锅炉过热控制系统课程设计.doc

摘要 锅炉是一种应用最广的热能装置，人们通常将燃料比喻做工业的“粮食”，那么锅炉就相当于工业的“肠胃”。目前，工业锅炉是能源转换和能源消耗的重要设备。为了保证锅炉的安全、经济运行,锅炉的水位、温度、压力、流量都要严格的控制，不应该有较大的波动，应该严格控制在一个精确的范围内，只有这样才能安全生产。过热蒸汽温度是各种工业锅炉设备的重要参数。锅炉过热蒸汽温度的控制温度，就是为了维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。本次设计以组态王组态软件实时监控锅炉过热蒸汽温度控制系统为背景，主要是用西门子s7-200 plc和组态软件kingview 6.55 设计锅炉过热蒸汽温度监控系统。在控制系统的设计与分析中，分别对串级控制系统和单回路控制系统进行了分析与阐述，通过分析比较发现，采用串级控制系统控制效果更好。本文说明了锅炉和过热蒸汽温度控制系统的工作原理，利用matlab,simulink 软件进行了参数整定和plc 梯形图设计，最后还将组态王和s7200plc连接起来，实现了锅炉温度实时检测的功能。关键词：s7200plc 组态软件设计 过热蒸汽温度控制 plc 梯形图目录1.绪论1 1.1锅炉简介1 1.2过热蒸汽温度简介12.设计要求及分析2 2.1 设计要求2 2.2 设计思路及分析23.锅炉系统生产工艺3 3.1锅炉设备3 3.2锅炉控制工艺要求34.蒸汽过热系统5 4.1蒸汽过热系统控制任务5 4.2蒸汽过热系统控制原理54.2.1 单回路控制方案54.2.2串级控制方案55.调节器参数整定7 5.1 动态特性参数法7 5.2二阶工程设计法86.系统硬件选型11 6.1硬件选型117.plc程序设计13 7.1 pid 算法13 7.2控制回路表13 7.3梯形图程序设计138.组态设计20 8.1组态王对plc 的组态20 8.2定义数据变量20 8.3组态王界面设计219总 结23参考文献24致谢251绪论1.1锅炉简介锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和名称，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。1.2 过热蒸汽温度简介在燃煤锅炉运行中，过热蒸汽温度是一个很重要的控制参数。过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度较高，可能造成过热器蒸汽管道损坏；过热蒸汽温度过低，会降低内功率。所以在锅炉运行中，必须保持过热蒸汽温度稳定在规定值附近。 过热蒸汽温度控制的主要任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全；过热蒸汽温度偏低，则会降低发电机组能量转换效率。据分析，气温每降低5，热经济性将下降1 ；蒸汽温度偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度增大,甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全。2.设计要求及分析2.1 设计要求本次课程设计的主要任务是设计一个锅炉过热蒸汽温度控制系统，其主要内容为：利用西门子plc设计锅炉过热蒸汽温度控制系统，编写程序。完成以下工作：1.完成plc的选型，进行i/o分配。2.将温度信号转化成电信号传送到plc或计算机，利用pi或pid算法进行运算。3.利用计算结果调节减温水电动阀阀门开度，控制锅炉过热蒸汽温度（内 ）。4.利用组态王完成上位机组态设计。 5.控制时调节时间小于10s，最大超调不大于5%。2.2 设计思路及分析 本次设计以组态王组态软件实时监控锅炉过热蒸汽温度控制系统为背景，主要是用西门子s7-200 plc和组态软件kingview 6.55 设计锅炉过热蒸汽温度监控系统。首先我们了解了过热蒸汽温度控制的意义及锅炉的工作原理，然后利用matlab软件进行了调节器的参数整定，之后进行系统硬件配置选型并给出用于温度控制的plc 梯形图。最后将组态软件和s7-200 plc连接起来，实现锅炉温度检测的功能，从而完成整个课程设计。3.锅炉系统生产工艺3.1锅炉设备锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气完成一个循环。3.2锅炉控制工艺要求锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统： 锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的无聊平衡，使机水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内； 锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。 过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围； 锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。图3-1 锅炉设备主要工艺流程图4.蒸汽过热系统4.1蒸汽过热系统控制任务蒸汽过热系统则是锅炉系统安全正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。过热蒸汽温度的控制任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度过热蒸汽温度是锅炉给水通道中温度最高的地方，过热器正常运行时的温度一般接近于材料所允许的最高温度。过热蒸汽温度控制的主要任务就是：1) 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格。2) 保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。4.2蒸汽过热系统控制原理蒸汽温度控制系统可直接选择过热蒸汽温度作为被控参数。影响过热蒸汽出口温度的扰动因素主要有蒸汽流量d、烟气热量、减温水流量。蒸汽流量d是不可控的，不能选作蒸汽温度控制变量；选择烟气热量（调节烟气流量或烟气温度）作为控制变量，实现起来比较复杂，并会造成与燃烧控制系统的相互干扰，也不可取。只有选择减温水流量作为蒸汽温度控制系统的控制变量。4.2.1 单回路控制方案 单回路控制方案:在运行过程中，改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热晗，亦改变进口蒸汽温度，其原理图如图4-1所示。从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单、投资少，因此，实际过程中应用得最多。4.2.2串级控制方案串级控制方案:采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器2的控制，形成了特有的双闭环系统。由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环，由主调节器和主信号出口蒸汽温度形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中的。其原理图如图4-2所示。图4-1 改变减温水量控制蒸汽温度系统原理图图4-2 过热蒸汽温度串级调节系统原理图5调节器参数整定在实际工业生产应用中，pid调节器是构成自动控制系统的核心仪表，它的基本功能是将来自变送器的测量信号与给定信号相比较，并对由此所产生的偏差信号进行比例，积分或微分处理后，输出调节信号控制执行器的动作以实现对不同被测或被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动控制。5.1 动态特性参数法已知锅炉过热蒸汽温度控制系统数学模型为：被控对象中参数，利用开环整定法反应曲线法（动态特性参数法）求取pid调节器控制参数的算式如下：得到pid调节器控制参数，即pid调节器的传递函数为：将pid调节器与被控对象串联，构成图5-1所示的闭环系统，利用matlab求得其阶跃响应曲线如图5-2所示。图5-1 锅炉过热蒸汽温度控制系统方块图(1)图5-2说明动态特性参数法整定的pid参数不满足控制要求。图5-2 动态特性参数整定得到的阶跃响应曲线5.2二阶工程设计法由泰勒一阶近似式可得到故系统的数学模型可写成控制系统的方框图如图5-3所示：图5-3 锅炉过热蒸汽温度控制系统方块图(2)图5-4为利用matlab进行仿真得到的的阶跃响应曲线。由图可知，用一阶惯性环节来代替纯滞后环节的阶跃响应曲线基本一致。图5-4 阶跃响应曲线图在炉温控制系统中，满足,根据二阶工程设计法，可用比例积分调节器来校正系统。最后得到调节器的形式：式中其阶跃响应曲线如图5-5所示。图5-5 采用pi控制器的阶跃响应曲线图故最终设计的pi调节器为：.6系统硬件选型6.1硬件选型基于plc的锅炉过热蒸汽温度控制系统硬件主要包括电动调节阀、温度变送器、西门子s7-200plc、em235模拟量模块。s7-200plc控制系统硬件由四部分组成：cpu模块、扩展模块及pc/ppi电缆，还有上位机。1、cpu224 dc/dc/dc模块本次设计采用的西门子plc的cpu是cpu224 dc/dc/dc，cpu内部集成14输入/10输出共24个数字量i/o点，最多可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量i/o点或35路模拟量i/o点；具有pid控制器；1个rs-485通信/编程口，具有ppi通信协议、mpi通信协议、和自由方式通信协议；i/o端子排可以很容易地整体拆卸。2、em235模块因为s7-200的cpu224本身不能处理模拟信号，所以处理模拟信号时需要外加模拟量扩展模块。模拟量扩展模块em235 有4路模拟量输入和1路模拟量输出，输入输出都可以为适用于复杂的控制场合。其内部集成有12位的a/d转换器，不用加放大器即可直接与执行器和传感器相连。em235模块能直接和pt100热电阻相连，供电电源为24v。本设计的标准配置中，能寻址的物理i/o点数字量输入为 数字量输出为 模拟量输入为 模拟量输出为。3、plc与上位机通信本次设计plc与上位机通信采用pc/ppi电缆。将pc/ppi电缆连接rs-232(pc)的一端连接到计算机上，另外一端连接到plc的编程口上。它将提供plc与计算机之间的通信，线长5m, 带内置rs-232c/rs285连接器，用于cpu 22x与pc直接连接。连接好之后，在step7编程软件的操作栏中，单击“通信”图标，打开通信对话框，如图6-1所示，点击左下角的“设置pg/pc接口” (或单击操作栏中的“设置pg/pc接口”图标)进行通信参数设置 (pc/ppi编程电缆的通信地址设为“2”，接口设为“com1”，传输波特率为“9.6kbps”)。在通信对话框右侧双击刷新图标，即可建立与s7-200的通信。图6-1 上位机与plc通信7.plc程序设计7.1 pid 算法plc使用的plc算式表示为：其中，是第n次采样时刻pid指令输出值，分别是第n次采样时刻的比例项、积分项和微分项的值。7.2控制回路表在pid指令中，操作数table用于设定pid运算所需的各个参数，称为控制回路表。每个回路包含80字节，其内容见表7-1。pid回路控制指令用于完成pid运算。为了使pid运算以设定的采样频率工作，pid应放在定时中断程序中，或者在主程序中被定时器指令控制，按照一定的频率执行。 表7-1 pid指令控制回路表的内容序号表内偏移地址参数名数据类型i/o过程变量描述10实数i过程变量值24i给定值38i/opid回路输出值412i比例项增益，可正可负516i采样周期，单位：s620i积分时间常数，单位：min724i微分时间常数，单位：min828i/o前一时刻积分项累计值932i/o前一时刻的过程变量值1036-79保留，用于自整定变量7.3梯形图程序设计设给定量为锅炉过热蒸汽额定温度，被控量为减温水电动阀阀门开度。水位调节量为单极性信号，经过a/d转换后送入plc。控制减温水电动阀阀门的开度信号由plc执行pid指令后经d/a转换后送出。主程序调用3个子程序，如图7-2所示。图7-2 plc主程序网络一：调用输入子程序sbr0，采集测量值pv信号，同时设定设定值sp，转换相应的工程量。网络二：调用子程序sbr1，初始化pid参数，同时使能定时中断0，调用定时中断程序0，进行pid计算。网络三：调用子程序sbr2，判断手自动，工程量转换后将结果输出到acw0。1、子程序0如图7-3所示：图7-3 sbr0子程序其功能是采集pv值，转换为标准工程量（实际的工程量，其大小、范围和测量单位都可能不同，在进行pid计算前，需要将这些实际的工程值转换为无量纲的标准的浮点数格式）。同时将pv值转到之间送至vd300存储，以便组态软件观察；在sbr0的网络2中，将组态软件的设定值sp转换为标准之间的数，方便pid计算。vd304作为一个中间变量设定值，范围是，是为了在组态界面中方便设置而增加的一个量，在子程序0的网络2中被转换到之间的标准值。2、子程序1如图7-4所示：图7-4 sbr1子程序其主要是参数设置初始化。然后，使能中断程序0，smb324是定时中断的参数，表示延时100ms, 即定时0.1s，中断事件10就就发生一次，atch是将中断事件10与中断程序0关联起来，每发生一次中断事件就执行一次中断处理程序。3、子程序2如图7-5所示，为输出程序，主要由2个网络构成。网络1：如果是自动模式(i0.0=1),则pid计算的结果送到aqw0以执行输出，输出前要进行相应的工程量转换（pid控制回路的输出值都是标准化了的值，对于被控对象来说相当于控制量。在输出至模拟量输出模块之前，应将其转换为一个16位的整数值），将之间的数转换为，对应的em235模块会输出的电流。网络2：如果是手动模式，则将手动设定的mv值转换为之间后送到aqw0，以执行输出。在进行手动到自动或自动到手动的切换时，应达到无扰动切换，即指切换之前，无需由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。当从自动方式切向手动方式时，只要plc正常工作，就能自动保证无扰动切换；而为了实现图7-5 sbr2子程序图7-5 sbr2子程序(续)从手动方式无扰动地切换到自动方式，在转变到自动方式之前，必须将手动方式下的输出值作为一个输入提供给pid指令，即：1. 设定给定值() = 过程变量值()；2. 设定前一时刻过程变量值() = 过程变量值()；3. 前一时刻积分项累计值() = 回路输出值()。网络2的后两条mov_r指令便是为了实现手自动的无扰动切换而设置的。中断程序int_0中采用定时中断0（中断事件10）调用pid程序，如图7-6所示。图7-6 int_0中断程序中断程序int_0完成pid运算，并将计算结果m转到之间送至vd308存储，以便组态软件观察。8组态设计8.1组态王对plc 的组态西门子s7-200使用串口通信，在组态王中，新建一个工程并打开，选择工程浏览器左侧大纲项中的“设备”com1选项，在工程浏览器右侧双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择“plc”中的“西门子”、“s7-200系列”、“ppi”选项，当设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“s7200”，如图8-1所示。在定义数据库变量时，只要把i/o变量连接到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。图8-1 组态王设备定义8.2定义数据变量在组态王中，锅炉过热蒸汽温度控制系统的变量见表5-1表8-1 数据词典变量表变量名变量类型寄存器数据类型读写属性数据范围描述pvi/o实数v300float只读测量值spi/o实数v304float读写设定值mvi/o实数v308float读写输出值mvsi/o实数v312float读写手动设定值手自动i/o离散i0.0bit读写0:手动，1:自动把数据词典中定义的变量与组态画面的图素进行动画连接，运行控制系统，即可以实现实时控制锅炉过热蒸汽的温度。图8-2 变量定义图8.3组态王界面设计最终设计完成的组态界面如图8-3所示。图8-3 基于plc的温度控制界面9.总 结本次课程设计基本上达到了设计要求。但由于时间和技术限制，仍存