鍋爐水位汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、《過程控制》課程設(shè)計(jì)說明書 鍋爐水位-汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(gè)分支。因而,過程控制在國民經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jì)原則 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)在整個(gè)工程方案設(shè)計(jì)中占有十分重要的

2、地位,一個(gè)控制系統(tǒng)的成功與否主要取決于是否有一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制方案。任何一種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)此目的,設(shè)計(jì)加熱爐裝置的控制方案時(shí),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(jì)該控制系統(tǒng)的首要前提,也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。進(jìn)行設(shè)計(jì)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(yùn)行的安全、可靠、穩(wěn)定,是設(shè)計(jì)中的重要原則。為了達(dá)到這一目的,在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、軟件編程方面應(yīng)進(jìn)行總體規(guī)劃和全面考慮。 (3)經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jì)、實(shí)用、維護(hù)方便。 (4)適應(yīng)發(fā)展 考慮到生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進(jìn),設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)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(gè)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(jìn)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(shí),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(shí),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(diǎn)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(shí),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(rèn)真分析、仔細(xì)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(yán)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(gè)反饋控制系統(tǒng),只有在負(fù)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(shí),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(fù)反饋,即控制回路各個(gè)環(huán)節(jié)的符號之積為負(fù)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?yàn)樵摥h(huán)節(jié)的輸入為測量值,當(dāng)測量值減少的時(shí)候,偏差增加;當(dāng)測量值增加的時(shí)候,偏差減少,因此,該環(huán)節(jié)的符號一直為負(fù)。 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(shí)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(shí)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(jìn)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(gè)控制回路分別實(shí)現(xiàn)鍋爐液位和鍋爐出水溫度的控制。因?yàn)殄仩t液位如果過低會發(fā)生干燒而發(fā)生嚴(yán)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(jìn)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(jìn)行PID運(yùn)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(shí)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(jìn)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(jìn)行PID 運(yùn)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(shí)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(jìn)行加熱工作。如果液位反饋值低于給定低限報(bào)警值,則進(jìn)行低液位報(bào)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(jìn)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(bǔ)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(shí)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(fù)荷增大時(shí)水的汽化速度加快,汽包內(nèi)水量迅速減少,如不及時(shí)調(diào)整,會使汽包內(nèi)的水全部汽化,危及鍋爐安全。當(dāng)負(fù)荷非常不穩(wěn)定時(shí),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(yùn)行,因此先以單沖量投入運(yùn)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(jìn)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(fù)荷設(shè)備的安全運(yùn)行帶來不利因素,過低會直接影響負(fù)荷設(shè)備的使用。因此它的控制要求比較嚴(yán)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(shí),首先反應(yīng)為減溫器后汽溫的變化,這個(gè)回路就可以及時(shí)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(gè)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(diǎn):其一,慣性大,容量滯后大,有些過程的時(shí)間常數(shù)達(dá)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(diǎn)、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(shí)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(shí),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(shí)間常數(shù)很小,當(dāng)手動調(diào)整閥門時(shí),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(jī)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(shí)間小、響應(yīng)快。對于流量而言,廣義對象的時(shí)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(shí)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(yùn)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€(gè)定時(shí)器進(jìn)行周期采樣和PID 控制,定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間按采樣時(shí)間來設(shè)定。采樣時(shí)間到,分別進(jìn)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(jìn)行PID 調(diào)節(jié),

14、 計(jì)算出的操作值分別給變頻器和晶閘管SCR實(shí)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(bào)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(jìn)行;如果液位高于上限,會發(fā)出高液位報(bào)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(shí)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(shí)現(xiàn)、維修方便。如果結(jié)合上位監(jiān)控軟件,還可以實(shí)現(xiàn)很

15、好的人機(jī)交互,進(jìn)行設(shè)定值和控制參數(shù)的在線調(diào)整,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 6 心得體會 本設(shè)計(jì)是在經(jīng)過兩個(gè)星期的時(shí)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(bào)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(jì)運(yùn)行,減輕操作人員的勞動強(qiáng)度。 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實(shí)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(jì),至今我仍感慨頗多,從理論到實(shí)踐,在整整兩個(gè)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(shí)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(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的,只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)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(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)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(shí)在設(shè)計(jì)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(gè)連貫系統(tǒng)時(shí)就不那么得心應(yīng)手了!課程設(shè)計(jì)之后,學(xué)到很多的東西。 參考文獻(xiàn) [1] 王永華 《現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)》 北京航空航天大學(xué)出版社 2008.2 [2]能源部西安熱工研究院 《熱工技術(shù)手冊》 1992 [3]張淑玉 《電廠熱力過程自動化》 水利電力出版社 2003 [4]施仁 《自動化儀表與過程控制》 電子工業(yè)出版社 1999 [5]文群英 《熱工自動控制系統(tǒng)》 中國電力出版社 2006 [6]張麗香 《模擬量控制系統(tǒng)》 中國電力出版社 2006 10

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