鍋爐汽包水位的控制

1、摘要鍋爐是電廠和化工廠里常見的生產(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；如果水位過低會(huì)損壞鍋爐，甚至引起爆炸?？梢婂仩t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 蒸汽流量目錄摘要11 緒 論31.1 鍋爐31.2 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

2、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)83.2 PLC的選型83.3 PLC的I/O分配93.4 流程控制圖93.5 PLC程序114 PID參數(shù)整定154.1 運(yùn)用試湊法選定PID參數(shù)164.2 MATLAB仿真結(jié)果165 組態(tài)設(shè)計(jì)185.1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)20參考文獻(xiàn)21致謝221 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

3、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，長期以來在工業(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；水位過低又將破壞部分水冷壁的水循

4、環(huán)，引起水冷壁局部過熱而損壞，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過程控制能力。因此，無論是單機(jī)還是多機(jī)控制、生產(chǎn)流水線控制及過程控制都可以采用PLC技術(shù)。PLC控制鍋爐技術(shù)是近年來開

5、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，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

6、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

7、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matlab仿真實(shí)現(xiàn) ?？刂葡到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型為）。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%。2 控制方案設(shè)計(jì)2.1汽包水位的影響因素汽包水位的由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)

8、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控制變量，因?yàn)檫@種變化要經(jīng)過燃料系統(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：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

9、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。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

10、；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。（2）模擬量模塊EM235 因?yàn)镾7-200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

11、)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與計(jì)算機(jī)之間的通信，線長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

12、（SMB34）,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）.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-AQ

13、W0）.子程序部分中斷程序部分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)采用試湊法來確定參數(shù)值，參考各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過程的影響趨勢(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)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

14、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4-2 PID參數(shù)4.2 MATLAB仿真結(jié)果圖4-3 峰值穩(wěn)態(tài)值的2%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“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

15、義數(shù)據(jù)庫變量時(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)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)是控制理論和過程控制技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的一個(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P

16、LC，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?，單沖量控制與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)過程當(dāng)中去，PLC技術(shù)會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。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，1997.4