過程控制課程設計說明書鍋爐水位-汽溫控制系統(tǒng)設計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分支。因而，過程控制在國民經(jīng)濟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，對鍋爐設備中的控制系統(tǒng)進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，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引起的，可見鍋爐水位控制在鍋爐設備控制系統(tǒng)中的重要性。2 總體方案設計原則系統(tǒng)控制方案設計在整個工程方案設計中占有十分重要的地位，一個控制系統(tǒng)的成功與否主要取決于是否有一個設計優(yōu)良的控制方案。任何一種控制系統(tǒng)設計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)品質量和生產(chǎn)效率。因此，為實現(xiàn)此目的，設計加熱爐裝置的控制方案時，應遵循以下基本原則：（1）滿足要求最大限度地滿足被控對象的控制要求，這是設計該控制系統(tǒng)的首要前提，也是設計中最重要的一條原則。進行設計前，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)長期運行的安全、可靠、穩(wěn)定，是設計中的重要原則。為了達到這一目的，在系統(tǒng)方案設計、可靠性設計、設備選擇、軟件編程方面應進行總體規(guī)劃和全面考慮。（3）經(jīng)濟實用在滿足控制要求的前提下，力求控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、實用、維護方便。（4）適應發(fā)展考慮到生產(chǎn)發(fā)展和工藝的改進，設計的控制系統(tǒng)應具有適當?shù)臄U展功能。2.1 調節(jié)閥選型原則2.1.1 閥門開閉形式選擇原則對于一個具體的控制系統(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)以下幾條原則進行選擇： 首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)，即當氣源供氣中斷、控制器故障無輸出或調節(jié)閥膜片破裂、漏氣等而使調節(jié)閥無法正常工作，使得閥芯回復到無能源的初始狀態(tài)時，應能確保生產(chǎn)工藝設備的安全，不致于發(fā)生事故。 從保證產(chǎn)品質量出發(fā)，當調節(jié)閥處于無能源狀態(tài)而回復到初始位置時，不應降低產(chǎn)品的質量。 從降低原料、成品、動力損耗來考慮。 從介質的特點考慮。一般來說，根據(jù)上面介紹的幾條原則，調節(jié)閥開、閉形式不難選擇。不過，如遇到下面兩種情況時，在調節(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，對于同一調節(jié)閥可以有兩種不同的選擇結果。如果出現(xiàn)這種情況，需要與工藝專業(yè)人員認真分析、仔細協(xié)商、分清主次、權衡利弊、慎重選擇。第二種情況是某些生產(chǎn)工藝對調節(jié)閥開、閉形式的選擇沒有嚴格要求，調節(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，對于一個反饋控制系統(tǒng)，只有在負反饋的情況下，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的，當系統(tǒng)受到干擾時，其過渡將會是衰減的。反之，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，必須要構成負反饋，即控制回路各個環(huán)節(jié)的符號之積為負值。在控制回路中，對象、調節(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，偏差為設定值減去測量值，因為該環(huán)節(jié)的輸入為測量值，當測量值減少的時候，偏差增加；當測量值增加的時候，偏差減少，因此，該環(huán)節(jié)的符號一直為負。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)律有開關控制、比例控制、比例-積分控制、比例-微分控制、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、被控對象的時間滯后較大的參數(shù)，應該采用比例-積分-微分控制或者是先進控制算法。2.2 溫度-液位雙回路控制系統(tǒng)構成電熱鍋爐溫度-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,兩個控制回路分別實現(xiàn)鍋爐液位和鍋爐出水溫度的控制。因為鍋爐液位如果過低會發(fā)生干燒而發(fā)生嚴重事故，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換為電壓信號，送至PLC 的模擬量輸入AI1 進行A/D 轉換，然后PLC 根據(jù)給定的液位值與反饋值比較，利用其偏差進行PID運算，結果經(jīng)AO1 輸出至變頻器，使頻率相應變化，水泵轉速相應變化，調節(jié)供水量，最終實現(xiàn)鍋爐液位的穩(wěn)定。圖1 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換為電壓信號，送至PLC 的模擬量輸入AI2 進行A/D 轉換，然后PLC 根據(jù)給定的溫度值與反饋值比較，進行PID 運算，結果經(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，輸出端DO1 輸出為ON,控制低液位聯(lián)鎖開關閉合，可以正常進行加熱工作。如果液位反饋值低于給定低限報警值，則進行低液位報警，并控制低液位聯(lián)鎖開關斷開，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節(jié)的任務是使鍋爐進水量和鍋爐蒸發(fā)量相平衡，并維持汽密水位在工藝規(guī)定的安全范疇內。該調節(jié)系統(tǒng)采用三沖量調節(jié)，即根據(jù)給水流量、汽包液位和蒸汽流量調節(jié)給水閥，汽包水位信號經(jīng)汽包壓力補償后作為主調的輸入，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的反饋輸入。啟動時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，負荷增大時水的汽化速度加快，汽包內水量迅速減少，如不及時調整，會使汽包內的水全部汽化，危及鍋爐安全。當負荷非常不穩(wěn)定時，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，使得三沖量難以運行，因此先以單沖量投入運行，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行無擾切換。見圖2圖2 汽包水位控制系統(tǒng)的結構圖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，對負荷設備的安全運行帶來不利因素，過低會直接影響負荷設備的使用。因此它的控制要求比較嚴格，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節(jié)減溫水調節(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節(jié)控制系統(tǒng)的結構圖當入口蒸汽及減溫水一側擾動時，首先反應為減溫器后汽溫的變化，這個回路就可以及時調整，使擾動對過熱蒸汽溫度的影響大大減少，提高了調節(jié)品質。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：其一，慣性大，容量滯后大，有些過程的時間常數(shù)達到十幾分鐘；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，如加熱介質的流量、冷卻介質的流量、燃料的流量等。溫度控制的方法與被控對象的特點、控制精度要求等有關，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都呈現(xiàn)湍流狀態(tài)，流量雖然平穩(wěn)，流體內部卻在騷動。特別是流體通過截流裝置時，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。流量過程時間常數(shù)很小，當手動調整閥門時，流量在幾秒鐘內就能變化完畢，響應比較靈敏。這是由于工業(yè)過程中調節(jié)閥（執(zhí)行機構）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，滯后時間小、響應快。對于流量而言，廣義對象的時間常數(shù)主要取決于控制器、定位器、變送器和信號傳輸?shù)炔糠郑髁孔陨淼臅r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上電運行后，首先執(zhí)行初始化程序，設定控制參數(shù)初值，給出液位和溫度設定值。系統(tǒng)啟動開關閉合后，啟動控制?？刂瞥绦蛑惺褂靡粋€定時器進行周期采樣和PID 控制，定時器的延時時間按采樣時間來設定。采樣時間到，分別進行液位和溫度過程值的采樣處理，然后與設定值比較，分別進行PID 調節(jié)，計算出的操作值分別給變頻器和晶閘管SCR實現(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)鎖開關停止加熱，并發(fā)出報警；圖4 系統(tǒng)控制流程如果液位正常，則加熱工作也正常進行；如果液位高于上限，會發(fā)出高液位報警。溫度過高，通過程序控制會給出高溫指示。5 總結鍋爐汽溫-水位雙回路控制系統(tǒng)采用了PLC 控制技術、變頻器調速技術和電力電子技術，軟硬件相結合，比較理想地實現(xiàn)了對鍋爐汽溫和水位的自動控制，系統(tǒng)安全、可靠、易于實現(xiàn)、維修方便。如果結合上位監(jiān)控軟件，還可以實現(xiàn)很好的人機交互，進行設定值和控制參數(shù)的在線調整，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。6 心得體會本設計是在經(jīng)過兩個星期的時間完成的，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，而編寫的一篇的報告。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(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動強度。課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.隨著科學技術發(fā)展的日新日異，過程控制已經(jīng)成為當今工業(yè)生活應用中空前活躍的科目，在生活中可以說得是無處不在?；仡櫰鸫苏n程設計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，在整整兩個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，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，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說以前學的前饋系統(tǒng)。當真正做一個連貫系統(tǒng)時就不那么得心應手了！課程設計之后，學到很多的東西。參考文獻1 王永華 現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術 北京航空航天大學出版社 2008.22能源部西安熱工研究院 熱工技術手冊 19923張淑玉 電廠熱力過程自動化 水利電力出版社 20034施仁 自動化儀表與過程控制 電子工業(yè)出版社 19995文群英 熱工自動控制系統(tǒng) 中國電力出版社 20066張麗香 模擬量控制系統(tǒng) 中國電力出版社 200610