鍋爐雙沖量給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

裝訂線畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙第一章 論文選題背景及理論發(fā)展1.1 目的及意義 隨著電子產(chǎn)品的降價(jià)及自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢的凸現(xiàn)，越來越多的企業(yè)準(zhǔn)備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動(dòng)化生產(chǎn)線或者對(duì)個(gè)別關(guān)鍵工藝參數(shù)采用自動(dòng)控制。工業(yè)應(yīng)用自控技術(shù)在中國的推廣使用較晚，但近年來發(fā)展較快。國內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動(dòng)化技術(shù)和電氣技術(shù)三者于一體的設(shè)計(jì)不多，所以人們清楚地認(rèn)識(shí)到自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的重要地位和作用，在水位控制系統(tǒng)中，主要采用“三沖量控制”方案來實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包水位控制更是重中之重。本課題的目的及意義：鍋爐汽包水位控制是維持鍋筒水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量。由于鍋爐的水位同時(shí)受到鍋爐側(cè)和氣輪機(jī)側(cè)的影響，因此，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或氣輪機(jī)用汽量變化時(shí)，通過給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐和氣輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件。水位過高或過低，都是不允許的。水位過高會(huì)影響汽水分離器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故；鍋爐出口蒸汽帶水過多還會(huì)使過熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過低，則會(huì)破壞正常水循環(huán)，危及水冷壁受熱面的安全。一般要求鍋筒水位維持在設(shè)計(jì)值75100mm范圍內(nèi)。1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展一、“經(jīng)典控制理論”階段上世紀(jì)50年代前發(fā)展的控制理論被稱為“古典控制理論”。它主要研究的自動(dòng)控制系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，被控對(duì)象集中于SISO系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論所采用的方法通常是以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡分布為基礎(chǔ)的波德圖法和根軌跡法，包括各種穩(wěn)定性判據(jù)和對(duì)數(shù)頻率特性。二、“現(xiàn)代控制理論”階段60年代以后發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論主要研究MIMO系統(tǒng)。系統(tǒng)可以是線性或非線性的，定?；驎r(shí)變的。它采用狀態(tài)方程代替經(jīng)典理論中的一個(gè)高階微分方程式來描述系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中各個(gè)變量均為時(shí)間t的函數(shù)，因而屬于時(shí)域分析方法。采用狀態(tài)方程的好處可以研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性，可以分析系統(tǒng)的本質(zhì)。主要內(nèi)容包括：（1）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述和能控性、能觀性分析；（2）李亞譜諾夫穩(wěn)定性理論和李亞譜諾夫函數(shù)，系統(tǒng)識(shí)別和卡爾曼濾波理論；（3）非線性系統(tǒng)控制；（4）系統(tǒng)最優(yōu)控制及自適應(yīng)控制三、“大系統(tǒng)理論和先進(jìn)控制理論”階段前兩個(gè)階段的控制理論的發(fā)展與應(yīng)用，主要討論存在數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，但是對(duì)于那些不具有數(shù)學(xué)模型或很難找到數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，應(yīng)用經(jīng)典控制理論的方法等無法解決。但是，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和價(jià)格的下降，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬，先進(jìn)控制日益發(fā)展和應(yīng)用起來了。先進(jìn)控制主要包括自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、智能控制、魯棒控制等。人工智能學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制理論向著智能控制方向發(fā)展，而智能控制和具有智能化的自動(dòng)控制系統(tǒng)又是人工智能的一個(gè)既有廣泛應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。70年代末開始的智能控制理論和大系統(tǒng)理論的研究與應(yīng)用，是現(xiàn)代控制論在深度上和廣度上的開拓，因此在控制工程界受到極大的關(guān)注，主要包括：專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制、學(xué)習(xí)控制等。智能控制具有如下特點(diǎn)：以專家和熟練操作工人的知識(shí)為基礎(chǔ)進(jìn)行推理、判斷、預(yù)測和規(guī)劃，采用符號(hào)信息處理、啟發(fā)式程序設(shè)計(jì)，知識(shí)表示和自學(xué)習(xí)、推理與決策的智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)問題的綜合性求解。先進(jìn)控制離不開前兩個(gè)階段的控制理論，只是把自動(dòng)控制理論推向一個(gè)更深化的嶄新階段。1.3 控制系統(tǒng)規(guī)模、組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展一、 初級(jí)階段本世紀(jì)50年代前后，熱工生產(chǎn)過程主要是憑生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，局限于一般的控制元件和機(jī)電式控制儀器，采用比較笨重的基地式儀表實(shí)現(xiàn)機(jī)、爐、電各自獨(dú)立的分散的局部自動(dòng)控制。各控制系統(tǒng)之間沒有或很少有聯(lián)系，所應(yīng)用的理論是經(jīng)典控制理論。二、 常規(guī)儀表階段50年代末及以后十年間，隨著儀表工業(yè)大力發(fā)展，先后出現(xiàn)了電動(dòng)單元儀表和巡回監(jiān)測裝置，這些高性能的儀表廣泛應(yīng)用于熱工過程，并且機(jī)組容量增大，對(duì)效率及安全的要求越來越突出，因此熱工控制的要求和精度變得越來越高。要求實(shí)現(xiàn)把機(jī)、爐作為一單元整體來進(jìn)行集中控制，儀表盤表裝在一起監(jiān)視，從而使機(jī)、爐啟停更為協(xié)調(diào)，對(duì)提高設(shè)備效率和強(qiáng)化生產(chǎn)過程有所促進(jìn)。此時(shí)所用的儀表有電動(dòng)及組裝儀表。理論發(fā)展主要是處于“經(jīng)典控制理論”階段，但也開始考慮最優(yōu)控制等，各種DDZ型儀表廣泛應(yīng)用于水位控制中。三、 大型自動(dòng)化階段70年代至今，由于集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動(dòng)化相結(jié)合的分散計(jì)算機(jī)控制，目前火電發(fā)電廠都發(fā)展到了管理、決策、財(cái)務(wù)、生產(chǎn)過程一體化的（CIPS）階段，整個(gè)機(jī)組的生產(chǎn)過程的控制只是其中的一個(gè)子系統(tǒng)。采用集中分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，DCS它把各系統(tǒng)之間、廠級(jí)管理、調(diào)度等用大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中管理，而各個(gè)子回路分散控制，充分發(fā)揮了集中控制和分散控制各自的優(yōu)點(diǎn)，是一種比較合理的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。隨著這個(gè)過程，控制理論的應(yīng)用有了新的發(fā)展，各種先進(jìn)控制技術(shù)也能廣泛應(yīng)用于熱工過程。水位控制的模式主要是三沖量，但是先進(jìn)控制技術(shù)也應(yīng)用到水位控制中來，如自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、模糊控制、還有可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。甚至應(yīng)用建模技術(shù)，可以對(duì)過程實(shí)時(shí)建摸，更加提高了控制效果。四、國外一些主要的DCS系統(tǒng) 國外DCS系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于包括電廠在內(nèi)的諸多工業(yè)部門。目前，世界上約有40多家公司生產(chǎn)近百種簡單控制系統(tǒng)的商業(yè)產(chǎn)品。比較有名的如美國的ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以及日本的橫河北辰、日立、東芝；德國的Siemens等多跨國公司。這些成熟的DCS系統(tǒng)都有可靠的性能，都有對(duì)于專門的生產(chǎn)過程發(fā)展的DCS系統(tǒng)，可以很方便、任意的組態(tài)，里面都包含了幾乎所有的控制算法，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場情況實(shí)現(xiàn)自己的控制策略。由于這些系統(tǒng)的良好的開放性，用戶可以在此基礎(chǔ)上作二次開發(fā)，把最新的技術(shù)應(yīng)用到自己的系統(tǒng)中來，增強(qiáng)原系統(tǒng)的功能。第二章 鍋爐工藝2.1鍋爐結(jié)構(gòu)簡介鍋爐系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.1-1所示。整個(gè)鍋爐系統(tǒng)主要由鍋筒、爐膛、蒸汽過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、引風(fēng)裝置、吸風(fēng)裝置、給水裝置、蒸汽管路、燃料供應(yīng)裝置、除塵裝置等構(gòu)成。說明如下：鍋爐本體組成部分：（1）鍋筒是一個(gè)封閉的熱交換器，外部與煙氣相接觸，利用煙氣中的熱量，并被煙氣加熱以產(chǎn)生飽和蒸汽；（2） 爐膛是燃料燃燒裝置，燃料在其中燃燒以放出熱能。在爐膛壁上裝設(shè)的受熱面稱作水冷壁，它主要是吸收輻射熱；（3） 蒸汽過熱器是被煙氣加熱的熱交換器，用以使飽和蒸汽過熱成為過熱蒸汽；（4） 省煤器是加熱給水的熱交換器，利用煙氣中的熱量以加熱送入爐筒的給水；（5） 空氣預(yù)熱器時(shí)加熱空氣的熱交換器，利用煙氣中的熱量預(yù)熱送往爐膛的空氣；輔助裝置：（6） 引風(fēng)裝置包括引風(fēng)機(jī)及煙囪。引風(fēng)機(jī)從鍋爐的煙道抽出煙氣送入煙囪排出；（7） 吸風(fēng)裝置包括吸風(fēng)機(jī)及風(fēng)道。吸風(fēng)機(jī)將空氣經(jīng)過空氣預(yù)熱器送往爐膛；（8） 給水裝置包括水泵、給水管路以及給水的化學(xué)處理設(shè)備；（9） 蒸汽管路從鍋爐引出蒸汽送給用戶；（10）燃料供應(yīng)裝置從燃料堆集處所，把燃料送往鍋爐房；（11）除塵裝置在煙道內(nèi)，除去由鍋爐出來的煙氣中帶走的飛灰。圖2.1- 1鍋爐結(jié)構(gòu)圖2.2鍋爐工藝簡介鍋爐是化工、煉油、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程圖如圖2.21所示。由圖可知，在汽水系統(tǒng)方面，給水在一定溫度下，經(jīng)給水管道進(jìn)入省煤器，加熱以后送入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。由燃料燃燒生產(chǎn)的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，水吸收爐膛輻射熱形成汽水混合物，由汽水分離裝置產(chǎn)生飽和蒸汽。然后，分離出來的飽和蒸汽經(jīng)過過熱器，繼續(xù)吸熱形成一定氣溫的過熱蒸汽，匯集至蒸汽母管。過熱蒸汽經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。圖2.2- 1鍋爐工藝圖與此同時(shí)，在燃燒和煙風(fēng)系統(tǒng)方面，送風(fēng)機(jī)將空氣送入空氣預(yù)熱器加熱到一定溫度。在磨煤機(jī)中被磨成一定細(xì)度的煤粉，由來自空氣預(yù)熱器的一部分熱空氣攜帶經(jīng)燃燒器噴入爐膛。燃燒器噴出的煤粉與空氣混合物在爐膛中與其余的熱空氣混合燃燒，放出大量熱量。燃燒后的熱煙氣順序流經(jīng)爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器后，再經(jīng)過除塵裝置，除去其中的飛灰，最后由引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排向大氣。2.3鍋爐汽包水位的控制2.3.1汽包水位控制的重要性鍋爐給水控制系統(tǒng)是一種非線性、時(shí)變大、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。其中汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，水位過高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水過多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量，同時(shí)，也會(huì)使過熱蒸汽溫度急劇下降，還會(huì)對(duì)后面的負(fù)荷設(shè)備產(chǎn)生破壞。水位過低，則由于汽包的水量減少，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，水的汽化速度加快，若不及時(shí)調(diào)節(jié)，就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化，破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干鍋，損壞汽包。所以其值過高過低都可能造成重大事故。鍋爐的給水控制系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的物理過程，各輸入、輸出的耦合關(guān)系十分復(fù)雜；鍋爐系統(tǒng)具有大的延時(shí)，并且參數(shù)是在實(shí)時(shí)變化，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型；鍋爐的負(fù)荷變化范圍從零到最大負(fù)荷量；并且是不定時(shí)變負(fù)荷?？梢?，汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，使鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，同時(shí)它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)物質(zhì)是否平衡的標(biāo)志。2.3.2 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性蒸汽流量擾動(dòng)主要來自氣輪機(jī)的負(fù)荷變化，這是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生的擾動(dòng)，屬于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外擾。在蒸汽流量D擾動(dòng)作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖2.3-1所示：圖2.3- 1階躍響應(yīng)曲線圖圖2.3-1 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)作用下的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)蒸汽流量D突然增加時(shí)，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量D大于給水量W，水位應(yīng)下降，如圖中直線H1所示。但實(shí)際情況并非這樣，由于蒸汽用量的增加，瞬間必然導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)的水沸騰突然加劇，水中汽包迅速增加，由于汽包容積增加而使水位變化的曲線如圖3中H2所示。而實(shí)際顯示的水位響應(yīng)曲線H為H1+H2。從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時(shí)，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升）這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。 應(yīng)該指出：當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位下汽包容積變化而引起水位的變化速度是很快的，圖中H2的時(shí)間常數(shù)只有1020S。蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，水位變化的動(dòng)態(tài)特性可用函數(shù)表示為： =+ =+式中，響應(yīng)速度，即蒸汽流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度，（mm/s）/(t/h); 響應(yīng)曲線的放大系數(shù)；響應(yīng)曲線的時(shí)間常數(shù)；“虛假水位”變化的幅度與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。例如，一般t/h的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，“虛假水位”可達(dá)mm?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象屬于反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發(fā)量的變化的大小有關(guān)，而與給水流量無關(guān)。2.3.3 燃料量擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性汽包水位在燃料量擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線如圖2.3-2所示，當(dāng)燃料量增加時(shí)，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強(qiáng)度增大。如果氣輪機(jī)側(cè)的用汽量不加調(diào)節(jié)，則隨著汽包壓力的增高，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時(shí)產(chǎn)生了汽包進(jìn)出口工質(zhì)流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時(shí)也會(huì)出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將氣量緩慢增加，故虛假水位現(xiàn)象要比擾動(dòng)下緩和得多。圖2.3- 2燃料擾動(dòng)曲線圖2.3.4 水位對(duì)象靜態(tài)特性分析對(duì)于一臺(tái)固定容量的汽包鍋爐，當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，其汽包、蒸發(fā)管道容量是固定的。汽包及蒸發(fā)管道系統(tǒng)中貯藏著蒸汽、水，貯藏量的多少，是以汽包水位表征的，其大小受到汽包的流入量（給水量），流出量（蒸發(fā)量）之間平衡關(guān)系的影響，同時(shí)還受到在給水循環(huán)、管道中汽水混合物內(nèi)汽水容積變化的影響。系統(tǒng)輸入輸出之間的靜態(tài)關(guān)系式為：f (W,D)其中：汽包水位； W給水流量； D蒸汽流量； 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，給水量和蒸發(fā)量之間保持平衡，汽水容積也保持不變，水位H保持穩(wěn)定H=0。第三章 方案選定 目前主要存在單沖量水位控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)、三沖量系統(tǒng)；以下就三種控制方案進(jìn)行分析：3.1 單沖量水位控制方案圖3.1- 1單沖量控制方案如圖3.1-1所示是單沖量變量水位控制系統(tǒng)。單沖量即汽包水位。這種控制結(jié)構(gòu)簡單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽包內(nèi)水的停留時(shí)間較長，負(fù)荷又比較穩(wěn)定的場合下再配上一些鎖報(bào)警裝置就可以安全操作。然而，在停留時(shí)間較短，負(fù)荷變化較大時(shí)，采用單沖量水位控制系統(tǒng)就不能適用。這是由于：負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生的“虛假水位“將使調(diào)節(jié)器反向錯(cuò)誤動(dòng)作，負(fù)荷增大時(shí)反向關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)厲害，動(dòng)態(tài)品質(zhì)很差。負(fù)荷變化時(shí)，控制作用緩慢。即使”虛假水位“現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個(gè)過程，再有水位變化到閥動(dòng)作已滯后一段時(shí)間。如果水位過程時(shí)間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，動(dòng)作緩慢。假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進(jìn)水流量立即變化，然而到水位發(fā)生偏差而使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，同樣不夠及時(shí)；為了克服上述這些矛盾，可以不僅依據(jù)水位，同時(shí)也參考蒸汽流量和給水流量的變化，則可用雙沖量或三沖量控制系統(tǒng)來控制給水調(diào)節(jié)閥，能收到很好的效果。從反饋控制的思想出發(fā)，很自然地會(huì)以水位信號(hào)作為被調(diào)量，給水流量作為調(diào)節(jié)量，構(gòu)成單回路反饋系統(tǒng)。這是一個(gè)基本的控制方案。對(duì)于小容量鍋爐來說，它的蓄水量較大，水面以下的汽包體積不占很大比重。因此，給水容積延遲和假水位現(xiàn)象不明顯，可以采用單沖量控制系統(tǒng)。對(duì)于大型超高壓（接近臨界壓力）鍋爐也可采用這種控制對(duì)象，因?yàn)樵诔邏浩退芏认嗖畈淮?，假水位現(xiàn)象不顯著。但是，對(duì)于大量的大中型鍋爐來說，這種系統(tǒng)不能滿足要求。因?yàn)槠麢C(jī)耗氣量改變所產(chǎn)生的假水位將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，致使汽包水位激烈地上下波動(dòng)，嚴(yán)重的影響設(shè)備的壽命和安全。所以對(duì)大中型鍋爐不能采用單沖量控制系統(tǒng)，必須尋求其他解決辦法。3.2 雙沖量控制方案圖3.2- 1雙沖量原理圖圖3.2-1為雙沖量原理圖，F(xiàn)T流量傳感器，LT液位傳感器。圖3.2- 2雙沖量方框圖在3.2-2雙沖量控系統(tǒng)方塊圖中可以看出在汽包的水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。用雙沖量控制系統(tǒng)不但可以引用蒸汽量來效正，而且可以補(bǔ)償“虛假水位”所引起的誤動(dòng)作，使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)。其控制系統(tǒng)如圖6所示從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個(gè)前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制系統(tǒng)的復(fù)合控制系統(tǒng)。這里前饋僅為靜態(tài)前饋，若需要考慮兩條通道在動(dòng)態(tài)上的差異，需引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。圖6所示連接方式中，加法器的輸出是： 式中水位調(diào)節(jié)器的輸出；蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開放器）的輸出；初始偏置值；加法器的系數(shù)。C2是取正號(hào)還是負(fù)號(hào)，即進(jìn)行加法還是減法，要由調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)形式來確定。一般從安全的角度選用調(diào)節(jié)閥的氣開和氣關(guān)的。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平機(jī)等，那么為保護(hù)這些設(shè)備以選用氣開閥為宜；如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)熱源時(shí)，為保護(hù)鍋爐設(shè)備以采用氣關(guān)閥，應(yīng)減小即C2應(yīng)取負(fù)號(hào)；如果采用氣開閥，應(yīng)增加即C2應(yīng)取正號(hào)。C2的數(shù)值應(yīng)該考慮達(dá)到靜態(tài)補(bǔ)償。倘使現(xiàn)場試湊，那么應(yīng)該在只有負(fù)荷的情況下調(diào)整到水位基本不變，倘使有閥門特性數(shù)據(jù)，它的放大系數(shù)KV是：式中閥門輸入信號(hào)變化量； 給水流量變化量。在測量方面，假設(shè)為線性，則 式中，蒸汽流量變送器的輸出變化量；蒸汽流量變化量； 蒸汽流量變送器量程，從零開始； 變送器輸出的最大變化范圍。要達(dá)到靜態(tài)補(bǔ)償，應(yīng)保持物料平衡，即有：上式中是一個(gè)系數(shù)。如果給水流量和蒸汽流量用體積來表示，顯然不等于。即使用重量來表示，由于排污要放出一部分水，進(jìn)水重量要稍大于蒸汽量，即要求1。 由于加法器的作用，在負(fù)荷變化時(shí)，給水量的變化是： 有些裝置中，由于水位上升與蒸汽流量增加時(shí)，閥門動(dòng)作方向相反，信號(hào)一定相減；而采用另一種接法，即將加法器放在調(diào)節(jié)器之前。如圖3.2-3（a）所示： （a） （b） 圖3.2-3制系統(tǒng)的其它接法 這樣的接法的好處是使用的儀表少，因?yàn)橐慌_(tái)雙通道調(diào)節(jié)器就可以實(shí)現(xiàn)加減和控制的功能。（假如水位調(diào)節(jié)器采用單比例，則這種接法與圖6可以等效轉(zhuǎn)換，差別不大）。 但是，水位調(diào)節(jié)器采用PI作用，而測量值又是水位與蒸汽流量之差，結(jié)果 顯然不能保證水位無差。除非流量參數(shù)經(jīng)過微分，而且不引入固定分量，見圖7（b）。等效轉(zhuǎn)換后其等式項(xiàng)是： 只有對(duì)流量信號(hào)不起積分作用，才可保證水位無余差。3.3 三沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)還有兩個(gè)弱點(diǎn)，即調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償不是很準(zhǔn)；同時(shí)對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償。為此，將給水流量信號(hào)引入，構(gòu)成三沖量控制。圖3.3-1控制方案之一。該方案實(shí)質(zhì)上是前饋（蒸汽流量）加反饋控制系統(tǒng)。這種三沖量控制方案結(jié)構(gòu)簡單，只需要一臺(tái)多通道調(diào)節(jié)器，整個(gè)系統(tǒng)亦可看作三沖量的綜合信號(hào)為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，所以投運(yùn)和整定與單回路一樣，但是如果系統(tǒng)設(shè)置不能確保物料平衡，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位將有余差。 圖3.3- 1三沖量原理圖圖3.3-2三沖量方框圖圖3.3-2控制方案依據(jù)這條原則，可以看出液位反饋量、給水流量變化、蒸汽流量變化對(duì)執(zhí)行器輸出信號(hào)的影響。3.4 幾種控制方案的比較單沖量水位控制是汽包水位自動(dòng)控制中最簡單最基本的一種形式，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)，但它不能克服“虛假水位”的影響，而且沒有給水流量信號(hào)的反饋，所以水位波動(dòng)較大。雙沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號(hào)。該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：引入的蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假水位”對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)的不良影響。當(dāng)蒸汽流量變化時(shí)，就有一個(gè)給水量與蒸汽量向同方向變化的信號(hào)，可以減小或抵消由于“虛假水位”引起的給水量與蒸汽量反方向變化的誤動(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥從一開始就向正確的方向移動(dòng)。因而大大減小了給水量與水位的波動(dòng)，縮短調(diào)節(jié)的時(shí)間。而且引入的蒸汽流量的前饋信號(hào)，能改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。雙沖量水位控制系統(tǒng)適用于小型低壓而且給水壓力較穩(wěn)定的鍋爐。當(dāng)給水壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量控制；另外在大型鍋爐的控制中，鍋爐容量越大，壓力越來越高，汽包的相對(duì)容水量就越小，允許波動(dòng)的儲(chǔ)水量就更少。為了把水位控制平穩(wěn)，在雙沖量水位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入了給水流量信號(hào)，由水位蒸汽流量和給水流量就構(gòu)成了三沖量水位控制系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)里，汽包水位是被控變量，是主沖量信號(hào)，蒸汽流量 給水流量是兩個(gè)輔助沖量信號(hào)。三沖量水位控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，適用于大中型中壓鍋爐。本設(shè)計(jì)中由于小型鍋爐，且對(duì)控制精度要求并不很高，所以綜合考慮選擇雙沖量控制系統(tǒng)。3.5 方案解析圖3.5- 1原理圖從前面的分析、比較，我認(rèn)為雙沖量控制系統(tǒng)最符合設(shè)計(jì)要求。下面討論一種常見的雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng):蒸汽流量前饋與汽包水位反饋所組成的雙沖量系統(tǒng)。圖3.5-1沖量系統(tǒng),汽包水位是被控變量,是主沖量信號(hào),蒸汽流量是輔助沖量信號(hào)。系統(tǒng)將蒸汽流量前饋到汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中去,一旦蒸汽流量發(fā)生波動(dòng), 不是等到影響到水位才進(jìn)行調(diào)節(jié),而是在這個(gè)流量改變之時(shí)就能通過加法器立即去改變調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行校正,故大大提高了水位這個(gè)被調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)精度。在穩(wěn)定狀態(tài)下,水位測量信號(hào)等于給定值,水位調(diào)節(jié)器的輸出,蒸汽流量等三個(gè)信號(hào),通過加法器得到的輸出電流為: I0= K1 I1-K2 I2式中,I1 為液位調(diào)節(jié)器的輸出電流;I2 為蒸汽流量變送器的電流;K1 、K2 分別為加法器各通道的衰減系數(shù)。設(shè)計(jì)K2 I2= K3 I3 此時(shí)I0 正是調(diào)節(jié)閥處于正常開度時(shí)所需要的電流信號(hào)(為了安全調(diào)節(jié)閥必須用氣關(guān)閥) 。假定在某一時(shí)刻,蒸汽負(fù)荷突然增加,蒸汽流量變送器的輸出電流I2 相應(yīng)增加,加法器的輸出電流I0 就減少, 從而開大給水調(diào)節(jié)閥。但是與此同時(shí)出現(xiàn)了假水位現(xiàn)象,水位調(diào)節(jié)器輸出電流I1 將增大。由于進(jìn)入加法器的兩個(gè)信號(hào)相反, 蒸汽流量變送器的輸出電流I2 會(huì)抵消一部分假水位輸出電流I1 , 所以, 假水位所帶來的影響將局部或全部被克服。待假水位過去,水位開始下降,水位調(diào)節(jié)器輸出電流I1 開始減小, 此時(shí), 它與蒸汽流量信號(hào)變化的方向相反, 因此加法器的輸出電流I0 減小, 意味著要求增加給水量, 以適應(yīng)新的負(fù)荷需要并補(bǔ)充水位的不足。調(diào)節(jié)過程進(jìn)行到水面重新穩(wěn)定在給定值, 給水量和蒸發(fā)量達(dá)到新的平衡為止。圖12為三沖量水位調(diào)節(jié)方案圖, 圖3.5-2位調(diào)節(jié)方框圖。（a）圖3.5- 2調(diào)節(jié)方框圖（b） 由上面對(duì)雙沖量系統(tǒng)的一些討論的同時(shí)我們不能忽視其整定的重要性，下面就小論其工程整定問題。在開始預(yù)調(diào)整操作前系統(tǒng)應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)（例如打開電冰箱門、原料加入混合器、冷啟動(dòng)等）將使預(yù)調(diào)整操作產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。第四章 FX2N系列PLC及各模塊簡介4.1 PLC控制可行性分析PLC的諸多優(yōu)點(diǎn)使它在應(yīng)用于工業(yè)過程的各種實(shí)現(xiàn)順序控制設(shè)備中脫穎而出。現(xiàn)將繼電接觸器控制系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)比較如下：如表2.2.2-1。表2.2.2-1 繼電接觸器控制系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)比較項(xiàng)目繼電接觸器控制系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)功能用大量繼電器布線實(shí)現(xiàn)邏輯控制用程序?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜控制，功能最強(qiáng)用程序?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜控制通用性一般是專用要進(jìn)行軟、硬件改造才能做其它用通用性好，適應(yīng)面廣可靠性受機(jī)械觸點(diǎn)壽命限制一般比PLC差平均無故障時(shí)間長抗干擾性能抗一般電磁干擾要專門設(shè)計(jì)抗干擾措施，否則易受干擾影響一般不用考慮抗干擾問題適應(yīng)性環(huán)境差，會(huì)降低可靠性和壽命工作環(huán)境要求高，如機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室、辦公室可適應(yīng)一般工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境接口直接與生產(chǎn)設(shè)備連接要設(shè)計(jì)專門的接口直接與生產(chǎn)設(shè)備連接靈活性改變硬件接線邏輯、工作量大修改程序技術(shù)難度較大修改程序簡單容易工作方式順序控制中斷處理，響應(yīng)最快順序掃描系統(tǒng)開發(fā)圖樣多，安裝接線工作量大，調(diào)試周期長系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，調(diào)試技術(shù)難度大，需要計(jì)算機(jī)知識(shí)設(shè)計(jì)容易、安裝簡單、調(diào)試周期短維護(hù)定期更換繼電器，維修費(fèi)時(shí)技術(shù)難度較高現(xiàn)場檢查，維修方便PLC作為一種工業(yè)控制機(jī)，一直在發(fā)展中，直到目前為止，還未能對(duì)其下最后的定義。國際電工委員會(huì)（IEC，International Electrotechnical Commission ）在對(duì)前兩次頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案修訂基礎(chǔ)上于1987年2月頒發(fā)了第三稿，草案中對(duì)PLC的定義是：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計(jì)的，它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)設(shè)備。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)?！笨傊琍LC是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，是專門為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)，它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但PLC不是針對(duì)某一具體的工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要選用配置，其控制程序則采用PLC自身語言根據(jù)用戶控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC的制造成本不斷下降，而功能卻大大增強(qiáng)。目前，在先進(jìn)的工業(yè)國家中PLC已成為工業(yè)控制的先進(jìn)設(shè)備，應(yīng)用的領(lǐng)域已覆蓋了所有的工業(yè)企業(yè)。PLC已經(jīng)不再只應(yīng)用于開關(guān)量的控制，還可以應(yīng)用于通信、聯(lián)網(wǎng)、集散控制以及模擬量的控制等。 開關(guān)量的邏輯控制。開關(guān)量邏輯控制是工業(yè)控制中應(yīng)用最多的控制，PLC 輸入輸出信號(hào)都是通過通/斷的開關(guān)信號(hào)。對(duì)控制的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)可以不受限制，從十幾個(gè)到成千上萬個(gè)點(diǎn)，可通過擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。在開關(guān)量的控制中，PLC是繼電接觸式系統(tǒng)的替代產(chǎn)品。 模擬量控制。PLC能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模擬量的控制，如果配上閉環(huán)控制（PID）模塊后，可對(duì)溫度、壓力、流量、液面高度等連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行閉環(huán)過程控制，如鍋爐、冷凍機(jī)、反應(yīng)堆、水處理設(shè)備、釀酒裝置等的控制。小型的控制系統(tǒng)也可以使用PLC的內(nèi)部PID指令，應(yīng)用PLC組成的閉環(huán)可以實(shí)現(xiàn)精確的控制。PID控制中，參數(shù)的調(diào)整也非常容易，現(xiàn)場中，可根據(jù)需要隨時(shí)修改參數(shù)，達(dá)到最佳控制。 通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制。 PLC通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊及遠(yuǎn)程I/O模塊，可實(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間的通信、聯(lián)網(wǎng)；實(shí)現(xiàn)PLC分散控制、計(jì)算機(jī)集中管理的集散控制（又稱分布式控制），組成多級(jí)控制系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的控制規(guī)模，甚至可以使整個(gè)工廠實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。例如，日本三菱公司開發(fā)的CC-LINK系列及德國西門子公司開發(fā)的PROFIBUS系列就具有該功能的產(chǎn)品。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，它不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量的邏輯控制，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的控制。在鍋爐給水控制系統(tǒng)中，可以綜合PLC的上述兩種應(yīng)用范圍，用PLC對(duì)開關(guān)量的邏輯控制來實(shí)現(xiàn)給水泵的啟動(dòng)、停止以及故障時(shí)的其他保護(hù)，而用PLC對(duì)模擬量的控制并結(jié)合PLC 內(nèi)部的PID運(yùn)算指令，來實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的控制。綜上，本設(shè)計(jì)中采用PLC，并配合其特殊模塊（模擬量輸入、輸出模塊）來實(shí)現(xiàn)對(duì)給水控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。4.2 FX2N系列PLC FX2N是FX系列中功能最強(qiáng)、速度最高的微型PLC(圖4.2-1)基本指令執(zhí)行時(shí)間高達(dá)0.08us，內(nèi)置的用戶存儲(chǔ)器為8K步，可擴(kuò)展到16K步，最大可擴(kuò)展到256個(gè)I/O點(diǎn)，有多種特殊功能模塊或功能擴(kuò)展板，可以實(shí)現(xiàn)多軸定位控制。機(jī)內(nèi)有實(shí)時(shí)鐘，PID指令用于模擬量閉環(huán)控制。有功能很強(qiáng)的數(shù)學(xué)指令集，例如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、開平方和三角函數(shù)等。每個(gè)FX2N基本單元可以擴(kuò)展8個(gè)特殊單元（見表4.2-1） 圖4.2-1系列PLC 通過通信擴(kuò)展板或特殊適配器可以實(shí)現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)連接，例如CC-Link、AS-i、Profibus、DeviceNet等開放式網(wǎng)絡(luò)通信，RS-232C、RS-422和RS-485通信，N:N鏈接、并行鏈接、計(jì)算機(jī)鏈接和I/O鏈接。FX1N和FX2N系列帶電源的I/O擴(kuò)展單元如表2所示，擴(kuò)展I/O模塊如表3所示。表1 FX2N系列基本單元AC電源，DC24V輸入DC電源，DC24V輸入輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)繼電器輸出晶體管輸出繼電器輸出晶體管輸出FX2N-16MR-001FX2N-16MT_88FX2N-32MR-001FX3N-32MTFX2N-32MR-DFX2N-32MT-D1616FX2N-48MR-001FX2N-58MTFX2N-48MR-DFX2N-48MT-D2424FX2N-64MR-001FX2N-64MTFX2N-64MR-DFX2N-64MT-D3232FX2N-80MR-001FX2N-80MTFX2N-80MR-DFX2N-80MT-D4040FX2N-128MR-001FX2N-128MTFX2N-128MR-DFX2N-128MT-D6464表2 FX1N和FX2N系列帶電源的I/O擴(kuò)展單元AC電源，DC24V輸入DC電源，DC24V輸入輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)可連接的PLC繼電器輸出晶體管輸出繼電器輸出晶體管輸出FX2N-32ERFX2N-32ET1616FX1N和FX2NFX0N-40ERFX0N-40ETFXON-40ER-D2416FX1NFX2N-48ERFX2N-48ET2424FX1N和FX2NFX2N-48ER-DFX2N-48ET-D2424FX2N表3 FX1N和FX2N系列的擴(kuò)展I/O模塊輸入模塊繼電器輸出模塊晶體管輸出模塊輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)FX0N-8ER-44FX0N-8EX-8-FX0N-16EX-16-FX2N-16EX-16-FX0N-8EYRFX0N-8EYT-8-FX0N-16YERFX0N-16EYT-16-FX2N-16YERFX2N-16EYT-16表3中的擴(kuò)展模塊可以用于FX1N、FX2N和FX2NC。此外輸入擴(kuò)展板FX1N-4EX-BD有4點(diǎn)DC24V輸入，輸出擴(kuò)展板FX1N-2EYT-BD有2點(diǎn)晶體管輸出，可以用于FX1S和FX1N。4.3 FX2N-4AD模塊FX2N-4AD（見圖4.2-1）個(gè)通道，可以同時(shí)接受并處理4個(gè)模擬輸入信號(hào)，最大分辨率12位，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量范圍-2048-2047.輸入信號(hào)有三種可選量程：-10-+10V、4-20mA和-20-20mA，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量預(yù)置值分別為-2000-2000、0-1000、和-1000-1000.其正常轉(zhuǎn)換速度15ms|通道，高速轉(zhuǎn)換速度為6ms|通道。模擬量電路和數(shù)字量電路之間用光耦合器隔離。模塊的DC24V電源接在“24+”和“24-”端，通過雙絞線屏蔽 電纜來接收模擬輸入信號(hào)，電纜應(yīng)遠(yuǎn)離電力線和其他可能產(chǎn)生電 圖4.2-1磁感應(yīng)噪聲的導(dǎo)線。直流信號(hào)接在“V+”和“V-”端，電流輸入時(shí)需將V+和V-端短接。將模塊的接地端子盒PLC基本單元的接地端子連接到一起后接地。如果有較強(qiáng)的干擾信號(hào)，應(yīng)將“FG”端接地。如果外部輸入線路上有電壓紋波或電磁感應(yīng)噪聲，可以在電壓輸入端接一個(gè)0.1-0.47u|25V的小電容。讀取模擬輸入模塊方法 1.特殊功能模塊的讀寫指令FROM是FX系列的讀特殊功能模塊指令，TO是寫特殊功能模塊指令如圖4.2-2圖中X3為ON是，將編號(hào)為（0-7）的特殊功能模塊內(nèi)編號(hào)為m2（0-32767）開始的 n個(gè)緩沖寄存器（BFM)的數(shù)據(jù)讀入PLC,并存入D開始的n個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中。圖4.2-2讀寫指令特殊功能模塊的讀/寫指令接在FX系列PLC基本單元右邊擴(kuò)展總線上的功能模塊，從緊靠基本單元的那個(gè)開始，其編號(hào)依次為0-7.n是帶傳送數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)，n=1-32（16為操作）或1-16（32為操作）圖中X0為ON時(shí)，將PLC基本單元中從S指定的元件開始的n個(gè)字的數(shù)據(jù)寫到編號(hào)為m1的特殊功能模塊中編號(hào)m2開始的n個(gè)緩沖寄存器中。平均值濾波由于模擬量輸入模塊的裝換速度高，可能采集到緩慢變換的模擬量信號(hào)中的干擾噪聲，這些噪聲往往以窄脈沖的方式出現(xiàn)。為了減輕噪聲信號(hào)的影響，可以對(duì)連續(xù)若干次采集到的平均值（即平均值濾波），用平均值來代替當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)。PLC的模擬量輸入模塊一般都有平均值濾波的功能。去平均值會(huì)降低PLC對(duì)外部輸入信號(hào)的響應(yīng)速度。例如FX2N-4AD在高速轉(zhuǎn)換方式時(shí)每一通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為6ms，4通道為24ms。設(shè)平均值濾波的周期為8，從模塊中讀取的平均值實(shí)際上是前8次（即前192ms內(nèi)）輸出的平均值。在使用PID指令對(duì)模擬量進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)，如果平均值的次數(shù)設(shè)置過大，將使模擬量輸入模塊的反應(yīng)遲緩，會(huì)影響到閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，給閉環(huán)控制帶來困難。模擬量輸入模塊數(shù)據(jù)讀出 FX2N-4AD模擬量輸入模塊有4個(gè)輸入通道，其緩存寄存器功能如下：BFM #0中的4為16進(jìn)制數(shù)用來設(shè)置通道1-通道4的量程，最低位對(duì)應(yīng)于通道1.每一位16進(jìn)制數(shù)分別為0-2時(shí)，對(duì)應(yīng)通道的量程分別為DC-10V-+10V、4-20mA和-20-+20mA，為3時(shí)關(guān)閉通道。BFM #1-4分別是通道1-4求轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)平均值時(shí)的采樣周期（1-4096），默認(rèn)值為8.如果取1為高速運(yùn)行（未取平均值）BFM #5-8分別是通道1-4的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的平均值。BFM 9-12分別是通道1-4的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的當(dāng)前值。BFM #15為0時(shí)為正常轉(zhuǎn)換速度（15ms|通道），為1時(shí)為高速轉(zhuǎn)換（6ms|通道）。BFM #20被設(shè)置為1時(shí)模塊被激活，模塊內(nèi)的設(shè)置值被復(fù)位為其默認(rèn)值。用它可以快速消除不希望的增益和偏置值，BFM #20的默認(rèn)值為0.BFM #29為錯(cuò)誤狀態(tài)信息。當(dāng)b0=1時(shí)有錯(cuò)誤；b1=1時(shí)存在偏置或增益錯(cuò)誤；b2=1時(shí)存在電源故障；b3=1時(shí)存在硬件錯(cuò)誤；b10=1時(shí)數(shù)字輸出值超出范圍；b11=1時(shí)平均值濾波的周期數(shù)超出允許范圍（1-4096）；以上各位為0時(shí)表示正常，其余各位沒有定義。BFM #21的（b1、b0）設(shè)為（1、0）時(shí)，禁止調(diào)節(jié)偏移量和增益，此時(shí)BFM #29的b12=1.BFM #21的（b1、b0）設(shè)為（0、1）時(shí)，允許調(diào)節(jié)偏移量和增益，此時(shí)BFM #29的b12=0.BFM #30存儲(chǔ)FX2N-4AD模塊的標(biāo)識(shí)碼（即K2010)?？梢杂肍ROM指令讀出。 模擬量輸入模塊校準(zhǔn)有的PLC采用硬件校準(zhǔn)發(fā)，有的PLC采用軟件校準(zhǔn)法。校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備高精度的測量儀表和穩(wěn)定的輸入信號(hào)源，平均值濾波的采樣次數(shù)應(yīng)取較大的值。FX2N-4AD模擬量輸入模塊用程序代替電位器來校準(zhǔn)偏移量和增益。它定義通道的數(shù)字量輸出為零時(shí)模擬量的值為偏移量，通道的數(shù)字量輸出為1000時(shí)對(duì)應(yīng)的模擬輸入量為增益值。BFM #23和BFM #24分別用于存放指定通道的偏移量和增益，電壓輸入的單位為mV，電流輸入的單位為mA，默認(rèn)值分別為0和5000.BFM #21的最低兩位二進(jìn)制數(shù)為01時(shí)，允許調(diào)節(jié)增益和偏移量，為二進(jìn)制10時(shí)，進(jìn)制調(diào)節(jié)增益和偏移量。BFM #22的低8位用于1-4好通道的偏移量和增益調(diào)節(jié)，例如最低兩位二進(jìn)制數(shù)11（十進(jìn)制數(shù)3）時(shí)，允許調(diào)節(jié)1號(hào)通道的增益和偏移量。各通道的增益和偏移量可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)；也可以一起調(diào)節(jié)，使他們具有相同的增益和偏移量。由于分辨率單位的原因，實(shí)際可以影響的調(diào)節(jié)單位為5mV或20uA。偏移量的設(shè)置范圍為DC-5-+5V或-20-+20mA，增益的設(shè)置范圍為1V-15V或4-32mA。模擬量輸入模塊性能如下表：項(xiàng)目輸入電壓輸出電流模擬量輸入范圍-10V-10V直流（輸入電阻200K）絕對(duì)最大量程：土直流（輸入電阻）絕對(duì)最大量程：土數(shù)字輸出位轉(zhuǎn)換、位補(bǔ)碼的形式存儲(chǔ)。最大值；最小值：分辨率（缺省范圍）（缺省范圍）總體精度土（范圍）土（范圍）轉(zhuǎn)換速度通道（標(biāo)準(zhǔn)速度）；通道（高速）隔離在模擬和數(shù)字之間是光電隔離；直流直流變壓器隔離主單元電源；模擬通道之間沒有隔離電源規(guī)格、直流（主單元提供內(nèi)部電源）土、直流占用的I|O點(diǎn)數(shù)這個(gè)模塊占用個(gè)輸入或輸出點(diǎn)數(shù)使用的控制器尺寸質(zhì)量4.4 FX2N-2DA模塊FX2N-2AD模塊將12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量電壓或電流輸出。它有2個(gè)模擬輸出通道，3種輸出量程：DC0-10V、0-5V和4-20mA，D|A轉(zhuǎn)換時(shí)間為4ms|通道。模擬輸出端通過雙絞線屏蔽電纜與負(fù)載相連。使用電壓輸出時(shí)，負(fù)載的一段接在“VOUT”端，另一端接在短接后的“IOUT”和“COM”端。電流型負(fù)載接在“IOUT”和“COM”端。圖4.3- 1模擬量與數(shù)字量對(duì)應(yīng)關(guān)系模擬量與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4.3-1FX2N-2DA模塊在出廠時(shí)，調(diào)整為輸入數(shù)字值0-4000對(duì)應(yīng)于電壓0-10V。若用于電流輸出，則需使用FX2N-2DA上的調(diào)節(jié)電位器對(duì)偏置值和增益值重新進(jìn)行整定，電位器向順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，數(shù)字值增加。增益可以設(shè)為任意值，為了充分利用12位的數(shù)字值，建議輸入數(shù)字范圍0-4000.例如4-20mA電流輸出時(shí)，調(diào)節(jié)20mA模擬輸出量對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸入值為4000電壓輸出時(shí)，其偏置值為0；電流輸出時(shí)，4mA模擬輸出量對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸入值為0.FX2N-2DA模塊共有32個(gè)緩沖存儲(chǔ)器（BFM）,但是只用了下面兩個(gè)：BFM #16的低8位（b7-b0）用于寫入輸出數(shù)據(jù)的當(dāng)前值，高8位保留。（2）BFM #17的b0位從“1”變?yōu)椤?”時(shí)，通道2的D|A轉(zhuǎn)換開始；b1位從“1”變?yōu)椤?”時(shí)，通道1的D|A轉(zhuǎn)換開始；b2位從“1”變?yōu)椤?”時(shí)，D|A轉(zhuǎn)換的地8位數(shù)據(jù)被鎖存，其余各位沒有意義。模塊與主機(jī)接線如下圖（4.3-2）圖4.3-2模塊接線圖第五章 PID算法的實(shí)現(xiàn)5.1 PID介紹PID（Proportional Integral Derivative）是工業(yè)控制常用的控制算法，無論在溫度、流量等慢變化過程，還是速度、位置等快變化的過程，都可得到很好的控制效果。PID控制算法一般指比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)，但是實(shí)際編程時(shí)可以只使用比例項(xiàng)，或使用比例項(xiàng)+積分項(xiàng)，或者比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)三項(xiàng)都用。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 （1）比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 （2）積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 （3）微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性5.2 PID控制器的優(yōu)點(diǎn)PID時(shí)比例、微分、積分的縮寫，PID控制器時(shí)應(yīng)用最廣的閉環(huán)控制器，有人估計(jì)現(xiàn)在有90%以上的閉環(huán)控制采用控制器。這是因?yàn)榭刂凭哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型自動(dòng)控制理論中的分析和設(shè)計(jì)方法基本上是建立在被控對(duì)象的線性定常數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。該模型忽略了實(shí)際系統(tǒng)中的非線性和時(shí)變的因素，與實(shí)際系統(tǒng)有較大的差距。對(duì)于許多工業(yè)控制對(duì)象，根本就無法建立較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此自動(dòng)控制理論中的設(shè)計(jì)方法對(duì)大多數(shù)實(shí)際系統(tǒng)是無能為力的。對(duì)于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以得到比較滿意的效果。結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)PID控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計(jì)簡單，計(jì)算工作量較小，各參數(shù)相互獨(dú)立，有明確的物理意義，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路控制、串級(jí)控制等復(fù)雜控制。有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性根據(jù)被控對(duì)象的具體情況，可以采用PID控制器的多種變種和改進(jìn)的控制方式，例如PI、PD、帶死區(qū)的PID、積分分離式PID和變速積分PID等，但比例控制一般是必不可少的。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)PID控制器的參數(shù)自整定，使PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。使用方便由于用途廣泛、使用靈活，已有多種控制產(chǎn)品具有PID控制功能，使用中只需設(shè)定一些比較容易整定的參數(shù)即可，有的產(chǎn)品還具有參數(shù)自整定功能。5.3 FX系列PLC的PID指令PID回路運(yùn)算指令的應(yīng)用指令編號(hào)為FNC88，如圖5.3-1。源操作數(shù)S1、S2、S3和目標(biāo)操作數(shù)均為D，16位運(yùn)算占9個(gè)程序步。S1和S2分別用來存放給定值SV和當(dāng)前測量到的反饋值PV，S3-S3+6用來存放控