畢業(yè)設計（論文）基于PLC的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計

1、山東科技大學學士學位論文 摘要 摘摘 要要 汽包水位是影響鍋爐安全運行的一個重要參數(shù)，汽包水位過高或者過 低的后果都非常嚴重，因此對汽包水位必須進行嚴格控制。plc 技術的快 速發(fā)展使得 plc 廣泛應用于過程控制領域并極大地提高了控制系統(tǒng)性能， plc 已經成為當今自動控制領域不可缺少的重要設備。 本文從分析影響汽包水位的各種因素出發(fā)，重點分析了鍋爐汽包水位 的“假水位現(xiàn)象” ，提出了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的三沖量控制方案。按 照工程整定的方法進行了 pid 參數(shù)整定，并進行了仿真研究。根據控制要 求和所設計的控制方案進行硬件選型以及系統(tǒng)的硬件設計，利用 plc 編程 實現(xiàn)控制算法進行系統(tǒng)的軟

2、件設計，最終完成 plc 在鍋爐汽包水位控制系 統(tǒng)中應用。 關鍵詞：關鍵詞：汽包水位 三沖量控制 plc pid 控制 山東科技大學學士學位論文 abstract abstract 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 it must be strictly to be c

3、ontrolled. with the rapid development of plc technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. plc has already become the essential important equipment in automatic control domain. based on the analysis of all kinds of facto

4、rs which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. pid parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. according to the needs

5、of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. finally the application of plc in boiler steam drum water control system is completed. key words: steam drum water level three impulses control plc pid control 山東科

6、技大學學士學位論文 目錄 目目 錄錄 1 緒 論 .1 1.1 汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.2 本設計的主要工作.2 2 控制方案設計 .4 2.1 汽包水位的影響因素.4 2.2 汽包水位的控制方案設計.7 3 硬件選型 .13 3.1 水位傳感器選型.13 3.2 流量傳感器的選型.14 3.3 電機的選型.16 3.4 變頻器的選型.17 3.5 接觸器的選型.17 3.6 熔斷器的選型.18 3.7 功率三極管的選型.18 3.8 plc 及相關模塊的選型.19 3.9 硬件工作原理.22 4 硬件設計 .25 4.1 系統(tǒng)總體線路設計.25 山東科技大學學士學位論文 目錄 4

7、.2 控制線路設計.28 5 控制算法及參數(shù)整定 .30 5.1 pid 算法簡介.30 5.2 三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定.31 6 軟件設計 .39 6.1 程序流程設計.39 6.2 devicenet 網絡組態(tài) .41 6.3 rslogix5000 程序設計.44 7 監(jiān)控界面設計 .50 8 結束語 .53 參考文獻 .55 致 謝 .56 附 錄 .57 山東科技大學學士學位論文 緒論 1 1 緒緒 論論 1.1 汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 蒸汽鍋爐是企業(yè)重要的動力設備，其任務是供給合格穩(wěn)定的蒸汽產品， 以滿足負荷的需要。鍋爐是一個十分復雜的控制對象，為保證

8、提供合格的 蒸汽產品以適應負荷的需要，與其配套設計的控制系統(tǒng)必須滿足各主要工 藝參數(shù)的需要。保持鍋爐汽包水位在正常范圍內是鍋爐運行的一項重要的 安全性能指標，由于負荷、燃燒狀況及給水流量等因素的變化，汽包水位 會經常發(fā)生變化1。因此鍋爐汽包水位應當根據設備的運行狀況進行實時 調節(jié)加以嚴格控制以保證鍋爐的安全運行。 工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持 動態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內，是保證鍋爐安全生產運行 的必要條件，鍋爐汽包水位也是鍋爐運行中一個重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接 地體現(xiàn)了鍋爐負荷和給水之間的平衡關系。 傳統(tǒng)的控制方法是以各種分立器件的應用為基礎，利用各

9、種檢測器件 對被控參數(shù)實時進行檢測并反饋給控制器件，再根據自動控制理論的有關 算法完成相應的運算并驅動調節(jié)機構完成相應的動作，從而達到自動控制 的目的。但是這種控制方式受分立器件的性能影響大，系統(tǒng)各部分之間影 響較大，自動化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易出現(xiàn)故障， 不利于系統(tǒng)的長期安全、高效運行?，F(xiàn)在廣泛使用的控制技術還有 dcs 集散控制系統(tǒng)2，但由于 dcs 系統(tǒng)適合有多個控制回路同時工作的復雜系 統(tǒng)，而且集散控制系統(tǒng)往往價格昂貴，對于像汽包水位這樣的控制系統(tǒng)來 說性價比太高，因此對于汽包水位控制系統(tǒng)來說并非理想的選擇。 山東科技大學學士學位論文 緒論 2 plc 是 70 年代

10、發(fā)展起來的中大規(guī)模的控制器，是集 cpu、ram、rom、i/o 接口與中斷系統(tǒng)于一體的器件3，已經被廣泛應 用于機械制造、冶金、化工、能源、交通等各種行業(yè)。隨著計算機在操作 系統(tǒng)、應用軟件、通信能力上的飛速發(fā)展，大大增強了 plc 通信能力，豐 富了 plc 編程軟件和編程技巧，增強了 plc 過程控制能力。因此，無論 是單機還是多機控制、生產流水線控制及過程控制都可以采用 plc 技術。 plc 控制鍋爐技術是近年來開發(fā)的一項新技術。它是 plc 軟、硬件、自 動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術緊密結合的產物。作為鍋爐控制裝置，其主 要任務是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經濟運行，減輕操作人員的勞動強度。

11、 采用 plc 控制技術，能實現(xiàn)對鍋爐運行過程的自動檢測、自動控制等 多項功能。它的被控量是汽包水位，而調節(jié)量則是汽包給水流量，通過對 汽包水位的實時檢測并進行反饋，plc 對反饋信號和給定信號進行比較， 然后根據控制算法對二者的偏差進行相應的運算，運算結果輸出給執(zhí)行機 構從而實現(xiàn)給水流量的調節(jié)，使汽包內部的物料達到動態(tài)平衡，汽包水位 變化在允許范圍之內。 1.2 本設計的主要工作本設計的主要工作 本次設計的主要工作有： （1） 設計鍋爐汽包水位控制方案 從鍋爐汽包水位的動態(tài)性能入手，分析影響鍋爐汽包水位的主要因素， 并對這些因素對鍋爐汽包水位動態(tài)性能的影響進行理論研究。在此基礎之 上，根據各

12、個因素對鍋爐汽包水位的影響采用汽包水位三沖量方案，達到 控制鍋爐汽包水位穩(wěn)定的目的。 山東科技大學學士學位論文 緒論 3 （2） 硬件設備的選型與設計 根據所設計的控制方案合理地選擇檢測元件、執(zhí)行機構和控制設備以 及其它必要設備，并在此基礎之上根據控制方案合理地進行硬件設計，完 成各種設備之間的接線與配置，并進行設備的安裝調試。為整個系統(tǒng)的實 現(xiàn)以及穩(wěn)定、可靠運行打下基礎。 （3） 控制算法的參數(shù)整定 根據被控對象的特點以及它的靜態(tài)、動態(tài)特性按照工程整定的方法進 行控制器的參數(shù)整定，設計調節(jié)器的各個參數(shù)。在此基礎之上對整定結果 進行仿真，并對整定結果進行進一步調整判斷其可行性，為后續(xù)的軟件設

13、計工作打下基礎。 （4）plc 程序和監(jiān)控界面設計 根據參數(shù)整定和仿真的結果利用相關軟件進行 plc 梯形圖程序設計， 最終實現(xiàn)控制算法。同時利用組態(tài)軟件進行監(jiān)控界面的設計，實現(xiàn)通過上 位機對整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控功能，使之能夠動態(tài)顯示系統(tǒng)的運行 狀況，并可以通過監(jiān)控界面對系統(tǒng)進行相關操作。 山東科技大學學士學位論文 控制方案設計 4 2 控制方案設計控制方案設計 鍋爐是重要的動力設備，其任務是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負荷 的需要。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，如果水位過高，會破 壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，增加在管壁上 的結垢和影響蒸汽質量。如果水位過低

14、，則會破壞水循環(huán)，引起水冷壁管 的破裂，嚴重時會造成干鍋，損壞汽包。所以鍋爐汽包水位過高過低都可 能造成重大事故。在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控量是汽包水位，而調節(jié) 量則是給水流量，通過對給水流量的調節(jié), 使汽包內部的物料達到動態(tài)平 衡狀態(tài)，從而使汽包水位的變化在允許范圍之內，保證鍋爐的安全運行， 生產出合格穩(wěn)定的高質量蒸汽，以滿足負荷的需要。 2.1 汽包水位的影響因素汽包水位的影響因素 首先應該從分析汽包水位的動態(tài)特性入手。鍋爐給水調節(jié)對象如圖 2.1 所示。給水調節(jié)機構為變頻器調節(jié)給水量 w，汽輪機耗汽量 d 是由汽 輪機閥門開度來控制的。 省煤器 過熱器 水冷壁 汽 包 變 頻 器 圖

15、2.1 鍋爐給水調節(jié)對象 山東科技大學學士學位論文 控制方案設計 5 初看起來，汽包水位的動態(tài)特性似乎和單容水槽一樣，給水量和蒸汽 流量影響汽包水位的高低4。但實際情況并非如此，最突出的一點就是水 循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾雜著大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的體積 v 是隨著汽 包壓力和爐膛熱負荷的變化而變化的。如果有某種原因使汽泡的總體積變 化了，即使水循環(huán)系統(tǒng)的總水量沒有發(fā)生變化，汽包水位也會因此隨之發(fā) 生改變從而影響水位的穩(wěn)定。 影響汽包水位 h 的主要因素有給水量 w，汽輪機耗汽量 d 和燃料量 b 三個主要因素。 （1）給水擾動的影響 如果把汽包及其水循環(huán)系統(tǒng)看作一個單容水槽，那么水位的給水階躍

16、 擾動響應曲線應該為圖 2.2 所示的曲線 h1所示。但考慮到給水的溫度低于 汽包內飽和的水溫度，當它進入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱 量使得鍋爐內部的蒸汽產量下降，水面以下的汽泡的總體積 v 也就會相應 的減小，從而導致水位下降如圖 2.2 所示的曲線 h2所示。水位的實際響應 曲線應是曲線 h1和 h2之和，如圖 2.2 所示的曲線 h 所示。從圖中可以看 出該響應過程有一段延遲時間。即它是一個具有延遲時間的積分環(huán)節(jié)，水 的過冷度越大則響應延遲時間就會越長。其傳遞函數(shù)可以近似表示為： (2.1) 1 1s (1) g ss 式 2.1 中表示汽包水位的飛升速度，表示延遲時間。 1

17、山東科技大學學士學位論文 控制方案設計 6 t hh1 h h2 圖 2.2 給水擾動響應曲線 （2）汽輪機耗汽量擾動的影響 當汽輪機耗汽量 d 突然做階躍增加時，一方面改變了汽包內的物質平 衡狀態(tài)，使汽包內液體蒸發(fā)量變大從而使水位下降，如圖 2.3 所示的曲線 h1所示，另一方面由于汽輪機耗汽量 d 的突然增加，將迫使鍋爐內汽泡 增多，同時由于燃料量維持不變，汽包壓力下降，會導致水面以下蒸汽泡 膨脹，總體積 v 增大，從而導致汽包水位上升，如圖 2.3 所示曲線 h2所 示。水位的實際響應曲線應該是曲線 h1和 h2之和，如圖 2.3 所示曲線 h 所示。對于大中型鍋爐來說，后者的影響要大于

18、前者，因此負荷做階躍增 加后的一段時間內會出現(xiàn)水位不但沒有下降反而明顯升高的現(xiàn)象，這種反 ?，F(xiàn)象通常被稱為“假水位現(xiàn)象” ?？梢哉J為這是一個慣性加積分環(huán)節(jié)， 其傳遞函數(shù)可以近似的表示為： (2.2) 2 0 2 1 ( ) k st s gs 式 2.2 中表示汽包水位對于蒸汽流量的飛升速度，表示“假水位現(xiàn)象” 1 0 t 的延遲時間。 山東科技大學學士學位論文 控制方案設計 7 t h h1 h h2 圖 2.3 汽輪機耗汽量擾動響應曲線 （3）燃料量擾動的影響 燃料量的擾動必然也會引起蒸汽流量 d 的變化，因此也同樣會有 “假水位現(xiàn)象”發(fā)生。但由于汽包水循環(huán)系統(tǒng)中有大量的水，汽包和水 冷壁

19、管道也會存儲大量的熱量，因此具有一定的熱慣性。燃料量的增大 只能使蒸汽量緩慢增大，而且同時汽壓也會緩慢上升，它將使汽泡體積 減小，因此燃料量擾動下的“假水位現(xiàn)象”比負荷擾動下要緩和的多。 由以上分析可知道給水量擾動下的水位響應有遲滯性，負荷擾動下的 水位響應有“假水位現(xiàn)象” 。這些特性使得汽包水位的變化受到多種因素 影響，因而對它的控制變得比較復雜和困難。 2.2 汽包水位的控制方案設計汽包水位的控制方案設計 從反饋的思想出發(fā)很容易想到以汽包水位信號作為反饋量，給水流 量作為被控量，構成單回路反饋控制系統(tǒng)，即水位單沖量控制系統(tǒng)。如 圖 2.4 所示，這是一個基本的控制方案其方框圖如圖 2.5

20、所示。對于小容 量鍋爐來說由于它的儲水容量較大， 山東科技大學學士學位論文 控制方案設計 8 水面以下的汽泡體積并不占有非常大的比重，因此水容積延遲和假水位 現(xiàn)象并不是非常明顯，因此可以采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)來控制汽 包水位。但對于大中型鍋爐來說這種控制方案就不能滿足控制要求，因 為汽輪機蒸汽量的負荷擾動引起的假水位現(xiàn)象將引起給水調節(jié)機構的誤 動作，導致汽包水位激烈的上下振蕩而不穩(wěn)定，嚴重的影響設備的運行 壽命和安全，所以大中型鍋爐不宜僅僅只采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)， 必須尋找其他的解決辦法來控制汽包水位。 省煤器 過熱器 水冷壁 汽 包 變 頻 器 hthc 圖 2.4 汽包水位單沖量

21、控制系統(tǒng) 給水流量調 節(jié)器 變頻器 液位變送器 汽包 給水流量 - + 圖 2.5 汽包水位單沖量控制系統(tǒng)框圖 如果從物質平衡的角度出發(fā)，只要能夠保證給水量永遠等于蒸汽蒸發(fā) 量就可以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖 2.6 所示的蒸汽流量隨 山東科技大學學士學位論文 控制方案設計 9 動控制系統(tǒng)，其中流量調節(jié)器采用 pi 調節(jié)器，使汽輪機的蒸汽量作為系 統(tǒng)的給定使給水流量跟蹤蒸汽流量的變化，構成了一個以蒸汽量作為給定 的隨動系統(tǒng)從而保證汽包水位的恒定。該方案的結構框圖如圖 2.7 所示。 省煤器 過熱器 水冷壁 汽 包 變 頻 器 hthc ft 圖 2.6 蒸汽流量隨動控制系統(tǒng) 給水流量

22、 調節(jié)器 變頻器 液位變送 器 汽包 給水流量 - + 蒸汽量變 送器 - 圖 2.7 蒸汽流量隨動控制系統(tǒng)框圖 采用該方案的優(yōu)點是系統(tǒng)完全根據物質平衡條件工作，給水量的大小 只取決于汽輪機的耗汽量，假水位現(xiàn)象不會引起給水調節(jié)機構的誤動作。 但是這個系統(tǒng)對于汽包水位來說只是開環(huán)控制系統(tǒng)。由于給水量和蒸汽量 的測量不準確以及鍋爐系統(tǒng)引入的其他擾動使得給水量和蒸汽量并非準確 的比值關系而保持水位恒定。由于水位對于二者的偏差是積分關系，微小 的偏差長時間積累也會形成很大的水位差，因此不宜采用隨動控制系統(tǒng)。 山東科技大學學士學位論文 控制方案設計 10 如果把以上所述兩種方案結合起來，就構成了汽包水位

23、雙沖量控制系 統(tǒng)如圖 2.8 所示，其結構框圖如圖 2.9 所示。雙沖量指的是同時引入兩個 測量信號：汽包水位和蒸汽流量。這個系統(tǒng)對以上所分析的兩種方案取長 補短，可以極大的提高汽包水位的控制質量。當汽輪機耗汽量出現(xiàn)階躍增 大時，一方面由于“假水位現(xiàn)象”汽包水位會暫時有所升高，將使調節(jié)機 構做出誤動作錯誤的減少給水量；另一方面汽輪機耗汽量的增大又通過比 值控制系統(tǒng)指揮調節(jié)機構增大給水量，實際給水量的增減情況要根據實際 情況通過參數(shù)整定來確定。當假水位現(xiàn)象消失后水位和蒸汽信號都能正確 的指揮調節(jié)機構動作。只要參數(shù)整定合適，給水量必然等于蒸汽量從而保 證水位恒定。 省煤器 過熱器 水冷壁 汽 包

24、變 頻 器 fc hthc ftfc 圖 2.8 汽包水位雙沖量控制系統(tǒng) 山東科技大學學士學位論文 控制方案設計 11 給水流量 調節(jié)器 變頻器 液位變送 器 汽包 變送器 給水流量 液位 蒸汽 流量 + - + + 液位流量 調節(jié)器 液位給定 前饋調 節(jié)器 圖 2.9 汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)框圖 此外考慮到給水流量的變化可以通過串級控制的方法讓給水量的擾動 通過內回路自行調節(jié)，設計如圖 2.10 所示的三沖量控制系統(tǒng)，其結構框圖 如圖 2.11 所示。即前饋反饋串級復合控制系統(tǒng)。該三沖量控制系統(tǒng)包 含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個控制回路以及一個蒸汽流量 前饋通道，實質上是蒸汽流量前

25、饋與水位流量串級系統(tǒng)組成的復合控制 系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的主參數(shù)是汽包水位，副參數(shù)是給水流量，主調節(jié)器 是給水流量調節(jié)器，副調節(jié)器是液位調節(jié)器。一方面可以克服給水擾動， 使給水流量自行調節(jié)，另一方面可以有效地抑制“假水位現(xiàn)象” 。當蒸汽 流量發(fā)生變化時，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的給水流量控制回路可迅速改 變進水量的大小以完成粗調，然后再由汽包水位調節(jié)器完成水位的細調維 持汽包水位的穩(wěn)定。 山東科技大學學士學位論文 控制方案設計 12 省煤器 過熱器 水冷壁 汽 包 變 頻 器 ftfc hthc ftfc 圖 2.10 汽包水位三沖量控制系統(tǒng) 給水流量 調節(jié)器 變頻器 給水流量 變送器 液位變送

26、器 汽包 變送器 給水 流量 液位 蒸汽 流量 - + - + + 液位流量 調節(jié)器 液位給定 前饋調 節(jié)器 管道 圖 2.11 汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 13 3 硬件選型硬件選型 3.1 水位傳感器選型水位傳感器選型 由于該設計的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個控制系統(tǒng)的基礎是對水位 的準確測量，因此水位能否準確測量直接關系到控制質量的優(yōu)劣。合理的 選擇水位傳感器在水位控制系統(tǒng)的設計中有關鍵作用。根據原始資料可以 知道汽包水位應該控制在 30010 mm，根據過程控制儀表量程選擇原則： 儀表量程應該為被測量參數(shù)的 4/33/2 倍。因此所選傳感器的最大量程為

27、: 400450 mm。而且汽包水位應該控制在 30010 mm，因此所選水位傳感 器的精度應該高于 10/450=2.2%fs，因此選擇該測量精度才可以滿足要求。 佛山市順德區(qū)拓樸電子儀器有限公司生產的 ptp601 投入式水位傳感 器可以滿足控制要求，該系列儀表采用擴散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體。 316 全不銹鋼結構有多種量程可供選擇，選擇測量圍為：100500mm，測 量精度在 1%fs 的型號可以滿足控制要求。該型號的傳感器主要技術參數(shù) 如下： 量程： 100500mm(水位高/深度) 綜合精度: 1.0%fs 輸出信號: 420ma(二線制)、05v、15v、010v(三線制) 供電

28、電壓: 24dcv(936dcv) 負載電阻: 電流輸出型：最大 800；電壓輸出型：大于 50k 絕緣電阻: 大于 2000m (100vdc ) 密封等級: ip68 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 14 長期穩(wěn)定性能: 0.1%fs/年 振動影響: 在機械振動頻率 20hz1000hz 內，輸出變化小于 0.1%fs 電氣接口(信號接口): 緊線防水螺母與五芯通汽電纜連接 機械連接(螺紋接口): 投入式 使用時可以采用 24v 直流電源為水位傳感器供電保證其正常工作，將 15v 電壓信號作為反饋量引入 plc 模擬量輸入端口進行控制運算。 3.2 流量傳感器的選型流量傳感器的選型 根

29、據控制方案我們可以知道流量傳感器用于測量給水流量和蒸汽流量， 這兩個信號可以有效地改善控制質量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有 效的改善整個系統(tǒng)的控制質量。根據原始資料可以知道我們所要控制的是 35t/h 鍋爐的汽包水位，即該鍋爐正常工作時每小時蒸發(fā) 35t 蒸汽也就是有 35t 水被蒸發(fā)成為蒸汽。由原始資料可以做如下估算水位穩(wěn)定時供水量為： 35 m3/h 。上海正博自動化儀表有限公司生產的 lugb-99 型渦街流量計是 一種基于卡門渦街原理流體振動式新型流量計，它具有測量范圍廣、壓損 小、性能穩(wěn)定、準確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于封閉工業(yè) 管道中液體、汽體和蒸汽介質體積和質量流

30、量的測量。 該流量計的技術參數(shù)如下： （1）測量介質：蒸汽、汽體、液體 （2）傳感器的感應元件不直接與被測介質接觸，性能穩(wěn)定、可靠性高 （3）傳感器內無可動部件，結構簡單而牢固，壓損小、維擴量小、使 用壽命長 （4）范圍度寬達 10：115：1 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 15 （5）測量范圍：正常工作范圍，雷諾數(shù)為 20，0007，000，000； 輸出信號不受液體溫度、壓力、粘度及組份影響。測量可能范圍， 雷諾數(shù) 8，0007，000000 （6）精度等級：液體，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5% （7）輸出信號：a.電壓脈沖低電平：0-1v；高電平：大于 4v； 占空比為

31、50% b.電流: 420ma(三線制) （8）電源電壓： 24dcv （9）殼體材料：碳鋼；不銹鋼(1cr18ni9ti) （10）規(guī)格：(管道內徑) 20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于 dn300 口徑為插入式) （11）工作狀況下流量范圍(單位：m3/h)，見表 3.1 表 3.1 工作狀況下流量范圍 dn(mm)液體汽體蒸汽 200.8-105-408-80 251-127.2-6010-120 321.5-2012-10015-200 402-3018-15020-300 503-5030-30030-450 656-8050-4

32、2060-800 8010-13070-600100-1300 10020-200120-1000200-2000 12530-300180-1500300-3000 15045-450240-2000450-4500 20090-900480-4000900-9000 250120-1200700-80001200-12000 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 16 300180-2000900-100001600-16000 根據過程控制儀表量程選擇原則儀表量程應該為被測量參數(shù)的 4/33/2 倍，流量計應當能夠檢測的最大流量為：46.552 m3/h，因此汽 包送水管道直徑選用 50

33、mm 并用 lugb-99 型渦街流量計檢測流量可以檢 測的流量范圍是 350 m3/h，可以滿足設計要求進行檢測汽包給水流量信 號。 由于 lugb-99 型渦街流量計既可用于液體流量檢測也可用于蒸汽流 量檢測，因此我們還可以選擇該流量計作為汽包負荷蒸汽流量的檢測傳感 器。正常工作時汽包蒸汽壓力大約是 0.5mp，由蒸汽密度表可以查到蒸汽 密度大約是 2700kg/ m3，根據過程控制選擇儀表量程原則儀表量程應該為 被測量參數(shù)的 4/33/2 倍，流量計應當能夠檢測的最大流量為： 17.219.2 m3/h 因此汽包蒸汽管道直徑選用 20 mm，并用 lugb-99 型渦 街流量計檢測流量可

34、以檢測的流量范圍是 880 m3/h，可以滿足設計要求 進行檢測蒸汽流量信號。 3.3 電機的選型電機的選型 電機是鍋爐汽包供水的動力設備，電機的準確選型關系到汽包能否準 確供水進而影響到汽包水位的穩(wěn)定我們所控制的鍋爐蒸發(fā)量為：35t/h，汽 包壓力 0.5mp，管道直徑 50mm 因此可以對正常工作時電機的功率作如下 估算： (3.1) 22 3500010/500000 3.14 2.5 95 360010000 w kgm s pk s 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 17 由計算結果可以知道選用功率為 100kw 的三相異步電動機完全可以滿足 工作要求，由于使用變頻調速不必選用繞線

35、型異步電動機，選用鼠籠型電 機就可以滿足要求。濟南華力貝爾機電設備有限公司生產的 yjtg 三相變 頻調速電機專門為變頻調速設計可以根據技術要求訂貨設定其額定電壓為 380v 額定功率為 100kw。 3.4 變頻器的選型變頻器的選型 變頻器是電機的供能設備，合理選擇變頻器關系到電機能否正常工作 為汽包供水。由電機的選型可以知道電機在 50hz 三相交流電下工作時電 機的功率大約是 100kw，當三相交流電動機在基頻以下工作時為恒轉矩輸 出工作，而此時電機的轉速會小于額定轉速，因此電機的輸出功率也會小 于額定功率，同時由于電機的轉矩保持不變，其工作電流同在 50hz 三相 交流電下工作時電流基

36、本一致。 根據以上的分析選我們可以選擇羅克韋爾公司的 1336plusii 系列 1336f-b150 型號的變頻器。給變頻器可以輸入 380v-480v 50/60hz 三相交 流電，輸出 380-480v 三相交流電并通過控制信號控制其輸出頻率，其容 量是 149kw，可以滿足設備功率要求。該型號變頻器具有豐富靈活的控制 接口，可以通過控制信號方便地改變變頻器的工作特性。設計時將變頻器 連接在 devicenet 網絡上，就可以利用 plc 控制變頻器的輸出電壓和頻率。 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 18 3.5 接觸器的選型接觸器的選型 接觸器是系統(tǒng)中用到的重要開關設備，接觸器的合

37、理選擇能保證交流 電動機能夠準確及時的啟動、停止。根據以上分析三相交流異步電機的最 高工作電流是工作于 50hz 交流電壓下，其工作電流為： (3.2) 100 152 3 380 kw a v 因此根據設計的要求浙江宏立電器有限公司生產的 hlc-3x 系列空調接觸 器主要適用于 50hz 或 60hz、在 ac-7b 使用類別額定工作電壓為 230v 或 480v 時額定電流至 40a 電路中，適用于起動和控制三相交流電動機(壓縮 機)及其它三相負載，選擇五套該類型接觸器同時帶動一臺電機可以滿足設 計要求。 3.6 熔斷器的選型熔斷器的選型 由于系統(tǒng)的主要耗電設備是電動機，因此系統(tǒng)穩(wěn)定工作

38、時電流大約在 150a 左右，當系統(tǒng)異常工作是可能導致工作電流變大因此可設定工作電 流為 200a 時進行過流保護。浙江中泰熔斷器有限公司生產 xrnt-12 型限 流熔斷器型額定電流可以設定為 200a，可以滿足設計要求。 3.7 功率三極管的選型功率三極管的選型 為了能使 plc 輸出的數(shù)字量能夠控制接觸器的通斷我們設計如下電路： 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 19 接觸器 線圈 220vac plc數(shù)字 量輸出 圖 3.1 接觸器控制線路 當plc數(shù)字量輸出為高電平時三極管導通工作于飽和狀態(tài)，接觸器線 圈上電使接觸器觸點閉合，否則plc數(shù)字量輸出為低電平時三極管截止工 作于截止狀態(tài)

39、，接觸器線圈失電通過二極管續(xù)流，使接觸器觸點斷開。浙 江省杭州富陽市奧星電子有限公司i3dd5686型功率三極管最大工作電流超 過5a，完全可以滿足工作要求。 3.8 plc 及相關模塊的選型及相關模塊的選型 plc 我們選擇羅克韋爾公司 logix5000 系列，該系列 plc 性能穩(wěn)定， 可以根據設計要求靈活的選擇相關模塊，而且使用 rs logix5000 組態(tài)軟件 進行梯形圖程序設計時可以根據實際情況建立標簽，避免了對 plc 直接按 照地址尋址造成的麻煩和錯誤。該系統(tǒng)需要輸入或輸出的模擬量有：給水 流量信號、水位信號、蒸汽流量信號、變頻器給定信號，需要輸出的數(shù)字 量有：接觸器通斷信號

40、、報警信號。因此只要選擇一個模擬量輸入模塊 1756-if6i、一個數(shù)字量輸出模塊 1756-ob16d 就可以滿足要求，此外由于 plc 還要通過以太網同上位機通信，通過 devicenet 控制變頻器因此還需 要兩個通信模塊 1756-enet、1756-dnb/a，另外還要選擇電源模塊和 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 20 cpu 模塊 1756-l1m2，選擇 7 槽 plc 底座，此外我們還需要選擇一臺 pc 機作為上位機完成對系統(tǒng)的監(jiān)控操作功能。 綜上所述我們可以得到硬件設備的清單如表 3.2 所示。 表 3.2 硬件設備清單 設備名稱型號額定電壓額定電流額定功率數(shù)量 三相電

41、機yjtg380vac61a40kw2 變頻器1336f-b150380vac149kw1 功率三極管i3dd56862 plc cpu 模塊 logix5000220vac1 模擬量輸入 模塊 1756-if6i1 數(shù)字量輸出 模塊 1756-ob16d1 以太網通信 模塊 1756-enet1 devicenet 通信模塊 1756-dnb/a1 pc 機220vac1 接觸器hlc-3x380vac5 熔斷器xrnt-123a3 水位傳感器ptp60124dcv3 流量傳感器lugb-9924dcv2 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 21 據以上硬件選型我們可以繪制系統(tǒng)的硬件配置圖如

42、圖 3.2 所示。 cpu 電源1756-l1m21756-enet1756-if6i1756-dnb/a 1756- ob16d 上位機 變頻器 傳感器接觸器 以太網 交換器 圖 3.2 硬件配置圖 plc 的電源模塊為其他各個模塊提供電源，上位機通過以太網聯(lián)入 plc 的以太網模塊與之通信，并可以對 plc 進行監(jiān)控，plc 的 cpu 塊負 責 plc 的數(shù)據處理和通信，模擬量輸入模塊將來自傳感器的檢測信號傳入 plc，devicenet 模塊通過 devicenet 網絡控制變頻器，數(shù)字量輸出模塊主 要控制開關設備的通斷。 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 22 3.9 硬件工作原理

43、硬件工作原理 3.9.1 變頻器工作原理變頻器工作原理 變頻器從電網接收工頻 50hz 的交流電，經過恰當?shù)膹娭谱儞Q方法， 將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調節(jié)的交流電輸出到交流電 動機，實現(xiàn)交流電動機的變速運行5。將工頻交流電變換成為可變頻的交 流電輸出的變換方法主要有兩種：一種稱為直接變換方式，又稱為交交 變頻方式，它是通過可控整流和可控逆變的方式，將輸入的工頻電直接強 制成為需要頻率的交流輸出，因而稱其為交流交流的變頻方式。另一種 稱為間接變換方式，又稱為交流-直流-交流變頻方式。三相交流電引入整 流裝置通過整流器得到直流電，對直流電利用可控開關器件控制其導通次 序、開關頻率、導

44、通時間可以實現(xiàn)調頻、調壓的效果。常規(guī)的控制方式只 能得到階梯波形的輸出電壓，高次諧波分量較多，不利于電機的穩(wěn)定運行。 采用 spwm 技術，按照有關算法控制逆變電路的觸發(fā)信號，即控制可控 開關器件的導通角度按正弦規(guī)律變化，這樣變頻器實際輸出的電壓是一系 列寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖，這種電壓波形中含有的高次諧波分量少， 經過濾波后可以等效為正弦電壓波形，這樣可以極大地提高變頻器的控制 效果能夠使電機穩(wěn)定運行。 3.9.2 plc 工作原理工作原理 plc （programmable logic controller）中文全稱為可編程邏輯控制器， 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而

45、設計的。它采用 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 23 一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、 定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出 控制各種類型的機械或生產過程。典型的 plc 結構圖可以表示為圖 3.3 所 示。 輸入 接口 輸出 接口 cpu 電源 圖 3.3 plc 結構圖 電源模塊分別為輸入接口、cpu、輸出接口提供直流電源。輸入接口 將外部輸入的數(shù)字量、模擬量送入 cpu，cpu 根據所編程序完成相應的 運算并由輸出接口輸出給外部設備實現(xiàn)控制的目的。其工作過程可以分為 如下三個階段： （1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段， p

46、lc 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據， 并將它們存入 i/o 映像區(qū)中相應的單元內。 （2）用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，plc 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程 序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸 點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制 山東科技大學學士學位論文 硬件選型 24 線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) ram 存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 i/o 映像區(qū)中對應位 的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在用戶程 序執(zhí)行過程中，只有輸入點在 i/o

47、 映像區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據不會發(fā)生變化， 而其他輸出點和軟設備在 i/o 映像區(qū)或系統(tǒng) ram 存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據 都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下 面的凡是用到這些線圈或數(shù)據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖， 其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據只能到下一個掃描周期才能對排在其上 面的程序起作用。 （3）輸出刷新階段 當掃描用戶程序結束后， plc 就進入輸出刷新階段。在此期間，cpu 按照 i/o 映像區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出 電路驅動相應的外設。這時，才是 plc 的真正輸出。 山東科技大學學士學位論文 硬件設計 25 4 硬件設

48、計硬件設計 4.1 系統(tǒng)總體線路設計系統(tǒng)總體線路設計 首先我們需要三相電源為系統(tǒng)供電，由電源插頭引入，同時通過過流 保護裝置以保證電流過大時能夠及時斷電，以確保安全不造成設備的損壞， 正常情況下設備正常工作不會發(fā)生電流過大的現(xiàn)象，只有在出現(xiàn)故障時才 有可能發(fā)生過流現(xiàn)象此時才需要進行斷電以確保安全。對于需要 220v 交 流電壓工作的設備可以連入三相電源中的任意一相與中性線之間的 220v 交流電壓下。例如 plc 就是采用 220v 交流電工作，因此按照上述方式連 接就可以直接接入任意一相與中性線之間的 220v 交流電壓下。此外還要 引入地線在需要接地的地方保證可靠接地確保安全。 由于系統(tǒng)內

49、各種傳感器等設備需要直流電壓才能正常工作，因此還需 要一個整流裝置將它的交流輸入側連入任意一相與中性線之間的 220v 交 流電壓下并對 220v 交流電進行整流穩(wěn)壓，然后輸出穩(wěn)定的直流電壓，直 流輸出側可以為各個直流設備提供直流電壓保證各個設備穩(wěn)定、有效、安 全的工作。 由于我們選用的是交-直-交變頻器6因此應當首先應該將 380v 三相交 流電連入變頻器的 l1、l2、l3 三個端子輸入供變頻器整流，逆變后的是 頻率、電壓變化的三相交流電通過接觸器的常開觸點連入三相異步電動機 的定子側回路為其工作提供電源，并通過變頻器調頻調壓從而調節(jié)電機轉 速進而改變汽包的送水流量對汽包水位進行調節(jié)。同時

50、直接將由電網引入 的三相電通過另一接觸器的常開觸點連入三相異步電機的定子側回路，此 時電機工作于工頻 50hz 三相交流電 山東科技大學學士學位論文 硬件設計 26 下以用來在調試系統(tǒng)時或其他情況下使用。但兩個接觸器不能同時閉合， 否則將會發(fā)生事故。 根據以上所訴我們設計總體電器線路如圖 4.1 所示。 電源插頭 a n c b 過 流 保 護 地線 qs1 總電源 km1 pe 220v 24v12v0v 24v0v12v 變 頻 器 pe l1 l3 l2 u w v km2 k1 m 信 號 輸 入 a1 c1 b1 n1 c2 b2 a2 c2 b3 a2 c3 n3n4 b2 w1

51、u1 v1 qs2 qs3 q1 q2 pe j1j0j2 pe devicenet 圖 4.1 總體電氣線路圖 根據該設計可以得到供電線路接線如表 4.1 所示。 山東科技大學學士學位論文 硬件設計 27 表 4.1 供電線路接線表 腳號信號代號信號名稱所連設備備注 a b c nacp3三相電源 電源插頭 經開 關 qs1 到過流 保護裝置 三相供電設備 a1 b1 c1 n1acp3三相電源過流保護裝置保護設備 pegnd接地線 電機外殼 傳感 器接地線 接地保護 a2 b2 c2acp3三相電源 變頻器輸入 經 開關 qs2 到電 機定子回路 三相供電設備 c3 n1acp2單相電源直

52、流電源輸入單相供電設備 b3 n1acp2單相電源接觸器線圈單相供電設備 u1 v1 w1vacp3變頻器輸出 經開關 qs3 到 電機定子回路 三相供電設備 j1 j0dc2024v 直流電源傳感器直流供電設備 q1c1km1 控制信號 功率三極管基 極 開關控制設備 q2c2km2 控制信號 功率三極管基 極 開關控制設備 山東科技大學學士學位論文 硬件設計 28 4.2 控制線路設計控制線路設計 由于蒸汽流量傳感器、水位傳感器、送水流量傳感器都需要24v直流 電壓供電才能正常工作，因此三者的電源端子都要連入直流電源的24v直 流電壓輸出側，以為各個傳感器供電，保證其正常工作。各個傳感器的

53、輸 出引入plc的模擬量輸入單元1756-if6i供plc完成各種運算從而達到控制 目的。plc通過devicenet網絡控制變頻器的輸出頻率從而達到控制給水流 量的目的。plc的數(shù)字量輸出單元1756-ob16d輸出數(shù)字信號控制接觸器的 通斷情況。根據以上分析設計控制線路連線圖如圖4.2所示。 液 位 傳 感 器 電 源 輸 入j0 蒸 汽 流 量 傳 感 器 電 源 輸 入 信 號 輸 出 送 水 流 量 傳 感 器 電 源 輸 入 j0/wf0 信 號 輸 出 j1 j1 j0/sf0 j1 cpu 電源 1756- l1m2 1756- ennet 1756- if6i 1756- o

54、b16d sf1 l1 l0 wf1 pe pe pe pe a1n1 sf1 wf1l1 sf0wf0 q2 q1 l0 信號輸出 250 250 250 1756- dnb/a 圖 4.2 控制線路連線圖 山東科技大學學士學位論文 硬件設計 29 根據以上設計我們可以得到傳感器線路接線表如表 4.2 所示。 表 4.2 傳感器線路接線 插腳代號信號代號信號名信號量程 被測（控） 物理量 備注 l1/l0lf+/lf-汽包水位300mm 0300mm 水位 送 plc sf1/sf0sf+/sf-蒸汽流量13 m3/h 013 m3/h 蒸汽流量 送 plc wf1/wf0wf+/wf-送水

55、流量35 m3/h 013 m3/h 送水流量 送 plc 山東科技大學學士學位論文 控制算法及參數(shù)整定 30 5 控制算法及參數(shù)整定控制算法及參數(shù)整定 5.1 pid 算法簡介算法簡介 眾所周知，要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，除了必須正確的選取、 設計控制方案以外，還必須正確的選擇控制算法并進行參數(shù)整定。 在控制系統(tǒng)中，按照給定信號和反饋信號之間的偏差的比例（p） 、積 分（i）和微分（d）進行控制的 pid 控制器是應用最為廣泛的一種自動控 制器8。它具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨立、參 數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型 對象“一階慣性純

56、滯后”與“二階慣性純滯后”的控制對象，pid 控制器是一種最優(yōu)控制。pid 調節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質校正的一種有 效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結構改變靈活，可以方便的改變?yōu)?pi、pd、pid 等控制器。 比例調節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏， 速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減??；比例系數(shù)偏大，振蕩次數(shù)加多，調節(jié)時間加長； 系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定；比例系數(shù)太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。比例系數(shù)可 以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以及控制對象的特性決定的。 積分調節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。提高無差 度。因為有誤差積分調節(jié)就進行，直至無差積分調節(jié)停止，積分調節(jié)輸出

57、一個常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) ti。ti 越小積分作用就越 強。反之 ti 大則積分作用弱，加入積分調節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài) 響應變慢。積分作用常與另外兩種調節(jié)規(guī)律結合，組成 pi 調節(jié)器或 pid 調節(jié)器。 山東科技大學學士學位論文 控制算法及參數(shù)整定 31 微分調節(jié)作用對系統(tǒng)性能的影響：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化 率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢。因此能產生超前的控制作用， 可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下可以減少超調，減 少調節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強地加大微分調節(jié) 對系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反應的是變化率，當輸入沒有變化時微

58、分作 用輸出為零，因此微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節(jié)規(guī)律相結 合組成 pd 或 pid 控制器。 5.2 三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定 系統(tǒng)的參數(shù)整定可以采用理論計算法或者工程整定法。由于理論計算 法要以被控對象的動態(tài)特性為依據，而動態(tài)特性測取時往往具有不準確性， 而且容易隨工作狀態(tài)的變化而變化，因此應當采用工程整定的辦法。根據 控制方案可以將汽包水位控制系統(tǒng)結構框圖重畫為圖 5.1 所示。 gw(s)gf(s) nw nh gp(s) nd h - + - + + gh(s) hr gd(s) w + 圖 5.1 汽包水位控制系統(tǒng)結構框圖 山東科技大學學士學位論文

59、控制算法及參數(shù)整定 32 其中 nd、nw、nh分別表示蒸汽流量傳感器、給水流量傳感器、水位傳感 器的反饋系數(shù)，gw(s)、gh(s)、gd(s)分別表示給水流量調節(jié)器、水位調節(jié) 器、前饋調節(jié)器的傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)可以分別表示為 kw、kh、kd ，gf(s)、 gp(s) 分別表示變頻器、鍋爐汽包的傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)可 以分別表示為 kf、kp 、hr是水位給定信號。由硬件選型的相關數(shù)據可知 當系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)時： ， ， 5 1 0.056 808 dn w 5 1 0.085 503 n 5 1 0.01 500 100 hn ， ， 35w 13.0d 300h 由于該設計采用了

60、串級控制方式，首先我們應該從副回路開始對流量 調節(jié)器進行參數(shù)整定，然后由內而外，再對主回路水位調節(jié)器進行參數(shù)整 定，通過兩步整定的方法完成系統(tǒng)的參數(shù)整定。 由于副回路調節(jié)器的任務是快速動作以消除進入副回路的擾動，而且 副參數(shù)并不要求無差，所以選用 p 調節(jié)器就可以滿足要求了。根據控制要 求可以設定 1336plusii 系列變頻器最高輸出頻率為 50hz，控制信號為 4- 20ma 電流，頻率上升時間為 0.5 秒，電機滿負荷運行時變頻器輸出最高頻 率 50hz，此時給水流量為 35 m3/h，則有副回路被控對象的增益是： ，選擇頻率上升時間為 0.5 秒，可以認為副回路被控對象是一個 35