基于plc的汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的曲線 H1 所示。考慮到給水溫度低于汽包內(nèi)飽和水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后，吸收了原有的飽和水中的一部分熱量，使得鍋爐內(nèi)部蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽泡總體積 V 也就會(huì)相應(yīng)的減小了，從而導(dǎo)致水位下降 如下圖 所示的曲線 H2。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線應(yīng)是曲線 H1 及 H2 之和。如圖 ，所示的曲線 H 所示，從圖中可以看出該響應(yīng)的過(guò)程有一段延遲時(shí)間，即它是一個(gè)有延遲時(shí)間的積分環(huán)節(jié)，水的過(guò)冷度越大，則響應(yīng)延遲時(shí)間就越長(zhǎng)，其傳遞函數(shù)近似表示下面的函數(shù)： ? ? 11 s (1 )G SS? ?? ? （ 23） 式 中的 表示汽包的水位飛升速度， 表示延遲時(shí)間。 tHH1HH 2 圖 給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線 汽輪機(jī)耗氣量擾動(dòng)的影響 當(dāng)汽輪機(jī)的耗汽量突然做階躍增加時(shí)，一方面改變了汽包內(nèi)物質(zhì)平衡的狀態(tài)，使汽包內(nèi)液體蒸發(fā)量變大，從而使水位下降，如下圖 所示的曲線 H1；另一方面，由于耗汽量的突然增加，將使鍋爐內(nèi)汽泡增多，同時(shí)由于燃料量維持不變汽包壓力下降，會(huì)導(dǎo)致水面以下蒸汽泡膨脹總體積 V增大，從而導(dǎo)致汽包水位上升，如下圖 所示曲線 H2。水位實(shí)際響應(yīng)曲線應(yīng)該是曲線 H1 和 H2 之和，如下圖 所示曲線 H。對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)后者的影響要大于前者。因此，負(fù)荷做階躍增加后的一 段時(shí)間內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)水位不但沒(méi)有下降反，而明顯升高的現(xiàn)象，而這種反常現(xiàn)象通常被稱為“假水位現(xiàn)象”。我們可以認(rèn)為這是一個(gè)慣性和積分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 近似的表示為下面的的函數(shù)： 2 02 1() KS T SGs ?? ? ? ? （ 24） 式中 中 表示汽包的水位對(duì)于蒸汽流量飛升速度， 表示“假水位現(xiàn)象”的延遲時(shí)間。 tHH 1HH 2 圖 汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)響應(yīng)曲線 出水量 擾動(dòng)的影響 出水流量的擾動(dòng)必然也會(huì)引起蒸汽流量的變化，因此也同樣會(huì)有“假水位現(xiàn)象”發(fā)生。但是大量的水在汽包水循環(huán)系統(tǒng)中，汽包，水冷壁管道也會(huì)存儲(chǔ)大量熱量，因此具有一定的熱慣性。出水流量的增大只能使蒸汽量緩慢增大；而且同時(shí)，汽壓也會(huì)緩慢上升，它將使汽泡體積減小，因此出水流量擾動(dòng)下的“假水位現(xiàn)象”比負(fù)荷擾動(dòng)下要緩和的多。 由以上分析，我們可知道給水量擾動(dòng)下的水位響應(yīng)有遲滯性，而負(fù)荷擾動(dòng)下，水位響應(yīng)有“假水位現(xiàn)象”的出現(xiàn)，這些特性使得汽包水位的變化受到多種因素影響，因次對(duì)汽包水位的控制變得比較復(fù)雜和困難。 汽包水位控制方案的設(shè)計(jì) 汽包水位的控制手段是控制給水，基于這一原理，可構(gòu)成下 所示的單沖量控制系統(tǒng)，而這一個(gè)基本的控制方案其方框圖如圖 所示。 這洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 里的單沖量是指控制器僅有一個(gè)測(cè)量信號(hào)，即汽包水位。該控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然大幅增加時(shí)，由于假水位現(xiàn)象 的存在 ，控制器不但不能用以維持鍋爐物料平衡 而 開(kāi)大給水閥的開(kāi)度， 而要 關(guān)小控制閥門(mén)的開(kāi)度，減少給水量； 汽包 等到 虛 假水位消失 以 后，由于蒸汽量的增加，送水量反而減少，將 會(huì) 使 汽包水位下降的很厲害 ，波動(dòng) 也 很厲害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊唤档轿ｋU(xiǎn) 程序以致發(fā)生事故。因此系統(tǒng)不能適應(yīng)停留時(shí)間短，負(fù)荷變動(dòng)較大的情況，這樣的水位不能 保證。然而對(duì)于小型鍋爐，由于汽包停留時(shí)間較長(zhǎng)，在蒸汽負(fù)荷變化時(shí) 假水位的現(xiàn)象并不顯著，配上一些聯(lián)瑣報(bào)警裝 置，也可以保證安全操作，這樣采用單沖量系統(tǒng)尚能滿足生產(chǎn)的要求。（注：下圖的 LT 代表液位變送器， FT 代表流量變送器， LC 代表液位控制器， FC 代表流量控制器） .蒸 汽汽 包省 煤 器L TL CLs pLmuF ( t )D ( t )H ( t )給 水 圖 汽包水位 單沖量控制系統(tǒng) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 給 水 流 量 調(diào)節(jié) 器變 頻 器液 位 變 送 器汽 包給 水 流 量+ 圖 汽包水 位 單沖量控制系統(tǒng)框圖 在汽包水位的控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量來(lái)起較正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動(dòng)作，而且使控制閥的動(dòng)作十分及時(shí)，從而減少水位的波動(dòng)，改善控制品質(zhì)。將蒸汽流量信號(hào)引入，就構(gòu)成雙沖量控制系統(tǒng)。這是一個(gè)前饋加單回路反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。從物質(zhì)平衡的角度出發(fā)，只要能夠保證給水量等于蒸汽蒸發(fā)量就可以保證汽包水位大致不變。因此，可以采用圖 所示的蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其中流量調(diào)節(jié)器可用 PI 調(diào)節(jié)器，使汽輪機(jī)的蒸汽量作為系統(tǒng)給定使給水流量跟蹤蒸汽流量的變化，構(gòu)成了一個(gè)以 蒸汽量作為給定的隨動(dòng)系統(tǒng)從而保證汽包水位的恒定。該方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 蒸 汽省 煤 器給水∑ILISF TL TL C汽包Ls pD ( t )HLmF ( t )u 圖 蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng) 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 給 水 流 量調(diào) 節(jié) 器變 頻 器液 位 變 送器汽 包給 水 流 量+蒸 汽 量 變送 器 圖 蒸汽流量隨動(dòng) 控制 系統(tǒng)框圖 采用該方案的優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)完全根據(jù)物質(zhì)平衡條件工作，給水量的大取決于汽輪機(jī)的耗汽量，而假水位現(xiàn)象是不會(huì)引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，但這個(gè)系統(tǒng)對(duì)于汽包水位來(lái)說(shuō)，只是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。由于給水量和蒸汽量的測(cè)量不準(zhǔn)確，以及鍋爐系統(tǒng)引入的其他擾動(dòng)，使 得給水量和蒸汽量并非準(zhǔn)確的比值關(guān)系而保持水位恒定。由于水位對(duì)于二者的偏差是積分的關(guān)系，微小的偏差長(zhǎng)時(shí)間積累，也會(huì)形成很大的水位差，因此不宜采用隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 如果能把上所述兩種方案結(jié)合起來(lái)，就構(gòu)成了汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)如下圖 所示，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖 所示。雙沖量是指的是同時(shí)引入兩個(gè)測(cè)量信號(hào)：汽包水位和蒸汽流量。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)以上分析的兩種方案可取長(zhǎng)補(bǔ)短，可極大提高汽包水位控制質(zhì)量。當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量出現(xiàn)階躍增大，一方面，由于“假水位現(xiàn)象”汽包水位會(huì)暫時(shí)有所升高，將使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)做出錯(cuò)誤的誤動(dòng)作減少給水量； 另一方面，汽輪機(jī)耗汽量的增大又通過(guò)比例控制系統(tǒng)，指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增大給水量，實(shí)際給水量的增減情況要根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)參數(shù)整定來(lái)確定。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后水位和蒸汽信號(hào)都能正確的指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。只要參數(shù)整定合適，給水量必然等于蒸汽量從而保證水位恒定。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 蒸 汽省 煤 器給水∑ILISF TL TL C汽包Ls pD ( t )HLmF ( t )u 圖 汽包水位雙沖量控制系統(tǒng) 給 水 流 量調(diào) 節(jié) 器變 頻 器液 位 變 送器汽 包變 送 器給 水 流 量液 位蒸 汽流 量+++液 位 流 量調(diào) 節(jié) 器液 位 給 定前 饋 調(diào)節(jié) 器 圖 汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)框圖圖 此外，考慮到給水流量的變化，可以通過(guò)串級(jí)控制的方法，讓給水量的 擾動(dòng)通過(guò)內(nèi)回路自行調(diào)節(jié)，如圖 設(shè)計(jì)所示的三沖量控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖 所示，即前饋 — 反饋 — 串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)。這是三沖量控制系統(tǒng)，包含給水流量控制回路，汽包水位控制回路兩個(gè)控制回路以及一個(gè)蒸汽流量前饋通道，而實(shí)質(zhì)上是蒸汽流量前饋與水位－ — 流量串級(jí)系統(tǒng)組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)主參數(shù)是汽包的水位，副參數(shù)是給洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 水流量、主調(diào)節(jié)器是給水流量調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器是液位調(diào)節(jié)器。一方面，可以克服給水?dāng)_動(dòng)，使給水流量自行調(diào)節(jié)；另一方面，可以有效地抑制“假水位現(xiàn)象”。當(dāng)蒸汽流量發(fā)生變化時(shí)，鍋爐的汽包水位控制系統(tǒng) 中給水流量控制回路，可迅速改變進(jìn)水量的大小而完成粗調(diào)，然后在由汽包的水位調(diào)節(jié)器，完成水位的細(xì)調(diào)從而維持汽包水位的穩(wěn)定。 蒸 汽汽包省煤器給 水L TL CLs pLmF ( t )D ( t )H ( t )F T∑ISILF TF CFs pFmu 圖 汽包水位三沖量控制系統(tǒng) 給 水 流 量調(diào) 節(jié) 器變 頻 器給 水 流 量變 送 器液 位 變 送器汽 包變 送 器給 水流 量液 位蒸 汽流 量+++液 位 流 量調(diào) 節(jié) 器液 位 給 定前 饋 調(diào)節(jié) 器管 道 圖 汽包水位三沖量 控制系統(tǒng)框圖 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 控制算法及其參數(shù)整定 PID 算法介紹 PID（比例（ proportion）、積分（ integration）、微分（ differentiation））控制器 現(xiàn)在 是應(yīng)用最廣泛 的工業(yè)控制器。 PID 控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 PID 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。其輸入 e (t）與輸出 u (t）的關(guān)系為 u(t)=KP[e(t)+1/Ti∫ e(t)dt+Td*de(t)/dt] （ 25） 式中積分的上下限分別是 0 和 t，因此它的傳遞函數(shù)為： G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(Ti*s)+Td*s] （ 26） 其中 kp 為比例系數(shù)； Ti 為積分時(shí)間常數(shù)； Td 為微分時(shí)間常數(shù)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象 ，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差 系統(tǒng)（ S ystem with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤 差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算 控制系統(tǒng)參數(shù)的整定，可以采用理論計(jì)算法或者工程整定法，而理論計(jì)算法要依照以被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，可是 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性在測(cè)取時(shí)往往不是準(zhǔn)確，而且容易隨著工作狀態(tài)的變化而變化，因此我們應(yīng)采用工程整定辦法，所以根據(jù)控制方案可將汽包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖畫(huà)為下圖 所示。 Gw( s ) Gf( s )NwNhGp( s )NdH+++Gh( s )HrGd( s ) W+ 圖 汽包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 其中 Nd， Nw ， Nh 分別表示是蒸汽流量傳感器，給水流量傳感器，水位傳感器的反饋系數(shù)， Gw(S)， Gh(S)， Gd(S)分別表示的是給水流量調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器，前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)分別表示為 Kw， Kh， Kd ，Gf(S)， Gp(S) 分