工業(yè)鍋爐的控制仿真

1、過程控制工程課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計名稱：工業(yè)鍋爐控制設(shè)計設(shè)計時間：姓 名：班 級：學號：指導(dǎo)老師:南京工業(yè)大學自動化學院2012年2月1.課程設(shè)計內(nèi)容：學習過程控制工程課程和下廠實習后，在對現(xiàn)場的實際過程控制策略、實習環(huán)節(jié)的 控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的組態(tài)軟件有一定的認識和了解的基礎(chǔ)上，針對實習環(huán)節(jié)的被控對象和控 制裝置，設(shè)計一個復(fù)雜控制系統(tǒng)（至少包含一個復(fù)雜回路和6-7個簡單回路），并利用組態(tài) 軟件進行動態(tài)仿真設(shè)計，調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)達到要求的控制效果。1）確定自己的課程設(shè)計題目，三人一組；2）用CAD軟件繪制工藝流程圖；3）選用一種組態(tài)軟件（例如：采用力控組態(tài)軟件）繪制系統(tǒng)工藝流程圖，繪制控

2、 制系統(tǒng)原有的控制回路；4）利用下廠收集的實際數(shù)據(jù)和工藝要求，選擇被控對象模型，利用組態(tài)軟件，對 控制系統(tǒng)進行組態(tài)；5）改進原有的控制回路，增加1-2個復(fù)雜回路，并進行組態(tài)；6）調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使性能指標達到要求；7）寫出設(shè)計工作小結(jié)。對在完成以上設(shè)計過程所進行的有關(guān)步驟：如設(shè)計思想、 指標論證、方案確定、參數(shù)計算、元器件選擇、原理分析等作出說明，并對所完成 的設(shè)計作出評價，對自己整個設(shè)計工作中經(jīng)驗教訓(xùn)，總結(jié)收獲。2.進度安排（時間3周）第1周第一天： 課程設(shè)計安排，分小組，確定課題。第二天；安裝需要用到的Auto CAD，組態(tài)軟件MCGS。任務(wù)的分解。第三天：繪制工藝流程CAD圖紙，（完畢）第

3、四天：搜集資料，做對象特性分析第五天：開始著手用MCGS繪工藝流程圖，歷史，實時，報警窗口的組態(tài)第二周 任務(wù)一:：理論控制方案的設(shè)計，根據(jù)要求有67個簡單回 路，12個復(fù)雜回路。周二日志，發(fā)現(xiàn)MCGS組態(tài)還需要MTALAB來搭建運行平臺，而任務(wù)二:在控制方案完成的基礎(chǔ)上進行實時數(shù)據(jù)庫庫的建立，第3周(1-3) 動畫連接；設(shè)計控制策略(PID的應(yīng)用)，基于控制回路的；PID參數(shù)整定；調(diào)試，試運行。提高部分：為達到更好的控制效果，改進原有的控制回路，增加1-2個復(fù)雜回路，并進行組態(tài)；調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使性能指標達到要求；第3周(4)寫設(shè)計工作小結(jié)第3周(5)演示、答辯3鍋爐對象特性分析：3.1工業(yè)鍋爐

4、工藝流程描述：本課題所選對象為自然循環(huán)鍋爐，其工藝流程如下圖1-1所示。軟化水流量為F1106，溫度為常溫20C，軟化水經(jīng)由上水泵P1101泵出。鍋爐上水流量為F1101，鍋爐上水管線上設(shè)有上水泵出口閥XV1101,上水管線調(diào)節(jié)閥 V1101，以及旁路閥HV1101。鍋爐上水被分為兩路。一路進入減溫器E1101預(yù)熱，預(yù)熱后 與另外一路混合進入省煤器E1102。兩路鍋爐上水管道上分別設(shè)有調(diào)節(jié)閥V1102和V1103。正常工況時，大部分鍋爐上水直接流向省煤器，少部分鍋爐上水流向減溫器，其流量為F1102。汽包V1102頂部設(shè)放空閥XV1104,汽包壓力為P1103。汽包中部設(shè)水位檢測點L1102。

5、在汽包中通過汽水分離得到的飽和蒸汽溫度為T1102,經(jīng)過爐膛汽相升溫得到的過熱蒸汽溫度為T1103。過熱蒸汽進入減溫器E1101，進行溫度的微調(diào)。最終過熱蒸汽壓力為P1104，溫度為T1104，流量為F1105。過熱蒸汽出口管道上設(shè)調(diào)節(jié)閥V1105。燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入爐膛F1101的燃燒器，燃料流量為F1103，燃料壓力為P1101，燃料流量管線設(shè)調(diào)節(jié)閥V1104,燃料泵出口閥XV1102?？諝饨?jīng)由變頻風機K1101送入燃燒器，變頻器頻率為S1101 （被歸一化到0100%之間），空氣量為F1104。省煤器煙氣出口處的煙氣流量為F1107，溫度為T1105。煙氣含氧量A1101設(shè)有在

6、線分析檢測儀表。煙道內(nèi)設(shè)有擋板DO1101。爐膛壓力為P1102，爐膛中心火焰溫度為T1101，為紅外非接觸式測量，僅提供大致溫度的參考。3.2工業(yè)鍋爐裝置特性描述：鍋爐作為重要的動力設(shè)備，其控制的基本要求是供給蒸發(fā)量適應(yīng)符合的需要。為此，生 產(chǎn)過程的各個主要參數(shù)必須嚴格控制。鍋爐設(shè)備也是一個復(fù)雜的控制對象，主要輸入變量是 負荷、鍋爐給水、燃料量、送風和引風等。主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽 溫度、爐膛負壓、過?？諝猓煔夂趿浚┑取Ｋ哉f鍋爐是一個復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，有許多 個調(diào)節(jié)參數(shù)和被調(diào)節(jié)參數(shù)，還存在著錯雜的擾動參數(shù)。3.3鍋爐汽包水位對象特性分析維持水位在一定的范圍內(nèi)是保證鍋爐

7、安全運行的首要條件。因為水位過高會影響汽包內(nèi) 的水汽分離，產(chǎn)生蒸汽滯液現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致?lián)p壞，同時，也會使過熱蒸汽溫 度急劇下降。水位過低，則由于汽包的水量較少，當負荷增大時，水的汽化速度加快，若不 及時調(diào)節(jié)，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。對鍋爐汽包水位 調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動的主要因素有蒸發(fā)量D、燃料量M、給水量W等。汽 包 水 位 控 制 系 統(tǒng) 的 任 務(wù)圖4蒸汽量擾動下的水位反應(yīng)曲線是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量的需要，以維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)，同時保持給水量 的穩(wěn)定，盡量減少波動。以下將從蒸發(fā)量、燃料量以及給水量三個因素擾動下汽包水位的動態(tài)特性。蒸汽量D擾

8、動作用下水位動態(tài)特性當給水量不變，蒸發(fā)量突然增加：時，如果只從物質(zhì)平衡角度來看，則反映曲線如 上圖4中的H1(t)所示，但由于蒸發(fā)量增加時，汽包容積的增加，水位的反應(yīng)曲線如H2(t) 所示。H2(t)和H1(t)相結(jié)合，實際水位階躍反應(yīng)曲線如H(t)所示。從上圖可以看出，當蒸汽 負荷增加時，雖然鍋爐的給水量少于蒸發(fā)量，但在一開始，水位不僅不下降反而迅速上升， 然后再下降。如果蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升，這種現(xiàn)象稱之為“虛假 水位”。當負荷變化時，我們可以看到水位下汽包變化引起水位的變化速度是很快的。圖中 的H2的時間常數(shù)只有1020s當蒸汽量D擾動時，水位變化的動態(tài)特性可以用以

9、下傳遞函 數(shù)表示：H(s) = HCs) + HCs) =_ 匕 + k2 D(s) D(s)D(s) s Ts + 1式中k響應(yīng)速度，即蒸汽流量變化單位流量時，水位變化的速度，mm/s或者t/h；k2-響應(yīng)曲線H2的放大系數(shù)；T -響應(yīng)曲線H2的時間常數(shù)。 2“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100200t/h的 中高壓鍋爐，當負荷變化10%時，“虛假水位”可以達到3040mm?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象屬于 反向特性，這給控制帶來一定困難，在設(shè)計控制方案時，必須加以注意。燃料量M擾動作用下水位的動態(tài)特性圖5燃料量擾動下的水位反應(yīng)曲線燃料量增加 M心增發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)

10、該下降。但開始時由于有虛假水位存在，水位先上升，然后再下降，如上圖5所示。給水量W變化時的水位對象的動態(tài)特性圖6給水量擾動下的水位反應(yīng)曲線在開始階段，由于剛進入的給水水溫較低，使汽水混合物中的汽包吞吐量減小。水位下降，如上圖6中的H1(t)所示，而H2(t)反應(yīng)了物質(zhì)不平衡引起的水位變化，H1(t)和H2(t)相 加得到了總的給水量變化的階躍反應(yīng)曲線H(t),即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始 不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)描述，它近似于一個積分環(huán)節(jié)和時滯 環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可以用如下的傳遞函數(shù)表示：式中k0-響應(yīng)速度，即給水流量變化單位流量時，水位的變化速度，mm/s或者t/

11、h； t -時滯。給水溫度低，時滯就越大。對于非沸騰式的省煤器的鍋爐，t =30100s，對于沸騰式 省煤器鍋爐，t =100200s。3.4蒸汽壓力的對象特性分析蒸汽壓力是反映蒸汽供需關(guān)系平衡與否的重要指標，也是表征蒸汽的重要參數(shù)。汽壓偏 高，會加速金屬材料的蠕變;汽壓偏低，說明供需關(guān)系不平衡，設(shè)備消耗的蒸汽量大于現(xiàn)有 的產(chǎn)汽量，難以維持長期穩(wěn)定的運行。因此，維持壓力穩(wěn)定是安全生產(chǎn)和維持運行的需要。 而引起蒸汽壓力變化的主要原因是燃料量和用氣負荷發(fā)生變化。燃料量擾動下蒸汽壓力變化的特性圖7用汽負荷不變時的汽壓飛升曲線圖8用汽閥門開度不變時的汽壓飛升曲線在鍋爐燃料量B階躍擾動下，用氣負荷不變，

12、此時出口蒸汽壓力的曲線如上圖7所示。 此時對象沒有自平衡能力，具有較大的遲滯和慣性。但如果鍋爐出口的蒸汽閥門開度不變， 那么由于汽壓因燃料擾動而發(fā)生變化時，蒸汽流量也將發(fā)生變化。由于汽壓變化時，自發(fā)改 造限制汽壓的變化，因此對象有自平衡能力，此時汽壓的飛升曲線如上圖8所示。蒸汽負荷擾動下汽壓變化的動態(tài)特性負荷階躍擾動下，汽壓變化的動態(tài)特性也有兩種下列情況。當用蒸汽閥門階躍擾動時， 對象表現(xiàn)出具有自平衡能力，沒有遲延，但有較大的慣性，并有一個與閥門變化成比例的起 始階躍。飛升曲線如下圖9所示。當蒸汽量階躍擾動時，其飛升曲線如下圖10所示，此時 對象沒有自平衡能力。如果不及時調(diào)節(jié)進入鍋爐的燃料量，

13、那么汽壓將一直往下降。蒸汽壓力階躍響應(yīng)圖9用汽閥階躍擾動時的汽壓飛升曲線圖10蒸汽量階躍擾動時的汽壓飛升曲線3.5送風設(shè)備的特性分析：送風調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作的好壞，直接影響爐膛的空氣過剩系數(shù)的變化。引起空氣過剩系數(shù)變 化的主要擾動是燃料量和送風量。風量擾動下對象的動態(tài)特性具有較大的自平衡能力，幾乎 沒有遲延和慣性，近似為一比例環(huán)節(jié)。而燃料量擾動時，需經(jīng)過輸送和燃燒過程而略有延遲。 由于送風系統(tǒng)幾乎沒有延遲和慣性。所以在燃料充足的情況下送風量的大小將比較直接的反 應(yīng)在鍋爐的蒸汽壓力上。那么怎樣才能保證送風量和燃料量的搭配適宜，這里我們引入了風 煤比這個概念。風煤比就是在當前風量下所能燃燒的煤的最大值。

14、在控制作用中風煤比主要 是根據(jù)當前風量來限制爐排的轉(zhuǎn)速，防止由于風量不夠?qū)е旅翰荒艹浞秩紵?。該參?shù)對節(jié)煤 和環(huán)保都有很大意義。因為如果不能充分燃燒將會導(dǎo)致煤渣的含炭量增高，這樣比較浪費煤， 同時還會造成煙氣含炭量增高影響排放。3.6過熱蒸汽溫度的對象特性影響：過熱蒸汽溫度變化的擾動因素很多，如蒸汽負荷、爐膛熱負荷、煙氣溫度、火焰中心位 置、爐膛負壓、送風量、減溫水量以及蒸汽母管壓力等。但歸納起來有三大類：進入過熱器 的蒸汽熱量變化、煙氣傳熱量變化和蒸汽流量變化。蒸汽溫度在減溫水量擾動下的動態(tài)特性圖11減溫水量階躍擾動下蒸汽溫度的飛升曲線減溫水量擾動時，其擾動地點（過熱器的入口，即減溫器的安裝位

15、置）與測量蒸汽溫度 的地點（過熱器出口）之間有著較大的距離，此時，過熱器是一個純滯后對象。延遲的時間 t大約為3070s，時間常數(shù)為100130s。煙氣傳熱量擾動下蒸汽溫度的對象特性圖12煙氣傳熱量階躍擾動下蒸汽溫度的飛升曲線煙氣傳熱量擾動，包括煙氣溫度和煙氣流速的擾動。在這種擾動下，煙氣與蒸汽之間的 熱交換條件發(fā)生了變化，過熱氣溫的變化沿著整個過熱器管壁同時發(fā)生的，所以它的延遲時 間t較小，大約為1020s。當燃料或空氣量發(fā)生擾動時，過熱器出口蒸汽溫度如上圖12所 示。蒸汽流量擾動下蒸汽的溫度對象的動態(tài)特性蒸汽流量擾動時，過熱器出口蒸汽溫度變化的動態(tài)特性和煙氣傳熱量擾動下動態(tài)特性是 相似的具

16、有較小的滯后，較小的時間常數(shù)。4工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)方案設(shè)計控制回路說明：在該控制系統(tǒng)中我設(shè)計了 3個回路，1個簡單回路，2個復(fù)雜控制回路（串級，比值）。汽包液位和軟化水流量組成的串級控制系統(tǒng)控制汽包的液位，由系統(tǒng)設(shè)定一個液位通過 一個PID控制將輸出值做為下一級流量PID控制器的設(shè)定值。該系統(tǒng)可以在內(nèi)環(huán)克服來自 軟化水流量的擾動，而達到穩(wěn)定在設(shè)定液位的作用。我設(shè)計了一個單回路來控制過熱蒸汽的溫度，通過控制流過減溫器的軟化水流量來控制 過熱蒸汽的溫度。我還設(shè)計了比值控制來控制進入鍋爐的空氣流量，空氣的流量會根據(jù)燃油的流量成比例 變化，從而實現(xiàn)鍋爐的完全燃燒。5力控軟件介紹以及在本次課程設(shè)計中的相關(guān)

17、應(yīng)用：新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng) 的封閉式系統(tǒng)，它們具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等鮮明優(yōu)點。 通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的 軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發(fā)界 面和簡捷的使用方法，其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功 能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O設(shè)備，與高可靠的工控計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié) 合，可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，

18、進行系統(tǒng)集成。力控是運行在Windows98/NT/2000/XP操作系統(tǒng)上的一種組態(tài)軟件。使用力控，用戶可以 方便、快速地構(gòu)造不同需求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。 力控的應(yīng)用范圍廣泛，可用于開發(fā)石油、化工、半導(dǎo)體、汽車、電力、機械、冶金、交通、 樓宇自動化、食品、醫(yī)藥、環(huán)保等多個行業(yè)和領(lǐng)域的工業(yè)自動化、過程控制、管理監(jiān)測、工 業(yè)現(xiàn)場監(jiān)視、遠程監(jiān)視/遠程診斷、企業(yè)管理/資源計劃等系統(tǒng)。力控軟件由以下幾個主要部分組成：工程管理器開發(fā)系統(tǒng)(Draw)界面運行系統(tǒng)(View)實時數(shù)據(jù)庫(DB)I/O驅(qū)動程序網(wǎng)絡(luò)通信程序(NetClient/NetServer)串行通信程序(SCOMClient/SCOMS

19、erver)撥號通信程序(TelClient/TelServer)Web服務(wù)器程序(Web Server)控制策略生成器(StrategyBuilder)基本步驟：創(chuàng)建第一個應(yīng)用程序通過對力控軟件的學習，熟悉了基本的軟件操作創(chuàng)建了一個工程命名為鍋爐。創(chuàng)建窗口創(chuàng)建圖形對象如下：創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫NAME點名DE SC說明%IOUNK 叫。連接%HIS歷史仲1LEVEL1汽包液位PV=PLCFST:地址:1培量寄蘆器最小最大:100000000每個周期增加量：1PV=6Cs2LVL.SET汽包位gP=PLCF8T:地址:。常量寄存器最小:。最大:100SP=&Os3TIC1103PV=PLCFST:地

20、址:2正弦波寄存器最?。?最大：100每個周期角就加星：1PV=60s4TIC11O3_SE7SP=PLCFST:地址:9常星寄有器杲小:。最大:100SP=&Os5H1103SP=PLCFST:地址:15常量寄存器最小心最大:500PV=60s6RC11O4PV=PLCFST:地址:6暗量寄存器杲小:0最大:500每個周期增址星：1PV=60s7RC1101PV=PLCFST:地址:7堵量寄雨最小:0最大周期增址量:1PV=60s8K比值SP=PLCFg地址了常量寄存器最小心最大100gRUN至毓啟停PV=PLCFST:曜:。制最小心100100110PIDOPVSTAT=PLCFST:地址

21、:9正茹寄存器最小:0最大:100每個周期角度博加量1|SP=PLCFST:地卻11PID112PID2PV=PLCFST:地址:13正弦波寄存器杲小心最大:100每個周期角度增加量:113PID3PV=PLCFST:地址:14正弦波寄存器杲小心最大:100每冷周期角度增加量:1TRANS。15TRANS0216TRANS0317TRANS0418根據(jù)具體的控制要求，在圖中選擇了相應(yīng)的控制回路，并根據(jù)控制要求設(shè)置了相關(guān)的控 制點，如下圖：動畫連接（手冊中有道）根據(jù)相關(guān)模擬量設(shè)置相關(guān)的動態(tài)效果圖，使控制系統(tǒng)具有友好的人機界面。設(shè)計控制策略（力控擴展組件有道）根據(jù)系統(tǒng)中控制回路的特性選擇相應(yīng)的控制

22、器和控制點，用線將其連接起來并編譯檢查錯誤，如無錯誤可運行?？刂撇呗匀鐖D:汽包液位串級控制:TRANS01INPVTE 皿，|I 0. 000TRANS04FIC11O1.PV0.000INPV1TRANS |過熱蒸汽溫度單回路控制:燃油與空氣的比值控制:參數(shù)整定，F(xiàn)ID1OPPV PIDiiTOANSOl INPVTF2NSTRANSOMINPVTRANSFIC11S運行根據(jù)理論和經(jīng)驗對PID參數(shù)進行整定達到良好的控制效果，做到抗擾動能力強，反映速度快，魯棒性好運行畫面如如下:實時趨勢及歷史趨勢:49. 1950. 0030.0030. 0040.0020.00暗紅色曲線代表汽包設(shè)定液位，暗

23、綠色曲線代表過熱蒸汽的設(shè)定溫度，綠色曲線代表過熱蒸汽的實際溫度。暗藍色曲線代表燃油流量，藍色曲線代表空氣流量?？偯伯嬅?總貌畫面區(qū)域口LEVEL . U00LVL_EET汽包設(shè)定藏叵80.000TIC1103過熱蒸汽溫度49.447TIC11O3_SE5熱蒸汽設(shè)定溫度100.000FT1103燃油流里50.000FIC1104空氣流里21.984FIC11LI1軟化水流里0. 000K比值0. 000RUN系統(tǒng)啟停1Fino0. 000FILll0. 000PID245.140FID33. 495報警畫面:低報0.000低級沒確認儡報9.056儡級恢復(fù)2012/03/09 11:23:15.2 LEVEL汽包液位2012/03/09 11:20:41.2 TIC1103過熱蒸汽溫度課程設(shè)計小結(jié)(組態(tài)