锅炉水位控制系统的研究与设计

毕 业 论 文 锅炉水位控制系统的研究与设计 锅炉水位控制系统的研究与设计 I 锅炉水位控制系统的研究与设计 摘 要 随着我国经济的发展，资源和环境矛盾日趋尖锐，使我国的现代化 建设面临严峻挑战。作为供热系统重要能源转换设备的燃煤锅炉能耗巨 大，占我国原煤产量的三分之一左右。然而，我国目前运行的很多锅炉 控制系统的自动化水平不高、安全性低，工作效率和环境污染普遍低于 国家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制具有重要的意义。 锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业 锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提 高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重 要意义。 本文设计了基于 PLC 的锅炉水位控制系统，该系统包括下位机控制 和上位机控制两部分。 本文分析了汽包水位对象的动态特性，介绍传统的控制方式。由于 锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有三个输入量，极易引起水位控 制偏差，本文提出了两种消除水位偏差的方法：（1）辅助信号自消方 法（2）辅助信号对消方法。根据三冲量水位调节系统控制水位误差,设 计采用了三冲量 PID 串级控制方式采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对 消方法消除水位偏差。 关键词：汽包水位；三冲量；串级系统；PID 控制； 锅炉水位控制系统的研究与设计 II Abstract With Chinas economic development, resources and the enviroment has become increasingly acute contradictions, so that the mmodemization of our country is facing a formidable challenge. As an important energy source conversion equipment, heating system of the industrial boiler onsumes about one-third of Chinas coal. However, the majority of Chinas current operating boiler systems security and efficiency is generally lower than the national standard. So its great significance to achieve automatic control for boiler with computer. The problem of modeling and control is a attention focus of people .The boiler water lever is importance index of industry boiler safety and satabilization.it is importance meanimg to ensure water level in definite range for increasing quality of steam and reducing wastage of equipment and insuring safety of whole hert-power-net. This article analyses dynamic characteristic of water level object and introduces traditional control method.Because there are three inputs accede to adister of water lever control system of boiler,it is easy to bring error of water lever controlling.This iartice puts forward two methods to dispel error of water lever:(1)assistant signal self-disappear.(2)assistant signals each other dispel.According to three impulse control water lever error,designing three impulse PID cascade control system. KeyKey words:words: WaterWater Level;ThreeLevel;Three Impulse;CascadeImpulse;Cascade System;PIDSystem;PID Controller;Controller; 锅炉水位控制系统的研究与设计 III 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪 论.1 1.1 锅炉工艺流程简介.1 1.2 课题背景及本文研究内容.3 第 2 章 汽包水位特性.4 2.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性.5 2.2 汽包水位在蒸汽流量干扰下的动态特性.9 第 3 章 汽包水位的控制.12 3.1 单冲量水位控制系统 .12 3.2 双冲量水位控制系统.13 3.3 三冲量水位控制系统.16 3.3.1 三冲量控制方案一 .16 3.3.2 三冲量控制方案二 .18 3.3.3 三冲量控制方案三 .19 第 4 章 PLC 锅炉水位控制器.22 4.1 PLC 简介 .22 4.1.1 PLC 的产生、定义.22 4.1.2 PLC 的发展现状.22 4.2 三菱 PLC 控制系统.23 4.2.1 PLC 的基本结构.23 4.2.2 PLC 的特点.25 4.3 PLC 在工业锅炉自动控制中的应用 .26 4.4 锅炉水位控制原理图.28 4.5 锅炉水位控制配线图.29 第 5 章 IPC 及组态软件上位机.30 锅炉水位控制系统的研究与设计 IV 5.1 IPC 及组态软件 MCGS 介绍 .30 5.1.1 IPC 介绍.30 5.1.2 组态软件 MGCS 介绍 .33 5.2 组态软件编程设计.35 5.3 锅炉水位数据显示与趋势曲线图.43 结论.44 致 谢.45 参考文献.46 锅炉水位控制系统的研究与设计 1 第 1 章 绪 论 1.1 锅炉工艺流程简介 锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地 把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生 产和生活所需的能量形式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的 作用。 锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负 荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的 蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作 为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。 锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。 “锅”就是锅炉的汽水系 统，如图 1-1 所示。由省煤器 3、汽包 4、下降管 8、过热器 5、上升管 7、给水调节阀 2、给水母管 1 及蒸汽母管 6 等组成。锅炉的给水用给 水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身 压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅 炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。 水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一 部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽， 水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热 器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽 母管。 锅炉水位控制系统的研究与设计 2 燃 烧 室 燃料 空气 1 2 34 5 6 7 8 图 1-1 锅炉的汽水系统 “炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器 等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在 空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入 炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过 过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热 蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产 生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预 热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。 经上介绍，锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统 及辅助系统等。其主要工艺流程如图 1-2： 锅炉水位控制系统的研究与设计 3 图 1-2 锅炉主要工艺流程图 1 燃烧嘴；2 炉膛；3 汽包；4 减温器；5 炉墙；6 过热器；7 省煤器；8 空气预热器 1.2 课题背景及本文研究内容 由前述可知，在锅炉的几个调节系统中，汽包水位的控制是保证锅 炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉的水位 控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在锅炉的安全生产、降低能 耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。 汽包水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响 传热效率，严重的引起过热器爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水 循环，引起水冷壁局部过热而爆管。汽包水位的动态特性主要有：非线 性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。 锅炉水位控制系统的研究与设计 4 第 2 章 汽包水位特性 锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维 持汽包中的水位在工艺允许的范围内。 维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条 件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水 分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生 水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量 增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。 水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以 致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严 重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈 繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位不仅 受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容 积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化 的因素很多，其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量和给水流量。 综上，引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变 化。如果只考虑主要扰动，那么根据汽包物质平衡,则汽包水位的动态 特性可表示为如下平衡方程式： F(t)=Qw(t)-QD(t) (2-1) 其中 Qw(t)、QD(t)分别为给水流量与进出汽包的蒸汽，F(t)为汽 包水位的变化量。 通过检测仪器（蒸汽流量变送器、水流量变送器、水位变送器）可 得到 Qw(t)、QD(t)、F(t)的信号,则从(2-1)式可得到: （2- 2） 其中为 c 锅炉截面积， 为锅炉水重度，H(t)为水位; 为水量流 ( ) WD dH t cppp dy = a- b 锅炉水位控制系统的研究与设计 5 系数，pw为流经水流量的节流装置的差压; 为蒸汽流量系数，pD 为流经蒸汽流量节流装置的差压。对式(2-2)取泰勒级数经化简可近似 得到如下方程： (2-3) 其中，TD、KD、TW、KW、分别与流量变送器的流量转换系数及展开 的系数有关，T1、T2为水位变送器及汽包截面积有关的系数。 下面我们着重讨论在给水和蒸汽流量两种主要扰动下水位对象的动 态特性。 2.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性 给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量产生 变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为： (2-4) 经拉氏变换后可得， (2-5) 从式(2-4)，可以方便地得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为： (2-6) 对于中压锅炉，上式中 TW的数值很小，常常可以忽略不计，因此式(2- 6)可以进一步改写为： (2-7) 2 1 212 ()() WD WWWDDD dududh d h TTTTk uTk u dt dtdtdt +=+-+ 2 1 212 () W WWW dudh d h TTTTk u dt dtdt +=+ 2 1 21 ( )( )( )( ) WW TT S H STSH ST SU SK U S+=+ 01 2 1 21 ( ) ( ) ( ) WW T SkH S GS U STT STS + = + 01 2 1 21122 ( ) ( ) ( )(1)(1) WWWW T SkT SkH S GS U STT STSTS T SS T S +e = + 锅炉水位控制系统的研究与设计 6 其中 -反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的 变化速度，单位为毫米秒(吨小时)。 从式(2-7)可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积 分环节和一个一阶滞后环节所组成,、T2的数值可通过实验测试求得， 数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉当给水量增加时，在较长的一 段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉 用式(2-7)来表示它的动态待性，误差较大，这时可选用下面(2-8)式近 似计算： (2-8) -给水量扰动下的纯滞后时间，对于非沸腾式省煤器的锅炉， 为 0-100 秒，对于沸腾式省煤器的锅炉，100-200 秒；Ta=1/- -水位的反应时间，它也与锅炉结构有关。 反应速度 及反应时间 Ta 都用相对量来表示： 定义为：当扰 动量为 100%(从满负荷突然变化到零)，水位(以允许变化的范围为 100%)的 变化速度，单位为每秒。Ta 定义为：扰动量为 100%，水位变化 100%所 经历的时间，单位为秒，例如：一台 230 吨小时的锅炉，假设汽包的 正常水位力 200 毫米，水位的反应时间 Ta 为 30 钞。这就是说，当锅炉 在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于出汽和进水流量的不平衡， 水位将等速度下降，30 秒钟下降 200 毫米，如果给水量减少 10%(23 吨 小时)，则将在 30 秒钟水位下降 20 毫米。如果用反应速度 表示， 则当对于中压多汽包锅炉，Ta 为 300 秒；一般中压锅炉，Ta30-100 秒；高压锅炉 Ta30 秒。 1 W k T e= 01 ( )1 ( ) ( ) S Wa H S GSe UST S - t = 锅炉水位控制系统的研究与设计 7 h uw w t t Ho 图 2-1 给水量扰动下的水位飞升曲线 根据式(2-7)在阶跃输入下作给水扰动(假定在一定范围内汽包的横 截面积不变，或变化不大)。可以得到如图 2-1 所示的反应曲线。由曲 线可知：当突然加大给水量后(这时假定蒸汽量不变)，给水量大于蒸发 量，但汽包水位一开始并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这是 因为温度较低时更多的给水进入水循环系统，它从原有饱和汽水中吸取 一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的“损失”汽泡体积减少。进 入省煤器的给水，首先必须填补由于汽水管路中汽泡减少所让出的空间， 这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。当水面下汽泡容积变化过程 逐渐平静时，汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡 容积不再变化、完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线 上升。对于采用沸腾式省煤器的锅炉，给水作用下的惯性段要比上述情 况严重得多，甚至还可能出现“假水位”现象，在这种情况下，水位变 化的特性应该采用如下传递函数： (2-9) 式中： , 2 01 2 ( )1 ( ) ( )1 Wa KH S GS UST ST S =- + 1 a W T T K = 2 2 1 WW K TT K T - = 锅炉水位控制系统的研究与设计 8 uw t t h w h1 h h2 图 2-2 采用沸腾式省煤器给水作用下的水位飞升曲线 图 2-2 是给水作用下汽包水位的反应曲线。hl 是只考虑物料不平 衡，即给水量大于蒸发量而产生的上升曲线，它由式(2-9)个的 1Ta 这一项所确定，其特性表现为积分环节，无自平衡能力；h2 是由于给 水量增加，蒸发面以下汽泡容积的变化引起的。h 是由 h1(t)为 h2(t) 迭加而成的它的特性实际上是两个环节的并联。由此可见，汽包水位 调节对象的动态特性可以有三种形式：反应曲线变化最快的可用式(2-7)表 示，这时的动态特性可以等效为一个积分环节和一个惯性环节相串联； 其次是用式(2-8)表示，相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联； 在有“假水位”的情况下，需要用式(2-9)来表示其动态特性。对于不 同的锅炉设备，究竟采用何种形式的传递函数来表示它的动态特性，还 要根据具体条件来定，原则是：表达特性最符合实际情况、传递函数式 尽可能地简单。 锅炉水位控制系统的研究与设计 9 2.2 汽包水位在蒸汽流量干扰下的动态特性 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以直接从式(2-3)导出 (假定给水量不变)： (2-10) 拉氏变换后可得： (2-11) 则： (2-12) 上式可以用两个动态环节的并联来等效，即： (2-13) 其中 ， 2 1 212 () D DDD dudh d h TTTTk u dt dtdt += -+ 2 1 21 ( )( )( )( ) DD TT S H STSH ST SU SK U S+= -+ 2 12 ( ) ( ) ( )(1) DD F D T SkH S GS USTS T S + = - + 2 2 2 ( )1 ( ) ( )1 F Da kH S GS UST ST S = -+ + 2 2 1 DD k TT k T - = 1 a D T T k = 锅炉水位控制系统的研究与设计 10 uD D t t h2h h h3 图 2-3 蒸汽流量扰动下时的水位飞升曲线 在蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线如图 2-3 所示。对大部分调 节对象而言，平衡受到破坏的主要影响因素是系统中物料或能量的不平 衡。锅炉汽包水位对象，除上述对象具有的特性以外还有它特有的性 质。当负荷设备的用汽量突然增加D(假定供热量及时跟上)，单从物 料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，汽包水位应如图 2-3 中 h1 所示，相当于式(2-13)中的 1Ta 这一项，是直线下降的。但是实际水 位不是 h1 而是 h，在扰动的初始瞬间水位不但没有下降而且是上升的。 这是由于锅炉汽包蒸发面以下和水管系统中蒸汽容积随负荷的变化而改 变所致。在蒸发面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸发过程的连续性，在 蒸汽向汽水分界面移动的过程中，会有一部分蒸汽在某一段时间内处于 水中在一定负荷和一定压力下，蒸汽发生量与蒸发面以下蒸汽含量之 间有一个确定的对应关系，蒸发面以下的蒸汽容积可以用下式表示： (2-14) 式中，Vs-蒸发面以下的蒸汽容积； k-比例系数，随负荷不同而异； W1-汽化强度； -饱和蒸汽重度； -汽泡在水中平均停留时间。 当蒸汽流量 D 阶跃增加时，汽包中压力减小，汽水循环管路中水的 汽化强度 W1加，蒸发面以下蒸汽容积 VS增加。汽泡体积膨胀而使水位 变化的曲线如图 2-3 中 h2 所示，实际水位变化曲线 h 就是 h1 和 h2 的 迭加。 从图中可以看出，当蒸汽量变化时，汽包水位的变化具有特殊的形 式，负荷阶跃增大时，汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加。此时虽然蒸 发量大于给水量，但水位不仅不下降，反而迅速上升。这种特殊现象称 1s k VW=t g 锅炉水位控制系统的研究与设计 11 为“虚假水位” 。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后， 水位才反映出物料的不平衡，开始下降。 应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变 化是很快的，图 2-3 中 h2 的时间常数只有 10-20 秒。由于“假水位” 而出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太 大，只有限制负荷 D 的变化速度或限制负荷一次变化量。 “虚假水位” 变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于般 100-230 吨小时的 中高压锅炉加负荷阶跃变化 10%时， “虚假水位”现象可使水位变化 达 30-40 毫米。从以上动态特性分析中可以得到如下结论： (1)汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自 衡能力。具体特性可用三种形式来描述，究竟采用何种形式，可根据锅 炉结构和汽化强度来定。 (2)汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力， 而且存在着“假水位”现象,“假水位”的变化速度很快，变化幅度与 蒸发量扰动大小成正比也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时 必须考虑。 锅炉水位控制系统的研究与设计 12 第 3 章 汽包水位的控制 3.1 单冲量水位控制系统 图 3-1 单冲量水位控制系统 如图 3-1 所示是单冲量变量水位控制系统。单冲量即汽包水位。这 种控制结构简单，是单回路定制控制系统，在汽包内水的停留时间较长， 负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以安全操作。 然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系 统就不能适用。这是由于：负荷变化时产生的“虚假水位“将使调节 器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息 下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差。负荷变化时， 控制作用缓慢。即使”虚假水位“现象不严重，从负荷变化到水位下降 要有一个过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程 时间常数很小，偏差必然相当显著。给水系统出现扰动时，动作缓慢。 假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差 锅炉水位控制系统的研究与设计 13 而使调节阀动作，同样不够及时； 为了克服上述这些矛盾，可以不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量 和给水流量的变化，则可用双冲量或三冲量控制系统来控制给水调节阀， 能收到很好的效果。 从反馈控制的思想出发，很自然地会以水位信号作为被调量，给 水流量作为调节量，构成单回路反馈系统。这是一个基本的控制方案。 对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的汽包体积不占很大 比重。因此，给水容积延迟和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制 系统。对于大型超高压（接近临界压力）锅炉也可采用这种控制对象， 因为在超高压汽和水密度相差不大，假水位现象不显著。但是，对于大 量的大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。因为汽机耗气量改变所 产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位激烈地上下 波动，严重的影响设备的寿命和安全。所以对大中型锅炉不能采用单冲 量控制系统，必须寻求其他解决办法。 3.2 双冲量水位控制系统 （a）原理图 锅炉水位控制系统的研究与设计 14 （b）方框图 图 3-2 双冲量控制系统 在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。用双冲量控制 系统不但可以引用蒸汽量来效正，而且可以补偿“虚假水位”所引起的 误动作，使给水调节阀的动作及时。其控制系统如图 3-2 所示 从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反 馈控制系统的复合控制系统。这里前馈仅为静态前馈，若需要考虑两条 通道在动态上的差异，需引入动态补偿环节。 图 3-2 所示连接方式中，加法器的输出是： IICICIFC021 式中水位调节器的输出； IC 蒸汽流量变送器（一般经开放器）的输出； IF 初始偏置值； I0 加法器的系数。 C1 C2是取正号还是负号，即进行加法还是减法，要由调节阀的气开或 锅炉水位控制系统的研究与设计 15 气关形式来确定。一般从安全的角度选用调节阀的气开和气关的。如果 高压蒸汽是供给蒸汽透平机等，那么为保护这些设备以选用气开阀为宜； 如果蒸汽作为工艺生产热源时，为保护锅炉设备以采用气关阀，应减 小即 C2应取负号；如果采用气开阀，应增加即 C2应取正号。 C2的数值应该考虑达到静态补偿。倘使现场试凑，那么应该在只有 负荷的情况下调整到水位基本不变，倘使有阀门特性数据，它的放大系 数 KV是： Kv I w 式中阀门输入信号变化量；I 给水流量变化量。W 在测量方面，假设为线性，则 )( minmax max ZZ D I D F 式中，蒸汽流量变送器的输出变化量； IF 蒸汽流量变化量；D 蒸汽流量变送器量程，从零开始； Dmax 变送器输出的最大变化范围。)( minmaxZZ 要达到静态补偿，应保持物料平衡，即有： DW 上式中是一个系数。如果给水流量和蒸汽流量用体积来表示，显然 不等于。即使用重量来表示，由于排污要放出一部分水，进水重量要 稍大于蒸汽量，即要求1。 由于加法器的作用，在负荷变化时，给水量的变化是：FI )( minmax max 22ZZ D CKICKK D IW VFVV )( minmax max 2 ZZk D C V 有些装置中，由于水位上升与蒸汽流量增加时，阀门动作方向相反， 锅炉水位控制系统的研究与设计 16 信号一定相减；而采用另一种接法，即将加法器放在调节器之前。如图 3-3（a）所示： （a） （b） 图 7 双冲量控制系统的其它接法 这样的接法的好处是使用的仪表少，因为一台双通道调节器就可 以实现加减和控制的功能。 （假如水位调节器采用单比例，则这种接法 与图 3-2 可以等效转换，差别不大） 。 但是，水位调节器采用 PI 作用，而测量值又是水位与蒸汽流量之 差，结果 显然不能保证水位无差。除非流量参数经过微分，而且不引 入固定分量，见图 3-3（b） 。等效转换后其等式项是： IT T T KI T KTFd d CFCds S S )() 1 1 ( 11 只有对流量信号不起积分作用，才可保证水位无余差。 3.3 三冲量水位控制系统 双冲量控制系统还有两个弱点，即调节阀的工作特性不一定是线 性，这样要做到静态补偿不是很准；同时对于给水系统的扰动不能直接 补偿。为此，将给水流量信号引入，构成三冲量控制。 锅炉水位控制系统的研究与设计 17 3.3.1 三冲量控制方案之一 图 3-4 所示是三冲量控制方案之一。该方案实质上是前馈（蒸汽 流量）加反馈控制系统。这种三冲量控制方案结构简单，只需要一台多 通道调节器，整个系统亦可看作三冲量的综合信号为被控变量的单回路 控制系统，所以投运和整定与单回路一样，但是如果系统设置不能确保 物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。 （a）原理图 锅炉水位控制系统的研究与设计 18 （b）方框图 图 3-4 三冲量控制方案之一 依据这条原则，可以确定和的比值，具体是这样设置的： Dw 蒸汽流量的变化量与其变送器（线性）的关系是： ZZ DIF D minmax max 给水流量的变化量与其变送器（线性）的关系是： ZZ WIC W minmax max 由物料平衡关系可得： DIWIFCmaxmax 而 IICWFD 所以，由上两式比较可得： D W D W max max 第二是用来确定前馈作用的强弱，因为上式仅知道和的比值， Dw 其大小依据过程特性确定，其大小反映了前馈作用的强弱。越大其 D 前馈作用越强，则扰动出现时，调节阀开度的变化亦越大。 锅炉水位控制系统的研究与设计 19 3.3.2 三冲量控制方案二 三冲量控制方案二如图 3-5 所示，该方案与方案一相类似，仅是加 法器位置从调节器前移至调节器后。该方案相当于前馈-串级控制系统， 而副回路的调节器比例度为 100%，该方案不管系数和如何设置， Dw 当负荷变化时，液位可以保持无差。 (a) 原理图 （b） 方框图 锅炉水位控制系统的研究与设计 20 图 3-5 三冲量控制方案之二 3.3.3 三冲量控制方案三 图 3-6 所示是三冲量控制方案之三，这是一种前馈（蒸汽流量） 与串级控制组成的复合控制系统。在汽包停留时间较短， “虚假水位” 严重时，需引入蒸汽流量信号的微分作用，如图中虚线所示。这种微分 作用应是负微分作用，起一个动态前馈作用，以避免由于负荷突然增加 或减少时，水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。 (a) 原理图 （b） 方框图 图 3-6 三冲量控制之三 锅炉水位控制系统的研究与设计 21 对图 3-6 中方框图进行分析。假如副回路跟踪很好，近似为 1：1 的环节，则前馈补偿模型为： )( )( )( S S S G G G D fD ff 由前述动态特性可知： 1 )( 2 2 SS S T KK G f fD e K G s D S S 0 )( e K T KK G s ff S SS S 0 2 20 1 )( e T K K K Ksf S S 1 2 0 2 0 假设，事实上不可能得到，因 KKf0 K K K d 0 2 TTd 2e s 此前馈补偿模型可近似为： 1 1)( S S S T K G d d ff 所以蒸汽流量信号引入负微分（无恒定分量）后，可以满足上式， 这样动态补偿可以获得较好的效果。 三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控 制质量。例如，当耗气量 D 突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水 位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节机构增加给水量。另一方面， D 的增大又通过双冲量控制作用指挥调节机构增加给水量。实际给水量 是增大还是减少，取决于系统系数的整定。当假水位现象消失后，水位 和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。只要参数整定合适，当系数 锅炉水位控制系统的研究与设计 22 恢复平衡以后，给水量必然等于蒸汽流量，水位 H 也就会维持在设定值。 锅炉水位控制系统的研究与设计 23 第 4 章 PLC 锅炉水位控制器 4.1 PLC 简介 4.1.1 PLC 的产生、定义 一、可编程控制器的产生 20 世纪 60 年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电 器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。1968 年， 美国最大的汽车制造商通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制 器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。 二、可编程控制器的定义 国际工委员会（IEC）曾于 1982 年 11 月颁布了可编程控制器标准 草案第一稿，1985 年 1 月又发表了第二稿，1987 年 2 月颁布了第三稿。 该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作 的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等 面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业 系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 4.1.2 PLC 的发展现状 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算 机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算 速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能 及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可 编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器 发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一 个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这 标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 锅炉水位控制系统的研究与设计 24 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率 一直保持为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、 人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域， 在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的 需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制 能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、 位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机 界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加 容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、 轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开 始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企 业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以 生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭 州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、 苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在 工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合 资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化 进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。 4.2 三菱 PLC 控制系统 4.2.1 PLC 的基本结构 FX2 系列 PLC 是三菱电机公司 1991 年继 F、F1、F2 系列之后推出 的产品，是目前运行速度最快的小型 PLC 之一。下面我们以小型 FX2 系 列 PLC 为例介绍 PLC 的硬件组成。图 4-1 为 PLC 的原理图。 锅炉水位控制系统的研究与设计 25 外 存 接 口 其 他 接 口 中央处理器 CPU ROM RAM 编辑器 CPROM EPROM RAM 其他设备 计算机 A/D D/A 输入接口 光电耦合 输出接口 继电器或晶体 管 图 4-1 PLC 的原理图 1CPU 模块 CPU 是 PLC 的核心组成部分，与通用微机的 CPU 一样，它在 PLC 系 统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑” 。其功能是： 1、PLC 中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户 程序和数据。 2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。 3、诊断电源、PLC 内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。 在 PLC 进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规 定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。 锅炉水位控制系统的研究与设计 26 2I/O 模块 I/O 模块是 CPU 与现成 I/O 装置或其他外部设备之间的连接部件。 PLC 提供了各种操作电平与驱动能力的 I/O 模块和各种用途 I/O 元件供 用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、 误码校验、A/D 或 D/A 变换以及其他功能模块等。I/O 模块将外部输入 信号变换成 CPU 能接受的信号，或将 CPU 的输出信号变换成需要的控制 信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。 其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入 CPU 控制板，CPU 发 出输出信号至输出端。输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶 闸管方式。 3电源模块 根据 PLC 的设计特点，它对电源并无特殊需求，它可使用一般工业 电源。 4.2.2 PLC 的特点 1.编程方法简单易学：梯形图是使用得最多的 PLC 的编程语言，其 电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，提醒图语言形象直观， 易学易懂。 2.功能强，性能价格比高：一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户 使用的编程软件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器 系统相比，具有很高的性价比。通过通信联网，PLC 可以实现分散控制， 集中管理。 3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC 已经标准化、系 列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，使用能灵 活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。 4.可靠性高，抗干扰能力强：PLC 使用了一系列硬件和软件抗干扰 措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可 以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被广大用户公认为最可 锅炉水位控制系统的研究与设计 27 靠的工业控制设备之一。 5.系统的设计、安装、调试工作量下：PLC 使用软件功能取代了继 电器控制系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜 的设计、安装、 4.3 PLC 在工业锅炉自动控制中的应用 锅炉是发电厂及其它工业企业中最普遍的动力设备之一，它的功能 是把燃料中的贮能，通过燃烧转化成热能，以蒸汽或热水的形式输向各 种设备。目前，国内大多数 工业锅炉都是人工控制的，或简单的仪表 单回路调节系统，燃料浪费很大。工业锅炉作为一个设备总体，有许多 被控制量与控制量，扰动因数也很多，许多参数之间 明显地存在着复 杂的耦合关系。对于工业锅炉这个复杂的系统，由于其内部能量转换机 理过于复杂，采用常规的方式进行控制，难以达到理想的控制效果，因 此，必须采用智能控制方式控制，才能获得最佳控制效果。 系统运行的示意图如图 4-2 所示。 锅炉水位控制系统的研究与设计 28 图 4-2 系统运行示意图 燃料和空气按一定比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发 生系统，产生饱和蒸汽，经负荷设备调节阀供给负荷设备使用。与此同 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，最后经引风机送往烟囱排入 大气。 锅炉是个较复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的 需要，生产过程各主要工艺参数必须加以严格控制。主要调节项目有; 负荷、锅炉给水、燃烧量、 减温水、送风等。主要输出量是:汽包水位、 蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气等。这些输入量与输出 量之间是互相制约的，例如，蒸汽负荷变化时， 必然会引起汽包水位、 蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化;燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同 时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、空气量和炉膛负压等。对于这样 复杂的对象，工程处理上作了一些简化，将锅炉控制系统划分为若干个 调节系统。主要的调节系统有: (1) 汽包水位调节系统 被调量是汽包水位，调节量是给水流量，它主要考虑汽包内部物料 平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在工艺允许范围内。 (2) 过热