.PAGE1.摘要鍋爐是鋼鐵、石油、化工、發電等工業過程中必不可少的重要動力設備,所產生的高壓蒸汽既可作為驅動的動力源,又可作為精餾、干燥、反應、加熱等過程的熱源。例如電廠里的汽輪發電機,就是靠鍋爐產生的一定溫度和壓力的過熱蒸汽來推動的,化工廠里許多換熱器的熱源大多是鍋爐提供的蒸汽。為適應生產的需要,鍋爐的大小、型號也是各種各樣。鍋爐的大小是以鍋爐每小時產生的蒸汽量來衡量的,小型鍋爐每小時產幾噸蒸汽,大的鍋爐每小時能產200t以上的蒸汽,蒸汽壓力有高、中、低之分。在應用類型上,可將鍋爐分為動力鍋爐和工業鍋爐,其中工業鍋爐又分為輔助鍋爐、廢熱鍋爐、快裝鍋爐、夾套鍋爐等。鍋爐的燃料也各不相同,有燃氣型、燃油型、燃煤型和化學反應型等。鍋爐產生蒸汽的壓力和溫度是否穩定、鍋爐運行是否安全,直接影響到生產能否正常進行,更關系到人員和設備的安全與否,因此,鍋爐的過程控制十分重要。工業蒸汽鍋爐是一個復雜的控制對象,為了保證鍋爐能夠提供合格的蒸汽,生產過程中的各工藝參數必須嚴格控制。在這些工藝參數中,鍋爐汽包水位是一個非常重要的參數,水位的大小不僅是影響蒸汽質量的主要因素,而且將水位控制在一定的范圍之內是保證鍋爐安全運行的必要因素。關鍵詞：鍋爐汽包；三沖量；PLC；PID；目錄19063第一章鍋爐的工藝流程描述321347第二章鍋爐汽包水位控制系統的設計679722.1系統的硬件設計910244<1>主控制器的設計910731〔2>檢測電路的設計927604〔3輸出控制電路10142502.2系統軟件設計：119764第三章PID調節規律的選擇及參數整定1342793.1比例調節作用對系統性能的影響 13274343.2積分調節作用對系統性能的影響 1363333.3微分調節作用對系統性能的影響 14304503.4整定的基本方法143707〔1臨界比例度法<閉環整定1415510〔2衰減曲線法<閉環整定1429334〔3反應曲線法〔動態特性參數法1429778〔4現場實驗整定法1455943.5調節規律的確定原則1518234總結164766參考文獻1728057附錄:18第一章鍋爐的工藝流程描述鍋爐的工藝流程如圖1.1所示。圖1.1鍋爐工藝流程圖燃料和熱空氣按一定的比例混合后進入燃燒室燃燒,加熱汽包內的水產生飽和蒸汽Ds,經過熱器后形成一定溫度的過熱蒸汽D,再匯集到蒸汽總管PM,最后經過負荷設備調節閥供給負荷設備使用。燃料在燃燒時產生的煙氣,其熱量一部分將飽和蒸汽變成過熱蒸汽,另一部分經省煤器對鍋爐供水和空氣進行預熱,最后由引風機從煙囪排入大氣。鍋爐的正常運行必須要保持物料〔水平衡和熱量平衡。在物料平衡中負荷是汽包內水的蒸發量,被控變量是汽包的水位,操縱變量是鍋爐的給水量；在熱量平衡中負荷是蒸汽帶走的熱量,被控變量是蒸汽壓力,操縱變量是燃料量。上述的物料平衡和熱量平衡是相互關聯、互相影響的。汽包水位不僅受到給水流量的影響,而且也受到熱量變化的影響。例如,當熱量平衡被破壞,蒸汽壓力發生變化后,會影響到汽包水面下蒸發管中的汽水混合物的體積,使汽包水位發生變化。同樣蒸汽壓力不僅受到燃料輸入量的影響,而且進水量的變化也會影響到蒸汽壓力的穩定。例如,給水流量增加時,由于冷水的溫度低,會使汽包內的蒸發量減少,導致蒸汽壓力下降。綜上所述,鍋爐的運行主要包括以下三個方面的過程控制系統：〔1汽包水位控制系統：是鍋爐安全運行的必要保證,它要維持汽包內的水位在工藝允許的范圍內；〔2燃燒系統的控制：通過使燃料量與空氣量保持一定的比值,以保證經濟燃燒和鍋爐的安全運行,同時保證引風量與送風量相適應,維持爐膛內的負壓恒定不變,其最終目的是使燃料產生的熱量滿足蒸汽負荷的需要；〔3過熱蒸汽系統的控制：這是一個溫度控制系統,其作用主要有2個：一是保持過熱器出口溫度在允許范圍內；二是保證管壁的溫度不超過允許的工作溫度。影響汽包水位的主要因素是給水量和蒸汽流量,其他因素都可以作為干擾因素另作考慮。當負荷增大時,蒸汽流量增大,會使得汽包水位下降,當突然增加蒸汽流量會使得蒸汽壓力減小,汽包水位不降反增,出現虛假水位現象,這是設計中必須要考慮的因素。給水量對汽包水位的影響存在慣性區,但基本是線性的。汽包水位是鍋爐運行的重要指標,對鍋爐的安全運行非常重要,保持水位在一定范圍內是保證鍋爐安全運行的首要條件,水位過高或過低,都會給鍋爐及蒸汽用戶的安全操作帶來不利影響。過高會影響汽水分離效果,蒸汽過濕,飽和水蒸汽將會帶水過多,導致過熱器管壁結垢并損壞,使過熱蒸汽的溫度嚴重下降,若以此過熱蒸汽帶動汽輪機,將因蒸汽帶液損壞汽輪機的葉片,造成運行的安全事故。然而,水位過低,則因汽包內的水量較少,而負荷很大,加快水的汽化速度,使汽包內的水量變化速度很快,若不及時加以控制,將有可能使汽包內的水全部汽化；尤其是大型鍋爐,水在汽包內的停留時間極短,從而導致水冷壁燒壞,甚至引起爆炸。因此,必須對汽包水位進行嚴格的控制。汽包水位控制系統的任務是維持給水量與蒸汽蒸發量的平衡,使汽包水位保持在允許的范圍內。第二章鍋爐汽包水位控制系統的設計目前,鍋爐汽包水位常采用單沖量、雙沖量及三沖量控制方案。此處的"沖量"不是物理上定義的作用在物體上力和時間的乘積,而是一種表示變量的習慣沿用。鍋爐汽包水位單沖量控制系統是一個典型的單回路控制系統,其被控變量是汽包水位,操縱變量是鍋爐的給水流量。當汽包水位偏離設定值時,變送器將測量到的信息送給控制器,按照特定的控制規律來增加或減少供水量,使汽包水位回到設定值。影響鍋爐汽包水位的主要擾動是蒸汽負荷的波動,因為用戶的蒸汽需要量是在不斷變化的。假設蒸汽需要量突然加大,汽包的壓力會瞬時降低,水的沸騰加劇,使水加速汽化,水中的氣泡量會驟然增多。而氣泡的體積比其液態時的體積大很多倍,結果出現汽包內的水位不降反升的假象,即出現"假水位"。控制器獲得的信息是"水位升高了",本來該增加供水量,現在卻錯誤地減少供水量,嚴重時會使汽包水位下降到危險區內以致發生事故。產生上述"假水位"的主要原因是蒸汽負荷量的波動而造成"閃蒸"現象,如果把蒸汽流量作為前饋信號引入控制系統,及時知道其變化情況,就可以克服這個主要的擾動。為此我們引入雙沖量控制系統。這里的"雙沖量"是指汽包水位信號和蒸汽流量信號2個變量。它是一個前饋-反饋控制系統。水位信號從系統的輸出端返回到輸入端,因此屬于反饋控制；蒸汽流量信號未經反饋而直接與水位控制器的輸出信號相加,因此是前饋控制。當蒸汽負荷變化可能導致汽包水位大幅度波動時,蒸汽流量信號的引入起著超前控制作用,它在汽包水位還沒有出現波動時,提前使調節閥動作,從而減少因蒸汽負荷量變化引起的水位波動,極大改善了控制品質。盡管雙沖量控制克服了蒸汽壓力變化帶來的擾動,卻不能克服供水壓力變化的干擾,當供水壓力變化時,同樣會引起供水流量的變化,會導致汽包水位的波動,雙沖量控制系統只有在汽包水位變化后才由控制器進行調整,控制不及時。因此,當供水壓力波動比較頻繁時,雙沖量控制系統的控制質量較差,這時可采用三沖量控制系統。在鍋爐汽包水位三沖量控制系統,該系統除了水位、蒸汽流量信號以外,又增加了一個供水流量信號,顯然,當蒸汽負荷不變,供水量因壓力波動而變化時,加法器的輸出相應變化,直接調整給水流量的大小。不需要等汽包水位變化了再去由控制器調整,從而極大減少了水位的波動,縮短了過渡過程的時間,提高了控制質量。三沖量控制系統動作及時,有較強的抗干擾能力,在較大的擾動時也能有效地控制水位的變化,顯著地改善了控制系統的品質。對于現代大、中型鍋爐來說,對象控制通道的遲延和變化速度都比較大,"虛假水位"現象比較嚴重,工藝上對控制質量的要求又比較高,因此,普遍采用具有蒸汽流量前饋信號及給水流量反饋信號和汽包水位主信號的三沖量水位控制系統。系統控制流程圖如圖2.1。圖2.1鍋爐汽包液位控制系統根據系統的控制流程圖,我們還可以繪制出三沖量控制系統的方框圖,如圖2.2。圖2.2三沖量控制系統的方框圖三沖量控制系統由于控制器有不同的位置,又可以有多種不同控制方案,以下為常見的三種方案,如圖2.3。圖2.3常見控制方案2.1系統的硬件設計<1>主控制器的設計在自動控制系統中,最常見的控制器有兩種：一種是PLC,另外一種是單片機。PLC自誕生以來,由于其可靠的性能、高的性價比、強大的功能等眾多的優點而受到了廣泛的應用,本系統也采用PLC。PLC選用西門子公司的S7—200CPU214,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。本系統需要輸入的模擬量有：給水流量信號、水位信號、蒸汽流量信號,需要輸出的數字量有：變頻器控制信號,所以只需要選擇模擬量輸入模塊EM231,EM231具有四個模擬量輸入點,可以剛好滿足需要。〔2>檢測電路的設計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。本系統采用雙室平衡容器進行液位信號的采集,用差壓變送器對液位信號進行變送。XX威騰自控設備有限公司生產的微差壓變送器〔WT-1151/3351DR可滿足變送要求。該型號變送器可以將微小差壓轉換成4——20mADC信號。它采用專門設計的放大線路板和特殊的溫度補償工藝,性能穩定可靠。根據控制方案我們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。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。該流量計的部分技術參數如下：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10：1～15：1⑤測量范圍：正常工作范圍,雷諾數為20,000～7,000,000；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8,000～7,000000⑥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:4～20mA<三線制>〔3輸出控制電路PLC根據采樣的相對液位數值對其進行相應規則的計算、處理、判斷后,得出控制結果,輸出相應的控制信號,模擬量輸出模塊我們選擇EM232,它有兩個模擬量輸出點,可滿足要求。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,經查閱資料可知選用功率為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,選用鼠籠型電機就可以滿足要求。XX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訂貨設定其額定電壓為380V額定功率為100Kw。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,我們可以選擇羅克韋爾公司的1336PlusII系列1336F-B150型號的變頻器。該變頻器可以輸入380V-480V50/60Hz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。至此,系統硬件電路設計完成,系統的總體框圖如圖2.4。圖2.4系統硬件原理圖2.2系統軟件設計：整個控制系統的軟件包括以下幾部分:液位的實時采集,電機調速,算法的控制<這里采用PID算法>等功能。本系統的軟件結構采用了總分的形式,即PLC一直在運行主控制程序,然后主控制程序根據各種條件來運行和調用各子程序,用來實現各種功能。這種總分設計方式使得軟件簡單明了,一看便知,并且在調試起來時也特別方便。系統的程序設計框圖如圖2.5。圖2.5系統軟件原理圖第三章PID調節規律的選擇及參數整定眾所周知,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PID控制器是應用最為廣泛的一種自動控制器。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。3.1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,穩態誤差減小；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,這主要是由執行機構、傳感器以及控制對象的特性決定的。3.2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。3.3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。整定的任務：根據被控過程的特性,確定PID調節器δ的比例度、Ti積分時間以及微分時間TD的大小。3.4整定的基本方法〔1臨界比例度法<閉環整定①首先將調節器的積分時間置于最大,微分時間置零,比例度置為較大的數值②等系統運行穩定后,對設定值施加一個階躍變化,并減小δ直到出現等幅振蕩曲線為止。記錄下此時的臨界比例度δk和等幅振蕩周期TK③查表按經驗公式計算出調節器的參數δ、Ti、TD。〔2衰減曲線法<閉環整定衰減曲線法與臨界比例法類似。觀察衰減比然后記錄。Δs、Ts、Tp按經驗公式計算δ、Ti、TD。〔3反應曲線法〔動態特性參數法反應曲線法是利用系統廣義過程的階躍響應曲線對調節器參數進行整定,是一種開環整定方法。〔4現場實驗整定法現場實驗整定法,實質上是一種經驗試湊法,所以也稱為經驗法。在現場的應用中,將各類過程控制系統調節器的整定參數按先比例、后積分、最后微分的順序置于某些經驗數值后,把系統閉合起來,然后再作給定值擾動,觀察系統過渡過程曲線。若曲線還不夠理想,則改變調節器的δ、Ti和Td的數值,進行反復試湊,以尋求"最佳"的整定參數,直到控制質量符合要求為止。3.5調節規律的確定原則⑴調節器放大系數Kp的正負號正作用方式：y↑→u↑,Kp為"-"；反作用方式:y↑→u↓,Kp為"+"。⑵調節閥放大系數的正負號氣開式調節閥Kv為"+"；氣關式調節閥Kv為"-"。⑶被控過程放大系數的正負號正作用μ↑→y↑,被控過程的靜態放大系數Ko為"+"；反作用μ↑→y↓,被控過程的Ko為"-"。⑷變送器的放大系數Km為正號根據生產工藝安全等原則確定調節閥的氣開、氣關形式；按被控過程特性,確定其正、反作用；根據組成系統的開環傳遞函數各環節的靜態放大系數極性相乘必須為正的原則,確定調節器的正、反作用方式。在本系統中,由于調節閥為電機,可以視作為氣開式,故Kv為"+"；當電機轉速加快,液位上升,故被控對象的Ko為"+"；測量變送器的Km為"+"；則調節器的Kp應該為"+",故調節器應采用反作用方式。總結為期兩周的過程控制課程設計即將結束,這兩周感覺過的好快,也感覺過的好充實。由于上學期過程控制這門課沒好好學,好多知識學的稀里糊涂,不懂也不會,還有的干脆就是不知道。所以在做設計的時候就感覺很吃力,很困難。不過,在老師們悉心的指導下