摘 要鍋爐是眾多工業(yè)部門必不可少的重要動力設備鍋爐汽包水位是一個非常重要的被控變量，汽包水位過高或者過低的后果都非常嚴重，因此對汽包水位必須進行嚴格控制鍋爐的水位調(diào)節(jié)過程難以建立數(shù)學模型，具有非線形、不穩(wěn)定性、時滯等特點PLC技術的快速發(fā)展使得PLC廣泛應用于過程控制領域并極大地提高了控制系統(tǒng)性能，PLC已經(jīng)成為當今自動控制領域不可缺少的重要設備本設計從分析影響汽包水位的各種因素出發(fā)，重點分析了鍋爐汽包水位的“假水位現(xiàn)象”，提出了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的三沖量控制方案按照工程整定的方法進行了PID參數(shù)整定，并進行了仿真研究根據(jù)控制要求和所設計的控制方案進行硬件選型以及系統(tǒng)的硬件設計，利用PLC編程實現(xiàn)控制算法進行系統(tǒng)的軟件設計，最終完成PLC在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中應用關鍵詞：汽包水位 三沖量控制 PLC PID控制目 錄1. 引言 32. 工業(yè)鍋爐的理論基礎 42.1 工業(yè)鍋爐的控制要求與工藝流程 42.2 鍋爐汽包水位的控制 62.3 鍋爐水位控制系統(tǒng)的重要性 63. 鍋爐汽包水位的基本特性和汽包水位控制系統(tǒng)方案選擇 63.1 鍋爐汽包水位控制對象的基本特性 63.2 影響汽包水位的影響因素 73.3 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)及控制方案選擇 83.3.1 單沖量水位控制系統(tǒng) 83.3.2 雙沖量水位控制系統(tǒng) 103.3.3 三沖量水位控制系統(tǒng) 114. PID控制的設計 124.1 PID控制的基本公式 124.2 PID算法簡介 124.3 單沖量仿真電路搭建 144.4 PID參數(shù)整定 144.5 仿真結果分析 165. PLC選型及資源配置 175.1 PLC選型 175.2 PLC的資源配置 176. 控制系統(tǒng)程序設計 196.1 控制系統(tǒng)流程圖 196.2 梯形圖程序 207. 上位機組態(tài)設計 217.1 組態(tài)王簡介 217.2 組態(tài)王主畫面 228. 設計總結 26參考文獻 281. 引言水位是鍋爐運行中一個常重要的參數(shù)。

保持鍋爐汽包水位在正常范圍內(nèi)是鍋爐運行的一項重要的安全性能指標，由于水流量、燃燒狀況及給負荷等因素的變化，汽包水位會經(jīng)常發(fā)生變化過高的水位會影響汽水分離的效果,使用電氣設備發(fā)生故障;而過低水位,則會破壞汽水正常循環(huán),嚴重時導致鍋爐爆炸爐汽包水位應當根據(jù)設備的運行狀況進行實時調(diào)節(jié)加以嚴格控制以保證鍋爐的安全運行鍋爐水位自動控制的任務,就是控制給水流量與蒸發(fā)量的動態(tài)平衡,維持汽包內(nèi)水位在允許的范圍內(nèi)變化同時，汽包水位在正常范內(nèi)波動是保證鍋爐安全生產(chǎn)運行的必要條件鍋爐汽包水位是鍋爐運行中的一個重要監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負荷和給水之間的平衡關系傳統(tǒng)的控制方法是基于各種分立器件，利用多種檢測器對被控參數(shù)進行實時檢測并反饋給控制器件，再根據(jù)自動控制理論的有關算法完成相應的運算并驅(qū)動調(diào)節(jié)機構完成相應的動作，從而達到自動控制的目的這種控制方式受分立器件的性能影響大，系統(tǒng)各部分之間影響較大，自動化水平不高，控制效果并非十分理想，并且易出現(xiàn)故障，不利于系統(tǒng)的長期安全、高效運行現(xiàn)在廣泛使用的控制技術還有DCS集散控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)適合有多個控制回路同時工作的復雜系統(tǒng)，而且集散控制系統(tǒng)往往價格昂貴，對于像汽包水位這樣的控制系統(tǒng)來說性價比太高，因此對于汽包水位控制系統(tǒng)來說并非理想的選擇。

PLC是上世紀70年代發(fā)展起來的一種中大規(guī)模的控制器，是集RAM、ROM、I/O接口、CPU與中斷系統(tǒng)于一體的器件，已經(jīng)被廣泛應用于各種行業(yè)隨著計算機在應用軟件、操作系統(tǒng)、通信能力上的飛速發(fā)展，增強了PLC過程控制能力和通信能力，豐富了PLC編程軟件和編程技巧因此，無論是單機還是多機控制、生產(chǎn)流水線控制及過程控制都可以采用PLC技術PLC控制鍋爐技術是近年來開發(fā)的一項新技術它是PLC軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術緊密結合的產(chǎn)物作為鍋爐控制裝置，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采用PLC控制技術，能實現(xiàn)對鍋爐運行過程的自動檢測、自動控制等多項功能它的被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是汽包給水流量，通過對汽包水位的實時檢測并進行反饋，PLC對反饋信號和給定信號進行比較，然后根據(jù)控制算法對二者的偏差進行相應的運算，運算結果輸出給執(zhí)行機構從而實現(xiàn)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的物料達到動態(tài)平衡，汽包水位變化在允許范圍之內(nèi)2. 工業(yè)鍋爐的理論基礎2.1 工業(yè)鍋爐的控制要求與工藝流程鍋爐是化工、煉油、發(fā)電、造紙和制糖等工業(yè)生產(chǎn)過程必不可少的重要動力設備工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量與蒸發(fā)量保持動態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運行的主要指標之一。

所有各種鍋爐，雖然燃料種類各不相同，但蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽處理系統(tǒng)是基本相同的 圖2-1工業(yè)鍋爐工藝流程工藝流程的步驟：除氧水通過給水泵進入給水調(diào)節(jié)閥，通過給水調(diào)節(jié)閥進入省煤器，冷水在經(jīng)過省煤器的過程中被由爐膛排出的煙氣預熱，變成溫水進入汽包，在汽包內(nèi)加熱至沸騰產(chǎn)生蒸汽，為了保證有最大的蒸發(fā)面因此水位要保持在鍋爐上汽包的中線位置，蒸汽通過主蒸汽閥輸出空氣經(jīng)過鼓風機進入空氣預熱器，在經(jīng)過空氣預熱器的過程中被由爐膛排出的煙氣預熱，變成熱空氣進入爐膛煤經(jīng)過煤斗落在爐排上，在爐排的緩慢轉(zhuǎn)動下煤進入爐膛被前面的火點燃，在燃燒過程中發(fā)出熱量加熱汽包中的水，同時產(chǎn)生熱煙氣在引風機的抽吸作用下經(jīng)過省煤氣和空氣預熱器，把預熱傳導給進入鍋爐的水和空氣通過這種方式使鍋爐的熱能得到節(jié)約降溫后的煙氣經(jīng)過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出 2.2 鍋爐汽包水位的控制鍋爐包水位控制的主要被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量主要考慮的是汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包水位在工藝允許范圍內(nèi)維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐、氣輪機安全運行的必要條件之一，是鍋爐正常運行的指標。

2.3 鍋爐水位控制系統(tǒng)的重要性鍋爐是一種受壓又直接受火的特種設備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設備對鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當，往往會引起事故，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則造成爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設備，后果十分嚴重因此，鍋爐的安全問題是一項非常重要的問題，必須引起高度重視工業(yè)鍋爐中最常見的事故有：鍋內(nèi)缺水，鍋爐超壓，鍋內(nèi)滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等其中以鍋爐缺水事故比例最高這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設備控制系統(tǒng)中的重要性3. 鍋爐汽包水位的基本特性和汽包水位控制系統(tǒng)方案選擇3.1 鍋爐汽包水位控制對象的基本特性工業(yè)鍋爐的汽水系統(tǒng)結構如圖3-1所示圖3-1 工業(yè)鍋爐汽水結構1— 給水母管；2—調(diào)節(jié)閥；3—省煤器；4—汽包；5—下水管；6—上升管；7—過熱器；8—蒸汽母管汽包及蒸發(fā)管系中貯藏著蒸汽和水，貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變引起水位變化的主要擾動就是蒸汽流量的變化和給水流量的變化給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性。

把汽包和給水看作單容無自衡對象，水位響應曲線應為一條直線但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水量變化后，使汽包內(nèi)氣泡含量減少，導致水位下降即當突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現(xiàn)一段起始慣性段3.2 影響汽包水位的影響因素在控制系統(tǒng)中，擾動量有，蒸汽流量，給水流量等，當蒸汽流量增加時，氣泡溫度上升，氣泡壓力減小，氣泡蒸發(fā)變快氣泡增多，出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象，反之也同樣會有虛假水位的現(xiàn)象，虛假水位打破了系統(tǒng)原有的平衡狀態(tài)，破換了洗頭的穩(wěn)定性，如果調(diào)解不及時，嚴重者會導致干鍋現(xiàn)象，損壞鍋爐設備，降低了誰把誒誒的壽命當給水量增加時液位升高，導致液位溫度下降，造成蒸發(fā)溫度低，出現(xiàn)蒸汽帶液，供給動力不足，設備生產(chǎn)效率降低，同時由于溫度降低氣泡內(nèi)壓力增大，使用于蒸發(fā)水的熱量減小，氣泡減少，爐水體積收縮，產(chǎn)生虛假水位現(xiàn)象此外他是一個具有延時時間的積分環(huán)節(jié)，水的溫度越低延時時間就會越長，系統(tǒng)衰減比增大，俞差為零，最大偏差減小，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間變長，控制作用下降此外還有汽輪機耗氣量的多少，汽輪機耗氣量變大時，使供給爐水加熱的溫度減小，打破了系統(tǒng)原有的物料平衡，還會導致虛假液位的現(xiàn)象產(chǎn)生由以上分析可知，給水量擾動下的水位相應有遲滯性，負荷擾動下的水位有“假水位”現(xiàn)象，這些特性使得氣泡水位的變化受到多種因素的影響，因而對他的控制就變得比較復雜。

3.3 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)及控制方案選擇3.3.1 單沖量水位控制系統(tǒng)從反饋與自動控制的角度出發(fā)，很容易想到氣泡水位作為被控對象，給水量作為操縱變量構成單回路自動控制系統(tǒng)，即水位單沖量控制系統(tǒng)，原理圖如圖3-2所示，這是一個最基本的控制方案，其方框圖為3-3單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內(nèi)單沖量水位控制系統(tǒng)，是汽包水位控制系統(tǒng)中最簡單最基本的一種形式圖3-2 單沖量水位控制系統(tǒng)圖3-3 單沖量控制系統(tǒng)框圖其特點為：結構簡單，投資少，適用于氣泡容量較大，虛假水位不嚴重，負荷較平穩(wěn)的場合該過程具有虛假水位的反向特性，因此，當符合變化較大時，會造成控制器輸出誤動作，嚴重影響設備的運行壽命和安全，影響控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)蒸汽負荷變化后，要在引起水位變化后才改變給水量，因此控制不及時3.3.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)雙沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量水位控制系統(tǒng)的基礎上加入了以蒸汽流量信號為前饋信號的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，如圖3-4由于引入了蒸汽流量前饋信號，當蒸汽量變化時，就有一個與蒸汽量同方向變化的給水流量信號，可以減少或抵消由于“虛假液位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的錯誤動作。

使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動作因而能極大的減小給水量和水位的波動，縮短過度過程時間其方框圖為3-5圖3-4 雙沖量水位控制系統(tǒng)流量變送器前饋控制器擾動通道 設定值執(zhí)行器給水流量控制器+-汽包水位液位流量控制器液位變送器 圖3-5 雙沖量水位控制系統(tǒng)框圖3.3.3 三沖量水位控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)，以汽包水位為主控制信號，蒸汽流量為前饋控制信號，給水流量為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)三沖量水位控制系統(tǒng)組成原理圖如圖3-6圖3-6三沖量控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)，采用蒸汽流量信號對給水流量進行前饋控制，當蒸汽負荷忽然變化時，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度當由于水壓干擾使給水流量改變時，調(diào)節(jié)器能迅速消除干擾如給水流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減小的信號，開大給水閥門，使給水流量保持不變4. PID控制的設計4.1 PID控制的基本公式PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)的縮寫，PID控制器是目前應用最為廣泛的閉環(huán)控制器標準PID的控制值與。