汽包水位控制系統(tǒng)設計

1、摘 要鍋爐是眾多工業(yè)部門必不可少的重要動力設備。鍋爐汽包水位是一個非常重要的被控變量，汽包水位過高或者過低的后果都非常嚴重，因此對汽包水位必須進行嚴格控制。鍋爐的水位調節(jié)過程難以建立數(shù)學模型，具有非線形、不穩(wěn)定性、時滯等特點。plc技術的快速發(fā)展使得plc廣泛應用于過程控制領域并極大地提高了控制系統(tǒng)性能，plc已經成為當今自動控制領域不可缺少的重要設備。本設計從分析影響汽包水位的各種因素出發(fā)，重點分析了鍋爐汽包水位的“假水位現(xiàn)象”，提出了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的三沖量控制方案。按照工程整定的方法進行了pid參數(shù)整定，并進行了仿真研究。根據(jù)控制要求和所設計的控制方案進行硬件選型以及系統(tǒng)的硬件設計，

2、利用plc編程實現(xiàn)控制算法進行系統(tǒng)的軟件設計，最終完成plc在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中應用。關鍵詞：汽包水位 三沖量控制 plc pid控制目 錄1.引言32.工業(yè)鍋爐的理論基礎42.1工業(yè)鍋爐的控制要求與工藝流程42.2鍋爐汽包水位的控制62.3鍋爐水位控制系統(tǒng)的重要性63.鍋爐汽包水位的基本特性和汽包水位控制系統(tǒng)方案選擇63.1鍋爐汽包水位控制對象的基本特性63.2影響汽包水位的影響因素73.3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)及控制方案選擇83.3.1單沖量水位控制系統(tǒng)83.3.2雙沖量水位控制系統(tǒng)103.3.3三沖量水位控制系統(tǒng)114.pid控制的設計124.1pid控制的基本公式124.2pid算法

3、簡介124.3單沖量仿真電路搭建144.4pid參數(shù)整定144.5仿真結果分析165.plc選型及資源配置175.1plc選型175.2plc的資源配置176.控制系統(tǒng)程序設計196.1控制系統(tǒng)流程圖196.2梯形圖程序207.上位機組態(tài)設計217.1組態(tài)王簡介217.2組態(tài)王主畫面228.設計總結26參考文獻281. 引言水位是鍋爐運行中一個常重要的參數(shù)。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

4、汽包水位應當根據(jù)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(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負荷和給水之間的平衡關系。傳統(tǒng)的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(shù)進行實時檢測并反饋給控制器件，再根據(jù)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

5、，并且易出現(xiàn)故障，不利于系統(tǒng)的長期安全、高效運行?，F(xiàn)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、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

6、。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(xiàn)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(jù)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(xiàn)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. 工業(yè)鍋爐的理論基礎2.1 工業(yè)鍋爐的控制要求與工藝流程鍋爐

7、是化工、煉油、發(fā)電、造紙和制糖等工業(yè)生產過程必不可少的重要動力設備。工業(yè)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

8、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

9、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. 鍋爐汽包水位的基本特性和汽包

10、水位控制系統(tǒng)方案選擇3.1 鍋爐汽包水位控制對象的基本特性工業(yè)鍋爐的汽水系統(tǒng)結構如圖3-1所示。圖3-1 工業(yè)鍋爐汽水結構1 給水母管；2調節(jié)閥；3省煤器；4汽包；5下水管；6上升管；7過熱器；8蒸汽母管汽包及蒸發(fā)管系中貯藏著蒸汽和水，貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。引起水位變化的主要擾動就是蒸汽流量的變化和給水流量的變化。給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。把汽包和給水看作單容無自衡對象，水位響應曲線應為一條直線。但由于給水溫度比汽包內飽和水的溫度低，所以給水量變化后，使汽包內氣泡含量減少，導致水位下

11、降。即當突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現(xiàn)一段起始慣性段。3.2 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(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，反之也同樣會有虛假水位的現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象。此外他

12、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(xiàn)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(xiàn)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。3.3 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)及控制方案選擇3.3.1 單沖量水位控制系統(tǒng)從反饋與自動控制的角度出發(fā)，很容易想到氣泡水位作為被控對象，給水量作為操縱變量構成單回路自動控制系統(tǒng)，即

13、水位單沖量控制系統(tǒng)，原理圖如圖3-2所示，這是一個最基本的控制方案，其方框圖為3-3。單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經變送器送到水位調節(jié)器，調節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內。單沖量水位控制系統(tǒng)，是汽包水位控制系統(tǒng)中最簡單最基本的一種形式。圖3-2 單沖量水位控制系統(tǒng)圖3-3 單沖量控制系統(tǒng)框圖其特點為：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

14、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。3.3.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)雙沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量水位控制系統(tǒng)的基礎上加入了以蒸汽流量信號為前饋信號的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，如圖3-4。由于引入了蒸汽流量前饋信號，當蒸汽量變化時，就有一個與蒸汽量同方向變化的給水流量信號，可以減少或抵消由于“虛假液位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的錯誤動作。使調節(jié)閥一開始就向正確的方向動作。因而能極大的減小給水量和水位的波動，縮短過度過程時間。其方框圖為3-5。圖3-4 雙沖量水位控制系統(tǒng)流量變送器前饋控制器擾動通道 設定值執(zhí)行器給水流量控制器+-汽包水位液位流量控制器液位變

15、送器 圖3-5 雙沖量水位控制系統(tǒng)框圖3.3.3 三沖量水位控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)，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)。三沖量水位控制系統(tǒng)組成原理圖如圖3-6。圖3-6三沖量控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)，采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋控制，當蒸汽負荷忽然變化時，蒸汽流量信號使給水調節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調節(jié)閥開大，抵消了“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當由于水壓干擾使給水流量改變時，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(jù)給水流量減小的信號，開大給水閥門，使給水流量保持不變。4

16、. pid控制的設計4.1 pid控制的基本公式pid是比例(p)、積分(i)、微分(d)的縮寫，pid控制器是目前應用最為廣泛的閉環(huán)控制器。標準pid的控制值與偏差(實際值與設定值之差)、偏差對時間的積分、偏差對時間的微分，三者之和成正比。本設計控制系統(tǒng)的輸出模型為：gs=11+6se0.3s要求控制調節(jié)時間ts4s，最大超調%5%4.2 pid算法簡介控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（p）、積分（i）、微分（d）進行的控制，稱為pid控制。實際經驗和理論分析都表明，pid控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的

17、控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。調節(jié)器最常用的控制規(guī)律是pid控制，常規(guī)pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示，系統(tǒng)由模擬pid調節(jié)器、執(zhí)行機構及控制對象組成。圖4-1模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖pid調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成的控制偏差：e(t)= r(t)c(t)將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制，故稱為pid調節(jié)器。在實際應用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將p、i、d基本控制規(guī)律進行適當組合，以達到對被控對象進行有效控制的目的。例如，p調節(jié)器，pi調節(jié)器，pid調節(jié)器等。模擬pid調節(jié)器的控制規(guī)律為

18、ut=kpet+1ti0tetdt+tdd（t）d(t)式中，kp為比例系數(shù)，ti為積分時間常數(shù)，td為微分時間常數(shù)。pid調節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)p：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減少偏差；（2）積分環(huán)節(jié)i：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)ti，ti越大，積分作用越弱，反之則越強；（3）微分環(huán)節(jié)d：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間4.3 單沖量仿真電路搭建圖4-2 仿真電路4.4 pid參數(shù)

19、整定圖4-3 控制器pid 圖4-4 控制圖像要求：ts4s，%5%調節(jié)結果：p=15,i=1.5,d=1.6，滿足要求。4.5 仿真結果分析在本次仿真實驗中我采用了p控制和pd控制和pid控制，在p調節(jié)中，殘差隨著比例帶的增大而增大。而要求盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益k*，其后果是使系統(tǒng)的%上升，并導致激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是討論任何閉環(huán)系統(tǒng)各項參數(shù)的基礎，比例帶的設置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。通過查閱相關資料得知，在實際調試中，只能先大致設定一個經驗值，然后根據(jù)調節(jié)效

20、果修改，對于液位系統(tǒng)：p（%）20-80，i（分）1-5。故而在實驗過程中選擇從1開始取值，并最終確定1.5為最佳值，而比例積分微分控制時，反復試湊得出當k=15，i=1.5，d=1.6時仿真效果較好，通過三種調節(jié)方式的對比，我們可以明顯看出在純比例控制下雖然系統(tǒng)最終也能達到穩(wěn)定狀態(tài)，但是其調節(jié)時間和峰值時間都太長，且曲線不是特別光滑，而比例微分控制則能大大減少調節(jié)時間，調節(jié)過程相對比例調節(jié)比較完善，仿真曲線也更光滑，從而體現(xiàn)出該系統(tǒng)在比例微分調節(jié)下能有更好的反應速度與準確度，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)的無差度；微分調節(jié)能加快系統(tǒng)的動作速度，

21、減少調節(jié)時間。體現(xiàn)到實際系統(tǒng)中表現(xiàn)為能較快調節(jié)鍋爐汽包的液位，減小液位測試誤差,從而達到理想的調節(jié)與控制效果。5. plc選型及資源配置5.1 plc選型根據(jù)系統(tǒng)的i/o點數(shù)，并考慮富裕量及今后系統(tǒng)的擴展升級和工藝控制等問題，本系統(tǒng)設計采用西門子的s7-200系列作為主機。s7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統(tǒng)。s7-200

22、系列是西門子公司的典型產品，具有功能強大，極高的可靠性，豐富的指令表，易于掌握，操作便捷，豐富的內置及成功能，強勁的通信功能，豐富的擴展模塊等特點。5.2 plc的資源配置plc中，它的i/o分配對其使用與功能起決定性作用，本設計的i/o地址分配如圖5-1所示：aiaodido汽包液位1調節(jié)閥開度11蒸汽流量1給水流量1報警指示1 圖5-1 i/o地址分配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. 上位機組態(tài)設計7.1 組態(tài)王簡介組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它

23、具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個參差結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用windows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈

24、活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。7.2 組態(tài)王主畫面本系統(tǒng)由被控對象、傳感器、i/o接口、計算機和執(zhí)行機構幾部分組成。組態(tài)王軟件系統(tǒng)包括開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境兩大部分，完成用戶組態(tài)設計的目標和功能。圖 6-2 汽包液位變量定義正常工作時，進水泵與進水閥門同時工作的同時，蒸汽出口閥與蒸汽風機停止工作，液位上升，主畫面如圖6-3(a)，其液位曲線如圖6-4(a)。液位到達警戒水位，進水泵與進水閥門同時停止工作的同時，蒸汽出口閥與蒸汽風機開始工作，液位下降，主畫面如圖6-3(b)，其液位曲線如圖6-4(b)。圖6-3(a) 主監(jiān)控畫面圖 6-3(b) 主監(jiān)控畫面報警窗口畫面（如圖6-4）記錄著系統(tǒng)運行中的各種報警事件，報警時的狀態(tài)值，及報警處理，并可根據(jù)事件的輕重緩急設定優(yōu)先級及報警閾值，分實時報警和歷史報警，這些均在數(shù)據(jù)變量的屬性中進行設定