锅炉液位控制系统.docx

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锅炉液位控制系统

基于组态软件的锅炉液位控制系统

概述

本次实习，我们做了一个小型的锅炉液位控制系统，用实验室的设备模拟工业现场的锅炉控制系统。

在做实验之前，先分析系统组成，各模块的功能，对系统的工艺有一定的认识，知道了系统的原理后在水槽中加满水，上电之前要对电气设备做好电气检查和机械检查，确保操作的安全。

开动电机之前将没用的阀门关闭，打开图中需要的阀门。

其工作过程为电动机将水槽中的水经V39抽到高处水塔的小水塔中，待小水塔中的水满后会自动溢出到大的水塔中，确保了高处的水塔中水的压力恒定。

大水塔中的水会由溢水管流入水槽中，高处的水塔的压力由LT—1即：

DBYG压力变送器测得。

水经V33后由主路的QS智能型电动调节阀或经旁路的电磁阀、V30流过，再通过FE—1即电磁流量传感器后又经V51进入锅炉中，在锅炉底部有LT—2即DBYG压力变送器测的锅炉底部的压力。

加热的水在经V21、FE—2（LDG—电磁流量传感器）、V35、V25后进入水槽中。

图形如下所示：

概述图

1锅炉介绍

1.1锅炉简介

锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。

锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。

锅炉产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。

提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。

产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。

锅炉承受高温高压，安全问题十分重要。

因此，对锅炉的材料选用、设计计算、制造和检验等都制订有严格的法规。

1．2锅炉的规格

锅炉规格表示锅炉生产蒸汽或加热水的能力及水平。

蒸汽锅炉的规格以单位时间内产生蒸汽的数量及蒸汽参数表示，热水锅炉的规格以单位时间内水的吸热量及热水参数表示。

蒸汽锅炉每小时所产生蒸汽的数量称为锅炉的蒸发量，也称锅炉的容量或出力，通常以符号“D”表示，单位为t／h（吨／时）。

锅炉铭牌上的蒸发量通常为额定蒸发量，即锅炉在规定的蒸汽参数和给水温度下，连续运行时所必须保证的最大蒸发量。

热水锅炉的容量是单位时间内水在锅炉里的吸热量，单位为MW（兆瓦），其额定值称额定热功率或额定供热量。

锅炉产汽及介质吸热的多少与锅炉受热面的多少直接相关。

受热面是锅炉中隔开烟气与水汽、并把热量由前者传给后者的金属壁面，通常为管子或圆筒壁面。

蒸汽锅炉的蒸汽参数以锅炉主汽阀出口处蒸汽的压力（表压）和温度表示。

热水锅炉的介质参数以额定出水压力（表压）及额定出水／进水温度表示。

压力和温度分别以符号“p”、“t”表示。

1．3锅炉分类

可以从不同角度出发对锅炉进行分类：

1.按结构形式可分为锅壳锅炉（火管锅炉）、水管锅炉和水火管锅炉。

2.按用途不同可分为电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉等。

3.按容量大小可分为大型锅炉、中型锅炉和小型锅炉。

习惯上，蒸发量大于100t／h的锅炉为大型锅炉，蒸发量20～100t／h的锅炉为中型锅炉，蒸发量小于20t／h的锅炉为小型锅炉。

4.按蒸汽压力大小可分为低压锅炉（p≤2.5MPa）、中压锅炉（2.5MP＜p≤5.9MPa）、高压锅炉（p＝9.8MPa）、超高压锅炉（p＝13.7MPa）等。

5.按燃料和能源种类不同可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、废热（余热）锅炉等。

6.按燃料在锅炉中的燃烧方式可分为层燃炉、沸腾炉、室燃炉。

7.按介质在蒸发系统的流动方式可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉等。

1.4锅炉控制系统介绍

1．4.1背景

锅炉是全厂重要动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。

为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。

锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量。

主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。

因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。

1．4．2关于锅炉计算机控制系统

锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。

 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。

锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成。

一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。

微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可行地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。

2锅炉控制系统分析

2.1锅炉液位静态控制回路分析2.1.1由水泵直接向锅炉供水

由水泵直接向锅炉供水（直供）时，计算机控制水泵把水由低位水箱抽出并送到锅炉，此时打开V26，V52，其余阀门均关闭，这样水就由低位水箱经V26，离心泵，V52进入锅炉。

其工艺流程图如图2．1所示：

图2.1水泵控制锅炉

在由水泵直接向锅炉供水（直供）的锅炉水循环过程中，为使系统平稳安全运行，采用变频器进行自动恒压供水，为保证控制精度，采用反馈调节系统。

其控制回路框图如图2.2：

图2.2控制进水原理图

锅炉底部装有扩散硅压力变送器DBYG，它检测液位信号并将其转换为4~20mA直流电流信号，通过电缆线将其送至模拟量输入模块5017，经模块CPU送至工控机进行数据处理。

如果锅炉液位低于给定值，由模拟量输出模块5024输出1~5V直流电压信号控制变频器，通过水泵给锅炉加水。

水泵向锅炉送水的速度是由变频器控制的，所以改变变频器的频率即可改变离心泵叶轮的转速，即可改变向锅炉送水的速度。

锅炉液位由其压力传感器、变送器，A/D（模/数）转换后由非电量信号转变成数字信号输送给计算机，计算机分析后输出一个数字量信号经D/A（数/模）转换为模拟信号来调节变频器的频率，从而改变水泵送水速度。

计算机采用PID控制算法可较精确的控制锅炉液位的高度。

2.1.2锅炉进水由电动阀VC1控制的静态分析

由电动阀VC1控制向锅炉供水时，首先为了实现恒压供水高位水槽一直是满的，在此回路中打开V27，V39，V33，V51，其余阀门均关闭。

这样水就可以由低位水箱经V27，水泵，V39,高位水槽,V33，VC1，进水流量传感器，V51进入锅炉。

其回路图如图2.3所示

图2.3VC1控制锅炉水位

在由VC1控制向锅炉供水（间供）的锅炉水循环过程中，对锅炉进行恒压供水，为保证控制的精度，可以采用反馈调节系统。

其控制回路原理图如下：

锅炉底部的扩散硅压力变送器DBYG，将液位信号检测并转换为4~20mA直流电流信号，通过电缆线将其送至模拟量输入模块5017经模块CPU送至工控机进行数据处理，然后进行A/D转换。

如果锅炉液位低于给定值，经D/A转换，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出4~20mA直流电流信号，控制进水电动阀VC1，调节阀门的开度从而给锅炉加水，直至达到给定液位；控制框图如图2.4所示：

图2.4VC1控制锅炉进水原理图

在此控制回路中锅炉液位经锅炉液位压力传感器，变送器，A/D转换器后由非电信号转换为计算机可以识别的数字信号传给计算机，计算机经PID控制调节电动调节阀的开度从而改变锅炉进水的速度以及流量，以保证锅炉液位达到预先设定的高度。

2.2锅炉动态控制回路分析2.2.1.锅炉液位由水泵和电动阀VC2调节的动态分析

由水泵和电动阀VC2控制锅炉的动态水位时，需要打开V27，V52，V21，V34，VC2，V35，V24阀门，其余阀门均关闭，这样可以实现锅炉的动态控制。

其工艺流程图2.5所示：

图2.5水泵和VC2控制锅炉水位

在此锅炉水循环系统中，由于系统有一定的滞后时间，为避免排水量的变化引起锅炉内水压的变化，系统中引入排水量信号作为前馈信号对锅炉内水压进行超前调节，为保证控制精度，采用反馈—前馈调节系统，调节精度较高。

锅炉底部的扩散硅压力变送器DBYG，将液位信号检测并转换为4~20mA直流电流信号，通过电缆线将其送至模拟量输入模块5017的第2通道，经模块CPU送至工控机进行数据处理。

如果锅炉液位低于给定值，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出1~5V直流电压信号控制变频器从而给锅炉加水，直至达到给定液位；如果锅炉液位高于给定值，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出4~20mA直流电流信号控制出水电动阀VC2，调节阀门的开度从而给锅炉放水，直至达到给定液位。

其控制框图如图6所示：

图2.6水泵和VC2控制锅炉水位

在实际应用中由于需要，进水常常是来弥补出水的，所以在此控制以及以后的动态控制中出水一般是作为扰动量，计算机通过控制进水来保持锅炉液位一定。

在此种控制中计算机采取前馈——反馈控制策略。

出水量作为扰动量，通过出水流量检测，出水变送器，A/D转换器由非电量信号转换为数字量信号进入前馈控制器，然后与PID控制器输出值叠加，输出的信号再经D/A转换后控制变频器工作。

同时锅炉液位经锅炉液位传感器，A/D转换器调理为数字量信号反馈给计算机，随后计算机经PID控制来控制锅炉液位保持一定高度。

2.2.2锅炉液位由VC1和VC2共同控制的动态分析

要实现锅炉液位动态控制，可以打开阀门V33，VC1，V51，V21，V34，VC2，V35，V24，其余阀门均关闭，这样可以实现锅炉的动态控制。

工艺流程图如图7所示：

图2.7VC1和VC2控制锅炉水位

在锅炉水循环系统中，由于系统有一定的滞后时间，为避免排水量的变化引起锅炉内水压的变化，系统中引入排水量信号作为前馈信号对锅炉内水压进行超前调节，为保证控制精度，采用反馈—前馈调节系统，调节精度较高。

锅炉底部的扩散硅压力变送器DBYG将液位信号检测并转换为4~20mA直流电流信号，通过电缆线将其送至模拟量输入模块5017，经模块CPU送至工控机进行数据处理。

如果锅炉液位低于给定值，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出4~20mA直流电流信号控制进水电动阀QS201，调节阀门的开度从而给锅炉加水，直至达到给定液位；如果锅炉液位高于给定值，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出4~20mA直流电流信号控制出水电动阀QS201，调节阀门的开度从而给锅炉放水，直至达到给定液位。

控制框图如图8所示：

图2.8VC1和VC2控制锅炉水位

此回路也是以出水作为扰动，扰动由VC2控制，其大小可人来通过计算机手动设置。

采用前溃控制，按照出水扰动大小进行补偿，使扰动一出现，即一有出水，前馈控制器就直接根据所测得的干扰的大小和方向，按一定规律去控制，以抵消干扰对液位的影响，同时为了加强系统对其他扰动的控制，提高控制精度，系统还采用了反馈控制，即通过锅炉液位传感器，A/D转换器把非电量信号转换为数字量信号输入计算机，以控制液位保持一定高度。

3.锅炉控制系统总体分析

对控制系统进行总体的分析要求：

（1）锅炉液位保持不变

（2）高位水槽液位保持不变

（3）低位水槽液位保持不变

具体分析如下：

在这里计算机需要控制VC1，