儀表實(shí)習(xí)報(bào)告

1、鍋爐水位自動(dòng)控制方案 南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）學(xué)院（系）： 專(zhuān) 業(yè)：學(xué) 生：指導(dǎo)教師： 完成日期 2015 年 1 月 南陽(yáng)理工學(xué)院本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 鍋爐水位自動(dòng)控制方案 Boiler water level automatic control scheme 總計(jì)： 課程設(shè)計(jì)（論文）28 頁(yè)表 格： 2 個(gè)插 圖 ： 16 幅 南 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 本 科 課 程 設(shè) 計(jì)（論文）鍋爐水位自動(dòng)控制方案 Boiler water level automatic control scheme學(xué) 院（系）： 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué) 生 姓 名：

2、學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師（職稱(chēng)）： 李珍（高級(jí)工程師） 評(píng) 閱 教 師： 李 珍 完 成 日 期： 2015年1月 南陽(yáng)理工學(xué)院 Nanyang Institute of Technology鍋爐水位自動(dòng)控制方案機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 靳曉桃摘 要： 本文是針對(duì)鍋爐水位控制系統(tǒng)進(jìn)行的分析和設(shè)計(jì)，介紹了鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性，單沖量、雙沖量、三沖量控制方案的特點(diǎn)及工程中注意的問(wèn)題。 控制系統(tǒng)采用模糊控制與常規(guī) PID控制相結(jié)合的控制方式以提高系統(tǒng)的控制性能，在系統(tǒng)中采用了主控-串級(jí)控制的切換裝置，使系統(tǒng)可以適用于不同的工作環(huán)境。通過(guò)使用該系統(tǒng)， 可以使得鍋爐液位在允許的范圍內(nèi)變化，并保護(hù)鍋爐液位滿足

3、安全要求。關(guān)鍵字： 鍋爐水位；控制系統(tǒng)； 單沖量；雙沖量；三沖量 Boiler water level automatic control schemeInstitute of mechanical and automotive engineering JIN Xiao-tao Abstract: this article is in view of the boiler water level control system analysis and design, this paper introduces the dynamic characteristic of the boiler s

4、team drum water level, single pulse, double pulse and the characteristics of three impulse control scheme and the questions needed to attention in engineering. Control system USES fuzzy control and conventional PID control with the combination of control method in order to improve the control perfor

5、mance of the system, the system adopts the master - the cascade control of switching device, the system can be applied to different working environment. By using the system, can make the boiler liquid level in allowed range change, and protect the boiler liquid level meet the safety requirements.Key

6、 words: boiler water level; Control system; Single pulse; Double pulse; Three impulse目 錄1 鍋爐生產(chǎn)過(guò)程11.1 鍋爐12 汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的干擾分析13 鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性23.1汽包水位在給水量作用下的動(dòng)態(tài)特性23.2 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性34 鍋爐汽包水位的控制方案54.1 單沖量控制系統(tǒng)54.2 雙沖量控制系統(tǒng)54.3 三沖量控制系統(tǒng)64.3.1 三沖量控制方案64.3.2 三沖量控制方案74.3.3 三沖量控制方案85 模糊控制介紹85.1 本次采用在線推理法模糊控制85.2 控

7、制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)儀表的配置、選型及參數(shù)的確定95.2.1 調(diào)節(jié)器的選型95.2.2 執(zhí)行器的選型115.2.3 變送器的選型135.2.4 伺服放大器的選型155.2.5 電動(dòng)操作器的選型165.2.6 顯示儀表的選型175.3 儀表型號(hào)清單186 設(shè)計(jì)分析196.1 PID 對(duì)控制的影響196.1.1 比例P調(diào)節(jié)196.1.2 積分I調(diào)節(jié)196.1.3 微分D調(diào)節(jié)196.2 PID 控制器的參數(shù)整定196.2.1 經(jīng)驗(yàn)法196.2.2 穩(wěn)定邊界法206.2.3 衰減曲線法207 工程中需要注意的問(wèn)題207.1 關(guān)于汽包液位測(cè)量的問(wèn)題207.2 給水閥的選擇問(wèn)題207.3 給水流量蒸汽流量21結(jié)束

8、語(yǔ)21參考文獻(xiàn)22致謝231 鍋爐生產(chǎn)過(guò)程1.1 鍋爐鍋爐是火電廠重要的動(dòng)力設(shè)備，其要求是供給合格蒸汽；為此，生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象，主要輸入變量是負(fù)荷，鍋爐給水，燃料量，減溫水，送風(fēng)和引風(fēng)等；主要輸出變量是汽包水位，蒸汽壓力，過(guò)熱蒸汽溫度，爐膛負(fù)壓，過(guò)?？諝獾龋?這些輸入變量與輸出變量之間的相互關(guān)聯(lián)非常復(fù)雜。如果蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將會(huì)引起汽包水位，蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度等的變化。燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時(shí)還會(huì)影響汽包水位，過(guò)熱蒸汽溫度，過(guò)?？諝夂蜖t膛負(fù)壓；給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對(duì)蒸汽壓力，過(guò)熱蒸汽溫度等亦有影響；減溫水的變化

9、會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱蒸汽溫度，蒸汽壓力，汽包水位等的變化等。所以鍋爐設(shè)備是一個(gè)多輸入，多輸出且相互關(guān)聯(lián)的被控對(duì)象。1.2 鍋爐水位控制在工業(yè)控制系統(tǒng)中的重要性 鍋爐是一種受壓又受火的特種設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設(shè)備。對(duì)鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，往往會(huì)引起事故，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則造成爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設(shè)備，后果十分嚴(yán)重。因此，鍋爐的安全問(wèn)題是一項(xiàng)非常重要的問(wèn)題，必須引起高度重視。工業(yè)鍋爐中最常見(jiàn)的事故有：鍋內(nèi)缺水，鍋爐超壓，鍋內(nèi)滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。其中以鍋爐缺水事故比例最高。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的，可見(jiàn)鍋爐汽包水位控制在

10、鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是， 使跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持鍋爐汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損，葉片斷裂等事故。水位過(guò)低則可造成水的急速蒸發(fā)，汽水自然循環(huán)破壞，局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)造成爆炸事故。因此，鍋爐汽包水位必須嚴(yán)加控制。2 汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的干擾分析 鍋爐的汽水系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示。圖2.1 鍋爐汽水系統(tǒng)原理圖 影響汽包水位變化的干擾因素有：給水量的干擾，蒸

11、汽負(fù)荷變化，燃料量變化，汽包壓力變化等。 汽包壓力變化不是直接影響水位的，而是通過(guò)汽包壓力升高時(shí)的“自凝結(jié)”和壓力降低時(shí)的“自蒸發(fā)”過(guò)程引起水位變化的。況且，壓力變化的原因往往是出于熱負(fù)荷和蒸汽負(fù)荷的變化所引起的故這一干擾可以放到其他干擾中考慮。 燃燒流量的變化要經(jīng)過(guò)燃燒系統(tǒng)變成熱量，才能為水吸收，繼而影響氣化量，這個(gè)干擾通道的傳遞滯后都比較大。蒸汽負(fù)荷變化時(shí)按用戶(hù)需要量而改變的不可控因素。剩下的只有給水量可作為調(diào)節(jié)參數(shù)3 鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性3.1 汽包水位在給水量作用下的動(dòng)態(tài)特性 圖3.1 給水流量擾動(dòng)下水位階段響應(yīng)曲線 圖3.1所示是給水量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線。把汽包和給誰(shuí)看做單

12、容量無(wú)自衡過(guò)程，水位階躍響應(yīng)如圖中H1線?？紤]到給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原來(lái)的飽和水中的一部分熱量，使鍋爐的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽包總體積Vs也就相應(yīng)減小，導(dǎo)致水位下降。Vs對(duì)對(duì)水位的影響可以用圖中的曲線H2表示。水位H的實(shí)際響應(yīng)曲線是H1和H2的總和。從圖可知，響應(yīng)過(guò)程有一段遲延時(shí)間。給水的過(guò)冷度越大，純遲延時(shí)間也越大。給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)可以近似表示為K0 為響應(yīng)速度，即給水流量作單位流量變化時(shí)，水位的變化速度，（mm/s）/(t/h)。時(shí)滯，秒。3.2 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 蒸汽流量擾動(dòng)主要來(lái)自汽輪機(jī)的負(fù)荷變化，這是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生的擾動(dòng)，屬于調(diào)

13、節(jié)系統(tǒng)的外擾。在蒸汽流量D擾動(dòng)左右下，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖3.2所示。 圖3.2 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)作用下的階躍響應(yīng)曲線 當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，由于虛假水位現(xiàn)象，在開(kāi)始階段水位不僅不會(huì)下降卻反而先上升，然后下降（反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升）。蒸汽流量D突然增加時(shí)，實(shí)際水位的變化H是不考慮水面下汽包容積變化時(shí)的水位變化H1與只考慮水面下汽包容積變化所引起水位變化H2的疊加，即 F=（1+K4）FF用傳遞函數(shù)來(lái)表述為式中，Kf- -響應(yīng)速度，即蒸汽流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度，（mm/s）/（t/h）K2-響應(yīng)曲線H2的放大系數(shù)T2-響應(yīng)曲線H2的時(shí)間常數(shù) “虛假

14、水位” 變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)，如一般100230T/h的中、高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷突然變化10%時(shí)，“虛假水位”可達(dá)3040mm?！疤摷偎弧弊兓瘜儆诜错懱匦?，其變化與鍋爐的壓力和蒸發(fā)量的大小有關(guān)，而與給水量無(wú)關(guān)。4 鍋爐汽包水位的控制方案 根據(jù)鍋爐汽包水位特性，選取鍋爐汽包水位為被控量，給水流量為控制量，蒸汽流量為干擾量， 通過(guò)控制給水量來(lái)使鍋爐汽包水位維持在滿足負(fù)荷需求的高度。同時(shí)，為保證鍋爐安全生產(chǎn)，調(diào)節(jié)節(jié)水量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)選取氣關(guān)式。4.1 單沖量控制系統(tǒng) 所謂單沖量就是指鍋爐汽包水位為被控參數(shù)， 給水量作為控制變量可構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)，如圖4.1所示。當(dāng)蒸汽用量突然增加時(shí)，應(yīng)

15、該加大給水量以滿足負(fù)荷需求；但是由于假水位現(xiàn)象，導(dǎo)致控制器會(huì)先減小給水量來(lái)抑制瞬間的水位升高，隨著假水位消失，汽包水位會(huì)在負(fù)荷增加和給水量減少的雙重作用下，產(chǎn)生嚴(yán)重的水位下降，甚至發(fā)生危險(xiǎn)。對(duì)于小型鍋爐，由于蒸汽負(fù)荷變化時(shí)假水位的現(xiàn)象不明顯，如果再配上一些聯(lián)鎖報(bào)警裝置，這種單沖量控制系統(tǒng)能滿足要求。對(duì)于負(fù)荷變動(dòng)較大的大，中型鍋爐，單沖量控制系統(tǒng)不能保證水位穩(wěn)定，難以滿足水位控制要求和生產(chǎn)安全。因此，該控制方案不適用于負(fù)荷變動(dòng)較大的情況。4.2 雙沖量控制系統(tǒng) 蒸汽流量是影響汽包水位最主要的擾動(dòng)，也是造成假水位的主要因素。如果將蒸汽流量這一可測(cè)不可控的干擾作為前饋引入單沖量系統(tǒng)， 就可以有效避免

16、假水位引起的誤動(dòng)作，并及時(shí)控制水位，減小水位波動(dòng)。由此，構(gòu)成如圖4.2所示的雙沖量控制系統(tǒng)，其本質(zhì)為前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，即給水量不僅取決于汽包水位，還受到蒸汽用量影響。蒸汽流量反映在汽包內(nèi)壓力的瞬時(shí)變化，當(dāng)壓力突然增大或突然減小時(shí)，發(fā)生虛假水位現(xiàn)象：此時(shí)就可以用壓力差來(lái)表示壓力的變化。該控制方案能有效適應(yīng)負(fù)荷需求變化，有效避免假水位引起的誤動(dòng)作，并及時(shí)控制水位，減小水位波動(dòng)；但對(duì)給水系統(tǒng)中的水壓等干擾因素造成的波動(dòng)不能及時(shí)抑制。 圖4.1 單沖量控制系統(tǒng) 圖4.2雙沖量控制系統(tǒng)4.3 三沖量控制系統(tǒng) 雙沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)缺點(diǎn): (1) 調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定完全是線性,這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償就

17、比較困難; (2) 對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償。為此將引入給水流量信號(hào),構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。4.3.1 三沖量控制方案 前饋(蒸汽流量) 加反饋(液位,給水流量) 控制系統(tǒng)該系統(tǒng) 可看作三沖量的綜合信號(hào)作為被控變量的單回路控制系統(tǒng),投運(yùn)和整定與單回路控制系統(tǒng)一樣,但是如果系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不能確保物料平衡,則負(fù)荷變化時(shí),水位將有余差。關(guān)于系數(shù)S 和W的作用與設(shè)置:(1) 用來(lái)保證物料平衡即在W = a D 的條件下,蒸汽流量信號(hào)S Ps與給水流量信號(hào)WPW應(yīng)相等,依據(jù)這條原則,可以確定S 和W的比值。(2) 用來(lái)確定前饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)弱從(1) 物料平衡中知道S 與W的比值,其大小應(yīng)依據(jù)過(guò)程特性確定,

18、S 越大其前饋?zhàn)饔迷綇?qiáng),則擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí),調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的變化亦越大。圖4.3三沖量控制方案方框圖4.3.2 三沖量控制方案 蒸汽流量前饋給水流量串級(jí)控制系統(tǒng)方案與方案相類(lèi)似,僅是加法器位置從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后。該方案不管S 與W 如何設(shè)置,當(dāng)負(fù)荷變化時(shí),液位可以保持無(wú)差,以改善負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)品質(zhì)。圖4.4 三沖量控制方案方框圖 加法器的輸出= ±Pc ±S PS ±W PW催化裂化裝置產(chǎn)汽及余鍋汽包采用氣關(guān)( F. O) 式的保位給水閥,當(dāng)蒸汽流量加大時(shí),給水流量亦要相應(yīng)增加,此時(shí)選用氣關(guān)閥,加法器的輸出應(yīng)減小,即S 應(yīng)該取減號(hào)。當(dāng)給水流量增加時(shí),此時(shí)選用氣關(guān)閥,加

19、法器的輸出應(yīng)增大,即W 應(yīng)該取正號(hào)。當(dāng)液位升高時(shí)(調(diào)節(jié)器為正作用) ,給水流量亦要相應(yīng)減小,此時(shí)選用氣關(guān)閥,加法器的輸出應(yīng)增大,即Pc 應(yīng)該取正號(hào)。4.3.3 三沖量控制方案 蒸汽流量前饋液位與給水流量串級(jí)控制組成的控制系統(tǒng)在汽包停留時(shí)間較短,“虛假液位”嚴(yán)重時(shí),需引入蒸汽流量信號(hào)的負(fù)微分作用,如下圖虛線所示。所謂“負(fù)微分”是因?yàn)榻?jīng)過(guò)微分器信號(hào)的作用方向與蒸汽流量信號(hào)的作用方向相反。在蒸汽流量(負(fù)荷) 的階躍擾動(dòng)下,由于負(fù)微分器的輸出信號(hào)的作用,使給水流量向反方向變化,這就克服了虛假液位的影響,等到負(fù)荷穩(wěn)定后“, 虛假液位”消失,負(fù)微分作用也將消失。這種負(fù)微分作用對(duì)靜態(tài)沒(méi)有影響,只起一個(gè)動(dòng)態(tài)前

20、饋補(bǔ)償作用,以避免蒸汽負(fù)荷突然增加或減少時(shí),水位偏離設(shè)定值過(guò)高或過(guò)低而造成鍋爐停車(chē)。5 模糊控制介紹5.1 本次采用在線推理法模糊控制 該方法采用的是常規(guī) PID與模糊控制器相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)；模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡(jiǎn)稱(chēng)模糊控制（Fuzzy Control） ，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法。 它的誕生是以美國(guó)的 L.A.Zadeh1965 年提出的模糊集合論為標(biāo)記的；1973 年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974 年，英國(guó)的 E.H.Mamdani 首用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行蒸汽機(jī)和鍋爐控制方面的研究，并且獲得成功，從

21、此模制的研究和應(yīng)用一直十分活躍。與傳統(tǒng)控制器依賴(lài)于系統(tǒng)行為參數(shù)的控制器設(shè)計(jì)方法不同的是模糊控的設(shè)計(jì)是依賴(lài)于操作者的經(jīng)驗(yàn)，因此模糊控制器實(shí)現(xiàn)了人的某些智能，是智制的一個(gè)重要分支，對(duì)于非線性控制應(yīng)用廣泛。模糊控制的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)， 而這些經(jīng)驗(yàn)多是用表達(dá)的具有相當(dāng)模糊性的控制規(guī)則。模糊控制主要具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：（1） 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制；（2） 適應(yīng)性強(qiáng)；（3） 系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)，對(duì)參數(shù)變化不靈敏；（4） 系統(tǒng)的規(guī)則和參數(shù)整定方便；（5） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖5.1串級(jí)控制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)：仿真模型采用蒸發(fā)量為670t/h 的鍋爐汽包對(duì)象，給水流量W 與水位L 的傳遞函數(shù)

22、為；G(s)=0.06/(4.5s2+s)；蒸汽流量D 與水位L 的傳遞函數(shù)為G(s)=(-3.35s2+1.61s+0.075)/（0.35s3+2+3+1）；執(zhí)行器傳遞函數(shù)為G(s)=0.06/s(4.5s+1)；給水流量變送器傳遞函數(shù)為G(s)=0.05/(0.3s+1);汽包水位變送器傳遞函數(shù)為G(s)=0.05/(0.36s+1)；動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器傳遞函數(shù)為D(s)=(0.05/(0.36+1);給定水位為0.21米。模糊控制器主要包含三個(gè)功能環(huán)節(jié)： 用于輸入信號(hào)處理的模糊量化和模糊化環(huán)節(jié)，模糊控制算法功能單元，以及用于輸出解模糊化的模糊判決環(huán)節(jié)。模糊控制具有良好控制效果的關(guān)鍵是要有一

23、個(gè)完善的控制規(guī)則。 但由于模糊規(guī)則是人們對(duì)過(guò)程或?qū)ο竽：畔⒌臍w納，對(duì)高階、非線性、大時(shí)滯、時(shí)變參數(shù)以及隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜控制過(guò)程， 人們的認(rèn)識(shí)往往比較貧乏或難以總結(jié)完整的經(jīng)驗(yàn)， 這就使得單純的模糊控制在某些情況下很粗糙， 難以適應(yīng)不同的運(yùn)行狀態(tài)，影響了控制效果。5.2 控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)儀表的配置、選型及參數(shù)的確定在汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所需使用的儀表有調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、變送器、伺服放大器、電動(dòng)操作器、顯示儀表。其選型如下5.2.1 調(diào)節(jié)器的選型 所選調(diào)節(jié)器的型號(hào)為DTZ2100 （1）DTZ2100工作原理 DTZ2100全刻度指示調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)單元的一個(gè)基型品種，對(duì)被控值與給定值之差進(jìn)行比例、

24、微分、積分運(yùn)算輸出，420mA直流信號(hào)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液面、流量等到工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。全刻度指示調(diào)節(jié)器前面板有一雙針或雙光柱，全刻度指示表，在同一刻度標(biāo)尺上同時(shí)指示測(cè)量值及給定值。由二指針的示差直接讀出偏差量，指示醒目，容易觀察調(diào)節(jié)結(jié)果，手動(dòng)和自動(dòng)之間的切換是無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)的，操作方便。全刻度指示調(diào)節(jié)器，還具有前饋功能，和抗積分、飽和功能，前饋調(diào)節(jié)器，可以克服滯后現(xiàn)象，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。抗積分飽和調(diào)節(jié)在工藝過(guò)程異常，情況下能迅速關(guān)閉或打開(kāi)安全閥，不致使被調(diào)參數(shù)進(jìn)入非安全值區(qū)域，常用于化工設(shè)備的放空系統(tǒng)，或后縮機(jī)的防喘系統(tǒng)。（2）技術(shù)參數(shù) 輸入信號(hào)：1-5V,DC內(nèi)給定信號(hào)：15V.

25、DC外給定信號(hào)：420mA.DC 調(diào)節(jié)作用： 比例+積分+微分 比例帶：2500% 積分時(shí)間：0.012.5分 0.125分 微分時(shí)間：0.0410分（可切除） 輸入，給定指示表： 指示范圍：0100%，誤差：±1% 輸出指示表：指示范圍0100%，誤差±2.5% 輸出信號(hào)：420mA，DC切換特性：屬于無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換。 自動(dòng)軟手動(dòng)切換擾動(dòng)量小于滿度的±0.25% 硬手動(dòng)軟手動(dòng)或自動(dòng)切換擾動(dòng)量小于滿度的±0.25% 軟手動(dòng)硬手動(dòng)切換擾動(dòng)量小于滿度的±5%負(fù)載阻抗：250750最大工作電流：約200mA功耗：6W電源: 24V.DC重量：6 k

26、g工作條件： 周?chē)h(huán)境溫度：040 相對(duì)濕度： 85% 工作振動(dòng)：頻率 25HZ 全振幅 0.1mm前饋信號(hào)：15V.DC 420mA.DC（適用于前饋調(diào)節(jié)器） 前饋系數(shù)：0.81.2（適用于前饋調(diào)節(jié)器）刻度誤差：±0.5%（適用于前饋調(diào)節(jié)器）限制范圍： 高限：75105%（適用于抗飽和調(diào)節(jié)器） 低限：-525%（適用于抗飽和調(diào)節(jié)器） 刻度誤差：±0.5%（3）端子接線圖圖5.2 DTZ2100端子接線圖5.2.2 執(zhí)行器的選型 執(zhí)行器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用是接受來(lái)自控制器的控制信號(hào)，通過(guò)其本身開(kāi)度的變化，從而達(dá)到控制流量的目的。 本系統(tǒng)所選用的執(zhí)行器為ZAZN 電動(dòng)雙座調(diào)

27、節(jié)閥（1）概述 ZAZN電動(dòng)雙座調(diào)節(jié)閥，由DDZ型直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和直通雙座閥兩部分組成。以單項(xiàng)交流220V電源為動(dòng)力，接受010或mA或420mA直流信號(hào)，自動(dòng)地控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，達(dá)到對(duì)管道內(nèi)流體的壓力、流量、溫度、液位等工藝參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。座閥有上、下兩個(gè)閥芯球，流體作用在上、下閥芯上的推力，其方向相反而大小接近，不平衡力很小，允許壓差大，額定流量系數(shù)比同口徑的單座閥大，但該閥的泄漏較單座閥大。 適用于對(duì)泄露量要求不嚴(yán)格，閥前后壓差較大的干凈介質(zhì)場(chǎng)合。（2）閥體 型式：直通雙座鑄造球型閥 公稱(chēng)通徑：25、32、40、50、65、80、100、125、150、200、250、300mm 公稱(chēng)

28、壓力：PN1.6、4.0、6.4MPa 法蘭標(biāo)準(zhǔn)：JB/T79.1-94、79.2-94等 材料：鑄鋼（ZG230-450）、鑄不銹鋼（ZGlCrl8Ni9Ti、ZGlCrl8Nil2Mo2Ti）等 上閥蓋：標(biāo)準(zhǔn)型-17+230、散熱型+230+450、低溫型-60-196、波紋管密封-40+350（3）閥內(nèi)組件 閥芯型式：雙座柱塞型閥芯 流量特性：等百分比特性和線性特性（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)型 號(hào)：電動(dòng)執(zhí)行器DKZ-410技術(shù)參數(shù)： 表1 DKZ-410技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目名稱(chēng)DKZ標(biāo)準(zhǔn)型控制機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)4-20mA或0-10V·DC反饋信號(hào)010mAdc 420mAdc死區(qū)043基本誤

29、差±25回差15限位開(kāi)側(cè)/閉側(cè)開(kāi)度檢測(cè)精密導(dǎo)電塑料電位器動(dòng)力動(dòng)力220V/50Hz驅(qū)動(dòng)電機(jī)伺服電機(jī)附屬機(jī)構(gòu)加熱器選擇件手動(dòng)機(jī)構(gòu)手輪安裝條件環(huán)境溫度無(wú)加熱器25+70相對(duì)濕度<95環(huán)境氣體無(wú)腐蝕性氣體接線口十四線插頭防護(hù)等級(jí) 端子接線圖圖5.3 DKZ-410接線圖5.2.3 變送器的選型 變送器在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中的作用，是對(duì)各種工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量進(jìn)行檢測(cè)，以供顯示、紀(jì)錄或控制只用 ?？刂葡到y(tǒng)中所選的變送器的型號(hào)為CR-604，為鍋爐專(zhuān)用液位計(jì)。（1） CR-604概述CR-604 鍋爐專(zhuān)用分體式液位計(jì)，采用獨(dú)特結(jié)構(gòu)，將抗高溫、耐高壓、抗腐蝕性能

30、集于一身，變送部分利用軍工器件，使信號(hào)輸出更加穩(wěn)定、可靠，并可與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)使用，專(zhuān)用于鍋爐液位的線性測(cè)量及自控，安裝極其方便，維護(hù)量很小，大大降低了使用、維護(hù)人員的工作量。 （2） CR-604的工作原理電容式液位測(cè)控儀均采用電容原理，即電容兩極間介質(zhì)量的變化可引起電容量的變化。其原理模擬圖如圖8所示，把一根外包絕緣層的金屬棒插入裝有導(dǎo)電介質(zhì)的金屬容器，金屬棒和容器內(nèi)壁之間形成電容，其填充介質(zhì)的變化量H與形成的電容變化量Cx關(guān)系如下式：  圖5.4 CR-604的工作原理模擬圖 當(dāng)被測(cè)介質(zhì)液位變化時(shí)，傳感器電容量Cx也隨之發(fā)生變化，電容變化增量Cx通過(guò)變送器電路轉(zhuǎn)換為與液位成正比例的

31、標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。轉(zhuǎn)換過(guò)程可用圖5.5所示的方框圖示意： 圖5.5 轉(zhuǎn)換過(guò)程方框圖（3）技術(shù)參數(shù)工作電壓： 最大：40V     最小：6.5V電流環(huán)：兩線制4.00mA 20.00mA（±0.5%）防爆等級(jí)：ExiaIICT6 （-4070）          ExiaIICT15 （-4085）防爆參數(shù)：Ui=30V,Ii=100mA ,Pi=0.75W        

32、0; Ci=100pF,Li=10uH             測(cè)量范圍：02200mm Max       測(cè)量周期：0.5秒                      分 辨 率：0.02mm&#

33、160;              溫度漂移：±0.5mm Max (-4085)     工作壓力：40MPa Max           線性偏差：±(1+0.05%FS) mm          

34、;  介質(zhì)溫度：300 Max.           環(huán)境溫度：-4085 （ExiaIICT1-T5）  存儲(chǔ)溫度：-55100        防護(hù)等級(jí)：IP67（4） 端子接線圖 圖5.6端子板接線圖5.2.4 伺服放大器的選型所選用的伺服放大器型號(hào)為ZPE2031J（1）工作原理 伺服放大器的輸入信號(hào)來(lái)自于變送。調(diào)節(jié)等單元的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。與執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋來(lái)的位置信號(hào)。在放大器的前級(jí)進(jìn)行比

35、較（即代數(shù)相減），比較后的信號(hào)差值大于放大器的靈敏限時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器功率出帶動(dòng)閥門(mén)，完成各種自控調(diào)節(jié)，閥門(mén)的開(kāi)啟方向也就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，取決于輸入信號(hào)的量值，電動(dòng)機(jī)總量朝著減小和反饋信號(hào)差值方向轉(zhuǎn)動(dòng)。（2） 技術(shù)參數(shù)輸入信號(hào)：4-20mA. DC 輸入通道：1個(gè)輸入電阻：250歐姆輸出：輸出電壓降小于2V 電流 5A死區(qū)：0.8-8%（連續(xù)可調(diào)）電源：電壓 220V. AC 允差 +10%，-15% 頻率 50Hz 允差 +1%，-1%報(bào)警觸頭容量：110V.AC 0.5A/28V. DC . 1A使用環(huán)境：溫度 0-50 相對(duì)濕度 10%-70% 周?chē)諝庵袩o(wú)起腐蝕作用的介質(zhì) 大氣壓力 8

36、6-106Kpa（3）端子接線圖圖5.7 ZPE2031J伺服放大器接線端子圖5.2.5 電動(dòng)操作器的選型控制系統(tǒng)所選的電動(dòng)操作器的型號(hào)是DFD-1000（1）工作原理 DFD-1000型電動(dòng)操作器，采用“開(kāi)關(guān)操作制”原理進(jìn)行“手動(dòng)”與“自動(dòng)”的切換和操作。“自動(dòng)跟蹤”是在“手動(dòng)”工況，將執(zhí)行器位置反饋電壓1-5V.DC，加到調(diào)節(jié)器的積分電容兩端，使調(diào)節(jié)器輸出電流，始終跟蹤位置反饋電流，并保持相等。（2） 技術(shù)參數(shù) 電源電壓：220V，50602Hz 開(kāi)關(guān)觸頭額定容量：主回路 500V 15A 信號(hào)回路 110V 2A 跟蹤電壓 1-5V DC 工作條件a、環(huán)境溫度 045b、相對(duì)濕度 85%

37、 儀表重量 約3Kg 外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高） 295×80×160（mm）（3）端子接線圖圖5.8 DFD-1000接線端子圖5.2.6 顯示儀表的選型 所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)所選用的顯示儀表為DXZ-1011（1）DXZ-1011工作原理本儀表能將1-5V直流電壓直接并到表頭指示。表頭采用動(dòng)圈式張絲結(jié)構(gòu)。磁路系統(tǒng)由扇形磁鐵、導(dǎo)磁體及由它們組成的平面氣隙構(gòu)成的，磁場(chǎng)均勻。當(dāng)電流流過(guò)動(dòng)圈時(shí)在氣隙、磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生作用力矩，當(dāng)該力矩和由張絲轉(zhuǎn)角變形所形成產(chǎn)生的反作用力矩相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)軸另一端的指針?biāo)甘镜奈恢眉幢硎颈粶y(cè)量的大小。（2）技術(shù)參數(shù) 型號(hào)與規(guī)格：DXZ-1

38、011,單針，重量6kg 輸入信號(hào)：15V DC 內(nèi)阻，小于20 指示精度：±1% 工作環(huán)境 1）環(huán)境溫度為050 2）相對(duì)濕度<85% 3) 工作振動(dòng)頻率：f25Hz，全振幅0.1mm 結(jié)構(gòu)型式：盤(pán)裝式 外形尺寸：80×160×630mm 電源電壓：24V.DC 功耗：2W （3） 端子接線圖圖5.9 DXZ-1011端子接線圖5.3 儀表型號(hào)清單表2 儀表型號(hào)及清單序號(hào)名稱(chēng)型號(hào)個(gè)數(shù)1調(diào)節(jié)器DTZ210012執(zhí)行機(jī)構(gòu)DKZ-41013變送器CR-60414伺服放大器ZPE2031J15電動(dòng)操作器DFD-100016執(zhí)行器ZAZN17顯示儀表DXZ-1011

39、16 設(shè)計(jì)分析6.1 PID 對(duì)控制的影響6.1.1 比例P調(diào)節(jié)在P 調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例，即 。比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大稱(chēng)為比例帶，其中 KP為比例系數(shù)。人們希望盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求， 比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了 6.1.2 積分I調(diào)節(jié)在I 調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)的輸出信號(hào)的變化速度 與偏差信號(hào)e 成正比，稱(chēng)為積分速度，其中TI 為積分時(shí)間常數(shù)。

40、增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。I調(diào)節(jié)是無(wú)差調(diào)節(jié)，只有當(dāng)被調(diào)量偏差為零時(shí)，I調(diào)節(jié)的輸出才保持不變。I 調(diào)節(jié)的穩(wěn)定作用比P 調(diào)節(jié)差,如果只采用 I調(diào)節(jié)不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)，且振蕩頻率較低。6.1.3 微分D調(diào)節(jié) D 調(diào)節(jié)中的輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，微分的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單純的微分調(diào)節(jié)器是不能工作的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，與P 結(jié)合PD 或與PI 構(gòu)成PID調(diào)節(jié)。 總之，PID控制器中，比例環(huán)節(jié)主要減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度；微分調(diào)節(jié)能加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。6.2 PID 控制器的參數(shù)整

41、定 控制器的參數(shù)整定對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量起到了決定性的作用。 確定控制器最佳過(guò)渡過(guò)程中的比例帶， 積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD的數(shù)值稱(chēng)為控制器參數(shù)整定?？刂破鲄?shù)整定的方法，在工程上常用的有以下幾種工程整定法。6.2.1 經(jīng)驗(yàn)法 其整定參數(shù)的順序是，先整定比例帶，待過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定后再加入積分作用以消除余差，最后加入微分，以加快過(guò)渡過(guò)程，進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。PID控制器的經(jīng)驗(yàn)法整定：先將 TD 置為0，置 TI為，先整定比例帶使之達(dá)到4：1 衰減過(guò)程，然后將比例帶放大（10%-20%） ，而積分時(shí)間 TI由大到小逐步加入，直至達(dá)到 4：1 的衰減過(guò)程，然后將比例帶減小到比原值?。?0%-20%）的位置，

42、而積分時(shí)間也適當(dāng)減小，再把 TD由小到大加入，觀察曲線，直到滿意的過(guò)程為止。6.2.2 穩(wěn)定邊界法 這是一種閉環(huán)的整定方法。具體步驟如下：置控制器積分時(shí)間逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩。此時(shí)的臨界比例帶K及兩個(gè)波峰的時(shí)間 TK 利用K 和 TK值，按穩(wěn)定邊界法計(jì)算表給出的相應(yīng)公式求出控制器的穩(wěn)定參數(shù)、TI、TD。6.2.3 衰減曲線法 它是在經(jīng)驗(yàn)法和穩(wěn)定邊界潛藏顧慮，針對(duì)它們的不足，反復(fù)實(shí)驗(yàn)而得出的一種參數(shù)整方法。具體步驟如下：將控制器積分時(shí)間TI 為最大值，微分時(shí)間為0，在純比例作用下，系統(tǒng)試運(yùn)行。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動(dòng)，并觀察系統(tǒng)響應(yīng)如圖4.1。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比例

43、帶，反之，則增大比例帶。直到系統(tǒng)出現(xiàn) 4：1 的衰減振蕩過(guò)程，記下此時(shí)的比例帶和TS的數(shù)值。利用4：1 衰減整定參數(shù)表求得控制器的PID 數(shù)值。7 工程中需要注意的問(wèn)題7.1 關(guān)于汽包液位測(cè)量的問(wèn)題 由于汽包液位波動(dòng)較大,一般選用平衡容器測(cè)量汽包液位。平衡容器連通管中的液位始終與汽包液位等高,上端的蒸汽冷凝后會(huì)在托盤(pán)上形成水柱,若水柱高出托盤(pán)自溢口后自溢,并經(jīng)平衡閥返回汽包,進(jìn)行熱量與水量的交換,以求達(dá)到汽包內(nèi)部液體與平衡容器內(nèi)部的液體比重一致且恒定。將托盤(pán)液面高于正取壓端口Ho 做負(fù)遷移,則差壓變送器量程所對(duì)應(yīng)的平衡管正壓端水柱壓力的變化就能真實(shí)反映汽包液位的變化。7.2 給水閥的選擇問(wèn)題 (1) 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)氣關(guān)的選擇,一般都是從安全角度考慮的。如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機(jī)的重要負(fù)荷,為保護(hù)這些設(shè)備以選用氣開(kāi)(F. C) 閥為宜。如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時(shí),為保護(hù)鍋爐,以選用氣關(guān)(F. O) 閥為宜。綜合起來(lái)考慮,一般選帶保位裝置(F.L