組態(tài)王鍋爐給水綜合型實(shí)驗

1、1綜合型實(shí)驗綜合型實(shí)驗?zāi)磕?錄錄1 1 鍋爐給水對象的特點(diǎn)和分析鍋爐給水對象的特點(diǎn)和分析 2 2 鍋爐給水控制系統(tǒng)的設(shè)計鍋爐給水控制系統(tǒng)的設(shè)計 3 3 鍋爐汽包給水系統(tǒng)的仿真實(shí)驗研究鍋爐汽包給水系統(tǒng)的仿真實(shí)驗研究 2 鍋爐是一個典型的生產(chǎn)過程裝置，在電力、化工、冶金、建材、民用等各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，為了保證蒸汽的品質(zhì)及鍋爐本體及人身的安全，汽包水位是一個重要的參數(shù)。 在鍋爐中，汽包的作用是進(jìn)行汽、水分離，汽包的出口為飽和蒸汽。隨著鍋爐的蒸發(fā)量及參數(shù)的日益提高，汽包相對蒸發(fā)量的尺寸越來越??；在負(fù)荷變化較為頻繁的場合，汽包水位受到的擾動也非常劇烈；另外由于汽包中汽、液兩相共存，大量的氣泡存在于

2、汽包的水中，導(dǎo)致了汽包水位的一個特殊現(xiàn)象“虛假水位”，這種“虛假水位”的想象給控制造成了很多困難。31. 1. 鍋爐的工作過程鍋爐的工作過程 典型鍋爐給水系統(tǒng)如圖所示。1 1 鍋爐給水對象的特點(diǎn)和分析鍋爐給水對象的特點(diǎn)和分析4其中，W為給水，能量較低的冷水或循環(huán)由此進(jìn)入鍋爐，通常，給水量可以通過改變閥門開度或通過改變給水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)；D為飽和蒸汽輸出。為了提高鍋爐整體的熱效率，飽和蒸汽經(jīng)布置在煙道中的過熱器加熱為過熱蒸汽后送往下道工序做工。通常蒸汽流量的大小由負(fù)荷決定；B為送入爐膛中的燃料。給水通過水冷壁吸收爐膛中燃料燃燒產(chǎn)生的熱量；A為汽包，加熱后的熱水上升至汽包，飽和水在此完成汽水分離

3、，產(chǎn)生飽和蒸汽。 52. “2. “虛假水位虛假水位”現(xiàn)象現(xiàn)象在該系統(tǒng)中，穩(wěn)定的工作狀況應(yīng)當(dāng)是給水量(W)與輸出蒸汽量(D)相等。即：W=D。在該條件下，水位處于一種動態(tài)的平衡。這種平衡一旦被打破，汽包水位將發(fā)生變化。從物料平衡的角度看，當(dāng)WD時，流入的水大于流出的蒸汽，水位必將上升，WD時，流入的水小于流出的蒸汽，水位將下降。但實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽包已經(jīng)處于正常工作狀態(tài)時(進(jìn)入飽和水，輸出飽和汽，可完成汽水分離)，實(shí)際情況并不完全如此，給水(W), 蒸汽(D)分別擾動下，水位的變化的情況，如圖6-2所示。6 在給水?dāng)_動下，汽包水位并沒有表現(xiàn)出立即上升，而是表現(xiàn)出滯后一段后上升的過程；在負(fù)荷擾動的情

4、況下，水位也沒有表現(xiàn)出立即下降的現(xiàn)象，而是表現(xiàn)出先上升后下降的過程。這種現(xiàn)象稱“虛假水位”現(xiàn)象。其原因是由于汽包中是汽液兩相共存，下半部是飽和水，上半部是飽和氣，當(dāng)給水增加時，大量低于飽和水溫度的低溫水進(jìn)入，吸收了汽包中飽和水的能量，汽包汽水溫度下降，飽和水中大量氣泡破裂，汽水體積減小，水位下降。而負(fù)荷增加時，汽包壓力瞬時下降，飽和水中大量汽包產(chǎn)生，體積增加，導(dǎo)致水位升高。72 鍋爐給水控制系統(tǒng)的設(shè)計1 1 確定控制目標(biāo)確定控制目標(biāo)1. 1. 鍋爐給水控制系統(tǒng)中的被控參數(shù)的選擇鍋爐給水控制系統(tǒng)中的被控參數(shù)的選擇 在鍋爐給水系統(tǒng)中，輸出蒸汽的品質(zhì)及安全是兩個關(guān)鍵的要素，汽包水位過高，會導(dǎo)致出口的

5、蒸汽帶水，無法保證出口為飽和汽，而汽包水位過低，可能會導(dǎo)致水冷壁缺水，水冷壁缺水后溫度會急劇上升，造成水冷壁爆管的嚴(yán)重事故。因此，正常的工作水位是鍋爐安全、可靠工作的關(guān)鍵，據(jù)此，該系統(tǒng)選汽包水位為被控參數(shù)。82. 2. 鍋爐給水控制系統(tǒng)中的控制參數(shù)鍋爐給水控制系統(tǒng)中的控制參數(shù)( (操縱量操縱量) )的選擇的選擇 在該系統(tǒng)中，可以影響汽包水位的參數(shù)很多，輸出蒸汽量(D)的變化；燃燒的情況變化，給水量(W)的變化都可以影響汽包的水位，但輸出蒸汽量(D)的變化由負(fù)荷決定，燃燒系統(tǒng)要確保系統(tǒng)的能量和效率，這兩個參數(shù)都無法作為正常情況下的控制參數(shù)，而給水量W不僅與被調(diào)參數(shù)直接相關(guān)，且以此控制汽包水位有著

6、足夠的靈敏度，通常，該系統(tǒng)都選給水量W作為控制參數(shù)。93. 3. 鍋爐給水控制系統(tǒng)中的擾動鍋爐給水控制系統(tǒng)中的擾動 被調(diào)參數(shù)及控制參數(shù)確定后，調(diào)節(jié)通道就被唯一確定，其他所有可以影響對象被調(diào)參數(shù)汽包水位的參數(shù)均可視為擾動。這里，主要擾動有：蒸汽負(fù)荷(D)的變化；燃燒情況的變化，給水壓力的變化等勻是系統(tǒng)的主要擾動。102 2 確定控制方案確定控制方案 根據(jù)以上分析，給水系統(tǒng)的主要目的就是穩(wěn)定汽包水位，因此，汽包水位是該系統(tǒng)的主被調(diào)參數(shù)；對該系統(tǒng)，從機(jī)理上看進(jìn)出物料的平衡是保證液位的關(guān)鍵，水位的變化是由于進(jìn)出物料不平衡引起的，因此可以通過調(diào)整給水流量來滿足物料的平衡，進(jìn)而保證汽包的液位，通過這樣的分

7、析我們可以建立單回路控制系統(tǒng)。但在實(shí)際系統(tǒng)中，首先，給水流量不僅受給水閥開度的影響，還要受到給水壓力變化的影響，給水壓力又要受到給水泵轉(zhuǎn)速，汽包壓力，燃燒情況，給水系統(tǒng)中其他負(fù)荷的變化等諸多因素的影響；其次，水位對象的時間常數(shù)也會對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間及穩(wěn)定性造成影響。11 因此，單回路給水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果并不理想，為了克服各種引起給水流量便化的因素，通常引入給水流量作為副被調(diào)參數(shù)，構(gòu)成流量-液位串級控制系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可以及時克服對給水流量的各類擾動。 這樣的系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生負(fù)荷變化(主蒸汽)時，由于虛假水位的現(xiàn)象，導(dǎo)致反饋控制系統(tǒng)被虛假水位的現(xiàn)象蒙蔽，做出完全相反的調(diào)節(jié)動作。例如，主蒸汽增

8、加時，汽包液位首先升高，據(jù)此，主調(diào)做出降低給水流量的調(diào)節(jié)動作，副調(diào)根據(jù)主調(diào)的指令，快速將主給水流量降低，這種調(diào)節(jié)結(jié)果加劇了進(jìn)出物料的不平衡，使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量無法滿足要求。12根據(jù)進(jìn)出物料的不平衡是系統(tǒng)液位變化的內(nèi)在原因，將表征負(fù)荷變化的主蒸汽流量作為前饋信號引入，確保負(fù)荷變化時給水流量可以及時隨之變化，這樣，構(gòu)成如圖6-3所示前饋-串級控制系統(tǒng)。133 3 主副調(diào)節(jié)器的選型主副調(diào)節(jié)器的選型 在串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對于它們的選型即調(diào)節(jié)動作規(guī)律的選擇也有不同考慮。 副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快動作以迅速抵消落在副環(huán)內(nèi)的二次擾動，面且副參數(shù)則并不要求無差，所以一般都選 P調(diào)節(jié)器，如

9、果副參數(shù)有特殊要求時也可選用PI。在給水系統(tǒng)中，對副參數(shù)給水流量并無特殊要求，故副調(diào)選P調(diào)節(jié)規(guī)律。14 主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需要采用串級調(diào)節(jié)的場合，工藝上對控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許被調(diào)量存在偏差，因此，主調(diào)節(jié)器都必須具有積分作用，一般都采用 PI調(diào)節(jié)器。如果副環(huán)外面的容積數(shù)目較多，同時有主要擾動落在副環(huán)外面的話，就可以考慮采用 PID調(diào)節(jié)器，本實(shí)驗主調(diào)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。 除調(diào)節(jié)規(guī)律外，還應(yīng)考慮調(diào)節(jié)器的作用方向，以滿足系統(tǒng)負(fù)反饋的要求。一般確定調(diào)節(jié)器作用方向的原則是系統(tǒng)的開環(huán)增益為正，依次原則，本實(shí)驗主、副調(diào)節(jié)器均為反作用。154 4 實(shí)驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)造實(shí)驗?zāi)Ｐ偷?/p>

10、構(gòu)造1. 1. 對象模型的構(gòu)造對象模型的構(gòu)造 準(zhǔn)確的給水對象模型是給水控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗的基礎(chǔ)，由對象的給水流量-液位及負(fù)荷液位的階躍響應(yīng)曲線可看出，構(gòu)造給水系統(tǒng)的模型的關(guān)鍵是如何構(gòu)造“虛假水位”的部分。我們可以設(shè)想汽包水位的變化由兩部分組成，一部分直接反應(yīng)進(jìn)出流量的不平衡，對于汽包，進(jìn)出流量不平衡時，液位將連續(xù)升高或降低，這部分可以由一個積分環(huán)節(jié)描述；另一部分描述飽和水的體積，汽包壓力變化，冷流體進(jìn)入量的變化都將引起汽包水中汽包的數(shù)量的變化，引起汽水體積的變化，最終導(dǎo)致汽包水位的變化，氣泡的產(chǎn)生或破裂最終會在新的狀態(tài)下平衡下來，因此可以用一個慣性環(huán)節(jié)來描述。 16 圖6-4和圖6-5表示了這個

11、分解的過程。由于引起汽包產(chǎn)生或破裂的機(jī)理不同，這兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)及增益并不相同，一般，表征負(fù)荷擾動的慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)要小一些，增益要大一些。 圖6-4 給水?dāng)_動的響應(yīng)的分解 圖6-5 負(fù)荷擾動響應(yīng)的分解17由圖6-4可以得到 (6-1)式(6-1)表示給水?dāng)_動下的對象特性可以由用一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)或串聯(lián)表示，如圖6-6所示。) 1(1)()()(1sssssWsHsGo18 由于，給水?dāng)_動引起的虛假水位不太明顯。主要表現(xiàn)為水位變化的延遲，為了便于仿真，有時用慣性加純遲延描述這一特性，即： (6-2)soessWsHsG)()()(1SWHse 式(6-2)可以由如圖6-7所示

12、純滯后環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成。19 由圖6-5可以看出，負(fù)荷變化引起的虛假水位現(xiàn)象十分嚴(yán)重，通常，用一個積分環(huán)節(jié)加一個反方向的，時間常數(shù)較小的慣性環(huán)節(jié)描述負(fù)荷與汽包水位的關(guān)系，即： (6-3) 式(6-3)可以由如圖6-8所示慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)并聯(lián)構(gòu)成。2d2( )( )( )1KH sGsD sT ssWHS22K1T s+-圖 6-8 負(fù)荷擾動通道模型20 對于一個蒸發(fā)量數(shù)百噸的鍋爐，相應(yīng)時間大約為30秒(飛升速度0.0331/s)，滯后時間與鍋爐形式有關(guān)，在幾十秒到數(shù)百秒之間。T2大約在10-20秒之間。 相對于其他環(huán)節(jié)，閥門的特性可以認(rèn)為是一個比例環(huán)節(jié)。 (6-4) 副對象可以看作是一

13、個時間常數(shù)很小的慣性環(huán)節(jié) (6-5) vvKssWsG)()()(1)(222sTKsGooo21 綜合以上各部分，我們可以得出對象模型如圖6-9所示. 針對該模型，接合仿真中時間比例尺的概念，可以取K2=1 =0.1 T2=10，K02=1，To2=1,=10進(jìn)行仿真實(shí)驗，這樣既可考慮針對學(xué)生的仿真實(shí)驗中既不耗時太長，又可以直觀的感覺到參數(shù)的變化，同時也不失仿真物理意義。 222. 2. 給水仿真系統(tǒng)的構(gòu)造給水仿真系統(tǒng)的構(gòu)造 在構(gòu)成串級給水控制系統(tǒng)時，通常取汽包液位為主參數(shù)，給水流量為副參數(shù)，主蒸汽流量為前饋參數(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的給水控制系統(tǒng)方框圖如圖6-10所示。235 5 給水系統(tǒng)的整定

14、和投運(yùn)給水系統(tǒng)的整定和投運(yùn)1. 1. 給水系統(tǒng)的整定給水系統(tǒng)的整定 從控制原理的角度看，本系統(tǒng)涉及到前饋控制系統(tǒng)的整定及串級控制系統(tǒng)的整定，對于串級系統(tǒng)，原則上，前述的各種串級系統(tǒng)整定方法均可用于本系統(tǒng)的整定，但鑒于本系統(tǒng)確定的副對象階此地次低，穩(wěn)定程度高，甚至可能出現(xiàn)無論副調(diào)增益多高，副回路都不會發(fā)生振蕩的情況，因此，關(guān)于本實(shí)驗的整定可選基于開環(huán)對象模型的逐步逼近法整定，也可選擇一步法整定。24 對于前饋系統(tǒng)，本實(shí)驗僅考慮靜態(tài)前饋的整定。 靜態(tài)前饋系統(tǒng)的整定方法的核心問題是操縱量如何根據(jù)測得的擾動量動作，進(jìn)而在擾動的效果表現(xiàn)出來之前及時消除擾動可能帶來的影響，這里要提出的是前饋系統(tǒng)的整定方法

15、是基于我們曾提到過的滿足進(jìn)出物料的平衡，也就是說，根據(jù)進(jìn)出物料平衡的關(guān)系確定給水如何隨負(fù)荷的變化而變化，據(jù)此我們可以得到一種靜態(tài)前饋的整定方法。 整定系統(tǒng)時，我們首先斷開前饋，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，測量給水流量的變送器的輸出電流Iw，并依次調(diào)節(jié)前饋通道中的增益，使前饋電流Id=Iw，這樣的整定滿足了參數(shù)的靜態(tài)配合。但由于不同的鍋爐，不同的負(fù)荷狀態(tài)時虛假水位現(xiàn)象嚴(yán)重程度不等，考慮到動態(tài)補(bǔ)償效果，可根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行效果在此基礎(chǔ)上調(diào)整前饋量。252. 2. 系統(tǒng)的投運(yùn)系統(tǒng)的投運(yùn) 同其他各種控制系統(tǒng)一樣，給水系統(tǒng)投運(yùn)一是要注意系統(tǒng)的穩(wěn)定，二是要注意投運(yùn)過程對系統(tǒng)的擾動盡可能的小。由于該系統(tǒng)涉及到一個串級，一個前

16、饋，關(guān)于這兩個系統(tǒng)又可能有不同的整定方法，這里僅就投運(yùn)的原則作簡要的說明。 先手動后自動，無論副回路、主回路均應(yīng)首先進(jìn)行手動操作，帶系參數(shù)處于正常范圍之內(nèi)，且系統(tǒng)基本穩(wěn)定時在投入自動。26無擾原則。手動到自動的切換將系統(tǒng)由開環(huán)轉(zhuǎn)入閉環(huán)，當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)的給定值與實(shí)際被調(diào)參數(shù)不等時，系統(tǒng)必然要進(jìn)入一個新的調(diào)節(jié)過程，這相當(dāng)給系統(tǒng)加入了一個擾動，擾動量的大小與投入自動是的偏差大小有關(guān)，因此，自動轉(zhuǎn)如手動之前，一定要保證偏差盡可能的小。27先副后主原則。除非使用特殊的控制方案(例如，主控-串級方案)，一般按先副，后主的方式投運(yùn)系統(tǒng)，在投運(yùn)副回路時，手操輸出，至主參數(shù)滿足要求，由于主調(diào)的輸出是副調(diào)的給定輸入，

17、因此要靠手操主調(diào)，滿足副調(diào)偏差為零。投運(yùn)主調(diào)時，副調(diào)因處于閉環(huán)狀態(tài)，以根據(jù)主調(diào)的輸出控制流量，進(jìn)而控制液位，由于此時的給定為內(nèi)給定，只須靠手操輸出改變液位，就可達(dá)到主調(diào)偏差為零，此時，主調(diào)投入自動。28 前饋的投入可以有兩種方案，一種是先投入前饋，其主要投運(yùn)過程是：主、副調(diào)置于手動，接入前饋信號，主調(diào)輸出手操至最小，手操副調(diào)輸出，至液位滿足要求，然后，調(diào)整節(jié)前饋通道增益，使副調(diào)偏差為零(前饋信號等于給水反饋信號，相當(dāng)于前饋?zhàn)鞲被芈方o定值)，副調(diào)投入自動。主調(diào)的整定在前饋存在的條件下進(jìn)行。293 鍋爐汽包給水系統(tǒng)的仿真實(shí)驗研究 在對象數(shù)學(xué)模型已經(jīng)明確，系統(tǒng)的控制方案也已確定的情況下，實(shí)驗需要面對

18、兩個方面的仿真問題，其一是對象的仿真，其二是系統(tǒng)的仿真。可以有多種方案可以滿足這兩方面的仿真實(shí)驗要求，以下利用三種方案對其進(jìn)行研究。30基于基于OPCOPC接口技術(shù)和組態(tài)軟件的仿真實(shí)驗接口技術(shù)和組態(tài)軟件的仿真實(shí)驗一、實(shí)驗?zāi)康囊弧?shí)驗?zāi)康?1熟悉組態(tài)王軟件使用； 2掌握串級三沖量鍋爐給水控制系統(tǒng)的分析、綜合、設(shè)計、投運(yùn)與參數(shù)整定方法； 3熟悉了解鍋爐汽包水位特性； 4熟悉前饋-串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制特點(diǎn)。31二、實(shí)驗方案說明二、實(shí)驗方案說明 實(shí)驗系統(tǒng)的原理方框圖如圖6-16所示，圖中反映給水通道和蒸汽通道特性的Wh(s)和Wd(s)分別采用如下的傳遞函數(shù)形式： (6-9) (6-10)( )(

19、 )( )s(1+ s)hH sW sG s22( )( )( )1dKH sWsD sT ss32本實(shí)驗的仿真對象可以在KingACT中調(diào)用已經(jīng)組態(tài)好的對象模型，或者根據(jù)需要對該模型進(jìn)行擴(kuò)充和刪減，也可重新組態(tài)建立新的對象模型。已經(jīng)存在的對象模型和工業(yè)實(shí)際過程中的對象的區(qū)別在于沒有考慮燃料量的擾動，省略了汽包水位的溫壓補(bǔ)償。仿真將整個鍋爐系統(tǒng)視為給水母管并聯(lián)的系統(tǒng)，給水流量的擾動相當(dāng)于其它鍋爐或設(shè)備在給水流量發(fā)生變化時對系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動，如果需要其它的擾動形式，可以進(jìn)行對象模塊的重新組態(tài)，增加相應(yīng)的環(huán)節(jié)，滿足實(shí)驗的需要。對于蒸汽流量的擾動，本實(shí)驗方案中采用調(diào)整蒸汽閥門的方式產(chǎn)生。33 仿真試驗

20、中用到的調(diào)節(jié)器可以采用KingACT軟件包中的PID控制模塊，也可在工業(yè)控制軟件中組態(tài)實(shí)現(xiàn)，仿真試驗過程中的曲線和數(shù)據(jù)和記錄采用工業(yè)控制組態(tài)軟件中的實(shí)時曲線模塊和歷史曲線模塊。三、實(shí)驗設(shè)備三、實(shí)驗設(shè)備 安裝Kingview組態(tài)軟件和KingACT軟邏輯軟件的計算機(jī)一臺。四、實(shí)驗內(nèi)容及步驟四、實(shí)驗內(nèi)容及步驟 1啟動KingACT運(yùn)行系統(tǒng)，調(diào)入“鍋爐給水”工程文件。并置于運(yùn)行狀態(tài)。 2啟動KingACT OPC服務(wù)器，裝入“鍋爐給水.PLC”工程文件，并置于運(yùn)行狀態(tài)。343啟動組態(tài)王工程管理器，打開“鍋爐給水系統(tǒng)”工程，并切換至運(yùn)行狀態(tài)，如圖6-17所示。354 4系統(tǒng)投運(yùn)和整定系統(tǒng)投運(yùn)和整定 啟

21、動組態(tài)王組態(tài)軟件的運(yùn)行環(huán)境，調(diào)入系統(tǒng)的工藝畫面，進(jìn)行系統(tǒng)的整定，整定的過程按照下述步驟進(jìn)行。1) 副調(diào)節(jié)器整定 打開調(diào)節(jié)器畫面，操作調(diào)節(jié)器的手自動切換按鈕，將主副調(diào)節(jié)器均置為手動狀態(tài)，在主畫面上單擊蒸汽前饋增益系數(shù)顯示框， 將前饋增益系數(shù)設(shè)置為零，斷開系統(tǒng)的前饋。 通過調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整面板，將副調(diào)參數(shù)置初值。 手操副調(diào)，使汽包液位達(dá)到期望值，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。 手操主調(diào)輸出，使其輸出等于副調(diào)測量值(給水流量測量值)，即副調(diào)的輸入偏差為零，可通過參數(shù)運(yùn)算并在畫面上增加顯示點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。 副調(diào)置于自動狀態(tài)。 觀察給水流量及汽包液位，如發(fā)現(xiàn)參數(shù)波動過大，應(yīng)立即將副調(diào)切回手動，調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，并根據(jù)情況修訂，若基本穩(wěn)定，則進(jìn)行主調(diào)整定。362) 主調(diào)節(jié)器整定 手操主調(diào)，使液位等于給定值(主調(diào)偏差為零)，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。 主調(diào)比例狀態(tài)投入自動，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。 給定值擾動10%，觀察、記錄液位變化。 液位衰減率是否75%，如不是