锅炉汽包液位控制系统的设计

1、毕业设计（论文）（说明书）题 目：锅炉汽包液位控制系统的设计姓 名：编 号：22xxxxxxx 学院2013年5月20日xxxxxxx 学院毕业设计（论文）任务书姓名专业班级任务下达日期2013年3月4日设计（论文）开始日期2013年3月11日设计（论文）完成日期2013年5月20日设计（论文）题目：锅炉汽包液位控制系统的设计a编制设计b. 设计专题（毕业论文）指导教师系借收）主任2013 年 5 月 20xxxxxxx 学院毕业设计（论文）答辩委员会记录电力工程系电厂行与维护专业,学生于2013年6月 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目：锅炉汽包液位控制系统的设计专题（论文）题目：锅炉汽

2、包液位控制系统的设计指导老师：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，给予学生毕业设计（论文）成绩为 o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：,学生姓名：xxxx学院毕业设计（论文）评语页页专业电与维护 年级 2010第共毕业设计（论文）题目： 锅炉汽包液位控制系统的设计评阅人：指导教师：（签字）年月口成绩：系（科）主任:（签字）年月口毕业设计（论文）及答辩评语:锅炉汽包液位控制系统的设计摘要汽包液位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现。在锅炉运行中，汽包水位 是影响锅炉安全运行的重要参数，汽包水位偏离

3、标准会产生非常严重的后果， 因此对汽包水位必须进行严格的控制。plc技术的发展使得plc广泛应用于过 程控制领域并极大地提高了控制系统效率，plc已经成为当今自动控制领域不 可缺少的部分。本文从分析影响汽包水位的各种因素开始，重点分析了锅炉汽包水位的“假 水位现象"，并且提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。并着力研 究三冲量系统的特点。随后对其在pid的参数整定方面也进行了必要的分析， 根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，最后利 用plc编程实现控制算法进行系统的软件设计，完成plc在锅炉汽包水位控制 系统中应用。关键词：锅炉汽包；水位控制；三冲量控

4、制系统；plc； pid目录1绪论11锅炉汽包液位自动控制的意义11.2锅炉汽包液位控制方案设计的主要工作22锅炉汽包液位控制方案的设计32.1虚假水位的形成及对策32.2锅炉汽包液的影响因素42.3汽包水位的控制方案设计63锅炉汽包液控制方案的硬件选型103.1水位传感器选型103.2流量传感器的选型103.3电机的选型123.4变频器的选型123.5接触器的选型123.6熔断器的选型133.7功率三极管的选型133.8 plc及相关模块的选型144锅炉汽包液控制方案的硬件设计154.1系统总体线路设计154.2控制线路设计175锅炉汽包液控制万案的控制算法及参数整定205pid算法简介20

5、5控制的影响205.2 pid控制器的参数整定215.2三冲量控制系统参数整定226锅炉汽包液控制方案的软件设计246.1程序流程设计24结束语26参考文献27致谢281.1锅炉汽包液位自动控制的意义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 位会经常发生变化山。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

6、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，是保证锅炉安全牛产运行的必要条件，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， 不利于系统的长期

7、安全、高效运行。现在广泛使用的控制技术还有dcs集散控制系统，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，己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、牛产流水线控

8、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。1.2锅炉汽包液位控

9、制方案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。在此基础z上，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z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

10、调节器的各个参数。在此基础z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,最终实现控制算法。2锅炉汽包液位控制方案的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。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

11、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。本设计控制对象的主要参数有：汽包水位控制在：300±10mm正常工作时的蒸发量：35t/h水位稳定时供水量为：35 m3/h正常工作时汽包蒸汽压力大约是0.5mp2.1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

12、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

13、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“虚假水位啪勺影响。22锅炉汽包液的影响因素首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。锅炉给水调节对彖如图2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。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 的高低铁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

14、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) 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h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h?所示。水位的实际响应 曲线应是曲线h

15、和 压之和，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：gi(s) =刍(2.1)' 7s(1 + ts)式2.1中&表示汽包水位的飞升速度，/表示延迟时间。图2.2给水扰动响应曲线（2）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，一方而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所示的曲线川所示，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，会导致 水而以下蒸汽泡膨胀，总体积v增大，从而导致汽包水

16、位上升，如图2.3所示曲线比所示。 水位的实际响应曲线应该是曲线比和 出之和，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，这种反常现彖通常被称为“假水位现彖”。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：g? 0）二-色 + （2.2）s 1 + 7；s式2.2中图2.3汽轮机耗汽量扰动响应曲线（3）燃料量扰动的影响燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量d的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。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

17、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“假水位现象叫匕负荷扰动下要缓和的多。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 位现象雹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。2.3汽包水位的控制方案设计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2.4所示，这是一个基本的控制方案其 方框图如图2.5所示。对于小容量锅炉來说由于它的储水容量较大，水面以下的汽泡体积并 不占有非常大的比

18、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，所以大屮型锅炉不宜 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。图2.4汽包水位单冲量控制系统图2.5汽包水位单冲量控制系统框图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2.6所示的蒸汽流量随动控制系统，其中流量调节

19、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2.7所示。图2.6蒸汽流量随动控制系统图2.7蒸汽流暈随动控制系统框图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

20、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2.8所示，其结构框图如图2.9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，将使调节机构做出课动作错谋的减少给水量；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

21、从而保证水位恒定。图2.8汽包水位双冲量控制系统图2.9汽包水位双冲量控制系统框图此外考虑到给水流量的变化可以通过串级控制的方法让给水量的扰动通过内回路自行调 节，设计如图2.10所示的三冲量控制系统，其结构框图如图2.11所示。即前馈反馈串级 复合控制系统。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一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，主调节器是给水流量调节器,副调节器是液位调节器。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“假水位现象雹当蒸

22、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。图2.10汽包水位三冲量控制系统液池冷足+ :图2.11汽包水位三冲量控制系统框图3锅炉汽包液控制方案的硬件选型3.1水位传感器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±10mm,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4/33/2倍。因此所选传感器的

23、最大量程为:400450 mm。而 且汽包水位应该控制在300±10 mm,因此所选水位传感器的精度应该高于10/450=2.2%fs, 因此选择该测量精度才可以满足要求。选择传感器主要技术参数如下：量程:100500mm（水位高/深度）综合精度：1.0%fs输出信号:420ma（二线制）、05v、15v、010v（三线制）供电电压:24dcv（936dcv）负载电阻：电流输出型：最大800q；电压输出型：大于50kq绝缘电阻：大于2000mq（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20hz1000hz内，输出变化小于0.1 %fs电气

24、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15v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。3.2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 o上海正博自动化仪表有限公司牛产的 lugb-99型涡街流量计是一种基于

25、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i古i,压损小维扩量小、使用寿命长（4）范围度宽达10： 115： 1（5）测量范围：正常工作范围，雷诺数为20, 0007, 000, 000；输出信号不受液体温度、 压力、粘度及组份影响。测量可能范围，雷诺数8, 0007, 000000（6）精度等级：液体，指示值的&

26、#177;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:420ma（三线制）（8）电源电压：24dcv（9）壳体材料：碳钢；不锈钢（lcrl8ni9ti）（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）（11）工作状况下流量范围（单位：m3/h）,见表3.1表3.1工作状况下流量范圉dn(mm)液体汽体蒸汽200.8-105-408-80251-127.2-6010-120321.5-2012-10015-200402

27、-3018-15020-300503-5030-30030-450656-8050-42060-8008010-13070-600100-130010020-200120-1000200-200012530-300180-1500300-300015045-450240-2000450-450020090-900480-4000900-9000250120-1200700-80001200-12000300180-2000900-100001600-16000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4/33/2倍，流量计应当 能够检测的最大流量为：46.552 m3/h,因此汽包

28、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350 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。止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4/33/2倍，流量计应当能够检测的最大流量为:17.219.2 n?/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

29、 是880 m3/h,可以满足设计耍求进行检测蒸汽流量信号。3.3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：c 35000如 10加/宀 500000x3.14x2.5?“、p = 9 5 k w(3.1)36005x10000由计算结果可以知道选用功率为lookw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耍求。济南华力贝尔 机电设备有限公司生产的yjtg三相

30、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lookwo3.4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工作为汽包供水。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lookw,当三相交流 电动机在基频以下工作时为恒转矩输出工作，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木一致。根据以上的分析可以选择罗克韦尔公司的1336plusii系列1336f-b150型号的变频器。给 变频器可以输入380v-480

31、v 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149kw,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。设计时将变频器连接在 devicenet网络上，就可以利用plc控制变频器的输出电压和频率。3.5接触器的选型接触器是系统屮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：lookw>/3x380v= 152a(3.2)因此根据设计的要求浙江宏立电器有限公司生产的h

32、lg3x系列空调接触器主要适用于 50hz或60hz、在ac-7b使用类别额定工作电压为230v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吋带 动一台电机可以满足设计要求。3.6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。浙江中 泰熔断器有限公司生产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。3.7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

33、电路:plcft 字图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。浙江省杭州富阳市奥星电子有限公司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。3.8 plc及相关模块的选型plc选择罗克韦尔公司logix5000系列，该系列plc性能稳定，可以根据设计要求灵活 的选择相关模块，而且使用rs logix5000组态软件进行梯形图程序设计时可以根据实际情况 建立标签，避免了对plc肓接按照地址寻址造成

34、的麻烦和错误。该系统需要输入或输出的模 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，需要输出的数字量有: 接触器通断信号、报警信号。因此只要选择一个模拟量输入模块1756-if6l 一个数字量输出 模块1756-ob16d就可以满足要求。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yjtg380vac61a40kw2变频器1336f-b150380vac149kw1功率三极管i3dd56862plc cpu模块logix5000220vac1模拟量输入模块1756-if6i1数字量输岀模块1756-ob16

35、d1以太网通信模块1756-enet1devicenet通信模块1756-dnb/a1pc机220vac1接触器hlc-3x380vac5熔断器xrnt-123a3水位传感器ptp60124dcv3流量传感器lugb-9924dcv2plc的电源模块为其他各个模块提供电源，plc的cpu块负责plc的数据处理和通信, 模拟量输入模块将来自传感器的检测信号传入plc, devicenet模块通过devicenet网络控制 变频器，数字量输出模块主要控制开关设备的通断。4锅炉汽包液控制方案的硬件设计4.1系统总体线路设计首先需耍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

36、大时能够及时断电，以确保安全不造成设备的损坏，正常情况下设备止常工作不会发生电流 过大的现彖，只有在出现故障时才有可能发生过流现彖此时才需要进行断电以确保安全。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 电压下。例如plc就是采用220v交流电工作，因此按照上述方式连接就可以直接接入任意 一相与中性线之间的220v交流电压下。此外还要引入地线在需要接地的地方保证可靠接地 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，因此述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

37、，然后输岀稳定的直流电压，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，并通过变频器调频调压从而 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

38、会发生事故。根据以上所诉设计总体电器线路如图4所示。220/2如（x炒pea2b2cenelc 二佰号输xpeu1图4总体电气线路图根据该设计可以得到供电线路接线如表4.1所示。表4供电线路接线表脚号信号代号信号名称所连设备备注abcnacp3三相电源电源插头经开 关qs1到过流保 护装置三相供电设备al bl cl n1acp3三相电源过流保护装置保护设备pegnd接地线电机外壳传感器接地线接地保护a2 b2 c2acp3三相电源变频器输入经开关qs2到电机定子回路三相供电设备c3n1acp2单相电源直流电源输入单相供电设备b3n1acp2单相电源接触器线圈单相供电设备u1 vi w1vac

39、p3变频器输出经开关qs3到电机定子回路三相供电设备ji j0dc2024v直流电源传感器直流供电设备q1c1km1控制信号功率三极管基极开关控制设备q2c2km控制信号功率三极管基极开关控制设备4.2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肓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,保证其止常工作。各个传感器的输出引入plc的模拟量输入单元1756-if6i供plc完成各种运 算从而达到控制目的。plc通过devicenet网络控制变频器的输岀频率从而达到控制给水流量 的目的。plc的数字量输岀单元1

40、756-ob16d输岀数字信号控制接触器的通断情况。根据以上 分析设计控制线路连线图如图4.2所示。电酒岭入re 液r件!$器pe电«箱入0号第出 送水流址传感一图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l1/l0lf+/lf-汽包水位300mm0300mm水位送plcsf1/sf0sf+/sf-蒸汽流量13m3/h013 m3/h蒸汽流量送plcwf1/wf0wf+/wf-送水流量35m3/h0 13m3/h送水流量送plc5锅炉汽包液控制方案的控制算法及参数整定5.1 pid算

41、法简介众所周知，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罔。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、p

42、id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pi

43、d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，需耍与另外两种调节规律相结合组成pd或pid控制器。5. l1控制的影响（1）比例p调节在p调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即况=心1比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大d =疋p称为比例带，其中k

44、p为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于 加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统 的首耍耍求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时 系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。（2）积分i调节在i调节中，调节的输出信号的变化速度 ®与偏差信号e成正比，即dtdu _石称为积分速度，其中ti为积分时间常数。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度,直至出现发散的振荡过程。i调节是无差调节, 只有当被调量偏差为零时，i调节的输出才保持不变。i调节的稳定作用比p调节差，如果只采用 i

45、调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。（3）微分d调节也d调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即u= td otd为微分时间。 微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起 辅助的调节作用，与p结合pd或与pi构成pid调节。总之，pid控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的 无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。5.1.2 pid控制器的参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的 比例带8,积分时间ti和微分时间td的数值称为控制器参数整定。控制器参

46、数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。（1）经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带5,待过渡过程稳定后再加入积分作用 以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。pid控制器的经验法整 定：先将td置为0,置ti为oo,先整定比例带使之达到4： 1衰减过程，然后将比例带放大 （10%-20%）,而积分时间ti由大到小逐步加入，直至达到4： 1的衰减过程，然后将比例带减 小到比原值小（10%20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把td由小到大加入，观察曲 线，直到满意的过程为止。（2）稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间逐 渐减小比

47、例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程如图5.1。录此时的临界比例带 5k及两个波峰的时间tk利用8k和tk值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控 制器的稳定参数6、ti、tdo（3）衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验 而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间ti为最大值，微分时间为0, 在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应如图 5.u若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现4： 1的 衰减振荡过程，记下此时的比例带和ts的数值。利用4： 1衰减整定参数表求得控制器的 pid

48、数值。将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把 微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。图5.1衰减曲线5.2三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重画为图5.2所 示。xi由駛件选型的相关数据可知当系统工其中nd、mv、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， gms)、gh(s)、gd(s

49、)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，其放人 倍数可以分别表示为kv、kh、氐，gms)、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、©、是水位给定信号。 作在稳定状态吋：nd = !- = 0.056 , mv=-!- = 0.085 ,(5.2)80-850-3w = 35,£> = 13.0, h =300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。6锅炉汽包液控制方案的软件设计根据参数整

50、定的结果，汽包水位的稳定可以按照这些控制算法来实现，在执行控制运算之 前，可以对汽包水位的高度状态进行判断，并做出相应的处理。因此系统的软件设计应当包 括逻辑判断和pid控制算法两部分，首先有应该完成程序流程图的设计，再根据流程图完成 plc的软件设计。6.1程序流程设计按照控制要求和硕件设计可以对系统进行软件设计，首先进行的是程序流程设计，并在 此基础上可以完成plc的梯形图程序设计。由于汽包水位过高过低都会对锅炉的安全运行造成严重影响，因此应当对过高或过低水 位做出超限处理。此外plc在执行控制算法时由于运算复杂，需要消耗大量的系统时间降低 tplc运行效率，不利于系统的稳定运行。根据采样定理:对于一个具有有限频谱的连续信号 进行信号采样，采样信号频率必须大于或等于信号所含最高频率的两倍，这样采样所得的离 散信号才能对原来的连续信号完全复原。而过程控制现场的很多参数变化并非十分剧烈，有 较大的时间延迟，按照工程经验对于流量参数采样时间为12秒，对于水位参数来说采样时 间为35秒，汽包水位控制系统采样时间设定为1秒是可以满足控制要求的。为了有效的防止汽包水位超限，该设计作以下处理：当汽包水位过高即高于350mm时停 止送水，以快速降低汽包水位，当汽包水位过低即低于200mm时满负荷送水，即送水电动机 工作于工频50hz电源下，以快速提高汽包水位。此外为了提高plc的运行效率