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基于PLC的锅炉水位控制系统设计毕业设计论文
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毕业设计（论文）
基于PLC的锅炉水位控制系统设计
DESIGNOFBOILERWATERLEVELCONTROLSYSTEMBASEDONPLC
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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“虚假水位”，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；PLC；PID控制
Abstract
Thesteamdrumwaterlevelisaveryimportantparameterfortheboilersafeoperation,bothhighandlowsteamdrumwaterlevelmayleadtoextremelyseriousconsequence;thereforeitmustbestrictlytobecontrolled.WiththerapiddevelopmentofPLCtechnology,itcanwidelybeappliedtotheprocesscontroldomainandenhancestheperformanceofcontrolsystemenormously.PLChasalreadybecometheessentialimportantequipmentinautomaticcontroldomain.
Basedontheanalysisofallkindsoffactorswhichinfluencesteamdrumwaterlevel,“unrealwaterlevelphenomenon”isanalyzedspecially,andthreeimpulsescontrolplanforsteamdrumwaterlevelcontrolsystemisproposed.PIDparametersareregulatedbyengineeringregulationmethod,andsimulationstudyisdone.Accordingtotheneedsofcontrol,theselectionofcontrolrequirementshardwareandsystemhardwaredesignaswellassystemsoftwaredesignarecarriedout.FinallytheapplicationofPLCinboilersteamdrumwatercontrolsystemiscompleted.
KeywordsSteamdrumwaterlevelThreeimpulsescontrolPLCPIDcontrol
1绪论
1.1目前锅炉汽包水位系统的发展状况
蒸汽锅是现代大多数企业应用的动力设备，它为企业的生产劳作提供了稳定合格的蒸汽资源，并且适应各种负荷。
锅炉很难控制，它包含了很多控制因素。
为了保证提供的蒸汽资源的质量，并满足当前负荷的工作环境，应该根据这些工艺参数，设计出与该锅炉相适应的控制系统。
控制汽包水位在正常的工作范围内是非常重要的，它也是考量锅炉是否正常运行的重要指标之一。
汽包水位会因为供水流量之类的因素变化而变化。
为了使锅炉安全的工作，应该对锅炉进行实时检测，并以此为基础，严格的调节控制，保障设备安全运作。
在生产中，锅炉水位是通过控制供水量来实现的，并且还要和蒸发量维持着一定的动态平衡。
同时保证汽包水位在工艺过程中处在正常的范围中，这些是保障锅炉安全运作的必要条件。
锅炉汽包水位也是设备在运作中被监测的一项重要参数，并且呈现出锅炉负荷与给水量这两者间的平衡关系。
以往的控制方法是根据不同器件的工作原理，并且把各种监控器件的检测数据输送给控制器。
利用自动控制理论中的相关计算公式，对上述的检测数据进行运算。
把结果反馈到调节器件，并驱动该机构，完成自动控制。
但是这种控制方法的效果不是很好，它会受到各种因素的影响，各种分立器件和系统自身内部间的影响比较大，容易发生故障。
DCS集散控制系统也是目前被广泛运用的系统，但是因为该系统适用范围广，所以价格也比较昂贵，不适合锅炉水位控制。
上个世纪七十年代，PLC开始发展壮大，它是由CPU、I/O接口、RAM、ROM和中断系统组成的器件。
在机械制造，制药等行业中已经广泛使用。
计算机的应用越来越涉及到更多的领域，PLC通过计算机技术得到了更多的应用，并且增加了PLC软件的使用技巧，增强了它的控制力度。
所以在单机或多机控制，亦或者是流水线等领域都可以使用PLC。
通过PLC对锅炉水位进行控制是近年来开始使用的，它是PLC技术和自动控制系统等多项技术一起运用的结果。
PLC技术的应用，保障了锅炉的安全运作，稳定的生产，并且节省了部分资金，减轻了工人的负担。
PLC的使用，使锅炉在运作中可以实现自动检测和控制等几个功能。
通过控制汽包水位，调节汽包给水流量，可以对锅炉水位进行实时检测并反馈信号。
PLC把接收到的反馈信号与开始的给定信号作比较，利用自动控制相对应的计算方法，把这两者的偏差进行计算，把结果反馈到相应的执行机构并且作出相应的调节。
得到调节的汽包会在允许的范围内处于一个动态平衡的状态。
1.2本设计的主要工作
（1）设计锅炉水位控制方案
以锅炉动态性能为出发点，分析出对锅炉汽包水位产生影响的重要因素。
在锅炉汽包水位的动态性能这个方面，对这些因素进行理论研究。
运用三冲量方案来解决这些因素的影响，使锅炉汽包水位处于动态平衡。
（2）硬件设备的选型与设计
对锅炉水位控制装置进行机械结构总体设计，并作相关计算，绘制系统装配图。
合理选择执行机构，控制设备及检测设备等必要的设备器件，并且进行合理的硬件设计。
（3）控制算法的参数整定与仿真
以控制对象的特点，静态或者动态性能为基础，通过工程整定的方式，对控制设备进行参数整定，设计调节器的各个参数。
对整定的结果进行仿真，并判断其可行性。
（4）PLC程序
依据参数整定和仿真得到的结果，通过相应软件进行PLC程序的设计，最后实现控制算法。
2控制方案设计
2.1虚假水位的形成及对策
在锅炉运行时，会产生“虚假水位”，他不是真正的水位。
“虚假水位”是汽包所受的压力突然下降，而锅炉中液体的饱和温度也下降到了压力较低时候的状态，这时炉水会通过蒸发的方式，散发出很多热量。
这会生成很多汽水混合物，使锅炉水位快速上升，造成了“虚假水位”的现象。
反之，当汽包所受压力增大时，会使得汽包减少，水位下降，同样造成了“虚假水位”的现象。
当锅炉内热负荷增大或减小时，水的比容也会相应的增大或减小，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。
为了消除“虚假水位”对锅炉水位控制的影响，可以把流量信号输送到输入端，并且设置好锅炉水位控制系统的前馈调节。
这时，当蒸汽流量变大，给水量就会变大，在水温较低时，这是非常有利的。
2.2汽包水位的影响因素
首先以锅炉汽包水位的动态特性为研究基础。
图2-1为锅炉给水的调节对象，通过变频器可以调节给水量W，通过控制汽轮机阀门开度可以调节汽轮机的耗油量D。
图2-1锅炉给水调节对象
从图上看来，汽包水位的动态特性与单容水槽有很多的相似处，汽包水位的高低是由给水量和蒸汽量控制的。
但事实不是这样的，最明显的地方就是在水循环中，充满了带有蒸汽汽包的水，蒸汽泡的体积V又是受到了炉膛负荷和汽包压力的影响而产生了变化。
汽包的总体积一发生变化，就算水循环系统中的总水量也未产生改变，但是汽包水位也会发生改变，从而锅炉水位也发生了改变。
汽包水位H，受到了以下3个主要因素的影响：
给水量W、汽轮机耗汽量D和燃料量B。
（1）给水扰动的影响
假设把汽包水循环系统认为是一个单容水槽，从而水位的给水阶跃扰动响应曲线就应该是图2.2所示的曲线H1。
因为给水的温度小于汽包内水的饱和温度，给水进入锅炉后会吸收热量，导致蒸汽产量降低。
汽泡的总体积V会相应的减少，水位会下降，它的变化图为图2-2中的H2。
水位受到了影响，它的真实变化曲线是H1与H2之和，图2-2中的H就是该曲线。
水的过冷度会影响到响应延迟时间，过冷多越大，则响应延迟越长，它们的关系可用以下函数表示：
式（2.1）
在式2.1中，
是响应延迟时间，
为水位的上升速度。
图2-2给水扰动响应曲线
（2）耗汽量D的扰动
当汽轮机耗汽量D骤然变化，呈现阶跃增加时，它改变了汽包内平衡状态，使水的蒸发量增加，水位降低，图2-3曲线H1是其变化曲线，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，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。
在大中型锅炉中，H2的影响大于H1，所以导致水位不降反升，这就是“假水位现象”。
这个现象可以当作是惯性加积分环节，它的传递函数可以用以下函数表示：
式（2.2）
在式2.2中ε2为汽包水位相比较于蒸汽流量的上升速度，
为“假水位现象”的响应延迟时间。
图2-3耗汽量D的扰动响应曲线
（3）燃料量扰动的影响
当使用的燃料量增加时，锅炉内热负荷也会增加，汽水混合物增加，从而形成了水位虚高的现象，如图2-4中H1。
如果此时的进气阀得不到调节，那么汽包饱和压力就会上升，蒸汽量增大，导致蒸发量超过给水量，水位就会下降，而汽水混合物也会减少，汽水总体积下降，如图2-4中H2曲线所示.水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和，其变化为图2-4中曲线H。
汽包容积的增加也会使汽包水位上升，造成“虚假水位”现象。
在经过了Tm时间后，蒸发量与燃料量将会处于相对的平衡状态，水位就开始下降。
因为燃料量的增大对增加蒸汽量和汽包压力的作用很缓慢，这会减小汽包体积，所以燃料量扰动相对于负荷扰动的影响比较低。
图2-4燃料量扰动影响的响应曲线
水位受到给水量扰动的响应带有迟滞性，负荷扰动作用下的水位响应会产生“虚假水位”，这些给汽包水位控制造成了更多的困难。
2.3汽包水位的控制方案设计
图5-10给水流量干扰下的仿真波形图
根据图5-9和5-10分析，当给水流量增大时，锅炉中的水应该变多，然后锅炉的水位就应该上升。
但是实际上锅炉的水位并没有直接上升，而是先降低了，过了一段时间后才上升的，因为该系统有延迟。
虽然系统系统受到了给水流量的扰动作用，但是在副回路的控制作用下，系统就能有效的处理该干扰的影响。
从而给水流量就能稳定下来，处在期望值0，保证系统拥有良好的性能。
系统运行过程中，蒸汽流量和给水流量的干扰不是同时出现的，系统运作300S时出现了蒸汽流量的干扰，在系统运行600S时出现了给水流量的干扰。
此时系统的simulink图为下图：
图5-11系统的simulink结构图
图5-12、300S时蒸汽流量干扰下的波形图
图5-13600S给水流量干扰下的波形图
根据图5-12和图5-13的分析，蒸汽流量和给水流量对系统的干扰都受到了克制作用，它们对系统的稳定性影响大大的降低了。
系统在经过了波动后立马受到了调节，使系统迅速的稳定下来，并且处于期望值的范围。
这样的系统安全稳定，能够满足设计方案的要求。
该串级三冲量孔子系统使用PID参数整定效果明显，并且能够很好的克服各种干扰的影响，反应速度也很快。
该控制系统调节速度快，准确度高，非常有利于系统的运行。
所以，该控制方式可以应用。
应用PID参数整定大大的提高了系统的反应速度，提升了提升了系统的稳定性。
从PID参数整定的各种结果可以知道，此方法对锅炉汽包水位的所在高度进行准确的判别，并作出相应的调节动作。
锅炉水位控制系统的软件设计方面应该由逻辑判断和PID算法这2部分组成。
6程序设计
6.1程序流程设计
程序流程设计是PLC程序设计的基础，只有完成了程序流程图，才能够进一步的设计该系统的程序。
本设计的控制对象是锅炉的汽包水位，所以要严格控制水位的上限和下限。
本设计采用PLC控制来控制锅炉系统，PLC需要对传感器发出的模拟信号进行转化，并且对转化后的数字信号进行多种运算，该运算过程会用掉很多的时间。
那么该系统就会出现延迟，从而降低了PLC的控制效率，这些对系统会产生不好的影响。
根据以往的经验，不难知道参数的获取所需时间。
流量参数一般需要1到2秒，水位参数一般需要3到5秒的时间，根据流量参数和水位参数的获取时间来选择，设置系统的采样时间为1S，这样就可以使系统中的参数得到充分的采样。
锅炉水位的上限和下限需要设定，在本设计中设置水位的上限为350mm，水位的下限为200mm。
当水位高于上限的时候水泵就停止送水，当水位低于下限的时候，水泵用最快的给水速度为锅炉供水。
本设计给系统设定了一个1秒的判断时间，当定时器的时间达到1秒时，PID控制开始工作；反之，则运行PLC和PLC上的其他功能程序。
根据以上分析可以设计PLC的程序流程6-1：
6-1程序流程图
6.2GXDeveloper程序设计
GXDeveloper是一款功能丰富又强大的PLC程序编辑软件，它适用于三菱PLC的程序编写。
该软件可以与office联用，把office软件中的一些文字等数据复制到该软件中，实用性强。
GXDeveloper编程软件还具有以下特点：
（1）操作简便
（2）拥有多种调试方式
（3）可以通过多种途径与CUP连接
本设计应用GXDeveloper软件对该系统流程图作出具体的软件程序编写。
在软件中PLC选项中选择FXCPU与FX2N（C）这2项。
所画的图的类型是梯形图。
打开GXDeveloper，新建工程时的选择如下图6-2所示：
图6-2GXDeveloper新建工程图
设计程序如下图所示。
程序中X1是表示启动按钮，X2表示停止按钮，X3表示最低水位行程开关，X4表示最高水位行程开关。
当锅炉水位低于水位下限是，X3接通，此时Y0动作，表示水泵最大功率供水。
当锅炉水位高于水位上限是，X4接通，此时Y1动作表示水泵停止供水。
当系统设定的判断时间1秒达到时，时间继电器接通，此时Y2动作，表示运行PID控制算法。
当Y2动作时，程序出现了错误，那么Y3就会动作。
水位最大值为350mm，最小值为200mm，PID采样时间为1S。
PLC选用的2个附加模块FX2N-4D/A与FX2N-2A/D，在PLC程序中的编号分别为NO1与N02。
FX2N-4D/A有4个端口，选用端口0输出水位的检测结果，用端口1输出蒸汽流量的检测结果，用端口2输出给水流量的监测结果。
综上，把FX2N-4D/A中BFM#0的值设置为H3111。
程序中选用FX2N-2A/D模块的端口1输出PID控制运算的结果。
本设计的输出选用4到20mA的电流信号来表示。
当系统运行后，传感器将所测到的结果以4到20mA的电流信号输送到FX2N-4D/A模块中。
FX2N-4D/A将接收到的模拟信号转换成数字信号，并将结果输送到PLC。
PLC对接收到的信号进行判断，当结果大于350mm，那么水泵就停止运作，从而降低锅炉汽包水位。
当结果小于200mm时，PLC使KM1闭合，水泵以最大的给水速度给锅炉供水，从而升高锅炉汽包水位。
当系统没有检测到水位超出最高水位或者小于最低水位时，系统就会执行PID控制运算，KM2闭合，通过变频器来改变水泵的供水速度，使锅炉汽包水位处于正常的范围内。
该系统程序的PLC梯形图如图6-3：
图6-3程序梯形图
当程序开始执行时，先把相关的数据传送PLC，经过判断以后确定水位以及系统的工作状态。
然后根据程序流程图对判断结果进行相应的处理，并且PLC把程序梯形图循环执行。
结论
本设计的名称是基于PLC的锅炉水位控制系统设计，它的控制目的是维持锅炉的汽包水位在允许的范围内，可以通过保持给水流量和蒸发流量处于一个动态平衡来达到控制目的。
本设计选用的控制方案是三冲量控制，该控制方案已经在很多领域得到了应用，并且控制效果卓越，得到了广泛的认可，为广大的企业创造了大量的经济效益。
本文主要对以下几个方面做了分析设计：
（1）锅炉汽包水位控制的发展现状
（2）本设计的主要工作内容
（3）确定系统的控制方案
（4）系统中所用硬件的选型和设计，并确定相关的系统电路图
（5）对系统中的参数进行整定，并且对三冲量控制方案进行仿真分析
（6）根据设计要求、内容和控制方案，作出程序流程图，应用GXDeveloper软件编写程序梯形图。
通过本次设计，使自己对锅炉水位控制系统有了比较全面的了解，增强了自己的操作能力，拓展了自己的知识面，也发现了自己的不足之处。
三冲量控制非常优秀，我坚信，三冲量控制和PLC控制在将来会被运用到更多的领域。
致谢
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