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1、《過程控制》課程設(shè)計說明書
鍋爐水位-汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計
1 引言
工業(yè)自動化涉及的范圍極廣,過程控制是其中最重要的一個分支。因而,過程控制在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。鍋爐是眾多工業(yè)部門必不可少的重要動力設(shè)備。因此,鍋爐往往成了不少工廠不可缺少的一部分。因而,對鍋爐設(shè)備中的控制系統(tǒng)進行分析研究是必要的。鍋爐水位控制系統(tǒng)是鍋爐生產(chǎn)控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。對鍋爐生產(chǎn)操作如果不合理,管理不善,處理不當(dāng),往往會引起事故。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的,可見鍋爐水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。
2 總體方案設(shè)計原則
系統(tǒng)控制方案設(shè)計在整個工程方案設(shè)計中占有十分重要的
2、地位,一個控制系統(tǒng)的成功與否主要取決于是否有一個設(shè)計優(yōu)良的控制方案。任何一種控制系統(tǒng)設(shè)計的目的都是為了滿足生產(chǎn)過程中的工藝要求,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此,為實現(xiàn)此目的,設(shè)計加熱爐裝置的控制方案時,應(yīng)遵循以下基本原則:
(1)滿足要求
最大限度地滿足被控對象的控制要求,這是設(shè)計該控制系統(tǒng)的首要前提,也是設(shè)計中最重要的一條原則。進行設(shè)計前,需要深入了解被控對象,收集資料。
(2)安全可靠
保證控制系統(tǒng)長期運行的安全、可靠、穩(wěn)定,是設(shè)計中的重要原則。為了達到這一目的,在系統(tǒng)方案設(shè)計、可靠性設(shè)計、設(shè)備選擇、軟件編程方面應(yīng)進行總體規(guī)劃和全面考慮。
(3)經(jīng)濟實用
在滿足控制要求的前提
3、下,力求控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、實用、維護方便。
(4)適應(yīng)發(fā)展
考慮到生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進,設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臄U展功能。
2.1 調(diào)節(jié)閥選型原則
2.1.1 閥門開閉形式選擇原則
對于一個具體的控制系統(tǒng)來說,究竟選擇氣開閥還是氣閉閥,要由具體的生產(chǎn)工藝來決定。一般來說,要根據(jù)以下幾條原則進行選擇:
① 首先要從生產(chǎn)安全出發(fā),即當(dāng)氣源供氣中斷、控制器故障無輸出或調(diào)節(jié)閥膜片破裂、漏氣等而使調(diào)節(jié)閥無法正常工作,使得閥芯回復(fù)到無能源的初始狀態(tài)時,應(yīng)能確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全,不致于發(fā)生事故。
② 從保證產(chǎn)品質(zhì)量出發(fā),當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于無能源狀態(tài)而回復(fù)到初始位置時,不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量。
③
4、 從降低原料、成品、動力損耗來考慮。
④ 從介質(zhì)的特點考慮。
一般來說,根據(jù)上面介紹的幾條原則,調(diào)節(jié)閥開、閉形式不難選擇。不過,如遇到下面兩種情況時,在調(diào)節(jié)閥開、閉形式的選擇上需要加以注意。第一種情況是由于工藝要求不一,對于同一調(diào)節(jié)閥可以有兩種不同的選擇結(jié)果。如果出現(xiàn)這種情況,需要與工藝專業(yè)人員認真分析、仔細協(xié)商、分清主次、權(quán)衡利弊、慎重選擇。第二種情況是某些生產(chǎn)工藝對調(diào)節(jié)閥開、閉形式的選擇沒有嚴格要求,調(diào)節(jié)閥的開、閉形式可以任選。
2.1.2 控制器正反作用選擇原則
從控制原理可知,對于一個反饋控制系統(tǒng),只有在負反饋的情況下,系統(tǒng)才是穩(wěn)定的,當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時,其過渡將會是衰減的。反之
5、,如果系統(tǒng)是正反饋,那么系統(tǒng)是不穩(wěn)定的,一旦遇到干擾,過渡過程將會發(fā)散。系統(tǒng)不穩(wěn)定當(dāng)然是不希望發(fā)生的,因此,對于反饋控制系統(tǒng)來說,要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作,必須要構(gòu)成負反饋,即控制回路各個環(huán)節(jié)的符號之積為負值。在控制回路中,對象、調(diào)節(jié)閥、測量變送裝置和偏差環(huán)節(jié)的符號是很容易確定的,這樣就可以確定控制器的正反作用。
需要注意的是,對于DCS 而言,偏差為設(shè)定值減去測量值,因為該環(huán)節(jié)的輸入為測量值,當(dāng)測量值減少的時候,偏差增加;當(dāng)測量值增加的時候,偏差減少,因此,該環(huán)節(jié)的符號一直為負。
2.1.3控制器規(guī)律選擇原則
工業(yè)過程中常見的控制規(guī)律有開關(guān)控制、比例控制、比例-積分控制、比例-微分控制、
6、比例-積分-微分控制等。過程工業(yè)中常見的參數(shù)有流量、液位、壓力和溫度,這些參數(shù)有些是重要的生產(chǎn)參數(shù),有些是不太重要的參數(shù),所以控制要求也是各有不同,控制規(guī)律的選擇要根據(jù)具體情況而定。有一些基本原則可以在選擇時加以考慮:
(1)對于不太重要的參數(shù),可以考慮采用比例控制,甚至采用開關(guān)控制;
(2)對于不太重要的參數(shù),但是慣性較大,又不希望動態(tài)偏差較大,可考慮采用比例-微分控制。但是對于系統(tǒng)噪聲較大的參數(shù),例如流量,則不能選用比例-微分控制;
(3)對于比較重要的、控制精度要求比較高的參數(shù),可采用比例-積分控制;
(4)對于比較重要的、控制精度要求比較高、希望動態(tài)偏差小、被控對象的時間滯后較
7、大的參數(shù),應(yīng)該采用比例-積分-微分控制或者是先進控制算法。
2.2 溫度-液位雙回路控制系統(tǒng)構(gòu)成
電熱鍋爐溫度-液位雙回路控制系統(tǒng)的組成如圖1 所示。采用PLC 作控制器,兩個控制回路分別實現(xiàn)鍋爐液位和鍋爐出水溫度的控制。因為鍋爐液位如果過低會發(fā)生干燒而發(fā)生嚴重事故,因此,系統(tǒng)還采用了低液位聯(lián)鎖控制。
鍋爐液位控制過程:壓力變送器將鍋爐液位檢測轉(zhuǎn)換為電壓信號,送至PLC 的模擬量輸入AI1 進行A/D 轉(zhuǎn)換,然后PLC 根據(jù)給定的液位值與反饋值比較,利用其偏差進行PID運算,結(jié)果經(jīng)AO1 輸出至變頻器,使頻率相應(yīng)變化,水泵轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化,調(diào)節(jié)供水量,最終實現(xiàn)鍋爐液位的穩(wěn)定。
圖1
8、 電熱鍋爐溫度-液位雙回路控制系統(tǒng)組成
鍋爐水溫控制過程:溫度傳感器和溫度變送器將出水溫度檢測后轉(zhuǎn)換為電壓信號,送至PLC 的模擬量輸入AI2 進行A/D 轉(zhuǎn)換,然后PLC 根據(jù)給定的溫度值與反饋值比較,進行PID 運算,結(jié)果經(jīng)AO2 輸出至晶閘管SCR 模塊,改變鍋爐電熱圈兩端電壓,最終實現(xiàn)鍋爐出水溫度的穩(wěn)定。
低液位聯(lián)鎖控制原理:如果液位值在正常范圍內(nèi),輸出端DO1 輸出為ON,控制低液位聯(lián)鎖開關(guān)閉合,可以正常進行加熱工作。如果液位反饋值低于給定低限報警值,則進行低液位報警,并控制低液位聯(lián)鎖開關(guān)斷開,停止加熱,保證了鍋爐的工作安全。
2.2.1汽包水位控制
汽包液位調(diào)節(jié)的任務(wù)是使鍋
9、爐進水量和鍋爐蒸發(fā)量相平衡,并維持汽密水位在工藝規(guī)定的安全范疇內(nèi)。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用三沖量調(diào)節(jié),即根據(jù)給水流量、汽包液位和蒸汽流量調(diào)節(jié)給水閥,汽包水位信號經(jīng)汽包壓力補償后作為主調(diào)的輸入,蒸汽流量信號經(jīng)溫度、壓力修正后與給水流量信號一起作為副調(diào)的反饋輸入。啟動時只有汽包水位的單沖量控制。單沖量控制和三沖量控制能相互無擾動切換。汽包水位過高,會影響汽包內(nèi)汽水分離,飽和水蒸汽帶水過多,使過熱蒸汽溫度降低;水位過低,負荷增大時水的汽化速度加快,汽包內(nèi)水量迅速減少,如不及時調(diào)整,會使汽包內(nèi)的水全部汽化,危及鍋爐安全。當(dāng)負荷非常不穩(wěn)定時,給水流量的擾動,使汽包水位有較大延遲,蒸汽流量變化,會出現(xiàn)虛假水位,使得
10、三沖量難以運行,因此先以單沖量投入運行,使工況穩(wěn)定后再投入三沖量,也要求單沖量和三沖量兩種控制方式能方便地進行無擾切換。見圖2
圖2 汽包水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
2.2.2 過熱蒸汽汽溫控制
過熱蒸汽溫度是非常重要的參數(shù),過高會燒壞過熱器水管,對負荷設(shè)備的安全運行帶來不利因素,過低會直接影響負荷設(shè)備的使用。因此它的控制要求比較嚴格,一般工藝上都是用噴水減溫的方法來控制過熱蒸汽溫度。根據(jù)過熱蒸汽溫
度和減溫器后蒸汽溫度調(diào)節(jié)減溫水調(diào)節(jié)閥,使過熱蒸汽溫度維持在工藝安全范圍,見圖3。
圖3過熱蒸汽溫度自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)入口
11、蒸汽及減溫水一側(cè)擾動時,首先反應(yīng)為減溫器后汽溫的變化,這個回路就可以及時調(diào)整,使擾動對過熱蒸汽溫度的影響大大減少,提高了調(diào)節(jié)品質(zhì)。
3被控參數(shù)特性分析
控制對象對象中主要包括溫度、流量這2個參數(shù),不同類型的參數(shù)具有不同的對象特性,需要采用不同的控制方法。
(1)溫度
溫度動態(tài)特性的特點:其一,慣性大,容量滯后大,有些過程的時間常數(shù)達到十幾分鐘;其二,溫度對象通常是多容的。由于溫度滯后大,控制起來不靈敏,因此溫度控制系統(tǒng)需要增加微分作用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,溫度控制就是對傳熱過程的控制,包括對流傳熱、傳導(dǎo)傳熱和輻射傳熱。溫度控制的操縱變量通常是流量,如加熱介質(zhì)的流量、冷卻介質(zhì)的流量、燃料的
12、流量等。溫度控制的方法與被控對象的特點、控制精度要求等有關(guān),其種類很多。
(2)流量
水位的控制要明確流量的大小,流量的測量容易受到噪聲的干擾,流量本身可能是平穩(wěn)的,平均流量沒有什么變化,但是測量信號常常是頻繁地變動。這是由于管道中的流動正常時都呈現(xiàn)湍流狀態(tài),流量雖然平穩(wěn),流體內(nèi)部卻在騷動。特別是流體通過截流裝置時,此種騷動程度比較大,產(chǎn)生的噪聲也較大。噪聲是一種頻率很高、變化無常的流體流動,這是流量控制系統(tǒng)不能加微分的原因。由于噪聲頻率很高,雖然幅度變化不大,但若加上微分控制器其輸出容易出現(xiàn)波動,反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。流量過程時間常數(shù)很小,當(dāng)手動調(diào)整閥門時,流量在幾秒鐘內(nèi)就能變化完畢,響應(yīng)比
13、較靈敏。這是由于工業(yè)過程中調(diào)節(jié)閥(執(zhí)行機構(gòu))往往直接作用于流量,而管道的容量有限,緩沖余地小,閥門一動作,流量立即變化,滯后時間小、響應(yīng)快。對于流量而言,廣義對象的時間常數(shù)主要取決于控制器、定位器、變送器和信號傳輸?shù)炔糠?,流量自身的時間常數(shù)相對較小。
4 系統(tǒng)控制流程
根據(jù)控制要求,系統(tǒng)控制流程如圖4 所示。
PLC上電運行后,首先執(zhí)行初始化程序,設(shè)定控制參數(shù)初值,給出液位和溫度設(shè)定值。系統(tǒng)啟動開關(guān)閉合后,啟動控制??刂瞥绦蛑惺褂靡粋€定時器進行周期采樣和PID 控制,定時器的延時時間按采樣時間來設(shè)定。采樣時間到,分別進行液位和溫度過程值的采樣處理,然后與設(shè)定值比較,分別進行PID 調(diào)節(jié),
14、
計算出的操作值分別給變頻器和晶閘管SCR實現(xiàn)液位和溫度的控制。程序會判斷液位是否低于下限,如果發(fā)生低液位,則通過聯(lián)鎖開關(guān)停止加熱,并發(fā)出報警;
圖4 系統(tǒng)控制流程
如果液位正常,則加熱工作也正常進行;如果液位高于上限,會發(fā)出高液位報警。溫度過高,通過程序控制會給出高溫指示。
5 總結(jié)
鍋爐汽溫-水位雙回路控制系統(tǒng)采用了PLC 控制技術(shù)、變頻器調(diào)速技術(shù)和電力電子技術(shù),軟硬件相結(jié)合,比較理想地實現(xiàn)了對鍋爐汽溫和水位的自動控制,系統(tǒng)安全、可靠、易于實現(xiàn)、維修方便。如果結(jié)合上位監(jiān)控軟件,還可以實現(xiàn)很
15、好的人機交互,進行設(shè)定值和控制參數(shù)的在線調(diào)整,實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
6 心得體會
本設(shè)計是在經(jīng)過兩個星期的時間完成的,我們參考了許多的資料,包括網(wǎng)上的,書本上的等,盡我們的所能,而編寫的一篇的報告。作為鍋爐控制裝置,其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行,減輕操作人員的勞動強度。
課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異,過程控制已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)生活應(yīng)用中空前活躍的科目,在生活中可以說
16、得是無處不在?;仡櫰鸫苏n程設(shè)計,至今我仍感慨頗多,從理論到實踐,在整整兩個星期的日子里,可以說得是苦多于甜,但是可以學(xué)到很多很多的的東西,同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識,而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的,只有理論知識是遠遠不夠的,只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來,從理論中得出結(jié)論,才能真正為社會服務(wù),從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題,可以說得是困難重重,這畢竟第一次做的,難免會遇到過各種各樣的問題,同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處,對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻,掌握得不夠牢固,比如說以前學(xué)的前饋系統(tǒng)。當(dāng)真正做一個連貫系統(tǒng)時就不那么得心應(yīng)手了!課程設(shè)計之后,學(xué)到很多的東西。
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