基于PLC实现的锅炉水位监控系统设计完成Word下载.docx

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锅炉长期在高水位下运行，已成为高参数水锅炉普遍存在的问题。

研究水内部实际水位与理想水位差值的成因，并设法修正和消除这个差值，合理控制水位，保证锅炉安全运行有着重要的现实意义。

锅炉水位监控系统在发生扰动的情况下，控制器采用PID控制策略[3]，提高了系统在恶劣情况下的抗干扰能力和控制系统的鲁棒性能，保证了生产过程的稳定和安全。

在锅炉水位控制系统中，将PID算法融于PLC控制系统，取得了良好的控制效果。

PLC对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制，以保证锅炉正常可靠地运行。

PLC实现的计算机控制系统可以提高锅炉设备的自动化控制水平，降低工作人员的劳动强度，取得了较好的经济和社会效益[4-6]。

蒸汽锅炉是用于满足生产规模扩大和民用供热的工业锅炉，其操作和控制从人工及仪表进入了微机时代[7]。

微机监控装置经历了以下几个阶段：

单板机、单片机、一般微机配工业接口板、工控机、可编程调节器、DCS集中分散型系统及PLC计算机控制系统，其发展过程体现了设备档次由低到高，由通用微机设备到工业专用设备，由自制设备到产品化标准设备的演变过程。

国外发达国家的工业锅炉，已有成熟的控制系统，例如：

日本横河、北辰的YS-80/100、美国霍尼威尔的9000、德国西门子的Teleperm-D等。

一般是仪表的微机化或DCS系统[8-9]。

这些装置的优点是可靠性高、功能强、组态灵活，代表着自动控制领域的发展方向，缺点是不适合我国工业锅炉实际情况，成本很高。

先进控制策略的发展主要向预先控制、自适应控制、智能控制、模拟控制等方面发展。

目前，国内外水位控制策略采用三冲量控制、模糊控制及PID自校准与自调整的比较多，特别是前2种，其中模糊控制主要是朝智能化方向发展，表现在模糊控制与智能控制的结合，采用遗传算法优化模糊控制等。

它避免了只凭经验和试凑法设计模糊控制器所存在的困难和盲目性，有效地提高了模糊控制器的控制品质，FNN的结构考虑了模糊推理及模糊规则，主要解决的问题是：

规则的完整性、规则的优化和控制系统的稳定性；

PID自调整、自校正主要采用不同的优化方法对参数进行自调整；

预测函数控制、广义预报自适应控制、模型参考自适应控制等基于模型的控制方法发展的比较少，具体在实际应用过程中应用的则更少；

前叙的各种水位控制策略各有优缺点，引入水位噪声的因素，并基于这些控制策略开发新的控制策略将是项很有意义的工作，也是可行的[11-12]。

控制设备方面以往的单元组合仪表及计算机集中控制方式（如DDC，SPC等）已被淘汰，目前国内外大多采用商品化的分布式计算机控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicControllers，PLC）计算机控制系统[13]。

其控制对象方面：

受约束的MIMO（多输入多输出）系统，控制目标考虑操作条件的最优化。

其控制方法的发展趋势为：

结合最优化技术、计算机网络与数据信息处理技术的现代集成制造系统（CIMS）。

2.3技术路线6

第3章系列GE90-30PLC9

3.1系列GE90-30PLC特点9

3.2系列90-30PLC系统配置9

3.3PLC安装结构及设备组态10

5.2CIMPLICITYHMI运行环境24

5.3CIMPLICITYHMI操作主画面24

附录129

第1章系统的总体设计

1.1设备的选择

控制设备方面以往的单元组合仪表及计算机集中控制方式（如DDC，SPC等）已被淘汰，目前国内外大多采用商品化的分布式计算机控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicControllers，PLC）计算机控制系统。

控制设备的选择：

首先系统还需对原水量、蒸汽产量及燃料消耗量进行流量计量，以便工厂进行投入产出核算，它是现代数据信息处理技术的重要研究方面。

尤其是产品产量及能耗指标的准确性、经济性一直是国内外工程技术人员和科研人员关注热点。

合理地原材料消耗及实时性的准确汇总、科学的报表统计，它关系到生产管理、成本核算、提高经济效益大问题。

分布式计算机控制系统（CS）和可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicControllers，PLC）计算机控制系统配有多种通讯协议，支持多种现场总线技术，为数据信息处理技术的实时性、准确性实现提供了保障。

其次系统生产过程的重要参数和设备运行状态进行实时控制及检测，以往采用众多数字显示仪表进行现场参数检测的方法被取代为计算机分组画面检测，同时实时趋势画面，历史趋势画面，更加有利于多手段、多方面集中监测生产过程运行状态。

对于设备运行控制可实现集中操作、故障分散设计手段，且其运行状态配以报警画面及声光提示，更有利于生产设备的安全运行。

它是分布式计算机控制系统（DCS）和可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicControllers，PLC）计算机控制系统的性能及特点的具体体现，是目前国内外普遍采用的先进的手段。

因此硬件设备将在商品化的DCS系统与PLC计算机控制系统选择。

鉴于国外DCS系统硬件成本较高，本着即要充分考虑设备的先进性、运行可靠性、实用性、可维护性，又要保证满足系统功能设计要求，使先进的监控手段得以实现，并要为厂家降低经费投入的硬件设备选择原则，系统硬件设备可以采用国产的DCS系统或国外的PLC计算机控制系统。

由于国产的DCS系统比国外的可编程逻辑控制器计算机控制系统成本投入略高，同时国外的PLC控制系统已不仅仅数字逻辑控制，也已具有模拟量输入、输出模块及其它各种多功能模块，使完成系统设计的各项功能已不成问题。

同时，系统监控软件如也选择统一厂家的，将使系统软件和硬件设备有机结合，可保证系统运行可靠性、稳定性。

因此系统硬件设备选择PLC系统。

1.2PLC型号选择

世界著名厂家的可编程控制器及过程监控软件如表1-1所列。

通过下表PLC和过程监控软件的比较和研究内容的需求，最后选择了S7200系列PLC

本系统下位机采用美国GEFanuc自动化公司的系列90TM-30PLC可编程序控制器实现对现场设备生产过程的实时监控。

该系列PLC模块具有成本低、性能高、安全性好、易于组态和便于安装等特点，它的CPU具有十分强大的功能，内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能方便地完成各种复杂的操作。

表1-1著名厂家的可编程控制器及过程监控软件

生产厂

可编程控制器

过程监控软件

AB

SLC500

RSview32组态软件

松下

FP0系列PLC

iFixV3.0组态软件

OMRON

CJ1系列PLC

SIMATIC

S7-400/M7-400PLC

InTouch8.0过程可视化组态软件

三菱

A系列PLC

IntellutionFIX上位组态软件

GEFanuc

90-70/30/20系列PLC

GECIMPLICITYHMI

西门子

S700

WinCCV4.0监控组态软件

1.3控制方案的选择

典型的锅炉水位控制策略包括单冲量、双冲量和三冲量。

由于单冲量、双冲量及单级三冲量控制策略比较简单，并且难以适应现代各种复杂锅炉的控制要求，目前各种锅炉水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。

锅炉水位的单冲量控制系统：

这里指的单冲量即水位，这种控制系统是典型的单回路控制系统。

当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器不但不能开大给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，而是关小控制阀的开度减小给水量。

等假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而减少，将使水位严重下降，波动很厉害，严重时甚至会使水位降到危险程度以致发生事故。

因此对于停留时间短、负荷变动大的情况，这种的系统不能适应，水位不能保证。

锅炉水位的双冲量控制系统：

在水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。

如果根据蒸汽流量来起校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。

将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统。

这是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的复合控制系统。

这里的前馈系统就仅为静态的前馈，若需要考虑两条通道在动态上的差异，需加入动态补偿环节。

这个控制系统有两个缺点，控制阀的工作特性不一定成为线性，对于蒸汽负荷变化要做到静态补偿比较困难；

而对于给水系统的扰动仍不能克服。

三冲量控制系统的特点：

此系统是前馈-串级控制系统。

其前馈控制是根据蒸汽流量来起校正作用，以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作非常及时，从而减少水位的波动，改善控制品质，其串级控制对于主要调节器是保证水位的静态准确性，同时副调节器能快速克服给水阀前压力波动干扰。

在此设计中也采用三冲量水位控制调节系统。

水位调节重要性是维持水位在一定范围内，它也是保证锅炉安全运行的重要条件[14-16]。

原因：

（1）水位过高会影响水内汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，在过热器管壁结垢，导致损坏。

同时过热蒸汽温度急剧下降，会毁坏锅炉。

（2）水位过低，水量较少，当负荷较大时，水的汽化速度快，如不及时控制，水内水会全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至爆炸。

根据水位条件的重要性和此设计中对水位的要求使用三冲量控制其优点是

（1）系统适合于对于水位要求严格或变化频繁、虚假水位严重的系统。

（2）对信号的静态配合要求没有那么严格，主调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。

（3）可以实现无差调节（不存在稳态配合问题）。

三冲量调节系统，即前馈-串级复合控制系统，它的设计思想是：

以锅炉水位测量信号作为主控制信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，构成前馈调节回路，总给水流量作为串级信号，构成副调节回路，由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉水位串级三冲量自动控制系统。

第2章锅炉水位的设计

2.1工艺流程

本设计的工艺流程是原水→原水前处理→原水罐→水水换热器→汽水换热器→除氧器→储煤器→水液位。

系统具有五个调节回路，如水液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器压力、液位的控制回路、鼓风机压力的控制回路、引风机炉膛负压调节的控制回路，这里是以水液位的控制回路为主，

图2-1锅炉水位控制系统

2.2自控模型

锅炉工艺及自控要求某锅炉的工艺设计主要参数为：

蒸汽性质：

饱和蒸汽；

蒸发量：

35t/h；

蒸汽压力：

0.9MPa；

蒸汽温度：

180℃；

给水流量：

37m3/h；

给水温度：

104℃。

控制系统硬件部分包括小型工作站（上位工控计算机）、GEFanuc90TM-30系列PLC可编程序控制器构成的下位机、外部设备、过程输入输出通道、现场工业自动化仪表以及供电系统等组成。

它是对工业锅炉生产进行实时控制的物质基础。

系统结构框图如图2-2所示。

图2-2系列结构框图

锅炉设备自控系统I/O点规模如表3-1所列。

系统共有压力、流量、液位和温度信号64个，其中46个压力、流量及液位信号经现场变送器转换为4～20mADC标准信号后接入控制柜，18个温度信号分别由热电偶、热电阻测出接入控制柜；

5个4～20mADC输出信号用于控制调节阀或变频调速器等执行机构，以构成自动调节系统；

16个继电器接点开关量输入用于检测现场设备运行状态，16个继电器接点开关量输出用于现场设备的连锁控制。

表2-1I/O点规模

序号

信号类型

I/O点数

1

模拟量输入（AI）

4～20mA标准信号

46

热电偶THM

12

热电阻RTD

6

2

4～20mA模拟量输出（AO）

5

3

24VDC继电器接点开关量输入（DI）

16

4

继电器接点开关量输出（DO）

依据设计院设计要求，本锅炉自控设计选用的美国GEFanuc自动化公司的90TM-30系列PLC可编程序控制为增强系统的抗干扰能力，模拟量输入及输出均采用信号隔离器。

Serial-SNP通讯协议，并通过SNP/RS-232转换器实现与操作站的通讯，操作站GEFanuc自动化公司。

挂接MicrosoftAccess数据库软件生成数据库，实现能源计量管理。

2.3技术路线

系统具有五个调节回路，如水液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器压力、液位的控制回路、鼓风机压力的控制回路、引风机炉膛负压调节的控制回路，这里是以水液位的控制回路为主，它的系统方框图如图3-3所示。

图中的参数解释具体如下：

C0—加法器初始偏置数；

C1、C2—加法器系数；

EH—水位偏差值；

EF—给水量偏差值；

F—积水流量；

H—水位；

PC—水位调节器输出值；

PF—给水流量测量值；

PH—水位测量值；

PO—给水流量给定值；

PS—经压力补偿后的蒸汽流量测量值；

RH—水位给定值；

△P—差压流量计输出值。

系统通过采用90TM-30PLC梯形图编程软件，IC641SWM306进行梯形图软件编程，需进行CPU配置、90TM-30I/O模块配置，以及结构化编制方框图中的功能模块1、功能模块2、饱和蒸汽压力补偿模块、静态前馈控制器模块（C0+C1PC+C2PS）、水位PID调节模块、给水流量PID调节模块等程序。

功能模块1。

它是开方运算模块，因为节流式差压流量计是通过变送器检测孔板前后压差的，变送器输出的信号与实际流量Q之间成方根关系。

功能模块2。

由于水位是一个沸腾的水位，且水中汽泡量是变化不定的，因此在采用差压变送器测量的水位时，尽管安装时设置了隔离罐，同时变送器设置了一定阻尼系数，其电流输出信号仍存在频繁的周期性波动，因此系统需对该信号进行平滑处理，以保证其控制质量，本系统采用了一阶惯性滤波。

饱和蒸汽压力补偿模块。

蒸汽管道内温度、压力改变时饱和蒸汽密度随之改变，而对饱和蒸汽密度影响较为明显的是蒸汽的压力，所以编制了蒸汽流量压力补偿程序。

首先将被测蒸汽压力进行量纲转换（即MPa→kg/cm2），再转换为绝对压力（实测为相对压力），然后以设计工作点为界限，分两段采用计算公式实现蒸汽流量压力补偿，经实际检验在工作点附近误差小于1%。

静态前馈控制器模块（C0+C1PC+C2PS）。

从表面上看，该子程序模块是构造一个加法器，但其本质上是编制C2起着静态前馈控制器的作用，因锅炉生产的饱和蒸汽仅用作热剂，为保护锅炉其给水流量电动调节阀应采用电关阀为宜，且水位调节器（LICA-101）为正作用，因此C2应为负值。

应用中C2=-1.054；

C1=1；

C0=|C2PS|=35×

1.054=36.9，应用效果较好。

水位PID调节器、给水流量PID调节器子程序块。

用增强型CPU360模版，CPU内装PID标准的ISAPID算法（PIDISA），通过编程实现。

PIDISA方块图如图2-4所示。

图2-4PIDISA方块图

以该PIDISA调节子程序块构造水位三冲量调节系统，需将水位PID调节编制成定值调节（LICA-101），而给水流量PID调节编制成随动调节（FIRQ-102），以构成前馈-串级调节系统。

需要注意的是方块图中的比例增益项（Kc）和积分速率增益（Ki），在我国常规PID调节器比例增益项习惯上通常采用比例带δ来设定（δ=1/Kc）；

积分增益项通常采用积分时间来设定（Ki=1/Ti）。

因此，上位机组态软件对这两个参数进行组态时应进行数据变换。

第3章系列GE90-30PLC

3.1系列GE90-30PLC特点

（1）最具竞争力

系列90TM-30PLC是GEFanuc系列90-30可编程序控制器家族的一员，提供最先进的编程特性，易于组态，便于安装，独有的创新结构开辟了一条最经济的工业控制途径。

（2）领先的技术

系列90TM-30PLC成本低，性能高，能方便地取代从简便的继电器到复杂的中型自动化应用系统场合。

几年前需由高档PLC完成的任务现在则由系列90TM-30来代替。

GEFanuc不断地推出新产品，扩大使用范围，显示了其技术的领先地位，它的CPU具有强大的功能，如内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能完成复杂的操作。

另外系列90TM-30PLC有功能很强的特殊模块可供选择，包括轴定位模块，高速计数器模块，BASIC和C语言协处理器模块及Genius通讯模块。

GEFanuc丰富的开关量I/O和模拟量I/O、简化启动和故障自诊以及容易与其他PLC、计算机集成一体的特性，使您确信，系列90TM-30是现在与未来PLC的明智选择。

（3）促进与第三方的合作

促进与第三方的合作。

为了及时解决用户的需求，GEFanuc提供第三家工业设备和软件包，合作的结果进一步扩大了系列90TM-30的能力，通用的产品包括：

热电偶、热电阻、步进电机模块、大电流继电器模块。

NATURALLANGUAGESTATELOGICCONTROL为那些在系列90TM-30编程方面没有经验的用户提供了新的编程方式。

有些厂家具有数据采集和控制软件产品，将用系列90TM-30与个人计算机连机。

这些软件包提供的软件和系列90TM-30之间的结合天衣无缝，许多操作接口使用SNP通讯协议与具有内装接口的系列90TM-30进行通讯。

3.2系列90-30PLC系统配置

该系列PLC模块具有成本低、性能高、安全性好、易于组态、便于安装等特点，它的CPU具有十分强大的功能，如内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能方便地完成各种复杂的操作。

具体配置如下：

系统采用10槽机架IC693CHS391；

电源模板选用IC693PWR321；

中央处理器选用的增强型模板CPU360，非常适用于多调节回路场合；

过程输入输出通道由模拟量输入通道AI、模拟量输出通道AO和开关量输入输出通道DI、DO所组成。

分别为1个16通道热电偶输入模板HE693THM166；

1个6通道RTD输入模板HE693RTD601；

3个（4～20mA）16通道模拟量输入模板IC693ALG223；

1个（4～20mA）8通道模拟量输出模板IC693ALE392；

1个16点24VDC继电器接点输入模板IC693MDL645；

1个16点继电器接点输出模板IC693MDL940；

采用专用RS-232通讯组件IC690ACC901，并遵循SNP协议实现与上位机串行通讯；

其90-30PLC梯形图编程软件采用IC641SWM306，实现PLC结构化编程及程序下载。

3.3PLC安装结构及设备组态

表3-1PLC设备组态

设备

型号

模块说明

设备组态

PS

IC693PWR321

电源

IC693CPU360

CPU

FOREIGN

HE693THM166

16路热偶输入

I:

305~32016

AI:

1~1616

Byte