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汽包水位控制系统设计
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摘要
锅炉是众多工业部门必不可少的重要动力设备。
锅炉汽包水位是一个非常重要的被控变量，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。
锅炉的水位调节过程难以建立数学模型，具有非线形、不稳定性、时滞等特点。
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。
本设计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
~
$
1.引言3
2.工业锅炉的理论基础4
工业锅炉的控制要求与工艺流程4
锅炉汽包水位的控制6
锅炉水位控制系统的重要性6
3.锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择6
、
锅炉汽包水位控制对象的基本特性6
影响汽包水位的影响因素7
锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择8
单冲量水位控制系统8
双冲量水位控制系统10
三冲量水位控制系统11
4.PID控制的设计12
PID控制的基本公式12
"
PID算法简介12
单冲量仿真电路搭建14
PID参数整定14
仿真结果分析16
5.PLC选型及资源配置17
PLC选型17
PLC的资源配置17
6.控制系统程序设计19
"
控制系统流程图19
梯形图程序20
7.上位机组态设计21
组态王简介21
组态王主画面22
8.设计总结26
参考文献28
（
》
%
1.\
2.引言
水位是锅炉运行中一个常重要的参数。
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，由于水流量、燃烧状况及给负荷等因素的变化，汽包水位会经常发生变化。
过高的水位会影响汽水分离的效果,使用电气设备发生故障;而过低水位,则会破坏汽水正常循环,严重时导致锅炉爆炸。
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。
锅炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量与蒸发量的动态平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。
同时，汽包水位在正常范内波动是保证锅炉安全生产运行的必要条件。
锅炉汽包水位是锅炉运行中的一个重要监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。
传统的控制方法是基于各种分立器件，利用多种检测器对被控参数进行实时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。
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，并且易出现故障，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，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是上世纪70年代发展起来的一种中大规模的控制器，是集RAM、ROM、I/O接口、CPU与中断系统于一体的器件，已经被广泛应用于各种行业。
随着计算机在应用软件、操作系统、通信能力上的飞速发展，增强了PLC过程控制能力和通信能力，丰富了PLC编程软件和编程技巧。
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。
3.工业锅炉的理论基础
2.1工业锅炉的控制要求与工艺流程
锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。
工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量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，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。
所有各种锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。
】
图2-1工业锅炉工艺流程
工艺流程的步骤：
除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。
空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。
煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。
在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。
通过这种方式使锅炉的热能得到节约。
降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。
2.2锅炉汽包水位的控制
~
锅炉包水位控制的主要被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。
主要考虑的是汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内。
维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、气轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的指标。
2.3锅炉水位控制系统的重要性
锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。
对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。
因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。
工业锅炉中最常见的事故有：
锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。
其中以锅炉缺水事故比例最高。
这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。
4.锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择
3.1锅炉汽包水位控制对象的基本特性
工业锅炉的汽水系统结构如图3-1所示。
{
图3-1工业锅炉汽水结构
1—给水母管；2—调节阀；3—省煤器；4—汽包；
5—下水管；6—上升管；7—过热器；8—蒸汽母管
汽包及蒸发管系中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。
引起水位变化的主要扰动就是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。
给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性。
把汽包和给水看作单容无自衡对象，水位响应曲线应为一条直线。
但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化后，使汽包内气泡含量减少，导致水位下降。
即当突然加大给水量后，汽包水位一开始并不增加而要呈现一段起始惯性段。
3.2影响汽包水位的影响因素
{
在控制系统中，扰动量有，蒸汽流量，给水流量等，当蒸汽流量增加时，气泡温度上升，气泡压力减小，气泡蒸发变快气泡增多，出现虚假水位现象，反之也同样会有虚假水位的现象，虚假水位打破了系统原有的平衡状态，破换了洗头的稳定性，如果调解不及时，严重者会导致干锅现象，损坏锅炉设备，降低了谁把诶诶的寿命。
当给水量增加时液位升高，导致液位温度下降，造成蒸发温度低，出现蒸汽带液，供给动力不足，设备生产效率降低，同时由于温度降低气泡内压力增大，使用于蒸发水的热量减小，气泡减少，炉水体积收缩，产生虚假水位现象。
此外他是一个具有延时时间的积分环节，水的温度越低延时时间就会越长，系统衰减比增大，俞差为零，最大偏差减小，系统达到稳态的时间变长，控制作用下降。
此外还有汽轮机耗气量的多少，汽轮机耗气量变大时，使供给炉水加热的温度减小，打破了系统原有的物料平衡，还会导致虚假液位的现象产生。
由以上分析可知，给水量扰动下的水位相应有迟滞性，负荷扰动下的水位有“假水位”现象，这些特性使得气泡水位的变化受到多种因素的影响，因而对他的控制就变得比较复杂。
3.3锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择
3.3.1单冲量水位控制系统
从反馈与自动控制的角度出发，很容易想到气泡水位作为被控对象，给水量作为操纵变量构成单回路自动控制系统，即水位单冲量控制系统，原理图如图3-2所示，这是一个最基本的控制方案，其方框图为3-3。
单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。
单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。
\
图3-2单冲量水位控制系统
图3-3单冲量控制系统框图
\
其特点为：
结构简单，投资少，适用于气泡容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。
该过程具有虚假水位的反向特性，因此，当符合变化较大时，会造成控制器输出误动作，严重影响设备的运行寿命和安全，影响控制系统的控制品质。
蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此控制不及时。
3.3.2双冲量水位控制系统
双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统，如图
3-4。
由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。
使调节阀一开始就向正确的方向动作。
因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过度过程时间。
其方框图为3-5。
图3-4双冲量水位控制系统
，
图3-5双冲量水位控制系统框图
3.3.3三冲量水位控制系统
三冲量控制系统，以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量为前馈控制信号，给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。
三冲量水位控制系统组成原理图如图3-6。
图3-6三冲量控制系统
^
三冲量控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。
当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。
如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减小的信号，开大给水阀门，使给水流量保持不变。
5.PID控制的设计
4.1PID控制的基本公式
PID是比例（P）、积分（I）、微分（D）的缩写，PID控制器是目前应用最为广泛的闭环控制器。
标准PID的控制值与偏差（实际值与设定值之差）、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分，三者之和成正比。
本设计控制系统的输出模型为：
要求控制调节时间
＜4s，最大超调σ%≤5%
4.2PID算法简介
控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。
目前提出的控制算法有很多。
根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。
实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。
调节器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如图4-1所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。
]
图4-1 模拟PID控制系统原理框图
PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成的控制偏差：
e（t）=r（t）－c（t）
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。
在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。
例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。
模拟PID调节器的控制规律为
式中，
为比例系数，
为积分时间常数，
为微分时间常数。
^
PID调节器各校正环节的作用是：
（1）比例环节P：
即时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t）产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差；
（2）积分环节I：
主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数
，
越大，积分作用越弱，反之则越强；
（3）微分环节D：
能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间
4.3单冲量仿真电路搭建
图4-2仿真电路
$
4.4
PID参数整定
/
\
图4-3控制器PID
!
图4-4控制图像
要求：
4s，σ%≤5%
调节结果：
P=15,I=,D=，满足要求。
4.5仿真结果分析
在本次仿真实验中我采用了P控制和PD控制和PID控制，在P调节中，残差随着比例带的增大而增大。
而要求尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益
，其后果是使系统的σ%上升，并导致激烈振荡甚至不稳定。
稳定性是讨论任何闭环系统各项参数的基础，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。
比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。
通过查阅相关资料得知，在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改，对于液位系统：
P（%）20--80，I（分）1--5。
故而在实验过程中选择从1开始取值，并最终确定为最佳值，而比例积分微分控制时，反复试凑得出当K=15，I=，D=时仿真效果较好，通过三种调节方式的对比，我们可以明显看出在纯比例控制下虽然系统最终也能达到稳定状态，但是其调节时间和峰值时间都太长，且曲线不是特别光滑，而比例微分控制则能大大减少调节时间，调节过程相对比例调节比较完善，仿真曲线也更光滑，从而体现出该系统在比例微分调节下能有更好的反应速度与准确度，总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。
体现到实际系统中表现为能较快调节锅炉汽包的液位，减小液位测试误差,从而达到理想的调节与控制效果。
6.%
7.PLC选型及资源配置
5.1PLC选型
根据系统的I/O点数，并考虑富裕量及今后系统的扩展升级和工艺控制等问题，本系统设计采用西门子的S7-200系列作为主机。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。
S7-200系列是西门子公司的典型产品，具有功能强大，极高的可靠性，丰富的指令表，易于掌握，操作便捷，丰富的内置及成功能，强劲的通信功能，丰富的扩展模块等特点。
5.2PLC的资源配置
PLC中，它的I/O分配对其使用与功能起决定性作用，本设计的I/O地址分配如图5-1所示：
AI
AO
（
DI
DO
汽包液位
1
调节阀开度
·
1
1
蒸汽流量
1
:
给水流量
1
报警指示
、
1
图5-1I/O地址分配
8.控制系统程序设计
6.1控制系统流程图
!
图6-1控制系统总流程图
6.2梯形图程序
9.!
10.上位机组态设计
7.1组态王简介
组态王开发监控软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个参差结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
7.2组态王主画面
本系统由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构几部分组成。
组态王软件系统包括开发环境和运行环境两大部分，完成用户组态设计的目标和功能。
图6-2汽包液位变量定义
>
正常工作时，进水泵与进水阀门同时工作的同时，蒸汽出口阀与蒸汽风机停止工作，液位上升，主画面如图6-3（a），其液位曲线如图6-4（a）。
液位到达警戒水位，进水泵与进水阀门同时停止工作的同时，蒸汽出口阀与蒸汽风机开始工作，液位下降，主画面如图6-3（b），其液位曲线如图6-4（b）。
图6-3（a）主监控画面
\
图6-3（b）主监控画面
报警窗口画面（如图6-4）记录着系统运行中的各种报警事件，报警时的状态值，及报警处理，并可根据事件的轻重缓急设定优先级及报警阈值，分实时报警和历史报警，这些均在数据变量的属性中进行设定，形成电子表格文档以日期为文件名记录在硬盘上。
图6-4报警记录画面
历史曲线画面 包括实时曲线（如图6-5）和历史趋势曲线（如图6-6），并可根据需要随时打印，做出趋势图后，只需进行数据连接，让参数变化反应到趋势图上。
当曲线在警戒水位以下，进水阀门打开，液位上升，如图6-5（a）所示：
（
图6-5（a）实时液位上升曲线
液位到达警戒水位后，进水阀门关闭，如图6-3所示，液位变化曲线如图6-5（b）所示：
图6-5（b）实时液位下降曲线
液位的历史曲线如图6-6所示：
[
图6-6历史曲线
控制参数窗口画面 提供给用户修改控制参数的窗口，通过组态王的命令语言实现PID控制。
11.设计总结
通过这次的设计使我认识到计算机控制技术、单片机等方面的知识的重要性，本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。
本次课程设计应用到了多个所学的课程知识，综合性较大，虽然挑战巨大，经过同学们的共同努力，最终完成了本次设计。
通过本次设计使我认识到自己对于书本上的很多知识还不够熟悉，有很多需要掌握的知识还没掌握，我会在以后的学习生活中弥补我所缺少的知识。
课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去，我会在以后的学习、生活中磨练自己使自己适应于以后的竞争，并且在查找资料的过程中学到了许多。
最后，感谢老师对我的细心的指导，使得我的课程设计能够顺利的完成，相信这对我以后的课程设计将会有很大的帮助。
参考文献
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高等教育出版社，2001
[2]容銮恩，刘志敏.电站锅炉原理.北京：
中国电力出版社，1998
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机械工业出版社2007
[4]黄一夫.微型计算机控制技术.北京：
机械工业出版社，
[5]边立秀.热工控制系统.北京：
中国电力出版社，2004
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