基于PLC的锅炉汽包水位控制系统设计毕业设计.docx

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1、基于PLC的锅炉汽包水位控制系统设计毕业设计 (此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。 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

2、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 The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormousl

3、y. PLC automatic control domain. Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineer

4、ing regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed. Key words: Steam drum water level Th

5、ree impulses control PLC PID control 目录 1绪论 (1) 1.1汽包水位控制系统的发展现状 (1) 1.2本设计的主要工作 (2) 2控制方案设计 (4) 2.1汽包水位的影响因素 (4) 2.2汽包水位的控制方案设计 (7) 3硬件选型 (13) 3.1水位传感器选型 (13) 3.2流量传感器的选型 (14) 3.3电机的选型 (16) 3.4变频器的选型 (17) 3.5接触器的选型 (17) 3.6熔断器的选型 (18) 3.7功率三极管的选型 (18) 3.8PLC及相关模块的选型 (19) 3.9硬件工作原理 (22) 4硬件设计 (25) 4

6、.1系统总体线路设计 (25) 4.2控制线路设计 (28) 5控制算法及参数整定 (30) 5.1PID算法简介 (30) 5.2三冲量控制系统参数整定 (31) 6软件设计 (39) 6.1程序流程设计 (39) 6.2DeviceNet网络组态 (41) 6.3RSLogix5000程序设计 (44) 7监控界面设计 (50) 8结束语 (53) 参考文献 (55) 致谢 (56) 附录 (57) 1绪论 1.1汽包水位控制系统的发展现状 蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽产品，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汽产品以适应负荷的需要

7、，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。 工业蒸汽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，

8、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2，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。 PLC是70年代发展起来的中大规模的控制器，是集CPU、RAM、 ROM、IO接口与中断系统于一体的器件3，已经被广泛应用于机械制

9、造、冶金、化工、能源、交通等各种行业。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

10、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。 1.2本设计的主要工作 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）硬件设备的选型与设计 根据所设计的控制方案合理地选择检测元件、执行机构和控制设备以及 其它必要设备，并在

11、此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计，完成各种设备之间的接线与配置，并进行设备的安装调试。为整个系统的实现以及稳定、可靠运行打下基础。 （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，

12、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 锅炉是重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，如果水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。如果水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以锅炉汽包水位过高过低都可能造成重大事故。在锅炉汽包水位控制系统中被控量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡状态，从而使汽包水位的变化在允许范围之内，保证锅炉的安全运行，生产出合格稳定的高质量蒸汽，以满足

13、负荷的需要。 2.1汽包水位的影响因素 首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。锅炉给水调节对象如图2.1所示。给水调节机构为变频器调节给水量W，汽轮机耗汽量D是由汽轮机阀门开度来控制的。 图 2.1锅炉给水调节对象 初看起来，汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样，给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低4。但实际情况并非如此，最突出的一点就是水 循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的体积V是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化的。如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。 影响汽包水位H的主要因素有给水量W，汽

14、轮机耗汽量D和燃料量B 三个主要因素。 （1）给水扰动的影响 如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图2.2所示的曲线H1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积V也就会相应的减小，从而导致水位下降如图2.2所示的曲线H2所示。水位的实际响应曲线应是曲线H1和H2之和，如图2.2所示的曲线H所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为： (2.1) 式2.

15、1中表示汽包水位的飞升速度，表示延迟时间。 图2.2给水扰动响应曲线 （2）汽轮机耗汽量扰动的影响 当汽轮机耗汽量D突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图 2.3所示的曲线H1所示，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，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积V增大，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。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显

16、升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象”。可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为： (2.2) 式2.2中表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，表示“假水位现象”的延迟时间。 H1 图2.3汽轮机耗汽量扰动响应曲线 （3）燃料量扰动的影响 燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量D的变化，因此也同样会有“假 水位现象”发生。但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。 由以上分析可知道给水量扰动

17、下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象”。这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。 2.2汽包水位的控制方案设计 从反馈的思想出发很容易想到以汽包水位信号作为反馈量，给水流量作为被控量，构成单回路反馈控制系统，即水位单冲量控制系统。如图2.4所示，这是一个基本的控制方案其方框图如图2.5所示。对于小容量锅炉来说由于它的储水容量较大，水面以下的汽泡体积并不占有非常大的比重，因此水容积延迟和假水位现象并不是非常明显，因此可以采用汽包水位单冲量控制系统来控制汽包水位。但对于大中型锅炉来说这种控制方案就不能满足控制要求，因为汽轮机蒸汽量的负荷扰动引起的假水位现象将引起给水调节机构的误动作，导致汽包水位激烈的上下振荡而不稳定，严重的影响设备的运行寿命和安全，所以大中型锅炉不宜仅仅只采用汽包水位单冲量控制系统，必须寻找其他的解决办法来控制汽包水位。