锅炉汽包水位控制系统设计毕业论文

河南城建学院本科毕业设计(论文) 摘要摘 要 汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC 技术的快速发展使得PLC 广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能，PLC 已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象” ，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了 PID 参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用 PLC 编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成 PLC 在锅炉汽包水位控制系统中应用。关键词：汽包水位、三冲量控制、PLC、PID 控制河南城建学院本科毕业设计(论文) ABSTRACTABSTRACT The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain.Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed.Key words: Steam drum water level、Three impulses control、PLC、PID control河南城建学院本科毕业设计(论文) 目录目 录摘 要.ABSTRACT.1 绪 论 .11.1 汽包水位控制系统的发展现状 .11.2 汽包水位调节的任务 .21.3 本设计的主要工作 .22 控制方案设计 .32.1 虚假水位的形成及对策 .32.2 汽包水位的影响因素 .42.3 汽包水位的控制方案设计 .63 硬件选型 .143.1PLC 及相关模块选型 .143.2 电机的选型 .143.3 变频器的选型 .153.4 水位传感器的选型 .153.5 流量传感器的选型 .163.6 接触器的选型 .173.7 熔断器的选型 .173.8 功率三极管的选型 .183.9 变压器的选型 .183.10 设备清单 .194 硬件设计 .204.1 系统总体线路设计 .20河南城建学院本科毕业设计(论文) 目录I4.2 控制线路设计 .225 参数整定与仿真 .245.1 PID 算法简介 .245.2 三冲量控制系统参数整定 .245.3 三冲量控制系统仿真分析 .306 软件设计 .346.1 程序流程设计 .346.2 GX DEVELOPER 程序设计 .36结束语 .42参考文献 .43致谢 .44附录 锅炉汽包水位控制系统原理图 .45河南城建学院本科毕业设计(论文) 1 绪论01 绪 论1.1 汽包水位控制系统的发展现状蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽产品，以满足负荷的需要。锅炉是一个十分复杂的控制对象，为保证提供合格的蒸汽产品以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标，由于负荷、燃烧状况及给水流量等因素的变化，汽包水位会经常发生变化 1。因此锅炉汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。传统的控制方法是以各种分立器件的应用为基础，利用各种检测器件对被控参数实时进行检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动控制的目的。但是这种控制方式受分立器件的性能影响大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易出现故障。现在广泛使用的控制技术还有 DCS集散控制系统 2，但由于 DCS 系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往价格昂贵，对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高，因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择。PLC 是 70 年代发展起来的中大规模的控制器，是集 CPU、RAM、ROM、I/O 接口与中断系统于一体的器件 3，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业。随着计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了 PLC 通信能力，丰富了 PLC 编程软件和编程技巧，增强了 PLC 过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用 PLC 技术。PLC 控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术。它是 PLC 软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用 PLC 控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实河南城建学院本科毕业设计(论文) 1 绪论1时检测并进行反馈，PLC 对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。1.2 汽包水位调节的任务给水自动调节也叫水位自动调节，其主要任务是：(1)维持锅炉水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应于蒸发量。锅炉的水位是影响安全运行的重要因素。水位过高会影响汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故。水位过低，则会破坏汽水正常循环，以致烧坏受热面。水位过高或过低，都是不允许的。所以，正常运行时汽包水位应在给定值的 30mm 上下范围波动。(2)保持给水量稳定。给水量稳定，有助于省煤器和给水管道的安全运行。实践证明，无论是电站锅炉，或者是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现给水自动调节。1.3 本设计的主要工作本次设计的主要工作有：（1） 设计锅炉汽包水位控制方案从锅炉汽包水位的动态性能入手，分析影响锅炉汽包水位的主要因素，并对这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究。根据各个因素对锅炉汽包水位的影响采用汽包水位三冲量方案，达到控制锅炉汽包水位稳定的目的。（2） 硬件设备的选型与设计根据所设计的控制方案合理地选择检测元件、执行机构和控制设备以及其它必要设备，并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计。为整个系统的实现以及稳定、可靠运行打下基础。（3） 控制算法的参数整定与仿真根据被控对象的特点以及它的静态、动态特性按照工程整定的方法进行控制器的参数整定，设计调节器的各个参数。在此基础之上对整定结果进行仿真，并对整定结果进行进一步调整判断其可行性，为后续的软件设计工作打下基础。（4）PLC 程序根据参数整定和仿真的结果利用相关软件进行 PLC 梯形图程序设计，最终实河南城建学院本科毕业设计(论文) 1 绪论2现控制算法。河南城建学院本科毕业设计(论文) 2 控制方案设计32 控制方案设计锅炉是重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，如果水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。如果水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包锅炉。所以锅炉汽包水位过高过低都可能造成重大事故。在锅炉汽包水位控制系统中被控量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡状态，从而使汽包水位的变化在允许范围之内，保证锅炉的安全运行，生产出合格稳定的高质量蒸汽，以满足负荷的需要。本设计的锅炉选用 DZL35-0.5- A型号的锅炉。它是一种单锅筒纵置式锅炉，主要燃料是类烟煤。它可以应用在电厂发电、化工厂、食品厂、大型厂矿、集中供热等方面。本设计控制锅炉的其它主要参数如表 1.1 所示：表 2.1 锅炉主要参数型号 DZL35-0.5- A 安装方式 组装锅炉循环方式 自然循环 额定蒸发量 35t/h额定水位 300mm 额定蒸汽压力 0.5MP额定蒸汽温度 194 额定供水量 35 m3/h燃料消耗量 3895.5 kg/h 额定给水温度 202.1 虚假水位的形成及对策“虚假水位”是锅炉运行时不真实的水位。 “虚假水位”的产生是由于当汽包压力突降时，炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水大量放出热量来进行蒸发。于是炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，使水位不是下降而是很快上升，形成“虚假水位” 。当汽包压力突升时，则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，使水位不是上升而是很快下降，形成“虚假水位” 。此外当锅炉内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚“假水位” 。锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时，都会产生“虚假水位” 。在负荷突然变化时，汽压也相应变化，这时将会出现“虚假水位” 。负荷变化速度越快， “虚假水位”越明显。如遇汽轮机甩负荷，汽压突然升高，水位河南城建学院本科毕业设计(论文) 2 控制方案设计4将瞬时下降；运行中燃烧突然增强或减弱，引起汽泡量突然增大或减少，使水位瞬时升高或下降；安全阀起座时，由于压力突然下降，水位瞬时明显升高；锅炉灭火时，由于燃烧突然停止，锅水中汽泡产量迅速减少，水位也将瞬时下降。在输入端引入蒸汽流量信号，设置水位系统的前馈调节，于是当蒸汽流量增大时，给水量随之增大，给水量增多，水温又较低，有利于克服“虚假水位”的影响。2.2 汽包水位的影响因素首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。锅炉给水调节对象如图 2.1 所示。给水调节机构为变频器调节给水量 W，汽轮机耗汽量 D 是由汽轮机阀门开度来控制的。省煤器过热器水冷壁汽包变频器图 2.1 锅炉给水调节对象初看起来，汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样，给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低 4。但实际情况并非如此，最突出的一点就是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的体积 V 是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化的。如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。影响汽包水位 H 的主要因素有给水量 W，汽轮机耗汽量 D 和燃料量 B 三个主要因素。（1）给水扰动的影响如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图 2.2 所示的曲线 H1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积 V 也就会相应的减