基于PLC的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、 . PAGE72 / NUMPAGES77 . 摘要汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，汽包水位過高或者過低的后果都非常嚴(yán)重，因此對(duì)汽包水位必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。PLC技術(shù)的快速發(fā)展使得PLC廣泛應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域并極提高了控制系統(tǒng)性能，PLC已經(jīng)成為當(dāng)今自動(dòng)控制領(lǐng)域不可缺少的重要設(shè)備。本文從分析影響汽包水位的各種因素出發(fā)，重點(diǎn)分析了鍋爐汽包水位的“假水位現(xiàn)象”，提出了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的三沖量控制方案。按照工程整定的方法進(jìn)行了PID參數(shù)整定，并進(jìn)行了仿真研究。根據(jù)控制要求和所設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行硬件選型以與系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，利用PLC編程實(shí)現(xiàn)控制算法進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，最終完成PLC在鍋爐

2、汽包水位控制系統(tǒng)中應(yīng)用。關(guān)鍵詞：汽包水位三沖量控制 PLCPID控制ABSTRACTThe steam drum water level is a very important parameter 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 tech

3、nology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control 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

4、water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water 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 ha

5、rdware and system hardware design as well as system software design are carried out.Finally the 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 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc1697957221緒論 PAGEREF _T

6、oc169795722 h 1HYPERLINK l _Toc1697957231.1汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc169795723 h 1 HYPERLINK l _Toc169795724 1.2本設(shè)計(jì)的主要工作 PAGEREF _Toc169795724 h 2HYPERLINK l _Toc1697957252控制方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169795725 h 4HYPERLINK l _Toc1697957262.1汽包水位的影響因素 PAGEREF _Toc169795726 h 4HYPERLINK l _Toc1697957272.2汽包水位的

7、控制方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169795727 h 7HYPERLINK l _Toc1697957283硬件選型 PAGEREF _Toc169795728 h 13HYPERLINK l _Toc1697957293.1水位傳感器選型 PAGEREF _Toc169795729 h 13HYPERLINK l _Toc1697957303.2流量傳感器的選型 PAGEREF _Toc169795730 h 14HYPERLINK l _Toc1697957313.3電機(jī)的選型 PAGEREF _Toc169795731 h 16HYPERLINK l _Toc1697957323

8、.4變頻器的選型 PAGEREF _Toc169795732 h 17HYPERLINK l _Toc1697957333.5接觸器的選型 PAGEREF _Toc169795733 h 17HYPERLINK l _Toc1697957343.6熔斷器的選型 PAGEREF _Toc169795734 h 18HYPERLINK l _Toc1697957353.7功率三極管的選型 PAGEREF _Toc169795735 h 18HYPERLINK l _Toc1697957363.8 PLC與相關(guān)模塊的選型 PAGEREF _Toc169795736 h 19HYPERLINK l _

9、Toc1697957373.9硬件工作原理 PAGEREF _Toc169795737 h 22HYPERLINK l _Toc1697957384硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169795738 h 25HYPERLINK l _Toc1697957394.1系統(tǒng)總體線路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169795739 h 25HYPERLINK l _Toc1697957404.2 控制線路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169795740 h 28HYPERLINK l _Toc1697957415控制算法與參數(shù)整定 PAGEREF _Toc169795741 h 30HYPERLIN

10、K l _Toc1697957425.1 PID算法簡介 PAGEREF _Toc169795742 h 30HYPERLINK l _Toc1697957435.2 三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定 PAGEREF _Toc169795743 h 31HYPERLINK l _Toc1697957446軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169795744 h 39HYPERLINK l _Toc1697957456.1 程序流程設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169795745 h 39HYPERLINK l _Toc1697957466.2DeviceNet網(wǎng)絡(luò)組態(tài) PAGEREF _Toc16979

11、5746 h 41HYPERLINK l _Toc1697957476.3 RSLogix5000程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169795747 h 44HYPERLINK l _Toc1697957487監(jiān)控界面設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc169795748 h 50HYPERLINK l _Toc1697957498結(jié)束語 PAGEREF _Toc169795749 h 53HYPERLINK l _Toc169795750參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc169795750 h 55HYPERLINK l _Toc169795751致 PAGEREF _Toc169795751

12、h 56HYPERLINK l _Toc169795752附 錄 PAGEREF _Toc169795752 h 571緒 論1.1汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀蒸汽鍋爐是企業(yè)重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽產(chǎn)品，以滿足負(fù)荷的需要。鍋爐是一個(gè)十分復(fù)雜的控制對(duì)象，為保證提供合格的蒸汽產(chǎn)品以適應(yīng)負(fù)荷的需要，與其配套設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)必須滿足各主要工藝參數(shù)的需要。保持鍋爐汽包水位在正常圍是鍋爐運(yùn)行的一項(xiàng)重要的安全性能指標(biāo)，由于負(fù)荷、燃燒狀況與給水流量等因素的變化，汽包水位會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化1。因此鍋爐汽包水位應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加以嚴(yán)格控制以保證鍋爐的安全運(yùn)行。工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的

13、任務(wù)是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動(dòng)態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的圍，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件，鍋爐汽包水位也是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負(fù)荷和給水之間的平衡關(guān)系。傳統(tǒng)的控制方法是以各種分立器件的應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用各種檢測器件對(duì)被控參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測并反饋給控制器件，再根據(jù)自動(dòng)控制理論的有關(guān)算法完成相應(yīng)的運(yùn)算并驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到自動(dòng)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(tǒng)各部分之間影響較大，自動(dòng)化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易出現(xiàn)故障，不利于系統(tǒng)的長期安全、高效運(yùn)行?，F(xiàn)在廣泛使用的控制技術(shù)還有DCS集散控制系統(tǒng)2，但由于D

14、CS系統(tǒng)適合有多個(gè)控制回路同時(shí)工作的復(fù)雜系統(tǒng)，而且集散控制系統(tǒng)往往價(jià)格昂貴，對(duì)于像汽包水位這樣的控制系統(tǒng)來說性價(jià)比太高，因此對(duì)于汽包水位控制系統(tǒng)來說并非理想的選擇。PLC是70年代發(fā)展起來的規(guī)模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口與中斷系統(tǒng)于一體的器件3，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、能源、交通等各種行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通信能力上的飛速發(fā)展，大大增強(qiáng)了PLC通信能力，豐富了PLC編程軟件和編程技巧，增強(qiáng)了PLC過程控制能力。因此，無論是單機(jī)還是多機(jī)控制、生產(chǎn)流水線控制與過程控制都可以采用PLC技術(shù)。PLC控制鍋爐技術(shù)是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。它是PLC軟、

15、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用PLC控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行過程的自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。它的被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是汽包給水流量，通過對(duì)汽包水位的實(shí)時(shí)檢測并進(jìn)行反饋，PLC對(duì)反饋信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)控制算法對(duì)二者的偏差進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，汽包水位變化在允許圍之。1.2本設(shè)計(jì)的主要工作 本次設(shè)計(jì)的主要工作有：設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制方案 從鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)性能入手，分析影響鍋爐汽包水位的主要因

16、素，并對(duì)這些因素對(duì)鍋爐汽包水位動(dòng)態(tài)性能的影響進(jìn)行理論研究。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)各個(gè)因素對(duì)鍋爐汽包水位的影響采用汽包水位三沖量方案，達(dá)到控制鍋爐汽包水位穩(wěn)定的目的。硬件設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制方案合理地選擇檢測元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制設(shè)備以與其它必要設(shè)備，并在此基礎(chǔ)之上根據(jù)控制方案合理地進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，完成各種設(shè)備之間的接線與配置，并進(jìn)行設(shè)備的安裝調(diào)試。為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以與穩(wěn)定、可靠運(yùn)行打下基礎(chǔ)?？刂扑惴ǖ膮?shù)整定根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)以與它的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性按照工程整定的方法進(jìn)行控制器的參數(shù)整定，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。在此基礎(chǔ)之上對(duì)整定結(jié)果進(jìn)行仿真，并對(duì)整定結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整判斷其可行性，為后續(xù)的軟

17、件設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。（4）PLC程序和監(jiān)控界面設(shè)計(jì)根據(jù)參數(shù)整定和仿真的結(jié)果利用相關(guān)軟件進(jìn)行PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)控制算法。同時(shí)利用組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，使之能夠動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并可以通過監(jiān)控界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。2控制方案設(shè)計(jì)鍋爐是重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負(fù)荷的需要。汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，如果水位過高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。如果水位過低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干鍋，損壞汽包。所以鍋爐汽包水

18、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(tǒng)中被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對(duì)給水流量的調(diào)節(jié), 使汽包部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而使汽包水位的變化在允許圍之，保證鍋爐的安全運(yùn)行，生產(chǎn)出合格穩(wěn)定的高質(zhì)量蒸汽，以滿足負(fù)荷的需要。2.1汽包水位的影響因素首先應(yīng)該從分析汽包水位的動(dòng)態(tài)特性入手。鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象如圖 2.1所示。給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為變頻器調(diào)節(jié)給水量W，汽輪機(jī)耗汽量D是由汽輪機(jī)閥門開度來控制的。圖 2.1鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象初看起來，汽包水位的動(dòng)態(tài)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(shí)際情況并非如此，最突出的一點(diǎn)就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾雜著大量蒸汽

19、汽泡的水，而蒸汽泡的體積V是隨著汽包壓力和爐膛熱負(fù)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(huán)系統(tǒng)的總水量沒有發(fā)生變化，汽包水位也會(huì)因此隨之發(fā)生改變從而影響水位的穩(wěn)定。影響汽包水位H的主要因素有給水量W，汽輪機(jī)耗汽量D和燃料量B三個(gè)主要因素。（1）給水?dāng)_動(dòng)的影響如果把汽包與其水循環(huán)系統(tǒng)看作一個(gè)單容水槽，那么水位的給水階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線應(yīng)該為圖2.2所示的曲線H1所示。但考慮到給水的溫度低于汽包飽和的水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量使得鍋爐部的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽泡的總體積V也就會(huì)相應(yīng)的減小，從而導(dǎo)致水位下降如圖2.2所示的曲線H2所示。水位的實(shí)際響

20、應(yīng)曲線應(yīng)是曲線H1和 H2之和，如圖2.2所示的曲線H所示。從圖中可以看出該響應(yīng)過程有一段延遲時(shí)間。即它是一個(gè)具有延遲時(shí)間的積分環(huán)節(jié)，水的過冷度越大則響應(yīng)延遲時(shí)間就會(huì)越長。其傳遞函數(shù)可以近似表示為：(2.1)式2.1中表示汽包水位的飛升速度，表示延遲時(shí)間。圖2.2給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線（2）汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)的影響當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量D突然做階躍增加時(shí)，一方面改變了汽包的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使汽包液體蒸發(fā)量變大從而使水位下降，如圖2.3所示的曲線H1所示，另一方面由于汽輪機(jī)耗汽量D的突然增加，將迫使鍋爐汽泡增多，同時(shí)由于燃料量維持不變，汽包壓力下降，會(huì)導(dǎo)致水面以下蒸汽泡膨脹，總體積V增大，從而導(dǎo)致汽包水位上升，如

21、圖2.3所示曲線H2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線應(yīng)該是曲線H1和 H2之和，如圖2.3所示曲線H所示。對(duì)于大中型鍋爐來說，后者的影響要大于前者，因此負(fù)荷做階躍增加后的一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)水位不但沒有下降反而明顯升高的現(xiàn)象，這種反?，F(xiàn)象通常被稱為“假水位現(xiàn)象”?？梢哉J(rèn)為這是一個(gè)慣性加積分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以近似的表示為：(2.2)式2.2中表示汽包水位對(duì)于蒸汽流量的飛升速度，表示“假水位現(xiàn)象”的延遲時(shí)間。圖2.3汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)響應(yīng)曲線（3）燃料量擾動(dòng)的影響燃料量的擾動(dòng)必然也會(huì)引起蒸汽流量D的變化，因此也同樣會(huì)有“假水位現(xiàn)象”發(fā)生。但由于汽包水循環(huán)系統(tǒng)中有大量的水，汽包和水冷壁管道也會(huì)存儲(chǔ)大量的熱量，因此

22、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(shí)汽壓也會(huì)緩慢上升，它將使汽泡體積減小，因此燃料量擾動(dòng)下的“假水位現(xiàn)象”比負(fù)荷擾動(dòng)下要緩和的多。 由以上分析可知道給水量擾動(dòng)下的水位響應(yīng)有遲滯性，負(fù)荷擾動(dòng)下的水位響應(yīng)有“假水位現(xiàn)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(duì)它的控制變得比較復(fù)雜和困難。2.2汽包水位的控制方案設(shè)計(jì) 從反饋的思想出發(fā)很容易想到以汽包水位信號(hào)作為反饋量，給水流量作為被控量，構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)，即水位單沖量控制系統(tǒng)。如圖2.4所示，這是一個(gè)基本的控制方案其方框圖如圖2.5所示。對(duì)于小容量鍋爐來說由于它的儲(chǔ)水容量較大，水面以下的汽泡體積并不占有非常

23、大的比重，因此水容積延遲和假水位現(xiàn)象并不是非常明顯，因此可以采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)來控制汽包水位。但對(duì)于大中型鍋爐來說這種控制方案就不能滿足控制要求，因?yàn)槠啓C(jī)蒸汽量的負(fù)荷擾動(dòng)引起的假水位現(xiàn)象將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，導(dǎo)致汽包水位激烈的上下振蕩而不穩(wěn)定，嚴(yán)重的影響設(shè)備的運(yùn)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(tǒng)，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(tǒng)圖2.5汽包水位單沖量控制系統(tǒng)框圖如果從物質(zhì)平衡的角度出發(fā)，只要能夠保證給水量永遠(yuǎn)等于蒸汽蒸發(fā)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(dòng)控制系統(tǒng)，其中流量調(diào)節(jié)器采

24、用PI調(diào)節(jié)器，使汽輪機(jī)的蒸汽量作為系統(tǒng)的給定使給水流量跟蹤蒸汽流量的變化，構(gòu)成了一個(gè)以蒸汽量作為給定的隨動(dòng)系統(tǒng)從而保證汽包水位的恒定。該方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.7所示。圖2.6蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)圖2.7蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)框圖采用該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)完全根據(jù)物質(zhì)平衡條件工作，給水量的大小只取決于汽輪機(jī)的耗汽量，假水位現(xiàn)象不會(huì)引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。但是這個(gè)系統(tǒng)對(duì)于汽包水位來說只是開環(huán)控制系統(tǒng)。由于給水量和蒸汽量的測量不準(zhǔn)確以與鍋爐系統(tǒng)引入的其他擾動(dòng)使得給水量和蒸汽量并非準(zhǔn)確的比值關(guān)系而保持水位恒定。由于水位對(duì)于二者的偏差是積分關(guān)系，微小的偏差長時(shí)間積累也會(huì)形成很大的水位差，因此不宜采用隨動(dòng)控制

25、系統(tǒng)。如果把以上所述兩種方案結(jié)合起來，就構(gòu)成了汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)如圖2.8所示，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.9所示。雙沖量指的是同時(shí)引入兩個(gè)測量信號(hào)：汽包水位和蒸汽流量。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)以上所分析的兩種方案取長補(bǔ)短，可以極大的提高汽包水位的控制質(zhì)量。當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量出現(xiàn)階躍增大時(shí)，一方面由于“假水位現(xiàn)象”汽包水位會(huì)暫時(shí)有所升高，將使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)做出誤動(dòng)作錯(cuò)誤的減少給水量；另一方面汽輪機(jī)耗汽量的增大又通過比值控制系統(tǒng)指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增大給水量，實(shí)際給水量的增減情況要根據(jù)實(shí)際情況通過參數(shù)整定來確定。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后水位和蒸汽信號(hào)都能正確的指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。只要參數(shù)整定合適，給水量必然等于蒸汽量從而保證水位恒定。圖2.

26、8汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)圖2.9汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)框圖此外考慮到給水流量的變化可以通過串級(jí)控制的方法讓給水量的擾動(dòng)通過回路自行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)如圖2.10所示的三沖量控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.11所示。即前饋反饋串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)。該三沖量控制系統(tǒng)包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個(gè)控制回路以與一個(gè)蒸汽流量前饋通道，實(shí)質(zhì)上是蒸汽流量前饋與水位流量串級(jí)系統(tǒng)組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)的主參數(shù)是汽包水位，副參數(shù)是給水流量，主調(diào)節(jié)器是給水流量調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器是液位調(diào)節(jié)器。一方面可以克服給水?dāng)_動(dòng)，使給水流量自行調(diào)節(jié)，另一方面可以有效地抑制“假水位現(xiàn)象”。當(dāng)蒸汽流量發(fā)生變化時(shí)，鍋爐汽包水位控制系

27、統(tǒng)中的給水流量控制回路可迅速改變進(jìn)水量的大小以完成粗調(diào)，然后再由汽包水位調(diào)節(jié)器完成水位的細(xì)調(diào)維持汽包水位的穩(wěn)定。圖2.10汽包水位三沖量控制系統(tǒng)圖2.11汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖3硬件選型3.1水位傳感器選型 由于該設(shè)計(jì)的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的準(zhǔn)確測量，因此水位能否準(zhǔn)確測量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有關(guān)鍵作用。根據(jù)原始資料可以知道汽包水位應(yīng)該控制在30010 mm，根據(jù)過程控制儀表量程選擇原則：儀表量程應(yīng)該為被測量參數(shù)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(yīng)該控制在30010 mm，

28、因此所選水位傳感器的精度應(yīng)該高于10/450=2.2%FS，因此選擇該測量精度才可以滿足要求。市區(qū)拓樸電子儀器生產(chǎn)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(kuò)散硅壓阻芯體或瓷壓阻芯體。316全不銹鋼結(jié)構(gòu)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(hào)可以滿足控制要求。該型號(hào)的傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下：量程： 100500mm(水位高/深度)綜合精度: 1.0%FS 輸出信號(hào): 420ma(二線制)、05V、15V、010V(三線制) 供電電壓: 24DCV(936DCV) 負(fù)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

29、2000M (100VDC )密封等級(jí): IP68 長期穩(wěn)定性能: 0.1%FS/年 振動(dòng)影響: 在機(jī)械振動(dòng)頻率20Hz1000Hz，輸出變化小于0.1%FS 電氣接口(信號(hào)接口): 緊線防水螺母與五芯通汽電纜連接機(jī)械連接(螺紋接口): 投入式使用時(shí)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(hào)作為反饋量引入PLC模擬量輸入端口進(jìn)行控制運(yùn)算。3.2流量傳感器的選型根據(jù)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(gè)信號(hào)可以有效地改善控制質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。根據(jù)原始資料可以知道我們所要控制的是35t/h鍋爐的汽包

30、水位，即該鍋爐正常工作時(shí)每小時(shí)蒸發(fā)35t蒸汽也就是有35t水被蒸發(fā)成為蒸汽。由原始資料可以做如下估算水位穩(wěn)定時(shí)供水量為：35 m3/h 。正博自動(dòng)化儀表生產(chǎn)的LUGB-99型渦街 HYPERLINK :/ t _blank 流量計(jì)是一種基于卡門渦街原理流體振動(dòng)式新型 HYPERLINK :/ t _blank 流量計(jì)，它具有測量圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于封閉工業(yè)管道中液體、汽體和蒸汽介質(zhì)體積和質(zhì)量流量的測量。該流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)如下：（1）測量介質(zhì)：蒸汽、汽體、液體（2）傳感器的感應(yīng)元件不直接與被測介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定、可靠性高（3）傳感器無可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡

31、單而牢固，壓損小、維擴(kuò)量小、使用壽命長（4）圍度寬達(dá)10：115：1（5）測量圍：正常工作圍，雷諾數(shù)為20，0007，000，000；輸出信號(hào)不受液體溫度、壓力、粘度與組份影響。測量可能圍，雷諾數(shù)8，0007，000000（6）精度等級(jí)：液體，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5%（7）輸出信號(hào)：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(guī)格：(管道徑)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于DN300

32、 口徑為插入式)（11）工作狀況下流量圍(單位：m3/h)，見表3.1表3.1工作狀況下流量圍DN(mm)液體汽體蒸汽200.8-105-408-80251-127.2-6010-120321.5-2012-10015-200402-3018-15020-300503-5030-30030-450656-8050-42060-800 8010-13070-600100-130010020-200120-1000200-200012530-300180-1500300-3000 15045-450240-2000450-450020090-900480-4000900-9000250120-12

33、00700-80001200-12000300180-2000900-100001600-16000根據(jù)過程控制儀表量程選擇原則儀表量程應(yīng)該為被測量參數(shù)的4/33/2倍，流量計(jì)應(yīng)當(dāng)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 HYPERLINK :/ t _blank 流量計(jì)檢測流量可以檢測的流量圍是350 m3/h，可以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測汽包給水流量信號(hào)。由于LUGB-99型渦街 HYPERLINK :/ t _blank 流量計(jì)既可用于液體流量檢測也可用于蒸汽流量檢測，因此我們還可以選擇該流量計(jì)作為汽包負(fù)荷蒸汽流量的檢測傳感器。

34、正常工作時(shí)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/ m3，根據(jù)過程控制選擇儀表量程原則儀表量程應(yīng)該為被測量參數(shù)的4/33/2倍，流量計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測的最大流量為：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 HYPERLINK :/ t _blank 流量計(jì)檢測流量可以檢測的流量圍是880 m3/h，可以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測蒸汽流量信號(hào)。3.3電機(jī)的選型電機(jī)是鍋爐汽包供水的動(dòng)力設(shè)備，電機(jī)的準(zhǔn)確選型關(guān)系到汽包能否準(zhǔn)確供水進(jìn)而影響到汽包水位的穩(wěn)定我們所控制的鍋爐蒸發(fā)量為：35t/h，汽包壓力0.5MP，管道直徑50mm因

35、此可以對(duì)正常工作時(shí)電機(jī)的功率作如下估算：(3.1)由計(jì)算結(jié)果可以知道選用功率為100Kw的三相異步電動(dòng)機(jī)完全可以滿足工作要求 HYPERLINK :/ baidu /baidu.php?url=EwbK00Kml7RA2IbgKUttlnItj4IbXn0WRt-ThOklirXUESMvz5jr6YHhvb1Gm3HV-N4O1c81I_ElavXFKOpHwjJD4Ve6mliwkTjHn.7D_jQ7Nw8zC6dw4T_J-f.THvd4eEl0Znqnfj t _blank ，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，選用鼠籠型電機(jī)就可以滿足要求。華力貝爾機(jī)電設(shè)備生產(chǎn)的YJTG三相變

36、頻調(diào)速電機(jī)專門為變頻調(diào)速設(shè)計(jì)可以根據(jù)技術(shù)要求訂貨設(shè)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(jī)的供能設(shè)備，合理選擇變頻器關(guān)系到電機(jī)能否正常工作為汽包供水。由電機(jī)的選型可以知道電機(jī)在50Hz三相交流電下工作時(shí)電機(jī)的功率大約是100Kw，當(dāng)三相交流電動(dòng)機(jī)在基頻以下工作時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩輸出工作，而此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)小于額定轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)的輸出功率也會(huì)小于額定功率，同時(shí)由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持不變，其工作電流同在50Hz三相交流電下工作時(shí)電流基本一致。根據(jù)以上的分析選我們可以選擇羅克韋爾公司的1336PlusII系列1336F-B150型號(hào)的變頻器。給變頻器可以輸入380V-480

37、V 50/60Hz三相交流電，輸出380-480V三相交流電并通過控制信號(hào)控制其輸出頻率，其容量是149Kw，可以滿足設(shè)備功率要求。該型號(hào)變頻器具有豐富靈活的控制接口，可以通過控制信號(hào)方便地改變變頻器的工作特性。設(shè)計(jì)時(shí)將變頻器連接在DeviceNet網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)中用到的重要開關(guān)設(shè)備，接觸器的合理選擇能保證交流電動(dòng)機(jī)能夠準(zhǔn)確與時(shí)的啟動(dòng)、停止。根據(jù)以上分析三相交流異步電機(jī)的最高工作電流是工作于50Hz交流電壓下，其工作電流為： (3.2)因此根據(jù)設(shè)計(jì)的要求宏立電器生產(chǎn)的HLC-3X系列空調(diào)接觸器主要適用于50Hz或60Hz、在A

38、C-7b使用類別額定工作電壓為230V或480V時(shí)額定電流至40A電路中，適用于起動(dòng)和控制三相交流電動(dòng)機(jī)(壓縮機(jī))與其它三相負(fù)載，選擇五套該類型接觸器同時(shí)帶動(dòng)一臺(tái)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。3.6熔斷器的選型由于系統(tǒng)的主要耗電設(shè)備是電動(dòng)機(jī)，因此系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)電流大約在150A左右，當(dāng)系統(tǒng)異常工作是可能導(dǎo)致工作電流變大因此可設(shè)定工作電流為200A時(shí)進(jìn)行過流保護(hù)。中泰熔斷器生產(chǎn)XRNT-12型限流熔斷器型額定電流可以設(shè)定為200A，可以滿足設(shè)計(jì)要求。3.7功率三極管的選型 為了能使PLC輸出的數(shù)字量能夠控制接觸器的通斷我們?cè)O(shè)計(jì)如下電路：圖3.1接觸器控制線路當(dāng)PLC數(shù)字量輸出為高電平時(shí)三極管導(dǎo)通工作于飽

39、和狀態(tài)，接觸器線圈上電使接觸器觸點(diǎn)閉合，否則PLC數(shù)字量輸出為低電平時(shí)三極管截止工作于截止?fàn)顟B(tài)，接觸器線圈失電通過二極管續(xù)流，使接觸器觸點(diǎn)斷開。省富陽市奧星電子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與相關(guān)模塊的選型 PLC我們選擇羅克韋爾公司Logix5000系列，該系列PLC性能穩(wěn)定，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求靈活的選擇相關(guān)模塊，而且使用RS Logix5000組態(tài)軟件進(jìn)行梯形圖程序設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況建立標(biāo)簽，避免了對(duì)PLC直接按照地址尋址造成的麻煩和錯(cuò)誤。該系統(tǒng)需要輸入或輸出的模擬量有：給水流量信號(hào)、水位信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)、變頻器給定信號(hào)，需要輸出

40、的數(shù)字量有：接觸器通斷信號(hào)、報(bào)警信號(hào)。因此只要選擇一個(gè)模擬量輸入模塊1756-IF6I、一個(gè)數(shù)字量輸出模塊1756-OB16D就可以滿足要求，此外由于PLC還要通過以太網(wǎng)同上位機(jī)通信，通過DeviceNet控制變頻器因此還需要兩個(gè)通信模塊1756-ENET、1756-DNB/A，另外還要選擇電源模塊和CPU模塊1756-L1M2，選擇7槽PLC底座，此外我們還需要選擇一臺(tái)PC機(jī)作為上位機(jī)完成對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控操作功能。綜上所述我們可以得到硬件設(shè)備的清單如表3.2所示。表3.2硬件設(shè)備清單設(shè)備名稱型號(hào)額定電壓額定電流額定功率數(shù)量三相電機(jī)YJTG380VAC61A40Kw2變頻器1336F-B15038

41、0VAC149Kw1功率三極管I3DD56862PLC CPU模塊Logix5000220VAC1模擬量輸入模塊1756-IF6I1數(shù)字量輸出模塊1756-OB16D1以太網(wǎng)通信模塊1756-ENET1DeviceNet通信模塊1756-DNB/A1PC機(jī)220VAC1接觸器HLC-3X380VAC5熔斷器XRNT-123A3水位傳感器PTP60124DCV3流量傳感器LUGB-9924DCV2據(jù)以上硬件選型我們可以繪制系統(tǒng)的硬件配置圖如圖3.2所示。圖3.2硬件配置圖PLC的電源模塊為其他各個(gè)模塊提供電源，上位機(jī)通過以太網(wǎng)聯(lián)入PLC的以太網(wǎng)模塊與之通信，并可以對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控，PLC的CPU

42、塊負(fù)責(zé)PLC的數(shù)據(jù)處理和通信，模擬量輸入模塊將來自傳感器的檢測信號(hào)傳入PLC，DeviceNet模塊通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)控制變頻器，數(shù)字量輸出模塊主要控制開關(guān)設(shè)備的通斷。3.9硬件工作原理3.9.1變頻器工作原理變頻器從電網(wǎng)接收工頻50Hz的交流電，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)制變換方法，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電輸出到交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行5。將工頻交流電變換成為可變頻的交流電輸出的變換方法主要有兩種：一種稱為直接變換方式，又稱為交交變頻方式，它是通過可控整流和可控逆變的方式，將輸入的工頻電直接強(qiáng)制成為需要頻率的交流輸出，因而稱其為交流交流的變頻方式。另一種稱為

43、間接變換方式，又稱為交流-直流-交流變頻方式。三相交流電引入整流裝置通過整流器得到直流電，對(duì)直流電利用可控開關(guān)器件控制其導(dǎo)通次序、開關(guān)頻率、導(dǎo)通時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓的效果。常規(guī)的控制方式只能得到階梯波形的輸出電壓，高次諧波分量較多，不利于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。采用SPWM技術(shù)，按照有關(guān)算法控制逆變電路的觸發(fā)信號(hào)，即控制可控開關(guān)器件的導(dǎo)通角度按正弦規(guī)律變化，這樣變頻器實(shí)際輸出的電壓是一系列寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖，這種電壓波形中含有的高次諧波分量少，經(jīng)過濾波后可以等效為正弦電壓波形，這樣可以極提高變頻器的控制效果能夠使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。3.9.2 PLC工作原理 PLC （Programmable Lo

44、gic Controller）中文全稱為可編程邏輯控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。典型的PLC結(jié)構(gòu)圖可以表示為圖3.3所示。圖3.3 PLC結(jié)構(gòu)圖 電源模塊分別為輸入接口、CPU、輸出接口提供直流電源。輸入接口將外部輸入的數(shù)字量、模擬量送入CPU，CPU根據(jù)所編程序完成相應(yīng)的運(yùn)算并由輸出接口輸出給外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制的目的。其工作過程可以分為如下三個(gè)階段：（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段， PLC以掃描

45、方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映像區(qū)中相應(yīng)的單元。（2）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映像區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映像區(qū)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映像區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)的狀

46、態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。（3）輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。4硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總體線路設(shè)計(jì)首先我們需要三相電源為系統(tǒng)供電，由電源插頭引入，同時(shí)通過過流保護(hù)裝置以保證電流過大時(shí)能夠與時(shí)斷電，以確保安全不造成設(shè)備的損壞，正常情況下設(shè)備正常工作不會(huì)發(fā)

47、生電流過大的現(xiàn)象，只有在出現(xiàn)故障時(shí)才有可能發(fā)生過流現(xiàn)象此時(shí)才需要進(jìn)行斷電以確保安全。對(duì)于需要220V交流電壓工作的設(shè)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(tǒng)各種傳感器等設(shè)備需要直流電壓才能正常工作，因此還需要一個(gè)整流裝置將它的交流輸入側(cè)連入任意一相與中性線之間的220V交流電壓下并對(duì)220V交流電進(jìn)行整流穩(wěn)壓，然后輸出穩(wěn)定的直流電壓，直流輸出側(cè)可以為各個(gè)直流設(shè)備提供直流電壓保證各個(gè)設(shè)備穩(wěn)定、有效、

48、安全的工作。由于我們選用的是交-直-交變頻器6因此應(yīng)當(dāng)首先應(yīng)該將380V三相交流電連入變頻器的L1、L2、L3三個(gè)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(diǎn)連入三相異步電動(dòng)機(jī)的定子側(cè)回路為其工作提供電源，并通過變頻器調(diào)頻調(diào)壓從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變汽包的送水流量對(duì)汽包水位進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)直接將由電網(wǎng)引入的三相電通過另一接觸器的常開觸點(diǎn)連入三相異步電機(jī)的定子側(cè)回路，此時(shí)電機(jī)工作于工頻50Hz三相交流電下以用來在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)或其他情況下使用。但兩個(gè)接觸器不能同時(shí)閉合，否則將會(huì)發(fā)生事故。根據(jù)以上所訴我們?cè)O(shè)計(jì)總體電器線路如圖4.1所示。圖4.1總體電氣線路圖根據(jù)該設(shè)計(jì)可

49、以得到供電線路接線如表4.1所示。表4.1供電線路接線表腳號(hào)信號(hào)代號(hào)信號(hào)名稱所連設(shè)備備注A B C NACP3三相電源電源插頭 經(jīng)開關(guān)QS1到過流保護(hù)裝置三相供電設(shè)備A1 B1 C1 N1ACP3三相電源過流保護(hù)裝置保護(hù)設(shè)備PEGND接地線電機(jī)外殼 傳感器接地線接地保護(hù)A2 B2 C2ACP3三相電源變頻器輸入 經(jīng)開關(guān)QS2到電機(jī)定子回路三相供電設(shè)備C3 N1ACP2單相電源直流電源輸入單相供電設(shè)備B3 N1ACP2單相電源接觸器線圈單相供電設(shè)備U1 V1 W1VACP3變頻器輸出經(jīng)開關(guān)QS3到電機(jī)定子回路三相供電設(shè)備J1 J0DC2024V直流電源傳感器直流供電設(shè)備Q1C1KM1控制信號(hào)功率

50、三極管基極開關(guān)控制設(shè)備Q2C2KM2控制信號(hào)功率三極管基極開關(guān)控制設(shè)備4.2 控制線路設(shè)計(jì)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(cè)，以為各個(gè)傳感器供電，保證其正常工作。各個(gè)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(yùn)算從而達(dá)到控制目的。PLC通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)控制變頻器的輸出頻率從而達(dá)到控制給水流量的目的。PLC的數(shù)字量輸出單元1756-OB16D輸出數(shù)字信號(hào)控制接觸器的通斷情況。根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)控制線路連線圖如圖4.2所示。圖4.2控制線路連線圖 根據(jù)以上

51、設(shè)計(jì)我們可以得到傳感器線路接線表如表4.2所示。表4.2傳感器線路接線插腳代號(hào)信號(hào)代號(hào)信號(hào)名信號(hào)量程被測（控）物理量備注L1/L0LF+/LF-汽包水位300mm0300mm水位送PLCSF1/SF0SF+/SF-蒸汽流量13 m3/h013 m3/h蒸汽流量送PLCWF1/WF0WF+/WF-送水流量35 m3/h013 m3/h送水流量送PLC5控制算法與參數(shù)整定5.1 PID算法簡介眾所周知，要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，除了必須正確的選取、設(shè)計(jì)控制方案以外，還必須正確的選擇控制算法并進(jìn)行參數(shù)整定。在控制系統(tǒng)中，按照給定信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控

52、制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器8。它具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過程控制的典型對(duì)象“一階慣性純滯后”與“二階慣性純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活，可以方便的改變?yōu)镻I、PD、PID等控制器。 比例調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小；比例系數(shù)偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長；系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；比例系數(shù)太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。比例系數(shù)可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)

53、行機(jī)構(gòu)、傳感器以與控制對(duì)象的特性決定的。積分調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。提高無差度。因?yàn)橛姓`差積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一個(gè)常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti。Ti越小積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢。因此能產(chǎn)生超前的控制作用，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，

54、因此過強(qiáng)地加大微分調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反應(yīng)的是變化率，當(dāng)輸入沒有變化時(shí)微分作用輸出為零，因此微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合組成PD或PID控制器。5.2 三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定系統(tǒng)的參數(shù)整定可以采用理論計(jì)算法或者工程整定法。由于理論計(jì)算法要以被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性為依據(jù)，而動(dòng)態(tài)特性測取時(shí)往往具有不準(zhǔn)確性，而且容易隨工作狀態(tài)的變化而變化，因此應(yīng)當(dāng)采用工程整定的辦法。根據(jù)控制方案可以將汽包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖重畫為圖5.1所示。圖5.1汽包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中Nd、Nw、Nh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(shù)，Gw(S)、Gh(S)、Gd(S

55、)分別表示給水流量調(diào)節(jié)器、水位調(diào)節(jié)器、前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)可以分別表示為Kw、Kh、Kd ，Gf(S)、 Gp(S) 分別表示變頻器、鍋爐汽包的傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)可以分別表示為Kf、Kp 、Hr是水位給定信號(hào)。由硬件選型的相關(guān)數(shù)據(jù)可知當(dāng)系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)：， ， ， 由于該設(shè)計(jì)采用了串級(jí)控制方式，首先我們應(yīng)該從副回路開始對(duì)流量調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定，然后由而外，再對(duì)主回路水位調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定，通過兩步整定的方法完成系統(tǒng)的參數(shù)整定。 由于副回路調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速動(dòng)作以消除進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且副參數(shù)并不要求無差，所以選用P調(diào)節(jié)器就可以滿足要求了。根據(jù)控制要求可以設(shè)定1336Plus

56、II系列變頻器最高輸出頻率為50Hz，控制信號(hào)為4-20ma電流，頻率上升時(shí)間為0.5秒，電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)變頻器輸出最高頻率50Hz，此時(shí)給水流量為35 m3/h，則有副回路被控對(duì)象的增益是：，選擇頻率上升時(shí)間為0.5秒，可以認(rèn)為副回路被控對(duì)象是一個(gè)時(shí)間常數(shù)為0.3秒的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以表示為：(5.1)采用純比例調(diào)節(jié)方式可以保證副回路的穩(wěn)定性，只要保證副回路P調(diào)節(jié)器的增益足夠大即可。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試我們最終確定副調(diào)節(jié)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(yùn)

57、行后可以得到仿真波形圖如圖5.2所示，從圖中我們可以看響應(yīng)延遲時(shí)間較小，閉環(huán)增益也符合要求。環(huán)的等效傳遞函數(shù)可以認(rèn)為是 。圖5.2副回路仿真波形圖 然后我們可以對(duì)主回路再進(jìn)行參數(shù)整定，可以將副回路的等效為一個(gè)純比例環(huán)節(jié)，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(diào)節(jié)器，根據(jù)Ziegler-Nichols響應(yīng)曲線法9和被控對(duì)象的開環(huán)傳遞函數(shù)以與特征參數(shù)整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。35t/h鍋爐汽包是一個(gè)沒有自平衡能力的被控對(duì)象，其傳遞函數(shù)是： (5.2)根據(jù)Ziegler-Nichols響應(yīng)曲線法，假設(shè)沒有自平衡能力的被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是：(5.3)可以按照表5.1所示進(jìn)行參數(shù)整

58、定，其中，而且表5.1Ziegler-Nichols響應(yīng)曲線法參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律KP1/aPI0.9/aPID1.2/a由此可以知道對(duì)于35t/h鍋爐汽包來說: 則PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)分別是： ，由于將副回路等效為一個(gè)增益為11.7的純比例環(huán)節(jié)實(shí)際PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)是： (5.4)將35t/h鍋爐汽包的傳遞函數(shù)作如下改寫： (5.5)對(duì)于PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也做類似的改寫：(5.6) 將反饋系數(shù)0.01等效到前向通道，即可以認(rèn)為PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)擴(kuò)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

59、,0);sk=s1*s2*11.7*100;s=feedback(sk,0.01);step(s);運(yùn)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(shí)的超調(diào)量太大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)該在以上參數(shù)整定的基礎(chǔ)上再進(jìn)行調(diào)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(yùn)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我們可以看到系統(tǒng)的超調(diào)量大約是16%，調(diào)節(jié)時(shí)間大約是130秒，穩(wěn)態(tài)誤差是0，控制效果滿足控制要求。將前饋補(bǔ)償器的輸出信號(hào)引入回路，使蒸汽流量信號(hào)和給水流量信號(hào)較好的配合以消除“虛假水位現(xiàn)象”的影響。蒸汽流量信號(hào)對(duì)汽包水位影響的傳遞函數(shù)是： （5.7）我們可以設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： （5.8）可以分別抵消掉Nd和副回路以與被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。綜上所訴我們可以得到流量調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：(5.9)水位調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是： (5.10)前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：(5.11)6軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)參數(shù)整定的結(jié)果，汽包水位的穩(wěn)定可以按照這些控制算法來實(shí)現(xiàn)，在執(zhí)行控制運(yùn)算之前，可以對(duì)汽包水位的高度狀態(tài)進(jìn)行判斷，并做出相應(yīng)的處理。因此系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括