1、工業蒸汽鍋爐過程控制系統設計課程設計報告專 業：計算機控制技術班 級：09計算機控制1班姓 名：陳文濤高健于野魏玉鋒指導教師：邢滿榮2011年6月20日刖百當前，節約資源、提高熱能利用率已為各方面所重視及關心。鍋爐是石油化 工、發電等工業過程必不可少的重要動力設備， 它所產生的高壓蒸汽既可作為驅 動的動力源，又可作為精微、干燥、反應、加熱等過程的熱源。隨著工業生產規 模的不斷擴大，作為動力和熱源的鍋爐，也向著大容量、高參數、高效率的方向 發展。在我國，工業鍋爐是能源轉換和耗能的主要設備之一， 耗能量約占全國原 煤產量的三分之一，鍋爐由于設計、制造不合理，尤其是使用管理不當，導致事故的頻率很高。

2、據日本20世紀70年代的調查披露，日本當時運 行的十萬 余臺鍋爐，在十年間共發生事故355次，其中由于管理不善而發生的事故有 243 次，占事故總數的70. 8%。多年來鍋爐的安全工作一直受到國家勞動部門的重 視，相繼頒 發了許多安全和勞動保護工作的法令、規范和標準，收到了顯著效 果。解決普遍存在的控制系統落后、運行效率低、環境環境污染嚴重等問題已是 刻不容緩。為此，如何提高工業鍋爐運行效率，降低能源消耗，實現其自動化節 能和環保的要求已成為亟待解決的問題。121、工藝流程1.1鍋爐設備介紹鍋爐生產過程是一個多變量多參數相互耦合的復雜過程， 其汽水，燃燒過程 非常復雜，受多重因素的影響，燃燒系

3、統內部一次風、二次風，輸煤，一次返料， 二次返料耦合性很強，燃燒與汽水之間也有極其復雜的相互作用關系， 同時過程 的非線性，滯后性也導致控制系統的復雜性， 難以建立精確的數學模型，無法采 用有效的預估補償措施。鍋爐設備根據用途、燃料性質、壓力高低等有多種類型和稱呼，工藝流程多 種多樣，常用的鍋爐設備的蒸汽發生系統是由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽 包及循環管等組成，常見鍋爐設備工藝流程如圖 1。燃料與空氣按照一定比例送入鍋爐燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發生 系統，產生飽和蒸汽，形成一定氣溫的過熱蒸汽，在匯集到蒸汽母管。過熱蒸汽 經負荷設備控制，供給負荷設備用，于此同時，燃燒過程中產生的煙氣

4、，除將飽 和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經引風送往煙囪，排入大氣。鍋爐設備的控制任務是根據生產負荷的需要，供應一定壓力或溫度的蒸汽, 同時要使鍋爐在安全、經濟的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設備將有如 下主要的控制系統： 鍋爐汽包水位控制系統：主要是保持汽包內部的平衡， 使給水量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內； 鍋爐燃 燒系統的控制：其控制方案要滿足燃燒所產生的熱量， 適應蒸汽負荷的需要，使 燃料與空氣量保持一定的比值，保證燃燒的經濟型和鍋爐的安全運行， 使引風量 與送風量相適應，保持爐膛負壓在一定范圍內。 過熱蒸汽系統控制：主要

5、使過熱器出口溫度保持在允許范圍內，并保證 管壁溫度不超過工藝允許范圍；鍋爐水處理過程：主要使鍋爐給水的水性能指標達到工藝要求。1.2設計介紹與構想該鍋爐所產生的蒸汽有兩部分用途：一部分作為汽輪機的動力源，蒸汽推動 汽輪機轉動，帶動生產線上的其他生產設備正常運轉， 使生產順利進行；另一部 分蒸汽用作熱源，供其他車間生產線提供熱源，如原料加熱車間、脫水車間、烘 烤車間等。止匕外，在天氣嚴寒的季節里，該鍋爐生產的蒸汽還要為整個工廠和企 業的所有辦公室、車間、職工宿舍等提供熱源暖氣，供御寒之用。因此，過路的 安全、可靠、穩定運行，對工廠、企業的正常運行和員工的生活、工作、學習等 具有重大意義。A、鍋爐

6、給燃料氣介紹：燃料氣煤來源于工廠的儲灌，由于儲罐的壓力不穩， 燃燒時產生的熱量變化也就很頻繁。因此設計的燃燒控制系統要能及時地消除由 于燃料氣壓力變化不均等因素所引起的燃料方面的擾動，而應用所學知識，采用壓力信號的燃燒控制系統可以有效滿足上述要求。R鍋爐給水介紹：該工廠的給水來自于工廠的自備水庫，通過給水泵將水從水庫里抽出，由給水管道，經給水閥門沿給水管道進入鍋爐的汽包中。 由于給 水泵是三相電動機拖動水泵運行， 而工廠一帶的電網電壓、頻率波動較大，為了 維持汽包水位穩定在安全范圍內，需對汽包水位控制系統進行精密設計， 使控制 信號驅動給水電磁閥門和給水泵，使二者協調工作，維持正常的安全水位。

7、G鍋爐減溫水介紹：用作鍋爐過熱蒸汽的減溫水來自于該工廠的某一生產 線產生的清潔溫水，約20c左右，由于生產線溫水儲備箱中的溫水由減溫水泵 抽出，通過減溫水電磁閥門，沿減溫水管道進入減溫器，對過熱蒸汽減溫。同樣，由于工廠附近的電壓、頻率擾動，對減溫水的流量造成擾動，另外，由于蒸汽經 過過熱器會造成時間上的延遲，因此要及時有效的控制蒸汽溫度，必須克服減溫 水泵的轉速擾動和過熱器的時間延遲。 結合所學理論知識，經過分析，用審級控 制系統對蒸汽溫度進行控制能滿足要求。DX本鍋爐控制系統的控制任務：穩定過熱蒸汽的溫度、維持汽包水位在規 定的范圍內、穩定爐膛壓力、維持經濟燃燒。2 、控制方案的選擇2.2

8、汽包三沖量水位控制系統原理圖及框圖圖3三沖量水位控制系統原理圖圖4汽包三沖量水位控制系統框圖選用三沖量控制系統的原因：單沖量控制系統是以汽包水位測量信號為唯一 的控制信號，該方法結構簡單，但克服不了虛假水位”的影響;雙沖量控制系統引入蒸汽流量作為前饋信號，減少了由于 虛假水位”帶來的變化影響，但控制作 用不能及時克服給水流量的擾動，當給水發生擾動時，要等到汽包水位信號變化 時才能調節執行器，滯后時間較長。因此本設計中的鍋爐采用三沖量控制系統，即調節系統接受三個調節信號 水位H、蒸汽流量D和給水流量G,三沖量控制是在傳統的 PID審級控制上， 引入了前饋控制，構成用級一前饋復合控制系統。2.3

9、過熱蒸汽溫度控制系統減溫器減溫圖5蒸汽溫度控制系統2.4 蒸汽溫度控制系統原理圖及框圖圖七蒸汽溫度控制系統框圖過熱蒸汽溫度控制系統常采用減溫水流量作為操縱變量， 但由于控制通道的 時間常數及純滯后均較大，組成單回路控制系統往往不能滿足生產的要求， 因此, 可采用如圖7所示的審級控制系統，以減溫器出口溫度為副參數，可以提高對過 熱蒸汽溫度的控制質量。2.5 鍋爐燃燒過程的控制燃燒系統是一個燃料量、送風量、引風量、主蒸汽煙氣含氧量、爐膛負壓以 及燃料的質量和空氣含氧量等干擾因素對燃燒系影響，而且存在很強的耦合性。 可以將鍋爐燃燒系統視為三輸入三輸出系入量為燃料量、送風量和引風量；輸出量為主蒸汽壓力

10、、煙氣含氧量和爐膛 。1、蒸汽壓力控制系統，依據蒸汽壓力的變化來控制燃料量 ；2、2、爐膛負壓控制系統，一般情況下可以根據爐膛負壓來控制煙道的翻板或 引風機的轉速，以達到穩定爐膛負壓的要求，這里設置了一個前饋（蒸汽壓力控 制器的輸出，反映燃料量也即空氣量）與爐膛負壓反饋控制的復合控制系統。3、如果燃料控制閥閥后壓力過高，可能會引起脫火的危險，由過壓控制器P2c通過低選器LS來控制燃料控制閥，以防止脫火；4、如果燃料控制閥閥后壓力過低，可能導致回火的危險，由PAL系統帶動聯鎖裝置，將燃料控制閥的上游控制閥截斷，切斷發燃料量的供給。3、控制系統設計3.1 系統控制參數確定3.1.1 主變量的選擇審

11、級控制系統選擇主變量時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應 盡量選擇能直接反應控制目的的參數為主變量； 其次要選擇與控制目的有某種單 值對應關系的間接單數作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。綜合以上原則，在本系統中選擇送入負荷設備的出口蒸汽溫度作為主變量。該參數可直接反應控制目的。3.1.2 副變量的選擇副回路的設計質量是保證發揮審級系統優點的關鍵。副變量的選擇應遵循以下原則： 應使主要干擾和更多的干擾落入副回路； 應使主、副對象的時間常數匹配；應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟型綜合以上原則，選擇減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。3.1.3 操縱變量的選擇工業過程的輸

12、入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在 的，它是影響系統平穩操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統 重新穩定運行的因素。操縱變量的基本原則為：選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量； 在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于 控制； 在的基礎上選擇對被控變量作用效應較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統響應較快；綜合以上原則，選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。3.2 調節閥的選擇在本系統中，調節閥是系統的執行機構，是按照控制器所給定的信號大小和 方向，改變閥的開度，以實現調節流體流量的裝置。調節閥的口徑的大小，直接決定著控制介質流過

13、它的能力。為了保證系統有 較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個管線的總壓降中占有較大的比 例。調節閥的開、關形式需要考慮到以下幾種因素： 生產安全角度：當氣源供氣中斷，或調節閥出故障而無輸出等情況下， 應該確保生產工藝設備的安全，不至發生事故； 保證產品質量：當發生控制閥處于無源狀態而恢復到初始位置時，產品 的質量不應降低； 盡可能的降低原料、產品、動力損耗；從介質的特點考慮。綜合以上各種因素，在鍋爐過熱蒸汽控制系統中，調節閥選擇氣開閥。調節閥的流量特性的選擇，在實際生產中常用的調節閥有線性特性、對數特 性和快開特性三種，在本系統中調節閥的流量特性選擇線性特性。閥門定位器的選用，閥門定

14、位器是調節閥的一種輔助裝置，與調節閥配套使 用，它接受控制器來的信號作為輸入信號， 并以其輸出信號去控制調節閥，同時 將調節閥的閥桿位移反饋到閥門定位器的輸入端而構成一個閉環隨動系統，閥門定位器可以消除閥膜頭和彈簧的不穩定以及各運動部件的干摩擦，從而提高調節閥的精度和可靠性，實現準確定位；閥門定位器增大了執行機構的輸出功率， 減 少了系統的傳遞滯后，加快閥桿的移動速度；閥門定位器還可以改變調節閥的流 量特性。4、報警系統設計本報警系統由檢出元件、信號報警器、音響器、按鈕等組成。主要的控制參 數有汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、爐膛負壓等，本設計所設計的是具有聲音和閃光的報警系統。當汽包水位、蒸汽

15、壓力、蒸汽溫度、爐膛負壓等過程參數發 生越限時，檢測元件檢測到這個信號后，就會發出信號，并將其送到信號報警系 統，報警系統發出聲音和閃光信號，以便現場操作人員及時得知后報警信號， 及 時按下消音按鈕，并采取一定的措施之后，使鍋爐過程參數恢復到安全范圍之內， 燈光熄滅.另外還設置了故障報警：送風機故障報警、引風機故障報警、給水泵 故障報警、循環泵故障報警、減溫水泵故障報警、送燃料機故障報警等。聲光報 警裝置由揚聲器和指示燈組成。5、總結本設計是在結合使所學的過程控制系統與自動化儀表技術和計算機控制技 術，聯系工廠實際客觀情況的基礎上，對該工廠的鍋爐控制系統進行的設計。設 計中把整個鍋爐控制系統分

16、為三個子系統分別設計：汽包水位控制系統、蒸汽溫 度控制系統和燃燒控制系統。在對鍋爐設備充分了解的基礎上包括對鍋爐的結 構、組成、工作過程以及鍋爐性能參數等，對各個子系統被控對象正確確定和合 理分析之后，提出了自己的設計方案，進而確定控制規律、傳感器、變送器、執 行器的選擇，最后還對調節器進行了參數整定。整體上看，本次設計是可以的， 在工廠現有條件下，基本上能實現對鍋爐的自動化調節控制。本論文的不足之處：本論文所用的控制方案大都是基于比較傳統、 常規的控 制控制理論，而許多先進的控制理論和方案沒有涉及； 關于設計中的參數整定問 題，由于自己操作不熟練、試驗設備的精度、不能到工業現場調試等原因，整

17、定 的參數可能會不很準確；對于變送器、傳感器、執行器的選擇，本人對此知之甚 少，不太了解，因此所選設備可能會對控制效果造成一定的影響；關于本設計中的軟件設計，由于本人知識和能力有限，也有不妥之處，也沒有設計鍋爐的實時 自動監控系統和自動記錄系統。這些不妥之處當然是可以通再努力來改善解決 的。通過仔細而有計劃的市場調查，多與有經驗的專業技術人員交流，多多了解 鍋爐行業的有關業內動態和先進控制技術的發展，積極主動地學習先進的技術， 多在工業現場鍛煉自己，積累經驗，在現實條件下，以節能、降耗、環保為設計 原則，設計出實用、可靠、而投資又少的控制方案是條很好的途徑。附錄松開的記憶，飄落的莫名的塵埃，像

18、起伏的微風，拂過腦海，留下一份情愁。一條街，沒有那些人，那些身影，卻能來回徘徊穿梭。街，行走時，縱然漫長，漫長，有時只為聽一顆流動的心 的吃語。沉默，倔強，回望，忘記，記住，一切像斷了的弦，有時希望生活簡單就好，有時卻又莫名的頹廢其中。有些路，只能一個人走；有些事，只能一個人去經歷。粗讀加繆、薩特的存在主義，它告訴我，人就是非理性的存在。光禿禿的枝梗、清寂的清晨、流動的陽光，飄落于心，或快意，或 寂寥，映照心境，然而，有時卻只屬于那一刻。總之，一切只是心情。人生的畫面一幅幅地剪輯，最后拼湊出的是一張五彩斑斕的水彩畫，有艷麗的火紅色，凝重的墨黑以及一抹憂郁的天藍色。人的記憶很奇特，那些曾經的過往

19、，就像一幅幅的背景圖，只 有一個瞬間，卻沒有以前或以后。比如，只能記得某個瞬間的微笑，只能在記憶的痕跡尋覓某時刻騎著單車穿過路口拐角的瞬間，卻都不知曉為何微笑，為何穿過街角。一切，有時荒誕得像一場莫名情景劇。然而，這就是生活。曾經的夢，曾經的痛，曾經的歌，曾經的熱情相擁，曾經的璀璨星空。也許，多年以后，再也見不到的那些人，和著記憶的碎片飄蕩而來，曾經伴著我們走過春華秋實。天空蔚藍，杜鵑紛飛，飛過季節，曾經萍水相逢，歡聚一堂，驀然回首，唯歌聲飄留。讓人憶起米拉波橋里的詩句：夜幕降臨，鐘聲悠悠，時光已逝，唯我獨留。人在天涯，綿綿的思緒隨著微風飄浮，從布滿礁石的心靈海灘上穿過千山萬水，來到游蕩的身軀

20、里，刻下一篇篇箋章。而這，或許在多年以后，當再次翻動時，原以為什么都已改變,松開的記憶，飄落的莫名的塵埃，像起伏的微風，拂過腦海，留下一份情愁。一條街，沒有那些人，那些身影，卻能來回徘徊穿梭。街，行走時，縱然漫長，漫長，有時只為聽一顆流動的 心的吃語。沉默，倔強，回望，忘記，記住，一切像斷了的弦，有時希望生活簡單就好，有時卻又莫名的頹廢其中。有些路，只能一個人走；有些事，只能一個人去經歷。粗讀加繆、薩特的存在主義，它告訴我，人就是非理性的存在。光禿禿的枝梗、清寂的清晨、流動的陽光，飄落于心，或快意，或 寂寥，映照心境，然而，有時卻只屬于那一刻。總之，一切只是心情。人生的畫面一幅幅地剪輯，最后拼

21、湊出的是一張五彩斑斕的水彩畫，有艷麗的火紅色，凝重的墨黑以及一抹憂郁的天藍色。人的記憶很奇特，那些曾經的過往，就像一幅幅的背景圖，只 有一個瞬間，卻沒有以前或以后。比如，只能記得某個瞬間的微笑，只能在記憶的痕跡尋覓某時刻騎著單車穿過路口拐角的瞬間，卻都不知曉為何微笑，為何穿過街角。一切，有時荒誕得像一場莫名情景劇。然而，這就是生活。曾經的夢，曾經的痛，曾經的歌，曾經的熱情相擁，曾經的璀璨星空。也許，多年以后，再也見不到的那些人，和著記憶的碎片飄蕩而來，曾經伴著我們走過春華秋實。天空蔚藍，杜鵑紛飛，飛過季節，曾經萍水相逢，歡聚一堂，驀然回首，唯歌聲飄留。 讓人憶起米拉波橋里的詩句：夜幕降臨，鐘聲

22、悠悠，時光已逝，唯我獨留。人在天涯，綿綿的思緒隨著微風飄浮，從布滿礁石的心靈海灘上穿過千山萬水，來到游蕩的身軀里，刻下一篇篇箋章。而這，或許在多年以后，當再次翻動時，原以為什么都已改變，松開的記憶，飄落的莫名的塵埃，像起伏的微風，拂過腦海，留下一份情愁。一條街，沒有那些人，那些身影，卻能來回徘徊穿梭。街，行走時，縱然漫長，漫長，有時只為聽一顆流動的 心的吃語。沉默，倔強，回望，忘記，記住，一切像斷了的弦，有時希望生活簡單就好，有時卻又莫名的頹廢其中。有些路，只能一個人走；有些事，只能一個人去經歷。粗讀加繆、薩特的存在主義，它告訴我，人就是非理性的存在。光禿禿的枝梗、清寂的清晨、流動的陽光，飄落

23、于心，或快意，或 寂寥，映照心境，然而，有時卻只屬于那一刻。總之，一切只是心情。人生的畫面一幅幅地剪輯，最后拼湊出的是一張五彩斑斕的水彩畫，有艷麗的火紅色，凝重的墨黑以及一抹憂郁的天藍色。人的記憶很奇特，那些曾經的過往，就像一幅幅的背景圖，只 有一個瞬間，卻沒有以前或以后。比如，只能記得某個瞬間的微笑，只能在記憶的痕跡尋覓某時刻騎著單車穿過路口拐角的瞬間，卻都不知曉為何微笑，為何穿過街角。一切，有時荒誕得像一場莫名情景劇。然而，這就是生活。曾經的夢，曾經的痛，曾經的歌，曾經的熱情相擁，曾經的璀璨星空。也許，多年以后，再也見不到的那些人，和著記憶的碎片飄蕩而來，曾經伴著我們走過春華秋實。天空蔚藍，杜鵑紛飛，飛過季節，曾經萍水相逢，歡聚一堂，驀然回首，唯歌聲飄留。