基于MCGS的鍋爐汽包水位計算機控制系統(tǒng)設計終稿

本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）題目：基于MCGS的鍋爐汽包水位計算機控制系統(tǒng)設計學生姓名：學號：專業(yè)：測控技術與儀器班級：基于MCGS的鍋爐汽包水位計算機控制系統(tǒng)設計摘要汽包水位是影響鍋爐安全運行的一個重要參數(shù)，它間接地反映了鍋爐負荷和給水的平衡關系，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(fā)展使得PLC廣泛應用于過程控制領域并極大地提高了控制系統(tǒng)性能，PLC已經(jīng)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(fā)，重點分析了鍋爐汽包水位的“虛假水位現(xiàn)象”，提出了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的三沖量控制方案。根據(jù)控制要求和所設計的控制方案進行硬件選型以及系統(tǒng)的硬件設計，利用PLC編程實現(xiàn)控制算法進行系統(tǒng)的軟件設計，最終完成PLC在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中應用。采用自動化監(jiān)控軟件MCGS進行操作站的組態(tài)設計，現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測及輸出控制，實現(xiàn)了對鍋爐汽包水位的控制。關鍵詞：汽包水位；PLC；三沖量調節(jié)系統(tǒng)；PID控制；MCGS監(jiān)控軟件BasedontheMCGSboilerdrumwaterlevelofthecomputercontrolsystemdesignAbstractThesteamdrumwaterlevelisaveryimportantparameterfortheboilersafeoperation,lowsteamdrumwaterlevelmayleadtoextremelyseriousconsequence,thereforeitmustbestrictlytobecontrolled.WiththerapiddevelopmentofPLCtechnology,itcanwidelybeappliedtotheprocesscontroldomainandenhancestheperformanceofcontrolsystemenormously.PLChasalreadybecometheessentialimportantequipmentinautomaticcontroldomain.Basedontheanalysisofallkindsoffactorswhichinfluencesteamdrumwaterlevel,“unrealwaterlevelphenomenon”isanalyzedspecially,andthreeimpulsescontrolplanforsteamdrumwaterlevelcontrolsystemisproposed.Accordingtotheneedsofcontrol,theselectionofcontrolrequirementshardwareandsystemhardwaredesignaswellassystemsoftwaredesignarecarriedout.FinallytheapplicationofPLCinboilersteamdrumwatercontrolsystemiscompleted.WechooseautomaticmonitoredsoftwareMCGSasoperationstationwhichcanrealizeconfigurationdesignforoperationstationandrealizedatatestingandoutputcontrolinthescene.Asaresult,thiscanrealizethecontrolforthe.Keywords:目錄摘要 IAbstract II第一章引言 11.1課題背景 11.2汽包水位控制現(xiàn)狀及存在問題 31.3本課題主要任務 6第二章鍋爐系統(tǒng)概述 72.1鍋爐的結構 72.2鍋爐的汽水系統(tǒng) 92.2.1鍋爐水循環(huán)系統(tǒng) 92.2.2鍋爐蒸汽發(fā)生過程 112.3鍋爐汽包水位控制特性 132.3.1汽包水位調節(jié)對象的動態(tài)特性 132.3.2汽包的熱平衡方程 13第三章鍋爐控制系統(tǒng)總體方案 153.1鍋爐控制系統(tǒng)概述 153.2鍋爐汽包水位控制系統(tǒng) 163.3鍋爐燃燒控制系統(tǒng) 163.4過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 173.5除氧器控制系統(tǒng) 17第四章鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計 184.1汽包水位的影響因素 184.2鍋爐汽包水位常規(guī)控制策略 204.3汽包水位系統(tǒng)控制方案確定 244.4汽包水位的控制方案設計 254.4.1硬件工作原理 254.4.2PLC與過程監(jiān)控軟件概況及選擇 27第五章PID控制算法及PLC編程 295.1PID控制算法 295.2PID控制原理 305.3PID對控制的影響 315.4PLC軟件要完成的任務 325.5PID調節(jié)器的PLC編程 335.5.1程序流程設計 335.5.2梯形圖程序設計 34第六章MCGS組態(tài)軟件設計 356.1MCGS組態(tài)軟件簡介 356.2MCGS組態(tài)軟件的系統(tǒng)構成 356.3MCGS監(jiān)控界面設計 36第七章結論與展望 38參考文獻 40致謝 42附錄 43引言課題背景鍋爐是發(fā)電、煉油、化工等工業(yè)部門的重要能源、熱源動力設備。為保證提供合格的蒸汽適應負荷的需要以及鍋爐的運行安全，鍋爐系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)必須嚴格控制。鍋爐系統(tǒng)主要的被控參數(shù)有汽包水位，過熱蒸汽壓力，過熱蒸汽溫度，爐膛負壓，燃-空配比；主要的控制變量有：鍋爐給水、燃燒量、減溫水流量、送風量。由于鍋爐負荷變化比較大、啟停頻繁，依靠人工操作很難確保其在經(jīng)濟工況下安全、穩(wěn)定地長期運行，所以鍋爐系統(tǒng)必須裝備自動控制設備。對它的控制要求建立較為精確的數(shù)學模型，但是對于鍋爐這一時變、死區(qū)、非線性、多變量禍合、擾動大的復雜系統(tǒng)而言，這絕非一件易事，而且鍋爐對象的特征會隨著鍋爐運行工況的改變而改變，沒有確定的數(shù)學模型[1]。汽包水位是鍋爐正常運行的重要參數(shù)，維持汽包水位在一定的范圍內變化，是鍋爐水位控制的重要任務之一，也是保證汽機和鍋爐安全運行的重要條件。如果汽包水位過高，會影響汽包的汽水分離裝置的正常工作，導致鍋爐出口蒸汽帶水和含鹽量過大，使過熱器受熱面結垢甚至遭到破壞，影響機組的正常運行和經(jīng)濟性指標；如果汽包水位過低，會使鍋爐水循環(huán)工況破壞，造成水冷壁供水不足而被燒壞。在鍋爐汽包水位控制中被控變量是汽包水位，操作變量是給水流量，給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等都有影響。它主要考慮汽包內部的物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋爐安全運行的必要條件。鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量，使其與蒸發(fā)量保持平衡，維持鍋筒內水位在允許的范圍內變化。鍋爐長期在高水位下運行，已成為高參數(shù)汽包鍋爐普遍存在的問題。研究汽包內部實際水位與理想水位差值的成因，并設法修正和消除這個差值，合理控制汽包水位，保證鍋爐安全運行有著重要的現(xiàn)實意義。為了滿足負荷設備的要求，保證鍋爐本身運行的安全性和經(jīng)濟性，各種鍋爐主要有如下自動調節(jié)[2-5]任務：1．保持汽包水位在指定范圍鍋爐汽包水位用來表示其蒸發(fā)面的高低。汽包水位過高，蒸汽空間縮小，將會引起蒸汽帶水，使蒸汽帶水，使蒸汽品質惡化，以致在過熱器內產生鹽垢沉積，使管子過熱，金屬強度降低而發(fā)生爆破；滿水時蒸汽大量帶水，將會引起管道和汽輪機內水循環(huán)的破壞，使水冷壁管超溫;嚴重缺水時，還可能造成很嚴重的設備損壞和人身事故。2．維持蒸汽壓力氣壓過高是很危險的。氣壓過高而安全閥萬一發(fā)生故障不動作，則可能發(fā)生爆炸事過，對設備和人身安全都帶來嚴重的危害。另一方面，即使安全閥工作正常，氣壓過高時由于機械應力過大，也將影響鍋爐各承壓部件的長期安全性。當安全閥經(jīng)常動作時，排入大量蒸汽，也會造成經(jīng)濟上的損失。當安全閥經(jīng)常動作，由于磨損或者有污物沉淀在閥座上，容易發(fā)生回座時關閉不嚴，以致造成經(jīng)常性漏氣損失，有時還需停爐進行檢修。3．維持爐膛負壓鍋爐在正常運行中，爐膛壓力應保持在10—20Pa的負值范圍之內。負壓過大，漏風嚴重，總的風量煙氣熱量損失增大，同時引風機的電耗增加，不利于經(jīng)濟燃燒，負壓偏大，爐膛要向外噴火，不利于安全生產，有害于環(huán)境衛(wèi)生。為了使鍋爐生產運行在最佳工況，必須要維持爐膛壓力在一定的范圍之內。4．維持過熱蒸汽溫度恒定蒸汽溫度也是鍋爐運行中必須監(jiān)視和控制的主要參數(shù)之一。鍋爐運行中如果過熱蒸汽溫度偏離額定值過大，將會直接影響到鍋爐和汽輪機的安全、經(jīng)濟。過熱蒸汽汽溫過高，若超過設備部件（如過熱器管、汽輪機的噴管和葉片，以及蒸汽管道、閥門等）的允許工作溫度，將使鋼架加速蠕變，從而降低設備使用壽命，嚴重超溫甚至會使管子過熱而爆破。過熱蒸汽汽溫過低，將會降低熱力設備的經(jīng)濟性。如果在蒸汽初始壓力為11.76-24.5MPa時，過熱蒸汽氣溫每降低10℃,大約會使循環(huán)效率降低0.5；氣溫過低還會使汽輪機的最后幾級的蒸汽濕度增加，對葉片的侵蝕作用加劇。嚴重是將會發(fā)生水沖擊，威脅汽輪機的安全。因此，運行中規(guī)定，當汽溫降低到一定數(shù)值時，汽輪機就要減負荷甚至緊急停車。5．保證鍋爐燃燒的經(jīng)濟性燃燒過程的穩(wěn)定性，直接關系到鍋爐運行的可靠性。如果燃燒過程不穩(wěn)定將引起蒸汽參數(shù)發(fā)生變動；爐膛內溫度過低將影響燃燒的著火和正常燃燒，容易造成鍋爐滅火；爐膛內溫度過高或火焰中心偏斜將引起水冷壁、爐膛出口受熱面結渣，并可能增大過熱器的熱偏差，造成局部管壁超溫等。所以，適當調節(jié)燃燒，使燃燒工況穩(wěn)定，是保障鍋爐安全可靠運行的重要條件。汽包水位控制現(xiàn)狀及存在問題先進控制策略的發(fā)展主要向預先控制、自適應控制、智能控制、模擬控制等方面發(fā)展。目前，國內外汽包水位控制策略采用三沖量控制、模糊控制及PID自校準與自調整的比較多，特別是前2種，其中模糊控制主要是朝智能化方向發(fā)展，表現(xiàn)在模糊控制與智能控制的結合，采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制等。它避免了只憑經(jīng)驗和試湊法設計模糊控制器所存在的困難和盲目性，有效地提高了模糊控制器的控制品質，F(xiàn)NN的結構考慮了模糊推理及模糊規(guī)則，主要解決的問題是：規(guī)則的完整性、規(guī)則的優(yōu)化和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PID自調整、自校正主要采用不同的優(yōu)化方法對參數(shù)進行自調整；預測函數(shù)控制、廣義預報自適應控制、模型參考自適應控制等基于模型的控制方法發(fā)展的比較少，具體在實際應用過程中應用的則更少；前敘的各種汽包水位控制策略各有優(yōu)缺點，引入汽包水位噪聲的因素，并基于這些控制策略開發(fā)新的控制策略將是項很有意義的工作，也是可行的[6]。目前較為流行也運用較多的鍋爐控制方法如PID控制，其優(yōu)點是控制系統(tǒng)結構較為簡單，易于實現(xiàn)。但是對于鍋爐汽包水位控制，最大問題是在汽包運行中出現(xiàn)的“虛假水位”現(xiàn)象。過高的水位會影響汽水分離裝置的汽水分離效果,使鍋爐出口的飽和蒸汽的濕度增大,含鹽量增多,造成過熱器和汽輪機通流部分結垢,從而引起過熱器管壁超溫甚至爆管。當水位嚴重過高時,還將使汽輪機產生水沖擊,引起破壞性事故。水位過低,會影響鍋爐的水循環(huán)安全,造成局部水冷壁管過熱,嚴重缺水時造成鍋爐爆炸。若采用簡單的PID控制方式控制汽包水位，在出現(xiàn)“虛假水位”時，控制系統(tǒng)將會減少汽包進水流量，致使汽包中供水量進一步減少。因此，常規(guī)的PID控制器難以獲得良好的控制效果。PLC是70年代發(fā)展起來的中大規(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)被廣泛應用于機械制造、冶金、化工、能源、交通等各種行業(yè)。隨著計算機在操作系統(tǒng)、應用軟件、通信能力上的飛速發(fā)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(fā)的一項新技術。它是PLC軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)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(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用PLC控制技術，能實現(xiàn)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(jié)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(jù)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(zhí)行機構從而實現(xiàn)給水流量的調節(jié)，使汽包內部的物料達到動態(tài)平衡，汽包水位變化在允許范圍之內。鍋爐汽包水位控制的任務是鍋爐的給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍內。汽包水位反應了汽包鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系，是鍋爐運行中一個非常重要的監(jiān)控參數(shù)，保證汽包水位正常是保證鍋爐與汽輪機安全運行的必要條件。汽包水位過高，影響汽包內汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過高而使過熱器管壁結垢，容易導致過熱器燒壞。汽包出口蒸汽中水分過多，也會使氣溫過熱產生急劇變化，直接影響機組運行的經(jīng)濟性和安全性。汽包水位過低，則可能破壞鍋爐水循環(huán)，造成水冷壁管燒壞而破裂。鍋爐汽包水位系統(tǒng)結構圖如圖1.1所示。圖1.1鍋爐汽包水位系統(tǒng)結構圖本課題主要任務本文以發(fā)電廠鍋爐汽包水位為研究對象，針對汽包水位的控制現(xiàn)狀，在討論汽包水位對象特性控制理論的基礎上，將PID控制算法融入PLC控制技術應用于汽包水位控制進行了研究。本文主要進行了以下幾個方面的工作:1．設計鍋爐汽包水位控制方案從鍋爐汽包水位的動態(tài)性能入手，分析影響鍋爐汽包水位的主要因素，并對這些因素對鍋爐汽包水位動態(tài)性能的影響進行理論研究。在此基礎之上，根據(jù)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(wěn)定的目的。2．硬件設備的選型與設計根據(jù)所設計的控制方案合理地選擇檢測元件、執(zhí)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(jù)控制方案合理地進行硬件設計，完成各種設備之間的接線與配置，并進行設備的安裝調試。為整個系統(tǒng)的實現(xiàn)以及穩(wěn)定、可靠運行打下基礎。3．PID控制算法鍋爐汽包水位監(jiān)控系統(tǒng)在發(fā)生擾動的情況下，控制器采用PID控制策略[3]，提高了系統(tǒng)在惡劣情況下的抗干擾能力和控制系統(tǒng)的魯棒性能，保證了生產過程的穩(wěn)定和安全。在鍋爐水位控制系統(tǒng)中，將PID算法融于PLC控制系統(tǒng)，取得了良好的控制效果。4．PLC程序和監(jiān)控界面設計根據(jù)參數(shù)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(xiàn)控制算法。同時利用組態(tài)軟件進行監(jiān)控界面的設計，實現(xiàn)通過上位機對整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控功能，使之能夠動態(tài)顯示系統(tǒng)的運行狀況，并可以通過監(jiān)控界面對系統(tǒng)進行相關操作。PLC對整個鍋爐的運行進行監(jiān)測、報警、控制，以保證鍋爐正?？煽康剡\行。5．對本文的工作進行總結，得出結論，并對本文涉及的內容進行進一步的展望。鍋爐系統(tǒng)概述鍋爐的結構鍋爐設備中的“鍋”與‘爐”，一個吸熱，一個放熱這兩個密切相關的系統(tǒng)組成了一套完整的設備。為了對鍋爐設備有一個總體的了解，下面以圖2.1所示的SZP10-25/400型鍋爐[S表示雙汽包，Z表示縱置式，P表示拋煤機，10表示鍋爐容量(t/h)，25表示過熱蒸汽壓力(大氣壓，約合2.5MPa)400表示過熱蒸汽溫度(℃)]為例，對鍋爐的風煤煙系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)作一簡要介紹。圖2.1SZP10-25/400型鍋爐簡圖1-煙管；2-灰渣斗；3-手捅爐排；4-拋煤機；5-側水冷壁；6-爐膛；7-前下降管；8-前水冷壁；9-汽包；10-汽包入孔門；11、15、18-擋火墻；12-空氣門；13-燃盡室；14-安全門；16-過熱器；17-飽和蒸汽管；19-對流管束；20-下汽包；21-省煤器；22-空氣預熱器；23-煙道；24-飛灰復燃器；25-旁通煙道汽包既是自然循環(huán)鍋爐的一個主要受壓部件，又是將鍋爐各部分受熱面，如水冷壁、對流管束、過熱器和省煤器等連接在一起的閉合件，其內部部件布置如圖2.2所示。同時它和水冷壁(或蒸發(fā)管束)、下降管等組成自然水循環(huán)回路。由于它能儲存一定數(shù)量的水，因而增加了鍋爐運行的安全性。由于汽包里的水是飽和水，能在汽壓增高時吸收熱量，而在汽壓降低時放出熱量，所以當外界負荷波動時，它能起減緩汽壓變化速度的作用。此外，蒸發(fā)管中來的汽水混合物要在汽包內進行汽水自然分離，當其分離能力不夠時，還要在汽包內裝設汽水分離裝置。為了提高蒸汽品質，中壓以上鍋爐的汽包內還要裝設蒸汽清洗裝置。為了改善爐水品質，使其不致在爐內生成水垢，要在汽包內進行爐水的加藥處理和爐水排污。為了保證鍋爐的安全運行，在汽包的外面還裝有一些指示儀表和保護設備，如水位計、壓力表、安全門等。圖2.2汽包內部部件布置圖B-連排管；C-化學加藥管；F-給水管；V-抗渦流元件；DC-下降管汽包是用鋼板焊制成的圓筒形容器，它由簡體和封頭兩部分組成。汽包的長度隨著鍋爐蒸發(fā)量的不同可從幾米至十幾米，汽包直徑可從0.8m-2m。汽包簡壁的厚度隨著鍋爐汽壓、汽包直徑和所用材料的不同可從十幾毫米至一百多毫米。中、低壓鍋爐的汽包材料常為專用的鍋爐碳素鋼(A3g、15g、20g等)，高壓鍋爐的汽包常用低合金鋼制造。汽包兩端的封頭是用鋼板沖壓而成的，并焊接在汽包的簡體上。為了便于進入汽包進行檢修等工作，至少應在一個封頭上開有入孔，入孔蓋自汽包里側向外用螺栓拉緊，這樣可借助于汽包內的壓力使入孔封閉得更加嚴密。鍋爐的汽水系統(tǒng)在火力發(fā)電廠中，鍋爐生產具有一定溫度和壓力的過熱蒸汽，是重要的熱源、能源動力設備。鍋爐是由以下兩個系統(tǒng)組成：1．風煤煙系統(tǒng)：在這一系統(tǒng)中，煤與空氣中的氧氣化合燃燒放熱，產生高溫的火焰和煙氣。煙氣在爐膛和煙道中流動時，不斷地把熱量傳遞給汽水系統(tǒng)而使本身溫度逐漸降低，最后被排出爐外，這一過程是放熱。2．水循環(huán)系統(tǒng)：送入鍋爐的水，在水循環(huán)系統(tǒng)內首先吸收熱量蒸發(fā)成飽和蒸汽，然后再吸收熱量變成過熱蒸汽，這一過程的特點是吸熱。鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)鍋爐的汽水系統(tǒng)如圖2.3和圖2.4所示。由結水泵送到鍋爐來的水，先進入省煤器1。省煤器裝在鍋爐的尾部煙道中，它的作用是利用煙氣的熱量加熱鍋爐給水，降低排煙溫度，減少排煙熱損失，提高鍋爐熱效率。水經(jīng)省煤器提高溫度后，進入汽包3。汽包是用鋼板焊制而成的圓筒形容器，它能貯存一定的水量，增加鍋爐運行的安全性和穩(wěn)定性。由于汽包內有一定的蒸汽空間并裝有汽水分離設備，因此它還有汽水分離作用。汽包中的水沿對流管束4進入下汽包5。這些對流管束處于鍋爐的后部煙道，煙氣溫度較低，對流傳熱較弱，水在這些對流管束中是自上而下流動的，因此它起著下降管的作用。圖2.3SZP10-25/400型鍋爐汽水系統(tǒng)簡圖1-省煤器；2-給水管；3-汽包；4、6-對流管束；5-下汽包；7-下降管；8-后聯(lián)箱；9-后水冷壁；10-側聯(lián)箱；11-側水冷壁；12-前下降管；13-前聯(lián)箱；14前水冷壁；15-過熱器下汽包是比汽包小的圓筒形容器，也是用鋼板焊制而成。它的作用是匯集和分配爐水。另外，下汽包中還設有定期排污裝置。下汽包中的水，一部分進入對流管束6。這些對流管束處于煙氣溫度較高的煙道，對流傳熱較強，對流管束中的水部分汽化，汽水混合物自下而上流動進入汽包3。下汽包中的水，另一部分則沿下降管7分別進入后聯(lián)箱8和側聯(lián)箱10。后聯(lián)箱中的水經(jīng)過后水冷壁9部分蒸發(fā)后，汽水混合物回到汽包，側聯(lián)箱中的水經(jīng)過側水冷壁11部分蒸發(fā)后，汽水混合物回到汽包。在鍋爐的前部，汽包中有一部分水沿前下降管12進入前聯(lián)箱13，然后沿前水冷壁14部分蒸發(fā)后，汽水混合物回到汽包。聯(lián)箱是用大口徑的無縫鋼管焊制面成，它起著匯集和分配爐水的作用。前水冷壁、后水冷壁和兩側水冷壁都裝置在爐膛內，由靠近爐墻并排布置的許多較細的無縫鋼管組成。由于水冷壁裝置在爐膛內，溫度很高的火焰和煙氣對它產生強烈的輻射傳熱，使水冷壁管中的水受熱汽化，產生蒸汽，汽水混合物自下而上進入汽包。因此，水冷壁是鍋爐的主要蒸發(fā)受熱面。另外，由于水冷壁的大量吸熱，降低了爐膛內壁的溫度，所以它能夠保護爐墻不被燒壞，使爐墻在結構上可以減薄，并有防止爐膛結渣的作用。SKIPIF1<0圖2.4鍋爐汽水系統(tǒng)方框圖進入汽包的汽水混合物，在汽包內分離成水和飽和蒸汽，前者將繼續(xù)參加循環(huán)，后者將進入過熱器15內過熱。過熱器是由許多蛇形的、較細的無縫鋼管組成，裝置在煙氣溫度較高的煙道中。它的作用是利用煙氣的熱量把飽和蒸汽加熱成為過熱蒸汽。過熱蒸汽就是鍋爐的產品，通過蒸汽管道送往汽輪機。鍋爐蒸汽發(fā)生過程鍋爐的任務使利用燃燒放出的熱能產生具有一定壓力和溫度的蒸汽。在鍋爐中，蒸汽可以看作是在壓力不變的情況下產生的。蒸汽的發(fā)生過程如圖2.5所示：由給水泵送入鍋爐的水首先進入省煤器，水流經(jīng)省煤器時，吸收煙氣中的熱量被加熱，溫度逐漸升高。由省煤器出來的水進入汽包，然后經(jīng)下降管進入下汽包，水經(jīng)下汽包分配到水冷壁（或對流管束）中去，在一定壓力下繼續(xù)加熱，溫度不斷升高。當溫度升高到一定數(shù)值時，水開始沸騰，水開始沸騰時的溫度叫沸騰溫度或飽和溫度，飽和溫度與壓力有關，在一定壓力下有一定的飽和溫度。壓力越高，飽和溫度就越高。水達到飽和溫度之后，繼續(xù)加熱，水便開始汽化。在汽化的整個過程中溫度是不變的，即維持在與當時的壓力相對應的飽和溫度之下。處于飽和溫度下的水稱之為飽和水，處于飽和溫度下的蒸汽稱之為飽和蒸汽,含有水滴的飽和蒸汽為飽和蒸汽。飽和蒸汽是極不穩(wěn)定的，即使壓力和溫度只有很小的變化，蒸汽也會部分凝結或使蒸汽中所含有的水滴汽化。圖2.5鍋爐蒸汽發(fā)生過程示意圖水冷壁（或對流管束）中所產生的飽和蒸汽與尚未汽化的水一同進入汽包。汽包中裝有汽水分離設備，在汽水分離設備的作用下，飽和蒸汽與水分開。分離出來的水進入汽包的水容積繼續(xù)參加循環(huán)，而飽和蒸汽則被引入過熱器繼續(xù)吸收煙氣中的熱量，使蒸汽溫度升高到規(guī)定的數(shù)值，這種溫度高于飽和蒸汽叫做過熱蒸汽。綜上所述，由水變成蒸汽的過程，是在不斷有熱量供給的情況下進行的，并且由以下三個階段組成：1．加熱過程，水由初溫加熱到飽和溫度；2．汽化過程，由飽和水變成飽和蒸汽；3．過熱過程，蒸汽過熱到規(guī)定的溫度。其中汽包是以上過程中的核心部件，它是自然循環(huán)鍋爐的一個主要受壓部件，汽包是用鋼板焊制而成的圓筒形容器，它和水冷壁（或蒸發(fā)管束），下降管等組成自然水循環(huán)回路。由于它能儲存一定數(shù)量的水，因而增加了鍋爐運行的安全性和穩(wěn)定性。由于汽包里的水是飽和水，能在汽壓增加時吸收熱量，而在汽壓降低時放出熱量，所以當外界負荷波動時，它能起減緩汽壓變化速度的作用。此外，蒸發(fā)管中來的汽水混合物要在汽包內進行汽水自然分離，當其分離能力不夠時，還要在汽包內裝設汽水分離裝置。鍋爐汽包水位控制特性汽包水位調節(jié)對象的動態(tài)特性在熱力生產過程中，汽包鍋爐水位是正常運行的主要指標之一，是非常重要的被調量，在鍋爐運行中占據(jù)首要地位。所以，工業(yè)鍋爐的自動化大多數(shù)都是從汽包水位自動調節(jié)開始的。其中鍋爐汽包水位自動調節(jié)中的被調量和干擾因素包括：被調量：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負荷、過?？諝庀禂?shù)；干擾因素：蒸汽負荷、鍋爐給水量、燃料量、減溫水、送風和引風。給水自動調節(jié)系統(tǒng)的任務主要包括兩個方面：1．使給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量，維持汽包水位在規(guī)定的范圍之內波動；2．保持給水量的穩(wěn)定。汽包水位的高低反映了給水量和蒸發(fā)量之間的物料平衡關系。汽包鍋爐正常水位一般規(guī)定在汽包中心線以下100—200mm處，允許波動范圍為±50mm。汽包水位的高低直接影響鍋爐的安全運行和蒸汽的品質。水位過高，會影響汽水分離裝置的正常工作，嚴重時導致蒸汽帶水量增加，使過熱器管壁和汽輪機噴嘴、葉片結垢，甚至造成汽輪機發(fā)生水沖擊而損壞葉輪；水位過低，則破壞了正常水循環(huán)，以致燒壞某些受熱面，影響鍋爐壽命，嚴重時會造成爆炸事故，危及人身和設備的安全。所以，及時調整給水流量，維持給水流量與蒸汽流量間的平衡關系，以適應負荷變化的要求，實現(xiàn)汽包鍋爐水位自動調節(jié)十分必要。汽包的熱平衡方程鍋爐是利用燃料燃燒放熱生產一定數(shù)量和質量的蒸汽。從能量平衡觀點看，當鍋爐處于穩(wěn)定工況運行時，輸入鍋爐的熱量與鍋爐支出的熱量應當平衡。將鍋爐輸入熱量等于支出熱量的這種平衡關系，用公式表示出來，就是鍋爐的熱平衡方程。在穩(wěn)定工況下，以—公斤燃料為基礎的熱平衡方程如下：SKIPIF1<0(2-1)式中SKIPIF1<0——1kg燃料和隨此燃料一起進入鍋爐的熱量，(鍋爐輸入熱量)kJ/kg；SKIPIF1<0——對應于1kg燃料的有效利用熱量，kJ/kg；SKIPIF1<0——對應于1kg燃料的排煙損失熱量，kJ/kg；SKIPIF1<0——對應于1kg燃料的化學不完全燃燒損失熱量，kJ/kg；SKIPIF1<0——對應于1kg燃料的機械不完全燃燒損失熱量，kJ/kg；SKIPIF1<0——對應于1kg燃料的鍋爐熱散損失，kJ/kg；SKIPIF1<0——對應于1kg燃料的爐渣物理熱損失，kJ/kg；將上式各項均除以SKIPIF1<0,并乘以100%，則可用熱量的百分數(shù)寫出鍋爐熱平衡方程：SKIPIF1<0(2-2)式中SKIPIF1<0SKIPIF1<0；SKIPIF1<0SKIPIF1<0——鍋爐有效利用熱百分數(shù)，%；SKIPIF1<0——排煙熱損失百分數(shù)，%；SKIPIF1<0——化學不完全燃燒熱損失百分數(shù)，%；SKIPIF1<0——機械不完全燃燒熱損失百分數(shù)，%；SKIPIF1<0——鍋爐散熱損失百分數(shù)，%；SKIPIF1<0——爐渣物理熱損失百分數(shù)，%鍋爐控制系統(tǒng)總體方案鍋爐控制系統(tǒng)概述鍋爐是電廠重要的動力設備，其任務是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負荷的需要。為此，鍋爐生產過程的各個主要參數(shù)都必須進行嚴格控制。鍋爐設備是一個復雜的控制對象，主要輸入變量是負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風量。主要輸出變量包括汽包水位、過熱蒸汽溫度及壓力、煙氣氧量和爐膛負壓等。因此鍋爐是一個多輸入、多輸出且相互關聯(lián)的復雜控制對象。鍋爐控制系統(tǒng)主要包括鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)、鍋爐燃燒控制系統(tǒng)、過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)、除氧器控制系統(tǒng)等，其主要工藝流程如圖3.1。SKIPIF1<0圖3.1鍋爐主要工藝流程圖1燃燒嘴；2爐膛；3汽包；4減溫器；5爐墻；6過熱器；7省煤器；8空氣預熱器由圖3.1可知，給水泵、給水調節(jié)閥、省煤器、汽包及循環(huán)管等構成了蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。燃料和熱空氣按一定比例進入燃燒室燃燒，生成的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產生飽和蒸汽Ds，然后經(jīng)過過熱器，形成具有一定溫度的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為PM的過熱蒸汽，經(jīng)負荷設備調節(jié)控制機構，提供給生產負荷設備使用。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽后，再經(jīng)省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后由引風機送往煙囪，排入大氣。供熱鍋爐設備的控制任務是根據(jù)熱負荷的需要，供應一定溫度和壓力的蒸汽，同時使鍋爐在經(jīng)濟安全的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設備有以下主要的控制系統(tǒng)。鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，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。水位過低，則會破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成干鍋，損壞汽包，所以其值過高過低都可能造成重大事故。它的被調量是汽包水位，而調節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調節(jié)，使汽包內部的物料達到動態(tài)平衡，變化在允許范圍之內，由于鍋爐汽包水位對蒸氣流量和給水流量變化的響應呈積極特性。但是在負荷急劇增加時，表現(xiàn)卻為"逆響應特性"，即所謂的"虛假水位"，造成這一原因是由于負荷增加時，導致汽包壓力下降，使汽包內水的沸點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)，實質上是維持鍋爐進出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過調整進水量的多少來達到進出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個設有自平衡能力的被控對象，運行中存在虛假水位現(xiàn)象，實際應用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙沖量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制方法。鍋爐燃燒控制系統(tǒng)鍋爐燃燒控制過程有三個任務：給煤控制，給風控制，爐膛負壓控制。保持煤氣與空氣比例使空氣過剩系數(shù)在1.08左右、燃燒過程的經(jīng)濟性、維持爐膛負壓，所以鍋爐燃燒過程的自動調節(jié)是一個復雜的問題。以35t鍋爐為例來說燃燒放散高爐煤氣，要求是最大限度地利用放散的高爐煤氣，故可按鍋爐的最大出力運行，對蒸汽壓力不做嚴格要求，燃燒的經(jīng)濟性也不做較高的要求。這樣鍋爐燃燒過程的自動調節(jié)簡化為爐膛負壓為主參數(shù)的定煤氣流量調節(jié)。爐膛負壓Pf的大小受引風量、鼓風量與煤氣量（壓力）三者的影響。爐膛負壓太小，爐膛向外噴火和外泄漏高爐煤氣，危及設備與運行人員的安全。負壓太大，爐膛漏風量增加，排煙損失增加，引風機電耗增加。根據(jù)多年的人工手動調節(jié)摸索，35t鍋爐的Pf=20Pa來進行設計。調節(jié)方法是初始狀態(tài)先由人工調節(jié)空氣與煤氣比例，達到理想的燃燒狀態(tài)，在引風機全開時達到爐膛負壓20Pa，投入自動后，只調節(jié)煤氣蝶閥，使壓力波動下的高爐煤氣流量趨于初始狀態(tài)的煤氣流量，來保持燃燒中高爐煤氣與空氣比例達到最佳狀態(tài)。因此，鍋爐燃燒過程自動控制系統(tǒng)按照控制任務的不同可分為三個子控制系統(tǒng)，即蒸汽壓力控制系統(tǒng)、煙氣氧量控制系統(tǒng)和爐膛負壓控制系統(tǒng)。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)過熱蒸汽的溫度是鍋爐生產過程的重要參數(shù)，一般由鍋爐和汽輪機生產的工藝確定。從安全生產和經(jīng)濟技術指標上看，必須控制過熱蒸汽溫度在允許范圍之內。調節(jié)手段是改變減溫水流量。從結構上看，這是一個簡單的單回路控制系統(tǒng)，但是實際系統(tǒng)存在以下問題：鍋爐的進水系統(tǒng)中實際有三臺調節(jié)閥，即鍋爐總給水閥、減溫水閥和汽包給水支閥。因為這3個閥都控制給水量，將會通過進水交點處壓力P的變化而產生關聯(lián)作用。除氧器控制系統(tǒng)除氧器控制系統(tǒng)包括除氧器壓力和液位兩個控制子系統(tǒng)。在35T鍋爐計算機控制系統(tǒng)中，除氧器壓力控制系統(tǒng)和除氧器液位控制系統(tǒng)都設計為單回路PI控制方式。在滿足鍋爐生產的實際要求的前提下，單回路PI控制方式具有結構簡單、容易整定和實現(xiàn)等優(yōu)點。對于除氧器壓力系統(tǒng)而言，當除氧器壓力發(fā)生變化時，壓力控制系統(tǒng)調節(jié)除氧器的進汽閥，改變除氧器的進汽量，從而將除氧器的壓力控制在目標值上；同樣，對于除氧器液位系統(tǒng)，當除氧器液位發(fā)生變化時，液位控制系統(tǒng)調節(jié)除氧器的進水閥，改變除氧器的進水量，從而將除氧器的液位控制在目標值上。鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計汽包水位的影響因素首先應該從分析汽包水位的動態(tài)特性入手。鍋爐給水調節(jié)對象如圖4.1所示。給水調節(jié)機構為變頻器調節(jié)給水量W，汽輪機耗汽量D是由汽輪機閥門開度來控制的。SKIPIF1<0圖4.1鍋爐給水調節(jié)對象初看起來，汽包水位的動態(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。但實際情況并非如此，最突出的一點就是水循環(huán)系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)的總水量沒有發(fā)生變化，汽包水位也會因此隨之發(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(huán)系統(tǒng)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4.2所示的曲線H1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4.2所示的曲線H2所示。水位的實際響應曲線應是曲線H1和H2之和，如圖4.2所示的曲線H所示。從圖中可以看出該響應過程有一段延遲時間。即它是一個具有延遲時間的積分環(huán)節(jié)，水的過冷度越大則響應延遲時間就會越長。其傳遞函數(shù)可以近似表示為：SKIPIF1<0(4.1)式中SKIPIF1<0表示汽包水位的飛升速度，SKIPIF1<0表示延遲時間。SKIPIF1<0圖4.2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(tài)，使汽包內液體蒸發(fā)量變大從而使水位下降，如圖4.3所示的曲線H1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4.3所示曲線H2所示。水位的實際響應曲線應該是曲線H1和H2之和，如圖4.3所示曲線H所示。對于大中型鍋爐來說，后者的影響要大于前者，因此負荷做階躍增加后的一段時間內會出現(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為這是一個慣性加積分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以近似的表示為：SKIPIF1<0(4.2)式中SKIPIF1<0表示汽包水位對于蒸汽流量的飛升速度，SKIPIF1<0表示“假水位現(xiàn)象”的延遲時間。SKIPIF1<0圖4.3汽輪機耗汽量擾動響應曲線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(xiàn)象”。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(xiàn)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(xiàn)象”。這些特性使得汽包水位的變化受到多種因素影響，因而對它的控制變得比較復雜和困難。鍋爐汽包水位常規(guī)控制策略典型的鍋爐汽包水位控制策略包括單沖量、雙沖量和三沖量。由于單沖量、雙沖量及單級三沖量控制策略比較簡單，并且難以適應現(xiàn)代各種復雜鍋爐的控制要求，目前各種鍋爐汽包水位控制絕大多數(shù)采用三沖量水位控制策略。鍋爐汽包水位的單沖量控制系統(tǒng)：這里指的單沖量即汽包水位，這種控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng)。當蒸汽負荷突然大幅度增加時，由于假水位現(xiàn)象，控制器不但不能開大給水閥增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡，而是關小控制閥的開度減小給水量。等假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴重下降，波動很厲害，嚴重時甚至會使汽包水位降到危險程度以致發(fā)生事故。因此對于停留時間短、負荷變動大的情況，這種的系統(tǒng)不能適應，水位不能保證。圖4.4和4.5為汽包水位單沖量控制系統(tǒng)結構圖及框圖。SKIPIF1<0圖4.4汽包水位單沖量控制系統(tǒng)SKIPIF1<0圖4.5汽包水位單沖量控制系統(tǒng)框圖鍋爐汽包水位的雙沖量控制系統(tǒng)：在汽包水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量來起校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作十分及時，從而減少水位的波動，改善控制品質。將蒸汽流量信號引入，就構成雙沖量控制系統(tǒng)。這是一個前饋(蒸汽流量)加單回路反饋控制的復合控制系統(tǒng)。這里的前饋系統(tǒng)就僅為靜態(tài)的前饋，若需要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，需加入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。這個控制系統(tǒng)有兩個缺點，控制閥的工作特性不一定成為線性，對于蒸汽負荷變化要做到靜態(tài)補償比較困難；而對于給水系統(tǒng)的擾動仍不能克服。圖4.6和4.7為汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)結構圖及框圖。SKIPIF1<0圖4.6汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)SKIPIF1<0圖4.7汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)框圖三沖量控制系統(tǒng)的特點：此系統(tǒng)是前饋-串級控制系統(tǒng)。其前饋控制是根據(jù)蒸汽流量來起校正作用，以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作非常及時，從而減少水位的波動，改善控制品質，其串級控制對于主要調節(jié)器是保證汽包水位的靜態(tài)準確性，同時副調節(jié)器能快速克服給水閥前壓力波動干擾。在此設計中也采用三沖量水位控制調節(jié)系統(tǒng)。圖4.8和4.9為汽包水位三沖量控制系統(tǒng)結構圖及框圖。SKIPIF1<0圖4.8汽包水位三沖量控制系統(tǒng)SKIPIF1<0圖4.9汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖汽包水位調節(jié)重要性是維持水位在一定范圍內，它也是保證鍋爐安全運行的重要條件。原因：(1)水位過高會影響汽包內汽水分離，飽和水蒸汽帶水過多，在過熱器管壁結垢，導致?lián)p壞。同時過熱蒸汽溫度急劇下降，會毀壞鍋爐。(2)水位過低，水量較少，當負荷較大時，水的汽化速度快，如不及時控制，汽包內水會全部汽化，導致水冷壁燒壞，甚至爆炸。根據(jù)汽包水位條件的重要性和此設計中對汽包水位的要求使用三沖量控制其優(yōu)點是(1)系統(tǒng)適合于對于汽包水位要求嚴格或變化頻繁、虛假水位嚴重的系統(tǒng)。(2)對信號的靜態(tài)配合要求沒有那么嚴格，主調節(jié)器能自動校正信號配合不準所引起的誤差。(3)可以實現(xiàn)無差調節(jié)（不存在穩(wěn)態(tài)配合問題）。三沖量調節(jié)系統(tǒng)，即前饋-串級復合控制系統(tǒng)，它的設計思想是：以鍋爐汽包水位測量信號作為主控制信號，構成主調節(jié)回路，以蒸汽流量信號作為前饋信號，構成前饋調節(jié)回路，總給水流量作為串級信號，構成副調節(jié)回路，由主調節(jié)回路、前饋調節(jié)回路、副調節(jié)回路來共同構成鍋爐汽包水位串級三沖量自動控制系統(tǒng)。汽包水位系統(tǒng)控制方案確定經(jīng)過以上對汽包水位影響因素的分析和各種控制方案的比較，可得出以下幾條結論:1．單沖量和雙沖量水位控制系統(tǒng)，無法克服汽包“虛假水位”現(xiàn)象，水位波動幅度較大，難以把汽包水位穩(wěn)定在一定的范圍內。而且，隨著鍋爐向大容量發(fā)展，鍋爐容量越大，對汽包水位的允許波動范圍的要求就越嚴格，所以，單沖量和雙沖量水位控制系統(tǒng)不能適應鍋爐發(fā)展的要求。2．三沖量汽包水位控制系統(tǒng)充分考慮了“虛假水位”的影響，設置前饋環(huán)節(jié)對蒸汽流量引起的汽包水位波動進行提前補償，尤其在適當添加了動態(tài)前饋之后，不僅最大限度地降低了“虛假水位”動態(tài)偏差和調節(jié)時間，而且對靜態(tài)品質沒有影響。3.串級前饋、反饋控制結構，構成主、副調節(jié)雙回路，既能提高系統(tǒng)的響應速度，又能有力地克服內環(huán)給水壓力等所造成的擾動。4．汽包水位對象具有慣性純延遲和無自衡能力的特性，是具有多個調節(jié)變量如蒸汽流量、給水流量和汽包壓力和各種干擾因素的復雜系統(tǒng)。5.對給水流量檢測信號進行一階慣性環(huán)節(jié)濾波，削弱了電動執(zhí)行機構的振動，不僅有利于保持給水壓力和汽包水位的穩(wěn)定，而且能降低能量消耗，延長了設備壽命。三沖量水位控制系統(tǒng)以鍋爐水位為主控信號，蒸汽流量為前饋信號，給水流量為控制器的反饋信號來控制給水流量，它以物料平衡關系為依據(jù)，能適應負荷的快速變化，它不僅能克服“虛假水位”的影響，也能克服由于給水壓力變化等因素引起給水流量變化的影響，從而使系統(tǒng)有更好的動態(tài)響應和靜態(tài)特征。在本文我們設計出以三沖量串級控制方案為核心的鍋爐汽包水位PLC控制系統(tǒng)。汽包水位的控制方案設計硬件工作原理一、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?shù)膹娭谱儞Q方法，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調節(jié)的交流電輸出到交流電動機，實現(xiàn)交流電動機的變速運行。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，對直流電利用可控開關器件控制其導通次序、開關頻率、導通時間可以實現(xiàn)調頻、調壓的效果。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，不利于電機的穩(wěn)定運行。采用SPWM技術，按照有關算法控制逆變電路的觸發(fā)信號，即控制可控開關器件的導通角度按正弦規(guī)律變化，這樣變頻器實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，這樣可以極大地提高變頻器的控制效果能夠使電機穩(wěn)定運行。二、PLC工作原理PLC（ProgrammableLogicController）中文全稱為可編程邏輯控制器，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術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械或生產過程。典型的PLC結構圖可以表示為圖4.10所示。SKIPIF1<0圖4.10PLC結構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)所編程序完成相應的運算并由輸出接口輸出給外部設備實現(xiàn)控制的目的。其工作過程可以分為如下三個階段：1.輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描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)中相應的單元內。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，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映像區(qū)中對應位的狀態(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，只有輸入點在I/O映像區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映像區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(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)行結果會對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)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。3.輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。PLC與過程監(jiān)控軟件概況及選擇控制設備方面以往的單元組合儀表及計算機集中控制方式（如DDC，SPC等）已被淘汰，目前國內外大多采用商品化的分布式計算機控制系統(tǒng)（DCS）與可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicControllers，PLC）計算機控制系統(tǒng)。其控制對象方面：受約束的MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)，控制目標考慮操作條件的最優(yōu)化。其控制方法的發(fā)展趨勢為：結合最優(yōu)化技術、計算機網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)信息處理技術的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（CIMS）?？刂圃O備的選擇：首先系統(tǒng)需對原水量、蒸汽產量及燃料消耗量進行流量計量，以便工廠進行投入產出核算。合理地原材料消耗及實時性的準確匯總、科學的報表統(tǒng)計，它關系到生產管理、成本核算、提高經(jīng)濟效益等問題。分布式計算機控制系統(tǒng)（DCS）和可編程邏輯控制器（PLC）計算機控制系統(tǒng)配有多種通訊協(xié)議，支持多種現(xiàn)場總線技術，為數(shù)據(jù)信息處理技術的實時性、準確性實現(xiàn)提供了保障。其次系統(tǒng)生產過程的重要參數(shù)和設備運行狀態(tài)進行實時控制及檢測，以往采用眾多數(shù)字顯示儀表進行現(xiàn)場參數(shù)檢測的方法被取代為計算機分組畫面檢測，同時實時趨勢畫面，歷史趨勢畫面，更加有利于多手段、多方面集中監(jiān)測生產過程運行狀態(tài)。對于設備運行控制可實現(xiàn)集中操作、故障分散設計手段，且其運行狀態(tài)配以報警畫面及聲光提示，更有利于生產設備的安全運行。它是分布式計算機控制系統(tǒng)（DCS）和可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicControllers，PLC）計算機控制系統(tǒng)的性能及特點的具體體現(xiàn)，是目前國內外普遍采用的先進的手段。因此硬件設備將在商品化的DCS系統(tǒng)與PLC計算機控制系統(tǒng)選擇。鑒于國外DCS系統(tǒng)硬件成本較高，本著即要充分考慮設備的先進性、運行可靠性、實用性、可維護性，又要保證滿足系統(tǒng)功能設計要求，使先進的監(jiān)控手段得以實現(xiàn)，并要降低經(jīng)費投入的硬件設備選擇原則，系統(tǒng)硬件設備可以采用國產的DCS系統(tǒng)或國外的PLC計算機控制系統(tǒng)。由于國產的DCS系統(tǒng)比國外的可編程邏輯控制器計算機控制系統(tǒng)成本投入略高，同時國外的PLC控制系統(tǒng)已不僅僅數(shù)字邏輯控制，也已具有模擬量輸入、輸出模塊及其它各種多功能模塊，使完成系統(tǒng)設計的各項功能已不成問題。同時，將使系統(tǒng)軟件和硬件設備有機結合，可保證系統(tǒng)運行可靠性、穩(wěn)定性。因此系統(tǒng)硬件設備選擇PLC系統(tǒng)。世界著名廠家的可編程控制器及過程監(jiān)控軟件如表4.1所列。通過下表PLC和過程監(jiān)控軟件的比較和研究內容的需求，最后選擇了西門子的S7200系列PLC和MCGS過程監(jiān)控軟件。表4.1著名廠家的可編程控制器及過程監(jiān)控軟件生產廠可編程控制器過程監(jiān)控軟件ABSLC500RSview32組態(tài)軟件松下FP0系列PLCiFixV3.0組態(tài)軟件OMRONCJ1系列PLCiFixV3.0組態(tài)軟件SIMATICS7-400/M7-400PLCInTouch8.0過程可視化組態(tài)軟件三菱A系列PLCIntellutionFIX上位組態(tài)軟件GEFanuc90-70/30/20系列PLCGECIMPLICITYHMI西門子S7200WinCCV4.0監(jiān)控組態(tài)軟件本系統(tǒng)下位機采用美國西門子的S7200系列PLC可編程序控制器實現(xiàn)對現(xiàn)場設備生產過程的實時監(jiān)控。該系列PLC模塊具有成本低、性能高、安全性好、易于組態(tài)和便于安裝等特點，它的CPU具有十分強大的功能，內裝PID，結構化編程，中斷控制，間接尋址及各種功能模塊，能方便地完成各種復雜的操作。PID控制算法及PLC編程PID控制算法在控制系統(tǒng)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(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨立、參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)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(yōu)控制。PID調節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結構改變靈活，可以方便的改變?yōu)镻I、PD、PID等控制器。

比例調節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，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，調節(jié)時間加長；系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定；比例系數(shù)太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。比例系數(shù)可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以及控制對象的特性決定的。積分調節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。提高無差度。因為有誤差積分調節(jié)就進行，直至無差積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出一個常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)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(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另外兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成PI調節(jié)器或PID調節(jié)器。微分調節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響：微分作用反映系統(tǒng)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(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下可以減少超調，減少調節(jié)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(jié)對系統(tǒng)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(jié)規(guī)律相結合組成PD或PID控制器。PID控制原理在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖5.1所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。SKIPIF1<0圖5.1PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成控制偏差SKIPIF1<0。將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控制對象進行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為：SKIPIF1<05-1或寫成傳遞函數(shù)形式：SKIPIF1<05-2式中，KP—比例系數(shù)；TI—積分時間常數(shù)；TD—微分時間常數(shù)。計算機控制系統(tǒng)是時間離散控制系統(tǒng)，對式5-1進行離散化，即為數(shù)字PID控制器，得到數(shù)字控制算法即位置式PID控制算法：SKIPIF1<05-3數(shù)字PID控制器的z傳遞函數(shù)為：SKIPIF1<05-4其中，SKIPIF1<0為比例系數(shù)；SKIPIF1<0為積分系數(shù)；SKIPIF1<0為微分系數(shù)。位置式PID控制算法是全量輸出，計算時要對e(k)進行累加，計算機運算工作量大，而且，計算機輸出的u(t)對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u(t)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產實踐中不允許的。目前比較廣泛應用的是增量式PID控制算法，其算式如式5-5，其輸出是控制量的增量Δu(k)。SKIPIF1<05-5增量式PID算法與位置式PID算法比較，具有以下優(yōu)點：1.由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉；2.手動/自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值；3.算式中不需要累加?？刂圃隽喀(k)的確定，僅與最近次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。但增量式控制也有其不足之處：積分截斷效應大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。PID對控制的影響一、比例P調節(jié)在P調節(jié)中，調節(jié)器的輸出信號與偏差信號成比例，即SKIPIF1<0。比例調節(jié)是有差調節(jié)，比例調節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大。SKIPIF1<0稱為比例帶，其中KP為比例系數(shù)。人們希望盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。二、積分I調節(jié)在I調節(jié)中，調節(jié)的輸出信號的變化速度SKIPIF1<0與偏差信號e成正比，即SKIPIF1<0=S0e或SKIPIF1<0。SKIPIF1<0稱為積分速度，其中TI為積分時間常數(shù)。增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。I調節(jié)是無差調節(jié)，只有當被調量偏差為零時，I調節(jié)的輸出才保持不變。I調節(jié)的穩(wěn)定作用比P調節(jié)差,如果只采用I調節(jié)不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)，且振蕩頻率較低。三、微分D調節(jié)D調節(jié)中的輸出與被調量或其偏差對于時間的導數(shù)成正比，即SKIPIF1<0，TD為微分時間。微分的作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。單純的微分調節(jié)器是不能工作的。因此微分調節(jié)只能起輔助的調節(jié)作用，與P結合PD或與PI構成PID調節(jié)?？傊?，PID控制器中，比例環(huán)節(jié)主要減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；微分調節(jié)能加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。PLC軟件要完成的任務系統(tǒng)硬件配置好只相當于“購買了一臺計算機裸機”，它還不能完成指定的任務，通常我們還需要“安裝操作系統(tǒng)和相應的應用軟件”。對于汽包水位控制系統(tǒng)，PLC軟件必須完成下列任務:1.Al、DI參數(shù)的檢測；2.三路差壓一水位的補償計算；3.三路水位有效性判別和智能選?。?.最終水位的輸出和各種報警信號的輸出；PID調節(jié)器的PLC編程根據(jù)參數(shù)整定的結果，汽包水位的穩(wěn)定可以按照這些控制算法來實現(xiàn)，在執(zhí)行控制運算之前，可以對汽包水位的高度狀態(tài)進行判斷，并做出相應的處理。因此系統(tǒng)的軟件設計應當包括邏輯判斷和PID控制算法兩部分，首先有應該完成程序流程圖的設計，再根據(jù)流程圖完成PLC的軟件設計。程序流程設計按照控制要求和硬件設計我們可以對系統(tǒng)進行軟件設計，首先進行的是程序流程設計，并在此基礎上可以完成PLC的梯形圖程序設計。由于汽包水位過高過低都會對鍋爐的安全運行造成嚴重影響，因此應當對過高或過低水位做出超限處理。此外PLC在執(zhí)行控制算法時由于運算復雜，需要消耗大量的系統(tǒng)時間降低了PLC運行效率，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。根據(jù)采樣定理:對于一個具有有限頻譜的連續(xù)信號進行信號采樣，采樣信號頻率必須大于或等于信號所含最高頻率的兩倍，這樣采樣所得的離散信號才能對原來的連續(xù)信號完全復原。而過程控制現(xiàn)場的很多參數(shù)變化并非十分劇烈，有較大的時間延遲，按照工程經(jīng)驗對于流量參數(shù)采樣時間為1～2秒，對于水位參數(shù)來說采樣時間為3～5秒，汽包水位控制系統(tǒng)采樣時間設定為1秒是可以滿足控制要求的[4]。為了有效的防止汽包水位超限，該設計作以下處理：當汽包水位過高即高于350mm時停止送水，以快速降低汽包水位，當汽包水位過低即低于200mm時滿負荷送水，即送水電動機工作于工頻50Hz電源下，以快速提高汽包水位。此外為了提高PLC的運行效率，在程序設計時可以設定1秒的定時時間，當定時滿1秒時執(zhí)行PID控制算法，未滿1秒時PLC處理程序的其他部分以及完成PLC自身的各種功能。根據(jù)以上分析我們可以設計PLC的程序流程圖如圖6.1所示：SKIPIF1<06.1程序流程圖梯形圖程序設計根據(jù)以上所述的模塊組態(tài)情況，可以在控制器標簽里（Controllertags）建立以下三個標簽：w-level、w-float、s-float分別表示汽包水位信號、給水流量信號、蒸汽流量信號，在程序標簽里（Programtags）建立以下標簽：high-level、low-level、time1s、controlenable等分別表示過高水位信號、過低水位信號、定時1秒信號、控制算法使能信號，并為各個標簽設置合適的數(shù)據(jù)類型，根據(jù)參數(shù)整定為各個PID模塊配置參數(shù)。主程序和控制子程序的梯形圖分別如圖6.2和圖6.3所示。圖6.2主程序梯形圖圖6.3子程序梯形圖程序執(zhí)行后首先進行相關的數(shù)據(jù)傳送，然后再進行比較以判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，根據(jù)水位高低情況按照圖6.1所示的流程圖情況進行處理。MCGS組態(tài)軟件設計MCGS組態(tài)軟件簡介隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高和計算機在工業(yè)領域的廣泛應用，人們對工業(yè)自動化的要求越來越高。尤其是計算機技術始終保持了較快的發(fā)展速度，各種軟/硬件技術也已日臻成熟，可用的軟/硬件資源豐富且標準統(tǒng)一，軟件之間的互操作性強，易于學習和使用。因此，把計算機技術用于工業(yè)控制將會有成本低、可用資源豐富、易開發(fā)等特點。組態(tài)軟件正是在這個背景下發(fā)展起來的，它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)具體的控制對象和控制目的任意組態(tài)，完成符合要求的自動化控制工程。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能。MCGS具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，已成功應用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農業(yè)自動化、航空航天等領域，經(jīng)過各種現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。MCGS組態(tài)軟件的系統(tǒng)構成MCGS組態(tài)軟件（以下簡稱MCGS）由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運行環(huán)境”兩個系統(tǒng)組成。兩部分互相獨立，又緊密相關。圖6.1MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)構成MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應用系統(tǒng)的