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1、 平顶山工业职业技术学院平顶山工业职业技术学院 毕业设计（论文）说明书毕业设计（论文）说明书 毕业设计（论文）题目毕业设计（论文）题目 锅炉汽包水位控制系统设计 系 部：自动化与信息工程系 年级专业： 08 电气自动化二班 学生姓名： 李秋芝 学 号： 20082003407 指导教师： 孙慧峰 2011 年 5 月 18 日 平顶山工业职业技术学院 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 姓名 李秋芝 专业 电气自动化技术 任 务 下 达 日 期 2011 年 2 月 21 日 设计（论文）开始日期 2011 年 2 月 28 日 设计（论文）完成日期 2011 年 5 月 18 日 设计（论
2、文）题目： 锅炉汽包水位控制系统设计 A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 孙慧峰 系（部）主 任 韩 莉 2011 年 6 月 2 日 平顶山工业职业技术学院 毕业设计（论文）答辩委员会记录 自动化与信息工程系电气自动化技术专业，学生 李秋芝 于 2011 年 6 月 12 日进行了毕业设计（论文）答辩。 设计题目： 锅炉汽包水位控制系统设计 专题（论文）题目： 指导老师： 孙慧峰 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况， 经答辩委员会讨论评定，给予学生 李秋芝 毕业设计（论文）成 绩为 。 答辩委员会 人，出席 人 答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会
3、副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评 语 第 页 共 页 学生姓名： 李秋芝 专业 电气自动化技术 年级 2008 毕业设计（论文）题目： 锅炉汽包水位控制系统设计 评 阅 人： 指导教师： 孙慧峰 （签字） 年 月 日 成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日 毕业设计（论文）及答辩评语： 摘摘 要要 锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的 蒸发量。由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化 或气轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位
4、正常是保证锅炉和气轮机 安全运行的重要条件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分离器 的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事 故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏 正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。一般要求锅筒水位维持。 本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础 上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了“三冲量” 控制。 关键词：关键词：锅炉汽包 三冲量 水位控制 设计 目录目录 引 言.6 0.1 设计的目的和意义6 0.2 应解决的主要问题6 0.
5、3 国内外发展现状6 0.4 指导思想7 第 1 章 设计方案.9 1.1 单冲量水位控制系统9 1.2 双冲量水位控制系统10 1.3 三冲量水位控制系统12 1.4 设计方案的确定16 第 2 章 控制系统的设计.18 2.1 过程控制系统设计的一般要求及内容18 2.2 控制系统方框图18 2.3 锅炉三冲量控制系统工作原理及调节过程 .18 2.4 串级控制系统的设计19 第 3 章 控制系统各元器件选择.23 3.1 控制器的选择23 3.2 控制阀选择26 3.3 AI-808 型人工智能调节器26 第 4 章 PID 控制器参数整定 28 4.1PID 控制的原理和特点 .28
6、4.2PID 控制器的参数整定 .28 结束语.31 参考文献.32 引引 言言 0.10.1 设计的目的和意义设计的目的和意义 锅炉烧水产生高温高压的蒸汽，蒸汽温度可以达到 1000 多度，用这样的蒸汽可以 用来消毒，煮饭，烧开水等。现在学校，工厂的食堂烧水做饭就是用锅炉烧水产生的 蒸汽做的。 锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的 蒸发量。由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化 或气轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机 安全运行的重要条件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分离器 的
7、正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事 故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏 正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。一般要求锅筒水位维持。 在水位控制系统中，主要采用“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是 重中之重。 本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础 上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了“三冲量” 控制，具体的方案设计存在的优缺点详见下文解析。 0.20.2 应解决的主要问题应解决的主要问题 本设计主要解决传感器的选择（温度，压力，水位） ，输出道的设计
8、和软件程序的 设计。其所能达到的技术指标为： （1）可以对锅炉水位，蒸汽量和给水量分别采集 （2）通过单片机控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内 （3）具有键盘显示功能 （4）具有报警功能当水位超过上限或下限时，能及时报警， 0.30.3 国内外发展现状国内外发展现状 目前在国内外随科学技术的发展，都采用三冲量水位自动调节系统，该控制引进 蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，因此 得到广泛的应用。 主要用微型计算机控制系统来控制锅炉。微型计算机控制系统的特点是，其控制 功能要通过内部的控制程序来实现，人们只需要改变这些程序，就可以更改锅炉设备 的控制功能，以
9、适应新的控制要求而不需要改动硬件系统。这种灵活性在硬联逻辑系 统中是没有的。因此，掌握微型计算机应用系统的设计和研制技术，是开发微型计算 机应用的一个重要课题。 在国内主要有单，双，三冲；量控制系统来控制锅炉汽包水位。 单冲量控制系统以锅炉锅筒水位为唯一信号的锅炉给水连续调解。该系统由水位 变送器，伺服放大器，执行器和给水调节阀组成。水位变送器将水位信号送到调节器， 调节器根据实测水位和给定值的偏差，经过运算放大后输出调解信号，驱动执行器改 变调节阀的开度，改变锅炉上水量，使水位控制在容许范围呢。 在单冲量水位自动调节的基础上，加上蒸汽流量作为前馈信号，使构成所谓的双 冲量水位自动调节系统。前
10、馈控制的主要特点是根据扰动的大小直接调节，使调节作 用在扰动发生的同时起作用，从而减少扰动造成的被控参数的变化。引入蒸汽流量前 馈信号可以消除虚假水位对水位控制的不良影响，减少或抵消由于虚假水位现象而造 成的调节误动作。 在双冲量水位自动调节的基础上，为解决给水压力不稳而造成调节性下降的问题， 引入给水流量作为调节器的反馈信号。它采用蒸汽流量作为前馈信号，克服负荷变化 引起的外扰动，减少假水位引起的调节器误动作，用给水量作为反馈信号，克服内扰 影响，稳定给水量，可以进一步改善给水调节质量。由常规仪表和调节仪表构成的模 拟控制系统，虽然具有可靠性高，成本低，易于维护和操作等优点，并在大中小企业
11、中得到了广泛的应用，解决了不少自动化方面的问题。但是随着生产向大型化连续化 发展，对自动化技术的要求越来越高，模拟自动化控制系统越来越表现出它的局限性。 例如它难以实现多变量控制，复杂控制规律的控制，最优控制，自适应控制，以及时 变控制等，模拟控制屏越来越长，难以实现集中控制，各系统之间不便进行通讯联系， 难以实现多级控制，控制方案的修改比较麻烦。如果采用计算机作为自动化工具的过 程控制系统，就能很好地解决模拟控制系统存在的上述问题。 随着生产的发展，锅炉日益广泛的用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济 的重要热力设备之一。在现在化建设中，能源的需求量非常大的，然而我国能源利用 率极低，所以
12、提高锅炉的热效率，有这极为重要的实际意义。此外，是锅炉能以地制 宜地有效地染用地方燃料，并为满足环境保护的需求而努力解决烟尘污染问题，以提 高才做管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等 问题。 0.40.4 指导思想指导思想 采用三冲量水位控制系统，以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水 量为控制器的反馈信号来控制给水量。其目的是通过单片机的控制，使锅炉汽包水位 维持在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相应措施。充分 体现三冲量控制系统的优越性，系统功能完善，结构先进合理，能耗小，扩展灵活， 便于维护，并且可靠性高，而且还极大地提高了企
13、业的生产效率和经济效益。该系统 系动画程度较高，大大降低了操作者劳动强度，综性性强，适用性好，保障锅炉正常 运行。 第第 1 章章 设计方案设计方案 工业锅炉汽包水位的自动控制，根据锅炉容量大小，供给蒸汽（或热水）的使用 要求不同，通常有单冲量自动控制系统，双冲量自动控制系统和三冲量自动控制系统 三种形式。 1.11.1 单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统 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调节阀， 改变给水量来保持汽包水水位在容许的范围内。单冲量水位自动控制系统，是汽包水 位自动控制中最
14、简单最基本的一种形式。对于中小型锅炉在蒸汽负荷变化不大的情况 下，水位受到扰动后的反应速度比较慢， “虚假水位”现象也不严重，采用单冲量控制 系统，一般采用比例调节就能满足生产上的要求，如果采用 PI 调节器，将得到更满意 的效果。其原理框图见图 1.1-1，方框图见 1.1-2. 图 1.1-1 为锅炉汽包水位的单冲量系统原理图 给定值X e pq 汽包 被控变量y 图 1.1-2 为锅炉汽包水位的单冲量系统方框图 单冲量水位存在的问题是：当锅炉蒸汽负荷变化很大时，由于“虚假水位”现象的 影响，在调节过程一开始，调节器根据水位先上升趋关下调节阀，减少给水量，这个 错误动作扩大了汽包进出流量的
15、不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低 了调节质量。从给水扰动下的情况下看。由于给水总管压力改变等原因造成的给水量 变动时，调节器要等到水位改变后才能动作，而调节器动作后又要经过一段延时时间 才能影响到水位，因此将导致汽包水位发生较大的变化，调节时间长。 1.21.2 双冲量水位控制系统双冲量水位控制系统 1.2.1 双冲量水位控制方案及工作原理双冲量水位控制方案及工作原理 1. 控制方案 在单冲量汽包水位控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号构成双冲量水位自 动控制系统。这种水位控制的优点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位” 对控制的不良影响，当负荷蒸汽变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信 号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽流量向相反方向变
