1、 本科生毕业设计 说明书 （ 毕业 论文） 题 目： 基于 MCGS 的锅炉汽包水位计算机控制系统设计 学生姓名： 学 号： 专 业： 测控技术与仪器 班 级：I 基于 MCGS的锅炉汽包水位计算机控制系统设计 摘 要 汽包水位是影响锅炉安全运行的 一个 重要参数， 它间接地反映了锅炉负荷和给水的平衡关系， 汽包水位过高 或者 过低的后果 都 非常严重，因此 对 汽包水位必须 进行 严格控制。 PLC 技术的快速发展使得 PLC 广泛应用于过程控制领域并极大 地 提高了控制系统性能， PLC 已经成为当今自动控制领域不可缺少的 重要设备。 本文从分析影响汽包水位的各种因素出发， 重点分析了锅炉
2、汽包水位的“ 虚 假水位现象”， 提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案 。 根据控制要求 和所设计的控制方案 进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用 PLC 编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成 PLC 在锅炉汽包水位控制系统中应用。 采用 自动化监控软件 MCGS 进行操作站的组态设计，现场数据检测及输出控制，实现了对锅炉汽包水位的控制。 关键词： 汽包水位 ； PLC； 三冲量调节系统 ； PID 控制 ； MCGS 监控软件 II Based on the MCGS boiler drum water level of the computer control system
3、design Abstract The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, it reflects the balance of boilers load and supplying water indirectly, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence, therefore it must be strictly to be cont
4、rolled. 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 factors
5、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. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well a
6、s system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed. We choose automatic monitored software MCGS as operation station which can realize configuration design for operation station and realize data testing and output control i
7、n the scene. As a result, this can realize the control for the water level of the steam manifolds of boilers. Key words: Steam drum water level ; PLC ; Tri-impulse controlling system ; PID control; MCGS monitoring and software 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 引 言 . 1 1.1 课题背
8、景 . 1 1.2 汽包水位控制现状及存在问题 . 3 1.3 本课题主要任务 . 6 第二章 锅炉系统概述 . 7 2.1 锅炉的结构 . 7 2.2 锅炉的汽水系统 . 9 2.2.1 锅炉水循环系统 . 9 2.2.2 锅炉蒸汽发生过程 .11 2.3 锅炉汽包水位控制特性 . 13 2.3.1 汽包水位调节对象的动态特性 . 13 2.3.2 汽包的热平衡方程 . 13 第三章 锅炉控制系统总体方案 . 15 3.1 锅炉控制系统概述 . 15 3.2 锅炉汽包水位控制系统 . 16 3.3 锅炉燃烧控制系统 . 16 3.4 过热蒸汽温度控制系统 . 17 3.5 除氧器控制系统 .
9、 17 第四章 锅炉汽包水位控制系统设计 . 18 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） IV 4.1 汽包水位的影响因素 . 18 4.2 锅炉汽包水位常规控制策略 . 20 4.3 汽包水位系统控制方案确定 . 24 4.4 汽包水位的控制方案设计 . 25 4.4.1 硬件工作原理 . 25 4.4.2 PLC 与过程监控软件概况及选择 . 27 第五章 PID 控制算法及 PLC 编程 . 29 5.1 PID 控制算法 . 29 5.2 PID 控制原理 . 30 5.3 PID 对控制的影响 . 31 5.4 PLC 软件要完成的任务 . 32 5.5 PID 调节器的
10、PLC 编程 . 33 5.5.1 程序流程设计 . 33 5.5.2 梯形图 程序设计 . 34 第六章 MCGS 组态软件设计 . 35 6.1 MCGS 组态软件简介 . 35 6.2 MCGS 组态软件的系统构成 . 35 6.3 MCGS 监控界面设计 . 36 第七章 结论与展望 . 38 参考文献 . 40 致谢 . 42 附录 . 43 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 1 第一章 引 言 1.1 课题 背景 锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动力设备。为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的运行安全，锅炉系统各个环节的工艺参数必须严格控制。锅炉
11、系统主要的被控参数有汽包水位，过热蒸汽 压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，燃 -空配比；主要的控制变量有：锅炉给水、燃烧量、减温水流量、送风量。由于锅炉负荷变化比较大、启停频繁，依靠人工操作很难确保其在经济工况下安全、稳定地长期运行，所以锅炉系统必须装备自动控制设备。对它的控制要求建立较为精确的数学模型，但是对于锅炉这一时变、死区、非线性、多变量祸合、扰动大的复杂系统而言，这绝非一件易事，而且锅炉对象的特征会随着锅炉运行工况的改变而改变，没有确定的数学模型 1。 汽包水位是锅炉正常运行的重要参数，维持汽包水位在一定的范围内变化，是锅炉水位控制的重要任 务之一，也是保证汽机和锅炉安全运行的重要条件。
12、如果汽包水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至遭到破坏，影响机组的正常运行和经济性指标 ； 如果汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而被烧坏。 在锅炉汽包水位控制中被控变量是汽包水位，操作变量是给水流量，给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等都有影响。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内是 保证锅炉安全运行的必要条件。 锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持锅筒内水位在允许的范围内变化。锅
13、炉长期在高水位下运行，已成为高参数汽包锅炉普遍存在的内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 2 问题。研究汽包内部实际水位与理想水位差值的成因，并设法修正和消除这个差值，合理控制汽包水位，保证锅炉安全运行有着重要的现实意义。 为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，各种锅炉主要有如下自动调节 2-5任务： 1 保持汽包水位在指定范围 锅炉汽包水位用来表示其蒸发面的高低。汽包水位过高，蒸汽空间缩小，将会引起蒸 汽带水，使蒸汽带水，使蒸汽品质恶化，以致在过热器内产生盐垢沉积，使管子过热，金属强度降低而发生爆破；满水时蒸汽大量带水，将会引起管道和汽轮机内水循环的破坏，使水冷
14、壁管超温 ;严重缺水时，还可能造成很严重的设备损坏和人身事故。 2 维持蒸汽压力 气压过高是很危险的。气压过高而安全阀万一发生故障不动作，则可能发生爆炸事过，对设备和人身安全都带来严重的危害。另一方面，即使安全阀工作正常，气压过高时由于机械应力过大，也将影响锅炉各承压部件的长期安全性。当安全阀经常动作时，排入大量蒸汽，也会造成经济上的损失。当安全阀经 常动作，由于磨损或者有污物沉淀在阀座上，容易发生回座时关闭不严，以致造成经常性漏气损失，有时还需停炉进行检修。 3 维持炉膛负压 锅炉在正常运行中，炉膛压力应保持在 10 20Pa 的负值范围之内。负压过大，漏风严重，总的风量烟气热量损失增大，同
15、时引风机的电耗增加，不利于经济燃烧，负压偏大，炉膛要向外喷火，不利于安全生产，有害于环境卫生。为了使锅炉生产运行在最佳工况，必须要维持炉膛压力在一定的范围之内。 4 维持过热蒸汽温度恒定 蒸汽温度也是锅炉运行中必须监视和控制的主要参数之一。锅炉运行中如果过热蒸内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 3 汽温度 偏离额定值过大，将会直接影响到锅炉和汽轮机的安全、经济。过热蒸汽汽温过高，若超过设备部件（如过热器管、汽轮机的喷管和叶片，以及蒸汽管道、阀门等）的允许工作温度，将使钢架加速蠕变，从而降低设备使用寿命，严重超温甚至会使管子过热而爆破。 过热蒸汽汽温过低，将会降低热力设备的经济性。如
16、果在蒸汽初始压力为 11.76-24.5MPa 时，过热蒸汽气温每降低 10 ,大约会使循环效率降低 0.5；气温过低还会使汽轮机的最后几级的蒸汽湿度增加，对叶片的侵蚀作用加剧。严重是将会发生水冲击，威胁汽轮机的安全。因此，运行中规 定，当汽温降低到一定数值时，汽轮机就要减负荷甚至紧急停车。 5 保证锅炉燃烧的经济性 燃烧过程的稳定性，直接关系到锅炉运行的可靠性。如果燃烧过程不稳定将引起蒸汽参数发生变动；炉膛内温度过低将影响燃烧的着火和正常燃烧，容易造成锅炉灭火；炉膛内温度过高或火焰中心偏斜将引起水冷壁、炉膛出口受热面结渣，并可能增大过热器的热偏差，造成局部管壁超温等。所以，适当调节燃烧，使燃
17、烧工况稳定，是保障锅炉安全可靠运行的重要条件。 1.2 汽包水位控制现状及存在问题 先进控制策略的发展主要向预先控制、自适应控制、智能控制、模拟控制等方面 发展。目前，国内外汽包水位控制策略采用三冲量控制、模糊控制及 PID 自校准与自调整的比较多，特别是前 2 种，其中模糊控制主要是朝智能化方向发展，表现在模糊控制与智能控制的结合，采用遗传算法优化模糊控制等。它避免了只凭经验和试凑法设计模糊控制器所存在的困难和盲目性，有效地提高了模糊控制器的控制品质， FNN 的结构考虑了模糊推理及模糊规则，主要解决的问题是：规则的完整性、规则的优化和控制系统的稳定性； PID 自调整、自校正主要采用不同的
18、优化方法对参数进行自调整；预测函数控内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 4 制、广义预报自适应控制、模型参考自适应控制等基 于模型的控制方法发展的比较少，具体在实际应用过程中应用的则更少；前叙的各种汽包水位控制策略各有优缺点，引入汽包水位噪声的因素，并基于这些控制策略开发新的控制策略将是项很有意义的工作，也是可行的 6。 目前较为流行也运用较多的锅炉控制方法 如 PID 控制，其优点是控制系统结构较为简单， 易于实现 。但是对于锅炉汽包水位控制，最大问题是在汽包运行中出现的“虚假水 位”现象。过高的水位会影响汽水分离装置的汽水分离效果 ,使锅炉出口的饱和蒸汽的湿度增大 ,含盐量增多
19、 ,造成过热器和汽轮机通流部分结垢 ,从而引起过热器管壁超温甚至爆 管。当水位严重过高时 ,还将使汽轮机产生水冲击 , 引起破坏性事故。水位过低 ,会影响锅炉的水循环安全 ,造成局部水冷壁管过热 ,严重缺水时造成锅炉爆炸。若采用简单的 PID 控制方式控制汽包水位，在出现“虚假水 位”时，控制系统将会减少汽包进水流量，致使汽包中供水量进一步减少。因此，常规的 PID 控制器难以获得良好的控制效果。 PLC 是 70 年代发展起来的中大规模的控制器，是集 CPU、 RAM、 ROM、 I/O 接口与中断系统于一体的器件 3，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业。随着计算机在
20、操作系统、 应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了 PLC 通信能力，丰富了 PLC 编程软件和编程技巧，增强了 PLC 过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用 PLC 技术。 PLC 控制 锅炉技术是近年来开发的一项新技术。它是 PLC 软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物 。 作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。 采用 PLC 控制 技术 ，能 实现对 锅炉 运 行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被 控 量是汽包水位，而调节量则是 汽包 给水流量，通过 对 汽包水位的实时检
21、测并进行反馈， PLC 对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 5 的运算，运算结果输出给执行机构从而实现 给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡， 汽包水位 变化在允许范围之内。 锅炉汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领域的一个典型问题。随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐渐提高。其间主要经历了上世纪三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代兴起的计算机控制等几个阶段。 锅炉汽包水位控制的 任务是锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽
22、包水位在规定的范围内。汽包水位反应了汽包锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数，保证汽包水位正常是保证锅炉与汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过高而使过热器管壁结垢，容易导致过热器烧坏。汽包出口蒸汽中水分过多，也会使气温过热产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。 锅炉 汽包水位系统 结构 图如图 1.1 所示 。 图 1.1 锅炉 汽包水位系统 结构 图 汽包水位控制系统是一个能从锅炉启动、停炉、低负荷、正常负荷及至在机组发生某些重大事故等各种不同工况下都能实现汽包水位自动控制的系统，而且从一种控制状态到另一种控制状态的判断、转换、故障检测也常常是由系统本身自动完成的。因此，现代锅炉的汽包水位控制系统的功能越来越完善，对其可靠性要求也越来越高，所以系统的结构也越来越复杂。
