除氧系統(tǒng)液位組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、除氧系統(tǒng)液位組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 內(nèi)容提要除氧器是將溶解在水中的有害氣體尤其是水中的溶解氧從水中除去，以免這些有害氣體進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)造成熱力設(shè)備腐蝕，從而影響鍋爐系統(tǒng)的正常運(yùn)作，所以除氧器在熱力發(fā)電廠中起到了很重要的作用。進(jìn)而除氧器的水位控制對(duì)除氧器以及整個(gè)工業(yè)控制過程尤為重要，除氧器水位控制的不穩(wěn)定，曾引起機(jī)組跳閘和一回路熱功率波動(dòng)等嚴(yán)重后果。為了保證除氧器能達(dá)到很好的除氧效果，就需要采用先進(jìn)的控制方法，應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)來控制除氧器的液位。本設(shè)計(jì)以除氧器為控制對(duì)象，采用PID控制技術(shù)，運(yùn)用智能儀器和調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)除氧器液位控制系統(tǒng)。并完成系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：除氧器、液位、智能儀器、調(diào)節(jié)閥、組態(tài)

2、目 錄一設(shè)計(jì)目的意義1二設(shè)計(jì)內(nèi)容1三控制方案33.1控制對(duì)象分析33.2控制系統(tǒng)原理介紹7四系統(tǒng)設(shè)計(jì)74.1系統(tǒng)硬件選擇74.2電氣接線94.3軟件設(shè)計(jì)描述9五系統(tǒng)組態(tài)仿真結(jié)果10六設(shè)計(jì)體會(huì)11七參考文獻(xiàn)12一設(shè)計(jì)目的意義大學(xué)期間，我們學(xué)習(xí)了過程控制這一門學(xué)科，貫穿于自動(dòng)化專業(yè)，為了鞏固我們所學(xué)的理論知識(shí)，鍛煉我們的動(dòng)手能力，使得了理論與實(shí)踐相結(jié)合，做了此次的課程設(shè)計(jì)。除氧系統(tǒng)液位組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是對(duì)除氧器中的液位進(jìn)行控制，應(yīng)用各種方法更深入的了解自動(dòng)控制的概念，并進(jìn)行組態(tài)軟件的監(jiān)控仿真，為以后的工作學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。二設(shè)計(jì)內(nèi)容除氧器的主要作用是除去鍋爐給水中的氧氣和其它不凝結(jié)氣體，以保證給水

3、的品質(zhì)。若水中溶解氧氣，就會(huì)使與水接觸的金屬被腐蝕，同時(shí)在熱交換器中若有氣體聚積，將使傳熱的熱阻增加，降低設(shè)備的傳熱效果。因此水中溶解有任何氣體都是不利的，尤其是氧氣，它將直接威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。除氧器水位控制主要是為了保證除氧器內(nèi)有足夠的水提供給鍋爐，這是一個(gè)單閉環(huán)控制回路輸入?yún)?shù)，是除氧器水位輸出參數(shù)控制除氧器進(jìn)水閥。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，除氧器汽源來自汽輪機(jī)抽汽閥門全開的四段抽汽，除氧器汽源壓力和流量不受控制，而與被出洋的水溫、氣水接觸面積與除氧器水位有直接的關(guān)系。除氧器水位高，可能造成除氧水加熱不足，汽水接觸面積減少和水中溶解氧氣逸出困難而影響除氧效果；除氧器水位過高，可能造成汽封進(jìn)水，抽

4、汽管道水淹，威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行；除氧器水位過低，除了影響給水泵安全運(yùn)行之外，甚至?xí){鍋爐上水，造成斷水事故。因此，在機(jī)組運(yùn)行中穩(wěn)定除氧器水位，將其控制在最佳的高度具有非常重要的意義。動(dòng)力除氧系統(tǒng)工藝流程如圖1所示：圖1如圖所示經(jīng)處理的軟化水進(jìn)入除氧器V1101上部的除氧頭，進(jìn)行熱力除氧，軟化水流量為FI1106，溫度為常溫20，經(jīng)由調(diào)節(jié)閥FV1106進(jìn)入除氧器V1101頂部。除氧蒸汽分兩路，一路進(jìn)入熱力除氧頭，管線上設(shè)有調(diào)節(jié)閥PV1101；另外一路進(jìn)入除氧器下水箱，管線上設(shè)有開關(guān)閥XV1106。除氧的目的是防止鍋爐給水中溶解有氧氣和二氧化碳，對(duì)鍋爐造成腐蝕。熱力除氧是用蒸汽將給水加熱到飽和

5、溫度，將水中溶解的氧氣和二氧化碳放出。除氧器壓力為PI1106，除氧器液位為L(zhǎng)I1101。軟化水在除氧器底部經(jīng)由上水泵P1101泵出，出口流量FI1101，出口管線閥FV1101。因此此設(shè)計(jì)要控制除氧液位LI1101的液位，使得除氧器能夠更好的工作。三控制方案3.1控制對(duì)象分析1.測(cè)量部分：除氧器水位的測(cè)量的方法有多種，綜合分析在除氧器水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用差壓式水位計(jì)測(cè)量。差壓式水位計(jì)是通過把液位高度變化轉(zhuǎn)換成差壓變化來測(cè)量水位的，因此其測(cè)量?jī)x表就是差壓計(jì)。差壓式水位計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量水位的關(guān)鍵是水位與差壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換,這種轉(zhuǎn)換是通過平衡容器實(shí)現(xiàn)的,正壓頭式從容器中引出,負(fù)壓頭是從置于寬容器中的

6、水側(cè)連通管中取得。寬容器中的水面高度是一定的，當(dāng)水面增高時(shí),水便通過汽側(cè)連通管溢流入除氧器；要降低時(shí),由蒸汽冷凝水來補(bǔ)充。因此當(dāng)寬容器中的水的密度一定時(shí), 正壓頭為定值，負(fù)壓管與除氧器是連通的。因此,負(fù)壓管中輸出壓頭的變化反映了水位的變化。按照流體靜力學(xué)原理,當(dāng)除氧器水位在正常水位(即零水位)時(shí),平衡容器的差壓輸出為 其中：為除氧器汽空間密度；為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和水密度。當(dāng)除氧器水位偏離正常水位變化時(shí)，平衡容器的差壓輸出為:，平衡容器的輸出差壓則是除氧器水位變化的單值函數(shù)。水位增高，輸出差壓減小。為了更好的控制除氧器水位，除了對(duì)除氧器水位進(jìn)行測(cè)量，還需檢測(cè)給水流量和凝結(jié)水流量，以便對(duì)除氧器水位進(jìn)

7、行三沖量控制?，F(xiàn)采用差壓式流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量。差壓式流量計(jì)主要由節(jié)流裝置、壓差信號(hào)管路和顯示儀表三部分組成。在管道內(nèi)裝入節(jié)流件，流體流過節(jié)流件時(shí)流束收縮，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生差壓。對(duì)于一定形狀和尺寸的節(jié)流件，一定的測(cè)壓位置和前后直管段情況、一定參數(shù)的流體以及其他條件下，節(jié)流件前后產(chǎn)生的差壓值隨流量而變，兩者之間有確定的關(guān)系，因此可通過測(cè)量差壓來測(cè)量流量。2.變送部分：為了對(duì)除氧器水位進(jìn)行校正，需利用除氧器壓力進(jìn)行運(yùn)算，故利用差壓變送器將壓力取出來以便使用?，F(xiàn)采用電容式差壓變送器對(duì)壓力進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電容式壓力變送器中，以測(cè)壓彈性膜片為電容器的可動(dòng)極板，它與固定極板之間形成一可變電容。隨被測(cè)壓力的變

8、化，膜片產(chǎn)生位移使電容器的可動(dòng)極板與固定極板之間的距離改變，從而改變了電容器的電容量，這樣就完成了壓力信號(hào)與電容量之間的變換。變送器的變換過程示意如圖2所示：圖2鍋爐從啟動(dòng)到正常運(yùn)行的過程中，蒸汽參數(shù)和負(fù)荷在很大范圍內(nèi)變化，這就使得水位、給水流量和蒸汽流量的測(cè)量準(zhǔn)確性受到影響。為了實(shí)現(xiàn)全程調(diào)節(jié)，首先必須保證在各種工況下都能得到正常的水位信號(hào)和給水流量信號(hào)，所以需要對(duì)這些測(cè)量信號(hào)進(jìn)行壓力、溫度變化的校正。測(cè)量信號(hào)自動(dòng)校正的基本方法是先推導(dǎo)出被測(cè)參數(shù)隨溫度、壓力變化的數(shù)學(xué)模型，然后運(yùn)用功能組件進(jìn)行校正運(yùn)算，便可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)校正。3.控制部分除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三種基本結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螞_量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、

9、單級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。要兼顧低負(fù)荷階段和高負(fù)荷階段的調(diào)節(jié)，采用給水全程控制方式。這時(shí)不再是單一的單沖量系統(tǒng)或三沖量系統(tǒng)，而是單沖量和三沖量系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合并配有完善的方式自動(dòng)切換與連鎖邏輯。單沖量控制用于給水流量小于500T時(shí)的工況?？刂破鲀H接受除氧器水位H信號(hào)，與給定值進(jìn)行比較得出偏差，再按照一定的控制規(guī)律輸出信號(hào)去執(zhí)行器，控制除氧器水位。單沖量除氧器水位控制系統(tǒng)如圖3所示：圖3在給水流量大于500T時(shí)除氧器的水位控制可采用單級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。除氧器水位調(diào)節(jié)接受除氧器的水位和主凝結(jié)水流量、總給水流量三個(gè)信號(hào)再按照一定的控制規(guī)律輸出信號(hào)去執(zhí)行器，控制除氧器水位。單級(jí)三沖

10、量除氧器水位控制系統(tǒng)如下圖4所示：圖4在給水流量大于500T時(shí)除氧器的水位控制是一個(gè)典型的串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)。與單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，其調(diào)節(jié)任務(wù)由兩個(gè)調(diào)節(jié)器來完成。主調(diào)節(jié)器才有PI調(diào)節(jié)規(guī)律，以保證水位無靜態(tài)偏差，主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)和主凝結(jié)水流量、總給水流量信號(hào)都作用在負(fù)調(diào)節(jié)器。一般串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)調(diào)節(jié)器可采用比例調(diào)節(jié)器，以保證副回路的快速性。串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖5所示：圖5調(diào)節(jié)器均可采用PI節(jié)器，單沖量、三沖量調(diào)節(jié)的主調(diào)節(jié)器。三沖量的副調(diào)節(jié)器也可采用PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與蒸汽流量信號(hào)相加后作用于副調(diào)節(jié)器作為給定信號(hào)，而副調(diào)節(jié)器的被調(diào)量是給水流量信號(hào)。上述兩套調(diào)節(jié)系統(tǒng)，

11、低負(fù)荷時(shí)用單沖量，高負(fù)荷時(shí)用三沖量，兩調(diào)節(jié)系統(tǒng)的切換是根據(jù)蒸汽流量信號(hào)的大小進(jìn)行控制的。4.執(zhí)行器部分：執(zhí)行機(jī)構(gòu)：選用齒輪齒條式具有有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作平穩(wěn)可靠，并且安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，故常選用它。 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：此課程設(shè)計(jì)中除氧器水位調(diào)節(jié)閥采用一個(gè)主調(diào)節(jié)閥和一個(gè)副調(diào)節(jié)閥并聯(lián)進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式，在控制過程中先開副調(diào)節(jié)閥，等副調(diào)節(jié)閥全開后再開主調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉時(shí)的控制剛好相反。采用兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的目的是為了更好地實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)與凝結(jié)水流量之間的線性關(guān)系。3.2控制系統(tǒng)原理介紹本課程設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)有測(cè)量變送、控制器、執(zhí)行器三個(gè)部分組成。其中測(cè)量與變送部分包括除氧器水位，給水、凝結(jié)水流量分別采用平衡容器、電容式差壓變送器差壓流量計(jì)

12、方案。其中控制部分包括低負(fù)荷時(shí)和高負(fù)荷時(shí)，分別采用串級(jí)三沖量和單沖量方案，并能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行單沖量和三沖量的切換。其中執(zhí)行部分包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，分別采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和直通型調(diào)節(jié)閥方案。四系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件選擇1.變送器的選擇：變送器是將各種被測(cè)參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位等物理量轉(zhuǎn)換成010mA或420mA直流統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，傳送到指示、記錄、調(diào)節(jié)等儀表或巡回檢測(cè)裝置、控制計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)檢測(cè)和控制。選用EJA系列智能變送器，其采用單晶硅諧振式傳感器，在單晶硅芯片上采用微電子機(jī)械加工技術(shù)分別在其表面的中心和邊緣作為兩個(gè)形狀、大小完全一致的H形狀諧振梁，由于處于微型真空

13、腔中，不與充灌液接觸，因而確保振動(dòng)時(shí)不受空氣阻尼的影響。諧振梁分別將壓力、差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，送到脈沖計(jì)數(shù)器，再將兩頻率之差直接傳遞到CPU(微處理器)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的420mA DC的輸出信號(hào)，并在模擬信號(hào)上疊加一個(gè)BRAIN/HART數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信。2.控制器的選擇：控制器也稱之為調(diào)節(jié)器，可以分為兩大類，即模擬式和數(shù)字式。模擬式調(diào)節(jié)器一般主要有三個(gè)部分組成，即比較環(huán)節(jié)、放大器和反饋環(huán)節(jié)。比較環(huán)節(jié)的作用是把給定信號(hào)r(t)與測(cè)量信號(hào)y(t)做比較，得出偏差信號(hào)e(t),e(t)=r(t)-y(t)。放大器一般是一個(gè)穩(wěn)態(tài)增益很大的比例環(huán)節(jié)。利用負(fù)反饋來

14、實(shí)現(xiàn)P，PI等各種控制規(guī)律。控制器將來自變送器的測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行運(yùn)算后輸出統(tǒng)一信號(hào)去控制執(zhí)行器動(dòng)作。調(diào)節(jié)器將被調(diào)量與給定值進(jìn)行比較，對(duì)其偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，并把結(jié)果以010mA或420mA直流統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸送至執(zhí)行單元。即選用智能PID調(diào)節(jié)器有如下特點(diǎn)：比例調(diào)節(jié)規(guī)律具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)，但比例調(diào)節(jié)為有差調(diào)節(jié)，因此調(diào)節(jié)過程結(jié)束時(shí)存在穩(wěn)態(tài)偏差。通過減小調(diào)節(jié)器的比例帶可減小穩(wěn)態(tài)偏差，但會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降；積分調(diào)節(jié)規(guī)律能消除穩(wěn)態(tài)偏差，所以能最終消除擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。但積分作用的調(diào)節(jié)不及時(shí)，又使調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)偏差加大，過渡過程時(shí)間加長(zhǎng)，因此，在積分作用引入

15、到比例調(diào)節(jié)器后，調(diào)節(jié)器的比例帶應(yīng)適當(dāng)加大，以彌補(bǔ)積分作用對(duì)控制過程穩(wěn)定性的影響；微分調(diào)節(jié)是一種超前調(diào)節(jié)方式，其實(shí)質(zhì)是阻止被調(diào)量的一切變化。適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔每墒盏綔p小動(dòng)態(tài)偏差，縮短調(diào)節(jié)過程時(shí)間的效果，這樣在采用比例積分微分調(diào)節(jié)器時(shí)，又可適當(dāng)減小比例帶和積分時(shí)間。3.執(zhí)行器的選擇：執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)指產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)指直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱為控制閥（調(diào)節(jié)閥）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型主要是對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇。本設(shè)計(jì)選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中薄膜式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力一般能滿足控制閥的要求，所以大多均選用它。但當(dāng)所選用的控制閥口徑較大或差壓較高時(shí)，

16、要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有較大的輸出力，因此可考慮選用活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)然也可以選用薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)再配以閥門定位器。如選用上海沃中閥門制造有限公司ZJHP-16F46P氣動(dòng)薄膜襯四氟單座調(diào)節(jié)閥。它由氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和直通單座襯氟塑閥兩部份組成。在選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，還必須考慮氣動(dòng)執(zhí)行器的作用方式時(shí)氣開式還是氣關(guān)式。有壓力信號(hào)時(shí)閥關(guān)，無壓力信號(hào)時(shí)閥開為氣關(guān)式執(zhí)行器，反之為氣開式執(zhí)行器?？紤]的原則是：信號(hào)壓力中斷時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備和工作人員的安全。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的選擇：由于生產(chǎn)過程中，被控介質(zhì)的特性千差萬別，有高壓的、高黏度的、強(qiáng)腐蝕的；流體的流動(dòng)狀體也各不相同。因此，必須根據(jù)流體性質(zhì)、工藝條件和過程控制要求，并參照

17、各種閥門結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性來最終確定合適的結(jié)構(gòu)形式。4.2電氣接線系統(tǒng)電氣接線圖見附件圖1。4.3軟件設(shè)計(jì)描述本課程設(shè)計(jì)運(yùn)用組態(tài)王軟件進(jìn)行監(jiān)控仿真，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)整個(gè)啟停工作，顯示屏上有數(shù)字和曲線兩種顯示方式。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。使用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真的基本步驟有：（1）圖形界面的設(shè)計(jì) 。圖形,是用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工控設(shè)備。（2）構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù) 。數(shù)據(jù),是創(chuàng)建一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫(kù),并用此數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量描述工控對(duì)象的各種屬性，此設(shè)計(jì)中如液位量。（3）建立動(dòng)畫連接。連接,就是畫面上的圖素以怎樣的動(dòng)畫來模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行,以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。（4）運(yùn)行和調(diào)試。五系統(tǒng)組態(tài)仿真結(jié)果系統(tǒng)組態(tài)仿真結(jié)果見附件圖2、圖3七參考文獻(xiàn)1 葉江祺，熱工測(cè)量和控制儀表的安裝，中國(guó)電力出版社。2 劉自放, 熱工檢測(cè)與自動(dòng)