锅炉汽包水位控制系统.doc

目 录第1章 设计的目的意义3第2章 控制系统工艺流程及控制要求4第3章 总体设计方案5第4章 软件设计6第5章 课程设计实验部分7第6章 收获和体会8第7章 参考文献11第1章 设计的目的意义锅炉汽包水位控制系统的目的是调节进入汽包给水的流量，以维持汽包水位在所要求的上下限之间，适应锅炉蒸发量的变化。工业蒸汽锅炉汽包水位是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数。水位过高，会影响汽水分离装置的正常工作，易使蒸汽带水并有溢出危险；水位过低，则会破坏蒸汽正常循环，以致烧坏受热面，易烧干锅而发生严重事故。所以，维持锅炉汽包水位在给定值范围内事保证安全生产的必要条件，因此设计和改进锅炉给水控制有重大意义。第2章 控制系统工艺流程及控制要求图1 汽包水位控制系统21 设计要求（1） 能够满足一般控制系统要求的自动，手动的控制功能；（2） 能够根据实际的情况进行自动的校正；22锅炉水位控制系统工艺流程：根据设计要求将整个锅炉汽包思维控制系统的全过程分成多个阶段：水注入锅炉的过程；水经过加热变成蒸汽的过程；蒸汽供负载使用的过程；下面对各个阶段进行简单的介绍。（1） 水注入锅炉的过程：在这个过程中，水经过由变频器控制的水泵以及调节阀注入到锅炉中（2） 水经过加热变成蒸汽的过程：水在锅炉内加热变成蒸汽，同时在水中产生汽包，水位同时变化（3） 蒸汽供负载使用的过程：蒸汽经过管道调节阀供负载使用第3章 总体设计方案31，锅炉水位变化的主要原因：（1） 给水量G（2） 蒸汽量D（3） 锅炉燃烧率H（即水位）图2 蒸发量阶跃扰动下水位反应曲线 图3 给水量阶跃扰动下的水位反应曲线1， 蒸发量D扰动作用下水位动态特性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，蒸发量阶跃增加时，汽包总兵官压力减小，汽水循环管路中水的汽化强度增加，汽水混合物中的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，这种特殊现象称为虚假水位。当汽水混合物种汽包容积与蒸发量相适应达到稳定后，水位才反跌出积水量与蒸发量之间的不平衡，开始下降。蒸发量阶跃扰动下水位反应曲线如如 2所示2，给水量G扰动作用下水位动态特性 当给水量大于蒸发量时，汽包水位一开始并不利己增加，而呈现出一段起始惯性段，这是一位温度较低的更多的给水进入循环系统，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”，汽包体积小。进入省煤器的给水，首先必须填补由于汽水管道中汽包较少说让出的空间。这时，虽然给水量增加，但数位基本不变，当水面下汽包容积变化过程逐渐平衡时，汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升。当水面下汽包容积不再变化，完全稳定下俩时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。给水量阶跃扰动下的水位反应曲线如图3 所示32，不同方案分析水位调节对象没有自平衡能力，存在滞后性，在外扰情况下可出现虚假水位现象。常用的水位控制系统有以下3种：单冲量给水控制系统，纪以水位为唯一调节信号的单参数，单回路控制系统；双冲量给水控制系统，以蒸汽流量作为补充信号的双参数控制系统；三冲量给水控制系统，以蒸汽流量和给水流量最为补充信号的三参数控制系统。单冲量水位控制系统只根据水位变化去改变给水调节阀的开度。对中小型锅炉，由于汽包相对于符合而言容量较大，水位受扰动的反应速度较慢，虚假水位现象不很严重。因此一般采用单冲量控制方法就可以满足生产上的要求，控制算法采用PI算法实现无差水位调节。当蒸汽量大幅度增加时，为了克服虚假水位对控制的不良影响，可以引入蒸汽流量作为前馈信号。当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时，蒸汽流量起着超前的作用，可使水位还没出现变化时提前使调节阀动作，减小水位波动，从而改善控制品质。这样，系统就成为双冲量控制。当给水压力波动时，给水流量将相应变化，双冲量控制方法只有当洪水位发生变化后才能进行控制，因此不能迅速克服水压力变化对水位的影响。为此，可再引入给水流量信号，组成三冲量控制回路33方案确定通过汽包水位控制工艺流程以及汽包水位调节动态特性的研究，知道汽包水位的调节具有一定得延迟和惯性特点，即在增发俩个，积水量发生阶跃变化时，调节对象H不能立即跟着作线性变化，尤其在蒸发量发生阶跃变化时，有虚假水位现象。针对汽包水位的这一特点，设计了基于PLC的锅炉串级三冲量给水控制系统： 以汽包水位作为主控制信号构成调节回路，以蒸汽流量作为前馈信号D构成前馈调节回路，以给水流量作为串级信号G构成副调节回路，由这三个回路共同构成锅炉汽包水位串级三冲量控制系统。给水流量局部反馈信号通过给水流量变送器，副调节器PID2，变频器组成内回路（图4）。其作用是消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷变化时迅速调节给水流量，以保证给水流量和蒸发量平衡，它是一个快速回路。由主信号水位H通过水位变送器，主调节器PID2,内回路，对象调节通道组成外回路（图5），其作用是校正水位调节偏差，使水位等于设定值。蒸汽流量信号作为前馈信号，其作用是使给水量很快跟踪蒸汽流量的变化，克服虚假水位现象所引起的变频器误动作和水位过大图4 内回路系统方框图图5 外回路系统方框图图6 锅炉汽包水位串级三冲量控制系统方框图第4章 软件设计41控制算法设计为了便于DCS控制，我们采用数字PID控制算法，它是一种采样控制，根据采样时刻的偏差计算空置量，经DCS的D/A输出模块来控制给水泵的变频速度。 假设一个PID回路的控制输出M是时间T函数，则可以看作是比列项，积分项和微分项部分之和，即 （1） 为了在PLC上设置Kp,Ti,Td3个参数，对式（1）进行离散化。设采样周期为T，令t=kT,k=0、1、2代入式(1),可得 （2） 等式右边的第二项采用了梯形近似积分，第三项采用了一阶差分近似微分。式中的括号省略了采样中远期T。 将式(2)中的下标改为k-1,可得 （3） 将式（1）与式（2）相减，移项并化简可得 （4）E为给定值与被控制变量之差，即回路偏差e(k)=SP(k)-PV（k）,Kp为回路增益，Ti,Td为积分和微分时间参数。公式（4）中包含9个用来控制和监视PID运算的参数，在使用PLC的PID指令时便构成回路表，其回路表的格式如表1所示表一PLC的PID参数回路表参数地址偏移数据格式I/O类型描述过程变量当前值SP（k）0双字实数I过程变量0.0-1.0给定值SP（k）4双字实数I给定值0.0-1.0输出值M(k)8双字实数I/O输出值0.0-1.0增益Kp12双字实数I比列常数正，负采样时间Tc16双字实数I单位为s正数积分时间Ti20双字实数I单位为min正数微分时间Td24双字实数I单位为min正数输出项当前值M（k）28双字实数I/O输出项当前值00-1.0过程变量当前值PV（k-1）32双字实数I/O最近一次PID变量值42参数工程整定 对该汽包水位自动调节系统PID3个参数的整定我们采用稳定边界法，它的特点是不需要知道控制对象，而直接在闭环系统中进行整定，整定方法如下： （1）先将PID调节器改成纯比例作用(使Ti=,Td=0),并将比例带置于较大的数值，然后把控制系统投入闭环运行。（2）将系统投入闭环运行，待系统运行稳定后，逐步调小比例带，观察不同（=1/Kp）值下的调节过程，直到调节过程出现等幅振荡为止，记下此时的临界比例带k和系统的临界振荡周期Tk。 （3）根据求得的k和Tk，由表2可求得PID调节器的整定参数。 （4）将PID调节器参数按求得数值设置好，此时比例带可设置的大一些，作系统的阶跃扰动实验，观察控制过程，适当修改整定参数表2 PID调节器的整定参数控制租用调节器传递函数TiTdPIDG（S）=1/（1+S/Ti+TdS）1.67k0.5Tk0.25Tk表2的计算式适用于无自平衡能力的锅炉汽包水位对象，在大多数热工业生产过程中，对象的惯性比较大，用稳定边界法实验时出现的等幅振荡周期比较长。这种低频的振荡过程，对这种锅炉汽包水位惯性比较大的调节过程是允许的。第5章 课程设计实验部分5.1控制系统硬件组成该系统硬件构成如图7所示。主要由PLC，变频器，变送器，电气控制部分等组成。图7 控制系统组成该控制系统为提高可靠性，采用手动和自动控制两套方案。自动控制系统为了满足用户的不同要求，又采用开环和闭环控制，当变送器故障时，系统可以进行开环控制，操作人员可以可通过操作面板的速度给定电位器来调节电机转速，使锅炉汽包水位保持所需范围。万一整个自控系统出现故障，为了维持锅炉正常运行，操作人员将通过启动应急备用系统来保证系统工作。当自控系统失控或变频器发生故障，控制系统设计了完善的连锁保护和声光报警。5.2软件设计该系统选用DCS过程控制系统，该系统易实现其数字PID控制算法。控制系统软件设计主要流程如图8所示。图8 主要程序流程图5.3 系统仿真研究与分析对串级三冲量给水控制系统用MATLAB中的Simulink进行仿真。系统仿真框图如图9所示。取采样时间Ts=0.1S,仿真时间t=500S,主要调节器PID1参数：Kp=0.95,Ti=0.065,Td=0,副调节器PID2参数：Kp=3,Ti=0.035,Td=0,系统的输出波形如图10所示。由仿真结果可知，该系统对各种扰动信号能做出快速反应，维持锅炉汽包水位的稳定。图9 锅炉给水控制系统仿真图图10 控制系统仿真曲线第6章 收获和体会 在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础这次设计，很多内容都是自己查看资料的，对PLC有了更为深刻的印象，在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的唐老师.，