08电气自动化2班李秋芝.doc

平顶山工业职业技术学院平顶山工业职业技术学院 毕业设计 论文 说明书毕业设计 论文 说明书 毕业设计 论文 题目毕业设计 论文 题目 锅炉汽包水位控制系统设计 系 部 自动化与信息工程系 年级专业 08 电气自动化二班 学生姓名 李秋芝 学 号 20082003407 指导教师 孙慧峰 2011 年 5 月 18 日 平顶山工业职业技术学院 毕 业 设 计 论文 任 务 书 姓名 李秋芝 专业 电气自动化技术 任 务 下 达 日 期 2011 年 2 月 21 日 设计 论文 开始日期 2011 年 2 月 28 日 设计 论文 完成日期 2011 年 5 月 18 日 设计 论文 题目 锅炉汽包水位控制系统设计 A 编制设计 B 设计专题 毕业论文 指 导 教 师 孙慧峰 系 部 主 任 韩 莉 2011 年 6 月 2 日 平顶山工业职业技术学院 毕业设计 论文 答辩委员会记录 自动化与信息工程系电气自动化技术专业 学生 李秋芝 于 2011 年 6 月 12 日进行了毕业设计 论文 答辩 设计题目 锅炉汽包水位控制系统设计 专题 论文 题目 指导老师 孙慧峰 答辩委员会根据学生提交的毕业设计 论文 材料 根据学生答辩情况 经答辩委员会讨论评定 给予学生 李秋芝 毕业设计 论文 成 绩为 答辩委员会 人 出席 人 答辩委员会主任 签字 答辩委员会副主任 签字 答辩委员会委员 平顶山工业职业技术学院毕业设计 论文 评 语 第 页 共 页 学生姓名 李秋芝 专业 电气自动化技术 年级 2008 毕业设计 论文 题目 锅炉汽包水位控制系统设计 评 阅 人 指导教师 孙慧峰 签字 年 月 日 成 绩 系 科 主任 签字 年 月 日 毕业设计 论文 及答辩评语 摘摘 要要 锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内 使锅炉的给水量适应锅炉的 蒸发量 由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响 因此 当锅炉负荷变化 或气轮机用汽量变化时 通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机 安全运行的重要条件 水位过高或过低 都是不允许的 水位过高会影响汽水分离器 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 锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化 水位过低 则会破坏 正常水循环 危及水冷壁受热面的安全 一般要求锅筒水位维持 本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动 静特性的基础 上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了 三冲量 控制 关键词 关键词 锅炉汽包 三冲量 水位控制 设计 目录目录 引 言 6 0 1 设计的目的和意义 6 0 2 应解决的主要问题 6 0 3 国内外发展现状 6 0 4 指导思想 7 第 1 章 设计方案 9 1 1 单冲量水位控制系统 9 1 2 双冲量水位控制系统 10 1 3 三冲量水位控制系统 12 1 4 设计方案的确定 16 第 2 章 控制系统的设计 18 2 1 过程控制系统设计的一般要求及内容 18 2 2 控制系统方框图 18 2 3 锅炉三冲量控制系统工作原理及调节过程 18 2 4 串级控制系统的设计 19 第 3 章 控制系统各元器件选择 23 3 1 控制器的选择 23 3 2 控制阀选择 26 3 3 AI 808 型人工智能调节器 26 第 4 章 PID 控制器参数整定 28 4 1PID 控制的原理和特点 28 4 2PID 控制器的参数整定 28 结束语 31 参考文献 32 引引 言言 0 10 1 设计的目的和意义设计的目的和意义 锅炉烧水产生高温高压的蒸汽 蒸汽温度可以达到 1000 多度 用这样的蒸汽可以 用来消毒 煮饭 烧开水等 现在学校 工厂的食堂烧水做饭就是用锅炉烧水产生的 蒸汽做的 锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内 使锅炉的给水量适应锅炉的 蒸发量 由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响 因此 当锅炉负荷变化 或气轮机用汽量变化时 通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机 安全运行的重要条件 水位过高或过低 都是不允许的 水位过高会影响汽水分离器 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 锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化 水位过低 则会破坏 正常水循环 危及水冷壁受热面的安全 一般要求锅筒水位维持 在水位控制系统中 主要采用 三冲量控制 方案来实现锅炉汽包水位控制更是 重中之重 本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动 静特性的基础 上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了 三冲量 控制 具体的方案设计存在的优缺点详见下文解析 0 20 2 应解决的主要问题应解决的主要问题 本设计主要解决传感器的选择 温度 压力 水位 输出道的设计和软件程序的 设计 其所能达到的技术指标为 1 可以对锅炉水位 蒸汽量和给水量分别采集 2 通过单片机控制 使锅炉汽包水位维持在正常的范围内 3 具有键盘显示功能 4 具有报警功能当水位超过上限或下限时 能及时报警 0 30 3 国内外发展现状国内外发展现状 目前在国内外随科学技术的发展 都采用三冲量水位自动调节系统 该控制引进 蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号 系统动作及时 有较强的抗干扰能力 因此 得到广泛的应用 主要用微型计算机控制系统来控制锅炉 微型计算机控制系统的特点是 其控制 功能要通过内部的控制程序来实现 人们只需要改变这些程序 就可以更改锅炉设备 的控制功能 以适应新的控制要求而不需要改动硬件系统 这种灵活性在硬联逻辑系 统中是没有的 因此 掌握微型计算机应用系统的设计和研制技术 是开发微型计算 机应用的一个重要课题 在国内主要有单 双 三冲 量控制系统来控制锅炉汽包水位 单冲量控制系统以锅炉锅筒水位为唯一信号的锅炉给水连续调解 该系统由水位 变送器 伺服放大器 执行器和给水调节阀组成 水位变送器将水位信号送到调节器 调节器根据实测水位和给定值的偏差 经过运算放大后输出调解信号 驱动执行器改 变调节阀的开度 改变锅炉上水量 使水位控制在容许范围呢 在单冲量水位自动调节的基础上 加上蒸汽流量作为前馈信号 使构成所谓的双 冲量水位自动调节系统 前馈控制的主要特点是根据扰动的大小直接调节 使调节作 用在扰动发生的同时起作用 从而减少扰动造成的被控参数的变化 引入蒸汽流量前 馈信号可以消除虚假水位对水位控制的不良影响 减少或抵消由于虚假水位现象而造 成的调节误动作 在双冲量水位自动调节的基础上 为解决给水压力不稳而造成调节性下降的问题 引入给水流量作为调节器的反馈信号 它采用蒸汽流量作为前馈信号 克服负荷变化 引起的外扰动 减少假水位引起的调节器误动作 用给水量作为反馈信号 克服内扰 影响 稳定给水量 可以进一步改善给水调节质量 由常规仪表和调节仪表构成的模 拟控制系统 虽然具有可靠性高 成本低 易于维护和操作等优点 并在大中小企业 中得到了广泛的应用 解决了不少自动化方面的问题 但是随着生产向大型化连续化 发展 对自动化技术的要求越来越高 模拟自动化控制系统越来越表现出它的局限性 例如它难以实现多变量控制 复杂控制规律的控制 最优控制 自适应控制 以及时 变控制等 模拟控制屏越来越长 难以实现集中控制 各系统之间不便进行通讯联系 难以实现多级控制 控制方案的修改比较麻烦 如果采用计算机作为自动化工具的过 程控制系统 就能很好地解决模拟控制系统存在的上述问题 随着生产的发展 锅炉日益广泛的用于工业生产的各个领域 成为发展国民经济 的重要热力设备之一 在现在化建设中 能源的需求量非常大的 然而我国能源利用 率极低 所以提高锅炉的热效率 有这极为重要的实际意义 此外 是锅炉能以地制 宜地有效地染用地方燃料 并为满足环境保护的需求而努力解决烟尘污染问题 以提 高才做管理水平 减轻劳动强度 保证锅炉额定运行及运行效率 安全可靠地供热等 问题 0 40 4 指导思想指导思想 采用三冲量水位控制系统 以锅炉水位为主控信号 蒸汽流量为前馈信号 给水 量为控制器的反馈信号来控制给水量 其目的是通过单片机的控制 使锅炉汽包水位 维持在正常的范围内 当水位超过上限或下限时 能及时报警并采取相应措施 充分 体现三冲量控制系统的优越性 系统功能完善 结构先进合理 能耗小 扩展灵活 便于维护 并且可靠性高 而且还极大地提高了企业的生产效率和经济效益 该系统 系动画程度较高 大大降低了操作者劳动强度 综性性强 适用性好 保障锅炉正常 运行 第第 1 章章 设计方案设计方案 工业锅炉汽包水位的自动控制 根据锅炉容量大小 供给蒸汽 或热水 的使用 要求不同 通常有单冲量自动控制系统 双冲量自动控制系统和三冲量自动控制系统 三种形式 1 11 1 单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统 单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号即水位测量信号经 变送器送到水位调节器 调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制调节阀 改变给水量来保持汽包水水位在容许的范围内 单冲量水位自动控制系统 是汽包水 位自动控制中最简单最基本的一种形式 对于中小型锅炉在蒸汽负荷变化不大的情况 下 水位受到扰动后的反应速度比较慢 虚假水位 现象也不严重 采用单冲量控制 系统 一般采用比例调节就能满足生产上的要求 如果采用 PI 调节器 将得到更满意 的效果 其原理框图见图 1 1 1 方框图见 1 1 2 图 1 1 1 为锅炉汽包水位的单冲量系统原理图 给定值X e pq 汽包 被控变量y 图 1 1 2 为锅炉汽包水位的单冲量系统方框图 单冲量水位存在的问题是 当锅炉蒸汽负荷变化很大时 由于 虚假水位 现象的 影响 在调节过程一开始 调节器根据水位先上升趋关下调节阀 减少给水量 这个 错误动作扩大了汽包进出流量的不平衡 使汽包水位和给水量的波动幅度增大 降低 了调节质量 从给水扰动下的情况下看 由于给水总管压力改变等原因造成的给水量 变动时 调节器要等到水位改变后才能动作 而调节器动作后又要经过一段延时时间 才能影响到水位 因此将导致汽包水位发生较大的变化 调节时间长 1 21 2 双冲量水位控制系统双冲量水位控制系统 1 2 1 双冲量水位控制方案及工作原理双冲量水位控制方案及工作原理 1 控制方案 在单冲量汽包水位控制的基础上 引进蒸汽流量作为前馈信号构成双冲量水位自 动控制系统 这种水位控制的优点是 引入蒸汽流量前馈信号可以消除 虚假水位 对控制的不良影响 当负荷蒸汽变化时 就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信 号 可以减少或抵消由于 虚假水位 现象而使给水量与蒸汽流量向相反方向变化的 误动作 使调节阀一开始就向正确的方向移动 因而大大减少了给水和水位的波动 能够改善控制系统的静态特性 提高控制质量 其原理图和方框图见 1 2 1 1 2 2 由于过程控制系统总具有滞后的特性 当从干扰产生到被控制量起变化 需要一 定长的时间 而被控制量变化后通过调节器产生的调节作用又要经历一段时间 因此 被控参数要达到新的稳定状态就要经历相当长的时间 显然 控制系统的滞后越大 则被控参数变化的幅度也越大 偏差持续的时间也越长 为了解决上述问题 采用一 种与反馈控制原理完全不同的控制方法 这种方法是按照干扰作用进行控制的 只要 干扰一出现 在被控制量未受到影响前 补偿器立即根据干扰的性质和大小 改变执 行器的输入信号 从而使被控制量基本不受扰动的影响 蒸汽 给水 省 煤 器 图 1 2 1 为锅炉汽包水位双冲量系统原理图 图 1 2 2 为锅炉汽包水位双冲量系统方框图 2 工作原理 1 前馈控制系统工作原理 利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统 这类按输入或扰动的 开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈 前馈控制系统 称为复合控制系 统 由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统 对于滞后 较大的控制对象 其反馈控制作用不能及时影响系统的输出 以致引起输出量的过大 波动 直接影响控制品质 如果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可 控制的 则可在反馈控制的同时 利用外扰信号直接控制输出 实施前馈控制 构成 复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响 并利于提高控制精度 这种按外 扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制 按不变性原理 理论上可做到完全消除主 扰动对系统输出的影响 前馈控制系统的特点 1 前馈控制是基于不变性原理工作的 比反馈控制及时 有效 2 前馈控制是属于 开环 控制系统 3 前馈控制使用的是视对象特性而定的 专用 控制器 又称前馈补偿装置 4 一种前馈作用只能克服一种干扰 前馈控制主要用于下列场合 1 干扰幅值大而频繁 对被控变量影响剧烈 单纯反馈控制达不到要求时 2 主要干扰是可测不可控的变量 3 对象的控制通道滞后大 反馈控制不及时 控制质量差时 可采用前馈一反 馈控制系统 以提高控制质量 2 反馈控制系统的工作原理 反馈控制系统由控制器 受控对象和反馈通路组成 带叉号的圆圈为比较环节 用来将输入与输出相减 给出偏差信号 这一环节在具体系统中可能与控制器一起统 称为调节器 以锅炉温度控制为例 受控对象为汽包 输出变量为实际的锅炉汽包水 位 输入变量为给定常值水位 锅炉温度用热电偶测量 代表炉温的热电动势与给定电 压相比较 两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制 在反馈控制系统中 不管出于什么原因 外部扰动或系统内部变化 只要被控制 量偏离规定值 就会产生相应的控制作用去消除偏差 因此 它具有抑制干扰的能力 对元件特性变化不敏感 并能改善系统的响应特性 反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统 所谓反馈原理 就是根据系 统输出变化的信息来进行控制 即通过比较系统行为 输出 与期望行为之间的偏差 并消除偏差以获得预期的系统性能 在反馈控制系统中 既存在由输入到输出的信号 前向通路 也包含从输出端到输入端的信号反馈通路 两者组成一个闭合的回路 因 此 反馈控制系统又称为闭环控制系统 反馈控制是自动控制的主要形式 在工程上 常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统 而把用 来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统 同开环控制系统相比 闭环控制具有一系列优点 在反馈控制系统中 不管出于 什么原因 外部扰动或系统内部变化 只要被控制量偏离规定值 就会产生相应的控 制作用去消除偏差 因此 它具有抑制干扰的能力 对元件特性变化不敏感 并能改 善系统的响应特性 但反馈回路的引入增加了系统的复杂性 而且增益选择不当时会 引起系统的不稳定 为提高控制精度 在扰动变量可以测量时 也常同时采用按扰动 的控制 即前馈控制 作为反馈控制的补充而构成复合控制系统 1 2 2 双冲量水位控制系统的特点双冲量水位控制系统的特点 从本质上看 双冲量控制系统是一个前馈 蒸汽流量 与单回路反馈控制系统的 复合控制系统 双冲量汽包水位控制 能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位 控制任务 在给水压力比较平衡时 采用双冲量控制是能够达到控制要求的 双冲量汽包水位控制存在的问题是 控制作用不能及时反应给水方面的扰动 当 给水量扰动时 控制系统等于单冲量的控制 因此 如果给水母管压力经常波动 给 水调节阀前后压差不易保持正常时 不宜采用双冲量控制 1 31 3 三冲量水位控制系统三冲量水位控制系统 1 3 1 结构原理结构原理 双冲量系统还有两个弱点 即调节阀的工作特性不一定是线性 这样要做到静态 补偿不是很难 同时给与给水系统的扰动不能直接补偿 为此 将给水量流量信号引 入 构成三冲量控制 在双冲量水位自动调节的基础上 为解决给水压力不稳而造成 调节性下降的问题 引入给水流量作为调节器的反馈信号 它采用蒸汽流量作为前馈 信号 克服负荷变化引起的外扰动 减少假水位引起的调节器误动作 用给水流量作 为反馈信号 克服内扰影响 稳定给水量 可以进一步改善给水调节质量 针对上述情况 为了把水位控制平衡 在双冲量水位控制的基础上引入了给水流 量信号 这时调节器接受三个输入信号 汽包水位是被调量 是主冲量信号 蒸汽流 量是前馈信号 给水流量是反馈信号 这就是汽包水位的三冲量控制系统 工业锅炉采用三冲量控制系统时 当蒸汽负荷突然发生变化 蒸汽流量信号使给水调 节阀一开始就向正确方向移动 即蒸汽流量增加 给水调节阀开大 抵消了由于 虚 假水位 引起的反向动作 因而减小了水位和给水流量的波动幅度 当由于水压干扰 使给水流量改变时 控制器能迅速消除干扰 如给水流量减少 控制器立即根据给水 流量减少的信号 开大给水阀门 使水流量保持不变 另外 给水流量信号也是控制 器动作后的反馈信号 能使控制器及早知道调节的效果 所以三冲量给水调节系统 控制器动作快 还可以避免调节过头 减少波动和失调 这样汽包水位就很少受到影 响 图 1 3 1 1 锅炉汽包水位的三冲量控制系统方框图 从三冲量水位控制系统的原理框图可以看出 它由两个闭合回路组成 1 是由给水量 调节阀 控制器组成的内回路 2 由汽包水位对象和内回路构成的主回路 蒸汽流量和分流器均在闭合回路之外 它的引入可以改善调节质量 但不影响闭合回路工作的稳定性 所以三冲量控制的实 质是前馈加串级的控制系统 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 它使调节阀错 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 阀机构增加给水量 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 水位个蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作 只要参数整定合适 当 系数恢复平衡后 给水量必然等于蒸汽流量 水位 H 也会维持在设定值 总之 三冲量汽包水位控制系统 由于引进蒸汽流量和给水流量信号作为控制信 号 系统动作及时 有较强的抗干扰能力 在较大的阶跃扰动时都能有效地控制水位 的变化 因而得到了广泛的引用 1 3 2三冲量控制方案三冲量控制方案 1 方案之一 图 1 3 2 1 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 如图 1 3 2 1 为 方案一的原理图 图 1 3 2 1 为方案一的原理图 2 方案之二 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阀后 该方案相当 于前馈 串级控制系统 而副回路的调节阀比例度为 100 该方案不管系数如何设置 当负荷变化时 液位可以保持无差 如图 1 3 2 2 为原理图 图 1 3 2 2 为方案二的原理图 3 方案之三 如图 1 3 2 3 所示为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低而造成锅炉停车 图 1 3 2 3 锅炉汽包水位的三冲量控制系统原理图 1 3 3 几种控制方案的比较几种控制方案的比较 单冲量水位控制是汽包水位自动化控制中最简单最基本的一种形式 是典型的单 回路定值控制系统 但它不能克服 虚假水位 的影响 而且没有给水量信号的反馈 所以水位波动较大 双冲量水位控制系统是在单冲量控制的基础上 引进蒸汽流量作 为前馈信号 该控制系统的特点是 引入的蒸汽流量前馈信号可以消除 虚假水位 对调节品质的不良影响 当蒸汽流量变化时 就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化 的信号 可以减小或抵消由于 虚假水位 引起的给水量与蒸汽量反方向变化的误动 作 使调节阀从一开始就向正确的方向移动 因而大大减小了给水量与水位的波动 缩短调节的时间 而且引入的蒸汽流量的前馈信号 能该少调节系统的静特性 提高 调节质量 双冲量水位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉 当给水 压力经常有波动时 给水调节阀前后压差不宜保持正常时 不宜采用双冲量控制 另 外在大型锅炉的控制中 锅炉容量越大 压力越来越高 汽包的相对容量就越小 允 许波动的出水量就更少 为了把水位控制平稳 在双冲量水位调节的基础上引入了给 水量信号 由水位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位控制系统 在这个系统里 汽包水位是被控变量 是主冲量信号 蒸汽流量给水流量是两个辅助冲量信号 三冲 量水位控制系统抗干扰能力强 适于大中型中压锅炉 三冲量控制方案一 方案一宜作为一般锅炉水位的控制方案 其特点是使用的设 备少 整定方发比较简单 调节机构动作比较平稳 三冲量控制方案二 与方案一比较 其加法器从调节阀前移至调节阀后 即使出 现物料不平衡的的现象 只要水位有偏差 调节器的积分作用就能消除偏差 三冲量控制方案三 采用这种控制方案 在负荷变化时给水量会及时作出相应变 化 调节时间也比较短 对于克服 虚假水位 的动态偏差有进一步的好处 方案三 适于大容量高压锅炉 而且要求水位控制严格的场合 1 41 4 设计方案的确定设计方案的确定 锅炉的给水量在运行生产中经常有自发性变化 当几台锅炉并列运行时 还可能 发生几台锅炉的汽包水位控制互相干扰的现象 当某一台锅炉负荷和给水量改变时 引起给水母管压力波动而使其他锅炉的给水量受到扰动 在双冲量水位调节中 对于 给水量这种自发性变化不能及时反映出来 要经过一定的延迟时间之后 给水量的扰 动才能通过汽包水位的变化而被发觉 此后在克服扰动时 几台锅炉的水位控制又互 相影响 使得控制过程非常复杂 另外 近代工业锅炉都向大容量高参数的方向发展 一般锅炉容量越大 汽包的容水量就越小 容许波动的蓄水量就更少 如果给水中断 可能在 10 30s 就会发生危险水位 如仅是给水量与蒸汽量不相适应 在一分钟到几分 钟内也将发生缺水或满水事故 这样对汽包水位控制要求就更高了 由常规仪表和调节仪表构成的模拟控制系统 虽然具有可靠性高 成本低 易于 维护和操作等优点 并在大中小企业中得到了广泛的应用 解决了不少自动化方面的 问题 但是随着生产向大型化连续化发展 对自动化技术的要求越来越高 模拟自动 控制系统越来越表现出它的局限性 例如它难以实现多变量控制 复杂控制规律的控 制 最优控制 自适应控制 以及时变控制等 模拟控制屏越来越长 难以实现集中 控制 各条系统之间不便进行通讯联系 难以实现多级控制 控制方案的修改比较麻 烦 如果采用计算机作为自动化工具的过程控制系统 就能很好地解决模拟控制系统 存在的上述问题 采用三冲量水位控制系统 以锅炉水位为主控信号 蒸汽流量为前馈信号 给水 量为控制器的反馈信号来控制给水量 通过智能仪表的控制 使锅炉汽包水位维持在 正常的范围内 当水位超过上限或下限时 能及时报警并采取相应的措施 并且可靠 性高 充分体现三冲量控制系统的优越性 极大地提高了企业的生产效率和经济效益 该系统自动化程度较高 大大降低了操作者劳动强度 降低了成本 综合性强 实用 性好 保障锅炉正常运行 经分析可知采用三冲量的控制方案三为最优方案 第第 2 章章 控制系统的设计控制系统的设计 2 12 1 过程控制系统设计的一般要求及内容过程控制系统设计的一般要求及内容 1 过程控制系统设计的一般要求 1 过程控制系统是稳定的 且具有适当的稳定裕度 2 系统应是一个衰减振荡过程 但过渡时间要短 余差要小 2 过程控制系统设计的主要内容 1 控制方案的设计 是整个系统设计的核心 2 工程设计 3 工程安装和仪表调校 4 控制参数工程整定 2 22 2 控制系统方框图控制系统方框图 锅炉汽包液位控制系统图和调节器正反作用的确定 在确定调节阀为气关的前提下 按单回路控制系统 可以确定流量控制器 FC 为正 作用 汽包液位和给水流量增加都需要关小调节阀 即对阀位的动作方向要求是一致 的 故液位控制器 LC 是反作用 图 2 2 1 锅炉汽包水位的三冲量控制系统方框图 2 32 3 锅炉三冲量控制系统工作原理及调节过程锅炉三冲量控制系统工作原理及调节过程 2 3 1 工作原理工作原理 冲量控制系统从结构上来说 是一个带有前馈信号的串级控制系统 液位控制器 LC 与流量控制器 FC 构成串级控制系统 汽包液位是主变量 给水流量是副变量 副 变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力 蒸汽流量的波动是引起汽包 液位变化的因素 是干扰作用 蒸汽波动时 通过引入 FC 使给水流量作相应的变化 所以这是按干扰进行控制的 是把蒸汽流量信号作为 前馈信号引入控制的 2 3 2 调节过程调节过程 根据串级控制系统选择主 副控制器的正 反作用的原则 水位控制器 LC 反作用 选反作用 流量控制器 FC 为正作用 调节器为气关阀 当水位由于扰动而升高时 因 LC 反作用 它的输出下降 进入加法器后 使 FC 给定值减小而输出增加 调节阀的 开度减小 给水流量减小 水位下降 保持在设定值上 当蒸汽流量增加时 FC 给定 值增加而输出减小 调节阀的开度增加 给水流量增加 保持水蒸汽平衡 使水位不 副回路克服给水自身的扰动 要进一步地稳定了水位的自动控制 给水流量增加 FC 输出增加 调节阀的开度减小 给水量减小 从而保持水蒸汽平衡 1 常见故障和处理措施 常见故障是出现 假液位 现象时 容易烧干锅炉 此时 仪表维护人员应该检 查 测量汽包液位的真实性 做相应的处理 调节阀线性不好 出现 DCS 控制室调节 阀的输出信号和现场阀位的开度对不上 仪表维护人员应联系好工艺 办好检修票的 同时 在现场进行多次校验 至到合格为止 蒸汽流量突然波动 FC 来不及进行作相 应的变化 及时的按干扰量进行控制 应该检查 FC 的 PID 参数是否设的合适 此外 应该经常检查 LC FC 调节器的正 反作用是否设的合适 有无更改过等 如有 根 据工艺和安全要求 进行合理修改 在进行停车检修后 现场调节阀的作用方式是气 关或气关 设定是否更改过 是否满足工艺安全生产的要求等 2 注意事项和改进方法 在实际维护当中 由于蒸汽流量的波动 对汽包液位的影响 调节不及时 常常 出现 假液位 现象 造成操作人员误判断 容易烧干锅炉 严重时导致锅炉爆炸等 事故 根据工艺操作法 严格按照工艺流程进行精心操作 串级回路一定要投自动 不 允许按照个人习惯进行手动操作 否则 应该给予经济制裁 除了仪表维护人员加强巡检外 对汽包液位可再增加一台实现双冗余 防止汽包 液位表坏 工艺操作人员仅靠汽包压力调节控制阀 容易做出误判断 容易烧干锅炉 严重时导致锅炉爆炸等事故 2 42 4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 2 4 1 串级控制系统各环节的选择串级控制系统各环节的选择 如图 2 2 1 所示 主变量 y1 是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系 在串 级控制系统中起主导作用的被控变量 其主变量为锅炉汽包水位 副变量 y2 在串级控制系统中为了更好的稳定主变量或因其他某些要求而引入的辅 助变量 其副变量为给定水流量 主对象是由主变量表征其主要特征的生产设备 如加热炉串级控制例子中从炉膛 温度监测点到加热炉出口温度监测点这段局部设备 其主对象为锅炉汽包 副对象是由副变量表征其特征的生产设备如加热炉串级控制例子中 从执行器到 炉膛温度监测点的这段局部设备 其副对象为蒸汽管道 主控制器是按主变量的测量值 与给定值的偏差进行工作的控制器 其输出作为 副控制器的给定值 其主控制器为 LC 副控制器是按副变量的测量值与主控制器的输出值的偏差进行工作的控制器 其 输出直接改变控制阀阀门开度 其副控制器为 FC 主变送器是测量并转换主变量的变送器 副变送器是测量并转换副变量的变送器 副回路是由副测量变送器 FT 副控制器 FC 执行器 FV 和副对象构成的闭合回路 也称副环或内环 主回路是由主测量变送器 LT 主控制器 LC 副回路和主对象构成的闭合回路 也称主环或外环 2 4 2 回路设计回路设计 1 主回路的设计 串级控制系统的主回路是定值控制 其设计单回路控制系统的设 计类似 设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行 这里主要解决串级控制系统 中两个回路的协调工作问题 主要包括如何选取副被控参数 确定主 副回路的原则 等问题 2 副回路的设计 由于副回路是随动系统 对包含在其中的二次扰动具有很强的 抑制能力和自适应能力 二次扰动通过主 副回路的调节对主被控量的影响很小 因 此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈 频繁 幅度大的主要扰动包括在 副回路中 此外要尽可能包含较多的扰动 归纳如下 1 在设计中要将主要扰动包括在副回路中 2 将更多的扰动包括在副回路中 3 副被控过程的滞后不能太大 以保持副回路的快速相应特性 4 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中 5 在需要以流量实现精确跟踪时 可选流量为副被控量 在这里要注意 2 和 3 存在明显的矛盾 将更多的扰动包括在副回路中有可能导致 副回路的滞后过大 这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥 因此 在实际系统 的设计中要兼 2 和 3 的综合 例如 以物料出口温度为主被控参数 炉膛温度为副被控参数 燃料流量为控制 参数的串级控制系统 假定燃料流量和气热值变化是主要扰动 系统把该扰动设计在 副回路内是合理的 3 主 副回路的匹配 1 主 副回路中包含的扰动数量 时间常数的匹配 设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动 同时也要注意主 副回路扰 动数量的匹配问题 副回路中如果包括的扰动越多 其通道就越长 时间常数就越大 副回路控制作用就不明显了 其快速控制的效果就会降低 如果所有的扰动都包括在 副回路中 主调节器也就失去了控制作用 原则上 在设计中要保证主 副回路扰动 数量 时间常数之比值在 3 10 之间 比值过高 即副回路的时间常数较主回路的时 间常数小得太多 副回路反应灵敏 控制作用快 但副回路中包含的扰动数量过少 对于改善系统的控制性能不利 比值过低 副回路的时间常数接近主回路的时间常数 甚至大于主回路的时间常数 副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益 但是副回 路的控制作用缺乏快速性 不能及时有效地克服扰动对被控量的影响 严重时会出现 主 副回路 共振 现象 系统不能正常工作 2 主 副调节器的控制规律的匹配 选择在串级控制系统中 主 副调节器的作 用是不同的 主调节器是定值控制 副调节器是随动控制 系统对二个回路的要求有 所不同 主回路一般要求无差 主调节器的控制规律应选取 PI 或 PID 控制规律 副回 路要求起控制的快速性 可以有余差 一般情况选取 P 控制规律而不引入 I 或 D 控 制 如果引入 I 控制 会延长控制过程 减弱副回路的快速控制作用 也没有必要引 入 D 控制 因为副回路采用 P 控制已经起到了快速控制作用 引入 D 控制会使调节 阀的动作过大 不利于整个系统的控制 3 主 副调节器正反作用方式的确定 一个过程控制系统正常工作必须保证采用 的反馈是负反馈 串级控制系统有两个回路 主 副调节器作用方式的确定原则是要 保证两个回路均为负反馈 确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式 然后再 确定主调节器 LC 的作用方式 以图 2 1 1 所示物料出口温度与锅炉温度串级控制 系统为例 说明主 副调节器正反作用方式的确定 副调节器 FC 作用方式的确定 首先确定调节阀 出于生产工艺安全考虑 燃料调节阀应选用气开式 这样保证当系 统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态 防止燃料进入加热炉 确保设备安全 调 节阀的 Kv 0 然后确定副被控过程的 Ko2 当调节阀开度增大 燃料量增大 锅炉 温度上升 所以 Ko2 0 最后确定副调节器 FC 为保证副回路是负反馈 各环节 放大系数 即增益 乘积必须为正 所以副调节器 K 2 0 副调节器作用方式为反作用 方式 主调节器作用方式的确定 锅炉温度升高 物料出口温度也升高 主被控过程 Ko1 0 为保证主回路为负反馈 各环节放大系数乘积必须为正 所以副调节器 FC 的放大系数 K 1 0 主调节器作用方式为反作用方式 从加热炉安全角度考虑 调节阀应选气开阀 即如果调节阀的控制信号中断 阀门应处于关闭状态 控制信号 上升 阀门开度增大 流量增加 是正作用方式 反之 为负作用方式 副对象的输 入信号是给定水流量 输出信号是给定水压力 流量上升 压力亦增加是正作用方式 测量变送单元作用方式均为正 由于副回路可以简化成一个正作用方式环节 主对象 作用方式为正 主测量变送环节为正 根据单回路控制系统设计中介绍的闭合系统必 须为负反馈控制系统设计原则 即闭环各环节比例度乘积必须为正 故主调节器 LC 均选用反作用调节器 副调节器 FC 均选用反作用调节器 第第 3 章章 控制系统各元器件选择控制系统各元器件选择 3 13 1 控制器的选择控制器的选择 控制器是控制系统的核心部件 它将测量变送信号与给定值比较产生偏差信号 并按一定的控制规律对该偏差进行运算 输出的信号送往执行器 控制器的选择主要包括控制规律的选择和正 反作用方式的选择 3 1 1 控制规律选择控制规律选择 1 比例控制器 P 比例控制是最基本的控制规律 其特点是控制规律简单 调整方便 缺点是会使 系统产生余差 虽然通过增加比例放大系数可减小余差 但是系统稳定程度降低 所 以比例控制系统适应于控制通道滞后及时间常数均较小 干扰幅度较小 负荷变化不 大 控制质量要求不高 允许有余差的场合 2 比例积分控制器 PI 比例积分控制是使用最多 应用最广的控制规律 在反馈控制系统中 约有 75 是采用 PI 控制规律的 积分作用的引入 使系统具有消除余差的能力 另外 积分作 用的滞后特性还有利于减小高频噪音的影响 但是加入积分作用后 会是系统稳定性 降低 必须减小比例放大系数以保持系统原有的稳定 对于容量滞后较小 负荷变化 不太大 工艺参数不允许有余差的场合 PI 控制规律可以有效地改善控制品质 3 比例为分控制器 PD 比例为分控制器 由于微分作用的引入 是系统具有超前控制功能 因而控制更 加及时 可有效减小动态偏差 因此 对于控制对象容量滞后较大的场合 可采用比 例微分控制器 4 比例积分微分控制器 PID PID 控制规律综合了各种控制规律的优点 所以适当调整 Kc Ti Td 三参数 可以使控制系统获得较高的控制质量 一般来说 PID 控制器适用于过程容量滞后较大 负荷变化大 控制质量要求高的场合 PID 比例调节作用 是按比例反应系统的偏差 系统一旦出现了偏差 比例调节立即 产生调节作用用以减少偏差 比例作用大 可以加快调节 减少误差 但是过大的比例 使 系统的稳定性下降 甚至造成系统的不稳定 1 积分调节是使系统消除稳态误差 提高无差度 因为有误差 积分调节就进行 直至 无差 积分调节停止 积分调节输出一常值 积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti Ti 越小 积分作用就越强 反之 Ti 大则积分作用弱 加入积分调节可使系统稳定性下降 动 态响应变慢 积分作用常与另两种调节规律结合 组成 PI 调节器或 PID 调节器 2 微分作用反映系统偏差信号的变化率 具有预见性 能预见偏差变化的趋势 因此能 产生超前的控制作用 在偏差还没有形成之前 已被微分调节作用消除 因此 可以改善系 统的动态性能 在微分时间选择合适情况下 可以减少超调 减少调节时间 微分作用对 噪声干扰有放大作用 因此过强的加微分调节 对系统抗干扰不利 此外 微分反应的是变 化率 而当输入没有变化时 微分作用输出为零 微分作用不能单独使用 需要与另外两种 调节规律相结合 组成 PD 或 PID 控制器 在调节系统中 其过程控制方式就是将被测量 如温度 压力 流量 成分 水 位等 由传感器变换成统一的标准信号送入调节器 在调节器中 与给定值进行比较 然后把比较出的差值进行 PID 运算 所谓 PID 运算就是比例 积分 微分运算 P 调 节就是调节器的输出和输入成比例 调比例带 也就是调比例系数 比例带就是输出 与输入之比 放大倍数 的倒数 I 调节就是输出是输入量 即偏差 的积分 只要有 偏差 调节器就会不断积分 使输送到执行器的信号变化 校正被控量 直到达到无 偏差为止 所以有了积分调节器就会消除稳态偏差 但要注意单独的积分调节往往是 不能工作的 所谓整定积分时间就是调积分的快慢 这要取决于对象的特性 D 调节 就是微分调节 也就是输出对输入的微分 微分调节的优点在于它的超前性 当输入 发生变化时 马上就有微分信号产生 使被控量得以提前校正 然后再由 P I 进行校 正 这样可以使整个调节的过渡过程时间缩短 有利于调节质量的提高 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志 同时 控 制理论的发展也经历了古典控制理论 现代控制理论和智能控制理论三个阶段 智能 控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等 自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控 制系统 一个控制系统包括控制器 传感器 变送器 执行机构 输入输出接口 控 制器的输出经过输出接口 执行机构 加到被控系统上 控制系统的被控量 经过传 感器 变送器 通过输入接口送到控制器 不同的控制系统 其传感器 变送器 执 行机构是不一样的 比如压力控制系统要采用压力传感器 电加热控制系统的传感器 是温度传感器 目前 PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器 仪表 已经很多 产 品已在工程实际中得到了广泛的应用 有各种各样的 PID 控制器产品 各大公司均开 发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 其中 PID 控制器参数的自动调整是通过 智能化调整或自校正 自适应算法来实现 有利用 PID 控制实现的压力 温度 流量 液位控制器 能实现 PID 控制功能 3 1 2 控制器正反作用选择控制器正反作用选择 对于一个闭环控制系统来说 若要使系统稳定 系统应采用负反馈 在实际系统 分析中 为了保证能构成负反馈控制系统 主要考虑控制器 控制阀 被控对象 测 量变送器各个环节放大系数 Kc Kv Ko Km 的符号联成为负 只要事先知道了对象 控制阀 测量变送器放大系数的正负 再根据系统各个环节的放大系数符号乘积必须 为负的要求 就可以很容易地确定出控制器的正反作用的方式 环节正负的确定 输入增加 输出也增加 则该环节放大系数符号为正 输入增 加 输出减小 则该环节放大系数符号为负 根据以上述的规定可知 1 对象放大系数 Ko 的正负号 被控对象放大系数 Ko 的正负号规定为 当操纵变 量增加 被控变量也增加时 Ko 为正 如果操纵变量增加 被控变量减少 则 Ko 为 负 2 控制阀放大系数的正负号 控制阀放大系数 Kv 的正负号规定为 气开阀 Kv 为 正 气关阀 Kv 为负 3 测量变送器放大系数 Km 的正负号 被控变量增加 测量变送器的输出增加 所 以测量变送器放大系数 Km 的正负号为正 4 控制器放大系数 Kc 的正负号 控制器的正反作用方式 测量值 z 增加 输出也 增加时 则成控制器为正作用方式 反之 z 增加 输出减小 控制器为反作用方式 当系统中选择正作用控制器时 对应放大系数 Kc 为正 选择反作用控制器时 Kc 为负 保证系统为负反馈的条件是 Kc Kv Ko Km 为负 因 Km 为正 则 Kc Kv Ko K 为负 例如 锅炉汽包水位控制系统 如图 3 2 2 1 所示 锅炉给水控制阀常采用气关阀 以保证发生事故时 阀全开 继续供水 防止锅炉烧干爆炸 所以 Kv 为负 当锅炉进 水量 操纵变量 增加时 汽包水位 被控变量 上升 所以 Ko 为正 根据系统为负反馈 的条件 控制器放大系数 Kc 应为正 即选正作用方式 该系统的控制过程是 当汽包 水位升高时 测量值增大 由于控制器是正作用方式 故输出信号增大 从而使气关 阀开度减小 进水量减小 导致汽包水位下降 系统得到控制 图 3 2 2 1 为锅炉汽包水位控制系统 3 23 2 控制阀选择控制阀选择 控制阀是控制系统非常重要的一个环节 它接受控制器的输出信号 改变操纵变 量 执行最终控制任务 气动控制阀可分为气开和气关两种形式 控制阀开关形式的选择应根据以下三个方面考虑 1 从工艺生产的安全角度考虑 主要考虑当失气 气源供气中断 或控制阀出现故障 时 应避免损坏设备和伤害人员 事故情况下 控制阀处于关闭位置危害性小 则应 选气开阀 反之 应选气开阀 例如 加热炉燃料控制阀一般选气开阀 以保证在控 制阀失气时能处于全关状态切断进炉燃料 从而避免加热炉温度过高造成事故 2 从介质特性上考虑 如果介质是易凝 易结晶 易聚合的物料 控制阀开关形 式选择应考虑介质的这些特性 例如 精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般选气开阀 但 是如果釜液是易凝 易结晶 易聚合的物料 控制阀则应选择气开阀 以防控制阀失 气时阀门关闭 停止蒸汽进入而导致再沸器和塔内液体的结晶和凝聚 造成堵塞 如 果介质易结焦 则一般选气开阀 3 保证产品质量 经济损失最小的角度考虑 当事故发生时 尽量减少原料及动 力消耗 但要保证产品质量 例如 精馏塔进料阀常为气开阀 如果没有气压 阀就 全关 停止进料 以免浪费 塔顶采出阀常为气开阀 如果没有气压 阀就全关 保 证塔顶产品质量 回流量控制阀则选择气开阀 在没有气压信号时阀门全开 精馏塔 处于全回流状态 控制阀口经选择是否合适直接影响控制效果 在不同的自控系统中 由于参数千 差万别 在选择发口径时 先计算 根据厂家的产品选出相应的控制阀口径 最后进 行有关的验算 进一步验证所选阀是否满足工作需求 3 33 3 AI 808AI 808 型人工智能调节器型人工智能调节器 本系列仪表采用了国际先进技术 输入采用数字校正系统 内置常用的热电偶和 热电阻非线性校正表格 测量精度高 3 3 1 主要特点主要特点 AI 808 型是功能增强的调节器 可替换 DDZ DDZ 型调节器且精度更高 AI 808 将温度变送器 手操器和伺服放大器等功能集成起来 通过编程可随意使用 其中一项或多项功能 除具备 AI 708 的全部功能及特点外 还具备外给定 手动 自 动切换操作 手动自整定及显示输出值等功能 具备位置比例输出 伺服放大器 功 能 也可独立做手动操作器或伺服放大器用 适合在化工 石化 火电 制药 冶金 等多种行业做高精度单回路调节器用 能精确控制温度 压力 流量 液位等各种 物理量 3 3 2AI 仪表参数设置仪表参数设置 Ctrl 控制方式 Ctrl 1 采用 AI 人工智能调节 PID 调节 Sn 输入规格 Sn 33 1 5vDC 电压输入 DIL 输入下限显示值 一般 DIL 0 DIH 输入上限显示值 输入为液位信号时 DIH 50 0 OP1 输出方式 一般 OP1 4 为 4 20mA 线性电流输出 CF 系统功能选择 CF 0 为内部给定 反作用调节 第第 4 章章 PID 控制器参数整定控制器