1、/畢 業 設 計 論 文題目： 鍋爐汽包水位系 別： 專 業： 姓 名： 學 號： 指導教師：XXXX 學院20XX 年XX 月 XX 日IIXXXXX 學院畢業設計（論文）任 務 書題 目鍋爐汽包水位控制系統的設計系 別 專 業 班 級 學 號 學生姓名指導教師發放日期XXXX 學院本科畢業設計（論文）任務書 III IV 注：任務書必須由指導教師和學生互相交流后，由指導老師下達并交教研室主任審核后發給學畢業設計（論文）成績評定 Xxxx 學院本科畢業設計（論文）答辯小組評定意見一、評語（根據學生答辯情況及其論文質量綜合評定）。 答辯小組成員簽字年 月 日畢業答辯說明1、答辯前，答辯小組成員

2、應詳細審閱每個答辯學生的畢業設計（論文），為答辯做好準備，并根據畢業設計（論文）質量標準給出實際得分。 2、嚴肅認真組織答辯，公平、公正地給出答辯成績。3、指導教師應參加所指導學生的答辯，但在評定其成績時宜回避。 4、答辯中要有專人作好答辯記錄。指導教師評定意見一、對畢業設計（論文）的學術評語（應具體、準確、實事求是）：簽字：年 月 日二、對畢業設計（論文）評分按下表要求綜合評定。（1）理工科評分表 指導教師簽字：年 月 日摘 要汽包水位是影響鍋爐安全運行的一個重要參數，汽包水位過高或者過低的后果都非常嚴重，因此對汽包水位必須進行嚴格控制。PLC 技術的快速發展使得PLC 廣泛應用于過程控制領

3、域并極大地提高了控制系統性能，PLC 已經成為當今自動控制領域不可缺少的重要設備。本文從分析影響汽包水位的各種因素出發，重點分析了鍋爐汽包水位的“假水位現象”，提出了鍋爐汽包水位控制系統的三沖量控制方案。按照工程整定的方法進行了PID 參數整定，并進行了仿真研究。根據控制要求和所設計的控制方案進行硬件選型以及系統的硬件設計，利用PLC 編程實現控制算法進行系統的軟件設計，最終完成PLC 在鍋爐汽包水位控制系統中應用。關鍵詞：汽包水位 三沖量控制 PLC PID 控制ABSTRACTThe steam drum water level is a very important parameter

4、for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology , it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of con

5、trol system enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain.Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum wate

6、r level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the

7、 application of PLC in boiler steam drum water control system is completed.Key words: Steam drum water level Three impulses control PLC PID control目 錄1 緒 論 . 11.1汽包水位控制系統的發展現狀 . . 1 1.2本設計的主要工作 . . 22 控制方案設計 . 32.1虛假水位的形成及對策 . . 3 2.2汽包水位的影響因素 . . 4 2.3汽包水位的控制方案設計 . . 63 硬件選型. 113.1水位傳感器選型 . . 11 3.

8、2流量傳感器的選型 . . 11 3.3電機的選型 . . 13 3.4變頻器的選型 . . 13 3.5接觸器的選型 . . 14 3.6熔斷器的選型 . . 14 3.7功率三極管的選型 . . 14 3.8 PLC 及相關模塊的選型 . 154 硬件設計. 174.1系統總體線路設計 . . 17 4.2 控制線路設計 . 195 控制算法及參數整定 . . 225.1 PID 算法簡介 . . 22 5.2 三沖量控制系統參數整定 . 226 軟件設計. 296.1程序流程設計 . . 296.2 D EVICE N ET 網絡組態 . 316.3 RSL OGIX 5000程序設計

9、. . 34結束語 . 40參考文獻 . 41致 謝 . 421 緒 論1.1汽包水位控制系統的發展現狀蒸汽鍋爐是企業重要的動力設備，其任務是供給合格穩定的蒸汽產品，以滿足負荷的需要。鍋爐是一個十分復雜的控制對象，為保證提供合格的蒸汽產品以適應負荷的需要，與其配套設計的控制系統必須滿足各主要工藝參數的需要。保持鍋爐汽包水位在正常范圍內是鍋爐運行的一項重要的安全性能指標，由于負荷、燃燒狀況及給水流量等因素的變化，汽包水位會經常發生變化1。因此鍋爐汽包水位應當根據設備的運行狀況進行實時調節加以嚴格控制以保證鍋爐的安全運行。工業蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量使其與蒸發量保持動態平衡，維持汽

10、包水位在工藝允許的范圍內，是保證鍋爐安全生產運行的必要條件，鍋爐汽包水位也是鍋爐運行中一個重要的監控參數，它間接地體現了鍋爐負荷和給水之間的平衡關系。傳統的控制方法是以各種分立器件的應用為基礎，利用各種檢測器件對被控參數實時進行檢測并反饋給控制器件，再根據自動控制理論的有關算法完成相應的運算并驅動調節機構完成相應的動作，從而達到自動控制的目的。但是這種控制方式受分立器件的性能影響大，系統各部分之間影響較大，自動化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易出現故障，不利于系統的長期安全、高效運行。現在廣泛使用的控制技術還有DCS 集散控制系統2，但由于DCS 系統適合有多個控制回路同時工作的復雜系

11、統，而且集散控制系統往往價格昂貴，對于像汽包水位這樣的控制系統來說性價比太高，因此對于汽包水位控制系統來說并非理想的選擇。PLC 是70年代發展起來的中大規模的控制器，是集CPU 、RAM 、ROM 、I/O接口與中斷系統于一體的器件3，已經被廣泛應用于機械制造、冶金、化工、能源、交通等各種行業。隨著計算機在操作系統、應用軟件、通信能力上的飛速發展，大大增強了PLC 通信能力，豐富了PLC 編程軟件和編程技巧，增強了PLC 過程控制能力。因此，無論是單機還是多機控制、生產流水線控制及過程控制都可以采用PLC 技術。PLC 控制鍋爐技術是近年來開發的一項新技術。它是PLC 軟、硬件、自動控制、鍋

12、爐節能等幾項技術緊密結合的產物。作為鍋爐控制裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩定、經濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用PLC 控制技術，能實現對鍋爐運行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。它的被控量是汽包水位，而調節量則是汽包給水流量，通過對汽包水位的實時檢測并進行反饋，PLC 對反饋信號和給定信號進行比較，然后根據控制算法對二者的偏差進行相應的運算，運算結果輸出給執行機構從而實現給水流量的調節，使汽包內部的物料達到動態平衡，汽包水位變化在允許范圍之內。1.2本設計的主要工作本次設計的主要工作有：（1） 設計鍋爐汽包水位控制方案從鍋爐汽包水位的動態性能入手，分析影響鍋爐汽包水位的主要因素，

13、并對這些因素對鍋爐汽包水位動態性能的影響進行理論研究。在此基礎之上，根據各個因素對鍋爐汽包水位的影響采用汽包水位三沖量方案，達到控制鍋爐汽包水位穩定的目的。（2） 硬件設備的選型與設計根據所設計的控制方案合理地選擇檢測元件、執行機構和控制設備以及其它必要設備，并在此基礎之上根據控制方案合理地進行硬件設計。為整個系統的實現以及穩定、可靠運行打下基礎。（3） 控制算法的參數整定根據被控對象的特點以及它的靜態、動態特性按照工程整定的方法進行控制器的參數整定，設計調節器的各個參數。在此基礎之上對整定結果進行仿真，并對整定結果進行進一步調整判斷其可行性，為后續的軟件設計工作打下基礎。（4）PLC 程序根

14、據參數整定和仿真的結果利用相關軟件進行PLC 梯形圖程序設計，最終實現控制算法。2 控制方案設計鍋爐是重要的動力設備，其任務是供給合格穩定的蒸汽，以滿足負荷的需要。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數，如果水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結垢和影響蒸汽質量。如果水位過低，則會破壞水循環，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成干鍋，損壞汽包。所以鍋爐汽包水位過高過低都可能造成重大事故。在鍋爐汽包水位控制系統中被控量是汽包水位，而調節量則是給水流量，通過對給水流量的調節, 使汽包內部的物料達到動態平衡狀態，從而使汽包水位的變化在允許范圍之內，保證鍋爐的安全

15、運行，生產出合格穩定的高質量蒸汽，以滿足負荷的需要。本設計控制對象的主要參數有：汽包水位控制在：300±10 mm正常工作時的蒸發量：35t/h水位穩定時供水量為：35 m3/h正常工作時汽包蒸汽壓力大約是0.5MP 2.1虛假水位的形成及對策虛假水位是鍋爐運行時不真實的水位。虛假水位的產生是由于當汽包壓力突降時，爐水飽和溫度下降到壓力較低時的飽和溫度，使爐水大量放出熱量來進行蒸發。于是爐水內的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，使水位不是下降而是很快上升，形成虛假水位。當汽包壓力突升時，則相應的飽和溫度提高一部分熱量被用于加熱爐水，而用來蒸發爐水的熱量則減少，爐水中汽泡量減少，使汽水混合

16、物的體積收縮，使水位不是上升而是很快下降，形成虛假水位。此外當鍋爐內熱負荷增加或驟減時，水的比容將增大或減小，也會形成虛假水位。鍋爐負荷突變、滅火、安全門動作、燃燒不穩時，都會產生虛假水位。在負荷突然變化時，汽壓也相應變化，這時將會出現虛假水位。負荷變化速度越快，虛假水位越明顯。如遇汽輪機甩負荷，汽壓突然升高，水位將瞬時下降；運行中燃燒突然增強或減弱，引起汽泡量突然增大或減少，使水位瞬時升高或下降；安全閥起座時，由于壓力突然下降，水位瞬時明顯升高；鍋爐滅火時，由于燃燒突然停止，鍋水中汽泡產量迅速減少，水位也將瞬時下降。在輸入端引入蒸汽流量信號，設置水位系統的前饋調節，于是當蒸汽流量增大時，給水

17、量隨之增大，給水量增多，水溫又較低，有利于克服“虛假水位”的影響。2.2汽包水位的影響因素首先應該從分析汽包水位的動態特性入手。鍋爐給水調節對象如圖 2.1所示。給水調節機構為變頻器調節給水量W ，汽輪機耗汽量D 是由汽輪機閥門開度來控制的。 圖 2.1鍋爐給水調節對象初看起來，汽包水位的動態特性似乎和單容水槽一樣，給水量和蒸汽流量影響汽包水位的高低4。但實際情況并非如此，最突出的一點就是水循環系統中充滿了夾雜著大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的體積V 是隨著汽包壓力和爐膛熱負荷的變化而變化的。如果有某種原因使汽泡的總體積變化了，即使水循環系統的總水量沒有發生變化，汽包水位也會因此隨之發生改變從而影

18、響水位的穩定。影響汽包水位H 的主要因素有給水量W ，汽輪機耗汽量D 和燃料量B 三個主要因素。（1）給水擾動的影響如果把汽包及其水循環系統看作一個單容水槽，那么水位的給水階躍擾動響應曲線應該為圖2.2所示的曲線H 1所示。但考慮到給水的溫度低于汽包內飽和的水溫度，當它進入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量使得鍋爐內部的蒸汽產量下降，水面以下的汽泡的總體積V 也就會相應的減小，從而導致水位下降如圖2.2所示的曲線H 2所示。水位的實際響應曲線應是曲線H 1和 H2之和，如圖2.2所示的曲線H 所示。它是一個具有延遲時間的積分環節，水的過冷度越大則響應延遲時間就會越長。其傳遞函數可以近似表示

19、為：(11s (1 G S S =+ (2.1式2.1中1表示汽包水位的飛升速度，表示延遲時間。5 圖2.2給水擾動響應曲線 （2）汽輪機耗汽量擾動的影響當汽輪機耗汽量D 突然做階躍增加時，一方面改變了汽包內的物質平衡狀態，使汽包內液體蒸發量變大從而使水位下降，如圖2.3所示的曲線H 1所示，另一方面由于汽輪機耗汽量D 的突然增加，將迫使鍋爐內汽泡增多，同時由于燃料量維持不變，汽包壓力下降，會導致水面以下蒸汽泡膨脹，總體積V 增大，從而導致汽包水位上升，如圖2.3所示曲線H 2所示。水位的實際響應曲線應該是曲線H 1和 H2之和，如圖2.3所示曲線H 所示。對于大中型鍋爐來說，后者的影響要大于

20、前者，因此負荷做階躍增加后的一段時間內會出現水位不但沒有下降反而明顯升高的現象，這種反?，F象通常被稱為“假水位現象”。可以認為這是一個慣性加積分環節，其傳遞函數可以近似的表示為：2021( KS T S G s =-+ (2.2式2.2中1表示汽包水位對于蒸汽流量的飛升速度，0T 表示“假水位現象”的延遲時間。 HH 1圖2.3汽輪機耗汽量擾動響應曲線6（3）燃料量擾動的影響燃料量的擾動必然也會引起蒸汽流量D 的變化，因此也同樣會有“假水位現象”發生。但由于汽包水循環系統中有大量的水，汽包和水冷壁管道也會存儲大量的熱量，因此具有一定的熱慣性。燃料量的增大只能使蒸汽量緩慢增大，而且同時汽壓也會緩

21、慢上升，它將使汽泡體積減小，因此燃料量擾動下的“假水位現象”比負荷擾動下要緩和的多。由以上分析可知道給水量擾動下的水位響應有遲滯性，負荷擾動下的水位響應有“假水位現象”。這些特性使得汽包水位的變化受到多種因素影響，因而對它的控制變得比較復雜和困難。2.3汽包水位的控制方案設計從反饋的思想出發很容易想到以汽包水位信號作為反饋量，給水流量作為被控量，構成單回路反饋控制系統，即水位單沖量控制系統。如圖2.4所示，這是一個基本的控制方案其方框圖如圖2.5所示。對于小容量鍋爐來說由于它的儲水容量較大，水面以下的汽泡體積并不占有非常大的比重，因此水容積延遲和假水位現象并不是非常明顯，因此可以采用汽包水位單

22、沖量控制系統來控制汽包水位。但對于大中型鍋爐來說這種控制方案就不能滿足控制要求，因為汽輪機蒸汽量的負荷擾動引起的假水位現象將引起給水調節機構的誤動作，導致汽包水位激烈的上下振蕩而不穩定，嚴重的影響設備的運行壽命和安全，所以大中型鍋爐不宜僅僅只采用汽包水位單沖量控制系統，必須尋找其他的解決辦法來控制汽包水位。 圖2.4汽包水位單沖量控制系統7 圖2.5汽包水位單沖量控制系統框圖如果從物質平衡的角度出發，只要能夠保證給水量永遠等于蒸汽蒸發量就可以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖2.6所示的蒸汽流量隨動控制系統，其中流量調節器采用PI 調節器，使汽輪機的蒸汽量作為系統的給定使給水流量跟蹤蒸汽流量

23、的變化，構成了一個以蒸汽量作為給定的隨動系統從而保證汽包水位的恒定。該方案的結構框圖如圖2.7所示。 圖2.6蒸汽流量隨動控制系統 圖2.7蒸汽流量隨動控制系統框圖采用該方案的優點是系統完全根據物質平衡條件工作，給水量的大小只取決于汽輪機的耗汽量，假水位現象不會引起給水調節機構的誤動作。但是這個系統對于汽包水位來說只是開環控制系統。由于給水量和蒸汽量的測量不準確以及鍋爐8系統引入的其他擾動使得給水量和蒸汽量并非準確的比值關系而保持水位恒定。由于水位對于二者的偏差是積分關系，微小的偏差長時間積累也會形成很大的水位差，因此不宜采用隨動控制系統。如果把以上所述兩種方案結合起來，就構成了汽包水位雙沖量

24、控制系統如圖2.8所示，其結構框圖如圖2.9所示。雙沖量指的是同時引入兩個測量信號：汽包水位和蒸汽流量。這個系統對以上所分析的兩種方案取長補短，可以極大的提高汽包水位的控制質量。當汽輪機耗汽量出現階躍增大時，一方面由于“假水位現象”汽包水位會暫時有所升高，將使調節機構做出誤動作錯誤的減少給水量；另一方面汽輪機耗汽量的增大又通過比值控制系統指揮調節機構增大給水量，實際給水量的增減情況要根據實際情況通過參數整定來確定。當假水位現象消失后水位和蒸汽信號都能正確的指揮調節機構動作。只要參數整定合適，給水量必然等于蒸汽量從而保證水位恒定。 圖2.8汽包水位雙沖量控制系統9 圖2.9汽包水位雙沖量控制系統

25、框圖此外考慮到給水流量的變化可以通過串級控制的方法讓給水量的擾動通過內回路自行調節，設計如圖2.10所示的三沖量控制系統，其結構框圖如圖2.11所示。即前饋反饋串級復合控制系統。該三沖量控制系統包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個控制回路以及一個蒸汽流量前饋通道，實質上是蒸汽流量前饋與水位流量串級系統組成的復合控制系統。串級控制系統的主參數是汽包水位，副參數是給水流量，主調節器是給水流量調節器，副調節器是液位調節器。一方面可以克服給水擾動，使給水流量自行調節，另一方面可以有效地抑制“假水位現象”。當蒸汽流量發生變化時，鍋爐汽包水位控制系統中的給水流量控制回路可迅速改變進水量的大小以完成粗

26、調，然后再由汽包水位調節器完成水位的細調維持汽包水位的穩定。 圖2.10汽包水位三沖量控制系統 圖2.11汽包水位三沖量控制系統框圖3 硬件選型3.1水位傳感器選型由于該設計的目的是控制水位穩定，而整個控制系統的基礎是對水位的準確測量，因此水位能否準確測量直接關系到控制質量的優劣。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統的設計中有關鍵作用。知道汽包水位應該控制在300±10 mm，根據過程控制儀表量程選擇原則：儀表量程應該為被測量參數的4/33/2倍。因此所選傳感器的最大量程為:400450 mm 。而且汽包水位應該控制在300±10 mm，因此所選水位傳感器的精度應該高于10/

27、450=2.2%FS，因此選擇該測量精度才可以滿足要求。佛山市順德區拓樸電子儀器有限公司生產的PTP601投入式水位傳感器可以滿足控制要求，該系列儀表采用擴散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體。316全不銹鋼結構有多種量程可供選擇，選擇測量圍為：100500mm ，測量精度在1%FS的型號可以滿足控制要求。該型號的傳感器主要技術參數如下：量程：100500mm(水位高/深度 綜合精度: 1.0%FS輸出信號: 420ma(二線制 、05V 、15V 、010V(三線制 供電電壓: 24DCV(936DCV負載電阻: 電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50K 絕緣電阻: 大于2000M (100VD

28、C 密封等級: IP68長期穩定性能: 0.1%FS/年振動影響: 在機械振動頻率20Hz 1000Hz 內，輸出變化小于0.1%FS 電氣接口(信號接口: 緊線防水螺母與五芯通汽電纜連接 機械連接(螺紋接口: 投入式使用時可以采用24V 直流電源為水位傳感器供電保證其正常工作，將15V 電壓信號作為反饋量引入PLC 模擬量輸入端口進行控制運算。3.2流量傳感器的選型根據控制方案可以知道流量傳感器用于測量給水流量和蒸汽流量，這兩個信號可以有效地改善控制質量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個系統的控制質量。知道所要控制的是35t/h鍋爐的汽包水位，即該鍋爐正常工作時每小時蒸發35t 蒸

29、汽也就是有35t 水被蒸發成為蒸汽，水位穩定時供水量為：35 m 3/h 。上海正博自動化儀表有限公司生產的LUGB-99型渦街流量計是一種基于卡門渦街原理流體振動式新型流量計，它具有測量范圍廣、壓損小、性能穩定、準確度高和安裝、使用方便等優點，廣泛應用于封閉工業管道中液體、汽體和蒸汽介質體積和質量流量的測量。 該流量計的技術參數如下：（1）測量介質：蒸汽、汽體、液體（2）傳感器的感應元件不直接與被測介質接觸，性能穩定、可靠性高 （3）傳感器內無可動部件，結構簡單而牢固，壓損小維擴量小、使用壽命長 （4）范圍度寬達10：115：1（5）測量范圍：正常工作范圍，雷諾數為20，0007，000，0

30、00；輸出信號不受液體溫度、壓力、粘度及組份影響。測量可能范圍，雷諾數8，0007，000000（6）精度等級：液體，指示值的±1.0%；蒸汽，指示值的±1.5%（7）輸出信號：a. 電壓脈沖 低電平：0-1V ；高電平：大于4V ；占空比為 50% b. 電流: 420ma(三線制 （8）電源電壓： 24DCV（9）殼體材料：碳鋼；不銹鋼(1Cr18Ni9Ti（10）規格：(管道內徑20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于DN300 口徑為插入式（11）工作狀況下流量范圍(單位：m 3/h，見表3.1表3.1工作狀況下流量范

31、圍 根據過程控制儀表量程選擇原則儀表量程應該為被測量參數的4/33/2倍，流量計應當能夠檢測的最大流量為：46.552 m3/h，因此汽包送水管道直徑選用50 mm 并用LUGB-99型渦街流量計檢測流量可以檢測的流量范圍是350 m 3/h，可以滿足設計要求進行檢測汽包給水流量信號。由于LUGB-99型渦街流量計既可用于液體流量檢測也可用于蒸汽流量檢測，因此還可以選擇該流量計作為汽包負荷蒸汽流量的檢測傳感器。正常工作時汽包蒸汽壓力大約是0.5MP ，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大約是2700Kg/ m 3，根據過程控制選擇儀表量程原則儀表量程應該為被測量參數的4/33/2倍，流量計應當能夠檢

32、測的最大流量為：17.219.2 m3/h因此汽包蒸汽管道直徑選用20 mm，并用LUGB-99型渦街流量計檢測流量可以檢測的流量范圍是880 m3/h，可以滿足設計要求進行檢測蒸汽流量信號。3.3電機的選型電機是鍋爐汽包供水的動力設備，電機的準確選型關系到汽包能否準確供水進而影響到汽包水位的穩定?？刂频腻仩t蒸發量為：35t/h，汽包壓力0.5MP ，管道直徑50mm 因此可以對正常工作時電機的功率作如下估算：2295360010000W kg m s P K s = (3.1由計算結果可以知道選用功率為100Kw 的三相異步電動機完全可以滿足工作要求，由于使用變頻調速不必選用繞線型異步電動機

33、，選用鼠籠型電機就可以滿足要求。濟南華力貝爾機電設備有限公司生產的YJTG 三相變頻調速電機專門為變頻調速設計可以根據技術要求設定其額定電壓為380V 額定功率為100Kw 。3.4變頻器的選型變頻器是電機的供能設備，合理選擇變頻器關系到電機能否正常工作為汽包供水。由電機的選型可以知道電機在50Hz 三相交流電下工作時電機的功率大約是100Kw ，當三相交流電動機在基頻以下工作時為恒轉矩輸出工作，而此時電機的轉速會小于額定轉速，因此電機的輸出功率也會小于額定功率，同時由于電機的轉矩保持不變，其工作電流同在50Hz 三相交流電下工作時電流基本一致。根據以上的分析可以選擇羅克韋爾公司的1336Pl

34、usII 系列1336F-B150型號的變頻器。給變頻器可以輸入380V-480V 50/60Hz三相交流電，輸出380-480V 三相交流電并通過控制信號控制其輸出頻率，其容量是149Kw ，可以滿足設備功率要求。該型號變頻器具有豐富靈活的控制接口，可以通過控制信號方便地改變變頻器的工作特性。設計時將變頻器連接在DeviceNet 網絡上，就可以利用PLC 控制變頻器的輸出電壓和頻率。3.5接觸器的選型接觸器是系統中用到的重要開關設備，接觸器的合理選擇能保證交流電動機能夠準確及時的啟動、停止。根據分析三相交流異步電機的最高工作電流是工作于50Hz 交流電壓下，其工作電流為：152A (3.2

35、 因此根據設計的要求浙江宏立電器有限公司生產的HLC-3X 系列空調接觸器主要適用于50Hz 或60Hz 、在AC-7b 使用類別額定工作電壓為230V 或480V 時額定電流至40A 電路中，適用于起動和控制三相交流電動機(壓縮機 及其它三相負載，選擇五套該類型接觸器同時帶動一臺電機可以滿足設計要求。3.6熔斷器的選型由于系統的主要耗電設備是電動機，因此系統穩定工作時電流大約在150A 左右，當系統異常工作是可能導致工作電流變大因此可設定工作電流為200A 時進行過流保護。浙江中泰熔斷器有限公司生產XRNT-12型限流熔斷器型額定電流可以設定為200A ，可以滿足設計要求。3.7功率三極管的

36、選型為了能使PLC 輸出的數字量能夠控制接觸器的通斷設計如下電路：15 PLC 數字量輸出圖3.1接觸器控制線路當PLC 數字量輸出為高電平時三極管導通工作于飽和狀態，接觸器線圈上電使接觸器觸點閉合，否則PLC 數字量輸出為低電平時三極管截止工作于截止狀態，接觸器線圈失電通過二極管續流，使接觸器觸點斷開。浙江省杭州富陽市奧星電子有限公司I3DD5686型功率三極管最大工作電流超過5A ，完全可以滿足工作要求。3.8 PLC及相關模塊的選型PLC選擇羅克韋爾公司Logix5000系列，該系列PLC 性能穩定，可以根據設計要求靈活的選擇相關模塊，而且使用RS Logix5000組態軟件進行梯形圖程

37、序設計時可以根據實際情況建立標簽，避免了對PLC 直接按照地址尋址造成的麻煩和錯誤。該系統需要輸入或輸出的模擬量有：給水流量信號、水位信號、蒸汽流量信號、變頻器給定信號，需要輸出的數字量有：接觸器通斷信號、報警信號。因此只要選擇一個模擬量輸入模塊1756-IF6I 、一個數字量輸出模塊1756-OB16D 就可以滿足要求。綜上所述可以得到硬件設備的清單如表3.2所示。表3.2硬件設備清單 16 PLC 的電源模塊為其他各個模塊提供電源， PLC的CPU 塊負責PLC 的數據處理和通信，模擬量輸入模塊將來自傳感器的檢測信號傳入PLC ，DeviceNet 模塊通過DeviceNet 網絡控制變頻

38、器，數字量輸出模塊主要控制開關設備的通斷。174 硬件設計4.1系統總體線路設計首先需要三相電源為系統供電，由電源插頭引入，同時通過過流保護裝置以保證電流過大時能夠及時斷電，以確保安全不造成設備的損壞，正常情況下設備正常工作不會發生電流過大的現象，只有在出現故障時才有可能發生過流現象此時才需要進行斷電以確保安全。對于需要220V 交流電壓工作的設備可以連入三相電源中的任意一相與中性線之間的220V 交流電壓下。例如PLC 就是采用220V 交流電工作，因此按照上述方式連接就可以直接接入任意一相與中性線之間的220V 交流電壓下。此外還要引入地線在需要接地的地方保證可靠接地確保安全。由于系統內各

39、種傳感器等設備需要直流電壓才能正常工作，因此還需要一個整流裝置將它的交流輸入側連入任意一相與中性線之間的220V 交流電壓下并對220V 交流電進行整流穩壓，然后輸出穩定的直流電壓，直流輸出側可以為各個直流設備提供直流電壓保證各個設備穩定、有效、安全的工作。由于選用的是交-直-交變頻器因此應當首先應該將380V 三相交流電連入變頻器的L1、L2、L3三個端子輸入供變頻器整流，逆變后的是頻率、電壓變化的三相交流電通過接觸器的常開觸點連入三相異步電動機的定子側回路為其工作提供電源，并通過變頻器調頻調壓從而調節電機轉速進而改變汽包的送水流量對汽包水位進行調節。同時直接將由電網引入的三相電通過另一接觸

40、器的常開觸點連入三相異步電機的定子側回路，此時電機工作于工頻50Hz 三相交流電下以用來在調試系統時或其他情況下使用。但兩個接觸器不能同時閉合，否則將會發生事故。根據以上所訴設計總體電器線路如圖4.1所示。18 圖4.1總體電氣線路圖19根據該設計可以得到供電線路接線如表4.1所示。表4.1供電線路接線表 4.2 控制線路設計由于蒸汽流量傳感器、水位傳感器、送水流量傳感器都需要24V 直流電壓供電才能正常工作，因此三者的電源端子都要連入直流電源的24V 直流電壓輸出側，以為各個傳感器供電，保證其正常工作。各個傳感器的輸出引入PLC 的模擬量輸入單元1756-IF6I 供PLC 完成各種運算從而

41、達到控制目的。PLC 通過DeviceNet 網絡控制變頻器的輸出頻率從而達到控制給水流量的目的。PLC 的數字量輸出單元1756-OB16D 輸出數字信號控制接觸器的通斷情況。根據以上分析設計控制線路連線圖如圖4.2所示。 SF1WF1圖4.2控制線路連線圖根據以上設計可以得到傳感器線路接線表如表4.2所示。表4.2傳感器線路接線 5 控制算法及參數整定5.1 PID算法簡介眾所周知，要使控制系統具有良好的控制性能，除了必須正確的選取、設計控制方案以外，還必須正確的選擇控制算法并進行參數整定。在控制系統中，按照給定信號和反饋信號之間的偏差的比例（P ）、積分（I ）和微分（D ）進行控制的P

42、ID 控制器是應用最為廣泛的一種自動控制器8。它具有原理簡單、易于實現、適用面廣、控制參數相互獨立、參數的選定比較簡單等優點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象“一階慣性純滯后”與“二階慣性純滯后”的控制對象，PID 控制器是一種最優控制。PID 調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡便，結構改變靈活，可以方便的改變為PI 、PD 、PID 等控制器。比例調節作用對系統性能的影響：比例系數加大，使系統的動作靈敏，速度加快，穩態誤差減??；比例系數偏大，振蕩次數加多，調節時間加長；系統會趨于不穩定；比例系數太小，又會使系統的動作緩慢。比例系數可以選負數，這主要是

43、由執行機構、傳感器以及控制對象的特性決定的。積分調節作用對系統性能的影響：是使系統消除穩態誤差。提高無差度。因為有誤差積分調節就進行，直至無差積分調節停止，積分調節輸出一個常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti 。Ti 越小積分作用就越強。反之Ti 大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另外兩種調節規律結合，組成PI 調節器或PID 調節器。微分調節作用對系統性能的影響：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢。因此能產生超前的控制作用，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干

44、擾有放大作用，因此過強地加大微分調節對系統抗干擾不利。此外微分反應的是變化率，當輸入沒有變化時微分作用輸出為零，因此微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合組成PD 或PID 控制器。5.2 三沖量控制系統參數整定系統的參數整定可以采用理論計算法或者工程整定法。由于理論計算法要以被控對象的動態特性為依據，而動態特性測取時往往具有不準確性，而且容易隨工作狀態的變化而變化，因此應當采用工程整定的辦法。根據控制方案可以將汽包水位控制系統結構框圖重畫為圖5.1所示。 圖5.1汽包水位控制系統結構框圖其中N d 、N w 、N h 分別表示蒸汽流量傳感器、給水流量傳感器、水位傳感器的反饋系數，

45、G w (S、G h (S、G d (S分別表示給水流量調節器、水位調節器、前饋調節器的傳遞函數，其放大倍數可以分別表示為K w 、K h 、K d ，G f (S、 Gp (S 分別表示變頻器、鍋爐汽包的傳遞函數，其放大倍數可以分別表示為K f 、K p 、H r 是水位給定信號。由硬件選型的相關數據可知當系統工作在穩定狀態時： 510.056808d N -=-，w 510.085503N -=- ，510.01500100h N -=-35W =， 13. 0D = ， 300H =由于該設計采用了串級控制方式，首先應該從副回路開始對流量調節器進行參數整定，然后由內而外，再對主回路水位調

46、節器進行參數整定，通過兩步整定的方法完成系統的參數整定。由于副回路調節器的任務是快速動作以消除進入副回路的擾動，而且副參數并不要求無差，所以選用P 調節器就可以滿足要求了。根據控制要求可以設定1336PlusII 系列變頻器最高輸出頻率為50Hz ，控制信號為4-20ma 電流，頻率上升時間為0.5秒，電機滿負荷運行時變頻器輸出最高頻率50Hz ，此時給水流量為35 m 3/h，則有副回路被控對象的增益是：351.7520=，選擇頻率上升時間為0.5秒，可以認為副回路被控對象是一個時間常數為0.3秒的一階慣性環節，其傳遞函數可以表示為：1. 75( 10.3fG S S=+ (5.1采用純比例

47、調節方式可以保證副回路的穩定性，只要保證副回路P 調節器的增益足夠大即可。經過反復調試我們最終確定副調節器的增益是20，在matlab 命令窗口中輸入以下指令：s1=tf(1.75,0.3,1; sk=20*s1;s=feedback(sk,0.085; step(s,1;運行后可以得到仿真波形圖如圖5.2所示，從圖中可以看響應延遲時間較小，閉環增益也符合要求。內環的等效傳遞函數可以認為是111.7wN = 。 圖5.2副回路仿真波形圖然后可以對主回路再進行參數整定，可以將副回路的等效為一個純比例環節，其增益為11.7。由于汽包水位需要求無靜差，因此我們采用PID 調節器，根據Ziegler-

48、Nichols 響應曲線法9和被控對象的開環傳遞函數以及特征參數整定PID 調節器的參數。35t/h鍋爐汽包是一個沒有自平衡能力的被控對象，其傳遞函數是：0. 017( (136PG S S S =+ (5.2根據Ziegler-Nichols 響應曲線法，假設沒有自平衡能力的被控對象的傳遞函數是：( (1G S S S =+ (5.3可以按照表5.1所示進行參數整定，其中y a Tu=，而且y u T=表5.1Ziegler-Nichols 響應曲線法參數 由此可以知道對于35t/h鍋爐汽包來說: 0.61a =則PID 調節器的參數分別是：p K a =，I272T =， 182DT =由

49、于將副回路等效為一個增益為11.7的純比例環節實際PID 調節器的比例系數是：11.7K a= (5.4將35t/h鍋爐汽包的傳遞函數作如下改寫：236PG S S S S S=+ (5.5對于PID 調節器的傳遞函數也做類似的改寫：2122012. 240. 17( 0. 1717272h S S G S S SS +=+= (5.6將反饋系數0.01等效到前向通道內，即可以認為PID 調節器的比例系數擴大100倍，在matlab 命令窗口中輸入以下指令：s1=tf(0.017,36,1,0;s2=tf(220,12.24,0.17,72,0; sk=s1*s2*11.7*100; s=fe

50、edback(sk,0.01; step(s;運行后可以得到仿真波形圖如圖5.3所示: 圖5.3主回路仿真波形圖此時的超調量太大，不利于系統的穩定運行，應該在以上參數整定的基礎上再進行調整。在matlab 命令窗口中輸入以下指令：s1=tf(0.017,36,1,0;s2=tf(220,12.24,0.17,72,0; sk=s1*s2*11.7*500; s=feedback(sk,0.01; step(s;運行后可以得到仿真波形圖如圖5.4所示： 圖5.4主回路仿真波形圖從仿真圖中可以看到系統的超調量大約是16%，調節時間大約是130秒，穩態誤差是0，控制效果滿足控制要求。將前饋補償器的輸出信號引入內回路，使蒸汽流量信號和給水流量信號較好的配合以消除“虛假水位現象”的影響。蒸汽流量信號對汽包水位影響的傳遞函數是：d S W S SSS S -=-=+ （5.7）我們