1、过程控制课程设计说明书1锅炉水位-汽温控制系统设计1 引言工业自动化涉及的范围极广，过程控制是其中最重要的一个分支。因而，过程控制在国民经济中占有极其重要的地位。锅炉是众多工业部门必不可少的重要动力设备。因此，锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分。因而，对锅炉设备中的控制系统进行分析研究是必要的。锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节。对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。2 总体方案设计原则系统控制方案设计在整个工程方案设计中占有十分重要的地位，一个控制系统的成功与
2、否主要取决于是否有一个设计优良的控制方案。任何一种控制系统设计的目的都是为了满足生产过程中的工艺要求，从而提高产品质量和生产效率。因此，为实现此目的，设计加热炉装置的控制方案时，应遵循以下基本原则：（1）满足要求最大限度地满足被控对象的控制要求，这是设计该控制系统的首要前提，也是设计中最重要的一条原则。进行设计前，需要深入了解被控对象，收集资料。（2）安全可靠保证控制系统长期运行的安全、可靠、稳定，是设计中的重要原则。为了达到这一目的，在系统方案设计、可靠性设计、设备选择、软件编程方面应进行总体规划和全面考虑。（3）经济实用在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济、实用、维护方便。过程控
3、制课程设计说明书2（4）适应发展考虑到生产发展和工艺的改进，设计的控制系统应具有适当的扩展功能。2.1 调节阀选型原则2.1.1 阀门开闭形式选择原则对于一个具体的控制系统来说，究竟选择气开阀还是气闭阀，要由具体的生产工艺来决定。一般来说，要根据以下几条原则进行选择： 首先要从生产安全出发，即当气源供气中断、控制器故障无输出或调节阀膜片破裂、漏气等而使调节阀无法正常工作，使得阀芯回复到无能源的初始状态时，应能确保生产工艺设备的安全，不致于发生事故。 从保证产品质量出发，当调节阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。 从降低原料、成品、动力损耗来考虑。 从介质的特点考虑。一般来说
4、，根据上面介绍的几条原则，调节阀开、闭形式不难选择。不过，如遇到下面两种情况时，在调节阀开、闭形式的选择上需要加以注意。第一种情况是由于工艺要求不一，对于同一调节阀可以有两种不同的选择结果。如果出现这种情况，需要与工艺专业人员认真分析、仔细协商、分清主次、权衡利弊、慎重选择。第二种情况是某些生产工艺对调节阀开、闭形式的选择没有严格要求，调节阀的开、闭形式可以任选。2.1.2 控制器正反作用选择原则从控制原理可知，对于一个反馈控制系统，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统受到干扰时，其过渡将会是衰减的。反之，如果系统是正反馈，那么系统是不稳定的，一旦遇到干扰，过渡过程将会发散。系统不稳定
5、当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定地工作，必须要构成负反馈，即控制回路各个环节的符号之积为负值。在控制回路中，对象、调节阀、测量变送装置和偏差环节的符号是很容易确定的，这样就可以确定控制器的正反作用。过程控制课程设计说明书3需要注意的是，对于 DCS 而言，偏差为设定值减去测量值，因为该环节的输入为测量值，当测量值减少的时候，偏差增加；当测量值增加的时候，偏差减少，因此，该环节的符号一直为负。2.1.3 控制器规律选择原则工业过程中常见的控制规律有开关控制、比例控制、比例-积分控制、比例-微分控制、比例-积分-微分控制等。过程工业中常见的参数有流量、液位、压力和温
6、度，这些参数有些是重要的生产参数，有些是不太重要的参数，所以控制要求也是各有不同，控制规律的选择要根据具体情况而定。有一些基本原则可以在选择时加以考虑：（1）对于不太重要的参数，可以考虑采用比例控制，甚至采用开关控制；（2）对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例-微分控制。但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选用比例-微分控制；（3）对于比较重要的、控制精度要求比较高的参数，可采用比例-积分控制；（4）对于比较重要的、控制精度要求比较高、希望动态偏差小、被控对象的时间滞后较大的参数，应该采用比例-积分-微分控制或者是先进控制算法。2.2 温度 -液位双回
7、路控制系统构成电热锅炉温度-液位双回路控制系统的组成如图 1 所示。采用 PLC 作控制器,两个控制回路分别实现锅炉液位和锅炉出水温度的控制。因为锅炉液位如果过低会发生干烧而发生严重事故，因此，系统还采用了低液位联锁控制。锅炉液位控制过程：压力变送器将锅炉液位检测转换为电压信号，送至 PLC 的模拟量输入 AI1 进行 A/D 转换，然后 PLC 根据给定的液位值与反馈值比较，利用其偏差进行 PID 运算，结果经 AO1 输出至变频器，使频率相应变化，水泵转速相应变化，调节供水量，最终实现锅炉液位的稳定。过程控制课程设计说明书4图 1 电热锅炉温度-液位双回路控制系统组成锅炉水温控制过程：温度
8、传感器和温度变送器将出水温度检测后转换为电压信号，送至 PLC 的模拟量输入 AI2 进行 A/D 转换，然后 PLC 根据给定的温度值与反馈值比较，进行 PID 运算，结果经 AO2 输出至晶闸管 SCR 模块，改变锅炉电热圈两端电压，最终实现锅炉出水温度的稳定。低液位联锁控制原理：如果液位值在正常范围内，输出端 DO1 输出为 ON,控制低液位联锁开关闭合，可以正常进行加热工作。如果液位反馈值低于给定低限报警值，则进行低液位报警，并控制低液位联锁开关断开，停止加热，保证了锅炉的工作安全。2.2.1 汽包水位控制汽包液位调节的任务是使锅炉进水量和锅炉蒸发量相平衡，并维持汽密水位在工艺规定的安
9、全范畴内。该调节系统采用三冲量调节，即根据给水流量、汽包液位和蒸汽流量调节给水阀，汽包水位信号经汽包压力补偿后作为主调的输入，蒸汽流量信号经温度、压力修正后与给水流量信号一起作为副调的反馈输入。启动时只有汽包水位的单冲量控制。单冲量控制和三冲量控制能相互无扰动切换。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，使过热蒸汽温度降低；水位过低，负荷增大时水的汽化速度加快，汽包内水量迅速减少，如不及时调整，会使汽包内的水全部汽化，危及锅炉安全。当负荷非常不稳定时，给水流量的扰动，使汽包水位有较大延迟，蒸汽流量变化，会出现虚假水位，使得三冲量难以运行，因此先以单冲量投入运行，使工况稳定后再投
10、入三冲量，也要求单冲量和三冲量两种控制方式能方便地进行无扰切换。见图2过程控制课程设计说明书5图 2 汽包水位控制系统的结构图2.2.2 过热蒸汽汽温控制过热蒸汽温度是非常重要的参数，过高会烧坏过热器水管，对负荷设备的安全运行带来不利因素，过低会直接影响负荷设备的使用。因此它的控制要求比较严格，一般工艺上都是用喷水减温的方法来控制过热蒸汽温度。根据过热蒸汽温度和减温器后蒸汽温度调节减温水调节阀，使过热蒸汽温度维持在工艺安全范围，见图 3。图 3 过热蒸汽温度自动调节控制系统的结构图当入口蒸汽及减温水一侧扰动时，首先反应为减温器后汽温的变化，这个回路就可以及时调整，使扰动对过热蒸汽温度的影响大大
11、减少，提高了调节品质。过程控制课程设计说明书63 被控参数特性分析控制对象对象中主要包括温度、流量这2个参数，不同类型的参数具有不同的对象特性，需要采用不同的控制方法。（1）温度温度动态特性的特点：其一，惯性大，容量滞后大，有些过程的时间常数达到十几分钟；其二，温度对象通常是多容的。由于温度滞后大，控制起来不灵敏，因此温度控制系统需要增加微分作用。在工业生产过程中，温度控制就是对传热过程的控制，包括对流传热、传导传热和辐射传热。温度控制的操纵变量通常是流量，如加热介质的流量、冷却介质的流量、燃料的流量等。温度控制的方法与被控对象的特点、控制精度要求等有关，其种类很多。（2）流量水位的控制要明确
12、流量的大小，流量的测量容易受到噪声的干扰，流量本身可能是平稳的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是频繁地变动。这是由于管道中的流动正常时都呈现湍流状态，流量虽然平稳，流体内部却在骚动。特别是流体通过截流装置时，此种骚动程度比较大，产生的噪声也较大。噪声是一种频率很高、变化无常的流体流动，这是流量控制系统不能加微分的原因。由于噪声频率很高，虽然幅度变化不大，但若加上微分控制器其输出容易出现波动，反而使系统不稳定。流量过程时间常数很小，当手动调整阀门时，流量在几秒钟内就能变化完毕，响应比较灵敏。这是由于工业过程中调节阀（执行机构）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，缓冲余地小，阀门一动作，
13、流量立即变化，滞后时间小、响应快。对于流量而言，广义对象的时间常数主要取决于控制器、定位器、变送器和信号传输等部分，流量自身的时间常数相对较小。4 系统控制流程根据控制要求，系统控制流程如图 4 所示。PLC 上电运行后，首先执行初始化程序，设定控制参数初值，给出液位和温度设定值。系统启动开关闭合后，启动控制。控制程序中使用一个定时器进行周期采样和 PID 控制，定时器的延时时间按采样时间来设定。采样时间到，过程控制课程设计说明书7分别进行液位和温度过程值的采样处理，然后与设定值比较，分别进行 PID 调节，计算出的操作值分别给变频器和晶闸管 SCR 实现液位和温度的控制。程序会判断液位是否低
14、于下限，如果发生低液位，则通过联锁开关停止加热，并发出报警；图 4 系统控制流程如果液位正常，则加热工作也正常进行；如果液位高于上限，会发出高液位报警。温度过高，通过程序控制会给出高温指示。过程控制课程设计说明书85 总结锅炉汽温-水位双回路控制系统采用了 PLC 控制技术、变频器调速技术和电力电子技术，软硬件相结合，比较理想地实现了对锅炉汽温和水位的自动控制，系统安全、可靠、易于实现、维修方便。如果结合上位监控软件，还可以实现很好的人机交互，进行设定值和控制参数的在线调整，实现远程监控。过程控制课程设计说明书96 心得体会本设计是在经过两个星期的时间完成的，我们参考了许多的资料，包括网上的，
15、书本上的等，尽我们的所能，而编写的一篇的报告。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。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，过程控制已经成为当今工业生活应用中空前活跃的科目，在生活中可以说得是无处不在。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在整整两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了
16、理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说以前学的前馈系统。当真正做一个连贯系统时就不那么得心应手了！课程设计之后，学到很多的东西。过程控制课程设计说明书10参考文献1 王永华 现代电气控制及 PLC 应用技术 北京航空航天大学出版社 2008.22能源部西安热工研究院 热工技术手册 19923张淑玉 电厂热力过程自动化 水利电力出版社 20034施仁 自动化仪表与过程控制 电子工业出版社 19995文群英 热工自动控制系统 中国电力出版社 20066张丽香 模拟量控制系统 中国电力出版社 2006
