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1、基于PLC工业锅炉汽包水位控制系统的设计The Design of the Boiler Drum Water Level Control System with PLC摘 要锅炉是众多工业部门必不可少的重要动力设备。因此，锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分。因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节。对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。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。锅炉汽包水位是一个非常重要的被控变量。由于锅炉的水位调节过程难以建立数学模
2、型，具有非线形、不稳定性、时滞等特点。传统的锅炉水位三冲量控制系统大都采用PID控制，其控制效果还可以进一步提高。而模糊控制不要求知道被控对象的精确模型，只需要操作人员的经验知识及操作数据，鲁棒性强，非常适合于非线性、滞后系统的控制。关键词: 汽包水位； 模糊PID； 三冲量Abstract The boiler is numerous essential important power equipment of industrial department. So, the boiler has often become an indispensable part of many factor
3、ies. Therefore, it is essential for automatic control system in the boiler equipment to research. The water level control system of the boiler is that the boiler produces the most important link in the control system. If the production operation of the boiler is unreasonable, it is improper to deal
4、with, and will often cause the accident. The majority in these accidents is caused because of improper in control the water level of the boiler. That can see the importance in the equipment control system of the boiler of control of water level of steam dome of the boiler.The auto-control of the dru
5、m water level is very important. The drum water level is an important variable to be controlled, it is hard to get the mathematic model of the water level with adjust process. It is characteristic of nonlinearity, instability and time lag. The traditional control mode of three-variable in the drum w
6、ater level most use PID, the effect of it can be improved. The fuzzy control does not need precise mathematic model of the controlled object, it only needs the experience of operator and the date of operating it has good robustness and it fit to control the system with nonlinearity and lag.Keywords:
7、 Drum water level, Fuzzy-PID, Three-variable目 录摘 要IABSTRACTI1.引言12.工业锅炉的理论基础12.1工业锅炉的控制要求与工艺流程12.2课题背景及本文研究内容22.3锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性33锅炉汽包水位的基本特性和汽包水位控制系统方案选择33.1锅炉汽包水位控制对象的基本特性33.1.1汽包水位在给水流量扰动下的动态特性43.1.2汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性53.1.3燃料量扰动下汽包水位的动态特性63.2锅炉汽包水位控制系统及控制方案选择73.2.1单冲量水位控制系统73.2.2双冲量水位控制系统83
8、.2.3三冲量水位控制系统83.2.4三冲量模糊水位控制系统93.2.5汽包水位控制系统方案的选择104锅炉汽包水位模糊控制系统的设计114.1主回路模糊控制器的设计114.1.1确定模糊控制器的结构及输入、输出语言变量114.1.2确定各变量的隶属度函数和赋值表114.1.3模糊控制规则的确定144.1.4模糊控制响应表的生成144.2模糊动态前馈控制器的设计164.3 PID控制的设计164.3.1PID控制的基本公式164.3.2 PID的参数设置165. PLC选型及资源分配175.1 PLC电气图和I/O分配表175.2 PLC选型185.3 传感器选型185.4特殊模块功能186.
9、控制系统程序设计186.1编程软件196.2控制系统流程图196.2.1控制系统总流程图设计196.2.2模糊控制流程图196.2.3PID控制流程图206.2.4动态前馈流程图206.3系统的程序设计216.3.1水位控制216.3.2模糊控制算法的PLC实现216.3.3 PID控制的PLC实现227 结束语23致谢24参考文献：25附录：261. 引言在锅炉运行中,水位是一个很重要的参数。若水位过高,则会影响汽水分离的效果,使用电气设备发生故障;而水位过低,则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸。同时高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小,所以锅炉水位控制显得非常重要。锅
10、炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量,使其与蒸发量保持平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。由于锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位”现象，而常规仪表所常用的PID算法对“假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。因此研究新型的水位控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点，还是非常必要的。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心
11、就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。三冲量锅炉水位控制系统中的主回路控制部分与蒸汽前馈控制部分正是属于这种情况：由于虚假液位的影响和各种参数存在的时变性而导致无法确定这一过程的数学模型，这样就不能设计常规的控制器进行控制1。2.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。尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利
12、用，它不仅能为反映器、蒸馏塔、换热器以及其他设备、管道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动透平提供动力来源。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。常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图2-1所示。图2-1工业锅炉工艺流程 首先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
13、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锅炉设备控制系统 锅炉生产控制系统，是指锅炉生产过程的自动化系统。即通过各种检测仪表，调节仪表，控制装置（运算器，
14、监控器，执行器）等自动化技术工具，对锅炉生产过程中的温度，压力，流量，液位等热工变量进行自动控制的系统。自动控制的目的是实现各种最优的技术经济指标，减轻劳动强度，提高经济效益和生产率，节约能源，改善劳动环境条件。锅炉设备控制划分为若干个控制系统。主要控制系统如下。1）锅炉汽包水位的控制被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。他主要考虑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）锅炉燃烧系统的控制其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）
15、；使燃料与空气量之间保持一定的比例，以保证最经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量2。3）过热蒸汽系统的控制维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。2.3锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中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。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。876541 2
