三冲量汽包液位控制系统设计机械制造工业自动化_机械制造-工业自动化.pdf

第一章工程实例 1、三冲量汽包液位控制系统应用 1.1三冲量控制系统的构成 在三冲量控制系统中，汽包液位、蒸汽流量及给水流量等3个被控变量会安 装相应的调节器，在锅炉运行的过程中，这三个信号作用于调节器，会适时调整，做相应的改变。在三冲量控制系统中，汽包液位、蒸汽流量、给水流量都是串联关系，其中 汽包液位是三者中的主冲量，能够反映整个汽包的工作状态和运行状况；而蒸汽 流量和给水流量分别担任辅助冲量，蒸汽流量就是一个前馈系统，通过这个系统，能够消除“假液位”现象，保证整个系统的准确性；给水流量是一个反馈系统，它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响。主冲量和辅助冲量之间相互配 合、相互影响，共同保证前馈-串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行。1.2三冲量控制系统的工作原理 三冲量控制系统的工作原理是：将三个信号中的汽包液位当做主信号，当锅 炉中的水位改变时，与之相对应的调节器输出也会发生相应的变化，在此基础上 的给水流量也会发生改变，这样就能够使锅炉的水位达到给定值。在这个过程中，蒸汽流量充当着前馈作用，其作用是防止“假液位”干扰调节器的工作。而给水 流量充当着反馈的作用，当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时，给水流量会在锅炉 水位未改变之前，消除这种干扰，使调节器正常工作，使给水流量更加稳定。1.3三冲量控制系统在锅炉汽包液位中的应用 在锅炉生产中，三冲量控制系统作为前馈-串级反馈系统，其运行遵循着主 控制器的正作用和副控制器的反作用原则。在三冲量控制系统中，流量控制器 FC作为主控制器，起着正作用功能；水位控制器 LC作为副控制器，起着反作用 的功能；而调节器则起着调节阀的作用。通常当锅炉的水位升高时，LC就会产生反作用，其输出就会相应减少，通 过加法器，FC的给定值减少，而调节器的输出却增加，故而要减小调节器的阀 门开度，缩小FA2101（给水流量），使水位下降至给定值。在FAQ2102（蒸汽流量）增加的情况下，FC的给定值会相应的减少，而调节 器的输出增加，故而要扩大调节器的阀门开度，增加给水流量，平衡蒸汽流量，使水位保持在给定值上。当FA2102（给水流量）增加时，FC调节器的输出也会相应增加，这时要减 小调节阀开度，减少给水流量，平衡蒸汽流量，保持水位不变。另外，在选择给 水流量的调节阀时，要保证锅炉的安全。比如当生产的热源是蒸汽时，就应该选 择气关阀来保护锅炉；而当蒸汽的供给超过蒸汽压缩机时，就应该选择气开阀来 保护锅炉设备。通过三冲量控制系统，能够利用调节器的开关阀对锅炉生产中的汽包液位、蒸汽流量和给水流量进行有效调节，消除了“虚假液位”现象，保证水位的稳定，很好地控制了锅炉汽包液位，保证整个锅炉系统和整个生产工艺的安全可靠，同 时也促进了锅炉生产技术的改进和完善。2.系统控制流程图 图 1-1系统控制的程序流程图水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时第 2 章标准节流装置设计及计算程序设计 1.给水调节对象的动态特性 锅炉的给水系统，汽包液位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况 却要复杂的多。其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽气 泡的水，而蒸汽气泡的总体积是随着气泡压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如 果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生改变。汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽 化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量 的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量 气泡，形成“虚假液位”。根据所给任务书中的要求，水位H与给水W之间的传递函数为一个一阶对象，时 间常数为5s，静态放大倍数为&2.系统控制框图 单级三冲量控制系统如下图所示：图 2-1三冲量控制系统 从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给水 流量W给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象 和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之 内。但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。综上所述，本系统应选用水位串级控制。主回路用于直接控制水位，主调节 器一般都采用比例积分动作，维持水位不变。副回路是流量系统，副调节器可以 用比例或比例积分动作。结合题意设计系统框图如下：其中，Hr水位设定值 W-给水量 H-水位值 Gc1 (s)主控制器 Gc2 (s)副控制器 Gp(s)被控对象传递函数 Kd 蒸汽流量检测变送器放大倍数 Kw 给水流量检测变送器放大倍数 Kh 水位检测仪表放大倍数 水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时第 3 章调节阀选型及计算 1.给水流量计的选择及KW的计算 根据所给离心泵的参数，给水压力3MPa水流量为25T/h。正常的蒸汽量为 10T/h，因此在稳定的情况下，需要的给水量应等于蒸发量，即正常的给水量为 10T/h。选择输入量程所对应的给水流量为 20T/h。输出量程为420mA KW（20-4）/（20-0）=0.8mAh/T 1.1蒸汽流量计的选择及KD的计算 根据所给的蒸汽流量稳定值为 10T/h，选择输入量程所对应的蒸汽流量为 20T/h.输出量程为420mA KD=（20-4）/（20-0）=0.8mA/T 1.2调节阀的选择及Ku的计算 选择电动调节阀，输入量程为 420mA输出量程为025T/h。Ku=（25-0）/（20-4）=1.56T/hmA 1.3差压式水位测量仪表及KH的计算 根据题目所给的最大允许波动为土 30mm因此仪表输入选择为土 60mm输出 为 420mA KH=（20-4）/（60-（-60）=0.133mA/mm 2.PID控制器的参数整定 首先，对副环进行整定，由上面选择的调节器可以得到，副环是一个比例环 节，因此在整定副环时，只要保证系统的稳定性就可以了。其次，对主环进行整定，先将 PI调节器的积分常数置成无穷大，然后给比例系 数，若系统响应衰减太快，则减小比列带；反之，系统响应衰减过慢，应增大比 例带。通过不断调节是系统稳定，然后调节积分常数 Ti，最终得到的是一个衰 减比在4:110:1的衰减震荡过程。各个调节器的参数如下：副调节器：K2=5 主调节器：0=8，Ti=0.38s，:=0.135，衰减比为 10：1 其衰减振荡的曲线如下：水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时图3-1衰减振荡曲线 3.锅炉汽包水位总体设计的仿真 图 3-2串级三冲量控制系统 SIMULINK 仿真模型 得到的响应曲线如下图所示。水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 图3-3串级三冲量控制系统响应曲线 仿真结果分析：串级三冲量控制系统在快速性、抗干扰性上优越，响应 曲线平稳，对蒸汽流量扰动的抑制也很强。4.硬件设计实现 控制过程为：利用由高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器把液 位的状态转换成模拟信号，再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到 单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出地数字信号再通过 DAC0832 转化成为模拟信号。4.1控制器的选择 选择51单片机作为系统控制器。首先给出锅炉水位的正常工作范围，由于水不断蒸发使水位下降，8051单片机发出控制信号，控制执行机构，使 给水阀门开打，注水量增加，水位恢复到规定范围内；当水位高于规定值时，8051单片机再次发出控制信号，使给水阀门变小，注水量降低，水位又恢复 到规定范围。51单片机与AD和 DA的接口连接如下图所示：水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时图 3-4 51 单片机与 AD 和 DA 的接口 4.2控制的程序框图 4.3 AD转换器图 3-5系统控制的程序流程图 水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时 AD转换器选择ADC0809,ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入，8 路数字输出的A/D转换器。AD转换器的电路设计：AD转换结束后，EOC脚输出高电平，此时单片机接收EOC言号，读取AD 转换的结果，将EOC脚经反相器与单片机的INT0脚相连。AD转换结果由P0 口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0 口相连，高低位依次相连。经 以上分析，设计AD转换器的接口电路如图所示 5V -5V P2.1 1 a?CLOCK START ENABLE E 2 P2.0 6 !9 i 3 2 2 ALE ADD-C ADD-B IN-*rin A 5 P2 2 2 3 2 4 4 A d L 2 5 1 1 IN-5 EOC IN-4 bb2-8 2-7 IN-3 3 INTO 2 L 3 J 7 2 7 AD*Pa7 1 7 ADPO.6 1 4 1 AD-P0 5 ip AD-P0.4 3 2-5 IH-2 2-4 2i s AD-P0.3 1B AD-PD.2 Ip g 7 2-3 IN-1 r AD1W X,AD-PO.l 2D 2-2 AD-PDO 2B 2(c msW-l IH-0 J (ADIH s /ADC0809 图 3-6 AD 转换器的接口电路 4.4DA转换器 DA转换器选择DAC0832QAC083是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与51单片机相连。DA转换器的电路设计：选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处 于直通状态，由DAC0832勺引脚特性，将DAC0832勺引脚接发如下：CS片选端，低电平有效，直接接低电平 ILE:数据锁存允许控制端，高电平有效，直接接高电平。WR2DAC寄存器写选通控制端，低电平有效，由于其处于直通状态，故直接 接低。水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时XFER数据传送控制，低电平有效，故直接接地。WR1第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。其输入为上升沿时，将 输入数据锁存到DAC寄存器，故将该脚与单片机P2.2 口相连，由程序控制 图 3-7 DA 转换器的接口电路水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时第四章 课程设计心得 通过这次过程控制课程设计，我们感触颇深，不仅对书上学习的知识 进行了复习与巩固，而且还培养了我独立思考与解决问题的能力。通过将近 一周的努力，我终于在规定的时间内完成了任务。是我更加深刻地理解了锅 炉液位的三冲量控制，而且将我在众多专业课程上所学到的知识相结合，更 进一步提高了我们综合运用知识的能力。通过课程设计将所学到的专业知识 联系在一起，我们明白了理论知识的重要性和应用范围的宽广，加深了对专 业、对工程设计的理解。让我更加明白了在生产实际中，不能对书面的知识 生搬硬套，要具体问题具体分析，才能正确快速的解决问题。另外，还让我 懂得了在设计制造的道路上，需要不断地探索与创造，坚持不懈，持之以恒。这次的设计经历让我受益匪浅。完成了这次设计以后，对我以后的生活和工作都有很大的帮助，锻炼 了自己的动手能力，让自己对所学的知识进行了一个升华，更深入的了解了 这门课程的真谛，我以后也应该多多动手，不能只学习课本上的理论知识，应该更多地把理论和实际结合到一起，这样才能学有所用。为了让自己以后 更好的适应到这个行业，我应该更多的去实践，而不是一味的追求理论知识，这才是我们正确的方向。参考文献 1 HG/T2063620639-1998，化工装置自控工程设计规定（上下卷）S.2 GB/T2624-1993，流量测量节流装置S.3 奚文群，翁维勤.调节阀口径计算指南M.兰州：化工部自控设计技术中 心站，1991.4 董德发，张天春.自控工程设计基础M.大庆：大庆石油学院，1999.5 王骥程，祝和云.化工过程控制工程M.北京：化学工业出版社，2003 水流量等个被控变量会安装相应的调节器在锅炉运行的过程中这三个信号作用于调节器会适时调整做相应的改变在三冲量控制系统中汽包液位蒸汽流量给水流量都是串联关系其中汽包液位是三者中的主冲量能够反映整个汽包的工作位现象保证整个系统的准确性给水流量是一个反馈系统它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响主冲量和辅助冲量之间相互配合相互影响共同保证前馈串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行三冲量控制系统的工作原理三冲发生相应的变化在此基础上的给水流量也会发生改变这样就能够使锅炉的水位达到给定值在这个过程中蒸汽流量充当着前馈作用其作用是防止假液位干扰调节器的工作而给水流量充当着反馈的作用当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时