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1、基于PLC的锅炉三冲量给水控制系统设计摘要锅炉三冲量给水控制系统在工业控制中是一个典型的控制系统。在锅炉三冲量给水控制系统中，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。本文从控制方案设计、PLC简介和系统软件设计几个方面进行介绍。并且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。本系统以西门子S7-300来实现锅炉汽包水位自动控
2、制，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。根据仿真结果曲线来看，系统的性能指标都达到了要求。 关键词：PLC;锅炉;三冲量;汽包水位;PID控制Design of Three- impulse Water Supply Control System of Boiler Based on PLCAbstractThe three-impulse water supply control system of boiler is a typical control system in industrial control. In the three- impulse water
3、supply control system of boiler, the steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation. Both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore steam drum water level must be strictly controlled. With the rapid development of PLC
4、 technology, PLC is widely applied to the process control domain and makes the performance of control system enhance enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain. The control design, the introduction to PLC, and system software design are introduce
5、d in the paper. Also 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 scheme of steam drum water level control system is proposed. Siemens S7-300 is adopted to realize automatic con
6、trol of steam drum water level in the system. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the simulation results, system performance meets the requirements. Key words: PLC; Boiler; Three Impulses; Steam Drum Water Level; PID Control目 录摘要I
7、AbstractII1.绪论11.1课题背景及目的和意义11.2项目研究内容22.控制方案设计42.1汽包水位控制系统参数选择42.2控制方案设计结构选择42.2.1单冲量汽包水位控制系统42.2.2双冲量汽包水位控制系统52.2.3三冲量汽包水位控制系统62.3前馈串级控制系统72.3.1串级控制系统特点72.3.2串级控制系统回路的选择原则82.3.3前馈控制系统特点92.3.4前馈控制器设计102.4被控对象数学模型113.PLC简介133.1 S7-300硬件133.1.1 S7-300的物理结构133.1.2硬件组态143.1.3信号模块153.2 S7-300软件153.2.1组织
8、块OB35153.2.2功能块FB41163.2.3功能块FB100173.2.4功能块FC105和 FC106184. PLC控制系统的设计194.1程序设计194.2仿真步骤294.3仿真曲线32结 论34致 谢35参考文献361.绪论1.1课题背景及目的和意义蒸气锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸气产品,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气产品以适应负荷的需要,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
9、 。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。 工业蒸气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,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
10、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,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2。因此需要运用另一种更好的控制系统对其控制。PLC是70年代发展起来的中大规模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口与中断系统于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业3。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
11、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
12、料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。1.2项目研究内容（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）PLC及相关模块的介绍本次实验的运行环境在在S7-300系列的PLC中进行的，实验之前要对其有一个大致的了解，熟悉其功能，以便更好地应用。此外，还要了解其中的组织块、功能块等模块，了解引脚的作用。（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
13、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,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 2.1汽包水位控制系统参数选择汽包水位控制系统可直接选择汽包水位作为被控参数。影响汽包水位变化的因素有给水量变化、蒸气流量变化、燃料量变化、汽包压力变化等。汽包压力变化并不直接
14、影响水位，而是通过汽包压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”过程影响水位。汽包压力变化往往是蒸气流量变化引起的，可将压力变化因素归在蒸气流量变化中一并考虑，而蒸气流量又是按照用户需要而改变的不可控因素，因而汽包压力和蒸气流量都不能作为汽包水位的控制变量。燃料量的变化要经过燃料系统变成热量后，才能被水吸收，继而影响汽化量并改变水位。这一通道的传输滞后和容量滞后都很大，燃料过程又有专门的调节系统进行控制，因此燃料量也不能作为汽包水位的控制变量4。只有锅炉给水量可作为汽包水位的控制变量。2.2控制方案设计结构选择锅炉汽包水位的自动控制的任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺
15、允许的范围内。锅炉汽包水位调节系统常采用以下三种调节方式。2.2.1单冲量汽包水位控制系统、给水量减少使汽包存水量减少。等到假水位消失后，汽包水位会严重下降，甚至会使汽包水位降到危险的程度，以致发生事故。对于负荷变动较大的大、中型锅炉，2.2.2双冲量汽包水位控制系统 图2.2双冲量水位控制系统框图2.2.3三冲量汽包水位控制系统图2.3 三冲量液位控制系统框图2.3前馈串级控制系统2.3.1串级控制系统特点在单回路控制系统中，控制器的参数是在一定的负荷即一定的工作点下，按一定的质量指标要求而整定得到的，也就是说，一定的控制器参数只能适应于一定的负荷。如果对象具有非线性，随着负荷的变化，工作点就会移动，对象的特性就会发生改变。原来基于一定负荷整定的那套控制器参数就不再能适应了，需要重新调整控制器参数以适应新的工作点，否则，控制质量会随之下降。但是，在串级控制系统中，主回路虽然是一个定值控制系统，而副回路却是一个随动控制系统，它的设定值是随着主控制器的输出而变化的。这样，主控制器就可以按照操作条件和负荷变化相应地调节副控制器的设定值，从而保证在负荷和操作条件发生变化的情况下，控制系统仍然具有较好的控制质量5。2.3.2串级控制系统回路的选择原则1.主回路的选择就是确定主变量。一般情况下，主变量的选择原则与单回路控制系统被控量的选择原则是一致的，即凡
