鍋爐液位控制系統(tǒng)

1、基于組態(tài)軟件的鍋爐液位控制系統(tǒng)概述本次實習(xí)，我們做了一個小型的鍋爐液位控制系統(tǒng)，用實驗室的設(shè)備模擬工業(yè)現(xiàn)場的鍋爐控制系統(tǒng)。在做實驗之前，先分析系統(tǒng)組成，各模塊的功能，對系統(tǒng)的工藝有一定的認(rèn)識，知道了系統(tǒng)的原理后在水槽中加滿水，上電之前要對電氣設(shè)備做好電氣檢查和機(jī)械檢查，確保操作的安全。開動電機(jī)之前將沒用的閥門關(guān)閉，打開圖中需要的閥門。其工作過程為電動機(jī)將水槽中的水經(jīng)V39抽到高處水塔的小水塔中，待小水塔中的水滿后會自動溢出到大的水塔中，確保了高處的水塔中水的壓力恒定。大水塔中的水會由溢水管流入水槽中，高處的水塔的壓力由LT1即：DBYG壓力變送器測得。水經(jīng)V33后由主路的QS智能型電動調(diào)節(jié)閥或

2、經(jīng)旁路的電磁閥、V30流過，再通過FE1即電磁流量傳感器后又經(jīng)V51進(jìn)入鍋爐中，在鍋爐底部有LT2即DBYG壓力變送器測的鍋爐底部的壓力。加熱的水在經(jīng)V21、FE2（LDG電磁流量傳感器）、V35、V25后進(jìn)入水槽中。圖形如下所示：概述圖1鍋爐介紹1.1鍋爐簡介鍋爐是利用燃料或其他能源的熱能，把水加熱成為熱水或蒸汽的機(jī)械設(shè)備。鍋爐包括鍋和爐兩大部分，鍋的原義是指在火上加熱的盛水容器，爐是指燃燒燃料的場所。 鍋爐產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為生產(chǎn)和生活提供所需的熱能，也可通過蒸汽動力裝置轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業(yè)生產(chǎn)中也有少量應(yīng)用。產(chǎn)

3、生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，又叫蒸汽發(fā)生器，常簡稱為鍋爐，是蒸汽動力裝置的重要組成部分，多用于火電站、船舶、機(jī)車和工礦企業(yè)。 鍋爐承受高溫高壓，安全問題十分重要。因此，對鍋爐的材料選用、設(shè)計計算、制造和檢驗等都制訂有嚴(yán)格的法規(guī)。 12鍋爐的規(guī)格 鍋爐規(guī)格表示鍋爐生產(chǎn)蒸汽或加熱水的能力及水平。蒸汽鍋爐的規(guī)格以單位時間內(nèi)產(chǎn)生蒸汽的數(shù)量及蒸汽參數(shù)表示，熱水鍋爐的規(guī)格以單位時間內(nèi)水的吸熱量及熱水參數(shù)表示。 蒸汽鍋爐每小時所產(chǎn)生蒸汽的數(shù)量稱為鍋爐的蒸發(fā)量，也稱鍋爐的容量或出力，通常以符號“D”表示，單位為th（噸時）。鍋爐銘牌上的蒸發(fā)量通常為額定蒸發(fā)量，即鍋爐在規(guī)定的蒸汽參數(shù)和給水溫度下，連續(xù)運行時所必須

4、保證的最大蒸發(fā)量。 熱水鍋爐的容量是單位時間內(nèi)水在鍋爐里的吸熱量，單位為MW（兆瓦），其額定值稱額定熱功率或額定供熱量。 鍋爐產(chǎn)汽及介質(zhì)吸熱的多少與鍋爐受熱面的多少直接相關(guān)。受熱面是鍋爐中隔開煙氣與水汽、并把熱量由前者傳給后者的金屬壁面，通常為管子或圓筒壁面。 蒸汽鍋爐的蒸汽參數(shù)以鍋爐主汽閥出口處蒸汽的壓力（表壓）和溫度表示。熱水鍋爐的介質(zhì)參數(shù)以額定出水壓力（表壓）及額定出水進(jìn)水溫度表示。壓力和溫度分別以符號“p”、“t”表示。 13 鍋爐分類 可以從不同角度出發(fā)對鍋爐進(jìn)行分類： 1.按結(jié)構(gòu)形式可分為鍋殼鍋爐（火管鍋爐）、水管鍋爐和水火管鍋爐。 2.按用途不同可分為電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、生活鍋爐

5、等。 3.按容量大小可分為大型鍋爐、中型鍋爐和小型鍋爐。習(xí)慣上，蒸發(fā)量大于100th的鍋爐為大型鍋爐，蒸發(fā)量20100th的鍋爐為中型鍋爐，蒸發(fā)量小于20th的鍋爐為小型鍋爐。 4.按蒸汽壓力大小可分為低壓鍋爐（p2.5MPa）、中壓鍋爐（2.5MPp5.9MPa）、高壓鍋爐（p9.8MPa）、超高壓鍋爐（p13.7MPa）等。 5.按燃料和能源種類不同可分為燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、廢熱（余熱）鍋爐等。 6.按燃料在鍋爐中的燃燒方式可分為層燃爐、沸騰爐、室燃爐。 7.按介質(zhì)在蒸發(fā)系統(tǒng)的流動方式可分為自然循環(huán)鍋爐、強制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐等。 1.4鍋爐控制系統(tǒng)介紹14.1 背景鍋爐是全廠重

6、要動力設(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。為此，鍋爐生產(chǎn)過程的各個主要參數(shù)都必須嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的控制對象，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)量。主要輸出變量包括汽包水位、過熱蒸汽溫度及壓力、煙氣氧量和爐膛負(fù)壓等。因此鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜控制對象。142 關(guān)于鍋爐計算機(jī)控制系統(tǒng) 鍋爐微計算機(jī)控制，是近年來開發(fā)的一項新技術(shù)，它是微型計算機(jī)軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，提高熱效率，降低耗煤量，用微機(jī)進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。 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)運行，

7、減輕操作人員的勞動強度。采用微計算機(jī)控制，能對鍋爐進(jìn)行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。 鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、一次儀表、微機(jī)、手自動切換操作、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥、滑差電機(jī)等部分組成。一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉(zhuǎn)速等量轉(zhuǎn)換成電壓、電流等送入微機(jī)，手自動切換操作部分，手動時由操作人員手動控制，用操作器控制滑差電機(jī)及閥等，自動時對微機(jī)發(fā)出控制信號經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動操作。微機(jī)對整個鍋爐的運行進(jìn)行監(jiān)測、報警、控制以保證鍋爐正常、可行地運行，除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進(jìn)行微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及報警裝置，以保證水位

8、和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，以免鍋爐發(fā)生重大事故。2鍋爐控制系統(tǒng)分析2.1 鍋爐液位靜態(tài)控制回路分析 由水泵直接向鍋爐供水由水泵直接向鍋爐供水（直供）時，計算機(jī)控制水泵把水由低位水箱抽出并送到鍋爐，此時打開V26，V52，其余閥門均關(guān)閉，這樣水就由低位水箱經(jīng)V26，離心泵，V52進(jìn)入鍋爐。其工藝流程圖如圖21所示： 圖2.1水泵控制鍋爐在由水泵直接向鍋爐供水（直供）的鍋爐水循環(huán)過程中，為使系統(tǒng)平穩(wěn)安全運行，采用變頻器進(jìn)行自動恒壓供水，為保證控制精度，采用反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其控制回路框圖如圖2.2：圖2.2控制進(jìn)水原理圖鍋爐底部裝有擴(kuò)散硅壓力變送器DBYG，它檢測液位信號并將其轉(zhuǎn)換為420 m

9、A直流電流信號，通過電纜線將其送至模擬量輸入模塊5017，經(jīng)模塊CPU送至工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果鍋爐液位低于給定值，由模擬量輸出模塊5024輸出15V直流電壓信號控制變頻器，通過水泵給鍋爐加水。水泵向鍋爐送水的速度是由變頻器控制的，所以改變變頻器的頻率即可改變離心泵葉輪的轉(zhuǎn)速，即可改變向鍋爐送水的速度。鍋爐液位由其壓力傳感器、變送器，A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換后由非電量信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號輸送給計算機(jī)，計算機(jī)分析后輸出一個數(shù)字量信號經(jīng)D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換為模擬信號來調(diào)節(jié)變頻器的頻率，從而改變水泵送水速度。計算機(jī)采用PID控制算法可較精確的控制鍋爐液位的高度。 鍋爐進(jìn)水由電動閥VC1控制的靜態(tài)分析由電

10、動閥VC1控制向鍋爐供水時，首先為了實現(xiàn)恒壓供水高位水槽一直是滿的，在此回路中打開V27，V39，V33，V51， 其余閥門均關(guān)閉。這樣水就可以由低位水箱經(jīng)V27，水泵，V39,高位水槽,V33，VC1，進(jìn)水流量傳感器，V51進(jìn)入鍋爐。其回路圖如圖2.3所示 圖2.3 VC1控制鍋爐水位在由VC1控制向鍋爐供水（間供）的鍋爐水循環(huán)過程中，對鍋爐進(jìn)行恒壓供水，為保證控制的精度，可以采用反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 其控制回路原理圖如下：鍋爐底部的擴(kuò)散硅壓力變送器DBYG，將液位信號檢測并轉(zhuǎn)換為420 mA直流電流信號，通過電纜線將其送至模擬量輸入模塊5017經(jīng)模塊CPU送至工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)

11、換。如果鍋爐液位低于給定值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，工控機(jī)控制模塊CPU由模擬量輸出模塊5024輸出420 mA直流電流信號，控制進(jìn)水電動閥VC1，調(diào)節(jié)閥門的開度從而給鍋爐加水，直至達(dá)到給定液位；控制框圖如圖2.4所示：圖2.4 VC1控制鍋爐進(jìn)水原理圖在此控制回路中鍋爐液位經(jīng)鍋爐液位壓力傳感器，變送器，A/D轉(zhuǎn)換器后由非電信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以識別的數(shù)字信號傳給計算機(jī)，計算機(jī)經(jīng)PID控制調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度從而改變鍋爐進(jìn)水的速度以及流量，以保證鍋爐液位達(dá)到預(yù)先設(shè)定的高度。2.2 鍋爐動態(tài)控制回路分析. 鍋爐液位由水泵和電動閥VC2調(diào)節(jié)的動態(tài)分析由水泵和電動閥VC2控制鍋爐的動態(tài)水位時，需要打開V27，V

12、52，V21，V34，VC2，V35，V24閥門，其余閥門均關(guān)閉，這樣可以實現(xiàn)鍋爐的動態(tài)控制。其工藝流程圖2.5所示：圖2.5水泵和VC2控制鍋爐水位在此鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)有一定的滯后時間，為避免排水量的變化引起鍋爐內(nèi)水壓的變化，系統(tǒng)中引入排水量信號作為前饋信號對鍋爐內(nèi)水壓進(jìn)行超前調(diào)節(jié)，為保證控制精度，采用反饋前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)精度較高。鍋爐底部的擴(kuò)散硅壓力變送器DBYG，將液位信號檢測并轉(zhuǎn)換為420 mA直流電流信號，通過電纜線將其送至模擬量輸入模塊5017的第2通道，經(jīng)模塊CPU送至工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果鍋爐液位低于給定值，工控機(jī)控制模塊CPU由模擬量輸出模塊5024輸出15V直

13、流電壓信號控制變頻器從而給鍋爐加水，直至達(dá)到給定液位；如果鍋爐液位高于給定值，工控機(jī)控制模塊CPU由模擬量輸出模塊5024輸出420 mA直流電流信號控制出水電動閥VC2，調(diào)節(jié)閥門的開度從而給鍋爐放水，直至達(dá)到給定液位。其控制框圖如圖6所示：圖2.6 水泵和VC2控制鍋爐水位在實際應(yīng)用中由于需要，進(jìn)水常常是來彌補出水的，所以在此控制以及以后的動態(tài)控制中出水一般是作為擾動量，計算機(jī)通過控制進(jìn)水來保持鍋爐液位一定。在此種控制中計算機(jī)采取前饋反饋控制策略。出水量作為擾動量，通過出水流量檢測，出水變送器，A/D轉(zhuǎn)換器由非電量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號進(jìn)入前饋控制器，然后與PID控制器輸出值疊加，輸出的信號再

14、經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后控制變頻器工作。同時鍋爐液位經(jīng)鍋爐液位傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器調(diào)理為數(shù)字量信號反饋給計算機(jī)，隨后計算機(jī)經(jīng)PID控制來控制鍋爐液位保持一定高度。 鍋爐液位由VC1和VC2共同控制的動態(tài)分析要實現(xiàn)鍋爐液位動態(tài)控制，可以打開閥門V33，VC1，V51，V21，V34，VC2，V35，V24，其余閥門均關(guān)閉，這樣可以實現(xiàn)鍋爐的動態(tài)控制。工藝流程圖如圖7所示： 圖2.7 VC1和VC2控制鍋爐水位在鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)有一定的滯后時間，為避免排水量的變化引起鍋爐內(nèi)水壓的變化，系統(tǒng)中引入排水量信號作為前饋信號對鍋爐內(nèi)水壓進(jìn)行超前調(diào)節(jié)，為保證控制精度，采用反饋前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)精度較高。鍋爐

15、底部的擴(kuò)散硅壓力變送器DBYG將液位信號檢測并轉(zhuǎn)換為420 mA直流電流信號，通過電纜線將其送至模擬量輸入模塊5017，經(jīng)模塊CPU送至工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果鍋爐液位低于給定值，工控機(jī)控制模塊CPU由模擬量輸出模塊5024輸出420 mA直流電流信號控制進(jìn)水電動閥QS201，調(diào)節(jié)閥門的開度從而給鍋爐加水，直至達(dá)到給定液位；如果鍋爐液位高于給定值，工控機(jī)控制模塊CPU由模擬量輸出模塊5024輸出420 mA直流電流信號控制出水電動閥QS201，調(diào)節(jié)閥門的開度從而給鍋爐放水，直至達(dá)到給定液位。控制框圖如圖8所示：圖2.8 VC1和VC2控制鍋爐水位此回路也是以出水作為擾動，擾動由VC2控制，其大

16、小可人來通過計算機(jī)手動設(shè)置。采用前潰控制，按照出水?dāng)_動大小進(jìn)行補償，使擾動一出現(xiàn)，即一有出水，前饋控制器就直接根據(jù)所測得的干擾的大小和方向，按一定規(guī)律去控制，以抵消干擾對液位的影響，同時為了加強系統(tǒng)對其他擾動的控制，提高控制精度，系統(tǒng)還采用了反饋控制，即通過鍋爐液位傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器把非電量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號輸入計算機(jī)，以控制液位保持一定高度。3.鍋爐控制系統(tǒng)總體分析對控制系統(tǒng)進(jìn)行總體的分析要求：（1）鍋爐液位保持不變（2）高位水槽液位保持不變（3）低位水槽液位保持不變具體分析如下： 在這里計算機(jī)需要控制VC1，VC2，在此需打開VD12，V33，V51，V21，V34，V35，V24，V

17、26，V39，V31，V23，V54其余閥門均關(guān)閉。其控制總圖如9所示：圖3.1 鍋爐控制系統(tǒng)總體分析 要保證計量水箱液位保持一定液位，計量水箱底部的擴(kuò)散硅壓力變送器DBYG將液位信號檢測并轉(zhuǎn)換為420 mA直流電流信號，通過電纜線將其送至模擬量輸入模塊5017經(jīng)模塊CPU送至工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果計量水箱液位高于或低于給定值時，工控機(jī)控制模塊CPU由模擬量輸出模塊5024輸出420 mA直流電流信號控制出水電動閥QS201，直至計量水箱液位達(dá)到給定液位；控制鍋爐液位由鍋爐底部的擴(kuò)散硅壓力變送器DBYG將液位信號檢測并轉(zhuǎn)換為420 mA直流電流信號，通過電纜線將其送至模擬量輸入模塊5017，經(jīng)模塊CPU送至工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果鍋爐液位未低于或高于給定值，工控機(jī)控制模塊CPU由模擬量輸出模塊5024第1通道輸出420 mA直流電流信號控制進(jìn)水電動閥QS2