鍋爐汽包水位的控制要點(diǎn)

1、摘要鍋爐是電廠和化工廠里常見(jiàn)的生產(chǎn)設(shè)備，為了使鍋爐能正常運(yùn)行，必須維持鍋爐的水位在一定的范圍內(nèi)，這就需要控制鍋爐汽包的水位。汽包水位很重要，水位過(guò)高會(huì)影響汽水分離的效果，使蒸汽帶液，損壞汽輪機(jī)葉片；如果水位過(guò)低會(huì)損壞鍋爐，甚至引起爆炸?？梢?jiàn)鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。本論文設(shè)計(jì)的是鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，利用控制裝置和被控對(duì)象組成了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。被調(diào)量是汽包水位，調(diào)節(jié)量是給誰(shuí)量。它主要考慮汽包內(nèi)部物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的揮發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞： 汽包水位虛假水位給水流量蒸汽流量第1頁(yè)目錄摘要 . .11緒論 . .31.1鍋爐 .31.2鍋爐汽

2、包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 .31.3汽包水位調(diào)節(jié)原理： .41.4本設(shè)計(jì)的主要工作 .42控制方案設(shè)計(jì) . .62.1汽包水位的影響因素 .62.2系統(tǒng)方框圖 .63 硬件選型 . .83.1水位 PID 控制系統(tǒng) .83.2PLC 的選型 . .83.3PLC 的 I/O 分配 . .93.4流程控制圖 .103.5PLC 程序 . .114 PID參數(shù)整定 .164.1運(yùn)用試湊法選定 PID 參數(shù) .164.2MATLAB仿真結(jié)果 . .175組態(tài)設(shè)計(jì) . .195.1組態(tài)王對(duì) PLC的設(shè)備組態(tài) . .195.2組態(tài)王定義數(shù)據(jù)變量 . .195.3組態(tài)王界面 . .19總結(jié) . .21參考

3、文獻(xiàn) . .22致謝 . .23第2頁(yè)1 緒論1.1 鍋爐鍋爐由汽鍋和爐子組成。爐子是指燃燒設(shè)備，為化石烯料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能提供必要的燃燒空間。 汽鍋是為汽水循環(huán)和汽水吸熱以及汽水分離提供必要的吸熱和分離空間。鍋爐作為一種把煤、 石油或天然氣等化石燃料所儲(chǔ)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成水或水蒸氣的熱能的重要設(shè)備， 長(zhǎng)期以來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展卻是近幾十年的事情。生產(chǎn)鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。從系統(tǒng)角度看，鍋爐包括燃燒負(fù)荷控制系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 ：圖 1-11.2 鍋爐汽包

4、水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀鍋爐汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)主要參數(shù)， 水位過(guò)高會(huì)使蒸汽帶水帶鹽，嚴(yán)重的將引起整體品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全；水位過(guò)低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過(guò)熱而損壞，尤其是大型鍋爐，一旦控制不當(dāng)，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)的水全部汽化，造成重大事故。故鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證汽包水位在允許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。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第3頁(yè)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

5、大增強(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。隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對(duì)給水控制提出了更高的要求，其主要原因有：（1）汽包的個(gè)數(shù)和體積減小，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度；（2）鍋爐容量增大，顯著的提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷，使鍋爐負(fù)荷對(duì)水位的影

6、響加劇了；（3）提高了鍋爐的工作壓力，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥的流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。由此可見(jiàn)，隨著鍋爐朝大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制是必不可少的，它可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行。1.3汽包水位調(diào)節(jié)原理：1. 汽包鍋爐給水自動(dòng)控制的任務(wù)是維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)變化。 汽包水位是鍋爐運(yùn)行中的一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)， 它間接地表示了鍋爐負(fù)荷和給水的平衡關(guān)系。維持汽包水位是保持汽機(jī)和鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。2汽包水位被控對(duì)象的擾動(dòng)有四個(gè)來(lái)源，包括給水量方面的擾動(dòng)為內(nèi)部擾動(dòng)。其余的如蒸汽負(fù)荷的擾動(dòng)、燃料量的變化及汽包壓力的變化等為外部擾

7、動(dòng)。其中尤以給水?dāng)_動(dòng)、汽機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)和鍋爐熱負(fù)荷擾動(dòng)較為嚴(yán)重。1.4 本設(shè)計(jì)的主要工作利用西門子 PLC設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位的控制系統(tǒng)， 編寫程序。完成以下工作：完成 PLC的選型，進(jìn)行 I/O 分配。將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳送到 PLC或計(jì)算機(jī)，利用 PI 或 PID 算法進(jìn)行運(yùn)算。利用計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)給水電動(dòng)閥閥門開度，控制鍋爐水位（內(nèi)容2 和 3 可用G(s)1e1.1smatlab 仿真實(shí)現(xiàn) ?？刂葡到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型為1 6s）。利用組態(tài)王完成上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)。5） 控制時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間小于10s，最大超調(diào)不大于5%。第4頁(yè)第5頁(yè)2 控制方案設(shè)計(jì)2.1汽包水位的影響因素汽變包過(guò)熱器頻器省煤器水冷壁汽包水位的由

8、于給水量和蒸汽流量影響它的高低4 。水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾雜著大量蒸汽汽泡的水， 隨著腔內(nèi)壓力的變化導(dǎo)致水位的高低的變化。則可知影響汽包水位 H 的主要因素有：1. 給水量 W；2. 汽輪機(jī)耗汽量 D； 3. 燃料量 B 三個(gè)主要因素。2.2系統(tǒng)方框圖首先要選取汽包水位控制系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制變量， 本系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求可直接汽包水位作為被控參數(shù)。影響水位變化的因素有給水量變化、蒸汽量變化、燃料量變化和汽包壓力變化等等。而汽包壓力和蒸汽流量都不能作為控制變量，因?yàn)闅鈮簤毫ψ兓⒉恢苯佑绊懰?，汽包壓力變化是有蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用戶的需求?huì)各有不同，這是一個(gè)不可控因素；燃料量的變化也不能作為

9、控制變量，因?yàn)檫@種變化要經(jīng)過(guò)燃料系統(tǒng)變化熱量后，才可被水吸收，這一擾動(dòng)通道的傳遞滯后和容量滯后都很大，所以燃料量的變化不能作為控制變量。故只能選擇給水量作為漆包水位的控制發(fā)展。將系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制變量選定后可得到系統(tǒng)方框圖如下圖所示：第6頁(yè)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案圖系統(tǒng)方案圖中可以看到，將給水量作為控制變量，汽包液位作為被控參水之后，檢測(cè)變送器選擇壓差變送器， 執(zhí)行器選擇控制器， 執(zhí)行器為調(diào)節(jié)器。第7頁(yè)3 硬件選型3.1 水位 PID 控制系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)使用 1 個(gè)液位傳感器， 1 個(gè)輸入控制液體閥， 1 個(gè)輸出控制液體閥。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口，用手動(dòng)控制進(jìn)水泵速度，使水位達(dá)到滿水位的75%，然后

10、打開出水口，同時(shí)水泵控制從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式，這種切換有一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。 PID 的控制工藝圖如下：水位 PID 控制工藝圖3.2 PLC 的選型（1）西門子 S7-200 系列小型 PLC-CPU226本次設(shè)計(jì)采用的西門子 PLC的 CPU是 CPU226 DC/DC/DC，CPU內(nèi)部集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，最多可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊；具有 PID 控制器； 2 個(gè) RS-485 通信 / 編程口，具有 PPI 通信協(xié)議、 MPI 通信協(xié)議、和自由方式通信協(xié)議。額定電壓 24VDC，最大持續(xù)允許電壓 30VDC。第8頁(yè)（2）模擬量模塊 EM23

11、5因?yàn)?S7-200 的 CPU224本身不能處理模擬信號(hào)，所以處理模擬信號(hào)時(shí)需要外加模擬量擴(kuò)展模塊。模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 有 4 路模擬量輸入和1 路模擬量輸出，輸入輸出都可以為0 10V 電壓或是 020mA 電流 ( 由 DIP 開關(guān)設(shè)置 ) ，適用于復(fù)雜的控制場(chǎng)合。其內(nèi)部集成有12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，不用加放大器即可直接與執(zhí)行器和傳感器相連，數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 250s。EM235模塊能直接和 PT100熱電阻相連，供電電源為 24V。（3）PC-PPI 電纜將 PC/PPI 電纜連接 RS-232(PC)的一端連接到計(jì)算機(jī)上，另外一端連接到PLC 的編程口上。它將提供 PLC

12、 與計(jì)算機(jī)之間的通信，線長(zhǎng) 5m, 帶內(nèi)置RS-232C/RS285連接器，用于 CPU 22X與 PC直接連接。3.3 PLC 的 I/O 分配第9頁(yè)3.4流程控制圖水位 PID 控制程序分為以下三個(gè)部分：（1）主程序調(diào)用模塊主程序調(diào)用模塊（2）主程序調(diào)用子程序（3）中斷子程序模塊第10頁(yè)3.5 PLC 程序運(yùn)行單擊水泵控制按鈕系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉出水口，用手動(dòng)控制進(jìn)水泵速度，使水位達(dá)到滿水位的 75%，這時(shí)系統(tǒng)裝載 PID 參數(shù)，和連接 PID 中斷服務(wù)程序裝入回路設(shè)定值， VD104，回路增益 VD112,回路采樣時(shí)間 VD118,積分時(shí)間 VD120,同時(shí)設(shè)定中斷 0 的時(shí)間（ SMB34）

13、, 間隔為 100ms設(shè)定定時(shí)中斷執(zhí)行PID 程序 INT_0。關(guān)閉微分作用VD124。在中斷處，將過(guò)程變量（Pv）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)數(shù)，首先將整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)（ AIW0-AC0） , 將雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)而后將數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化（ AC0,32000.0-AC0 ）最后將標(biāo)準(zhǔn)化后的 Pv 存入回路表（ AC0-VD100） .第11頁(yè)而 I0.0 代表手動(dòng)到自動(dòng)的切換， 0 代表手動(dòng)， 1 代表自動(dòng)。自動(dòng)方式下將把輸出值 Mn，轉(zhuǎn)換為 16 位整數(shù)，首 先 判 斷 Mn 是 單 極 性 且 非 負(fù) 的 數(shù) ， 把 輸 出 值 送 到 累 加 器（ VD108,32000.0-AC0 ）然后標(biāo)準(zhǔn)化累加器中

14、的值，將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，再加雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)，最后將數(shù)值寫入模擬標(biāo)準(zhǔn)輸出（ AC0-AQW0）.子程序部分第12頁(yè)中斷程序部分第13頁(yè)第14頁(yè)第15頁(yè)4 PID 參數(shù)整定4.1 運(yùn)用試湊法選定PID 參數(shù)進(jìn)行 PID 參數(shù)整定的時(shí)，根據(jù)比例、積分和微分單元的作用和特點(diǎn)采用試湊法來(lái)確定參數(shù)值，參考各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例、再積分、最后微分的整定順序進(jìn)行調(diào)整。過(guò)程如下：先整定比例單元，將比例系數(shù) Kp 由小變大，同時(shí)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，知道得到響應(yīng)比較快、超調(diào)量較小的響應(yīng)曲線。如果此時(shí)已經(jīng)得到靜態(tài)誤差小符合要求的曲線，就不在加入積分和微分部分，否則，再加入積分單元。將調(diào)

15、好的比例系數(shù) Kp 縮小為 0.8 倍左右，給 Ti 設(shè)置一個(gè)較大的值，然后逐漸減小，并觀察響應(yīng)曲線，直到系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好。若反復(fù)調(diào)節(jié)仍得不到理想曲線，再加入微分單元。將微分系數(shù) Td 從 0 開始逐漸增大， 同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)比例系數(shù) Kp 和積分時(shí)間 Ti 的值，直到得到滿意曲線。圖4 - 1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方塊圖圖4-2PID參數(shù)第16頁(yè)4.2 MATLAB仿真結(jié)果圖4-3峰值第17頁(yè)穩(wěn)態(tài)值的2%第18頁(yè)5 組態(tài)設(shè)計(jì)5.1 組態(tài)王對(duì) PLC的設(shè)備組態(tài)西門子 S7-200 使用串口通信，在組態(tài)王中，選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)中的“設(shè)備” |COM1選項(xiàng)，在工程瀏覽器右側(cè)雙擊“

16、新建”圖標(biāo)，運(yùn)行“設(shè)備配置向?qū)А?，以此選擇“ PLC”中的“西門子”、“S7-200 系列”、 PPI 選項(xiàng)，當(dāng)設(shè)備定義完成后，可以在工程瀏覽器的右側(cè)看到新建的外部設(shè)備“S7200”，如圖 4-7 所示。在定義數(shù)據(jù)庫(kù)變量時(shí)，只要把 I/O 變量連接到這臺(tái)設(shè)備上，它就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了。5.2 組態(tài)王定義數(shù)據(jù)變量在組態(tài)王中，鍋爐汽包水位控制的數(shù)據(jù)詞典見(jiàn)表4-1 。表 4-1把數(shù)據(jù)詞典中定義的變量與組態(tài)畫面的圖素進(jìn)行動(dòng)畫連接，運(yùn)行控制系統(tǒng)，就可以實(shí)時(shí)控制鍋爐過(guò)熱蒸汽的溫度。5.3 組態(tài)王界面最終設(shè)計(jì)完成的組態(tài)界面如圖4-4 所示第19頁(yè)第20頁(yè)總結(jié)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)

17、量保持動(dòng)態(tài)平衡， 從而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。汽包水位控制系統(tǒng)是控制理論和過(guò)程控制技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)典型應(yīng)用案例。在本次的課設(shè)中我們小組采用的單沖量的方式進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)，在這其中，采用了 PLC，PID，模擬量模型等主要的組成部分共同完成了這次的課設(shè)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)在校期間所學(xué)的理論知識(shí)和指導(dǎo)老師的耐心指導(dǎo)完成了這次設(shè)計(jì)所需要的大部分工作，鞏固了之前所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提高了我個(gè)人的理論水平和其他方面的水平，為今后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)、工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？傊瑔螞_量控制與 PLC技術(shù)在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是行之有效的，相信 PLC技術(shù)在其他控制領(lǐng)域也會(huì)有廣泛的應(yīng)用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，企業(yè)的自動(dòng)化水平不斷提高，大量的 PLC會(huì)不斷的裝配到生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中去， PLC技術(shù)會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。第21頁(yè)參考文獻(xiàn)1 潘新民，王燕芳 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 高等教育出版社 20012 王再英，過(guò)程控制系統(tǒng)與自動(dòng)化儀表王再英 機(jī)械工業(yè)出版社 20073 黃一夫 . 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社