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1、《過程控制》課程設(shè)計(jì)說明書 鍋爐水位-汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 引言 工業(yè)自動(dòng)化涉及的范圍極廣，過程控制是其中最重要的一個(gè)分支。因而，過程控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。鍋爐是眾多工業(yè)部門必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。因此，鍋爐往往成了不少工廠不可缺少的一部分。因而，對(duì)鍋爐設(shè)備中的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究是必要的。鍋爐水位控制系統(tǒng)是鍋爐生產(chǎn)控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。對(duì)鍋爐生產(chǎn)操作如果不合理，管理不善，處理不當(dāng)，往往會(huì)引起事故。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的，可見鍋爐水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。 2 總體方案設(shè)計(jì)原則 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)在整個(gè)工程方案設(shè)計(jì)中占有十分重要的

2、地位，一個(gè)控制系統(tǒng)的成功與否主要取決于是否有一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制方案。任何一種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的都是為了滿足生產(chǎn)過程中的工藝要求，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，為實(shí)現(xiàn)此目的，設(shè)計(jì)加熱爐裝置的控制方案時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則： （1）滿足要求 最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，這是設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)的首要前提，也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。進(jìn)行設(shè)計(jì)前，需要深入了解被控對(duì)象，收集資料。 （2）安全可靠 保證控制系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的安全、可靠、穩(wěn)定，是設(shè)計(jì)中的重要原則。為了達(dá)到這一目的，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、軟件編程方面應(yīng)進(jìn)行總體規(guī)劃和全面考慮。 （3）經(jīng)濟(jì)實(shí)用 在滿足控制要求的前提

3、下，力求控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、維護(hù)方便。 （4）適應(yīng)發(fā)展 考慮到生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進(jìn)，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展功能。 2.1 調(diào)節(jié)閥選型原則 2.1.1 閥門開閉形式選擇原則 對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)來說，究竟選擇氣開閥還是氣閉閥，要由具體的生產(chǎn)工藝來決定。一般來說，要根據(jù)以下幾條原則進(jìn)行選擇： ① 首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)，即當(dāng)氣源供氣中斷、控制器故障無輸出或調(diào)節(jié)閥膜片破裂、漏氣等而使調(diào)節(jié)閥無法正常工作，使得閥芯回復(fù)到無能源的初始狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不致于發(fā)生事故。 ② 從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于無能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時(shí)，不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。 ③

4、 從降低原料、成品、動(dòng)力損耗來考慮。 ④ 從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。 一般來說，根據(jù)上面介紹的幾條原則，調(diào)節(jié)閥開、閉形式不難選擇。不過，如遇到下面兩種情況時(shí)，在調(diào)節(jié)閥開、閉形式的選擇上需要加以注意。第一種情況是由于工藝要求不一，對(duì)于同一調(diào)節(jié)閥可以有兩種不同的選擇結(jié)果。如果出現(xiàn)這種情況，需要與工藝專業(yè)人員認(rèn)真分析、仔細(xì)協(xié)商、分清主次、權(quán)衡利弊、慎重選擇。第二種情況是某些生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)節(jié)閥開、閉形式的選擇沒有嚴(yán)格要求，調(diào)節(jié)閥的開、閉形式可以任選。 2.1.2 控制器正反作用選擇原則 從控制原理可知，對(duì)于一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，只有在負(fù)反饋的情況下，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)，其過渡將會(huì)是衰減的。反之

5、，如果系統(tǒng)是正反饋，那么系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，一旦遇到干擾，過渡過程將會(huì)發(fā)散。系統(tǒng)不穩(wěn)定當(dāng)然是不希望發(fā)生的，因此，對(duì)于反饋控制系統(tǒng)來說，要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作，必須要構(gòu)成負(fù)反饋，即控制回路各個(gè)環(huán)節(jié)的符號(hào)之積為負(fù)值。在控制回路中，對(duì)象、調(diào)節(jié)閥、測(cè)量變送裝置和偏差環(huán)節(jié)的符號(hào)是很容易確定的，這樣就可以確定控制器的正反作用。 需要注意的是，對(duì)于DCS 而言，偏差為設(shè)定值減去測(cè)量值，因?yàn)樵摥h(huán)節(jié)的輸入為測(cè)量值，當(dāng)測(cè)量值減少的時(shí)候，偏差增加；當(dāng)測(cè)量值增加的時(shí)候，偏差減少，因此，該環(huán)節(jié)的符號(hào)一直為負(fù)。 2.1.3控制器規(guī)律選擇原則 工業(yè)過程中常見的控制規(guī)律有開關(guān)控制、比例控制、比例-積分控制、比例-微分控制、

6、比例-積分-微分控制等。過程工業(yè)中常見的參數(shù)有流量、液位、壓力和溫度，這些參數(shù)有些是重要的生產(chǎn)參數(shù)，有些是不太重要的參數(shù)，所以控制要求也是各有不同，控制規(guī)律的選擇要根據(jù)具體情況而定。有一些基本原則可以在選擇時(shí)加以考慮： （1）對(duì)于不太重要的參數(shù)，可以考慮采用比例控制，甚至采用開關(guān)控制； （2）對(duì)于不太重要的參數(shù)，但是慣性較大，又不希望動(dòng)態(tài)偏差較大，可考慮采用比例-微分控制。但是對(duì)于系統(tǒng)噪聲較大的參數(shù)，例如流量，則不能選用比例-微分控制； （3）對(duì)于比較重要的、控制精度要求比較高的參數(shù)，可采用比例-積分控制； （4）對(duì)于比較重要的、控制精度要求比較高、希望動(dòng)態(tài)偏差小、被控對(duì)象的時(shí)間滯后較

7、大的參數(shù)，應(yīng)該采用比例-積分-微分控制或者是先進(jìn)控制算法。 2.2 溫度-液位雙回路控制系統(tǒng)構(gòu)成 電熱鍋爐溫度-液位雙回路控制系統(tǒng)的組成如圖1 所示。采用PLC 作控制器,兩個(gè)控制回路分別實(shí)現(xiàn)鍋爐液位和鍋爐出水溫度的控制。因?yàn)殄仩t液位如果過低會(huì)發(fā)生干燒而發(fā)生嚴(yán)重事故，因此，系統(tǒng)還采用了低液位聯(lián)鎖控制。 鍋爐液位控制過程：壓力變送器將鍋爐液位檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，送至PLC 的模擬量輸入AI1 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，然后PLC 根據(jù)給定的液位值與反饋值比較，利用其偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)果經(jīng)AO1 輸出至變頻器，使頻率相應(yīng)變化，水泵轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)供水量，最終實(shí)現(xiàn)鍋爐液位的穩(wěn)定。 圖1

8、 電熱鍋爐溫度-液位雙回路控制系統(tǒng)組成 鍋爐水溫控制過程：溫度傳感器和溫度變送器將出水溫度檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，送至PLC 的模擬量輸入AI2 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，然后PLC 根據(jù)給定的溫度值與反饋值比較，進(jìn)行PID 運(yùn)算，結(jié)果經(jīng)AO2 輸出至晶閘管SCR 模塊，改變鍋爐電熱圈兩端電壓，最終實(shí)現(xiàn)鍋爐出水溫度的穩(wěn)定。 低液位聯(lián)鎖控制原理：如果液位值在正常范圍內(nèi)，輸出端DO1 輸出為ON,控制低液位聯(lián)鎖開關(guān)閉合，可以正常進(jìn)行加熱工作。如果液位反饋值低于給定低限報(bào)警值，則進(jìn)行低液位報(bào)警，并控制低液位聯(lián)鎖開關(guān)斷開，停止加熱，保證了鍋爐的工作安全。 2.2.1汽包水位控制 汽包液位調(diào)節(jié)的任務(wù)是使鍋

9、爐進(jìn)水量和鍋爐蒸發(fā)量相平衡，并維持汽密水位在工藝規(guī)定的安全范疇內(nèi)。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用三沖量調(diào)節(jié)，即根據(jù)給水流量、汽包液位和蒸汽流量調(diào)節(jié)給水閥，汽包水位信號(hào)經(jīng)汽包壓力補(bǔ)償后作為主調(diào)的輸入，蒸汽流量信號(hào)經(jīng)溫度、壓力修正后與給水流量信號(hào)一起作為副調(diào)的反饋輸入。啟動(dòng)時(shí)只有汽包水位的單沖量控制。單沖量控制和三沖量控制能相互無擾動(dòng)切換。汽包水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸汽帶水過多，使過熱蒸汽溫度降低；水位過低，負(fù)荷增大時(shí)水的汽化速度加快，汽包內(nèi)水量迅速減少，如不及時(shí)調(diào)整，會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化，危及鍋爐安全。當(dāng)負(fù)荷非常不穩(wěn)定時(shí)，給水流量的擾動(dòng)，使汽包水位有較大延遲，蒸汽流量變化，會(huì)出現(xiàn)虛假水位，使得

10、三沖量難以運(yùn)行，因此先以單沖量投入運(yùn)行，使工況穩(wěn)定后再投入三沖量，也要求單沖量和三沖量?jī)煞N控制方式能方便地進(jìn)行無擾切換。見圖2 圖2 汽包水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 2.2.2 過熱蒸汽汽溫控制 過熱蒸汽溫度是非常重要的參數(shù)，過高會(huì)燒壞過熱器水管，對(duì)負(fù)荷設(shè)備的安全運(yùn)行帶來不利因素，過低會(huì)直接影響負(fù)荷設(shè)備的使用。因此它的控制要求比較嚴(yán)格，一般工藝上都是用噴水減溫的方法來控制過熱蒸汽溫度。根據(jù)過熱蒸汽溫 度和減溫器后蒸汽溫度調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥，使過熱蒸汽溫度維持在工藝安全范圍，見圖3。 圖3過熱蒸汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)入口

11、蒸汽及減溫水一側(cè)擾動(dòng)時(shí)，首先反應(yīng)為減溫器后汽溫的變化，這個(gè)回路就可以及時(shí)調(diào)整，使擾動(dòng)對(duì)過熱蒸汽溫度的影響大大減少，提高了調(diào)節(jié)品質(zhì)。 3被控參數(shù)特性分析 控制對(duì)象對(duì)象中主要包括溫度、流量這2個(gè)參數(shù)，不同類型的參數(shù)具有不同的對(duì)象特性，需要采用不同的控制方法。 （1）溫度 溫度動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)：其一，慣性大，容量滯后大，有些過程的時(shí)間常數(shù)達(dá)到十幾分鐘；其二，溫度對(duì)象通常是多容的。由于溫度滯后大，控制起來不靈敏，因此溫度控制系統(tǒng)需要增加微分作用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度控制就是對(duì)傳熱過程的控制，包括對(duì)流傳熱、傳導(dǎo)傳熱和輻射傳熱。溫度控制的操縱變量通常是流量，如加熱介質(zhì)的流量、冷卻介質(zhì)的流量、燃料的

12、流量等。溫度控制的方法與被控對(duì)象的特點(diǎn)、控制精度要求等有關(guān)，其種類很多。 （2）流量 水位的控制要明確流量的大小，流量的測(cè)量容易受到噪聲的干擾，流量本身可能是平穩(wěn)的，平均流量沒有什么變化，但是測(cè)量信號(hào)常常是頻繁地變動(dòng)。這是由于管道中的流動(dòng)正常時(shí)都呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，流量雖然平穩(wěn)，流體內(nèi)部卻在騷動(dòng)。特別是流體通過截流裝置時(shí)，此種騷動(dòng)程度比較大，產(chǎn)生的噪聲也較大。噪聲是一種頻率很高、變化無常的流體流動(dòng)，這是流量控制系統(tǒng)不能加微分的原因。由于噪聲頻率很高，雖然幅度變化不大，但若加上微分控制器其輸出容易出現(xiàn)波動(dòng)，反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。流量過程時(shí)間常數(shù)很小，當(dāng)手動(dòng)調(diào)整閥門時(shí)，流量在幾秒鐘內(nèi)就能變化完畢，響應(yīng)比

13、較靈敏。這是由于工業(yè)過程中調(diào)節(jié)閥（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，緩沖余地小，閥門一動(dòng)作，流量立即變化，滯后時(shí)間小、響應(yīng)快。對(duì)于流量而言，廣義對(duì)象的時(shí)間常數(shù)主要取決于控制器、定位器、變送器和信號(hào)傳輸?shù)炔糠?，流量自身的時(shí)間常數(shù)相對(duì)較小。 4 系統(tǒng)控制流程 根據(jù)控制要求，系統(tǒng)控制流程如圖4 所示。 PLC上電運(yùn)行后，首先執(zhí)行初始化程序，設(shè)定控制參數(shù)初值，給出液位和溫度設(shè)定值。系統(tǒng)啟動(dòng)開關(guān)閉合后，啟動(dòng)控制?？刂瞥绦蛑惺褂靡粋€(gè)定時(shí)器進(jìn)行周期采樣和PID 控制，定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間按采樣時(shí)間來設(shè)定。采樣時(shí)間到，分別進(jìn)行液位和溫度過程值的采樣處理，然后與設(shè)定值比較，分別進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，

14、 計(jì)算出的操作值分別給變頻器和晶閘管SCR實(shí)現(xiàn)液位和溫度的控制。程序會(huì)判斷液位是否低于下限，如果發(fā)生低液位，則通過聯(lián)鎖開關(guān)停止加熱，并發(fā)出報(bào)警； 圖4 系統(tǒng)控制流程 如果液位正常，則加熱工作也正常進(jìn)行；如果液位高于上限，會(huì)發(fā)出高液位報(bào)警。溫度過高，通過程序控制會(huì)給出高溫指示。 5 總結(jié) 鍋爐汽溫-水位雙回路控制系統(tǒng)采用了PLC 控制技術(shù)、變頻器調(diào)速技術(shù)和電力電子技術(shù)，軟硬件相結(jié)合，比較理想地實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐汽溫和水位的自動(dòng)控制，系統(tǒng)安全、可靠、易于實(shí)現(xiàn)、維修方便。如果結(jié)合上位監(jiān)控軟件，還可以實(shí)現(xiàn)很

15、好的人機(jī)交互，進(jìn)行設(shè)定值和控制參數(shù)的在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 6 心得體會(huì) 本設(shè)計(jì)是在經(jīng)過兩個(gè)星期的時(shí)間完成的，我們參考了許多的資料，包括網(wǎng)上的，書本上的等，盡我們的所能，而編寫的一篇的報(bào)告。作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，過程控制已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)生活應(yīng)用中空前活躍的科目，在生活中可以說

16、得是無處不在?；仡櫰鸫苏n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在整整兩個(gè)星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說以前學(xué)的前饋系統(tǒng)。當(dāng)真正做一個(gè)連貫系統(tǒng)時(shí)就不那么得心應(yīng)手了！課程設(shè)計(jì)之后，學(xué)到很多的東西。 參考文獻(xiàn) [1] 王永華 《現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)》 北京航空航天大學(xué)出版社 2008.2 [2]能源部西安熱工研究院 《熱工技術(shù)手冊(cè)》 1992 [3]張淑玉 《電廠熱力過程自動(dòng)化》 水利電力出版社 2003 [4]施仁 《自動(dòng)化儀表與過程控制》 電子工業(yè)出版社 1999 [5]文群英 《熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)》 中國(guó)電力出版社 2006 [6]張麗香 《模擬量控制系統(tǒng)》 中國(guó)電力出版社 2006 10