三沖量汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計說明

./第一章工程實例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個被控變量會安裝相應(yīng)的調(diào)節(jié)器,在鍋爐運行的過程中,這三個信號作用于調(diào)節(jié)器,會適時調(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,能夠反映整個汽包的工作狀態(tài)和運行狀況；而蒸汽流量和給水流量分別擔任輔助沖量,蒸汽流量就是一個前饋系統(tǒng),通過這個系統(tǒng),能夠消除"假液位"現(xiàn)象,保證整個系統(tǒng)的準確性；給水流量是一個反饋系統(tǒng),它能夠副回路減少水壓改變對汽包液位的影響。主沖量和輔助沖量之間相互配合、相互影響,共同保證前饋-串級反饋的三沖量控制系統(tǒng)的正常有效運行。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：將三個信號中的汽包液位當做主信號,當鍋爐中的水位改變時,與之相對應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出也會發(fā)生相應(yīng)的變化,在此基礎(chǔ)上的給水流量也會發(fā)生改變,這樣就能夠使鍋爐的水位達到給定值。在這個過程中,蒸汽流量充當著前饋作用,其作用是防止"假液位"干擾調(diào)節(jié)器的工作。而給水流量充當著反饋的作用,當前饋的蒸汽流量發(fā)出干擾信號時,給水流量會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-串級反饋系統(tǒng),其運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。通常當鍋爐的水位升高時,LC就會產(chǎn)生反作用,其輸出就會相應(yīng)減少,通過加法器,FC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,FC的給定值會相應(yīng)的減少,而調(diào)節(jié)器的輸出增加,故而要擴大調(diào)節(jié)器的閥門開度,增加給水流量,平衡蒸汽流量,使水位保持在給定值上。當FA2102〔給水流量增加時,FC調(diào)節(jié)器的輸出也會相應(yīng)增加,這時要減小調(diào)節(jié)閥開度,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,要保證鍋爐的安全。比如當生產(chǎn)的熱源是蒸汽時,就應(yīng)該選擇氣關(guān)閥來保護鍋爐；而當蒸汽的供給超過蒸汽壓縮機時,就應(yīng)該選擇氣開閥來保護鍋爐設(shè)備。通過三沖量控制系統(tǒng),能夠利用調(diào)節(jié)器的開關(guān)閥對鍋爐生產(chǎn)中的汽包液位、蒸汽流量和給水流量進行有效調(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,保證整個鍋爐系統(tǒng)和整個生產(chǎn)工藝的安全可靠,同時也促進了鍋爐生產(chǎn)技術(shù)的改進和完善。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章標準節(jié)流裝置設(shè)計及計算程序設(shè)計1.給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性鍋爐的給水系統(tǒng),汽包液位的動態(tài)特性似乎與單容水槽一樣,但是實際情況卻要復(fù)雜的多。其中最突出的一點就是水循環(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)中的總水量沒有變化,汽包水位也會隨之發(fā)生改變。汽包液位過高會造成蒸汽帶水,影響汽水分離效果；水位過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,還有蒸汽負荷和給水流量的波動,當負荷突然增大、汽包壓力突然降低時,水就會被急劇汽化,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之間的傳遞函數(shù)為一個一階對象,時間常數(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,單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：一個是由給水流量W、給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的回路；另一個是由汽包水位對象和回路構(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閉合回路之。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作。結(jié)合題意設(shè)計系統(tǒng)框圖如下：Hr+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——被控對象傳遞函數(shù)Kd——蒸汽流量檢測變送器放大倍數(shù)Kw——給水流量檢測變送器放大倍數(shù)Kh——水位檢測儀表放大倍數(shù)第3章調(diào)節(jié)閥選型及計算1.給水流量計的選擇及KW的計算根據(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。選擇輸入量程所對應(yīng)的給水流量為20T/h。輸出量程為4~20mAKW=〔20-4/〔20-0=0.8mAh/T1.1蒸汽流量計的選擇及KD的計算根據(jù)所給的蒸汽流量穩(wěn)定值為10T/h,選擇輸入量程所對應(yīng)的蒸汽流量為20T/h.輸出量程為4~20mA。KD=〔20-4/〔20-0=0.8mA/T1.2調(diào)節(jié)閥的選擇及Ku的計算選擇電動調(diào)節(jié)閥,輸入量程為4~20mA,輸出量程為0~25T/h。Ku=〔25-0/〔20-4=1.56T/hmA1.3差壓式水位測量儀表及KH的計算根據(jù)題目所給的最大允許波動為±30mm,因此儀表輸入選擇為±60mm,輸出為4~20mA。KH=〔20-4/〔60-〔-60=0.133mA/mm2.PID控制器的參數(shù)整定首先,對副環(huán)進行整定,由上面選擇的調(diào)節(jié)器可以得到,副環(huán)是一個比例環(huán)節(jié),因此在整定副環(huán)時,只要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性就可以了。其次,對主環(huán)進行整定,先將PI調(diào)節(jié)器的積分常數(shù)置成無窮大,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)衰減過慢,應(yīng)增大比例帶。通過不斷調(diào)節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定,然后調(diào)節(jié)積分常數(shù)Ti,最終得到的是一個衰減比在4：1~10：1的衰減震蕩過程。各個調(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)計的仿真圖3-2串級三沖量控制系統(tǒng)SIMULINK仿真模型得到的響應(yīng)曲線如下圖所示。圖3-3串級三沖量控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線仿真結(jié)果分析：串級三沖量控制系統(tǒng)在快速性、抗干擾性上優(yōu)越,響應(yīng)曲線平穩(wěn),對蒸汽流量擾動的抑制也很強。4.硬件設(shè)計實現(xiàn)控制過程為: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,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機的I/O接口,單片機經(jīng)過運算控制,輸出地數(shù)字信號再通過DAC0832轉(zhuǎn)化成為模擬信號。4.1控制器的選擇選擇51單片機作為系統(tǒng)控制器。首先給出鍋爐水位的正常工作圍,由于水不斷蒸發(fā)使水位下降,8051單片機發(fā)出控制信號,控制執(zhí)行機構(gòu),使給水閥門開打,注水量增加,水位恢復(fù)到規(guī)定圍；當水位高于規(guī)定值時,8051單片機再次發(fā)出控制信號,使給水閥門變小,注水量降低,水位又恢復(fù)到規(guī)定圍。51單片機與AD和DA的接口連接如下圖所示：圖3-451單片機與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4.3AD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：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后,EOC腳輸出高電平,此時單片機接收EOC信號,讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果,將EOC腳經(jīng)反相器與單片機的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P0口相連,高低位依次相連。經(jīng)以上分析,設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示圖3-6AD轉(zhuǎn)換器的接口電路4.4DA轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832,DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC,它能直接與51單片機相連。DA轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計：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；第一級輸入寄存器寫選通控制,低電平有效。其輸入為上升沿時,將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器,故將該腳與單片機P2.2口相連,由程序控制。經(jīng)以上分析,設(shè)計DA轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示圖3-7DA轉(zhuǎn)換器的接口電路第四章課程設(shè)計心得通過這次過程控制課程設(shè)計,我們感觸頗深,不僅對書上學(xué)習(xí)的知識進行了復(fù)習(xí)與鞏固,而且還培養(yǎng)了我獨立思考與解決問題的能力。通過將近一周的努力,我終于在規(guī)定的時間完成了任務(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)到的知識相結(jié)合,更進一步提高了我們綜合運用知識的能力。通過課程設(shè)計將所學(xué)到的專業(yè)知識聯(lián)系在一起,我們明白了理論知識的重要性和應(yīng)用圍的寬廣,加深了對專業(yè)、對工程設(shè)計的理解。讓我更加明白了在生產(chǎn)實際中,不能對書面的知識生搬硬套,要具體問題具體分析,才能正確快速的解決問題。另外,還讓我懂得了在設(shè)計制造的道路上,需要不斷地探索與創(chuàng)造,堅持不懈,持之以恒。這次的設(shè)計經(jīng)歷讓我受益匪淺。完成了這次設(shè)計以后,對我以后的生活和工作都有很大的幫助,鍛煉了自己的動手能力,讓自己對所學(xué)的知識進行了一個升華,更深入的了解了這門課程的真諦,我以后也應(yīng)該多多動手,不能只學(xué)習(xí)課本上的理論知識,應(yīng)該更多地把理論和實際結(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)到這個行業(yè),我應(yīng)該