基于plc實現的鍋爐汽包水位監控系統設計(完成(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 消耗及實時性的準確匯總、科學的報表統計，它關系到生產管理、成本核算、提高經濟效益大問題 。 分布式計算機控制系統 （ CS） 和可編程邏輯控制器 （ Programmable Logic Controllers， PLC） 計算機控制系統配有多種通訊協議 ， 支持多種現場總線技術 ，為數據信息處理技術的實時性、準確性實現提供了保障。 其次系統生產過程的重要參數和設備運行狀態進行實時控制及檢測，以往采用眾多數字顯示儀表進行現場參數檢測的方法被取代為計算機分組畫面檢測 ， 同時實時趨勢畫面 ， 歷史趨勢畫面，更加有利于多手段、多方面集中監測生產過程運行狀態。對于設備運行控制可實現集中操作、故障分散設計手段，且其運行狀態配以報警畫面及聲光提示，更有利于生產設備的安全運行。它是分布式計算機控制系統 （ DCS） 和可編程邏輯控制器 （ Programmable Logic Controllers， PLC） 計算機 控制系統的性能及特點的具體體現，是目前國內外普遍采用的先進的手段。 因此硬件設備將在商品化的 DCS 系統與 PLC 計算機控制系統選擇。鑒于國外 DCS系統硬件成本較高 ， 本著即要充分考慮設備的先進性、運行可靠性、實用性、可維護性，又要保證滿足系統功能設計要求，使先進的監控手段得以實現，并要為廠家降低經費投入的硬件設備選擇原則，系統硬件設備可以采用國產的 DCS 系統或國外的 PLC 計算機控制系統 。 由于國產的 DCS 系統比國外的可編程邏輯控制器計算機控制系統成本投入略高 ， 同時國外的 PLC 控制系統已不僅僅數字邏輯控制，也已具有 模擬量輸入、輸出模塊及其它各種多功能模塊，使完成系統設計的各項功能已不成問題。同時，系統監控軟件如也選擇統一廠家的 ， 將使系統軟件和硬件設備有機結合，可保證系統運行可靠性、穩定性。因此系統硬件設備選擇 PLC 系統。 2 PLC 與過程監控軟件的選擇 世界著名廠家的可編程控制器及過程監控軟件如表 11 所列。 通過下表 PLC 和過程監控軟件的比較和研究內容的需求，最后選擇了 GE Fanuc 的 90TM30 系列 PLC 和 GE CIMPLICITY HMI 過程監控軟件。 本系統下位機采用美國 GE Fanuc自動化公司的 系列 90TM30 PLC可編程序控制器實現對現場設備生產過程的實時監控。 該系列 PLC模塊具有成本低、性能高、安全性好、易于組態和便于安裝等特點 ， 它的 CPU具有十分強大的功能 ， 內裝 PID， 結構化編程 ， 中斷控制 ， 間接尋址及各種功能模塊 ， 能方便地完成各種復雜的操作。 表 11 著名廠家的可編程控制器及過程監控軟件 生產廠 可編程控制器 過程監控軟件 AB SLC500 RSview32 組態軟件 松下 FP0 系列 PLC iFix 組態軟件 OMRON CJ1 系列 PLC iFix 組態軟件 SIMATIC S7400/M7400 PLC 過程可視化組態軟件 三菱 A 系列 PLC Intellution FIX 上位組態軟件 GE Fanuc 9070/30/20 系列 PLC GE CIMPLICITY HMI 西門子 S700 WinCC 監控組態軟件 控制方案的選擇 典型的 鍋爐汽包水位控制策略包括單沖量、雙沖量和三沖量 。 由于單沖量、雙沖量及單級三沖量控制策略比較簡單 ， 并且難以適應現代各種復雜鍋爐的控制要求 ， 目前各種鍋爐汽包水位控制絕大多數采用三 沖量水位控制策略 。 鍋爐汽包水位 的 單沖量控制系統：這里指的單沖量 即 汽包水位，這種控制系統是典型的單回路控制系統。當蒸汽負荷突然大幅度增加時，由于假水位現象，控制器不但不能開大 給水 閥增加給水量 ， 以維持鍋爐的物料平衡，而是關小控制閥的開度減小給水量。等假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴重下降，波動很厲害，嚴重時甚至會使汽包水位降到危險程度以致發生事故。因此對于停留時間短、負荷變動大的情況，這種的系統不能適應，水位不能保證。 鍋爐汽包水位的雙沖量控制系統：在汽包水位控制中 ， 最主要的擾動是負荷 的變化。如果根據蒸汽流量來起校正作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥的 3 動作十分及時，從而減少水位的波動，改善控制品質。將蒸汽流量信號引入 ， 就構成雙沖量控制系統。這是一個前饋 （ 蒸汽流量 ） 加單回路反饋控制的復合控制系統。這里的前饋系統就僅為靜態的前饋，若需要 考慮 兩條通道在動態上的差異，需加入動態補償環節。這個控制系統有兩個缺點，控制閥的工作特性不一定成為線性，對于蒸汽負荷變化要做到靜態補償比較困難 ； 而對于 給水 系統的擾動仍不能克服。 三沖量控制系統的特點：此系統是前饋 串級控制系統。其前饋控制是根據 蒸汽流量來起校正作用，以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作非常及時，從而減少水位的波動，改善控制品質，其串級控制對于主要調節器是保證汽包水位的靜態準確性，同時 副 調節器 能 快速克服 給水 閥前壓力波動干擾。在此設計中也采用三沖量水位控制調節系統。 汽包水位調節重要性 是 維持水位在一定范圍內 ， 它也 是保證鍋爐安全運行的重要條件 [1416]。原因： （ 1） 水位過高會影響汽包內汽水分離 ， 飽和水蒸汽帶水過多，在過熱器管壁結垢 ， 導致損壞。同時過熱蒸汽溫度急劇下降， 會毀壞鍋爐 。 （ 2） 水位過低 ，水量較少 ， 當負荷較大時 ， 水的 汽化速度快 ， 如不及時控制 ， 汽包內水會全部汽化 ，導致水冷壁燒壞 ， 甚至爆炸 。 根據汽包水位條件的重要性和此設計中對汽包水位的要求 使用三沖量控制其優點是（ 1） 系統適合于對于汽包水位要求嚴格或變化頻繁 、 虛假水位嚴重的系統 。 （ 2） 對信號的靜態配合要求沒有那么嚴格 ， 主調節器能自動校正信號配合不準所引起的誤差 。 （ 3） 可以實現無差調節 （ 不存在穩態配合問題 ） 。 三沖量調節系統 ， 即前饋 串級復合控制系統 ， 它的設計思想是 ： 以鍋爐汽包水位測量信號作為主控制信號 ， 構成主調節回路 ， 以蒸汽流量信號作為前饋信號 ， 構成前饋調節回路 ， 總給水流 量作為串級信號 ， 構成副調節回路 ， 由主調節回路、前饋調節回路、副調節回路來共同構成鍋爐汽包水位串級三沖量自動控制系統 。 4 第 2 章 鍋爐汽包水位的 設計 工藝流程 本設計的 工藝流程是 原水 → 原水前處理 → 原水罐 → 水水換熱器 → 汽水換熱器 → 除 氧器 → 儲煤器 → 汽包液位。 系統具有五個調節回路，如汽包液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器壓力、液位的控制回路、鼓風機壓力的控制回路、引風機爐膛負壓調節的控制回路，這里是以汽包液位的控制回路為主， 具體的 工藝流程圖如圖 21 所示 。 圖 21 鍋爐汽包水位控制系統 自控模型 鍋爐工藝及自控要求某鍋爐的工藝設計主要參數為 ： 蒸汽性質： 飽和蒸汽 ； 蒸發量： 35t/h； 蒸汽壓力： 0. 9MPa； 5 蒸汽溫度： 180℃ ； 給水流量： 37m3/h； 給水溫度： 104℃ 。 控制系統硬件部分包括小型工作站 （ 上位工控計算機 ） 、 GE Fanuc 90TM30 系列 PLC可編程序控制器構成的下位機、外部設備、過程輸入輸出通道、現場工業自動化儀表以及供電系統等組成。它是對工業鍋爐生產進行實時控制的物質基礎。系統結構框圖如圖22 所示。 圖 22 系列 結構框圖 鍋爐設備自控系統 I/O 點規模如表 31 所列。系統共有壓力、流量、液位和溫度信號64 個，其中 46 個壓力、流量及液位信號經現場變送器轉換為 4～ 20mADC 標準信號后接入 控制柜， 18 個溫度信號分別由熱電偶、熱電阻測出接入控制柜 ； 5 個 4～ 20mADC 輸出信號用于控制調節閥或變頻調速器等執行機構 ， 以構成自動調節系統 ； 16 個繼電器接點開關量輸入用于檢測現場設備運行狀態， 16 個繼電器接點開關量輸出用于現場設備的連鎖控制。 現場部分 生產過程 D/A PLC A/D 下位機部分 上位機部分 管理命令 打印、報警輸出 信號驅動 數字量 測量變送 6 表 21 I/O 點 規模 序號 信號類型 I/O 點數 1 模擬量輸入 （ AI） 4～ 20mA 標準信號 46 熱電偶 THM 12 熱電阻 RTD 6 2 4～ 20mA 模擬量輸出 (AO) 5 3 24VDC 繼電器接點開關量輸入 (DI) 16 4 繼電器接點開關量輸出 (DO) 16 依據設計院設計要求，本鍋爐自控設計選用的美國 GE Fanuc 自動化公司的 90TM30系列 PLC 可編程序控制 器作為過程輸入輸出通道，實現現場數據檢測及輸出控制； 為增強系統的抗干擾能力 ， 模擬量輸入及輸出均采用信號隔離器。 采用 SerialSNP 通訊協議 ，并通過 SNP/RS232 轉換器實現與操作站 的通訊 ， 操作站 采用目前世界上最優秀、功能最強大的美國 GE Fanuc 自動化公司 的自動化監控軟件 CIMPLICITY HMI 版本 （ 300點 ） 。它是基于 MICROSOFT WINDOWS 98/NT 環境的多任務、多用戶操作系統，是一種開放式系統平臺 。 并 掛接 Microsoft Access 數據庫軟件生成數據庫，實現能源計量管理。 技術路線 系統具有五個調節回路，如汽包液位的控制回路、原水液位控制回路、除氧器壓力、液位的控制回路、鼓風機壓力的控制回路、引風機爐膛負壓調節的控制回路，這里是以汽包液位 的控制回路為主， 它的 系統方框圖如圖 33所示 。 水位對象 差壓變送器 功能模塊 3 水位變送器 壓力 補償模塊 功能模塊 1 差壓變送器 C0+C1PC+C2PS PS 水位 PID調節 給水流量對象 流量 PID調節 PC EH PO PF H PH 功能模塊 2 蒸汽流量 △ P △ P EF F 圖 23 采用 PLC 實現的汽包水位三沖量調節系統 方框圖 RH 7 圖中的參數解釋具體如下： C0— 加法器初始偏置數 ； C C2— 加法器系數 ； EH— 汽包水位偏差值 ； EF— 給水量偏差值 ； F— 積水流量 ； H— 汽包水位 ； PC— 汽包水位調節器輸出值 ； PF— 給水流量測量值 ； PH— 汽包水位測量值 ； PO— 給水流量給定值 ； PS— 經壓力補償后的蒸汽流量測量值 ； RH— 汽包水位給定值 ； △ P— 差 壓流量計輸出值 。 系統通過采用 90TM30 PLC梯形圖編程軟件 ， IC641SWM306進行梯形圖軟件編程 ，需進行 CPU配置、 90TM30 I/O模塊配 置 ， 以及結構化編制方框圖中的功能模塊 功能模塊 飽和蒸汽壓力補償模塊、靜態前饋控制器模塊 （ C0+C1PC+C2PS） 、水位 PID調節模塊、給水流量 PID調節模塊等程序。 功能模塊 1。它是開方運算模塊 ， 因為節流式差壓流量計是通過變送器檢測孔板前后壓差的 ， 變送器輸出的信號與實際流量 Q之間成方根關系。 功能模塊 2。由于汽包水位是一個沸騰的水位 ， 且水中汽泡量是變化不定的 ， 因此在采用差壓變送器測量的水位時 ， 盡管安裝時設置了隔離罐 ， 同時變送器設置了一定阻尼系數 ， 其電流輸出信號仍存在頻繁的周期性波動 ， 因此系統需對 該信號進行平滑處理 ， 以保證其控制質量 ， 本系統采用了一階慣性濾波 。 飽和蒸汽壓力補償模塊。蒸汽管道內溫度、壓力改變時飽和蒸汽密度隨之改變 ，而對飽和蒸 汽密度影響較為明顯的是蒸汽的壓力 ， 所以編制了蒸汽流量壓力補償程序。首先將被測蒸汽壓力進行量綱轉換 （ 即 MPa → kg/cm2） ， 再轉換為絕對壓力 （ 實測為相對壓力 ） ， 然后以設計工作點為界限 ， 分兩段采用計算公式實現蒸汽流量壓力補償 ， 經實際檢驗在工作點附近誤差小于 1%。 靜態前饋控制器模塊 （ C0+C1PC+C2PS） 。 從表面上看 ， 該子程序模塊是構造一個加法器 ， 但其本質上是 編制 C2起著靜態前饋控制器的作用 ， 因鍋爐生產的飽和蒸汽僅用作熱劑 ， 為保護鍋爐其給水流量電動調節閥應采用電關閥為宜 ， 且汽包水位調節器（ LICA101） 為正作用 ， 因此 C2應為負值。應用中 C2 = ； C1 = 1； C0 = |C2 PS | = 35 = ， 應用效果較好。 汽包水位 PID調節器、給水流量 PID調節器子程序塊。 用增強型 CPU360模 版 ， CPU內裝 PID標準的 ISA PID算法 （ PID ISA） ， 通過編程實現。 PID ISA方塊圖如圖 24所示。 8 圖 24 PID ISA方塊圖 以該 PID ISA調節子程序塊構造汽包水位三沖量調節系統 ， 需將水位 PID調節編制成定值調節 （ LICA101） ， 而給水流量 PID調節編制成隨動調節 （ FIRQ102） ， 以構成前饋 串級調節系統。需要注意的是方塊圖中的比例增益項 （ Kc） 和積分速率增益（ Ki） ， 在我國常規 PID調節器比例增益項習慣上通常采用比例帶 δ來設定 （ δ=1/Kc） ；積分增益項通常采用積分時間來設定 （ Ki=1/Ti） 。 因此 ， 上位機組態軟件對這兩個參數進行組態時應進行數據變換。 9 第 3 章 系列 GE9030 PLC 系列 GE9030 PLC特點 （ 1） 最具競爭力 系列 90TM30 PLC 是 GE Fanuc 系列 9030 可編程序控制器家族的一員，提供最先進的編程特性，易于組態，便于安裝，獨有的創新結構開辟了一條最經濟的工業控制途徑。 （ 2） 領先的技術 系列 90TM30 PLC 成本低，性能高 ， 能方便地取代從簡便的繼電器到復雜的中型自動化應用系統場合 。 幾年前需由高檔 PLC 完成的任務現在則由系列 90TM30 來代替 。 GE Fanuc 不斷地推出新產品，擴大使用范圍，顯示了其技術的領先地位，它的 CPU 具有 強大的功能，如內裝 PID，結構化編程，中斷控制，間接尋址及各種功能模塊 ， 能完成復雜的操作。另外系列 90TM30 PLC 有功能很強的特殊模塊可供選擇，包括軸定位模塊 ，高速計數器模塊， BASIC 和 C 語言協處理器模塊及 Genius 通訊模塊。 GE Fanuc 豐富的開關量 I/O 和模擬量 I/O、簡化啟動和故障自診以及容易與其他 PLC、計算機集成一體的特性，使您確信，系列 90TM30 是現在與未來 PLC 的明智選擇。 （ 3） 促進與第三方的合作 促進與第三方的合作。為了及時解決用戶的需求， GE Fanuc 提供第三家工業設備 和軟件包，合作的結果進一步擴大了系列 90TM30 的能力，通用的產品包括：熱電偶、熱電阻、步進電機模塊、大電流繼電器模塊。 NATURAL LANGUAGE STATE LOGIC CONTROL 為那些在系列 90TM30 編程方面沒有經驗的用戶提供了新的編程方式。有些廠家具有數據采集和控制軟件產品，將用系列 90TM30 與個人計算機連機。這些軟件包提供的軟件和系列 90TM30 之間的結合天衣無縫，許多操作接口使用 SNP 通訊協議與具有內裝接口的系列 90TM30 進行通訊。 系列 9030 PLC 系統配置 本系統下位機采用美國 GE Fanuc自動化公司的