模擬汽包水位控制系統(tǒng)

1、目錄1題目背景與意義12理論基礎22.1鍋爐控制的流程22.2鍋爐汽包水位的控制32.3鍋爐水位控制系統(tǒng)的重要性33設計題目介紹33.1影響汽包水位的影響因素33.2鍋爐汽包水位特性43.2.1汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性43.2.2包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)特性54汽包水位控制64.1 單沖量控制系統(tǒng)64.2 三沖量控制系統(tǒng)75汽包水位控制系統(tǒng)的MATLAB仿真95.1控制系統(tǒng)的分析和整定95.2汽包水位控制系統(tǒng)Simulink 模型設計105.3汽包水位控制系統(tǒng)仿真106控制系統(tǒng)程序設計126.1控制系統(tǒng)流程圖126.2梯形圖程序127設計總結14參考文獻15 161題目背景與意義

2、水位是鍋爐運行中一個常重要的參數。保持鍋爐汽包水位在正常范圍內是鍋爐運行的一項重要的安全性能指標，由于水流量、燃燒狀況及給負荷等因素的變化，汽包水位會經常發(fā)生變化。過高的水位會影響汽水分離的效果,使用電氣設備發(fā)生故障;而過低水位,則會破壞汽水正常循環(huán),嚴重時導致鍋爐爆炸。爐汽包水位應當根據設備的運行狀況進行實時調節(jié)加以嚴格控制以保證鍋爐的安全運行。鍋爐水位自動控制的任務,就是控制給水流量與蒸發(fā)量的動態(tài)平衡,維持汽包內水位在允許的范圍內變化。同時，汽包水位在正常范內波動是保證鍋爐安全生產運行的必要條件。鍋爐汽包水位是鍋爐運行中的一個重要監(jiān)控參數，它間接地體現了鍋爐負荷和給水之間的平衡關系。傳統(tǒng)的

3、控制方法是基于各種分立器件，利用多種檢測器對被控參數進行實時檢測并反饋給控制器件，再根據自動控制理論的有關算法完成相應的運算并驅動調節(jié)機構完成相應的動作，從而達到自動控制的目的。這種控制方式受分立器件的性能影響大，系統(tǒng)各部分之間影響較大，自動化水平不高，控制效果并非十分理想，并且易出現故障，不利于系統(tǒng)的長期安全、高效運行。現在廣泛使用的控制技術還有DCS集散控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)適合有多個控制回路同時工作的復雜系統(tǒng)，而且集散控制系統(tǒng)往往價格昂貴，對于像汽包水位這樣的控制系統(tǒng)來說性價比太高，因此對于汽包水位控制系統(tǒng)來說并非理想的選擇。PLC是上世紀70年代發(fā)展起來的一種中大規(guī)模的控制器，是集RAM

4、、ROM、I/O接口、CPU與中斷系統(tǒng)于一體的器件，已經被廣泛應用于各種行業(yè)。隨著計算機在應用軟件、操作系統(tǒng)、通信能力上的飛速發(fā)展，增強了PLC過程控制能力和通信能力，豐富了PLC編程軟件和編程技巧。因此，無論是單機還是多機控制、生產流水線控制及過程控制都可以采用PLC技術。PLC控制鍋爐技術是近年來開發(fā)的一項新技術。它是PLC軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術緊密結合的產物。作為鍋爐控制裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用PLC控制技術，能實現對鍋爐運行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。它的被控量是汽包水位，而調節(jié)量則是汽包給水流量，通過對汽包

5、水位的實時檢測并進行反饋，PLC對反饋信號和給定信號進行比較，然后根據控制算法對二者的偏差進行相應的運算，運算結果輸出給執(zhí)行機構從而實現給水流量的調節(jié)，使汽包內部的物料達到動態(tài)平衡，汽包水位變化在允許范圍之內。2理論基礎2.1鍋爐控制的流程蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量與蒸發(fā)量保持動態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內，是保證鍋爐安全生產運行的必要條件，也是鍋爐正常生產運行的主要指標之一。所有各種鍋爐，雖然燃料種類各不相同，但蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和但蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽處理系統(tǒng)是基本相同的。 圖2-1工業(yè)鍋爐工藝流程工藝流程的步驟：除氧水通過給水泵進入給水調節(jié)閥，通過給水調節(jié)閥進入省煤器，冷

6、水在經過省煤器的過程中被由爐膛排出的煙氣預熱，變成溫水進入汽包，在汽包內加熱至沸騰產生蒸汽，為了保證有最大的蒸發(fā)面因此水位要保持在鍋爐上汽包的中線位置，蒸汽通過主蒸汽閥輸出。空氣經過鼓風機進入空氣預熱器，在經過空氣預熱器的過程中被由爐膛排出的煙氣預熱，變成熱空氣進入爐膛。煤經過煤斗落在爐排上，在爐排的緩慢轉動下煤進入爐膛被前面的火點燃，在燃燒過程中發(fā)出熱量加熱汽包中的水，同時產生熱煙氣。在引風機的抽吸作用下經過省煤氣和空氣預熱器，把預熱傳導給進入鍋爐的水和空氣。通過這種方式使鍋爐的熱能得到節(jié)約。降溫后的煙氣經過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。 2.2鍋爐汽包水位的控制鍋爐包水位控

7、制的主要被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。主要考慮的是汽包內部的物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包水位在工藝允許范圍內。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋爐、氣輪機安全運行的必要條件之一，是鍋爐正常運行的指標。2.3鍋爐水位控制系統(tǒng)的重要性鍋爐是一種受壓又直接受火的特種設備，是工業(yè)生產中的常用設備。對鍋爐生產如果操作不合理，管理不善，處理不當，往往會引起事故，輕則停爐影響生產，重則造成爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設備，后果十分嚴重。因此，鍋爐的安全問題是一項非常重要的問題，必須引起高度重視。工業(yè)鍋爐中最常見的事故有：鍋內缺水，鍋爐超壓，鍋內滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛爆破，二

8、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引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設備控制系統(tǒng)中的重要性。3設計題目介紹3.1影響汽包水位的影響因素在控制系統(tǒng)中，擾動量有，蒸汽流量，給水流量等，當蒸汽流量增加時，氣泡溫度上升，氣泡壓力減小，氣泡蒸發(fā)變快氣泡增多，出現虛假水位現象，反之也同樣會有虛假水位的現象，虛假水位打破了系統(tǒng)原有的平衡狀態(tài)，破換了洗頭的穩(wěn)定性，如果調解不及時，嚴重者會導致干鍋現象，損壞鍋爐設備，降低了誰把誒誒的壽命。當給水量增加時液位升高，導致液位溫度下降，造成蒸發(fā)溫度低，出現蒸汽帶液，供給動力不足，設備生產效率降低，同時由于溫度降低氣

9、泡內壓力增大，使用于蒸發(fā)水的熱量減小，氣泡減少，爐水體積收縮，產生虛假水位現象。此外他是一個具有延時時間的積分環(huán)節(jié)，水的溫度越低延時時間就會越長，系統(tǒng)衰減比增大，俞差為零，最大偏差減小，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間變長，控制作用下降。此外還有汽輪機耗氣量的多少，汽輪機耗氣量變大時，使供給爐水加熱的溫度減小，打破了系統(tǒng)原有的物料平衡，還會導致虛假液位的現象產生。由以上分析可知，給水量擾動下的水位相應有遲滯性，負荷擾動下的水位有“假水位”現象，這些特性使得氣泡水位的變化受到多種因素的影響，因而對他的控制就變得比較復雜。3.2鍋爐汽包水位特性工業(yè)鍋爐汽水系統(tǒng)結構見圖2-1。汽包及蒸發(fā)管系統(tǒng)中儲藏著蒸汽和水,儲

10、藏量的多少是以被控量水位來表征的。汽包的流入量是給水量,流出量是蒸汽量, 當給水量等于蒸發(fā)量時, 汽包水位就能恒定不變。引起水位變化的主要擾動是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。如果只考慮主 要擾動,那么,汽包水位對象的動態(tài)特性可用方程式表示為:式中: T1,T2為時間常數;Tw為給水流量項時間常數;TD為蒸汽流量項時間常數;Kw為給水流量項的放大系數;KD為蒸汽流量項的放大系數。圖3-1鍋爐汽水系統(tǒng)3.2.1汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性 給水量是鍋爐的輸入量,如果蒸汽負荷不變 ,那么在給水流量發(fā)生變化時, 汽包水位對象的微分方程式可以表示為: 從而可以得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函

11、數:Tw的數值一般很小常常以忽略不計,對于一些鍋爐,在給水量增加時,在較長的一段時間里,汽包水位并不增加,存在一段較長的起始慣性段,用下式近似表示,其響應曲線圖見圖3-2。圖3-2給水流量階躍變化時的汽包響應曲線 （4）由圖3-2可知,在給水流量階躍輸入作用下,當突然加大給水量(蒸汽量不變),使給水量大于蒸發(fā)量,汽包水位一開始并不立即增加,而呈現出一段起始慣性 段。這是因為溫度較低的更多的給水進入了水循環(huán)系統(tǒng),使它從原有的飽和汽 水中吸取了一部分熱量,汽包和汽水管路中由于熱量的損失,汽泡體積減少經省煤器進入汽包的給水,首先必須填補由于汽水管路中蒸汽減少讓出的空間。這時,雖然給水量增加,但水位基

12、 本不變但水面下汽包容積變化過程逐漸平靜時,汽包水位才由于貯水量的增加而逐漸上升當水面下汽泡容積不再變化,完全穩(wěn)定下來時,水位就隨著貯水量的增加而直線上升。 3.2.2包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)特性 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性(給水量不變)可用下式表示為：: （5）則其傳遞函數可以用兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的并聯來等效,其汽包的階躍響應曲線見圖2-3。圖3-3 汽包水位在蒸汽流量階躍作用下的響應曲線（6）圖3-3可知,當負荷蒸汽流量增加時,汽包水位開始不但不降反 而上升,即先上升后下降;當蒸汽負荷量突然減小時,則汽包水位變化的情況相反,先降后升。造成“虛假液位”的原因有:一是鍋爐蒸汽負荷增加使爐

13、管和汽包中汽水混合物的汽水比例發(fā)生變化( 汽容積增加) 而引起汽包水位上升,這是引起汽“虛假液位”的主要原因。二是蒸汽流量增加, 汽包氣壓下降,爐水沸點下降。由于爐水位飽和水的氣化,使汽包水位隨壓力下降而升高。4汽包水位控制汽包水位控制的目的是要克服鍋爐負荷變化所引起的“虛假液位”的影響和各種干擾對水位的影響, 維持汽包水位在允許的范圍內變化。在工業(yè)汽包水位的自動控制中, 針對不同的控制信號有單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)和三沖量控制系統(tǒng)。4.1 單沖量控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號, 沖量即變量。單沖量水位控制系統(tǒng)由汽包、變送器、調節(jié)器、執(zhí)行器及調節(jié)閥等組成, 單沖量

14、水位控制系統(tǒng)信號管路見圖4-1，原理圖見4-2圖4-1 單沖量水位控制系統(tǒng)信號管路圖圖4-2 單沖量水位控制系統(tǒng)信號原理圖其特點為：結構簡單，投資少，適用于氣泡容量較大，虛假水位不嚴重，負荷較平穩(wěn)的場合。該過程具有虛假水位的反向特性，因此，當符合變化較大時，會造成控制器輸出誤動作，嚴重影響設備的運行壽命和安全，影響控制系統(tǒng)的控制品質。蒸汽負荷變化后，要在引起水位變化后才改變給水量，因此控制不及時。這種控制系統(tǒng)是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。對于水在汽包內的停留時間較長,且負荷又比較穩(wěn)定的情況,“虛假水位”現象不嚴重,采用單沖量控制系統(tǒng), 進行PID調節(jié)一般就能滿足生產要求然而,在其他的場合,尤其是

15、在水停留時間較短, 且負荷變化較大的鍋爐中,由于控制作用緩慢,不能及時克服干擾,采用單沖量控制系統(tǒng)就不太合適。4.2 三沖量控制系統(tǒng)三沖量鍋爐汽包給水自動控制系統(tǒng)是以汽包水位為主控制信號, 蒸汽流量為前饋控制信號, 給水流量為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。當負荷( 蒸汽流量) 突然發(fā)生變化, 蒸汽流量信號能使給水調節(jié)閥一開始就向正確方向移動, 即當蒸汽流量增加時, 給水調節(jié)閥開大, 抵消了由于“虛假水位”引起的反向誤動作。當水壓變化使給水流量改變時, 調節(jié)器能迅速消除干擾。如給水流量減少, 調節(jié)器立即根據給水流量減少的信號開大給水閥, 從而使給水量保持不變。另外, 給水流量信號也是調節(jié)器動作后的

16、反饋信號, 能使調節(jié)器及早知道控制的效果,所以使用三沖量控制系統(tǒng)能使調節(jié)器動作加快, 還可以避免調節(jié)過量, 減少水位波動, 防止失控。串級三沖量水位控制系統(tǒng)信號管路圖3-3，原理圖3-4。圖4-3 串級三沖量水位控制系統(tǒng)信號管路圖圖4-4 串級三沖量水位控制系統(tǒng)信號原理圖從圖4-4可以看出,三沖量水位控制系統(tǒng)有兩個閉合回路:一個是由給水流量、給水變送器、調節(jié)器和調節(jié)閥組成的內回路; 另一個是由汽包水位對象和內回路構成的主回路。蒸汽流量及其蒸汽變送器未包含在這兩個閉合回路之內, 但它的引入可以改善控制質量, 且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性, 所以三沖量控制的實質是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。內回路可看做

17、單回路系統(tǒng),其動態(tài)特性可理解為快速隨動系統(tǒng),即內回路隨動于主回路產生的變量。由于內回路的快速響應,當給水流量發(fā)生擾動時,水位信號還未發(fā)生變化時內擾就被消除,所以整定內回路時可不考慮水位變化,將外回路斷開,調節(jié)器內給定為零。外回路也可看做一個單回路系統(tǒng)。以給水流量的變化(內回路)作為調節(jié)對象的輸入量,以水位測量信號(電流)做為調節(jié)對象的輸出,等效為一個比例調節(jié)器。最后,由于2個回路是在分別看做單回路系統(tǒng)時整定的,在正式投入運行時還要視情況對2個回路的PID進行相應的調整。三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點: 一是相對單沖量和雙沖量控制系統(tǒng), 其控制品質最好, 能有效地滿足系統(tǒng)對快速性、穩(wěn)定性、準確性的要

18、求。二是能有效地避免“虛假水位”現象。5汽包水位控制系統(tǒng)的MATLAB仿真根據三沖量串級給水控制系統(tǒng)的工作原理,整定系統(tǒng)控制參數,設Simulink 系統(tǒng)仿真模型,在MATLAB 環(huán)境中進行控制系統(tǒng)模擬仿真。5.1控制系統(tǒng)的分析和整定1）內回路的分析和整定根據串級控制系統(tǒng)的分析整定方法,應將內回路處理為具有近似比例特性的快速隨動系統(tǒng),以使內回路具有快速消除內擾及快速跟蹤蒸汽流量的能力。用試探的方法選擇副調節(jié)器的比例帶,以保證內回路不振蕩為原則。在試探時,給水流量反饋裝置的傳遞函數可設置為任意數值,以得到滿意的比例帶值。如果傳遞函數以后需要改變,則應相應地改變比例帶值,使傳遞函數與比例帶的比值保

19、持為試探時的值,以保證內回路的穩(wěn)定性。2) 主回路的分析和整定在主回路中,如果把內回路近似看作為比例環(huán)節(jié),則主回路等效為一個單回路控制系統(tǒng)。如果以給水流量作為被控對象的輸入信號,水位變送單元的輸出為輸出信號,可以把主調節(jié)器與內回路兩者看作為等效主調節(jié)器。主回路仍按單回路系統(tǒng)的整定方法整定,如通過試驗方法求取主回路被控對象的階躍響應曲線,并由曲線求得等效調節(jié)器的整定參數。3) 蒸汽流量前饋裝置傳遞函數的選擇三沖量串級給水控制系統(tǒng)中的水位偏差完全由主調節(jié)器來校正,不要求送到副調節(jié)器的蒸汽流量信號等于給水流量信號。因此,前饋裝置的傳遞函數選擇將不受靜態(tài)特性無差條件的限制,而可根據鍋爐“虛假水位”的嚴

20、重程度來確定。通常使蒸汽流量信號大于給水流量信號,從而改善負荷擾動時控制過程的質量,縮短控制過程的時間。為了獲得滿意的調節(jié)效果,選擇合適的調節(jié)器參數,選取的參數為:主調節(jié)器Tp = 0. 9 , Ti = 0. 08 ,Td = 0. 2 ;副調節(jié)器Tp = 4 , Ti = 0. 005 , Td = 0. 1 。5.2汽包水位控制系統(tǒng)Simulink 模型設計經過系統(tǒng)分析和整定,合理選取系統(tǒng)的調節(jié)參數,經過擬定后的三沖量串級汽包水位控制系統(tǒng)仿真模型如圖5-1所示。圖5-2汽包水位控制系統(tǒng)Simulink 設計圖5.3汽包水位控制系統(tǒng)仿真設定汽包水位的高度為2 ,通過仿真,得到的鍋爐汽包水位

21、控制曲線如圖5-3 所示;在系統(tǒng)運行到600s時,給系統(tǒng)設置一個階躍擾動,得到鍋爐汽包水位控制曲線,如圖5-4所示。圖5-3 汽包水位控制系統(tǒng)仿真圖圖5-4 汽包水位控制系統(tǒng)外擾仿真圖從圖5-3可知,一旦設定了鍋爐汽包水位高度,三沖量串級汽包水位控制系統(tǒng)能做出快速反應并到達平穩(wěn)狀態(tài),維持汽包水位的穩(wěn)定;從圖5-4可知,對影響因素的干擾使三沖量串級汽包水位控制系統(tǒng)也能快速調整,達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。6控制系統(tǒng)程序設計6.1控制系統(tǒng)流程圖圖6-1 控制系統(tǒng)總流程圖6.2梯形圖程序7設計總結通過這次的設計使我認識到計算機控制技術、單片機等方面的知識的重要性，本次的設計使我從中學到了一些很重要的東西，那就是如何從理論到實踐的轉化，怎樣將我所學到的知識運用到我以后的工作中去。本次課程設計應用到了多個所學的課程知識，綜合性較大，雖然挑戰(zhàn)巨大，經過同學們的共同努力，最終完成了本次設計。通過本次設