锅炉汽包水位控制系统设计 毕业论文.doc

河南城建学院本科毕业设计 论文 目录 III 锅炉汽包水位控制系统设计毕业论文锅炉汽包水位控制系统设计毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 ABSTRACT 1 绪 论 1 1 1 汽包水位控制系统的发展现状 1 1 2 汽包水位调节的任务 2 1 3 本设计的主要工作 2 2 控制方案设计 3 2 1 虚假水位的形成及对策 3 2 2 汽包水位的影响因素 4 2 3 汽包水位的控制方案设计 6 3 硬件选型 14 3 1PLC 及相关模块选型 14 3 2 电机的选型 14 3 3 变频器的选型 15 3 4 水位传感器的选型 15 3 5 流量传感器的选型 16 3 6 接触器的选型 17 3 7 熔断器的选型 17 3 8 功率三极管的选型 18 3 9 变压器的选型 18 3 10 设备清单 19 4 硬件设计 20 河南城建学院本科毕业设计 论文 目录 IV 4 1 系统总体线路设计 20 4 2 控制线路设计 22 5 参数整定与仿真 24 5 1 PID 算法简介 24 5 2 三冲量控制系统参数整定 24 5 3 三冲量控制系统仿真分析 30 6 软件设计 34 6 1 程序流程设计 34 6 2 GX DEVELOPER程序设计 36 结束语 42 参考文献 43 致谢 44 附录 锅炉汽包水位控制系统原理图 45 河南城建学院本科毕业设计 论文 1 绪论 1 1 绪绪 论论 1 11 1 汽包水位控制系统的发展现状汽包水位控制系统的发展现状 蒸汽锅炉是企业重要的动力设备 其任务是供给合格稳定的蒸汽产品 以满 足负荷的需要 锅炉是一个十分复杂的控制对象 为保证提供合格的蒸汽产品以 适应负荷的需要 与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要 保 持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标 由于负荷 燃烧状况及给水流量等因素的变化 汽包水位会经常发生变化 1 因此锅炉汽包 水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行 工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平 衡 维持汽包水位在工艺允许的范围内 是保证锅炉安全生产运行的必要条件 锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数 它间接地体现了锅炉负荷和 给水之间的平衡关系 传统的控制方法是以各种分立器件的应用为基础 利用各种检测器件对被控 参数实时进行检测并反馈给控制器件 再根据自动控制理论的有关算法完成相应 的运算并驱动调节机构完成相应的动作 从而达到自动控制的目的 但是这种控 制方式受分立器件的性能影响大 系统各部分之间影响较大 自动化水平不高 控制效果并非十分理想 而且容易出现故障 现在广泛使用的控制技术还有 DCS 集散控制系统 2 但由于 DCS 系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统 而 且集散控制系统往往价格昂贵 对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高 因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择 PLC 是 70 年代发展起来的中大规模的控制器 是集 CPU RAM ROM I O 接 口与中断系统于一体的器件 3 已经被广泛应用于机械制造 冶金 化工 能源 交通等各种行业 随着计算机在操作系统 应用软件 通信能力上的飞速发展 大大增强了 PLC 通信能力 丰富了 PLC 编程软件和编程技巧 增强了 PLC 过程控 制能力 因此 无论是单机还是多机控制 生产流水线控制及过程控制都可以采 用 PLC 技术 PLC 控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术 它是 PLC 软 硬件 自动控制 锅炉节能等几项技术紧密结合的产物 作为锅炉控制装置 其主要任 务是保证锅炉的安全 稳定 经济运行 减轻操作人员的劳动强度 采用 PLC 控制技术 能实现对锅炉运行过程的自动检测 自动控制等多项功 能 它的被控量是汽包水位 而调节量则是汽包给水流量 通过对汽包水位的实 河南城建学院本科毕业设计 论文 1 绪论 2 时检测并进行反馈 PLC 对反馈信号和给定信号进行比较 然后根据控制算法对 二者的偏差进行相应的运算 运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节 使汽包内部的物料达到动态平衡 汽包水位变化在允许范围之内 1 21 2 汽包水位调节的任务汽包水位调节的任务 给水自动调节也叫水位自动调节 其主要任务是 1 维持锅炉水位在允许的范围内 使锅炉的给水量适应于蒸发量 锅炉的 水位是影响安全运行的重要因素 水位过高会影响汽水分离装置的正常工作 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 水位过 低 则会破坏汽水正常循环 以致烧坏受热面 水位过高或过低 都是不允许的 所以 正常运行时汽包水位应在给定值的30mm 上下范围波动 2 保持给水量稳定 给水量稳定 有助于省煤器和给水管道的安全运行 实 践证明 无论是电站锅炉 或者是工业锅炉 用人工操作调节水位 既不安全 也不经济 其最有效的方法是实现给水自动调节 1 31 3 本设计的主要工作本设计的主要工作 本次设计的主要工作有 1 设计锅炉汽包水位控制方案 从锅炉汽包水位的动态性能入手 分析影响锅炉汽包水位的主要因素 并对 这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究 根据各个因素对锅炉汽 包水位的影响采用汽包水位三冲量方案 达到控制锅炉汽包水位稳定的目的 2 硬件设备的选型与设计 根据所设计的控制方案合理地选择检测元件 执行机构和控制设备以及其它 必要设备 并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计 为整个系统的实 现以及稳定 可靠运行打下基础 3 控制算法的参数整定与仿真 根据被控对象的特点以及它的静态 动态特性按照工程整定的方法进行控制 器的参数整定 设计调节器的各个参数 在此基础之上对整定结果进行仿真 并 对整定结果进行进一步调整判断其可行性 为后续的软件设计工作打下基础 4 PLC 程序 根据参数整定和仿真的结果利用相关软件进行 PLC 梯形图程序设计 最终实 河南城建学院本科毕业设计 论文 1 绪论 3 现控制算法 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 4 2 2 控制方案设计控制方案设计 锅炉是重要的动力设备 其任务是供给合格稳定的蒸汽 以满足负荷的需要 汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数 如果水位过高 会破坏汽水分离装置 的正常工作 严重时会导致蒸汽带水增多 增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量 如果水位过低 则会破坏水循环 引起水冷壁管的破裂 严重时会造成干锅 损 坏汽包锅炉 所以锅炉汽包水位过高过低都可能造成重大事故 在锅炉汽包水位 控制系统中被控量是汽包水位 而调节量则是给水流量 通过对给水流量的调节 使汽包内部的物料达到动态平衡状态 从而使汽包水位的变化在允许范围之内 保证锅炉的安全运行 生产出合格稳定的高质量蒸汽 以满足负荷的需要 本设 计的锅炉选用 DZL35 0 5 A 型号的锅炉 它是一种单锅筒纵置式锅炉 主要燃 料是 类烟煤 它可以应用在电厂发电 化工厂 食品厂 大型厂矿 集中供热 等方面 本设计控制锅炉的其它主要参数如表 1 1 所示 表 2 1 锅炉主要参数 型号DZL35 0 5 A 安装方式组装锅炉 循环方式自然循环额定蒸发量35t h 额定水位300mm额定蒸汽压力0 5MP 额定蒸汽温度194 额定供水量35 m3 h 燃料消耗量3895 5 kg h额定给水温度20 2 12 1 虚假水位的形成及对策虚假水位的形成及对策 虚假水位 是锅炉运行时不真实的水位 虚假水位 的产生是由于当汽 包压力突降时 炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度 使炉水大量放出热 量来进行蒸发 于是炉水内的汽泡增加 汽水混合物体积膨胀 使水位不是下降 而是很快上升 形成 虚假水位 当汽包压力突升时 则相应的饱和温度提高 一部分热量被用于加热炉水 而用来蒸发炉水的热量则减少 炉水中汽泡量减少 使汽水混合物的体积收缩 使水位不是上升而是很快下降 形成 虚假水位 此外当锅炉内热负荷增加或骤减时 水的比容将增大或减小 也会形成虚 假水位 锅炉负荷突变 灭火 安全门动作 燃烧不稳时 都会产生 虚假 水位 在负荷突然变化时 汽压也相应变化 这时将会出现 虚假水位 负荷 变化速度越快 虚假水位 越明显 如遇汽轮机甩负荷 汽压突然升高 水位 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 5 将瞬时下降 运行中燃烧突然增强或减弱 引起汽泡量突然增大或减少 使水位 瞬时升高或下降 安全阀起座时 由于压力突然下降 水位瞬时明显升高 锅炉 灭火时 由于燃烧突然停止 锅水中汽泡产量迅速减少 水位也将瞬时下降 在输入端引入蒸汽流量信号 设置水位系统的前馈调节 于是当蒸汽流量增 大时 给水量随之增大 给水量增多 水温又较低 有利于克服 虚假水位 的 影响 2 22 2 汽包水位的影响因素汽包水位的影响因素 首先应该从分析汽包水位的动态特性入手 锅炉给水调节对象如图 2 1 所示 给水调节机构为变频器调节给水量 W 汽轮机耗汽量 D 是由汽轮机阀门开度来控 制的 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 图 2 1 锅炉给水调节对象 初看起来 汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样 给水量和蒸汽流量影 响汽包水位的高低 4 但实际情况并非如此 最突出的一点就是水循环系统中充 满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水 而蒸汽泡的体积 V 是随着汽包压力和炉膛热负荷 的变化而变化的 如果有某种原因使汽泡的总体积变化了 即使水循环系统的总 水量没有发生变化 汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定 影响汽包水位 H 的主要因素有给水量 W 汽轮机耗汽量 D 和燃料量 B 三个主 要因素 1 1 给水扰动的影响 给水扰动的影响 如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽 那么水位的给水阶跃扰动响 应曲线应该为图 2 2 所示的曲线 H1所示 但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的 水温度 当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸 汽产量下降 水面以下的汽泡的总体积 V 也就会相应的减小 从而导致水位下降 如图 2 2 所示的曲线 H2所示 水位的实际响应曲线应是曲线 H1和 H2之和 如图 2 2 所示的曲线 H 所示 它是一个具有延迟时间的积分环节 水的过冷度越大则 响应延迟时间就会越长 其传递函数可以近似表示为 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 6 2 1 1 1s 1 G SS 式 2 1 中表示汽包水位的飞升速度 表示延迟时间 1 t HH1 H H2 图 2 2 给水扰动响应曲线 2 2 汽轮机耗汽量扰动的影响 汽轮机耗汽量扰动的影响 当汽轮机耗汽量 D 突然做阶跃增加时 一方面改变了汽包内的物质平衡状态 使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降 如图 2 3 所示的曲线 H1所示 另一方 面由于汽轮机耗汽量 D 的突然增加 将迫使锅炉内汽泡增多 同时由于燃料量维 持不变 汽包压力下降 从而导致汽包水位上升 如图 2 3 所示曲线 H2所示 水 位的实际响应曲线应该是曲线 H1和 H2之和 如图 2 3 所示曲线 H 所示 对于大 中型锅炉来说 后者的影响要大于前者 因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会 出现水位不但没有下降反而明显升高的现象 这种反常现象通常被称为 假水位 现象 可以认为这是一个惯性加积分环节 其传递函数可以近似的表示为 2 2 2 0 2 1 K ST S Gs 式 2 2 中表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度 表示 假水位现象 的延 1 0 T 迟时间 t H H1 H H2 图 2 3 汽轮机耗 汽量扰动响应曲线 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 7 3 3 燃料量扰动的影响 燃料量扰动的影响 当燃料增加时 炉膛热负荷随着增加 水循环系统内的汽水混合物的气泡 比例增加 形成水位升高的虚假现象 如图 2 4 中 H1 曲线所示 如果负荷设备 的进气阀不加调节 则汽包饱和压力升高 蒸汽流出量增加 蒸发量大于给水 量 水位应该下降 随着汽包压力的升高 汽水混合物中汽泡的比例将减小 又使得汽水总容积下降 如图 2 4 中 H2 曲线所示 水位的实际响应曲线应该是 曲线 H1和 H2之和 如图 2 4 所示曲线 H 所示 由图知在燃料量扰动下 汽包 水位也会因汽包容积的增加水位先上升 因此也会出现 虚假水位 现象 至 蒸发量与燃料量相适应时 水位才开始下降 即经过了 Tm时间后水位开始下降 但由于汽包水循环系统中有大量的水 汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量 因此具有一定的热惯性 燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大 而且同时汽压 也会缓慢上升 它将使汽泡体积减小 因此燃料量扰动下的 假水位现象 比 负荷扰动下要缓和的多 图 2 4燃料量扰动响应曲线 由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性 负荷扰动下的水位响 应有 假水位现象 这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响 因而对 它的控制变得比较复杂和困难 2 32 3 汽包水位的控制方案设计汽包水位的控制方案设计 1 单冲量控制系统 单冲量控制系统 从反馈的思想出发很容易想到以汽包水位信号作为反馈量 给水流量作为 被控量 构成单回路反馈控制系统 即水位单冲量控制系统 如图 2 5 所示 这是一个基本的控制方案其方框图如图 2 6 所示 对于小容量锅炉来说由于它 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 8 的储水容量较大 水面以下的汽泡体积并不占有非常大的比重 因此水容积延 迟和假水位现象并不是非常明显 因此可以采用汽包水位单冲量控制系统来控 制汽包水位 但对于大中型锅炉来说这种控制方案就不能满足控制要求 因为 汽轮机蒸汽量的负荷扰动引起的假水位现象将引起给水调节机构的误动作 导 致汽包水位激烈的上下振荡而不稳定 严重的影响设备的运行寿命和安全 所 以大中型锅炉不宜仅仅只采用汽包水位单冲量控制系统 必须寻找其他的解决 办法来控制汽包水位 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 HTHC 图 2 5 汽包水位单冲量控制系统 液位 给水流量 给定液位 给水流量调 节器 变频器 汽包 液位变送器 电机 图 2 6 汽包水位单冲量控制系统框图 2 2 随动控制系统随动控制系统 如果从物质平衡的角度出发 只要能够保证给水量永远等于蒸汽蒸发量就可 以保证汽包水位大致不变 因此可以采用图 2 7 所示的蒸汽流量随动控制系统 其中流量调节器采用 PI 调节器 使汽轮机的蒸汽量作为系统的给定使给水流量 跟踪蒸汽流量的变化 构成了一个以蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水 位的恒定 该方案的结构框图如图 2 8 所示 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 9 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 HTHC FT 图 2 7 蒸汽流量随动控制系统 给定液位 液位 给水流量 蒸汽量变 送器 液位变送 器 给水量变 送器 变频器汽包电机 图 2 8 蒸汽流量随动控制系统框图 3 3 双冲量控制系统 双冲量控制系统 采用该方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作 给水量的大小只取决 于汽轮机的耗汽量 假水位现象不会引起给水调节机构的误动作 但是这个系统 对于汽包水位来说只是开环控制系统 由于给水量和蒸汽量的测量不准确以及锅 炉系统引入的其他扰动使得给水量和蒸汽量并非准确的比值关系而保持水位恒定 由于水位对于二者的偏差是积分关系 微小的偏差长时间积累也会形成很大的水 位差 因此不宜采用随动控制系统 如果把以上所述两种方案结合起来 就构成了汽包水位双冲量控制系统如图 2 9 所示 其结构框图如图 2 10 所示 双冲量指的是同时引入两个测量信号 汽 包水位和蒸汽流量 这个系统对以上所分析的两种方案取长补短 可以极大的提 高汽包水位的控制质量 当汽轮机耗汽量出现阶跃增大时 一方面由于 假水位 现象 汽包水位会暂时有所升高 将使调节机构做出误动作错误的减少给水量 另一方面汽轮机耗汽量的增大又通过比值控制系统指挥调节机构增大给水量 实 际给水量的增减情况要根据实际情况通过参数整定来确定 当假水位现象消失后 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 10 水位和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 给水量必然 等于蒸汽量从而保证水位恒定 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 FC HTHC FTFC 图 2 9 汽包水位双冲量控制系统 液位 液位调 节器 给水流 量调节 器 变频器汽包 液位 变 送器 前馈 调 节器 蒸汽流量 变送器 蒸汽管 道 给定液位 蒸汽流量 电机 图 2 10 汽包水位双冲量控制系统框图 4 4 三冲量控制系统 三冲量控制系统 三冲量控制方案之一 如图 2 11 2 12 所示 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 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 11 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 2 11 汽包水位三冲量控制系统 方案一 蒸汽流量 给水流 量调节 器 电机汽包 给水流 量变送 器 蒸汽流量 变送器 蒸汽管 道 给定液位液位 液位 变 送器 给水流量 变频器 图 2 12 汽包水位三冲量控制系统框图 方案一 三冲量控制方案二 如图 2 13 2 14 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 该方案当负荷变化时 液位可以保持无差 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 12 图 2 13 汽包水位三冲量控制系统 方案二 给水流量 给定液位 蒸汽流量 给水流 量调节 器 电机汽包 给水流 量变送 器 蒸汽流量 变送器 蒸汽管 道 液位 液位 变 送器 变频器 液位 调 节器 图 2 14 汽包水位三冲量控制系统框图 方案二 三冲量控制方案三 考虑蒸汽流量的扰动造成 虚假水位 的影响 可以在 方案二的基础上在蒸汽扰动上引入前馈微分补偿环节 微分作用具有预测的功能 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 13 所以蒸汽流量信号引入微分后 这样动态补偿可以获得较好的效果 如图 2 15 所示的三冲量控制系统 即前馈 反馈 串级复合控制系统 系统框图为图 2 16 该三冲量控制系统包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回 路以及一个蒸汽流量前馈通道 实质上是蒸汽流量前馈与水位 流量串级系统组 成的复合控制系统 串级控制系统的主参数是汽包水位 副参数是给水流量 主 调节器是液位流量调节器 副调节器是给水流量调节器 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 FTFC HTHC FTFC 图 2 15 汽包水位三冲量控制系统 方案三 河南城建学院本科毕业设计 论文 2 控制方案设计 14 液位 给水流量 给定液位 蒸汽流量 给水流 量调节 器 电机汽包 给水流 量变送 器 蒸汽流量 变送器 蒸汽管 道 液位 变 送器 变频器 液位 调 节器 前馈调节 器 图 2 16 汽包水位三冲量控制系统框图 方案三 三冲量控制方案三 一方面可以克服给水扰动 使给水流量自行调节 另一方 面可以有效地抑制 假水位现象 微分作用使其动态补偿可以获得较好的效果 当蒸汽流量发生变化时 锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改 变进水量的大小以完成粗调 然后再由汽包水位调节器完成水位的细调维持汽包 水位的稳定 该方案适用于大容量高压锅炉 而且要求水位控制严格的场合 因 此该系统选用这种控制方案 河南城建学院本科毕业设计 论文 3 硬件选型 15 3 硬件选型硬件选型 3 1PLC3 1PLC 及相关模块选型及相关模块选型 PLC 具有丰富的控制功能及强大的运行速度 因此可以作为系统的控制器 三菱公司生产的 FX 系列 PLC 拥有快速的运行速度 高级的功能逻辑选件以及 定位控制等特点 FX2N 可以有从 16 路到 256 路输入 输出的多种应用的选择方案 FX2N 是 FX 系列中最高档次的超小形程序装置 具有小型化 高速度 高性能 等 特点 除输入输出 16 25 点的独立用途外 还可以适用于在多个基本组件间 的连接 模拟控制 定位控制等特殊用途 是一套可以满足多样化广泛需要的 PLC 在基本单元上连接扩展单元或扩展模块 可进行16 256 点的灵活输入 输出组合 可选用 16 32 48 64 80 128 点的主机 可根据电源及输出形式 自由选择 输出形式可以选择继电器 晶体管 晶闸管输出 程序容量 内 置 800 步 RAM 可输入注释 可使用存储盒 最大可扩充至16K 步 丰富的 软元件应用指令中有多个可使用的简单指令 功能指令 具有 数字开关的数 据读取 16 位数据的读取 矩阵输入的读取 7 段显示器输出等 功能 可以 进行数据处理 数据检索 数据排列 三角函数运算 平方根 浮点小数运算 还可以进行外部设备相互通信 串行数据传送 ASCII code 印刷 HEX ASCII 变换 校验码等 具有一些特殊用途如 脉冲输出 20KHZ DC5V KHZ DC12V 24V 脉宽调制 PID 控制指令等 本设计 PLC 选用 FX2N 系列 PLC 它是 FX 系列 PLC 中功能最强 速度最 快的微型可编程控制器 本设计 PLC 的输入信号有开始 关闭 最高水位 最低水位 需要的输出信号有正常运行信号 极限处理信号 报警信号 此 外扩展模块还需要占用 PLC 的一些输入输出点 选用 32 点的 PLC 即可满足 要求 晶闸管输出方式可适用于交流负载 它的响应速度快 关断变导通的延 迟时间小于 1ms 导通变为关断的延迟时间小于 10ms 它可以满足该系统 要求 因此选用晶闸管输出方式 综合考虑各型号性能 本设计选用 FX2N 32MS 型号的 PLC 该系统需要输入与输出的模拟量有 给水流量信号 水位信号 蒸汽流量信 号 变频器给定信号 因此需要选择一个模拟量输入模块 FX2N 4A D 一个模拟 量输出模块 FX2N 2D A 通过它们可以进行数字量与模拟量之间的相互转换 从 而 PLC 根据现场传输来的信息进行算法控制 河南城建学院本科毕业设计 论文 3 硬件选型 16 3 23 2 电机的选型电机的选型 电机是锅炉汽包供水的动力设备 电机的准确选型关系到汽包能否准确供水 进而影响到汽包水位的稳定 控制的锅炉蒸发量为 35t h 汽包压力 0 5MP 管 道直径 50mm 因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算 3 1 22 3500010 5000003 142 5 95 360010000 W kgm s PK s 由计算结果可以知道选用功率为 100Kw 的三相异步电动机完全可以满足工作要求 由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机 选用鼠笼型电机就可以满足要求 YJTG 三相变频调速电机专门为变频调速设计 可以根据技术要求设定其额定电压 为 380V 额定功率为 100Kw 3 33 3 变频器的选型变频器的选型 变频器是电机的供能设备 合理选择变频器关系到电机能否正常为汽包供水 由电机的选型可以知道电机在 50Hz 三相交流电下工作时电机的功率大约是 100Kw 当三相交流电动机在基频以下工作时为恒转矩输出 而此时电机的转速 会小于额定转速 因此电机的输出功率也会小于额定功率 同时由于电机的转矩 保持不变 其工作电流同在 50Hz 三相交流电下工作时电流基本一致 根据以上的分析可以选择三菱变频器 FR F740 系列的变频器 给变频器可 以输入 380V 480V 50 60Hz 三相交流电 输出 380 480V 三相交流电并通过控制 信号控制其输出频率 其容量是 37KW 220KW 可以满足设备功率要求 该型号 变频器具有丰富灵活的控制接口 可以通过控制信号方便地改变变频器的工作特 性 内置 PID 变频器 工频切换和多泵循环运行功能 内置独立的 RS485 通 讯口 带有节能监控功能 节能效果一目了然 3 43 4 水位传感器的选型水位传感器的选型 由于该设计的目的是控制水位稳定 而整个控制系统的基础是对水位的准 确测量 因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣 合理的选择水位传 感器在水位控制系统的设计中有关键作用 知道汽包水位应该控制在 300 30mm 根据过程控制仪表量程选择原则 仪表量程应该为被测量参数的 4 3 3 2 倍 因此所选传感器的最大量程为 400 450 mm 而且汽包水位应该控 制在 300 30 mm 因此所选水位传感器的精度应该高于 10 450 6 7 FS CR 河南城建学院本科毕业设计 论文 3 硬件选型 17 6031 型智能锅炉汽包液位计 采用独 特结构 耐高温 高压 其中变送器 利用液位变化与其对测量探极产生的 电容变化之间的关系 通过专用模式系 统软件将检测的电容变化经各种补偿计算后输出与物位成正比的4 20maDC 标准信号 选择测量围为 100 500mm 测量精度在 1 FS 的型号可以满足控制 要求 该型号的传感器主要技术参数如下 量程 100 500mm 水位高 深度 综合精度 1 0 FS 输出信号 4 20ma 二线制 0 5V 1 5V 0 10V 三线制 供电电压 24DCV 9 36DCV 负载电阻 电流输出型 最大 800 电压输出型 大于 50K 绝缘电阻 大于 2000M 100VDC 密封等级 IP68 长期稳定性能 0 1 FS 年 振动影响 在机械振动频率 20Hz 1000Hz 内 输出变化小于 0 1 FS 电气接口 信号接口 紧线防水螺母与五芯通汽电缆连接 机械连接 螺纹接口 投入式 使用时可以采用 24V 直流电源为水位传感器供电保证其正常工作 将 1 5V 电压信号作为反馈量引入 PLC 模拟量输入端口进行控制运算 3 53 5 流量传感器的选型流量传感器的选型 根据控制方案可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量 这两个信 号可以有效地改善控制质量 因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系 统的控制质量 知道所要控制的是 35t h 锅炉的汽包水位 即该锅炉正常工作时 每小时蒸发 35t 蒸汽也就是有 35t 水被蒸发成为蒸汽 水位稳定时供水量为 35 m3 h LUGB 99 型涡街流量计是一种基于卡门涡街原理流体振动式新型流量计 它具有测量范围广 压损小 性能稳定 准确度高和安装 使用方便等优点 广 泛应用于封闭工业管道中液体 汽体和蒸汽介质体积和质量流量的测量 该流量 计的技术参数如下 1 测量介质 蒸汽 汽体 液体 2 传感器的感应元件不直接与被测介质接触 性能稳定 可靠性高 3 传感器内无可动部件 结构简单而牢固 压损小维扩量小 使用寿命长 4 范围度宽达 10 1 15 1 5 测量范围 正常工作范围 雷诺数为 20 000 7 000 000 输出信号 河南城建学院本科毕业设计 论文 3 硬件选型 18 不受液体温度 压力 粘度及组份影响 测量可能范围 雷诺数 8 000 7 000000 6 精度等级 液体 指示值的 1 0 蒸汽 指示值的 1 5 7 输出信号 a 电压脉冲 低电平 0 1V 高电平 大于 4V 占空比为 50 b 电流 4 20ma 三线制 8 电源电压 24DCV 9 壳体材料 碳钢 不锈钢 1Cr18Ni9Ti 10 规格 管道内径 20 25 32 40 50 65 80 125 150 200 250 300 大于 DN300 口径为插入式 根据过程控制仪表量程选择原则仪表量程应该为被测量参数的 4 3 3 2 倍 流量计应当能够检测的最大流量为 46 5 52 m3 h 因此汽包送水管道直径选用 50 mm 并用 LUGB 99 型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是 3 50 m3 h 可以满足设计要求进行检测汽包给水流量信号 由于 LUGB 99 型涡街流量计既可用于液体流量检测也可用于蒸汽流量检测 因此还可以选择该流量计作为汽包负荷蒸汽流量的检测传感器 正常工作时汽包 蒸汽压力大约是 0 5MP 由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大约是 2700Kg m3 根 据过程控制选择仪表量程原则仪表量程应该为被测量参数的 4 3 3 2 倍 流量 计应当能够检测的最大流量为 17 2 19 2 m3 h 因此汽包蒸汽管道直径选用 20 mm 并用 LUGB 99 型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是 8 80 m3 h 可 以满足设计要求进行检测蒸汽流量信号 3 63 6 接触器的选型接触器的选型 接触器是系统中用到的重要开关设备 接触器的合理选择能保证交流电动机 能够准确及时的启动 停止 根据分析三相交流异步电机的最高工作电流是工作 于 50Hz 交流电压下 其工作电流为 3 2 100 152 3 380 Kw A v 因此根据设计的要求选用 HLC 3X 系列空调接触器 它主要适用于 50Hz 或 60Hz 额定工作电压为 220V 或 480V 时额定电流至 40A 电路中 适用于起动和控制三相 交流电动机 压缩机 及其它三相负载 选择五套该类型接触器同时带动一台电机 可以满足设计要求 河南城建学院本科毕业设计 论文 3 硬件选型 19 3 73 7 熔断器的选型熔断器的选型 由于系统的主要耗电设备是电动机 因此系统稳定工作时电流大约在 150A 左右 当系统异常工作是可能导致工作电流变大因此可设定工作电流为 200A 时 进行过流保护 生产 XRNT 12 型限流熔断器型额定电流可以设定为 200A 可以满 足设计要求 3 83 8 功率三极管的选型功率三极管的选型 为了能使 PLC 输出的数字量能够控制接触器的通断设计如下电路 接触器 线圈 220VAC PLC数字 量输出 图 3 1 接触器控制线路 当PLC数字量输出为高电平时三极管导通工作于饱和状态 接触器线圈上电 使接触器触点闭合 否则PLC数字量输出为低电平时三极管截止工作于截止状态 接触器线圈失电通过二极管续流 使接触器触点断开 I3DD5686型功率三极管最 大工作电流超过5A 完全可以满足工作要求 3 93 9 变压器的选型变压器的选型 液位传感器 流量传感器设备需要在 DC24V 电压下才能正常工作 SA 100 24 型变压器采用脉冲宽度调制 PWM 方式 该变压器效率高 工作温度低 体积小 重量轻 电压变动率低 内附突入电流抑制电路 具有短路保护 过载保护 过 压保护等功能 进口器材 高可靠性高 内置滤波器 低纹波 可长期满载使用 产品规格如下 1 品 名 开关电源式变压器 6 调制方式 脉冲宽度调制 PWM 式 河南城建学院本科毕业设计 论文 3 硬件选型 20 2 型 号 SA 100 24 7 晶体管连接方式 全桥式 3 额定功率 100W 8 频 率 47HZ 63HZ 4 输入电压 220V 110 AC 9 纹波及噪音 100mvp p 5 输出电压 24V DC 10 工作环境温度 10 60 3 103 10 设备清单设备清单 综上所述可以得到硬件设备的清单如表 3 2 所示 表 3 2 硬件设备清单 设备名称型号额定电压额定电流额定功率数量 三相电机YJTG 型380VAC61A100Kw2 变频器FR F740 型380VAC100Kw1 功率三极管I3DD5686 型2 PLC CPU 模块 FX2N 32MS 型 220VAC1 模拟量输入模块FX2N 4A D1 数字量输出模块FX2N 2D A1 变压器 SA 100 24 型 24VDC200W1 接触器HLC 3X 型380VAC5 熔断器XRNT 12 型200A3 水位传感器CR 6031 型24DCV3 流量传感器LUGB 99 型24DCV2 河南城建学院本科毕业设计 论文 4 硬件设计 21 4 4 硬件设计硬件设计 4 14 1 系统总体线路设计系统总体线路设计 首先需要三相电源为系统供电 由电源插头引入 同时通过过流保护装置以 保证电流过大时能够及时断电 以确保安全不造成设备的损坏 正常情况下设备 工作不会发生电流过大的现象 只有在出现故障时才有可能发生过流现象 此时 需要通过过流保护装置断电以确保安全 对于需要 220V 交流电压工作的设备可 以连入三相电源中的任意一相与中性线之间的 220V 交流电压 此外在需要接地 的地方还要引入地线以保证可靠接地确保安全 由于系统内各种传感器等设备需要直流电压才能正常工作 因此还需要一个 整流装置将它的交流输入侧连入任意一相与中性线之间的 220V 交流电压下并对 220V 交流电进行整流稳压 然后输出稳定的直流电压 直流输出侧可以为各个直 流设备提供直流电压保证各个设备稳定 有效 安全的工作 由于选用的是交 直 交变频器因此应当首先应该将 380V 三相交流电连入变 频器的 L1 L2 L3 三个端子输入供变频器整流 逆变后的是频率 电压变化的 三相交流电 通过接触器的常开触点连入三相异步电动机的定子侧回路为其工作 提供电源 PLC 根据传感器送入的信号进行逻辑运算 判断 将运算结果输出到 变频器 通过变频器调压从而调节电机转速进而改变汽包的送水流量对汽包水位 进行调节 同时直接将由电网引入的三相电通过另一接触器的常开触点连入三相 异步电机的定子侧回路 此时电机工作于工频 50Hz 三相交流电下以用来在调试 系统时或其他情况下使用 但两个接触器不能同时闭合 否则将会发生事故 根 据以上所述系统原理图如附录所示 设计电气主线路如图 4 1 所示 河南城建学院本科毕业设计 论文 4 硬件设计 22 图 4 1 总体电气线路图 河南城建学院本科毕业设计 论文 4 硬件设计 23 根据该设计可以得到供电线路接线如表 4 1 所示 表 4 1 供电线路接线表 脚号信号名称所连设备备注 A B C N三相电源 电源插头 到过流 保护装置 三相供电设备 A1 B1 C1 N1三相电源过流保护装置保护设备 PE接地线 电机外壳 传感器 接地线 接地保护 A2 B2 C2三相电源 变频器输入 经开 关 KM1 到电机定 子回路 三相供电设备 A3 N3单相电源直流电源输入变压器 C3 N3单相电源接触器线圈单相供电设备 U1 V1 W1变频器输出 经开关 KM2 到电 机定子回路 三相供电设备 J1 J024V 直流电源传感器直流供电设备 Q1KM1 控制信号功率三极管基极开关控制设备 Q2KM2 控制信号功率三极管基极开关控制设备 4 24 2 控制线路设计控制线路设计 由于蒸汽流量传感器 水位传感器 送水流量传感器都需要24V直流电压供 电才能正常工作 因此三者的电源端子都要连入直流电源的24V直流电压输出侧 以为各个传感器供电 保证其正常工作 各个传感器的输出引入到PLC的模拟量 输入单元FX2N 4A D供PLC完成各种运算从而达到控制目的 PLC的模拟量输出单 元FX2N 2D A输出模拟信号控制变频器的输出频率 通过控制频率的大小来控制 河南城建学院本科毕业设计 论文 4 硬件设计 24 电机的转速 保证水位稳定 根据以上分析设计控制线路连线图如图4 2所示 图 4 2 控制线路连线图 根据以上设计可以得到传感器线路接线表如表 4 2 所示 表 4 2 传感器线路接线 插脚代号信号代号信号名信号量程 被测 控 物理量 备注 LLF LF 汽包水位300mm 0 300mm 水位 送 PLC SFSF SF 蒸汽流量13 m3 h 0 13 m3 h 蒸汽流量 送 PLC WFWF WF 送水流量35 m3 h 0 35m3 h 送水流量 送 PLC 河南城建学院本科毕业设计 论文 5 参数整定与仿 真 25 5 参数整定与仿真参数整定与仿真 5 15 1 PIDPID 算法简介算法简介 要使控制系统具有良好的控制性能 除了必须正确的选取 设计控制方案以 外 还必须正确的选择控制算法并进行参数整定 在控制系统中 按照给定信号和反馈信号之间的偏差的比例 P 积分 I 和微分 D 进行控制的 PID 控制器是应用最为广泛的一种自动控制器 8 它具有原理简单 易于实现 适用面广 控制参数相互独立 参数的选定比较简 单等优点 而且在理论上可以证明 对于过程控制的典型对象 一阶惯性 纯 滞后 与 二阶惯性 纯滞后 的控制对象 PID 控制器是一种最优控制 PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法 它的参数整定方式简便 结 构改变灵活 可以方便的改变为 PI PD PID 等控制器 比例调节作用对系统性能的影响 比例系数加大 使系统的动作灵敏 速 度加快 稳态误差减小 比例系数偏大 振荡次数加多 调节时间加长 系统会 趋于不稳定 比例系数太小 又会使系统的动作缓慢 比例系数可以选负数 这 主要是由执行机构 传感器以及控制对象的特性决定的 积分调节作用对系统性能的影响 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 积分调节输出一个常值 积 分作用的强弱取决于积分时间常数 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 外两种调节规律结合 组成 PI 调节器或 PID 调节器 微分调节作用对系统性能的影响 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 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 因此过强地加大微分调节对系统抗干扰不利 此外微 分反应的是变化率 当输入没有变化时微分作用输出为零 因此微分作用不能单 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 5 25 2 三冲量控制系统参数整定三冲量控制系统参数整定 系统的参数整定可以采用理论计算法或者工程整定法 由于理论计算法要以 被控对象的动态特性为依据 而动态特性测取时往往具有不准确性 而且容易随 河南城建学院本科毕业设计 论文 5 参数整定与仿 真 26 工作状态的变化而变化 因此应当采用工程整定的办法 根据控制方案可以将汽 包水位控制系统结构框图画为图 5 1 所示 Gh S Gw S Gf S Gp S Nw Nh Gd S Nd Wd S D W HHr 图 5 1 汽包水位控制系统结构框图 其中 Nd Nw Nh分别表示蒸汽流量传感器 给水流量传感器 水位传感器的反馈 系数 Gw S Gh S Gd S 分别表示给水流量调节器 水位调节器 前馈调节器 的传递函数 其放大倍数可以分别表示为 Kw Kh Kd Gf S Gp S 分别表示 变频器 锅炉汽包的传递函数 其放大倍数可以分别表示为 Kf Kp Hr是水位给 定信号 由硬件选型的相关数据可知当系统工作在稳定状态时 5 1 0 056 808 dN w 5 1 0 085 503 N 5 1 0 01 500 100 hN 35W 13 0D 300H 1 1 副回路参数整定 副回路参数整定 由于该设计采用了串级控制方式 首先应该从副回路开始对流量调节器进行 参数整定 然后由内而外 再对主回路水位调节器进行参数整定 通过两步整定 的方法完成系统的参数整定 由于副回路调节器的任务是快速动作以消除进入副回路的扰动 而且副参数 并不要求无差 所以选用 P 调节器就可以满足要求了 根据控制要求可以设定 FR F740系列变频器最高输出频率为 50Hz 控制信号为 4 20ma 电流 频率上升时 间为 0 5 秒 电机满负荷运行时变频器输出最高频率 50Hz 此时给水流量为 35 m3 h 则有副回路被控对象的增益是 选择频率上升时间为 0 5 秒 35 1 75 20 河南城建学院本科毕业设计 论文 5 参数整定与仿 真 27 可以认为副回路被控对象是一个时间常数为 0 3 秒的一阶惯性环节 其传递函数 可以表示为 5 1 1 75 1 0 3 f G S S 采用纯比例调节方式可以保证副回路的稳定性 只要保证副回路 P 调节器的增益 足够大即可 经过反复调试我们最终确定副调节器的增益是 20 在 simulink 中 画出副回路仿真图如图 5 2 所示 图 5 2 副回路仿真图 运行后可以得到仿真波形图如图 5 3 所示 从图中可以看响应延迟时间较 小 闭环增益也符合要求 内环的等效传递函数可以近似认为是 1 11 7 wN 图 5 3 副回路仿真波形图 河南城建学院本科毕业设计 论文 5 参数整定与仿 真 28 2 主回路参数整定 主回路参数整定 然后可以对主回路再进行参数整定 可以将副回路的等效为一个纯比例环 节 其增益为 11 7 由于汽包水位要求无静差 因此主回路我们采用 PID 调节器 根据 Ziegler Nichols 响应曲线法 9 和被控对象的开环传递函数以及特征参数整 定 PID 调节器的参数 35t h 锅炉汽包是一个没有自平衡能力的被控对象 其传递函数是 5 2 0 017 1 36 P G S SS 根据 Ziegler Nichols 响应曲线法 假设没有自平衡能力的被控对象的传递函数 是 5 3 1 G S SS 可以按照表 5 1 所示进行参数整定 其中 而且 y a Tu y uT 表 5 1Ziegler Nichols 响应曲线法参数 调节器参数 控制规律 K ITDT P1 a PI0 9 a3 PID1 2 a2 2 由此可以知道对于 35t h 锅炉汽包来说 则 PID 调节器的参数分别0 61a 是 1 2 1 96 p K a I 272T 18 2 D T 由于将副回路等效为一个增益为 11 7 的纯比例环节实际 PID 调节器的比例系数 是 5 4 1 2 0 17 11 7 K a 将 35t h 锅炉汽包的传递函数作如下改写 5 5 2 0 0170 017 1 36 36 P G S SSSS 河南城建学院本科毕业设计 论文 5 参数整定与仿 真 29 对于 PID 调节器的传递函数也做类似的改写 5 6 2 122012 240 17 0 17 118 7272 h SS G SS SS 在 simulink 中做出主回路的仿真图如图 5 4 所示 图 5 4 主回路仿真图 运行后可以得到仿真波形图如图 5 5 所示 图 5 5 主回路仿真波形图 PID 比例系数为 1 由图可明显看出系统的性能不稳定 超调量大 不能满足要求 需要对其 进行整定 将其 PID 比例系数增大 以提高系统的快速性 减小超调 当 PID 系 数为 500 时得到其波形图如图 5 6 所示 河南城建学院本科毕业设计 论文 5 参数整定与仿 真 30 图 5 6 主回路仿真波形图 PID 比例系数为 500 从仿真图中可以看到系统的超调量大约是 20 调节时间大约是 200 秒 稳 态误差是 0 控制效果满足控制要求 3 3 前馈回路参数整定 前馈回路参数整定 将前馈补偿器的输出信号引入内回路 使蒸汽流量信号和给水流量信号较好 的配合以消除 虚假水位现象 的影响 蒸汽流量