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1、 摘要 鍋爐是電廠和化工廠里常見的生產設備，為了使鍋爐能正常運行，必須維持鍋爐的水位在一定的范圍內，這就需要控制鍋爐汽包的水位。汽包水位很重要，水位過高會影響汽水分離的效果，使蒸汽帶液，損壞汽輪機葉片；如果水位過低會損壞鍋爐，甚至引起爆炸?？梢婂仩t汽包水位控制在鍋爐設備控制系統(tǒng)中的重要性。本論文設計的是鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，利用控制裝置和被控對象組成了一個自動控制系統(tǒng)。被調量是汽包水位，調節(jié)量是給誰量。它主要考慮汽包內部物料平衡，使給水量適應鍋爐的揮發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內。 關鍵詞： 汽包水位 虛假水位 給水流量 蒸汽流量

2、 第 1 頁 目錄 摘要 . .............................................................. 1 1 緒 論 . ................................................

3、.......... 3 1.1 鍋爐 ....................................................... 3 1.2 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................. 3 1.3 汽包水位調節(jié)原理： ......................................... 4 1.4 本設計的主要工作 ........................................... 4 2 控制方案設計 . ...............

4、..................................... 6 2.1 汽包水位的影響因素 ........................................ 6 2.2 系統(tǒng)方框圖 ................................................ 6 3 硬件選型 . ........................................................ 8 3.1 水位 PID 控制系統(tǒng) ......................................

5、..... 8 3.2 PLC 的選型 . ................................................. 8 3.3 PLC 的 I/O 分配 . ............................................ 9 3.4 流程控制圖 ............................................... 10 3.5 PLC 程序 . .................................................. 11 4 PID 參

6、數(shù)整定 ................................................... 16 4.1 運用試湊法選定 PID 參數(shù) .................................... 16 4.2 MATLAB仿真結果 . ........................................... 17 5 組態(tài)設計 . ...................................................... 19 5.1 組態(tài)王對 PLC的設備組態(tài) . ...........

7、......................... 19 5.2 組態(tài)王定義數(shù)據變量 . ........................................ 19 5.3 組態(tài)王界面 . ................................................ 19 總結 . ............................................................. 21 參考文獻 . .......................................................

8、.. 22 致謝 . ............................................................. 23 第 2 頁 1 緒 論 1.1 鍋爐 鍋爐由汽鍋和爐子組成。爐子是指燃燒設備，為化石烯料的化學能轉換成熱能提供必要的燃燒空間。 汽鍋是為汽水循環(huán)和汽水吸熱以及汽水分離提供必要的吸熱和分離空間。 鍋爐作為一種把煤、 石油或天然氣等化石燃料所儲藏的化學能轉換成水

9、或水蒸氣的熱能的重要設備， 長期以來在工業(yè)生產和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展卻是近幾十年的事情。生產鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。 從系統(tǒng)角度看，鍋爐包括燃燒負荷控制系統(tǒng)、送引風系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結構如圖 1-1 ： 圖 1-1 1.2 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 鍋爐汽包水位是鍋爐安全運行的一個主要參數(shù)， 水位過高會使蒸汽帶水帶鹽，嚴

10、重的將引起整體品質下降，嚴重影響生產和安全；水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而損壞，尤其是大型鍋爐，一旦控制不當，容易使汽包滿水或汽包內的水全部汽化，造成重大事故。故鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)的任務是保證汽包水位在允許的范圍內，并兼顧鍋爐的穩(wěn)定運行。 PLC是 70 年代發(fā)展起來的中大規(guī)模的控制器，是集 CPU、 RAM、ROM、I/O 第 3 頁 接口與中斷系統(tǒng)于一體的器件 [3] ，已經被廣泛應用于機械制造、冶金、化工、能源、交通等各種行業(yè)。隨著計算機在操作系統(tǒng)、應用軟件、通信能力上的飛速發(fā)展，大大增強了 PLC通信能力，豐富了 PLC

11、編程軟件和編程技巧，增強了PLC過程控制能力。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。 隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴大，對給水控制提出了更高的要求，其主要原因有： （1）汽包的個數(shù)和體積減小，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度； （2）鍋爐容量增大，顯著的提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負荷，使鍋爐負荷對水位的影響加劇了

12、； （3）提高了鍋爐的工作壓力，使給水調節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應復雜，調節(jié)閥的流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。 由此可見，隨著鍋爐朝大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它可以大大減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行。 1.3 汽包水位調節(jié)原理： 1. 汽包鍋爐給水自動控制的任務是維持汽包水位在一定的范圍內變化。 汽包水位是鍋爐運行中的一個重要的監(jiān)控參數(shù)， 它間接地表示了鍋爐負荷和給水的平衡關系。維持汽包水位是保持汽機和鍋爐安全運行的重要條件。 2．汽包水位被控對象的擾動有四個來源，包括給水量方面的擾動為內部擾動。其余的如蒸汽負荷的

13、擾動、燃料量的變化及汽包壓力的變化等為外部擾動。其中尤以給水擾動、汽機負荷擾動和鍋爐熱負荷擾動較為嚴重。 1.4 本設計的主要工作 利用西門子 PLC設計鍋爐汽包水位的控制系統(tǒng)， 編寫程序。完成以下工作： 完成 PLC的選型，進行 I/O 分配。 將液位信號轉化成電信號傳送到 PLC或計算機，利用 PI 或 PID 算法進行運算。 利用計算結果調節(jié)給水電動閥閥門開度，控制鍋爐水位（內容 2 和 3 可用 G(s) 1 e1.1s matlab 仿真實現(xiàn) ?？刂葡到y(tǒng)數(shù)學模型為 1 6s ）。 利用組態(tài)王完成上位機組態(tài)設計。 5） 控制

14、時調節(jié)時間小于 10s，最大超調不大于 5%。 第 4 頁 第 5 頁 2 控制方案設計 2.1 汽包水

15、位的影響因素 汽 變 包 過熱器 頻 器 省煤器 水冷壁 汽包水位的由于給水量和蒸汽流量影響它的高低 [4] 。 水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾雜著大量蒸汽汽泡的水， 隨著腔內壓力的變化導致水位的高低的變化。則可知影響汽包水位 H 的主要因素有： 1. 給水量 W；2. 汽輪機耗汽量 D； 3. 燃料量 B 三個主要因素。 2.2 系統(tǒng)方框圖 首先要選取汽包水位控制系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制變量， 本系統(tǒng)按照設計要求可直接汽包水位作為被控參數(shù)。 影響水位變化的因素有給

16、水量變化、蒸汽量變化、燃料量變化和汽包壓力變化等等。而汽包壓力和蒸汽流量都不能作為控制變量，因為氣壓壓力變化并不直接影響水位，汽包壓力變化是有蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用戶的需求會各有不同，這是一個不可控因素；燃料量的變化也不能作為控制變量，因為這種變化要經過燃料系統(tǒng)變化熱量后，才可被水吸收，這一擾動通道的傳遞滯后和容量滯后都很大，所以燃料量的變化不能作為控制變量。故只能選擇給水量作為漆包水位的控制發(fā)展。 將系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制變量選定后可得到系統(tǒng)方框圖如下圖所示： 第 6 頁

17、 系統(tǒng)圖 設計系統(tǒng)方案圖 系統(tǒng)方案圖中可以看到，將給水量作為控制變量，汽包液位作為被控參水 之后，檢測變送器選擇壓差變送器， 執(zhí)行器選擇ＰＩ控制器， 執(zhí)行器為調節(jié)器。 第 7 頁

18、 3 硬件選型 3.1 水位 PID 控制系統(tǒng) 本次設計使用 1 個液位傳感器， 1 個輸入控制液體閥， 1 個輸出控制液體閥。系統(tǒng)啟動時，關閉出水口，用手動控制進水泵速度，使水位達到滿水位的75%，然后打開出水口，同時水泵控制從手動方式切換到自動方式，這種切換有一個輸入的數(shù)字量控制。 PID 的控制工藝圖如下： 水位 PID 控制工藝圖 3.2 PLC 的選型 （1）西門子 S7-200 系列小型 PLC-CP

19、U226 本次設計采用的西門子 PLC的 CPU是 CPU226 DC/DC/DC，CPU內部集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點，最多可連接 7 個擴展模塊；具有 PID 控制器； 2 個 RS-485 通信 / 編程口，具有 PPI 通信協(xié)議、 MPI 通信協(xié)議、和自由方式通信協(xié)議。額定電壓 24VDC，最大持續(xù)允許電壓 30VDC。 第 8 頁

20、 （2）模擬量模塊 EM235 因為 S7-200 的 CPU224本身不能處理模擬信號，所以處理模擬信號時需要外加模擬量擴展模塊。 模擬量擴展模塊 EM235 有 4 路模擬量輸入和 1 路模擬量輸出，輸入輸出都 可以為 0 10V 電壓或是 0 20mA 電流 ( 由 DIP 開關設置 ) ， 適用于復雜的控制場 合。其內部集成有 12 位的 A/D 轉換器，不用加放大器即可直接與執(zhí)行器和傳 感器相連，數(shù)模轉換時間小于 250μs。EM235模塊能直接和 PT100熱電阻相連，供電電源

21、為 24V。 （3）PC-PPI 電纜 將 PC/PPI 電纜連接 RS-232(PC)的一端連接到計算機上，另外一端連接到 PLC 的編程口上。它將提供 PLC 與計算機之間的通信，線長 5m, 帶內置RS-232C/RS285連接器，用于 CPU 22X與 PC直接連接。 3.3 PLC 的 I/O 分配 第 9 頁 3.4 流程控制圖 水位 PID 控制程序分為以下三個部分： （1）主程序調用模塊

22、 主程序調用模塊 （2）主程序調用子程序 （3）中斷子程序模塊 第 10 頁

23、 3.5 PLC 程序 運行 ——》單擊水泵控制按鈕 ——》系統(tǒng)啟動時關閉出水口，用手動控制進水泵速度，使水位達到滿水位的 75%，這時系統(tǒng)裝載 PID 參數(shù)，和連接 PID 中斷服務程序 ——》裝入回路設定值， VD104，回路增益 VD112,回路采樣時間 VD118,積分時間 VD120,同時設定中斷 0 的時間（ SMB34）, 間隔為 100ms ——》設定定時中斷執(zhí)行 PID 程序 INT_0。關閉微分作用 VD124。 在中斷處，將過程變量（ Pv）轉換成標準

24、的實數(shù)， 首先將整數(shù)轉換成雙整數(shù)（ AIW0--AC0） , 將雙整數(shù)轉換為實數(shù)——》而后將數(shù)值標準化（ AC0,32000.0--AC0 ）——》最后將標準化后的 Pv 存入回路表（ AC0--VD100） . 第 11 頁 而 I0.0 代表手動到自動的切換， 0 代表手動， 1 代表自動。自動方式下將把輸出值 Mn，轉換為 16 位整數(shù)， 首 先 判 斷 Mn 是 單 極 性 且 非 負 的 數(shù) ， 把 輸 出 值 送 到 累 加 器 （ VD108,32000.0--AC0 ） ——》然后標準化累加器中的值，將實數(shù)轉化成雙整

25、數(shù)， ——》再加雙整數(shù)轉化為整數(shù)，——》最后將數(shù)值寫入模擬標準輸出（ AC0--AQW0）. 子程序部分 第 12 頁

26、 中斷程序部分 第 13 頁

27、 第 14 頁 第 15 頁

28、 4 PID 參數(shù)整定 4.1 運用試湊法選定 PID 參數(shù) 進行 PID 參數(shù)整定的時，根據比例、積分和微分單元的作用和特點采用試湊法來確定參數(shù)值，參考各個參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例、再積分、最后微分的整定順序進行調整。過程如下： 先整定比例單元，將比例系數(shù) Kp 由小變大，同時觀察系統(tǒng)的響應曲線，知道得到響應比較快、超調量較小的響應曲線。如果此時已經得到靜態(tài)誤差小符合要求的曲線，就不在加入積分和微分部分，否則，再加入積分單元。 將調好的比例系數(shù) Kp 縮小為 0.8 倍左右，給 Ti 設置一個較大的值，然后逐漸減小

29、，并觀察響應曲線，直到系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除且系統(tǒng)動態(tài)性能良好。若反復調節(jié)仍得不到理想曲線，再加入微分單元。 將微分系數(shù) Td 從 0 開始逐漸增大， 同時適當調節(jié)比例系數(shù) Kp 和積分時間 Ti 的值，直到得到滿意曲線。 圖 4 - 1 鍋 爐 汽 包 水 位 控 制 系 統(tǒng) 方 塊 圖 圖 4 - 2 P I D 參 數(shù) 第 16 頁 4.

30、2 MATLAB仿真結果 圖 4 - 3 峰 值 第 17 頁

31、 穩(wěn) 態(tài) 值 的 2 % 第 18 頁 5 組態(tài)設計 5.1 組態(tài)王對 PLC的設備組態(tài) 西門子 S7-200 使用串口通信，在組態(tài)王中，選擇工程瀏覽器左側大綱項 中的“設備” |COM1選項，在工程瀏覽器右側雙擊“新建”圖標，運行“設備 配置向導”，以此選擇

32、“ PLC”中的“西門子”、“S7-200 系列”、 PPI 選項，當 設備定義完成后，可以在工程瀏覽器的右側看到新建的外部設備“ S7200”，如 圖 4-7 所示。在定義數(shù)據庫變量時，只要把 I/O 變量連接到這臺設備上，它就可以和組態(tài)王交換數(shù)據了。 5.2 組態(tài)王定義數(shù)據變量 在組態(tài)王中，鍋爐汽包水位控制的數(shù)據詞典見表 4-1 。 表 4-1 把數(shù)據詞典中定義的變量與組態(tài)畫面的圖素進行動畫連接，運行控制系統(tǒng)，就可以實時控制鍋爐過熱蒸汽的溫度。 5.3 組態(tài)王界面

33、 最終設計完成的組態(tài)界面如圖 4-4 所示 第 19 頁 第 20

34、 頁 總結 鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動態(tài)平衡， 從而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。 汽包水位控制系統(tǒng)是控制理論和過程控制技術在實際生產過程中的一個典型應用案例。 在本次的課設中我們小組采用的單沖量的方式進行總體的設計，在這其 中，采用了 PLC，PID，模擬量模型等主要的組成部分共同完成了這次的課設。 在整個設計過程中根據在校期間所學的理論知識和指導老師的耐心指導完成 了這次設計所需要的大部分工作，鞏固了之前所學的專業(yè)基礎知識，提高了我個人的理論

35、水平和其他方面的水平，為今后進一步的學習、工作打下了堅實的基礎。 總之，單沖量控制與 PLC技術在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的應用是行之有效的，相信 PLC技術在其他控制領域也會有廣泛的應用。隨著我國經濟的高速發(fā)展，企業(yè)的自動化水平不斷提高，大量的 PLC會不斷的裝配到生產過程當中去， PLC技術會有更加廣闊的應用前景。 第 21 頁 參考

36、文獻 [1] 潘新民，王燕芳 微型計算機控制技術 高等教育出版社 2001 [2] 王再英，過程控制系統(tǒng)與自動化儀表王再英 機械工業(yè)出版社 2007 [3] 黃一夫 . 微型計算機控制技術，機械工業(yè)出版社，1997.4 [4] 丁榮，蔡新平 . 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)分析與確定 ［ J］. 應用能源技術， 2011 [5] 邵裕森 . 過程控制系統(tǒng)［Ｍ］ . 北京：機械工業(yè)出版社， 2005 [6] 金以慧 . 過程控制［Ｍ］ . 北京：清華大學出版社， 2003: 212 ～246

37、 第 22 頁 致謝 在本次的課程設計中，我們學會更加熟練的使用相應軟件件，完成課程設 計的要求，在我們每個人通過查閱資料的過程中，學會了查找和整理資料的方 法，也學會了設計的方法， 也拓展了我們的思維， 這樣的經歷對我們很有鍛煉。 同時非常感謝我的指導老師的幫助， 同時還要對我的同組同學對我的指導與包 容表示衷心的感謝！ 第 23 頁