摘要鍋爐是鋼鐵、石油、化工、發(fā)電等工業(yè)過程中必不可少的重要動力設(shè)備，所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅(qū)動的動力源，又可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源。例如電廠里的汽輪發(fā)電機，就是靠鍋爐產(chǎn)生的一定溫度和壓力的過熱蒸汽來推動的，化工廠里許多換熱器的熱源大多是鍋爐提供的蒸汽。為適應(yīng)生產(chǎn)的需要，鍋爐的大小、型號也是各種各樣。鍋爐的大小是以鍋爐每小時產(chǎn)生的蒸汽量來衡量的，小型鍋爐每小時產(chǎn)幾噸蒸汽，大的鍋爐每小時能產(chǎn)200t以上的蒸汽，蒸汽壓力有高、中、低之分。在應(yīng)用類型上，可將鍋爐分為動力鍋爐和工業(yè)鍋爐，其中工業(yè)鍋爐又分為輔助鍋爐、廢熱鍋爐、快裝鍋爐、夾套鍋爐等。鍋爐的燃料也各不相同，有燃氣型、燃油型、燃煤型和化學(xué)反應(yīng)型等。鍋爐產(chǎn)生蒸汽的壓力和溫度是否穩(wěn)定、鍋爐運行是否安全，直接影響到生產(chǎn)能否正常進行，更關(guān)系到人員和設(shè)備的安全與否，因此，鍋爐的過程控制十分重要。工業(yè)蒸汽鍋爐是一個復(fù)雜的控制對象，為了保證鍋爐能夠提供合格的蒸汽，生產(chǎn)過程中的各工藝參數(shù)必須嚴格控制。在這些工藝參數(shù)中，鍋爐汽包水位是一個非常重要的參數(shù)，水位的大小不僅是影響蒸汽質(zhì)量的主要因素，而且將水位控制在一定的范圍之內(nèi)是保證鍋爐安全運行的必要因素。關(guān)鍵詞：鍋爐汽包；三沖量；PLC；PID；目錄19063第一章鍋爐的工藝流程描述 321347第二章鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計 67972 910244(1)主控制器的設(shè)計 910731（2)檢測電路的設(shè)計 927604（3）輸出控制電路 10142502.2系統(tǒng)軟件設(shè)計： 119764第三章PID調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇及參數(shù)整定 134279比例調(diào)節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響 1327434積分調(diào)節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響 136333微分調(diào)節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響 1430450 143707（1）臨界比例度法(閉環(huán)整定） 1415510（2）衰減曲線法(閉環(huán)整定） 1429334（3）反應(yīng)曲線法（動態(tài)特性參數(shù)法） 1429778（4）現(xiàn)場實驗整定法 145594 1518234總結(jié) 164766參考文獻 1728057附錄: 18第一章鍋爐的工藝流程描述鍋爐的工藝流程如圖1.1所示。燃料和熱空氣按一定的比例混合后進入燃燒室燃燒，加熱汽包內(nèi)的水產(chǎn)生飽和蒸汽Ds，經(jīng)過熱器后形成一定溫度的過熱蒸汽D，再匯集到蒸汽總管PM，最后經(jīng)過負荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供給負荷設(shè)備使用。燃料在燃燒時產(chǎn)生的煙氣，其熱量一部分將飽和蒸汽變成過熱蒸汽，另一部分經(jīng)省煤器對鍋爐供水和空氣進行預(yù)熱，最后由引風(fēng)機從煙囪排入大氣。鍋爐的正常運行必須要保持物料（水）平衡和熱量平衡。在物料平衡中負荷是汽包內(nèi)水的蒸發(fā)量，被控變量是汽包的水位，操縱變量是鍋爐的給水量；在熱量平衡中負荷是蒸汽帶走的熱量，被控變量是蒸汽壓力，操縱變量是燃料量。上述的物料平衡和熱量平衡是相互關(guān)聯(lián)、互相影響的。汽包水位不僅受到給水流量的影響，而且也受到熱量變化的影響。例如，當熱量平衡被破壞，蒸汽壓力發(fā)生變化后，會影響到汽包水面下蒸發(fā)管中的汽水混合物的體積，使汽包水位發(fā)生變化。同樣蒸汽壓力不僅受到燃料輸入量的影響，而且進水量的變化也會影響到蒸汽壓力的穩(wěn)定。例如，給水流量增加時，由于冷水的溫度低，會使汽包內(nèi)的蒸發(fā)量減少，導(dǎo)致蒸汽壓力下降。綜上所述，鍋爐的運行主要包括以下三個方面的過程控制系統(tǒng)：（1）汽包水位控制系統(tǒng)：是鍋爐安全運行的必要保證，它要維持汽包內(nèi)的水位在工藝允許的范圍內(nèi)；（2）燃燒系統(tǒng)的控制：通過使燃料量與空氣量保持一定的比值，以保證經(jīng)濟燃燒和鍋爐的安全運行，同時保證引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，維持爐膛內(nèi)的負壓恒定不變，其最終目的是使燃料產(chǎn)生的熱量滿足蒸汽負荷的需要；（3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制：這是一個溫度控制系統(tǒng)，其作用主要有2個：一是保持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)；二是保證管壁的溫度不超過允許的工作溫度。影響汽包水位的主要因素是給水量和蒸汽流量，其他因素都可以作為干擾因素另作考慮。當負荷增大時，蒸汽流量增大，會使得汽包水位下降，當突然增加蒸汽流量會使得蒸汽壓力減小，汽包水位不降反增，出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，這是設(shè)計中必須要考慮的因素。給水量對汽包水位的影響存在慣性區(qū)，但基本是線性的。汽包水位是鍋爐運行的重要指標，對鍋爐的安全運行非常重要，保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件，水位過高或過低，都會給鍋爐及蒸汽用戶的安全操作帶來不利影響。過高會影響汽水分離效果，蒸汽過濕，飽和水蒸汽將會帶水過多，導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢并損壞，使過熱蒸汽的溫度嚴重下降，若以此過熱蒸汽帶動汽輪機，將因蒸汽帶液損壞汽輪機的葉片，造成運行的安全事故。然而，水位過低，則因汽包內(nèi)的水量較少，而負荷很大，加快水的汽化速度，使汽包內(nèi)的水量變化速度很快，若不及時加以控制，將有可能使汽包內(nèi)的水全部汽化；尤其是大型鍋爐，水在汽包內(nèi)的停留時間極短，從而導(dǎo)致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。因此，必須對汽包水位進行嚴格的控制。汽包水位控制系統(tǒng)的任務(wù)是維持給水量與蒸汽蒸發(fā)量的平衡，使汽包水位保持在允許的范圍內(nèi)。第二章鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計目前，鍋爐汽包水位常采用單沖量、雙沖量及三沖量控制方案。此處的“沖量”不是物理上定義的作用在物體上力和時間的乘積，而是一種表示變量的習(xí)慣沿用。鍋爐汽包水位單沖量控制系統(tǒng)是一個典型的單回路控制系統(tǒng)，其被控變量是汽包水位，操縱變量是鍋爐的給水流量。當汽包水位偏離設(shè)定值時，變送器將測量到的信息送給控制器，按照特定的控制規(guī)律來增加或減少供水量，使汽包水位回到設(shè)定值。影響鍋爐汽包水位的主要擾動是蒸汽負荷的波動，因為用戶的蒸汽需要量是在不斷變化的。假設(shè)蒸汽需要量突然加大，汽包的壓力會瞬時降低，水的沸騰加劇，使水加速汽化，水中的氣泡量會驟然增多。而氣泡的體積比其液態(tài)時的體積大很多倍，結(jié)果出現(xiàn)汽包內(nèi)的水位不降反升的假象，即出現(xiàn)“假水位”。控制器獲得的信息是“水位升高了”，本來該增加供水量，現(xiàn)在卻錯誤地減少供水量，嚴重時會使汽包水位下降到危險區(qū)內(nèi)以致發(fā)生事故。產(chǎn)生上述“假水位”的主要原因是蒸汽負荷量的波動而造成“閃蒸”現(xiàn)象，如果把蒸汽流量作為前饋信號引入控制系統(tǒng)，及時知道其變化情況，就可以克服這個主要的擾動。為此我們引入雙沖量控制系統(tǒng)。這里的“雙沖量”是指汽包水位信號和蒸汽流量信號2個變量。它是一個前饋-反饋控制系統(tǒng)。水位信號從系統(tǒng)的輸出端返回到輸入端，因此屬于反饋控制；蒸汽流量信號未經(jīng)反饋而直接與水位控制器的輸出信號相加，因此是前饋控制。當蒸汽負荷變化可能導(dǎo)致汽包水位大幅度波動時，蒸汽流量信號的引入起著超前控制作用，它在汽包水位還沒有出現(xiàn)波動時，提前使調(diào)節(jié)閥動作，從而減少因蒸汽負荷量變化引起的水位波動，極大改善了控制品質(zhì)。盡管雙沖量控制克服了蒸汽壓力變化帶來的擾動，卻不能克服供水壓力變化的干擾，當供水壓力變化時，同樣會引起供水流量的變化，會導(dǎo)致汽包水位的波動，雙沖量控制系統(tǒng)只有在汽包水位變化后才由控制器進行調(diào)整，控制不及時。因此，當供水壓力波動比較頻繁時，雙沖量控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量較差，這時可采用三沖量控制系統(tǒng)。在鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了水位、蒸汽流量信號以外，又增加了一個供水流量信號，顯然，當蒸汽負荷不變，供水量因壓力波動而變化時，加法器的輸出相應(yīng)變化，直接調(diào)整給水流量的大小。不需要等汽包水位變化了再去由控制器調(diào)整，從而極大減少了水位的波動，縮短了過渡過程的時間，提高了控制質(zhì)量。三沖量控制系統(tǒng)動作及時，有較強的抗干擾能力，在較大的擾動時也能有效地控制水位的變化，顯著地改善了控制系統(tǒng)的品質(zhì)。對于現(xiàn)代大、中型鍋爐來說，對象控制通道的遲延和變化速度都比較大，“虛假水位”現(xiàn)象比較嚴重，工藝上對控制質(zhì)量的要求又比較高，因此，普遍采用具有蒸汽流量前饋信號及給水流量反饋信號和汽包水位主信號的三沖量水位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制流程圖如圖2.1。根據(jù)系統(tǒng)的控制流程圖，我們還可以繪制出三沖量控制系統(tǒng)的方框圖，如圖2.2。三沖量控制系統(tǒng)由于控制器有不同的位置，又可以有多種不同控制方案，以下為常見的三種方案，如圖2.3。(1)主控制器的設(shè)計在自動控制系統(tǒng)中，最常見的控制器有兩種：一種是PLC，另外一種是單片機。PLC自誕生以來，由于其可靠的性能、高的性價比、強大的功能等眾多的優(yōu)點而受到了廣泛的應(yīng)用，本系統(tǒng)也采用PLC。PLC選用西門子公司的S7—200CPU214，該系列PLC性能穩(wěn)定，可以根據(jù)設(shè)計要求靈活的選擇相關(guān)模塊。本系統(tǒng)需要輸入的模擬量有：給水流量信號、水位信號、蒸汽流量信號，需要輸出的數(shù)字量有：變頻器控制信號，所以只需要選擇模擬量輸入模塊EM231，EM231具有四個模擬量輸入點，可以剛好滿足需要。（2)檢測電路的設(shè)計由于該設(shè)計的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對水位的準確測量，因此水位能否準確測量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計中有關(guān)鍵作用。本系統(tǒng)采用雙室平衡容器進行液位信號的采集，用差壓變送器對液位信號進行變送。江蘇威騰自控設(shè)備生產(chǎn)的微差壓變送器（WT-1151/3351DR）可滿足變送要求。該型號變送器可以將微小差壓轉(zhuǎn)換成4——20mADC信號。它采用專門設(shè)計的放大線路板和特殊的溫度補償工藝，性能穩(wěn)定可靠。根據(jù)控制方案我們可以知道流量傳感器用于測量給水流量和蒸汽流量，這兩個信號可以有效地改善控制質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個系統(tǒng)的控制質(zhì)量。上海正博自動化儀表生產(chǎn)的LUGB-99型渦街流量計是一種基于卡門渦街原理流體振動式新型流量計，它具有測量范圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、準確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于封閉工業(yè)管道中液體、汽體和蒸汽介質(zhì)體積和質(zhì)量流量的測量。該流量計的部分技術(shù)參數(shù)如下：①測量介質(zhì)：蒸汽、汽體、液體②傳感器的感應(yīng)元件不直接與被測介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定、可靠性高③傳感器內(nèi)無可動部件，結(jié)構(gòu)簡單而牢固，壓損小、維擴量小、使用壽命長④范圍度寬達10：1～15：1⑤測量范圍：正常工作范圍，雷諾數(shù)為20，000～7，000，000；輸出信號不受液體溫度、壓力、粘度及組份影響。測量可能范圍，雷諾數(shù)8，000～7，000000⑥精度等級：液體，指示值的±1.0%；蒸汽，指示值的±1.5%

⑦輸出信號：a.電壓脈沖低電平：0-1V；高電平：大于4V；占空比為50%b.電流:4～20mA(三線制)（3）輸出控制電路PLC根據(jù)采樣的相對液位數(shù)值對其進行相應(yīng)規(guī)則的計算、處理、判斷后，得出控制結(jié)果，輸出相應(yīng)的控制信號，模擬量輸出模塊我們選擇EM232，它有兩個模擬量輸出點，可滿足要求。電機是鍋爐汽包供水的動力設(shè)備，電機的準確選型關(guān)系到汽包能否準確供水進而影響到汽包水位的穩(wěn)定，經(jīng)查閱資料可知選用功率為100Kw的三相異步電動機完全可以滿足工作要求，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動機，選用鼠籠型電機就可以滿足要求。濟南華力貝爾機電設(shè)備生產(chǎn)的YJTG三相變頻調(diào)速電機專門為變頻調(diào)速設(shè)計可以根據(jù)技術(shù)要求訂貨設(shè)定其額定電壓為380V額定功率為100Kw。變頻器是電機的供能設(shè)備，合理選擇變頻器關(guān)系到電機能否正常工作為汽包供水。由電機的選型可以知道電機在50Hz三相交流電下工作時電機的功率大約是100Kw，我們可以選擇羅克韋爾公司的1336PlusII系列1336F-B150型號的變頻器。該變頻器可以輸入380V-480V50/60Hz三相交流電，輸出380-480V三相交流電并通過控制信號控制其輸出頻率，其容量是149Kw，可以滿足設(shè)備功率要求。該型號變頻器具有豐富靈活的控制接口，可以通過控制信號方便地改變變頻器的工作特性。至此，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計完成，系統(tǒng)的總體框圖如圖2.4。2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計：整個控制系統(tǒng)的軟件包括以下幾部分:液位的實時采集，電機調(diào)速，算法的控制(這里采用PID算法)等功能。本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)采用了總分的形式，即PLC一直在運行主控制程序，然后主控制程序根據(jù)各種條件來運行和調(diào)用各子程序，用來實現(xiàn)各種功能。這種總分設(shè)計方式使得軟件簡單明了，一看便知，并且在調(diào)試起來時也特別方便。系統(tǒng)的程序設(shè)計框圖如圖2.5。第三章PID調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇及參數(shù)整定眾所周知，要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，除了必須正確的選取、設(shè)計控制方案以外，還必須正確的選擇控制算法并進行參數(shù)整定。在控制系統(tǒng)中，按照給定信號和反饋信號之間的偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨立、參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象─“一階慣性＋純滯后”與“二階慣性＋純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活，可以方便的改變?yōu)镻I、PD、PID等控制器。比例調(diào)節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減?。槐壤禂?shù)偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長；系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定；比例系數(shù)太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。比例系數(shù)可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以及控制對象的特性決定的。積分調(diào)節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。提高無差度。因為有誤差積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一個常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti。Ti越小積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢。因此能產(chǎn)生超前的控制作用，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強地加大微分調(diào)節(jié)對系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反應(yīng)的是變化率，當輸入沒有變化時微分作用輸出為零，因此微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合組成PD或PID控制器。整定的任務(wù)：根據(jù)被控過程的特性，確定PID調(diào)節(jié)器δ的比例度、Ti積分時間以及微分時間TD的大小。（1）臨界比例度法(閉環(huán)整定）①首先將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，微分時間置零，比例度置為較大的數(shù)值②等系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對設(shè)定值施加一個階躍變化，并減小δ直到出現(xiàn)等幅振蕩曲線為止。記錄下此時的臨界比例度δk和等幅振蕩周期TK③查表按經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的參數(shù)δ、Ti、TD。（2）衰減曲線法(閉環(huán)整定）衰減曲線法與臨界比例法類似。觀察衰減比然后記錄。Δs、Ts、Tp按經(jīng)驗公式計算δ、Ti、TD。（3）反應(yīng)曲線法（動態(tài)特性參數(shù)法）反應(yīng)曲線法是利用系統(tǒng)廣義過程的階躍響應(yīng)曲線對調(diào)節(jié)器參數(shù)進行整定，是一種開環(huán)整定方法。（4）現(xiàn)場實驗整定法現(xiàn)場實驗整定法，實質(zhì)上是一種經(jīng)驗試湊法，所以也稱為經(jīng)驗法。在現(xiàn)場的應(yīng)用中，將各類過程控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)按先比例、后積分、最后微分的順序置于某些經(jīng)驗數(shù)值后，把系統(tǒng)閉合起來，然后再作給定值擾動，觀察系統(tǒng)過渡過程曲線。若曲線還不夠理想，則改變調(diào)節(jié)器的δ、Ti和Td的數(shù)值，進行反復(fù)試湊，以尋求“最佳”的整定參數(shù)，直到控制質(zhì)量符合要求為止。⑴調(diào)節(jié)器放大系數(shù)Kp的正負號正作用方式：y↑→u↑，Kp為“-”；反作用方式:y↑→u↓，Kp為“+”。⑵調(diào)節(jié)閥放大系數(shù)的正負號氣開式調(diào)節(jié)閥Kv為“+”；氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥Kv為“-”。⑶被控過程放大系數(shù)的正負號正作用μ↑→y↑，被控過程的靜態(tài)放大系數(shù)Ko為“+”；反作用μ↑→y↓，被控過程的Ko為“-”。⑷變送器的放大系數(shù)Km為正號根據(jù)生產(chǎn)工藝安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式；按被控過程特性，確定其正、反作用；根據(jù)組成系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必須為正的原則，確定調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。在本系統(tǒng)中，由于調(diào)節(jié)閥為電機，可以視作為氣開式，故Kv為“+”；當電機轉(zhuǎn)速加快，液位上升，故被控對象的Ko為“+”；測量變送器的Km為“+”；則調(diào)節(jié)器的Kp應(yīng)該為“+”，故調(diào)節(jié)器應(yīng)采用反作用方式?？偨Y(jié)為期兩周的過程控制課程設(shè)計即將結(jié)束，這兩周感覺過的好快，也感覺過的好充實。由于上學(xué)期過程控制這門課沒好好學(xué)，好多知識學(xué)的稀里糊涂，不懂也不會，還有的干脆就是不知道。