《鍋爐汽包水位的控制要點(diǎn)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《鍋爐汽包水位的控制要點(diǎn)（40頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 摘要 鍋爐是電廠和化工廠里常見的生產(chǎn)設(shè)備，為了使鍋爐能正常運(yùn)行，必須維持鍋爐的水位在一定的范圍內(nèi)，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(huì)影響汽水分離的效果，使蒸汽帶液，損壞汽輪機(jī)葉片；如果水位過低會(huì)損壞鍋爐，甚至引起爆炸?？梢婂仩t汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。本論文設(shè)計(jì)的是鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，利用控制裝置和被控對(duì)象組成了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。被調(diào)量是汽包水位，調(diào)節(jié)量是給誰量。它主要考慮汽包內(nèi)部物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的揮發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)。 關(guān)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(diào)節(jié)原理： ......................................... 4 1.4 本設(shè)計(jì)的主要工作 ........................................... 4 2 控制方案設(shè)計(jì) . ...............

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(yùn)用試湊法選定 PID 參數(shù) .................................... 16 4.2 MATLAB仿真結(jié)果 . ........................................... 17 5 組態(tài)設(shè)計(jì) . ...................................................... 19 5.1 組態(tài)王對(duì) PLC的設(shè)備組態(tài) . ...........

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

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(shè)備，為化石烯料的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(chǔ)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成水

9、或水蒸氣的熱能的重要設(shè)備， 長(zhǎng)期以來在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經(jīng)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(chǎn)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(fù)荷控制系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)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(yùn)行的一個(gè)主要參數(shù)， 水位過高會(huì)使蒸汽帶水帶鹽，嚴(yán)

10、重的將引起整體品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)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(dāng)，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)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(wù)是保證汽包水位在允許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)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(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、能源、交通等各種行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通信能力上的飛速發(fā)展，大大增強(qiáng)了 PLC通信能力，豐富了 PLC

11、編程軟件和編程技巧，增強(qiáng)了PLC過程控制能力。因此，無論是單機(jī)還是多機(jī)控制、生產(chǎn)流水線控制及過程控制都可以采用 PLC技術(shù)。 PLC控制鍋爐技術(shù)是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。它 是 PLC軟、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。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。 隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對(duì)給水控制提出了更高的要求，其主要原因有： （1）汽包的個(gè)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(fù)荷，使鍋爐負(fù)荷對(duì)水位的影響加劇了

12、； （3）提高了鍋爐的工作壓力，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，調(diào)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(dòng)控制是必不可少的，它可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行。 1.3 汽包水位調(diào)節(jié)原理： 1. 汽包鍋爐給水自動(dòng)控制的任務(wù)是維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)變化。 汽包水位是鍋爐運(yùn)行中的一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)， 它間接地表示了鍋爐負(fù)荷和給水的平衡關(guān)系。維持汽包水位是保持汽機(jī)和鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。 2．汽包水位被控對(duì)象的擾動(dòng)有四個(gè)來源，包括給水量方面的擾動(dòng)為內(nèi)部擾動(dòng)。其余的如蒸汽負(fù)荷的

13、擾動(dòng)、燃料量的變化及汽包壓力的變化等為外部擾動(dòng)。其中尤以給水?dāng)_動(dòng)、汽機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)和鍋爐熱負(fù)荷擾動(dòng)較為嚴(yán)重。 1.4 本設(shè)計(jì)的主要工作 利用西門子 PLC設(shè)計(jì)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(jìn)行 I/O 分配。 將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳送到 PLC或計(jì)算機(jī)，利用 PI 或 PID 算法進(jìn)行運(yùn)算。 利用計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)給水電動(dòng)閥閥門開度，控制鍋爐水位（內(nèi)容 2 和 3 可用 G(s) 1 e1.1s matlab 仿真實(shí)現(xiàn) ?？刂葡到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型為 1 6s ）。 利用組態(tài)王完成上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)。 5） 控制

14、時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間小于 10s，最大超調(diào)不大于 5%。 第 4 頁 第 5 頁 2 控制方案設(shè)計(jì) 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(nèi)壓力的變化導(dǎo)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(jī)耗汽量 D； 3. 燃料量 B 三個(gè)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(shè)計(jì)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?yàn)闅鈮簤毫ψ兓⒉恢苯佑绊懰?，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?huì)各有不同，這是一個(gè)不可控因素；燃料量的變化也不能作為控制變量，因?yàn)檫@種變化要經(jīng)過燃料系統(tǒng)變化熱量后，才可被水吸收，這一擾動(dòng)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(shè)計(jì)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(cè)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(diào)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(shè)計(jì)使用 1 個(gè)液位傳感器， 1 個(gè)輸入控制液體閥， 1 個(gè)輸出控制液體閥。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口，用手動(dòng)控制進(jìn)水泵速度，使水位達(dá)到滿水位的75%，然后打開出水口，同時(shí)水泵控制從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式，這種切換有一個(gè)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(shè)計(jì)采用的西門子 PLC的 CPU是 CPU226 DC/DC/DC，CPU內(nèi)部集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，最多可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊；具有 PID 控制器； 2 個(gè) 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?yàn)?S7-200 的 CPU224本身不能處理模擬信號(hào)，所以處理模擬信號(hào)時(shí)需要外加模擬量擴(kuò)展模塊。 模擬量擴(kuò)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(guān)設(shè)置 ) ， 適用于復(fù)雜的控制場(chǎng) 合。其內(nèi)部集成有 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換時(shí)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(jì)算機(jī)上，另外一端連接到 PLC 的編程口上。它將提供 PLC 與計(jì)算機(jī)之間的通信，線長(zhǎng) 5m, 帶內(nèi)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(gè)部分： （1）主程序調(diào)用模塊

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

23、 3.5 PLC 程序 運(yùn)行 ——》單擊水泵控制按鈕 ——》系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉出水口，用手動(dòng)控制進(jìn)水泵速度，使水位達(dá)到滿水位的 75%，這時(shí)系統(tǒng)裝載 PID 參數(shù)，和連接 PID 中斷服務(wù)程序 ——》裝入回路設(shè)定值， VD104，回路增益 VD112,回路采樣時(shí)間 VD118,積分時(shí)間 VD120,同時(shí)設(shè)定中斷 0 的時(shí)間（ SMB34）, 間隔為 100ms ——》設(shè)定定時(shí)中斷執(zhí)行 PID 程序 INT_0。關(guān)閉微分作用 VD124。 在中斷處，將過程變量（ Pv）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)

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

25、數(shù)， ——》再加雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)，——》最后將數(shù)值寫入模擬標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)用試湊法選定 PID 參數(shù) 進(jìn)行 PID 參數(shù)整定的時(shí)，根據(jù)比例、積分和微分單元的作用和特點(diǎn)采用試湊法來確定參數(shù)值，參考各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例、再積分、最后微分的整定順序進(jìn)行調(diào)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(shí)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，知道得到響應(yīng)比較快、超調(diào)量較小的響應(yīng)曲線。如果此時(shí)已經(jīng)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(diào)好的比例系數(shù) Kp 縮小為 0.8 倍左右，給 Ti 設(shè)置一個(gè)較大的值，然后逐漸減小

29、，并觀察響應(yīng)曲線，直到系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好。若反復(fù)調(diào)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(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)比例系數(shù) Kp 和積分時(shí)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(jié)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(shè)計(jì) 5.1 組態(tài)王對(duì) PLC的設(shè)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(cè)大綱項(xiàng) 中的“設(shè)備” |COM1選項(xiàng)，在工程瀏覽器右側(cè)雙擊“新建”圖標(biāo)，運(yùn)行“設(shè)備 配置向?qū)А?，以此選擇

32、“ PLC”中的“西門子”、“S7-200 系列”、 PPI 選項(xiàng)，當(dāng) 設(shè)備定義完成后，可以在工程瀏覽器的右側(cè)看到新建的外部設(shè)備“ S7200”，如 圖 4-7 所示。在定義數(shù)據(jù)庫(kù)變量時(shí)，只要把 I/O 變量連接到這臺(tái)設(shè)備上，它就可以和組態(tài)王交換數(shù)據(jù)了。 5.2 組態(tài)王定義數(shù)據(jù)變量 在組態(tài)王中，鍋爐汽包水位控制的數(shù)據(jù)詞典見表 4-1 。 表 4-1 把數(shù)據(jù)詞典中定義的變量與組態(tài)畫面的圖素進(jìn)行動(dòng)畫連接，運(yùn)行控制系統(tǒng)，就可以實(shí)時(shí)控制鍋爐過熱蒸汽的溫度。 5.3 組態(tài)王界面

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

34、 頁 總結(jié) 鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動(dòng)態(tài)平衡， 從而維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)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(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的一個(gè)典型應(yīng)用案例。 在本次的課設(shè)中我們小組采用的單沖量的方式進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)，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(shè)。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中根據(jù)在校期間所學(xué)的理論知識(shí)和指導(dǎo)老師的耐心指導(dǎo)完成 了這次設(shè)計(jì)所需要的大部分工作，鞏固了之前所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提高了我個(gè)人的理論

35、水平和其他方面的水平，為今后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)、工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 總之，單沖量控制與 PLC技術(shù)在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是行之有效的，相信 PLC技術(shù)在其他控制領(lǐng)域也會(huì)有廣泛的應(yīng)用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，企業(yè)的自動(dòng)化水平不斷提高，大量的 PLC會(huì)不斷的裝配到生產(chǎn)過程當(dāng)中去， PLC技術(shù)會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。 第 21 頁 參考

36、文獻(xiàn) [1] 潘新民，王燕芳 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 高等教育出版社 2001 [2] 王再英，過程控制系統(tǒng)與自動(dòng)化儀表王再英 機(jī)械工業(yè)出版社 2007 [3] 黃一夫 . 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，機(jī)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(yīng)用能源技術(shù)， 2011 [5] 邵裕森 . 過程控制系統(tǒng)［Ｍ］ . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005 [6] 金以慧 . 過程控制［Ｍ］ . 北京：清華大學(xué)出版社， 2003: 212 ～246

37、 第 22 頁 致謝 在本次的課程設(shè)計(jì)中，我們學(xué)會(huì)更加熟練的使用相應(yīng)軟件件，完成課程設(shè) 計(jì)的要求，在我們每個(gè)人通過查閱資料的過程中，學(xué)會(huì)了查找和整理資料的方 法，也學(xué)會(huì)了設(shè)計(jì)的方法， 也拓展了我們的思維， 這樣的經(jīng)歷對(duì)我們很有鍛煉。 同時(shí)非常感謝我的指導(dǎo)老師的幫助， 同時(shí)還要對(duì)我的同組同學(xué)對(duì)我的指導(dǎo)與包 容表示衷心的感謝！ 第 23 頁