锅炉汽包水位的控制要点

摘要锅炉是电厂和化工厂里常见的生产设备，为了使锅炉能正常运行，必须维持锅炉的水位在一定的范围内，这就需要控制锅炉汽包的水位。汽包水位很重要，水位过高会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，损坏汽轮机叶片；如果水位过低会损坏锅炉，甚至引起爆炸。可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。本论文设计的是锅炉汽包水位控制系统，利用控制装置和被控对象组成了一个自动控制系统。被调量是汽包水位，调节量是给谁量。它主要考虑汽包内部物料平衡，使给水量适应锅炉的挥发量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。关键词： 汽包水位虚假水位给水流量蒸汽流量第1页目录摘要 . .11绪论 . .31.1锅炉 .31.2锅炉汽包水位控制系统的发展现状 .31.3汽包水位调节原理： .41.4本设计的主要工作 .42控制方案设计 . .62.1汽包水位的影响因素 .62.2系统方框图 .63 硬件选型 . .83.1水位 PID 控制系统 .83.2PLC 的选型 . .83.3PLC 的 I/O 分配 . .93.4流程控制图 .103.5PLC 程序 . .114 PID参数整定 .164.1运用试凑法选定 PID 参数 .164.2MATLAB仿真结果 . .175组态设计 . .195.1组态王对 PLC的设备组态 . .195.2组态王定义数据变量 . .195.3组态王界面 . .19总结 . .21参考文献 . .22致谢 . .23第2页1 绪论1.1 锅炉锅炉由汽锅和炉子组成。炉子是指燃烧设备，为化石烯料的化学能转换成热能提供必要的燃烧空间。 汽锅是为汽水循环和汽水吸热以及汽水分离提供必要的吸热和分离空间。锅炉作为一种把煤、 石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备， 长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色，它已经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。生产锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。从系统角度看，锅炉包括燃烧负荷控制系统、送引风系统、给水控制系统和辅助控制系统。其结构如图 1-1 ：图 1-11.2 锅炉汽包水位控制系统的发展现状锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数， 水位过高会使蒸汽带水带盐，严重的将引起整体品质下降，严重影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。故锅炉汽包给水控制系统的任务是保证汽包水位在允许的范围内，并兼顾锅炉的稳定运行。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第3页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。随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有：（1）汽包的个数和体积减小，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；（2）锅炉容量增大，显著的提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷对水位的影响加剧了；（3）提高了锅炉的工作压力，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。由此可见，随着锅炉朝大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。1.3汽包水位调节原理：1. 汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化。 汽包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数， 它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系。维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。2汽包水位被控对象的扰动有四个来源，包括给水量方面的扰动为内部扰动。其余的如蒸汽负荷的扰动、燃料量的变化及汽包压力的变化等为外部扰动。其中尤以给水扰动、汽机负荷扰动和锅炉热负荷扰动较为严重。1.4 本设计的主要工作利用西门子 PLC设计锅炉汽包水位的控制系统， 编写程序。完成以下工作：完成 PLC的选型，进行 I/O 分配。将液位信号转化成电信号传送到 PLC或计算机，利用 PI 或 PID 算法进行运算。利用计算结果调节给水电动阀阀门开度，控制锅炉水位（内容2 和 3 可用G(s)1e1.1smatlab 仿真实现 。控制系统数学模型为1 6s）。利用组态王完成上位机组态设计。5） 控制时调节时间小于10s，最大超调不大于5%。第4页第5页2 控制方案设计2.1汽包水位的影响因素汽变包过热器频器省煤器水冷壁汽包水位的由于给水量和蒸汽流量影响它的高低4 。水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水， 随着腔内压力的变化导致水位的高低的变化。则可知影响汽包水位 H 的主要因素有：1. 给水量 W；2. 汽轮机耗汽量 D； 3. 燃料量 B 三个主要因素。2.2系统方框图首先要选取汽包水位控制系统的被控参数和控制变量， 本系统按照设计要求可直接汽包水位作为被控参数。影响水位变化的因素有给水量变化、蒸汽量变化、燃料量变化和汽包压力变化等等。而汽包压力和蒸汽流量都不能作为控制变量，因为气压压力变化并不直接影响水位，汽包压力变化是有蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用户的需求会各有不同，这是一个不可控因素；燃料量的变化也不能作为控制变量，因为这种变化要经过燃料系统变化热量后，才可被水吸收，这一扰动通道的传递滞后和容量滞后都很大，所以燃料量的变化不能作为控制变量。故只能选择给水量作为漆包水位的控制发展。将系统的被控参数和控制变量选定后可得到系统方框图如下图所示：第6页系统图设计系统方案图系统方案图中可以看到，将给水量作为控制变量，汽包液位作为被控参水之后，检测变送器选择压差变送器， 执行器选择控制器， 执行器为调节器。第7页3 硬件选型3.1 水位 PID 控制系统本次设计使用 1 个液位传感器， 1 个输入控制液体阀， 1 个输出控制液体阀。系统启动时，关闭出水口，用手动控制进水泵速度，使水位达到满水位的75%，然后打开出水口，同时水泵控制从手动方式切换到自动方式，这种切换有一个输入的数字量控制。 PID 的控制工艺图如下：水位 PID 控制工艺图3.2 PLC 的选型（1）西门子 S7-200 系列小型 PLC-CPU226本次设计采用的西门子 PLC的 CPU是 CPU226 DC/DC/DC，CPU内部集成 24 输入 /16 输出共 40 个数字量 I/O 点，最多可连接 7 个扩展模块；具有 PID 控制器； 2 个 RS-485 通信 / 编程口，具有 PPI 通信协议、 MPI 通信协议、和自由方式通信协议。额定电压 24VDC，最大持续允许电压 30VDC。第8页（2）模拟量模块 EM235因为 S7-200 的 CPU224本身不能处理模拟信号，所以处理模拟信号时需要外加模拟量扩展模块。模拟量扩展模块 EM235 有 4 路模拟量输入和1 路模拟量输出，输入输出都可以为0 10V 电压或是 020mA 电流 ( 由 DIP 开关设置 ) ，适用于复杂的控制场合。其内部集成有12 位的 A/D 转换器，不用加放大器即可直接与执行器和传感器相连，数模转换时间小于 250s。EM235模块能直接和 PT100热电阻相连，供电电源为 24V。（3）PC-PPI 电缆将 PC/PPI 电缆连接 RS-232(PC)的一端连接到计算机上，另外一端连接到PLC 的编程口上。它将提供 PLC 与计算机之间的通信，线长 5m, 带内置RS-232C/RS285连接器，用于 CPU 22X与 PC直接连接。3.3 PLC 的 I/O 分配第9页3.4流程控制图水位 PID 控制程序分为以下三个部分：（1）主程序调用模块主程序调用模块（2）主程序调用子程序（3）中断子程序模块第10页3.5 PLC 程序运行单击水泵控制按钮系统启动时关闭出水口，用手动控制进水泵速度，使水位达到满水位的 75%，这时系统装载 PID 参数，和连接 PID 中断服务程序装入回路设定值， VD104，回路增益 VD112,回路采样时间 VD118,积分时间 VD120,同时设定中断 0 的时间（ SMB34）, 间隔为 100ms设定定时中断执行PID 程序 INT_0。关闭微分作用VD124。在中断处，将过程变量（Pv）转换成标准的实数，首先将整数转换成双整数（ AIW0-AC0） , 将双整数转换为实数而后将数值标准化（ AC0,32000.0-AC0 ）最后将标准化后的 Pv 存入回路表（ AC0-VD100） .第11页而 I0.0 代表手动到自动的切换， 0 代表手动， 1 代表自动。自动方式下将把输出值 Mn，转换为 16 位整数，首 先 判 断 Mn 是 单 极 性 且 非 负 的 数 ， 把 输 出 值 送 到 累 加 器（ VD108,32000.0-AC0 ）然后标准化累加器中的值，将实数转化成双整数，再加双整数转化为整数，最后将数值写入模拟标准输出（ AC0-AQW0）.子程序部分第12页中断程序部分第13页第14页第15页4 PID 参数整定4.1 运用试凑法选定PID 参数进行 PID 参数整定的时，根据比例、积分和微分单元的作用和特点采用试凑法来确定参数值，参考各个参数对系统控制过程的影响趋势，对参数实行先比例、再积分、最后微分的整定顺序进行调整。过程如下：先整定比例单元，将比例系数 Kp 由小变大，同时观察系统的响应曲线，知道得到响应比较快、超调量较小的响应曲线。如果此时已经得到静态误差小符合要求的曲线，就不在加入积分和微分部分，否则，再加入积分单元。将调好的比例系数 Kp 缩小为 0.8 倍左右，给 Ti 设置一个较大的值，然后逐渐减小，并观察响应曲线，直到系统静态误差消除且系统动态性能良好。若反复调节仍得不到理想曲线，再加入微分单元。将微分系数 Td 从 0 开始逐渐增大， 同时适当调节比例系数 Kp 和积分时间 Ti 的值，直到得到满意曲线。图4 - 1锅炉汽包水位控制系统方块图图4-2PID参数第16页4.2 MATLAB仿真结果图4-3峰值第17页稳态值的2%第18页5 组态设计5.1 组态王对 PLC的设备组态西门子 S7-200 使用串口通信，在组态王中，选择工程浏览器左侧大纲项中的“设备” |COM1选项，在工程浏览器右侧双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，以此选择“ PLC”中的“西门子”、“S7-200 系列”、 PPI 选项，当设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“S7200”，如图 4-7 所示。在定义数据库变量时，只要把 I/O 变量连接到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。5.2 组态王定义数据变量在组态王中，锅炉汽包水位控制的数据词典见表4-1 。表 4-1把数据词典中定义的变量与组态画面的图素进行动画连接，运行控制系统，就可以实时控制锅炉过热蒸汽的温度。5.3 组态王界面最终设计完成的组态界面如图4-4 所示第19页第20页总结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， 从而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。汽包水位控制系统是控制理论和过程控制技术在实际生产过程中的一个典型应用案例。在本次的课设中我们小组采用的单冲量的方式进行总体的设计，在这其中，采用了 PLC，PID，模拟量模型等主要的组成部分共同完成了这次的课设。在整个设计过程中根据在校期间所学的理论知识和指导老师的耐心指导完成了这次设计所需要的大部分工作，巩固了之前所学的专业基础知识，提高了我个人的理论水平和其他方面的水平，为今后进一步的学习、工作打下了坚实的基础。总之，单冲量控制与 PLC技术在锅炉汽包水位控制系统中的应用是行之有效的，相信 PLC技术在其他控制领域也会有广泛的应用。随着我国经济的高速发展，企业的自动化水平不断提高，大量的 PLC会不断的装配到生产过程当中去， PLC技术会有更加广阔的应用前景。第21页参考文献1 潘新民，王燕芳 微型计算机控制技术 高等教育出版社 20012 王再英，过程控制系统与自动化仪表王再英 机械工业出版社 20073 黄一夫 . 微型计算机控制技术，机械工业出版社，1997.44 丁荣，蔡新平 . 锅炉汽包水位控制系统分析与确定 J. 应用能源技术， 20115 邵裕森 . 过程控制系统 . 北京：机械工业出版社， 20056 金以慧 . 过程控制 . 北京：清华大学出版社， 2003: 212246第22页致谢在本次的课程设计中，我们学会更加熟练的使用相应软件件，完成课程设计的要求，在我们每个人通过查阅资料的过程中，学会了查找和整理资料的方法，也学会了设计的方法， 也拓展了我们的思维， 这样的经历对我们很有锻炼。同时非常感谢我的指导老师的帮助，同时还要对我的同组同学对我的指导与包容表示衷心的感谢！第23页