锅炉双冲量给水控制系统设计.doc

装订线毕业设计（论文）报告纸第一章 论文选题背景及理论发展1.1 目的及意义 随着电子产品的降价及自动化生产线工艺控制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业准备将自己的核心生产线改成全自动化生产线或者对个别关键工艺参数采用自动控制。工业应用自控技术在中国的推广使用较晚，但近年来发展较快。国内现在做汽包水位自动控制系统方面的设计公司很多，但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在工业应用中的重要地位和作用，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。本课题的目的及意义：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设计值75100mm范围内。1.2 自动控制理论的发展一、“经典控制理论”阶段上世纪50年代前发展的控制理论被称为“古典控制理论”。它主要研究的自动控制系统为线性定常系统，被控对象集中于SISO系统。经典控制理论所采用的方法通常是以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基础的波德图法和根轨迹法，包括各种稳定性判据和对数频率特性。二、“现代控制理论”阶段60年代以后发展起来的现代控制理论主要研究MIMO系统。系统可以是线性或非线性的，定常或时变的。它采用状态方程代替经典理论中的一个高阶微分方程式来描述系统，并且系统中各个变量均为时间t的函数，因而属于时域分析方法。采用状态方程的好处可以研究系统的内部特性，可以分析系统的本质。主要内容包括：（1）系统运动状态的描述和能控性、能观性分析；（2）李亚谱诺夫稳定性理论和李亚谱诺夫函数，系统识别和卡尔曼滤波理论；（3）非线性系统控制；（4）系统最优控制及自适应控制三、“大系统理论和先进控制理论”阶段前两个阶段的控制理论的发展与应用，主要讨论存在数学模型的自动控制系统，但是对于那些不具有数学模型或很难找到数学模型的被控对象，应用经典控制理论的方法等无法解决。但是，由于计算机技术的快速发展和价格的下降，使计算机的应用领域越来越宽，先进控制日益发展和应用起来了。先进控制主要包括自适应控制、预测控制、智能控制、鲁棒控制等。人工智能学科的发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能控制和具有智能化的自动控制系统又是人工智能的一个既有广泛应用前景的研究领域。70年代末开始的智能控制理论和大系统理论的研究与应用，是现代控制论在深度上和广度上的开拓，因此在控制工程界受到极大的关注，主要包括：专家系统、神经网络和模糊控制、学习控制等。智能控制具有如下特点：以专家和熟练操作工人的知识为基础进行推理、判断、预测和规划，采用符号信息处理、启发式程序设计，知识表示和自学习、推理与决策的智能化技术，实现问题的综合性求解。先进控制离不开前两个阶段的控制理论，只是把自动控制理论推向一个更深化的崭新阶段。1.3 控制系统规模、组成结构和硬件的发展一、 初级阶段本世纪50年代前后，热工生产过程主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表实现机、炉、电各自独立的分散的局部自动控制。各控制系统之间没有或很少有联系，所应用的理论是经典控制理论。二、 常规仪表阶段50年代末及以后十年间，随着仪表工业大力发展，先后出现了电动单元仪表和巡回监测装置，这些高性能的仪表广泛应用于热工过程，并且机组容量增大，对效率及安全的要求越来越突出，因此热工控制的要求和精度变得越来越高。要求实现把机、炉作为一单元整体来进行集中控制，仪表盘表装在一起监视，从而使机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所促进。此时所用的仪表有电动及组装仪表。理论发展主要是处于“经典控制理论”阶段，但也开始考虑最优控制等，各种DDZ型仪表广泛应用于水位控制中。三、 大型自动化阶段70年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发展，实现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的分散计算机控制，目前火电发电厂都发展到了管理、决策、财务、生产过程一体化的（CIPS）阶段，整个机组的生产过程的控制只是其中的一个子系统。采用集中分散型计算机控制系统，DCS它把各系统之间、厂级管理、调度等用大型计算机进行集中管理，而各个子回路分散控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合理的新型计算机控制系统。随着这个过程，控制理论的应用有了新的发展，各种先进控制技术也能广泛应用于热工过程。水位控制的模式主要是三冲量，但是先进控制技术也应用到水位控制中来，如自适应控制、预测控制、模糊控制、还有可以用神经网络进行控制。甚至应用建模技术，可以对过程实时建摸，更加提高了控制效果。四、国外一些主要的DCS系统 国外DCS系统经过几十年的发展，计算机集散控制系统已被广泛应用于包括电厂在内的诸多工业部门。目前，世界上约有40多家公司生产近百种简单控制系统的商业产品。比较有名的如美国的ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以及日本的横河北辰、日立、东芝；德国的Siemens等多跨国公司。这些成熟的DCS系统都有可靠的性能，都有对于专门的生产过程发展的DCS系统，可以很方便、任意的组态，里面都包含了几乎所有的控制算法，用户可以根据现场情况实现自己的控制策略。由于这些系统的良好的开放性，用户可以在此基础上作二次开发，把最新的技术应用到自己的系统中来，增强原系统的功能。第二章 锅炉工艺2.1锅炉结构简介锅炉系统的构成如图2.1-1所示。整个锅炉系统主要由锅筒、炉膛、蒸汽过热器、省煤器、空气预热器、引风装置、吸风装置、给水装置、蒸汽管路、燃料供应装置、除尘装置等构成。说明如下：锅炉本体组成部分：（1）锅筒是一个封闭的热交换器，外部与烟气相接触，利用烟气中的热量，并被烟气加热以产生饱和蒸汽；（2） 炉膛是燃料燃烧装置，燃料在其中燃烧以放出热能。在炉膛壁上装设的受热面称作水冷壁，它主要是吸收辐射热；（3） 蒸汽过热器是被烟气加热的热交换器，用以使饱和蒸汽过热成为过热蒸汽；（4） 省煤器是加热给水的热交换器，利用烟气中的热量以加热送入炉筒的给水；（5） 空气预热器时加热空气的热交换器，利用烟气中的热量预热送往炉膛的空气；辅助装置：（6） 引风装置包括引风机及烟囱。引风机从锅炉的烟道抽出烟气送入烟囱排出；（7） 吸风装置包括吸风机及风道。吸风机将空气经过空气预热器送往炉膛；（8） 给水装置包括水泵、给水管路以及给水的化学处理设备；（9） 蒸汽管路从锅炉引出蒸汽送给用户；（10）燃料供应装置从燃料堆集处所，把燃料送往锅炉房；（11）除尘装置在烟道内，除去由锅炉出来的烟气中带走的飞灰。图2.1- 1锅炉结构图2.2锅炉工艺简介锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图2.21所示。由图可知，在汽水系统方面，给水在一定温度下，经给水管道进入省煤器，加热以后送入蒸汽发生系统。由燃料燃烧生产的热量传递给蒸汽发生系统，水吸收炉膛辐射热形成汽水混合物，由汽水分离装置产生饱和蒸汽。然后，分离出来的饱和蒸汽经过过热器，继续吸热形成一定气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制供给负荷设备用。图2.2- 1锅炉工艺图与此同时，在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱，排向大气。2.3锅炉汽包水位的控制2.3.1汽包水位控制的重要性锅炉给水控制系统是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统。其中汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重会导致蒸汽带水过多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量，同时，也会使过热蒸汽温度急剧下降，还会对后面的负荷设备产生破坏。水位过低，则由于汽包的水量减少，当负荷增大时，水的汽化速度加快，若不及时调节，就会使汽包内的水全部汽化，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。所以其值过高过低都可能造成重大事故。锅炉的给水控制系统是个复杂的物理过程，各输入、输出的耦合关系十分复杂；锅炉系统具有大的延时，并且参数是在实时变化，难以建立精确的数学模型；锅炉的负荷变化范围从零到最大负荷量；并且是不定时变负荷。可见，汽包水位是锅炉运行的主要指标，使锅炉安全运行的重要参数，同时它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。2.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性蒸汽流量扰动主要来自气轮机的负荷变化，这是一个经常发生的扰动，属于调节系统的外扰。在蒸汽流量D扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图2.3-1所示：图2.3- 1阶跃响应曲线图图2.3-1 汽包水位在蒸汽流量扰动作用下的阶跃响应曲线当蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位应下降，如图中直线H1所示。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽包迅速增加，由于汽包容积增加而使水位变化的曲线如图3中H2所示。而实际显示的水位响应曲线H为H1+H2。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”。 应该指出：当负荷变化时，水位下汽包容积变化而引起水位的变化速度是很快的，图中H2的时间常数只有1020S。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用函数表示为： =+ =+式中，响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，（mm/s）/(t/h); 响应曲线的放大系数；响应曲线的时间常数；“虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，一般t/h的中高压锅炉，当负荷变化时，“虚假水位”可达mm。“虚假水位”现象属于反向特性，其变化与锅炉的气压和蒸发量的变化的大小有关，而与给水流量无关。2.3.3 燃料量扰动下汽包水位的动态特性汽包水位在燃料量扰动下的响应曲线如图2.3-2所示，当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度增大。如果气轮机侧的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增高，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将气量缓慢增加，故虚假水位现象要比扰动下缓和得多。图2.3- 2燃料扰动曲线图2.3.4 水位对象静态特性分析对于一台固定容量的汽包锅炉，当设计完成后，其汽包、蒸发管道容量是固定的。汽包及蒸发管道系统中贮藏着蒸汽、水，贮藏量的多少，是以汽包水位表征的，其大小受到汽包的流入量（给水量），流出量（蒸发量）之间平衡关系的影响，同时还受到在给水循环、管道中汽水混合物内汽水容积变化的影响。系统输入输出之间的静态关系式为：f (W,D)其中：汽包水位； W给水流量； D蒸汽流量； 系统在稳态时，给水量和蒸发量之间保持平衡，汽水容积也保持不变，水位H保持稳定H=0。第三章 方案选定 目前主要存在单冲量水位控制系统、双冲量控制系统、三冲量系统；以下就三种控制方案进行分析：3.1 单冲量水位控制方案图3.1- 1单冲量控制方案如图3.1-1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 双冲量控制方案图3.2- 1双冲量原理图图3.2-1为双冲量原理图，FT流量传感器，LT液位传感器。图3.2- 2双冲量方框图在3.2-2双冲量控系统方块图中可以看出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6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6所示连接方式中，加法器的输出是： 式中水位调节器的输出；蒸汽流量变送器（一般经开放器）的输出；初始偏置值；加法器的系数。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：式中阀门输入信号变化量； 给水流量变化量。在测量方面，假设为线性，则 式中，蒸汽流量变送器的输出变化量；蒸汽流量变化量； 蒸汽流量变送器量程，从零开始； 变送器输出的最大变化范围。要达到静态补偿，应保持物料平衡，即有：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： 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，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3.2-3（a）所示： （a） （b） 图3.2-3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6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7（b）。等效转换后其等式项是： 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。图3.3-1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。 图3.3- 1三冲量原理图图3.3-2三冲量方框图图3.3-2控制方案依据这条原则，可以看出液位反馈量、给水流量变化、蒸汽流量变化对执行器输出信号的影响。3.4 几种控制方案的比较单冲量水位控制是汽包水位自动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，而且没有给水流量信号的反馈，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，能改善调节系统的静特性，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，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；另外在大型锅炉的控制中，锅炉容量越大，压力越来越高，汽包的相对容水量就越小，允许波动的储水量就更少。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流量信号，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，适用于大中型中压锅炉。本设计中由于小型锅炉，且对控制精度要求并不很高，所以综合考虑选择双冲量控制系统。3.5 方案解析图3.5- 1原理图从前面的分析、比较，我认为双冲量控制系统最符合设计要求。下面讨论一种常见的双冲量调节系统:蒸汽流量前馈与汽包水位反馈所组成的双冲量系统。图3.5-1冲量系统,汽包水位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量前馈到汽包水位调节系统中去,一旦蒸汽流量发生波动, 不是等到影响到水位才进行调节,而是在这个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正,故大大提高了水位这个被调参数的调节精度。在稳定状态下,水位测量信号等于给定值,水位调节器的输出,蒸汽流量等三个信号,通过加法器得到的输出电流为: I0= K1 I1-K2 I2式中,I1 为液位调节器的输出电流;I2 为蒸汽流量变送器的电流;K1 、K2 分别为加法器各通道的衰减系数。设计K2 I2= K3 I3 此时I0 正是调节阀处于正常开度时所需要的电流信号(为了安全调节阀必须用气关阀) 。假定在某一时刻,蒸汽负荷突然增加,蒸汽流量变送器的输出电流I2 相应增加,加法器的输出电流I0 就减少, 从而开大给水调节阀。但是与此同时出现了假水位现象,水位调节器输出电流I1 将增大。由于进入加法器的两个信号相反, 蒸汽流量变送器的输出电流I2 会抵消一部分假水位输出电流I1 , 所以, 假水位所带来的影响将局部或全部被克服。待假水位过去,水位开始下降,水位调节器输出电流I1 开始减小, 此时, 它与蒸汽流量信号变化的方向相反, 因此加法器的输出电流I0 减小, 意味着要求增加给水量, 以适应新的负荷需要并补充水位的不足。调节过程进行到水面重新稳定在给定值, 给水量和蒸发量达到新的平衡为止。图12为三冲量水位调节方案图, 图3.5-2位调节方框图。（a）图3.5- 2调节方框图（b） 由上面对双冲量系统的一些讨论的同时我们不能忽视其整定的重要性，下面就小论其工程整定问题。在开始预调整操作前系统应处于稳定状态，一个不稳定的系统（例如打开电冰箱门、原料加入混合器、冷启动等）将使预调整操作产生错误的结果。第四章 FX2N系列PLC及各模块简介4.1 PLC控制可行性分析PLC的诸多优点使它在应用于工业过程的各种实现顺序控制设备中脱颖而出。现将继电接触器控制系统、微机控制系统、PLC控制系统比较如下：如表2.2.2-1。表2.2.2-1 继电接触器控制系统、微机控制系统、PLC控制系统比较项目继电接触器控制系统微机控制系统PLC控制系统功能用大量继电器布线实现逻辑控制用程序实现各种复杂控制，功能最强用程序实现各种复杂控制通用性一般是专用要进行软、硬件改造才能做其它用通用性好，适应面广可靠性受机械触点寿命限制一般比PLC差平均无故障时间长抗干扰性能抗一般电磁干扰要专门设计抗干扰措施，否则易受干扰影响一般不用考虑抗干扰问题适应性环境差，会降低可靠性和寿命工作环境要求高，如机房、实验室、办公室可适应一般工业现场环境接口直接与生产设备连接要设计专门的接口直接与生产设备连接灵活性改变硬件接线逻辑、工作量大修改程序技术难度较大修改程序简单容易工作方式顺序控制中断处理，响应最快顺序扫描系统开发图样多，安装接线工作量大，调试周期长系统设计较复杂，调试技术难度大，需要计算机知识设计容易、安装简单、调试周期短维护定期更换继电器，维修费时技术难度较高现场检查，维修方便PLC作为一种工业控制机，一直在发展中，直到目前为止，还未能对其下最后的定义。国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical Commission ）在对前两次颁布的PLC标准草案修订基础上于1987年2月颁发了第三稿，草案中对PLC的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专门为在工业环境下应用设计的，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产设备。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。”总之，PLC是一台计算机，是专门为工业环境应用而设计制造的计算机，它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但PLC不是针对某一具体的工业应用，在实际应用中，其硬件需根据实际需要选用配置，其控制程序则采用PLC自身语言根据用户控制要求进行设计。另外，随着微电子技术的发展，PLC的制造成本不断下降，而功能却大大增强。目前，在先进的工业国家中PLC已成为工业控制的先进设备，应用的领域已覆盖了所有的工业企业。PLC已经不再只应用于开关量的控制，还可以应用于通信、联网、集散控制以及模拟量的控制等。 开关量的逻辑控制。开关量逻辑控制是工业控制中应用最多的控制，PLC 输入输出信号都是通过通/断的开关信号。对控制的输入、输出点数可以不受限制，从十几个到成千上万个点，可通过扩展实现。在开关量的控制中，PLC是继电接触式系统的替代产品。 模拟量控制。PLC能够实现对模拟量的控制，如果配上闭环控制（PID）模块后，可对温度、压力、流量、液面高度等连续变化的模拟量进行闭环过程控制，如锅炉、冷冻机、反应堆、水处理设备、酿酒装置等的控制。小型的控制系统也可以使用PLC的内部PID指令，应用PLC组成的闭环可以实现精确的控制。PID控制中，参数的调整也非常容易，现场中，可根据需要随时修改参数，达到最佳控制。 通信、联网及集散控制。 PLC通过网络通信模块及远程I/O模块，可实现PLC与PLC之间的通信、联网；实现PLC分散控制、计算机集中管理的集散控制（又称分布式控制），组成多级控制系统，增加系统的控制规模，甚至可以使整个工厂实现生产自动化。例如，日本三菱公司开发的CC-LINK系列及德国西门子公司开发的PROFIBUS系列就具有该功能的产品。PLC的应用领域日益广泛，它不仅可以实现对开关量的逻辑控制，还可以实现对模拟量的控制。在锅炉给水控制系统中，可以综合PLC的上述两种应用范围，用PLC对开关量的逻辑控制来实现给水泵的启动、停止以及故障时的其他保护，而用PLC对模拟量的控制并结合PLC 内部的PID运算指令，来实现对模拟量的控制。综上，本设计中采用PLC，并配合其特殊模块（模拟量输入、输出模块）来实现对给水控制系统的调节。4.2 FX2N系列PLC FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC(图4.2-1)基本指令执行时间高达0.08us，内置的用户存储器为8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可以实现多轴定位控制。机内有实时钟，PID指令用于模拟量闭环控制。有功能很强的数学指令集，例如浮点数运算、开平方和三角函数等。每个FX2N基本单元可以扩展8个特殊单元（见表4.2-1） 图4.2-1系列PLC 通过通信扩展板或特殊适配器可以实现多种通信和数据连接，例如CC-Link、AS-i、Profibus、DeviceNet等开放式网络通信，RS-232C、RS-422和RS-485通信，N:N链接、并行链接、计算机链接和I/O链接。FX1N和FX2N系列带电源的I/O扩展单元如表2所示，扩展I/O模块如表3所示。表1 FX2N系列基本单元AC电源，DC24V输入DC电源，DC24V输入输入点数输出点数继电器输出晶体管输出继电器输出晶体管输出FX2N-16MR-001FX2N-16MT_88FX2N-32MR-001FX3N-32MTFX2N-32MR-DFX2N-32MT-D1616FX2N-48MR-001FX2N-58MTFX2N-48MR-DFX2N-48MT-D2424FX2N-64MR-001FX2N-64MTFX2N-64MR-DFX2N-64MT-D3232FX2N-80MR-001FX2N-80MTFX2N-80MR-DFX2N-80MT-D4040FX2N-128MR-001FX2N-128MTFX2N-128MR-DFX2N-128MT-D6464表2 FX1N和FX2N系列带电源的I/O扩展单元AC电源，DC24V输入DC电源，DC24V输入输入点数输出点数可连接的PLC继电器输出晶体管输出继电器输出晶体管输出FX2N-32ERFX2N-32ET1616FX1N和FX2NFX0N-40ERFX0N-40ETFXON-40ER-D2416FX1NFX2N-48ERFX2N-48ET2424FX1N和FX2NFX2N-48ER-DFX2N-48ET-D2424FX2N表3 FX1N和FX2N系列的扩展I/O模块输入模块继电器输出模块晶体管输出模块输入点数输出点数FX0N-8ER-44FX0N-8EX-8-FX0N-16EX-16-FX2N-16EX-16-FX0N-8EYRFX0N-8EYT-8-FX0N-16YERFX0N-16EYT-16-FX2N-16YERFX2N-16EYT-16表3中的扩展模块可以用于FX1N、FX2N和FX2NC。此外输入扩展板FX1N-4EX-BD有4点DC24V输入，输出扩展板FX1N-2EYT-BD有2点晶体管输出，可以用于FX1S和FX1N。4.3 FX2N-4AD模块FX2N-4AD（见图4.2-1）个通道，可以同时接受并处理4个模拟输入信号，最大分辨率12位，转换后的数字量范围-2048-2047.输入信号有三种可选量程：-10-+10V、4-20mA和-20-20mA，转换后的数字量预置值分别为-2000-2000、0-1000、和-1000-1000.其正常转换速度15ms|通道，高速转换速度为6ms|通道。模拟量电路和数字量电路之间用光耦合器隔离。模块的DC24V电源接在“24+”和“24-”端，通过双绞线屏蔽 电缆来接收模拟输入信号，电缆应远离电力线和其他可能产生电 图4.2-1磁感应噪声的导线。直流信号接在“V+”和“V-”端，电流输入时需将V+和V-端短接。将模块的接地端子盒PLC基本单元的接地端子连接到一起后接地。如果有较强的干扰信号，应将“FG”端接地。如果外部输入线路上有电压纹波或电磁感应噪声，可以在电压输入端接一个0.1-0.47u|25V的小电容。读取模拟输入模块方法 1.特殊功能模块的读写指令FROM是FX系列的读特殊功能模块指令，TO是写特殊功能模块指令如图4.2-2图中X3为ON是，将编号为（0-7）的特殊功能模块内编号为m2（0-32767）开始的 n个缓冲寄存器（BFM)的数据读入PLC,并存入D开始的n个数据寄存器中。图4.2-2读写指令特殊功能模块的读/写指令接在FX系列PLC基本单元右边扩展总线上的功能模块，从紧靠基本单元的那个开始，其编号依次为0-7.n是带传送数据字数，n=1-32（16为操作）或1-16（32为操作）图中X0为ON时，将PLC基本单元中从S指定的元件开始的n个字的数据写到编号为m1的特殊功能模块中编号m2开始的n个缓冲寄存器中。平均值滤波由于模拟量输入模块的装换速度高，可能采集到缓慢变换的模拟量信号中的干扰噪声，这些噪声往往以窄脉冲的方式出现。为了减轻噪声信号的影响，可以对连续若干次采集到的平均值（即平均值滤波），用平均值来代替当前采集到的数据。PLC的模拟量输入模块一般都有平均值滤波的功能。去平均值会降低PLC对外部输入信号的响应速度。例如FX2N-4AD在高速转换方式时每一通道的转换时间为6ms，4通道为24ms。设平均值滤波的周期为8，从模块中读取的平均值实际上是前8次（即前192ms内）输出的平均值。在使用PID指令对模拟量进行闭环控制时，如果平均值的次数设置过大，将使模拟量输入模块的反应迟缓，会影响到闭环系统的动态稳定性，给闭环控制带来困难。模拟量输入模块数据读出 FX2N-4AD模拟量输入模块有4个输入通道，其缓存寄存器功能如下：BFM #0中的4为16进制数用来设置通道1-通道4的量程，最低位对应于通道1.每一位16进制数分别为0-2时，对应通道的量程分别为DC-10V-+10V、4-20mA和-20-+20mA，为3时关闭通道。BFM #1-4分别是通道1-4求转换数据平均值时的采样周期（1-4096），默认值为8.如果取1为高速运行（未取平均值）BFM #5-8分别是通道1-4的转换数据的平均值。BFM 9-12分别是通道1-4的转换数据的当前值。BFM #15为0时为正常转换速度（15ms|通道），为1时为高速转换（6ms|通道）。BFM #20被设置为1时模块被激活，模块内的设置值被复位为其默认值。用它可以快速消除不希望的增益和偏置值，BFM #20的默认值为0.BFM #29为错误状态信息。当b0=1时有错误；b1=1时存在偏置或增益错误；b2=1时存在电源故障；b3=1时存在硬件错误；b10=1时数字输出值超出范围；b11=1时平均值滤波的周期数超出允许范围（1-4096）；以上各位为0时表示正常，其余各位没有定义。BFM #21的（b1、b0）设为（1、0）时，禁止调节偏移量和增益，此时BFM #29的b12=1.BFM #21的（b1、b0）设为（0、1）时，允许调节偏移量和增益，此时BFM #29的b12=0.BFM #30存储FX2N-4AD模块的标识码（即K2010)。可以用FROM指令读出。 模拟量输入模块校准有的PLC采用硬件校准发，有的PLC采用软件校准法。校准时应准备高精度的测量仪表和稳定的输入信号源，平均值滤波的采样次数应取较大的值。FX2N-4AD模拟量输入模块用程序代替电位器来校准偏移量和增益。它定义通道的数字量输出为零时模拟量的值为偏移量，通道的数字量输出为1000时对应的模拟输入量为增益值。BFM #23和BFM #24分别用于存放指定通道的偏移量和增益，电压输入的单位为mV，电流输入的单位为mA，默认值分别为0和5000.BFM #21的最低两位二进制数为01时，允许调节增益和偏移量，为二进制10时，进制调节增益和偏移量。BFM #22的低8位用于1-4好通道的偏移量和增益调节，例如最低两位二进制数11（十进制数3）时，允许调节1号通道的增益和偏移量。各通道的增益和偏移量可以分别独立调节；也可以一起调节，使他们具有相同的增益和偏移量。由于分辨率单位的原因，实际可以影响的调节单位为5mV或20uA。偏移量的设置范围为DC-5-+5V或-20-+20mA，增益的设置范围为1V-15V或4-32mA。模拟量输入模块性能如下表：项目输入电压输出电流模拟量输入范围-10V-10V直流（输入电阻200K）绝对最大量程：土直流（输入电阻）绝对最大量程：土数字输出位转换、位补码的形式存储。最大值；最小值：分辨率（缺省范围）（缺省范围）总体精度土（范围）土（范围）转换速度通道（标准速度）；通道（高速）隔离在模拟和数字之间是光电隔离；直流直流变压器隔离主单元电源；模拟通道之间没有隔离电源规格、直流（主单元提供内部电源）土、直流占用的I|O点数这个模块占用个输入或输出点数使用的控制器尺寸质量4.4 FX2N-2DA模块FX2N-2AD模块将12位数字信号转换为模拟量电压或电流输出。它有2个模拟输出通道，3种输出量程：DC0-10V、0-5V和4-20mA，D|A转换时间为4ms|通道。模拟输出端通过双绞线屏蔽电缆与负载相连。使用电压输出时，负载的一段接在“VOUT”端，另一端接在短接后的“IOUT”和“COM”端。电流型负载接在“IOUT”和“COM”端。图4.3- 1模拟量与数字量对应关系模拟量与数字量的对应关系如图4.3-1FX2N-2DA模块在出厂时，调整为输入数字值0-4000对应于电压0-10V。若用于电流输出，则需使用FX2N-2DA上的调节电位器对偏置值和增益值重新进行整定，电位器向顺时针方向旋转时，数字值增加。增益可以设为任意值，为了充分利用12位的数字值，建议输入数字范围0-4000.例如4-20mA电流输出时，调节20mA模拟输出量对应的数字输入值为4000电压输出时，其偏置值为0；电流输出时，4mA模拟输出量对应的数字输入值为0.FX2N-2DA模块共有32个缓冲存储器（BFM）,但是只用了下面两个：BFM #16的低8位（b7-b0）用于写入输出数据的当前值，高8位保留。（2）BFM #17的b0位从“1”变为“0”时，通道2的D|A转换开始；b1位从“1”变为“0”时，通道1的D|A转换开始；b2位从“1”变为“0”时，D|A转换的地8位数据被锁存，其余各位没有意义。模块与主机接线如下图（4.3-2）图4.3-2模块接线图第五章 PID算法的实现5.1 PID介绍PID（Proportional Integral Derivative）是工业控制常用的控制算法，无论在温度、流量等慢变化过程，还是速度、位置等快变化的过程，都可得到很好的控制效果。PID控制算法一般指比例项+积分项+微分项，但是实际编程时可以只使用比例项，或使用比例项+积分项，或者比例项+积分项+微分项三项都用。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 （1）比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 （2）积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性5.2 PID控制器的优点PID时比例、微分、积分的缩写，PID控制器时应用最广的闭环控制器，有人估计现在有90%以上的闭环控制采用控制器。这是因为控制具有以下优点：不需要被控对象的数学模型自动控制理论中的分析和设计方法基本上是建立在被控对象的线性定常数学模型的基础上的。该模型忽略了实际系统中的非线性和时变的因素，与实际系统有较大的差距。对于许多工业控制对象，根本就无法建立较为准确的数学模型，因此自动控制理论中的设计方法对大多数实际系统是无能为力的。对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。结构简单，容易实现PID控制器的结构典型，程序设计简单，计算工作量较小，各参数相互独立，有明确的物理意义，参数调整方便，容易实现多回路控制、串级控制等复杂控制。有较强的灵活性和适应性根据被控对象的具体情况，可以采用PID控制器的多种变种和改进的控制方式，例如PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID和变速积分PID等，但比例控制一般是必不可少的。随着智能控制技术的发展，PID控制与神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。使用方便由于用途广泛、使用灵活，已有多种控制产品具有PID控制功能，使用中只需设定一些比较容易整定的参数即可，有的产品还具有参数自整定功能。5.3 FX系列PLC的PID指令PID回路运算指令的应用指令编号为FNC88，如图5.3-1。源操作数S1、S2、S3和目标操作数均为D，16位运算占9个程序步。S1和S2分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，S3-S3+6用来存放控