三沖量汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第一章 工程實(shí)例1、三沖量汽包液位控制系統(tǒng)應(yīng)用1.1 三沖量控制系統(tǒng)的構(gòu)成在三沖量控制系統(tǒng)中， 汽包液位、蒸汽流量及給水流量等 3 個(gè)被控變量會(huì)安 裝相應(yīng)的調(diào)節(jié)器， 在鍋爐運(yùn)行的過(guò)程中， 這三個(gè)信號(hào)作用于調(diào)節(jié)器， 會(huì)適時(shí)調(diào)整， 做相應(yīng)的改變。在三沖量控制系統(tǒng)中，汽包液位、蒸汽流量、給水流量都是串聯(lián)關(guān)系，其中 汽包液位是三者中的主沖量， 能夠反映整個(gè)汽包的工作狀態(tài)和運(yùn)行狀況； 而蒸汽 流量和給水流量分別擔(dān)任輔助沖量， 蒸汽流量就是一個(gè)前饋系統(tǒng)， 通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)， 能夠消除“假液位”現(xiàn)象，保證整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；給水流量是一個(gè)反饋系統(tǒng)， 它能夠副回路減少水壓改變對(duì)汽包液位的影響。主沖量和輔助沖量之間相

2、互配 合、相互影響，共同保證前饋 - 串級(jí)反饋的三沖量控制系統(tǒng)的正常有效運(yùn)行。1.2 三沖量控制系統(tǒng)的工作原理三沖量控制系統(tǒng)的工作原理是： 將三個(gè)信號(hào)中的汽包液位當(dāng)做主信號(hào)， 當(dāng)鍋 爐中的水位改變時(shí)， 與之相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化， 在此基礎(chǔ)上 的給水流量也會(huì)發(fā)生改變， 這樣就能夠使鍋爐的水位達(dá)到給定值。 在這個(gè)過(guò)程中， 蒸汽流量充當(dāng)著前饋?zhàn)饔茫?其作用是防止“假液位”干擾調(diào)節(jié)器的工作。 而給水 流量充當(dāng)著反饋的作用， 當(dāng)前饋的蒸汽流量發(fā)出干擾信號(hào)時(shí)， 給水流量會(huì)在鍋爐 水位未改變之前，消除這種干擾，使調(diào)節(jié)器正常工作，使給水流量更加穩(wěn)定。1.3 三沖量控制系統(tǒng)在鍋爐汽包液位中的應(yīng)用

3、在鍋爐生產(chǎn)中，三沖量控制系統(tǒng)作為前饋 - 串級(jí)反饋系統(tǒng)，其運(yùn)行遵循著主 控制器的正作用和副控制器的反作用原則。在三沖量控制系統(tǒng)中，流量控制器 FC作為主控制器，起著正作用功能；水位控制器 LC作為副控制器，起著反作用 的功能；而調(diào)節(jié)器則起著調(diào)節(jié)閥的作用。通常當(dāng)鍋爐的水位升高時(shí)， LC 就會(huì)產(chǎn)生反作用，其輸出就會(huì)相應(yīng)減少，通 過(guò)加法器， FC 的給定值減少，而調(diào)節(jié)器的輸出卻增加，故而要減小調(diào)節(jié)器的閥 門開度，縮小FA2101 （給水流量），使水位下降至給定值。在FAQ2102（蒸汽流量）增加的情況下，F(xiàn)C的給定值會(huì)相應(yīng)的減少，而調(diào)節(jié) 器的輸出增加，故而要擴(kuò)大調(diào)節(jié)器的閥門開度，增加給水流量，平衡蒸

4、汽流量， 使水位保持在給定值上。當(dāng)FA2102（給水流量）增加時(shí)，F(xiàn)C調(diào)節(jié)器的輸出也會(huì)相應(yīng)增加，這時(shí)要減 小調(diào)節(jié)閥開度，減少給水流量，平衡蒸汽流量，保持水位不變。另外，在選擇給 水流量的調(diào)節(jié)閥時(shí)， 要保證鍋爐的安全。 比如當(dāng)生產(chǎn)的熱源是蒸汽時(shí)， 就應(yīng)該選 擇氣關(guān)閥來(lái)保護(hù)鍋爐； 而當(dāng)蒸汽的供給超過(guò)蒸汽壓縮機(jī)時(shí)， 就應(yīng)該選擇氣開閥來(lái) 保護(hù)鍋爐設(shè)備。通過(guò)三沖量控制系統(tǒng)，能夠利用調(diào)節(jié)器的開關(guān)閥對(duì)鍋爐生產(chǎn)中的汽包液位、蒸汽流量和給水流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，消除了 “虛假液位”現(xiàn)象，保證水位的穩(wěn)定， 很好地控制了鍋爐汽包液位，保證整個(gè)鍋爐系統(tǒng)和整個(gè)生產(chǎn)工藝的安全可靠，同 時(shí)也促進(jìn)了鍋爐生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)和完善。2.

5、 系統(tǒng)控制流程圖圖1-1系統(tǒng)控制的程序流程圖第2章標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置設(shè)計(jì)及計(jì)算程序設(shè)計(jì)1.給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性鍋爐的給水系統(tǒng)，汽包液位的動(dòng)態(tài)特性似乎與單容水槽一樣， 但是實(shí)際情況 卻要復(fù)雜的多。其中最突出的一點(diǎn)就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量的蒸汽氣 泡的水，而蒸汽氣泡的總體積是隨著氣泡壓力和爐膛熱負(fù)荷的變化而改變的。如果有某種原因使蒸汽泡的總體積改變了，即使水循環(huán)系統(tǒng)中的總水量沒有變化， 汽包水位也會(huì)隨之發(fā)生改變。汽包液位過(guò)高會(huì)造成蒸汽帶水，影響汽水分離效果；水位過(guò)低容易使水全部被汽 化燒壞鍋爐。影響汽包液位的因素，除了加熱汽化外，還有蒸汽負(fù)荷和給水流量 的波動(dòng)，當(dāng)負(fù)荷突然增大、汽包壓力突然降低

6、時(shí)，水就會(huì)被急劇汽化，出現(xiàn)大量 氣泡，形成“虛假液位”。根據(jù)所給任務(wù)書中的要求，水位H與給水W之間的傳遞函數(shù)為一個(gè)一階對(duì)象，時(shí) 間常數(shù)為5s，靜態(tài)放大倍數(shù)為 &2.系統(tǒng)控制框圖單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)如下圖所示:圖2-1三沖量控制系統(tǒng)從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路： 一個(gè)是由給水 流量W給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和 回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之。 但 它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。 所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)綜上所述，本系統(tǒng)應(yīng)選用水位串級(jí)控制。 主回路用于直

7、接控制水位，主調(diào)節(jié) 器一般都采用比例積分動(dòng)作，維持水位不變。副回路是流量系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器可以 用比例或比例積分動(dòng)作。結(jié)合題意設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如下：其中，Hr水位設(shè)定值W -給水量H -水位值Gc1(s)主控制器Gc2(s)副控制器Gp(s)被控對(duì)象傳遞函數(shù)Kd蒸汽流量檢測(cè)變送器放大倍數(shù)Kw給水流量檢測(cè)變送器放大倍數(shù)Kh水位檢測(cè)儀表放大倍數(shù)第 3 章 調(diào)節(jié)閥選型及計(jì)算1. 給水流量計(jì)的選擇及KW的計(jì)算根據(jù)所給離心泵的參數(shù)，給水壓力3MPa水流量為25T/h。正常的蒸汽量為10T/h ，因此在穩(wěn)定的情況下，需要的給水量應(yīng)等于蒸發(fā)量，即正常的給水量為10T/h 。選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的給水流量為 20T/h

8、。輸出量程為420mAKW =（20-4）/ （20-0 ）=0.8mAh/T1.1蒸汽流量計(jì)的選擇及KD的計(jì)算根據(jù)所給的蒸汽流量穩(wěn)定值為 10T/h ，選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的蒸汽流量為20T/h. 輸出量程為 420mA。KD=（20-4 ）/ （20-0 ）=0.8mA/T1.2調(diào)節(jié)閥的選擇及Ku的計(jì)算選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，輸入量程為 420mA輸出量程為025T/h。Ku=（25-0）/（20-4）=1.56T/hmA1.3差壓式水位測(cè)量?jī)x表及KH的計(jì)算根據(jù)題目所給的最大允許波動(dòng)為土 30mm因此儀表輸入選擇為土 60mm輸出 為 420mA。KH=（20-4）/（60-（-60）=0.133m

9、A/mm2. PID 控制器的參數(shù)整定首先，對(duì)副環(huán)進(jìn)行整定， 由上面選擇的調(diào)節(jié)器可以得到， 副環(huán)是一個(gè)比例環(huán) 節(jié)，因此在整定副環(huán)時(shí)，只要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性就可以了。 其次，對(duì)主環(huán)進(jìn)行整定，先將 PI 調(diào)節(jié)器的積分常數(shù)置成無(wú)窮大，然后給比例系 數(shù)，若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比列帶；反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過(guò)慢，應(yīng)增大比例帶。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定，然后調(diào)節(jié)積分常數(shù)Ti，最終得到的是一個(gè)衰減比在4: 110: 1的衰減震蕩過(guò)程。各個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)如下：副調(diào)節(jié)器：K2=5主調(diào)節(jié)器：0=8，Ti=0.38s，=0.，衰減比為10： 1其衰減振蕩的曲線如下：圖3-1衰減振蕩曲線3. 鍋爐汽包水位總體設(shè)計(jì)的仿真圖3

10、-2串級(jí)三沖量控制系統(tǒng) SIMULINK仿真模型得到的響應(yīng)曲線如下圖所示12 !IIIII1111i 10 - . . 8 _-6 -4 -2 _-0 |01002003004005006007008009001000圖3-3串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線仿真結(jié)果分析：串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)在快速性、抗干擾性上優(yōu)越，響應(yīng) 曲線平穩(wěn)，對(duì)蒸汽流量擾動(dòng)的抑制也很強(qiáng)。4. 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程為：利用由高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器把液 位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到 單片機(jī)的I/O接口，單片機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算控制，輸出地?cái)?shù)字信號(hào)再通過(guò)DAC0832轉(zhuǎn)化成為模擬信號(hào)

11、。4.1控制器的選擇選擇51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。首先給出鍋爐水位的正常工作圍，由于水不斷蒸發(fā)使水位下降，8051單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使給水閥門開打，注水量增加，水位恢復(fù)到規(guī)定圍；當(dāng)水位高于規(guī)定值時(shí)，8051單片機(jī)再次發(fā)出控制信號(hào)，使給水閥門變小，注水量降低，水位又恢復(fù)到規(guī) 定圍。51單片機(jī)與AD和DA的接口連接如下圖所示：圖3-4 51單片機(jī)與AD和DA的接口4.2控制的程序框圖圖3-5系統(tǒng)控制的程序流程圖4.3 AD轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器選擇ADC0809,ADC0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，8 路數(shù)字輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC腳輸出

12、高電平，此時(shí)單片機(jī)接收EOC言號(hào)，讀取AD 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，將EOC腳經(jīng)反相器與單片機(jī)的INT0腳相連。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由P0 口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機(jī)P0 口相連，高低位依次相連。 經(jīng) 以上分析，設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示P2110P2.0e22P2223“125NT0 2177kD-PD.7IP.LD-PD.614kD-P0.5IEA.D-P0.4eA.D-P0.3IBA.D-P0.2ibA.D-P0.120A.D-PO.O2ALEEOCADC0S03ADDCADD'DADD-ACLOCK JTARTEMABLEbb2-82-72-62-5 鮎2-32-2TH5fe2-

13、1IN-7IN-6IN-5ININ-3IN-2IN-1IN-01228-5V< ADIM >< ADIW >圖3-6 AD轉(zhuǎn)換器的接口電路4.4DA轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832QAC083是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC, 它能直接與51單片機(jī)相連。DA轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)：選擇DAC為單緩沖方式，即輸入寄存器工作于受控狀態(tài)，DAC寄存器處于直通狀態(tài)，由DAC0832勺引腳特性，將DAC0832勺引腳接發(fā)如下：CS片選端，低電平有效，直接接低電平ILE :數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效，直接接高電平。WR2DAC寄存器寫選通控制端，低電平有效，由于其處于直通狀態(tài)，

14、故直接 接低。XFER數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地。WR1第一級(jí)輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時(shí)，將 輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，故將該腳與單片機(jī)P2.2 口相連，由程序控制。經(jīng)以上分析，設(shè)計(jì)DA轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示圖3-7 DA轉(zhuǎn)換器的接口電路第四章 課程設(shè)計(jì)心得通過(guò)這次過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)，我們感觸頗深，不僅對(duì)書上學(xué)習(xí)的知識(shí) 進(jìn)行了復(fù)習(xí)與鞏固，而且還培養(yǎng)了我獨(dú)立思考與解決問題的能力。 通過(guò)將近 一周的努力，我終于在規(guī)定的時(shí)間完成了任務(wù)。是我更加深刻地理解了鍋爐 液位的三沖量控制， 而且將我在眾多專業(yè)課程上所學(xué)到的知識(shí)相結(jié)合， 更進(jìn) 一步提高了我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力

15、。 通過(guò)課程設(shè)計(jì)將所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)聯(lián) 系在一起，我們明白了理論知識(shí)的重要性和應(yīng)用圍的寬廣，加深了對(duì)專業(yè)、 對(duì)工程設(shè)計(jì)的理解。 讓我更加明白了在生產(chǎn)實(shí)際中， 不能對(duì)書面的知識(shí)生搬 硬套，要具體問題具體分析，才能正確快速的解決問題。另外，還讓我懂得 了在設(shè)計(jì)制造的道路上，需要不斷地探索與創(chuàng)造，堅(jiān)持不懈，持之以恒。這 次的設(shè)計(jì)經(jīng)歷讓我受益匪淺。完成了這次設(shè)計(jì)以后，對(duì)我以后的生活和工作都有很大的幫助，鍛煉 了自己的動(dòng)手能力， 讓自己對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了一個(gè)升華， 更深入的了解了 這門課程的真諦，我以后也應(yīng)該多多動(dòng)手，不能只學(xué)習(xí)課本上的理論知識(shí)， 應(yīng)該更多地把理論和實(shí)際結(jié)合到一起， 這樣才能學(xué)有所用。 為了讓自己以后 更