòng)下的水位響 應(yīng)有“假水位現(xiàn)象” 。這些特性使得汽包水位的變化受到多種因素影響，因而對(duì) 它的控制變得比較復(fù)雜和困難。 2.32.3 汽包水位的控制方案設(shè)計(jì)汽包水位的控制方案設(shè)計(jì) 從反饋的思想出發(fā)很容易想到以汽包水位信號(hào)作為反饋量，給水流量作為 被控量，構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)，即水位單沖量控制系統(tǒng)。如圖 2.4 所示， 這是一個(gè)基本的控制方案其方框圖如圖 2.5 所示。對(duì)于小

28、容量鍋爐來(lái)說(shuō)由于它 的儲(chǔ)水容量較大，水面以下的汽泡體積并不占有非常大的比重，因此水容積延 遲和假水位現(xiàn)象并不是非常明顯，因此可以采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)來(lái)控 制汽包水位。但對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)這種控制方案就不能滿足控制要求，因?yàn)?汽輪機(jī)蒸汽量的負(fù)荷擾動(dòng)引起的假水位現(xiàn)象將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，導(dǎo) 致汽包水位激烈的上下振蕩而不穩(wěn)定，嚴(yán)重的影響設(shè)備的運(yùn)行壽命和安全，所 以大中型鍋爐不宜僅僅只采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)，必須尋找其他的解決 辦法來(lái)控制汽包水位。 省煤器 過(guò)熱器 水冷壁 汽 包 變 頻 器 hthc 圖 2.4 汽包水位單沖量控制系統(tǒng) 給水流量調(diào) 節(jié)器 變頻器 液位變送器 汽包 給水

29、流量 - + 圖 2.5 汽包水位單沖量控制系統(tǒng)框圖 如果從物質(zhì)平衡的角度出發(fā)，只要能夠保證給水量永遠(yuǎn)等于蒸汽蒸發(fā)量就可 以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖 2.6 所示的蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)， 其中流量調(diào)節(jié)器采用 pi 調(diào)節(jié)器，使汽輪機(jī)的蒸汽量作為系統(tǒng)的給定使給水流量 跟蹤蒸汽流量的變化，構(gòu)成了一個(gè)以蒸汽量作為給定的隨動(dòng)系統(tǒng)從而保證汽包水 位的恒定。該方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.7 所示。 省煤器 過(guò)熱器 水冷壁 汽 包 變 頻 器 hthc ft 圖 2.6 蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng) 給水流量 調(diào)節(jié)器 變頻器 液位變送 器 汽包 給水流量 - + 蒸汽量變 送器 - 圖 2.7 蒸汽流量隨動(dòng)控

30、制系統(tǒng)框圖 采用該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)完全根據(jù)物質(zhì)平衡條件工作，給水量的大小只取決 于汽輪機(jī)的耗汽量，假水位現(xiàn)象不會(huì)引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。但是這個(gè)系統(tǒng) 對(duì)于汽包水位來(lái)說(shuō)只是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。由于給水量和蒸汽量的測(cè)量不準(zhǔn)確以及鍋 爐系統(tǒng)引入的其他擾動(dòng)使得給水量和蒸汽量并非準(zhǔn)確的比值關(guān)系而保持水位恒定。 由于水位對(duì)于二者的偏差是積分關(guān)系，微小的偏差長(zhǎng)時(shí)間積累也會(huì)形成很大的水 位差，因此不宜采用隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 如果把以上所述兩種方案結(jié)合起來(lái)，就構(gòu)成了汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)如圖 2.8 所示，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.9 所示。雙沖量指的是同時(shí)引入兩個(gè)測(cè)量信號(hào)：汽 包水位和蒸汽流量。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)以上所分析的兩種方

31、案取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以極大的提 高汽包水位的控制質(zhì)量。當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量出現(xiàn)階躍增大時(shí)，一方面由于“假水位 現(xiàn)象”汽包水位會(huì)暫時(shí)有所升高，將使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)做出誤動(dòng)作錯(cuò)誤的減少給水量； 另一方面汽輪機(jī)耗汽量的增大又通過(guò)比值控制系統(tǒng)指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增大給水量，實(shí) 際給水量的增減情況要根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)參數(shù)整定來(lái)確定。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后 水位和蒸汽信號(hào)都能正確的指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。只要參數(shù)整定合適，給水量必然 等于蒸汽量從而保證水位恒定。 省煤器 過(guò)熱器 水冷壁 汽 包 變 頻 器 fc hthc ftfc 圖 2.8 汽包水位雙沖量控制系統(tǒng) 給水流量 調(diào)節(jié)器 變頻器 液位變送 器 汽包 變送器 給水流量 液位 蒸汽 流

32、量 + - + + 液位流量 調(diào)節(jié)器 液位給定 前饋調(diào) 節(jié)器 圖 2.9 汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)框圖 此外考慮到給水流量的變化可以通過(guò)串級(jí)控制的方法讓給水量的擾動(dòng)通過(guò)內(nèi) 回路自行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)如圖 2.10 所示的三沖量控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.11 所 示。即前饋反饋串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)。該三沖量控制系統(tǒng)包含給水流量控制回 路和汽包水位控制回路兩個(gè)控制回路以及一個(gè)蒸汽流量前饋通道，實(shí)質(zhì)上是蒸汽 流量前饋與水位流量串級(jí)系統(tǒng)組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)的主參數(shù)是 汽包水位，副參數(shù)是給水流量，主調(diào)節(jié)器是給水流量調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器是液位調(diào) 節(jié)器。一方面可以克服給水?dāng)_動(dòng)，使給水流量自行調(diào)節(jié)，另一方面可以

33、有效地抑 制“假水位現(xiàn)象” 。當(dāng)蒸汽流量發(fā)生變化時(shí)，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的給水流 量控制回路可迅速改變進(jìn)水量的大小以完成粗調(diào)，然后再由汽包水位調(diào)節(jié)器完成 水位的細(xì)調(diào)維持汽包水位的穩(wěn)定。 省煤器 過(guò)熱器 水冷壁 汽 包 變 頻 器 ftfc hthc ftfc 圖 2.10 汽包水位三沖量控制系統(tǒng) 給水流量 調(diào)節(jié)器 變頻器 給水流量 變送器 液位變送 器 汽包 變送器 給水 流量 液位 蒸汽 流量 - + - + + 液位流量 調(diào)節(jié)器 液位給定 前饋調(diào) 節(jié)器 管道 圖 2.11 汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖 3 硬件選型硬件選型 3.13.1 水位傳感器選型水位傳感器選型 由于該設(shè)計(jì)的目的是控制

34、水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的準(zhǔn)確 測(cè)量，因此水位能否準(zhǔn)確測(cè)量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇水位傳感 器在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有關(guān)鍵作用。知道汽包水位應(yīng)該控制在 30010 mm， 根據(jù)過(guò)程控制儀表量程選擇原則：儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的 4/33/2 倍。 因此所選傳感器的最大量程為:400450 mm。而且汽包水位應(yīng)該控制在 30010 mm，因此所選水位傳感器的精度應(yīng)該高于 10/450=2.2%fs，因此選擇該測(cè)量精度 才可以滿足要求。 佛山市順德區(qū)拓樸電子儀器有限公司生產(chǎn)的 ptp601 投入式水位傳感器可以滿 足控制要求，該系列儀表采用擴(kuò)散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體。

35、316 全不銹鋼結(jié) 構(gòu)有多種量程可供選擇，選擇測(cè)量圍為：100500mm，測(cè)量精度在 1%fs 的型號(hào) 可以滿足控制要求。該型號(hào)的傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下： 量程：100500mm(水位高/深度) 綜合精度: 1.0%fs 輸出信號(hào): 420ma(二線制)、05v、15v、010v(三線制) 供電電壓: 24dcv(936dcv) 負(fù)載電阻: 電流輸出型：最大 800；電壓輸出型：大于 50k 絕緣電阻: 大于 2000m (100vdc ) 密封等級(jí): ip68 長(zhǎng)期穩(wěn)定性能: 0.1%fs/年 振動(dòng)影響: 在機(jī)械振動(dòng)頻率 20hz1000hz 內(nèi)，輸出變化小于 0.1%fs 電氣接口(信號(hào)接

36、口): 緊線防水螺母與五芯通汽電纜連接 機(jī)械連接(螺紋接口): 投入式 使用時(shí)可以采用 24v 直流電源為水位傳感器供電保證其正常工作，將 15v 電壓信號(hào)作為反饋量引入 plc 模擬量輸入端口進(jìn)行控制運(yùn)算。 3.23.2 流量傳感器的選型流量傳感器的選型 根據(jù)控制方案可以知道流量傳感器用于測(cè)量給水流量和蒸汽流量，這兩個(gè)信 號(hào)可以有效地改善控制質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個(gè)系 統(tǒng)的控制質(zhì)量。知道所要控制的是 35t/h 鍋爐的汽包水位，即該鍋爐正常工作時(shí) 每小時(shí)蒸發(fā) 35t 蒸汽也就是有 35t 水被蒸發(fā)成為蒸汽，水位穩(wěn)定時(shí)供水量為：35 m3/h 。上海正博自動(dòng)化儀表有限公

37、司生產(chǎn)的 lugb-99 型渦街流量計(jì)是一種基于卡 門(mén)渦街原理流體振動(dòng)式新型流量計(jì)，它具有測(cè)量范圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、準(zhǔn) 確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于封閉工業(yè)管道中液體、汽體和蒸汽 介質(zhì)體積和質(zhì)量流量的測(cè)量。 該流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)如下： （1）測(cè)量介質(zhì)：蒸汽、汽體、液體 （2）傳感器的感應(yīng)元件不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定、可靠性高 （3）傳感器內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，壓損小維擴(kuò)量小、使用壽命長(zhǎng) （4）范圍度寬達(dá) 10：115：1 （5）測(cè)量范圍：正常工作范圍，雷諾數(shù)為 20，0007，000，000；輸出信號(hào) 不受液體溫度、壓力、粘度及組份影響。測(cè)量可能范圍，雷諾數(shù) 8，0

38、007，000000 （6）精度等級(jí)：液體，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5% （7）輸出信號(hào)：a.電壓脈沖低電平：0-1v；高電平：大于 4v；占空比為 50% b.電流: 420ma(三線制) （8）電源電壓： 24dcv （9）殼體材料：碳鋼；不銹鋼(1cr18ni9ti) （10）規(guī)格：(管道內(nèi)徑)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于 dn300 口徑為插入式) （11）工作狀況下流量范圍(單位：m3/h)，見(jiàn)表 3.1 表 3.1 工作狀況下流量范圍 dn(mm)液體汽體蒸汽 200.8-105-408-80 251-127.

39、2-6010-120 321.5-2012-10015-200 402-3018-15020-300 503-5030-30030-450 656-8050-42060-800 8010-13070-600100-1300 10020-200120-1000200-2000 12530-300180-1500300-3000 15045-450240-2000450-4500 20090-900480-4000900-9000 250120-1200700-80001200-12000 300180-2000900-100001600-16000 根據(jù)過(guò)程控制儀表量程選擇原則儀表量程應(yīng)該為被測(cè)

40、量參數(shù)的 4/33/2 倍， 流量計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)的最大流量為：46.552 m3/h，因此汽包送水管道直徑選用 50 mm 并用 lugb-99 型渦街流量計(jì)檢測(cè)流量可以檢測(cè)的流量范圍是 350 m3/h， 可以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)汽包給水流量信號(hào)。 由于 lugb-99 型渦街流量計(jì)既可用于液體流量檢測(cè)也可用于蒸汽流量檢測(cè)， 因此還可以選擇該流量計(jì)作為汽包負(fù)荷蒸汽流量的檢測(cè)傳感器。正常工作時(shí)汽包 蒸汽壓力大約是 0.5mp，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大約是 2700kg/ m3，根 據(jù)過(guò)程控制選擇儀表量程原則儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的 4/33/2 倍，流量 計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)的最大流量為：1

41、7.219.2 m3/h 因此汽包蒸汽管道直徑選用 20 mm，并用 lugb-99 型渦街流量計(jì)檢測(cè)流量可以檢測(cè)的流量范圍是 880 m3/h，可 以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)蒸汽流量信號(hào)。 3.33.3 電機(jī)的選型電機(jī)的選型 電機(jī)是鍋爐汽包供水的動(dòng)力設(shè)備，電機(jī)的準(zhǔn)確選型關(guān)系到汽包能否準(zhǔn)確供水 進(jìn)而影響到汽包水位的穩(wěn)定?？刂频腻仩t蒸發(fā)量為：35t/h，汽包壓力 0.5mp，管 道直徑 50mm 因此可以對(duì)正常工作時(shí)電機(jī)的功率作如下估算： (3.1) 22 3500010/5000003.142.5 95 360010000 w kgm s pk s 由計(jì)算結(jié)果可以知道選用功率為 100kw 的三相

42、異步電動(dòng)機(jī)完全可以滿足工作要求， 由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，選用鼠籠型電機(jī)就可以滿足要求。 濟(jì)南華力貝爾機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 yjtg 三相變頻調(diào)速電機(jī)專門(mén)為變頻調(diào)速 設(shè)計(jì)可以根據(jù)技術(shù)要求設(shè)定其額定電壓為 380v 額定功率為 100kw。 3.43.4 變頻器的選型變頻器的選型 變頻器是電機(jī)的供能設(shè)備，合理選擇變頻器關(guān)系到電機(jī)能否正常工作為汽包 供水。由電機(jī)的選型可以知道電機(jī)在 50hz 三相交流電下工作時(shí)電機(jī)的功率大約 是 100kw，當(dāng)三相交流電動(dòng)機(jī)在基頻以下工作時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩輸出工作，而此時(shí)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速會(huì)小于額定轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)的輸出功率也會(huì)小于額定功率，同時(shí)由于電機(jī) 的轉(zhuǎn)

43、矩保持不變，其工作電流同在 50hz 三相交流電下工作時(shí)電流基本一致。 根據(jù)以上的分析可以選擇羅克韋爾公司的 1336plusii 系列 1336f-b150 型號(hào) 的變頻器。給變頻器可以輸入 380v-480v 50/60hz 三相交流電，輸出 380-480v 三相交流電并通過(guò)控制信號(hào)控制其輸出頻率，其容量是 149kw，可以滿足設(shè)備功 率要求。該型號(hào)變頻器具有豐富靈活的控制接口，可以通過(guò)控制信號(hào)方便地改變 變頻器的工作特性。設(shè)計(jì)時(shí)將變頻器連接在 devicenet 網(wǎng)絡(luò)上，就可以利用 plc 控制變頻器的輸出電壓和頻率。 3.53.5 接觸器的選型接觸器的選型 接觸器是系統(tǒng)中用到的重要開(kāi)

44、關(guān)設(shè)備，接觸器的合理選擇能保證交流電動(dòng)機(jī) 能夠準(zhǔn)確及時(shí)的啟動(dòng)、停止。根據(jù)分析三相交流異步電機(jī)的最高工作電流是工作 于 50hz 交流電壓下，其工作電流為： (3.2) 100 152 3 380 kw a v 因此根據(jù)設(shè)計(jì)的要求浙江宏立電器有限公司生產(chǎn)的 hlc-3x 系列空調(diào)接觸器主要 適用于 50hz 或 60hz、在 ac-7b 使用類別額定工作電壓為 230v 或 480v 時(shí)額定電 流至 40a 電路中，適用于起動(dòng)和控制三相交流電動(dòng)機(jī)(壓縮機(jī))及其它三相負(fù)載， 選擇五套該類型接觸器同時(shí)帶動(dòng)一臺(tái)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。 3.63.6 熔斷器的選型熔斷器的選型 由于系統(tǒng)的主要耗電設(shè)備是電動(dòng)

45、機(jī)，因此系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)電流大約在 150a 左右，當(dāng)系統(tǒng)異常工作是可能導(dǎo)致工作電流變大因此可設(shè)定工作電流為 200a 時(shí) 進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。浙江中泰熔斷器有限公司生產(chǎn) xrnt-12 型限流熔斷器型額定電流 可以設(shè)定為 200a，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 3.73.7 功率三極管的選型功率三極管的選型 為了能使 plc 輸出的數(shù)字量能夠控制接觸器的通斷設(shè)計(jì)如下電路： 接觸器 線圈 220vac plc數(shù)字 量輸出 圖 3.1 接觸器控制線路 當(dāng)plc數(shù)字量輸出為高電平時(shí)三極管導(dǎo)通工作于飽和狀態(tài)，接觸器線圈上電 使接觸器觸點(diǎn)閉合，否則plc數(shù)字量輸出為低電平時(shí)三極管截止工作于截止?fàn)顟B(tài)， 接觸器線圈失電通過(guò)

46、二極管續(xù)流，使接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)。浙江省杭州富陽(yáng)市奧星電 子有限公司i3dd5686型功率三極管最大工作電流超過(guò)5a，完全可以滿足工作要求。 3.83.8 plcplc 及相關(guān)模塊的選型及相關(guān)模塊的選型 plc 選擇羅克韋爾公司 logix5000 系列，該系列 plc 性能穩(wěn)定，可以根據(jù)設(shè)計(jì) 要求靈活的選擇相關(guān)模塊，而且使用 rs logix5000 組態(tài)軟件進(jìn)行梯形圖程序設(shè) 計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況建立標(biāo)簽，避免了對(duì) plc 直接按照地址尋址造成的麻煩和 錯(cuò)誤。該系統(tǒng)需要輸入或輸出的模擬量有：給水流量信號(hào)、水位信號(hào)、蒸汽流量 信號(hào)、變頻器給定信號(hào)，需要輸出的數(shù)字量有：接觸器通斷信號(hào)、報(bào)警信號(hào)。因

47、此只要選擇一個(gè)模擬量輸入模塊 1756-if6i、一個(gè)數(shù)字量輸出模塊 1756-ob16d 就 可以滿足要求。 綜上所述可以得到硬件設(shè)備的清單如表 3.2 所示。 表 3.2 硬件設(shè)備清單 設(shè)備名稱型號(hào)額定電壓額定電流額定功率數(shù)量 三相電機(jī)yjtg380vac61a40kw2 變頻器1336f-b150380vac149kw1 功率三極管i3dd56862 plc cpu 模塊logix5000220vac1 模擬量輸入模塊1756-if6i1 數(shù)字量輸出模塊1756-ob16d1 以太網(wǎng)通信模塊1756-enet1 devicenet 通信模 塊 1756-dnb/a1 pc 機(jī)220vac

48、1 接觸器hlc-3x380vac5 熔斷器xrnt-123a3 水位傳感器ptp60124dcv3 流量傳感器lugb-9924dcv2 plc 的電源模塊為其他各個(gè)模塊提供電源， plc 的 cpu 塊負(fù)責(zé) plc 的數(shù)據(jù)處 理和通信，模擬量輸入模塊將來(lái)自傳感器的檢測(cè)信號(hào)傳入 plc，devicenet 模塊 通過(guò) devicenet 網(wǎng)絡(luò)控制變頻器，數(shù)字量輸出模塊主要控制開(kāi)關(guān)設(shè)備的通斷。 4 4 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 4.14.1 系統(tǒng)總體線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體線路設(shè)計(jì) 首先需要三相電源為系統(tǒng)供電，由電源插頭引入，同時(shí)通過(guò)過(guò)流保護(hù)裝置以 保證電流過(guò)大時(shí)能夠及時(shí)斷電，以確保安全不造成設(shè)備的損壞，正常

49、情況下設(shè)備 正常工作不會(huì)發(fā)生電流過(guò)大的現(xiàn)象，只有在出現(xiàn)故障時(shí)才有可能發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象此 時(shí)才需要進(jìn)行斷電以確保安全。對(duì)于需要 220v 交流電壓工作的設(shè)備可以連入三 相電源中的任意一相與中性線之間的 220v 交流電壓下。例如 plc 就是采用 220v 交流電工作，因此按照上述方式連接就可以直接接入任意一相與中性線之間的 220v 交流電壓下。此外還要引入地線在需要接地的地方保證可靠接地確保安全。 由于系統(tǒng)內(nèi)各種傳感器等設(shè)備需要直流電壓才能正常工作，因此還需要一個(gè) 整流裝置將它的交流輸入側(cè)連入任意一相與中性線之間的 220v 交流電壓下并對(duì) 220v 交流電進(jìn)行整流穩(wěn)壓，然后輸出穩(wěn)定的直流電壓，

50、直流輸出側(cè)可以為各個(gè)直 流設(shè)備提供直流電壓保證各個(gè)設(shè)備穩(wěn)定、有效、安全的工作。 由于選用的是交-直-交變頻器因此應(yīng)當(dāng)首先應(yīng)該將 380v 三相交流電連入變 頻器的 l1、l2、l3 三個(gè)端子輸入供變頻器整流，逆變后的是頻率、電壓變化的 三相交流電通過(guò)接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)連入三相異步電動(dòng)機(jī)的定子側(cè)回路為其工作提 供電源，并通過(guò)變頻器調(diào)頻調(diào)壓從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變汽包的送水流量對(duì)汽 包水位進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)直接將由電網(wǎng)引入的三相電通過(guò)另一接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)連 入三相異步電機(jī)的定子側(cè)回路，此時(shí)電機(jī)工作于工頻 50hz 三相交流電下以用來(lái) 在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)或其他情況下使用。但兩個(gè)接觸器不能同時(shí)閉合，否則將會(huì)發(fā)生事

51、 故。 根據(jù)以上所訴設(shè)計(jì)總體電器線路如圖 4.1 所示。 電源插頭 a n c b 過(guò) 流 保 護(hù) 地線 qs1 總電源 km1 pe 220v 24v12v0v 24v0v12v 變 頻 器 pe l1 l3 l2 u w v km2 k1 m 信 號(hào) 輸 入 a1 c1 b1 n1 c2 b2 a2 c2 b3 a2 c3 n3n4 b2 w1 u1 v1 qs2 qs3 q1 q2 pe j1j0j2 pe devicenet 圖 4.1 總體電氣線路圖 根據(jù)該設(shè)計(jì)可以得到供電線路接線如表 4.1 所示。 表 4.1 供電線路接線表 腳號(hào)信號(hào)代號(hào)信號(hào)名稱所連設(shè)備備注 a b c nacp

52、3三相電源 電源插頭 經(jīng)開(kāi) 關(guān) qs1 到過(guò)流 保護(hù)裝置 三相供電設(shè)備 a1 b1 c1 n1acp3三相電源過(guò)流保護(hù)裝置保護(hù)設(shè)備 pegnd接地線 電機(jī)外殼 傳感 器接地線 接地保護(hù) a2 b2 c2acp3三相電源 變頻器輸入 經(jīng) 開(kāi)關(guān) qs2 到電 機(jī)定子回路 三相供電設(shè)備 c3 n1acp2單相電源直流電源輸入單相供電設(shè)備 b3 n1acp2單相電源接觸器線圈單相供電設(shè)備 u1 v1 w1vacp3變頻器輸出 經(jīng)開(kāi)關(guān) qs3 到 電機(jī)定子回路 三相供電設(shè)備 j1 j0dc2024v 直流電源傳感器直流供電設(shè)備 q1c1km1 控制信號(hào)功率三極管基極開(kāi)關(guān)控制設(shè)備 q2c2km 控制信號(hào)功

53、率三極管基極開(kāi)關(guān)控制設(shè)備 4.24.2 控制線路設(shè)計(jì)控制線路設(shè)計(jì) 由于蒸汽流量傳感器、水位傳感器、送水流量傳感器都需要24v直流電壓供 電才能正常工作，因此三者的電源端子都要連入直流電源的24v直流電壓輸出側(cè)， 以為各個(gè)傳感器供電，保證其正常工作。各個(gè)傳感器的輸出引入plc的模擬量輸 入單元1756-if6i供plc完成各種運(yùn)算從而達(dá)到控制目的。plc通過(guò)devicenet網(wǎng)絡(luò) 控制變頻器的輸出頻率從而達(dá)到控制給水流量的目的。plc的數(shù)字量輸出單元 1756-ob16d輸出數(shù)字信號(hào)控制接觸器的通斷情況。根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)控制線路連 線圖如圖4.2所示。 液 位 傳 感 器 電 源 輸 入j0 蒸

54、 汽 流 量 傳 感 器 電 源 輸 入 信 號(hào) 輸 出 送 水 流 量 傳 感 器 電 源 輸 入 j0/wf0 信 號(hào) 輸 出 j1 j1 j0/sf0 j1 cpu 電源 1756- l1m2 1756- ennet 1756- if6i 1756- ob16d sf1 l1 l0 wf1 pe pe pe pe a1 n1 sf1 wf1l1 sf0wf0 q2 q1 l0 信號(hào)輸出 250 250 250 1756- dnb/a 圖 4.2 控制線路連線圖 根據(jù)以上設(shè)計(jì)可以得到傳感器線路接線表如表 4.2 所示。 表 4.2 傳感器線路接線 插腳代號(hào)信號(hào)代號(hào)信號(hào)名信號(hào)量程 被測(cè)（控）

55、 物理量 備注 l1/l0lf+/lf-汽包水位300mm 0300mm 水位 送 plc sf1/sf0sf+/sf-蒸汽流量13 m3/h 013 m3/h 蒸汽流量 送 plc wf1/wf0wf+/wf-送水流量35 m3/h 013 m3/h 送水流量 送 plc 5 控制算法及參數(shù)整定控制算法及參數(shù)整定 5.15.1 pidpid 算法簡(jiǎn)介算法簡(jiǎn)介 眾所周知，要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，除了必須正確的選取、設(shè)計(jì) 控制方案以外，還必須正確的選擇控制算法并進(jìn)行參數(shù)整定。 在控制系統(tǒng)中，按照給定信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差的比例（p） 、積分 （i）和微分（d）進(jìn)行控制的 pid 控制器

56、是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器8。 它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)的選定比較簡(jiǎn) 單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象“一階慣性純 滯后”與“二階慣性純滯后”的控制對(duì)象，pid 控制器是一種最優(yōu)控制。pid 調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié) 構(gòu)改變靈活，可以方便的改變?yōu)?pi、pd、pid 等控制器。 比例調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速 度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減??；比例系數(shù)偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；系統(tǒng)會(huì) 趨于不穩(wěn)定；比例系數(shù)太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。比例系數(shù)可以選負(fù)數(shù)，這 主要

57、是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以及控制對(duì)象的特性決定的。 積分調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。提高無(wú)差度。因 為有誤差積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一個(gè)常值。積 分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) ti。ti 越小積分作用就越強(qiáng)。反之 ti 大則積 分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另 外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 pi 調(diào)節(jié)器或 pid 調(diào)節(jié)器。 微分調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具 有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)。因此能產(chǎn)生超前的控制作用，可以改善系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下可以減少超調(diào)，減少調(diào)

58、節(jié)時(shí)間。微分作 用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)地加大微分調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外微 分反應(yīng)的是變化率，當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)微分作用輸出為零，因此微分作用不能單 獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合組成 pd 或 pid 控制器。 5.25.2 三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定 系統(tǒng)的參數(shù)整定可以采用理論計(jì)算法或者工程整定法。由于理論計(jì)算法要以 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性為依據(jù)，而動(dòng)態(tài)特性測(cè)取時(shí)往往具有不準(zhǔn)確性，而且容易隨 工作狀態(tài)的變化而變化，因此應(yīng)當(dāng)采用工程整定的辦法。根據(jù)控制方案可以將汽 包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖重畫(huà)為圖 5.1 所示。 gw(s)gf(s) nw nh gp(s) nd

59、 h - + - + + gh(s) hr gd(s) w + 圖 5.1 汽包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 其中 nd、nw、nh分別表示蒸汽流量傳感器、給水流量傳感器、水位傳感器的反饋 系數(shù)，gw(s)、gh(s)、gd(s)分別表示給水流量調(diào)節(jié)器、水位調(diào)節(jié)器、前饋調(diào)節(jié)器 的傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)可以分別表示為 kw、kh、kd ，gf(s)、 gp(s) 分別表示 變頻器、鍋爐汽包的傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)可以分別表示為 kf、kp 、hr是水位給 定信號(hào)。由硬件選型的相關(guān)數(shù)據(jù)可知當(dāng)系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)： ， ， 5 1 0.056 808 dn w 5 1 0.085 503 n 5 1 0.01

60、500 100 hn ， ， 35w 13.0d 300h 由于該設(shè)計(jì)采用了串級(jí)控制方式，首先應(yīng)該從副回路開(kāi)始對(duì)流量調(diào)節(jié)器進(jìn)行 參數(shù)整定，然后由內(nèi)而外，再對(duì)主回路水位調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定，通過(guò)兩步整定 的方法完成系統(tǒng)的參數(shù)整定。 由于副回路調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速動(dòng)作以消除進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且副參數(shù) 并不要求無(wú)差，所以選用 p 調(diào)節(jié)器就可以滿足要求了。根據(jù)控制要求可以設(shè)定 1336plusii 系列變頻器最高輸出頻率為 50hz，控制信號(hào)為 4-20ma 電流，頻率上 升時(shí)間為 0.5 秒，電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)變頻器輸出最高頻率 50hz，此時(shí)給水流量為 35 m3/h，則有副回路被控對(duì)象的增益是：，選