基于plc的锅炉三冲量给水控制系统设计毕业设计.doc
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基于PLC的锅炉三冲量给水控制系统设计
摘要
锅炉三冲量给水控制系统在工业控制中是一个典型的控制系统。
在锅炉三冲量给水控制系统中，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。
本文从控制方案设计、PLC简介和系统软件设计几个方面进行介绍。
并且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。
本系统以西门子S7-300来实现锅炉汽包水位自动控制，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。
根据仿真结果曲线来看，系统的性能指标都达到了要求。
关键词：
PLC;锅炉;三冲量;汽包水位;PID控制
DesignofThree-impulseWaterSupplyControlSystemofBoilerBasedonPLC
Abstract
Thethree-impulsewatersupplycontrolsystemofboilerisatypicalcontrolsysteminindustrialcontrol.Inthethree-impulsewatersupplycontrolsystemofboiler,thesteamdrumwaterlevelisaveryimportantparameterfortheboilersafeoperation.Bothhighandlowsteamdrumwaterlevelmayleadtoextremelyseriousconsequence;thereforesteamdrumwaterlevelmustbestrictlycontrolled.WiththerapiddevelopmentofPLCtechnology,PLCiswidelyappliedtotheprocesscontroldomainandmakestheperformanceofcontrolsystemenhanceenormously.PLChasalreadybecometheessentialimportantequipmentinautomaticcontroldomain.Thecontroldesign,theintroductiontoPLC,andsystemsoftwaredesignareintroducedinthepaper.Alsobasedontheanalysisofallkindsoffactorswhichinfluencesteamdrumwaterlevel,“unrealwaterlevelphenomenon”isanalyzedspecially,andthreeimpulsescontrolschemeofsteamdrumwaterlevelcontrolsystemisproposed.SiemensS7-300isadoptedtorealizeautomaticcontrolofsteamdrumwaterlevelinthesystem.PIDparametersareregulatedbyengineeringregulationmethod,andsimulationstudyisdone.Accordingtothesimulationresults,systemperformancemeetstherequirements.
Keywords:
PLC;Boiler;ThreeImpulses;SteamDrumWaterLevel;PIDControl
目录
摘要 I
Abstract II
1.绪论 1
1.1课题背景及目的和意义 1
1.2项目研究内容 2
2.控制方案设计 4
2.1汽包水位控制系统参数选择 4
2.2控制方案设计结构选择 4
2.2.1单冲量汽包水位控制系统 4
2.2.2双冲量汽包水位控制系统 5
2.2.3三冲量汽包水位控制系统 6
2.3前馈串级控制系统 7
2.3.1串级控制系统特点 7
2.3.2串级控制系统回路的选择原则 8
2.3.3前馈控制系统特点 9
2.3.4前馈控制器设计 10
2.4被控对象数学模型 11
3.PLC简介 13
3.1S7-300硬件 13
3.1.1S7-300的物理结构 13
3.1.2硬件组态 14
3.1.3信号模块 15
3.2S7-300软件 15
3.2.1组织块OB35 15
3.2.2功能块FB41 16
3.2.3功能块FB100 17
3.2.4功能块FC105和FC106 18
4.PLC控制系统的设计 19
4.1程序设计 19
4.2仿真步骤 29
4.3仿真曲线 32
结论 34
致谢 35
参考文献 36
1.绪论
1.1课题背景及目的和意义
蒸气锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸气产品,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气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。
工业蒸气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,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[2]。
因此需要运用另一种更好的控制系统对其控制。
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，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[3]。
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。
PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。
因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。
PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期、比例系数、积分系数、微分系数。
因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。
PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。
在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。
1.2项目研究内容
水位控制的任务是使给水量与锅炉蒸发量相适应，维持汽包水位在工艺的范围内。
汽包水位控制也称锅炉给水控制。
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）PLC及相关模块的介绍
本次实验的运行环境在在S7-300系列的PLC中进行的，实验之前要对其有一个大致的了解，熟悉其功能，以便更好地应用。
此外，还要了解其中的组织块、功能块等模块，了解引脚的作用。
（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程序和监控界面设计
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。
同时利用组态软件进行监控界面的设计,实现通过上位机对整个系统运行状态的实时监控功能,使之能够动态显示系统的运行状况,并可以通过监控界面对系统进行相关操作。
2.控制方案设计
2.1汽包水位控制系统参数选择
汽包水位控制系统可直接选择汽包水位作为被控参数。
影响汽包水位变化的因素有给水量变化、蒸气流量变化、燃料量变化、汽包压力变化等。
汽包压力变化并不直接影响水位，而是通过汽包压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”过程影响水位。
汽包压力变化往往是蒸气流量变化引起的，可将压力变化因素归在蒸气流量变化中一并考虑，而蒸气流量又是按照用户需要而改变的不可控因素，因而汽包压力和蒸气流量都不能作为汽包水位的控制变量。
燃料量的变化要经过燃料系统变成热量后，才能被水吸收，继而影响汽化量并改变水位。
这一通道的传输滞后和容量滞后都很大，燃料过程又有专门的调节系统进行控制，因此燃料量也不能作为汽包水位的控制变量[4]。
只有锅炉给水量可作为汽包水位的控制变量。
2.2控制方案设计结构选择
锅炉汽包水位的自动控制的任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持
汽包水位在工艺允许的范围内。
锅炉汽包水位调节系统常采用以下三种调节方式。
2.2.1单冲量汽包水位控制系统
以汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成单回路水位控制系统，工程上也称为单冲量控制系统,图2.1为单冲量控制系统框图。
这种系统的优点是所用设备少，结构简单，参数整定和使用维护方便。
在单冲量控制系统中，当锅炉蒸气负荷（流量）突然大幅度增加时，由于假水位现象，调节器不但不及时开大给水阀增加给水量，反而关小调节阀的开度，减少给水量。
这样，由于蒸气量增加、给水量减少使汽包存水量减少。
等到假水位消失后，汽包水位会严重下降，甚至会使汽包水位降到危险的程度，
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