毕业设计论文锅炉汽包水位控制系统的设计.docx

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毕业设计论文锅炉汽包水位控制系统的设计

毕业设计[论文]

题目：

锅炉汽包水位

控制系统的设计

系别：

电气与电子工程系

专业：

自动化

姓名：

樊建党

学号：

122407208

指导教师：

任琦梅

河南城建学院

2011年05月24日

河南城建学院

毕业设计（论文）

任　务　书

题目

锅炉汽包水位控制系统的设计

系别

电气与电子工程系

专　业

自动化

班　　级

1224072　　

学　号

122407208

学生姓名

樊建党

指导教师

任琦梅

发放日期

2011年3月1日

河南城建学院本科毕业设计（论文）任务书

一、主要任务与目标：

主要任务：

设计一锅炉汽包水位控制系统，维持锅炉汽包水位在一定范围内变化。

完成控制系统的硬件和软件设计，并编写毕业设计说明书。

目标：

1、培养学生综合运用所学理论知识的能力。

2、培养学生分析和解决实际问题的能力。

3、培养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。

二、主要内容与基本要求：

主要内容：

1、分析锅炉汽包水位系统控制对象的动态特性。

2、确定系统的控制方案。

3、进行控制器参数整定。

4、各部分设备选型。

5、对控制系统进行仿真。

基本要求：

1、选择某锅炉作为控制对象，通过分析其动态特性，得出数学模型。

2、设计方案应比较先进，能满足实用的要求。

3、通过仿真曲线和数据，验证系统的控制效果。

三、计划进度：

毕业设计从第5周到第14周共10周时间。

第5周，熟悉题目，查阅资料，调研。

第6周，分析控制对象的动态特性，得出数学模型。

第7-8周，进行方案比较，确定系统的控制方案。

第9-10周，完成硬件接线图和器件选型。

第11—12周，控制器参数整定和仿真。

第13周，编写整理设计说明书。

第14周，答辩。

四、主要参考文献：

1、付家才，工业控制工程实践技术，化学工业出版社，

2、杨献勇，热工过程自动控制，清华大学出版社

3、孙优贤、孙红，锅炉设备的自动调节，化工工业出版社

4、金以慧，过程控制，清华大学出版社

5、张亮明、夏桂娟，工业锅炉自动控制，中国建筑工业出版社

指导教师（签名）：

年月日

教研室审核意见：

（建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度的合理性；提供的参考文献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。

）

　教研室主任签名：

年月日

注：

任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档

成绩评定

成绩评定说明

一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导，

教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。

二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办

法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。

系对专业答

辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定

成绩，并向学生公布。

三、各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律。

四、具体评分标准和办法见《河南城建学院毕业设计（论文）工作条例》。

五、答辩小组评分包括两部分：

（1）学生答辩情况的得分和评阅教师评分；

（2）指导教师对学生毕业设计（论文）的评分

毕业设计（论文）成绩评定

班级1224072姓名樊建党学号122407208

综合成绩：

分（折合等级）

答辩小组组长签字年月日

答辩小组评定意见

一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。

二、评分（按下表要求评定）

评分项目

答辩小组评分

评阅教师评分

合计

（40分）

完成任务情况

（5分）

毕业设计

（论文）质量（5分）

表达情况

（5分）

回答问题

情况

（5分）

质量

（正确性、条理性、创造性、实用性）

（10分）

成果的技术水平（科学性、系统性）

（10分）

评分

答辩小组成员签字

年月日

毕业答辩说明

1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做好准备，并根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。

2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。

3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。

4、答辩中要有专人作好答辩记录。

指导教师评定意见

一、对毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）：

签字：

年月日

二、对毕业设计（论文）评分[按下表要求综合评定]。

（1）理工科评分表

评分项目

（分值）

工作态度

与纪律

（10分）

毕业设计（论文）完成任务情况与水平

（工作量与质量）

（20分）

独立

工作能力

（10分）

基础理论和

基本技能

（10分）

创新

能力

（10分）

合计

（60分）

得分

指导教师签字：

年月日

摘要

汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。

PLC技术的快速发展使得PLC广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。

本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。

按照工程整定的方法进行了PID参数整定，并进行了仿真研究。

根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。

关键词：

汽包水位三冲量控制PLCPID控制

ABSTRACT

Thesteamdrumwaterlevelisaveryimportantparameterfortheboilersafeoperation,bothhighandlowsteamdrumwaterlevelmayleadtoextremelyseriousconsequence;thereforeitmustbestrictlytobecontrolled.WiththerapiddevelopmentofPLCtechnology,itcanwidelybeappliedtotheprocesscontroldomainandenhancestheperformanceofcontrolsystemenormously.PLChasalreadybecometheessentialimportantequipmentinautomaticcontroldomain.

Basedontheanalysisofallkindsoffactorswhichinfluencesteamdrumwaterlevel,“unrealwaterlevelphenomenon”isanalyzedspecially,andthreeimpulsescontrolplanforsteamdrumwaterlevelcontrolsystemisproposed.PIDparametersareregulatedbyengineeringregulationmethod,andsimulationstudyisdone.Accordingtotheneedsofcontrol,theselectionofcontrolrequirementshardwareandsystemhardwaredesignaswellassystemsoftwaredesignarecarriedout.FinallytheapplicationofPLCinboilersteamdrumwatercontrolsystemiscompleted.

Keywords:

SteamdrumwaterlevelThreeimpulsescontrolPLCPIDcontrol

1绪论

1.1汽包水位控制系统的发展现状

蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽产品，以满足负荷的需要。

锅炉是一个十分复杂的控制对象，为保证提供合格的蒸汽产品以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。

保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标，由于负荷、燃烧状况及给水流量等因素的变化，汽包水位会经常发生变化[1]。

因此锅炉汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。

工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。

传统的控制方法是以各种分立器件的应用为基础，利用各种检测器件对被控参数实时进行检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动控制的目的。

但是这种控制方式受分立器件的性能影响大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易出现故障，不利于系统的长期安全、高效运行。

现在广泛使用的控制技术还有DCS集散控制系统[2]，但由于DCS系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往价格昂贵，对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高，因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择。

PLC是70年代发展起来的中大规模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口与中断系统于一体的器件[3]，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业。

随着计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了PLC通信能力，丰富了PLC编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。

因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用PLC技术。

PLC控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术。

它是PLC软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。

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PLC控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。

它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实时检测并进行反馈，PLC对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。

1.2本设计的主要工作

本次设计的主要工作有：

（1）设计锅炉汽包水位控制方案

从锅炉汽包水位的动态性能入手，分析影响锅炉汽包水位的主要因素，并对这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究。

在此基础之上，根据各个因素对锅炉汽包水位的影响采用汽包水位三冲量方案，达到控制锅炉汽包水位稳定的目的。

（2）硬件设备的选型与设计

根据所设计的控制方案合理地选择检测元件、执行机构和控制设备以及其它必要设备，并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计。

为整个系统的实现以及稳定、可靠运行打下基础。

（3）控制算法的参数整定

根据被控对象的特点以及它的静态、动态特性按照工程整定的方法进行控制器的参数整定，设计调节器的各个参数。

在此基础之上对整定结果进行仿真，并对整定结果进行进一步调整判断其可行性，为后续的软件设计工作打下基础。

（4）PLC程序

根据参数整定和仿真的结果利用相关软件进行PLC梯形图程序设计，最终实现控制算法。

2控制方案设计

锅炉是重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，如果水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。

如果水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。

所以锅炉汽包水位过高过低都可能造成重大事故。

在锅炉汽包水位控制系统中被控量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节,使汽包内部的物料达到动态平衡状态，从而使汽包水位的变化在允许范围之内，保证锅炉的安全运行，生产出合格稳定的高质量蒸汽，以满足负荷的需要。

本设计控制对象的主要参数有：

汽包水位控制在：

300±10mm

正常工作时的蒸发量：

35t/h

水位稳定时供水量为：

35m3/h

正常工作时汽包蒸汽压力大约是0.5MP

2.1虚假水位的形成及对策

虚假水位是锅炉运行时不真实的水位。

虚假水位的产生是由于当汽包压力突降时，炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水大量放出热量来进行蒸发。

于是炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，使水位不是下降而是很快上升，形成虚假水位。

当汽包压力突升时，则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，使水位不是上升而是很快下降，形成虚假水位。

此外当锅炉内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚假水位。

锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时，都会产生虚假水位。

在负荷突然变化时，汽压也相应变化，这时将会出现虚假水位。

负荷变化速度越快，虚假水位越明显。

如遇汽轮机甩负荷，汽压突然升高，水位将瞬时下降；运行中燃烧突然增强或减弱，引起汽泡量突然增大或减少，使水位瞬时升高或下降；安全阀起座时，由于压力突然下降，水位瞬时明显升高；锅炉灭火时，由于燃烧突然停止，锅水中汽泡产量迅速减少，水位也将瞬时下降。

在输入端引入蒸汽流量信号，设置水位系统的前馈调节，于是当蒸汽流量增大时，给水量随之增大，给水量增多，水温又较低，有利于克服“虚假水位”的影响。

2.2汽包水位的影响因素

首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。

锅炉给水调节对象如图2.1所示。

给水调节机构为变频器调节给水量W，汽轮机耗汽量D是由汽轮机阀门开度来控制的。

图2.1锅炉给水调节对象

初看起来，汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样，给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低[4]。

但实际情况并非如此，最突出的一点就是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的体积V是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化的。

如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。

影响汽包水位H的主要因素有给水量W，汽轮机耗汽量D和燃料量B三个主要因素。

（1）给水扰动的影响

如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图2.2所示的曲线H1所示。

但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积V也就会相应的减小，从而导致水位下降如图2.2所示的曲线H2所示。

水位的实际响应曲线应是曲线H1和H2之和，如图2.2所示的曲线H所示。

它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。

其传递函数可以近似表示为：

（2.1）

式2.1中

表示汽包水位的飞升速度，

表示延迟时间。

图2.2给水扰动响应曲线

（2）汽轮机耗汽量扰动的影响

当汽轮机耗汽量D突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图2.3所示的曲线H1所示，另一方面由于汽轮机耗汽量D的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积V增大，从而导致汽包水位上升，如图2.3所示曲线H2所示。

水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和，如图2.3所示曲线H所示。

对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象”。

可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为：

（2.2）

式2.2中

表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，

表示“假水位现象”的延迟时间。

图2.3汽轮机耗汽量扰动响应曲线

（3）燃料量扰动的影响

燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量D的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。

但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。

燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。

由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象”。

这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。

2.3汽包水位的控制方案设计

从反馈的思想出发很容易想到以汽包水位信号作为反馈量，给水流量作为被控量，构成单回路反馈控制系统，即水位单冲量控制系统。

如图2.4所示，这是一个基本的控制方案其方框图如图2.5所示。

对于小容量锅炉来说由于它的储水容量较大，水面以下的汽泡体积并不占有非常大的比重，因此水容积延迟和假水位现象并不是非常明显，因此可以采用汽包水位单冲量控制系统来控制汽包水位。

但对于大中型锅炉来说这种控制方案就不能满足控制要求，因为汽轮机蒸汽量的负荷扰动引起的假水位现象将引起给水调节机构的误动作，导致汽包水位激烈的上下振荡而不稳定，严重的影响设备的运行寿命和安全，所以大中型锅炉不宜仅仅只采用汽包水位单冲量控制系统，必须寻找其他的解决办法来控制汽包水位。

图2.4汽包水位单冲量控制系统

图2.5汽包水位单冲量控制系统框图

如果从物质平衡的角度出发，只要能够保证给水量永远等于蒸汽蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。

因此可以采用图2.6所示的蒸汽流量随动控制系统，其中流量调节器采用PI调节器，使汽轮机的蒸汽量作为系统的给定使给水流量跟踪蒸汽流量的变化，构成了一个以蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水位的恒定。

该方案的结构框图如图2.7所示。

图2.6蒸汽流量随动控制系统

图2.7蒸汽流量随动控制系统框图

采用该方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量的大小只取决于汽轮机的耗汽量，假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。

但是这个系统对于汽包水位来说只是开环控制系统。

由于给水量和蒸汽量的测量不准确以及锅炉系统引入的其他扰动使得给水量和蒸汽量并非准确的比值关系而保持水位恒定。

由于水位对于二者的偏差是积分关系，微小的偏差长时间积累也会形成很大的水位差，因此不宜采用随动控制系统。

如果把以上所述两种方案结合起来，就构成了汽包水位双冲量控制系统如图2.8所示，其结构框图如图2.9所示。

双冲量指的是同时引入两个测量信号：

汽包水位和蒸汽流量。

这个系统对以上所分析的两种方案取长补短，可以极大的提高汽包水位的控制质量。

当汽轮机耗汽量出现阶跃增大时，一方面由于“假水位现象”汽包水位会暂时有所升高，将使调节机构做出误动作错误的减少给水量；另一方面汽轮机耗汽量的增大又通过比值控制系统指挥调节机构增大给水量，实际给水量的增减情况要根据实际情况通过参数整定来确定。

当假水位现象消失后水位和蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作。

只要参数整定合适，给水量必然等于蒸汽量从而保证水位恒定。

图2.8汽包水位双冲量控制系统

图2.9汽包水位双冲量控制系统框图

此外考虑到给水流量的变化可以通过串级控制的方法让给水量的扰动通过内回路自行调节，设计如图2.10所示的三冲量控制系统，其结构框图如图2.11所示。

即前馈—反馈—串级复合控制系统。

该三冲量控制系统包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路以及一个蒸汽流量前馈通道，实质上是蒸汽流量前馈与水位－流量串级系统组成的复合控制系统。

串级控制系统的主参数是汽包水位，副参数是给水流量，主调节器是给水流量调节器，副调节器是液位调节器。

一方面可以克服给水扰动，使给水流量自行调节，另一方面可以有效地抑制“假水位现象”。

当蒸汽流量发生变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量的大小以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调维持汽包水位的稳定。

图2.10汽包水位三冲量控制系统

图2.11汽包水位三冲量控制系统框图

3硬件选型

3.1水位传感器选型

由于该设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的准确测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。

合理的选择水位传感器在水位控制系统的设计中有关键作用。

知道汽包水位应该控制在300±10mm，根据过程控制仪表量程选择原则：

仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍。

因此所选传感器的最大量程为:

400～450mm。

而且汽包水位应该控制在300±10mm，因此所选水位传感器的精度应该高于10/450=2.2%FS，因此选择该测量精度才可以满足要求。

佛山市顺德区拓朴电子仪器有限公司生产的PTP601投入式水位传感器可以满足控制要求，该系列仪表采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体。

316全不锈钢结构有多种量程可供选择，选择测量围为：

100～500mm，测量精度在1%FS的型号可以满足控制要求。

该型号的传感器主要技术参数如下：

量程：

100～500mm（水位高/深度）

综合精度:

1.0%FS

输出信号:

4～20ma（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）

供电电压:

24DCV（9～36DCV）

负载电阻:

电流输出型：

最大800Ω；电压输出型：

大于50KΩ

绝缘电阻:

大于2000MΩ（100VDC）

密封等级:

IP68

长期稳定性能:

0.1%FS/年

振动影响:

在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS

电气接口（信号接口）:

紧线防水螺母与五芯通汽电缆连接

机械连接（螺纹接口）:

投入式

使用时可以采用24V直流电源为水位传感器供电保证其正常工作，将1～5V电压信号作为反馈量引入PLC模拟量输入端口进行控制运算。

3.2流量传感器的选型

根据控制方案可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信号可以有效地改善控制质量，因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系统的控制质量。

知道所要控制的是35t/h锅炉的汽包水位，即该锅炉正常工作时每小时蒸发35t蒸汽也就是有35t水被蒸发成为蒸汽，水位稳定时供水量为：

35m3/h。

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