三沖量汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、自控工程課程設(shè)計(jì)第一章 工程實(shí)例1、三沖量汽包液位控制系統(tǒng)應(yīng)用1.1 三沖量控制系統(tǒng)的構(gòu)成 在三沖量控制系統(tǒng)中，汽包液位、蒸汽流量及給水流量等3個(gè)被控變量會(huì)安裝相應(yīng)的調(diào)節(jié)器，在鍋爐運(yùn)行的過(guò)程中，這三個(gè)信號(hào)作用于調(diào)節(jié)器，會(huì)適時(shí)調(diào)整，做相應(yīng)的改變。 在三沖量控制系統(tǒng)中，汽包液位、蒸汽流量、給水流量都是串聯(lián)關(guān)系，其中汽包液位是三者中的主沖量，能夠反映整個(gè)汽包的工作狀態(tài)和運(yùn)行狀況；而蒸汽流量和給水流量分別擔(dān)任輔助沖量，蒸汽流量就是一個(gè)前饋系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，能夠消除“假液位”現(xiàn)象，保證整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；給水流量是一個(gè)反饋系統(tǒng)，它能夠副回路減少水壓改變對(duì)汽包液位的影響。主沖量和輔助沖量之間相互配合、相互

2、影響，共同保證前饋-串級(jí)反饋的三沖量控制系統(tǒng)的正常有效運(yùn)行。 1.2 三沖量控制系統(tǒng)的工作原理 三沖量控制系統(tǒng)的工作原理是：將三個(gè)信號(hào)中的汽包液位當(dāng)做主信號(hào)，當(dāng)鍋爐中的水位改變時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，在此基礎(chǔ)上的給水流量也會(huì)發(fā)生改變，這樣就能夠使鍋爐的水位達(dá)到給定值。在這個(gè)過(guò)程中，蒸汽流量充當(dāng)著前饋?zhàn)饔茫渥饔檬欠乐埂凹僖何弧备蓴_調(diào)節(jié)器的工作。而給水流量充當(dāng)著反饋的作用，當(dāng)前饋的蒸汽流量發(fā)出干擾信號(hào)時(shí)，給水流量會(huì)在鍋爐水位未改變之前，消除這種干擾，使調(diào)節(jié)器正常工作，使給水流量更加穩(wěn)定。 1.3 三沖量控制系統(tǒng)在鍋爐汽包液位中的應(yīng)用 在鍋爐生產(chǎn)中，三沖量控制系統(tǒng)作為前饋-串

3、級(jí)反饋系統(tǒng)，其運(yùn)行遵循著主控制器的正作用和副控制器的反作用原則。在三沖量控制系統(tǒng)中，流量控制器FC作為主控制器，起著正作用功能；水位控制器LC作為副控制器，起著反作用的功能；而調(diào)節(jié)器則起著調(diào)節(jié)閥的作用。 通常當(dāng)鍋爐的水位升高時(shí)，LC就會(huì)產(chǎn)生反作用，其輸出就會(huì)相應(yīng)減少，通過(guò)加法器，F(xiàn)C的給定值減少，而調(diào)節(jié)器的輸出卻增加，故而要減小調(diào)節(jié)器的閥門開(kāi)度，縮小FA2101（給水流量），使水位下降至給定值。 在FAQ2102（蒸汽流量）增加的情況下，F(xiàn)C的給定值會(huì)相應(yīng)的減少，而調(diào)節(jié)器的輸出增加，故而要擴(kuò)大調(diào)節(jié)器的閥門開(kāi)度，增加給水流量，平衡蒸汽流量，使水位保持在給定值上。 當(dāng)FA2102（給水流量）增加時(shí)

4、，F(xiàn)C調(diào)節(jié)器的輸出也會(huì)相應(yīng)增加，這時(shí)要減小調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，減少給水流量，平衡蒸汽流量，保持水位不變。另外，在選擇給水流量的調(diào)節(jié)閥時(shí)，要保證鍋爐的安全。比如當(dāng)生產(chǎn)的熱源是蒸汽時(shí)，就應(yīng)該選擇氣關(guān)閥來(lái)保護(hù)鍋爐；而當(dāng)蒸汽的供給超過(guò)蒸汽壓縮機(jī)時(shí)，就應(yīng)該選擇氣開(kāi)閥來(lái)保護(hù)鍋爐設(shè)備。 通過(guò)三沖量控制系統(tǒng)，能夠利用調(diào)節(jié)器的開(kāi)關(guān)閥對(duì)鍋爐生產(chǎn)中的汽包液位、蒸汽流量和給水流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，消除了“虛假液位”現(xiàn)象，保證水位的穩(wěn)定，很好地控制了鍋爐汽包液位，保證整個(gè)鍋爐系統(tǒng)和整個(gè)生產(chǎn)工藝的安全可靠，同時(shí)也促進(jìn)了鍋爐生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)和完善。2.系統(tǒng)控制流程圖圖1-1系統(tǒng)控制的程序流程圖第2章 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置設(shè)計(jì)及計(jì)算程序設(shè)計(jì)1.給

5、水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性鍋爐的給水系統(tǒng)，汽包液位的動(dòng)態(tài)特性似乎與單容水槽一樣，但是實(shí)際情況卻要復(fù)雜的多。其中最突出的一點(diǎn)就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量的蒸汽氣泡的水，而蒸汽氣泡的總體積是隨著氣泡壓力和爐膛熱負(fù)荷的變化而改變的。如果有某種原因使蒸汽泡的總體積改變了，即使水循環(huán)系統(tǒng)中的總水量沒(méi)有變化，汽包水位也會(huì)隨之發(fā)生改變。汽包液位過(guò)高會(huì)造成蒸汽帶水，影響汽水分離效果；水位過(guò)低容易使水全部被汽化燒壞鍋爐。影響汽包液位的因素，除了加熱汽化外，還有蒸汽負(fù)荷和給水流量的波動(dòng)，當(dāng)負(fù)荷突然增大、汽包壓力突然降低時(shí)，水就會(huì)被急劇汽化，出現(xiàn)大量氣泡，形成“虛假液位”。根據(jù)所給任務(wù)書中的要求，水位H與給水W之間的

6、傳遞函數(shù)為一個(gè)一階對(duì)象，時(shí)間常數(shù)為5s，靜態(tài)放大倍數(shù)為8。2.系統(tǒng)控制框圖單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)如下圖所示：圖2-1三沖量控制系統(tǒng)從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)是由給水流量W、給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)。但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。綜上所述，本系統(tǒng)應(yīng)選用水位串級(jí)控制。主回路用于直接控制水位，主調(diào)節(jié)器一般都采用比例積分動(dòng)作，維持水位不變。副回路是流量系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器可以用比例或比例積分動(dòng)作。結(jié)合

7、題意設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如下：Hr +Gc1(s)Gc2(s)KuKwKhGp(s)KdHW其中，Hr水位設(shè)定值 W給水量 H水位值 Gc1（s）主控制器 Gc2（s）副控制器 Gp（s）被控對(duì)象傳遞函數(shù) Kd蒸汽流量檢測(cè)變送器放大倍數(shù) Kw給水流量檢測(cè)變送器放大倍數(shù) Kh水位檢測(cè)儀表放大倍數(shù)第3章 調(diào)節(jié)閥選型及計(jì)算1.給水流量計(jì)的選擇及KW的計(jì)算 根據(jù)所給離心泵的參數(shù)，給水壓力3MPa，水流量為25T/h。正常的蒸汽量為10T/h，因此在穩(wěn)定的情況下，需要的給水量應(yīng)等于蒸發(fā)量，即正常的給水量為10T/h。選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的給水流量為20T/h。輸出量程為420mAKW=（20-4）/（20-0）=

8、0.8mAh/T 1.1蒸汽流量計(jì)的選擇及KD的計(jì)算根據(jù)所給的蒸汽流量穩(wěn)定值為10T/h，選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的蒸汽流量為20T/h.輸出量程為420mA。KD=（20-4）/（20-0）=0.8mA/T1.2調(diào)節(jié)閥的選擇及Ku的計(jì)算選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，輸入量程為420mA，輸出量程為025T/h。Ku=（25-0）/（20-4）=1.56T/hmA1.3差壓式水位測(cè)量?jī)x表及KH的計(jì)算根據(jù)題目所給的最大允許波動(dòng)為30mm，因此儀表輸入選擇為60mm，輸出為420mA。KH=（20-4）/（60-（-60）=0.133mA/mm2.PID控制器的參數(shù)整定首先，對(duì)副環(huán)進(jìn)行整定，由上面選擇的調(diào)節(jié)器可以得到

9、，副環(huán)是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，因此在整定副環(huán)時(shí)，只要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性就可以了。其次，對(duì)主環(huán)進(jìn)行整定，先將PI調(diào)節(jié)器的積分常數(shù)置成無(wú)窮大，然后給比例系數(shù)，若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比列帶；反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過(guò)慢，應(yīng)增大比例帶。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定，然后調(diào)節(jié)積分常數(shù)Ti，最終得到的是一個(gè)衰減比在4：110：1的衰減震蕩過(guò)程。各個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)如下：副調(diào)節(jié)器：K2=5主調(diào)節(jié)器：K1=8 ，Ti=0.38s，=0.135， 衰減比為10：1其衰減振蕩的曲線如下： 圖3-1衰減振蕩曲線3. 鍋爐汽包水位總體設(shè)計(jì)的仿真圖3-2串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)SIMULINK仿真模型得到的響應(yīng)曲線如下圖所示。圖3-3串級(jí)三沖量控

10、制系統(tǒng)響應(yīng)曲線仿真結(jié)果分析：串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)在快速性、抗干擾性上優(yōu)越，響應(yīng)曲線平穩(wěn)，對(duì)蒸汽流量擾動(dòng)的抑制也很強(qiáng)。4. 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程為:利用由高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的I/O接口，單片機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算控制，輸出地?cái)?shù)字信號(hào)再通過(guò)DAC0832轉(zhuǎn)化成為模擬信號(hào)。4.1控制器的選擇選擇51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。首先給出鍋爐水位的正常工作范圍，由于水不斷蒸發(fā)使水位下降，8051單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使給水閥門開(kāi)打，注水量增加，水位恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)；當(dāng)水位高于規(guī)定值時(shí)，8051單片機(jī)再次發(fā)出控

11、制信號(hào)，使給水閥門變小，注水量降低，水位又恢復(fù)到規(guī)定范圍。51單片機(jī)與AD和DA的接口連接如下圖所示：圖3-4 51單片機(jī)與AD和DA的接口4.2控制的程序框圖圖3-5系統(tǒng)控制的程序流程圖4.3 AD轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器選擇ADC0809, ADC0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，8路數(shù)字輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì) ：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC腳輸出高電平，此時(shí)單片機(jī)接收EOC信號(hào)，讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，將EOC腳經(jīng)反相器與單片機(jī)的INT0腳相連。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由P0口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機(jī)P0口相連，高低位依次相連。 經(jīng)以上分析，設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示圖3-6

12、AD轉(zhuǎn)換器的接口電路4.4DA轉(zhuǎn)換器 DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832,DAC0832是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC,它能直接與51單片機(jī)相連。DA轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)：選擇DAC為單緩沖方式，即輸入寄存器工作于受控狀態(tài)，DAC寄存器處于直通狀態(tài)，由DAC0832的引腳特性，將DAC0832的引腳接發(fā)如下：CS：片選端，低電平有效，直接接低電平ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效，直接接高電平。WR2：DAC寄存器寫選通控制端，低電平有效，由于其處于直通狀態(tài)，故直接接低。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地。WR1；第一級(jí)輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)

13、鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機(jī)P2.2口相連，由程序控制。經(jīng)以上分析，設(shè)計(jì)DA轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示圖3-7 DA轉(zhuǎn)換器的接口電路第四章 課程設(shè)計(jì)心得通過(guò)這次過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)，我們感觸頗深，不僅對(duì)書上學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)與鞏固，而且還培養(yǎng)了我獨(dú)立思考與解決問(wèn)題的能力。通過(guò)將近一周的努力，我終于在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了任務(wù)。是我更加深刻地理解了鍋爐液位的三沖量控制，而且將我在眾多專業(yè)課程上所學(xué)到的知識(shí)相結(jié)合，更進(jìn)一步提高了我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。通過(guò)課程設(shè)計(jì)將所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)聯(lián)系在一起，我們明白了理論知識(shí)的重要性和應(yīng)用范圍的寬廣，加深了對(duì)專業(yè)、對(duì)工程設(shè)計(jì)的理解。讓我更加明白了在生產(chǎn)實(shí)際中，不能對(duì)書面的知識(shí)生搬硬套，要具體問(wèn)題具體分析，才能正確快速的解決問(wèn)題。另外，還讓我懂得了在設(shè)計(jì)制造的道路上，需要不斷地探索與創(chuàng)造，堅(jiān)持不懈，持之以恒。這次的設(shè)計(jì)經(jīng)歷讓我受益匪淺。完成了這次設(shè)計(jì)以后，對(duì)我以后的生活和工作都有很大的幫助，鍛煉了自己的動(dòng)手能力，讓自己對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了一個(gè)升華，更深入的了解了這門課程的真諦，我以后也應(yīng)該多多動(dòng)手，不能只學(xué)習(xí)課本上的理論知識(shí)，應(yīng)該更多地把理論和實(shí)際結(jié)合到一起，這樣才能學(xué)有所用。為了讓自己以后更好的適應(yīng)到這個(gè)行業(yè)，我