2021年度基于PLC的锅炉汽包液位控制系统设计课程设计

摘要

锅炉是钢铁、石油、 化工、 发电等工业过程中必不可少关键动力设备,所产生高压蒸汽既可作为驱动动力源,又可作为精馏、干燥、 反应、

就是靠锅炉产生一定温度和压力过热蒸汽来推进,化工厂里很多换热器热源大多是锅炉提供蒸汽。为适应生产需要,锅炉大小、型号也是多种多样。 锅炉大小是以锅炉每小时产生蒸汽量来衡量,小型锅炉每小时产几吨蒸汽,大锅炉每小时能产200t以上蒸汽,蒸汽压力有高、中、 低之分。 在应用类型上,可将锅炉分为动力锅炉和工业锅炉,其中工业锅炉又分为辅助锅炉、废热锅炉、 快装锅炉、 夹套锅炉等。 锅炉燃料也各不相同,有燃气型、燃油型、 燃煤型和化学反应型等。

锅炉产生蒸汽压力和温度是否稳定、锅炉运行是否安全,直接影响到生产能否正常进行,更关系到人员和设备安全是否,所以,锅炉过程控制十分关键。工业蒸汽锅炉是一个复杂控制对象,为了确保锅炉能够提供合格蒸汽,生产过程中各工艺参数必需严格控制。在这些工艺参数中,锅炉汽包水位是一个很关键参数,

而且将水位控制在一定范围之内是确保锅炉安全运行必需原因。

关键词:锅炉汽包;三冲量;PLC; PID;

目录

第一章锅炉工艺步骤描述..........................................................................................3第二章锅炉汽包水位控制系统设计..........................................................................62.1系统硬件设计...................................................................................................9(1)主控制器设计........................................................................................9
（2)检测电路设计........................................................................................9
（3）输出控制电路....................................................................................10
2.2系统软件设计:...............................................................................................11第三章PID调整规律选择及参数整定.....................................................................133.1百分比调整作用对系统性能影响................................................................133.2积分调整作用对系统性能影响.....................................................................133.3微分调整作用对系统性能影响.....................................................................143.4整定基础方法.................................................................................................14（1）临界百分比度法(闭环整定）...........................................................14
（2）衰减曲线法(闭环整定）...................................................................14
（3）反应曲线法（动态特征参数法）....................................................14
（4）现场试验整定法................................................................................14
3.5调整规律确实定标准.....................................................................................15总结..............................................................................................................................16

参考文件......................................................................................................................17附录:.............................................................................................................................18

第一章锅炉工艺步骤描述

锅炉工艺步骤图1.1所表示。

图1.1锅炉工艺步骤图

燃料和热空气按一定百分比混合后进入燃烧室燃烧,加热汽包内水产生饱和蒸汽Ds,经过热器后形成一定温度过热蒸汽D,再聚集到蒸汽总管PM,最终经过负荷设备调整阀供给负荷设备使用。

燃料在燃烧时产生烟气,其热量一部分将饱和蒸汽变成过热蒸汽,另一部分经省煤器对锅炉供水和空气进行预热,最终由引风机从烟囱排入大气。

锅炉正常运行必需要保持物料（水）平衡和热量平衡。在物料平衡中负荷是汽包内水蒸发量,被控变量是汽包水位,操纵变量是锅炉给水量;在热量平衡中负荷是蒸汽带走热量,

上述物料平衡和热量平衡是相互关联、相互影响。汽包水位不仅受到给水流量影响,而且也受到热量改变影响。比如,

会影响到汽包水面下蒸发管中汽水混合物体积,使汽包水位发生改变。

而且进水量改变也会影响到蒸汽压力稳定。比如,给水流量增加时,因为冷水温度低,会使汽包内蒸发量降低,造成蒸汽压力下降。

总而言之,锅炉运行关键包含以下三个方面过程控制系统:
（1）汽包水位控制系统:是锅炉安全运行必需确保,它要维持汽包内水位在工艺许可范围内;
（2）燃烧系统控制:经过使燃料量和空气量保持一定比值,以确保经济燃烧和锅炉安全运行,同时确保引风量和送风量相适应,维持炉膛内负压恒定不变,其最终目标是使燃料产生热量满足蒸汽负荷需要;（3）过热蒸汽系统控制:这是一个温度控制系统,其作用关键有2个:

二是确保管壁温度不超出许可工作温度。

影响汽包水位关键原因是给水量和蒸汽流量,

其它原因全部能够作为干扰原因另作考虑。当负荷增大时,蒸汽流量增大,会使得汽包水位下降,当忽然增加蒸汽流量会使得蒸汽压力减小,汽包水位不降反增,出现虚假水位现象,这是设计中必需要考虑原因。给水量对汽包水位影响存在惯性区,但基础是线性。

汽包水位是锅炉运行关键指标,对锅炉安全运行很关键,保持水位在一定范围内是确保锅炉安全运行首要条件,水位过高或过低,全部会给锅炉及蒸汽用户安全操作带来不利影响。过高会影响汽水分离效果,蒸汽过湿,饱和水蒸汽将会带水过多,造成过热器管壁结垢并损坏,使过热蒸汽温度严重下降,若以此过热蒸汽带动汽轮机,将因蒸汽带液损坏汽轮机叶片,造成运行安全事故。然而,水位过低,则因汽包内水量较少,而负荷很大,加紧水汽化速度,使汽包内水量改变速度很快,若不立即加以控制,将有可能使汽包内水全部汽化;尤其是大型锅炉,水在汽包内停留时间极短,从而造成水冷壁烧坏,甚至引发爆炸。所以,必需对汽包水位进行严格控制。汽包水位控制系统任务是维持给水量和蒸汽蒸发量平衡,使汽包水位保持在许可范围内。

第二章锅炉汽包水位控制系统设计

现在,锅炉汽包水位常采取单冲量、双冲量及三冲量控制方案。此处“冲量” 不是物理上定义作用在物体上力和时间乘积,而是一个表示变量习惯沿用。

锅炉汽包水位单冲量控制系统是一个经典单回路控制系统,其被控变量是汽包水位,操纵变量是锅炉给水流量。当汽包水位偏离设定值时,变送器将测量到信息送给控制器,根据特定控制规律来增加或降低供水量,使汽包水位回到设定值。影响锅炉汽包水位关键扰动是蒸汽负荷波动,因为用户蒸汽需要量是在不停改变。假设蒸汽需要量忽然加大,汽包压力会瞬时降低,水沸腾加剧,使水加速汽化,水中气泡量会骤然增多。

而气泡体积比其液态时体积大很多倍,结果出现汽包内水位不降反升假象,即出现“假水位”。控制器取得信息是“水位升高了”,原来该增加供水量,现在却错误地降低供水量,严重时会使汽包水位下降到危险区内以致发生事故。产生上述“假水位”关键原因是蒸汽负荷量波动而造成“闪蒸”现象,假如把蒸汽流量作为前馈信号引入控制系统,立即知道其改变情况,就能够克服这个关键扰动。为此我们引入双冲量控制系统。

这里“双冲量” 是指汽包水位信号和蒸汽流量信号2个变量。它是一个前馈-反馈控制系统。水位信号从系统输出端返回到输入端,所以属于反馈控制;蒸汽流量信号未经反馈而直接和水位控制器输出信号相加,所以是前馈控制。当蒸汽负荷改变可能造成汽包水位大幅度波动时,蒸汽流量信号引入起着超前控制作用,它在汽包水位还没有出现波动时,提前使调整阀动作,从而降低因蒸汽负荷量改变引发水位波动,极大改善了控制品质。

尽管双冲量控制克服了蒸汽压力改变带来扰动,却不能克服供水压力改变干扰,当供水压力改变时,一样会引发供水流量改变,

双冲量控制系统只有在汽包水位改变后才由控制器进行调整,控制不立即。所以,当供水压力波动比较频繁时,双冲量控制系统控制质量较差,这时可采取三冲量控制系统。

在锅炉汽包水位三冲量控制系统,该系统除了水位、蒸汽流量信号以外,又增加了一个供水流量信号,显然,当蒸汽负荷不变,供水量因压力波动而改变时,加法器输出对应改变,直接调整给水流量大小。不需要等汽包水位改变了再去由控制器调整,从而极大降低了水位波动,

缩短了过渡过程时间,提升了控制质量。三冲量控制系统动作立即,有较强抗干扰能力,在较大扰动时也能有效地控制水位改变,显著地改善了控制系统品质。对于现代大、中型锅炉来说,对象控制通道拖延和改变速度全部比较大,“虚假水位”现象比较严重,

普遍采取含有蒸汽流量前馈信号及给水流量反馈信号和汽包水位主信号三冲量水位控制系统。系统控制步骤图图2.1。

图2.1锅炉汽包液位控制系统

依据系统控制步骤图,我们还能够绘制出三冲量控制系统方框图,图2.2。

设定值

－

主调节器

－

副调节器

执行器

副被控对象

被控对象

副变送器

主变送器

图2.2三冲量控制系统方框图

三冲量控制系统因为控制器有不一样位置,又能够有多个不一样控制方案,

以下为常见三种方案,图2.3。

图2.3常见控制方案

2.1系统硬件设计

(1)主控制器设计

在自动控制系统中,最常见控制器有两种: 一个是PLC,另外一个是单片机。PLC自诞生以来,因为其可靠性能、高性价比、强大功效等众多优点而受到了广泛应用,本系统也采取PLC。

PLC选择西门子企业S7—200CPU214,该系列PLC性能稳定,能够依据设计要求灵活选择相关模块。本系统需要输入模拟量有:给水流量信号、水位信号、蒸汽流量信号,需要输出数字量有:变频器控制信号,所以只需要选择模拟量输入模块EM231,EM231含有四个模拟量输入点,能够刚好满足需要。

（2)检测电路设计
因为该设计目标是控制水位稳定,而整个控制系统基础是对水位正确测量,所以水位能否正确测量直接关系到控制质量优劣。

合理选择水位传感器在水位控制系统设计中相关键作用。

用差压变送器对液位信号进行变送。

江

苏

威

腾

自

控

设

备

生

产

微

差

压

变

送

器

（

WT-

1151/3351DR）可满足变送要求。该型号变送器能够将微小差压转换成4——20mADC信号。它采取专门设计放大线路板和特殊温度赔偿工艺,性能稳定可靠。

依据控制方案我们能够知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量,

所以合理选择流量传感器能够有效改善整个系统控制质量。

99型涡街流量计是一个基于卡门涡街原理流体振动式新型流量计,

它含有测量范围广、压损小、 性能稳定、 正确度高和安装、 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测量。 该流量计部分技术参数以下:
①测量介质:蒸汽、汽体、 液体
②传感器感应元件不直接和被测介质接触,性能稳定、可靠性高
③传感器内无可动部件,结构简单而牢靠,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±1.0%;蒸汽,指示值±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)

（3）输出控制电路
PLC依据采样相对液位数值对其进行对应规则计算、处理、 判定后,得出控制结果,输出对应控制信号,模拟量输出模块我们选择EM232,它有两个模拟量输出点,可满足要求。

电

机

是

锅

炉

汽

包

供

水

动

力

设

备

,

电机正确选型关系到汽包能否正确供水进而影响到汽包水位稳定,经查阅资料可知选择功率为100Kw三相异步电动机完全能够满足工作要求,因为使用变频调速无须选择绕线型异步电动机,

济南华力贝尔机电设备生产YJTG三相变频调速电机专门为变频调速设计能够依据技术要求订货设定其额定电压为380V额定功率为100Kw。

变

频

器

是

电

机

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。由电机选型能够知道电机在50Hz三相交流电下工作时电机功率大约是100Kw,我们能够选择罗克韦尔企业1336PlusII系列1336F-B150型号变频器。该变频器能够输入380V-480V50/60Hz三相交流电,输出380-480V三相交流电并经过控制信号控制其输出频率,其容量是149Kw,能够满足设备功率要求。该型号变频器含有丰富灵活控制接口,能够经过控制信号方便地改变变频器工作特征。

至此,系统硬件电路设计完成,系统总体框图图2.4。

计算机

双室平衡容器 WT-1151

LUGB-99	E	P	E	变频器	电机
	M	L	M
	2		2
LUGB-99	3		3
	1	C	2

图2.4系统硬件原理图

2.2系统软件设计:
整个控制系统软件包含以下几部分:液位实时采集,电机调速,算法控制(

这里采取PID算法)等功效。本系统软件结构采取了总分形式,

然后主控制程序依据多种条件来运行和调用各子程序,用来实现多种功效。

这种总分设计方法使得软件简单明了,一看便知,

而且在调试起来时也尤其方便。系统程序设计框图图2.5。

开始

系统初始化

参数设定

液位采集

与设定值一致？

Y

N

数据处理子程序

输出控制

电机

图2.5系统软件原理图

第三章 PID调整规律选择及参数整定
众所周知,要使控制系统含有良好控制性能,除了必需正确选择、设计控制方案以外,还必需正确选择控制算法并进行参数整定。

在控制系统中,根据给定信号和反馈信号之间偏差百分比（P）、积分（I）和微分（D）进行控制PID控制器是应用最为广泛一个自动控制器。它含有原理简单、 易于实现、 适用面广、 控制参数相互、参数选定比较简单等优点;而且在理论上能够证实,对于过程控制经典对象─“一阶惯性＋纯滞后”和“二阶惯性＋纯滞后”控制

PID调整规律是连续系统动态品质校正一个有效方法,它参数整定方法简便,结构改变灵活,能够方便改变为PI、PD、PID等控制器。

3.1百分比调整作用对系统性能影响
百分比系数加大,使系统动作灵敏,速度加紧,稳态误差减小;百分比系数偏大,振荡次数加多,调整时间加长;系统会趋于不稳定;百分比系数太小,又会使系统动作缓慢。百分比系数能够选负数,这关键是由实施机构、传感器和控制对象特征决定。

3.2积分调整作用对系统性能影响
是使系统消除稳态误差。提升无差度。 因为有误差积分调整就进行,直至无差积分调整停止,积分调整输出一个常值。积分作用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,加入积分调整可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常和另外两种调整规律结合,组成PI调整器或PID调整器。

3.3微分调整作用对系统性能影响
微分作用反应系统偏差信号改变率,含有预见性,能预见偏差改变趋势。所以能产生超前控制作用,能够改善系统动态性能。在微分时间选择适宜情况下能够降低超调,降低调整时间。

所以过强地加大微分调整对系统抗干扰不利。另外微分反应是改变率,当输入没有改变时微分作用输出为零,所以微分作用不能单独使用,需要和另外两种调整规律相结合组成PD或PID控制器。

整定任务:依据被控过程特征,确定PID调整器δ百分比度 、 Ti积分时间和微分时间TD大小。

3.4整定基础方法

（1）临界百分比度法(闭环整定）
①首先将调整器积分时间置于最大,微分时间置零,百分比度置为较大数值
②等系统运行稳定后,对设定值施加一个阶跃改变,

统计下此时临界百分比度δk和等幅振荡周期TK
③查表按经验公式计算出调整器参数δ、Ti、TD。

（2）衰减曲线法(闭环整定）
衰减曲线法和临界百分比法类似。观察衰减比然后统计。 Δs、Ts、Tp按经验公式计算δ、Ti、TD。

（3）反应曲线法（动态特征参数法）
反应曲线法是利用系统广义过程阶跃响应曲线对调整器参数进行整定,是一个开环整定方法。

（4）现场试验整定法
现场试验整定法,实质上是一个经验试凑法,所以也称为经验法。

在现场应用中,将各类过程控制系统调整器整定参数按先百分比、后积分、 最终微分次序置于一些经验数值后,把系统闭合起来,然后再作给定值扰动,观察系统过渡过程曲线。若曲线还不够理想,则改变调整器δ、Ti和Td数值,进行反复试凑,以寻求“最好”整定参数,直到控制质量符合要求为止。

3.5调整规律确实定标准
⑴调整器放大系数Kp正负号
正作用方法:y↑→u↑, Kp为“-”;
反作用方法:y↑→ u↓, Kp为“+”。

⑵ 调整阀放大系数正负号

气开式调整阀Kv为“+”;
气关式调整阀Kv为“-”。

⑶ 被控过程放大系数正负号
正作用μ↑→y↑,被控过程静态放大系数Ko为“+”;反作用μ↑→y↓, 被控过程Ko为“-”。