火电厂汽包水位监测设计毕业论文(编辑修改稿)

火电厂汽包水位监测设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的导电率不同的原理测量水位，指示值不受汽包压力变化影响。 而其他水位计如差压型低置水位计由“水位、差压”转换装置等组成，转换装置包括热套管、正压室、漏斗传压管等，在启动初期由于正压室还未充满饱和水时，就不能正确反应汽包内水位。 所以，启动初期应以云母水位计和电接点水位计为准，控制汽包水位。 软测量技术主要 由辅助变量的选择、数据采集与处理、软测量模型几部分组成。 基本思想是把自动控制理论与生产过程知识有机的结合起来，应用计算机技术对难以测量或者暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断或者估计，以软件来替代硬件的功能。 应用软测量技术实现元素组分含量的在线检测不但经济可靠，且动态响应迅速、可连续给出萃取过程中元素组分含量 ,易于达到对产品质量的控制。 国内外汽包水位监控发展现状 目前国内外常用的汽包水位控制方式主要有三种：三冲量控制、模糊控制和PID 自校准与自调整。 尤其 是前两种控制方式，最为常用。 每种控制方式又会根据不同的形式有更为细化的分类。 例如 ,就三冲量控制方式而言，有两种种控制策略：选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门、选用进省煤器阀作为汽包水位控制阀门。 汽包水位经典控制策略 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 3 经典汽包水位控制策略包括单冲量、双冲量和三冲量控制 ,由于单冲量、 双冲量及单级三冲量控制策略比较简单 ,并且难以适应现代各种复 杂锅炉的控制要求 ,目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略 ,本文仅对三冲量串级控制策略进行详细分析。 在实际应用中 ,由于选定的控制阀门不一 样 ,串级三冲量作为控制系统的设计也就不一样。 A选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门 选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门对于系统设计来说 ,方案成熟 ,是典型的串级三冲量控制设计 ,在实际现场应用中最为广泛。 该系统的设计思想是 :以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号 ,构成主调节回路 ,以蒸汽流量信号作为前馈信号 ,构成前馈调节回路 ,总给水流量作为串级信号 ,构成副调节回路 ,由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。 引入蒸汽流量 前馈信号可以消除“虚假水位”现象对自动控制的不良影响 ,引 入给水流量串级信号可以消除给水侧压力扰动对自动控制的不良影响。 其控制系统方框图如图 所示。 图 总给水阀作为控制阀系统框图 该系统的优点是 : (1) 系统适合于对于汽包 水位要求严格或变化频繁、 虚假水位严重的系 统。 (2)对信号的静态配合要求没有那么严格 ,主 调节器能自动校正信号配合不准所引起的误差。 (3)可以实现无差调节 (不存在稳态配合问题 )。 缺点有 :(1) 在整定参数时的步骤较多。 (2)尤其在无论主环还是副环 ,只要是有一个环发生振荡 ,就可能造成系统的崩溃。 B 选用进省煤器阀作为 汽包水位控制阀门 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 4 选用进省煤器阀作为汽包水位控制阀门对于系统设计来说 ,系统相对独立 ,控制思路也相对清晰。 该系统的思想是 ,以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号 ,构成主调节回路 ,以蒸汽流量信号作为前馈信号 ,总给水流量也作为前馈信号 ,构成前馈调节回路 ,总给水流量减去减温水流量 ,即进省煤器的给水流量与前两个控制回路的输出构成副调节回路 (即串级回路 ),由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。 其控 制系统方框图如图 所示。 图 省煤器阀作为控制阀控制系统框图 该系统实际是串级三冲量控制的一种变形 , 是在实际应用过程中为更好地满足工艺的要求而确立的。 给水总管阀全开 ,然后将减温水阀与进省煤器的阀分离开来控制 ,由控制算法和软件来消除联动控制系统所带来的不便。 该系统适合于对汽包水位要求严格或变化频繁 ,虚假水位严重的系统。 先进控制策略的发展举例 A 预测函数控制 预测函数控制 [3]由 Richalet 和 Kuntze 等人提出 ,并成功地应用于工业机器人的快速高精度控制。 PFC 把控制结构的输入作为关键 ,可以克服其他模型预测控制可能出现规律不明的控制输入问题 ,同时具有良好的跟踪能力、较强的鲁棒性 ,抑制干扰能力好。 PFC 应用到锅炉汽包水位控制系统 ,并考虑负荷变化对汽包水位的影响 ,将蒸汽流量信号引入到 PFC 的预测模型中 ,用具有对负荷变化前馈补偿的汽包水位系统预测函数控制策略。 仿真结果表明 ,采用该新型汽包水位系统控制策略具有良好的动态调节品质和很强的鲁棒性。 汽包水位控制系统如图 所示。 与常规中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 5 PIDPID串级控制的不同之处在于 ,图 中用 PFC 代替了常规外环的 PID控制器。 图 预测函数控制系统框图 [4] 该控制系统的特点是 :(1)该方法综合了预测控 制、串级控制和 PID 控制的优点。 给水流量的扰动在内回路得以迅速消除 ,而蒸汽流量外扰及系统参数的变化主要由 PFC 的强鲁棒性来保证； (2)采用 PFCPID 串级控制策略的水位系统 ,与传统 PIDPID 串级控制相比 ,在参数整定上要简单得多 ,相对于以往的模型预测控制 ,主要只有两个参数需要整定 :参考轨迹时间常数一般取为主通道对象模型时间常数的 1/10， 1/5 即可。 仿真研究表明 ,这两个参数的取值自由度很大 ,对控制效果影响却很小 ,而对于传统的 PIDPID 串级控制 ,PID 的参数略有改变则对控制效 果影响甚大 ,因而其调 试工作量很大。 虽然 PFCPID 控制需要确定预测模型 ,但对模型的精度要求不是很高。 (3)预测函数控制以其采用简化的数学模型而得到运算量很小的简单算法 ,因而易于在广泛使用的 DCS系统上实现良好的调节品质和在对象特性变化情况下有很强的鲁棒性因而完全能够满足生产现场的实际需要 ,从而其具有良好的应用前景。 B模糊控制 在锅炉汽包水位控制中 ,模糊控制是主要控制策略之一 ,模糊控制 [5]是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑理论为基础的一类计算机数字控制方法。 模糊集合论是 20 世纪 60 年代中期由 L. A. Zadeh 提 出的。 此后 ,模糊数学得到迅速发展 ,形成了一系列比较完整的基础理论。 模糊集合的引入 ,使得人们有可能用比较简单的方法对复杂系统做出合乎实际的、符合人类思维方式的处理。 1973 年 ,L. A. Zadeh 继续丰富和发展了模糊集合论 ,提出了一种把逻辑规则的语言表达转化成相关控制量的思想 ,从而为模型控制的形成奠定了理论基础。 模糊控制方法与通常中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 6 系统分析所用的定量方法有着本质的区别。 它有如下 3 个主要特点 :(1)用语言变量代替数学变量或者两者结合应用； (2)用模型条件语句来刻划变量间的函数关系； (3)用模糊算法来刻划复杂关 系。 工业锅炉汽包水位模糊控制系统通常是由汽包、水位变送器、模糊控制器 (一般由微机组成 )和进水调节阀等部件组成 ,如图 所示 ,图中 Hd 水位给定值 ,H 是水位实际高度 ,当汽包水位连续变化时 ,水位变送器信号也不断改变 ,由此测定值和水位给定值进行比较 ,得出其误差量。 经采样和 A/D转换 ,送入模糊控制器 ,模糊控制器的输出控制量经 D/A 转换 ,与信号功率放大器控制给水阀门 ,从而改变进水量 ,保持水位在允许范围内波动。 图 汽包水位模糊控制系统 [6] 模糊控制的特点 :(1)在设计控制系统时 ,可以不要求知道对象精 确的数学模型 ,但要对受控对象的特性有充分了解 ,是以现场操作人员或专家的经验知识的总结和归纳而建立知识模型的； (2)用语言变量代替常规的数学变量 ,或两者结合运用 ,来构造形成专家的知识库； (3)控制系统的鲁棒性强 ,适应于常规控制难以解决的非线性、变性、多层次、多干扰的滞后系统 (汽包水位具有这样的性质 )。 应用在汽包水位控制上存在的缺点有 :系统结构复杂、整定困难、仍旧存在 误差。 模糊控制规则的制订 ,依赖于人们的操作经验 ,往往带有很大的主观片面性。 控制规则— 旦确定 ,在控制过程中就不会改变。 普通模糊控制由于在模糊量化过 程中的信息丢失和制定模糊规则时人为因素的制约 ,必然会影响到控制的精度。 过多的规则数目使得其推理过程较为繁琐。 最后锅炉现场其他一些随机干扰、噪音、过程时变性等等因素 ,有时会造成控制规则较粗糙 ,而影响控制品质。 C模糊控制典型模型 —— 模糊神经网络 (FNN)[7] 实际上模糊控制器是一种“语言控制” ,它通过模拟人类智慧进行判断和决策 ,能较好的处理模糊信息。 但是 ,模糊控制不具备学习功能 ,而人工神经网络 (NN)恰恰相反 ,它具有较强的学习、联想、识别等功能 ,但只能处理数值型数据 ,不能处理中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 7 和描述模糊信息。 那么 ,使二者结 合起来 ,使模糊控制具备学习功能 ,使神经网络具备处理模糊信息功能 ,进行判断和决策 ,从而得到一种既具有学习、联想、自适应性 ,又能进行模糊思维的新型结构 ,这就是模糊神经网络控制 (FNN)的基本出发点。 直接将一个神经网络作为一个模糊控制器 ,用一些已获得的、能近似反 映控制器输入 / 输出关系的具体数据对其进行训练 ,希望训练后网络的输入 / 输出关系能够满意地作为所需要的模糊控制函数。 这样 ,FNN 实际上相当于一个模糊控制函数估计器 ,它直接将普通模糊控制器中的各种结构化关系和数值运算关系融于网络的内部描述之中。 汽包水位 FNN模型控制系统框图如图 所示。 图 汽包水位 FNN 模型控制系统框图 利用神经网络的结构来实现模糊控制就形成了 FNN,通过将 FNN 和优化技术结合起来 ,实现对模糊控制器的隶属函数、模糊控制规则、模糊逻辑和比例因子的综合优化整定 ,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 ,所以其学习结果很容易理解 ,可以实现不同形式的模糊模型 ,同时又具有学习、计算能力。 模糊神经网络具有很强的容错能力 ,在处理和解决问题时不需要对象的 精确模型 ,FNN 通过其结构的可变性 ,逐步适应外部环境的各种因素的作用。 当汽包的输入输出平衡时 ,水位处于稳定状态 ,当汽包水位受到燃料量和蒸汽量的扰动时 ,根据偏差 ,FNN 的输出通过变频器 ,调节给水泵转速 ,从而改变给水流量 ,使水位恢复到给定值。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 8 课题意义及主要工作 火电厂汽包水位是火电厂锅炉运行很重要的参数，对电厂安全、稳定、经济运行具有很重要的意义。 因此，对于汽包水位的实时监控、调节显得尤为重要。 基于 VB 设计汽包水位监测系统，简单、易操作且能够实现汽包水位实时监控，对所学知识的运用考究很实际，对于将来的工 作和学习具有深远意义。 本课题针对火电厂汽包水位监测系统，基于 VB 可视化应用程序，进行火电厂汽包水位监测系统的研究与设计。 可视化界面，直观的进行汽包水位的实时监控。 本课题的主要研究工作可概括为以下几点： (1)汽包水位监测系统总体设计； (2)基于 VB汽包水位监测界面设计； (3)硬件选型； (4)硬件单片机设计； (5)Modbus串口通讯协议。 本章小结 本章节对汽包水位传统监控系统的概况、控制元件、国内外发展现状及趋势进行了简要的介绍和分析。 针对现有的工作基础，提出了本文的工作内容并阐明了课题的意义。 2 火电厂汽包水位监 测系统总述 锅炉是大型设备，在火电厂中要注意安全生产。 火电厂中要求锅炉有一定的安全运行环境，所以锅炉可靠及安全运行非常重要。 有很多因子影响其安全运行，而汽包水位影响尤为重要。 作为重点监控参数，它直接关系到锅炉负荷和给水的相互持衡。 水位太高了，会使汽间的距离缩小，蒸汽带有大量的水，汽水间的分离效果变差，这样会使蒸汽质量变坏，过热管内会积累大量的盐分，热阻变大，管子太热，金属强度会降低，所以会发生爆管现象；水位变地太低，会使顺循环不畅通，这样的话，水冷壁的温度会很高，当严重的缺水时，会使得锅炉变地干锅，甚 至发生爆炸，设备就会损坏。 所以，要时时刻刻保持水位的监控与调节正常，保证锅炉能够良好的运行，生产出合格的蒸汽，来满足电厂的发电需要。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 9 汽包水位的影响因素 如图 所示，汽包水位决定于汽包内汽、水的量，如果这两者发生变化的话，会直接影响水位变化，那么，能够使这两者发生变化的因素，都会间接地使水位产生波动。 其中主要扰动有：上水管段的流量 W、锅炉内部产生的蒸发量 D、汽包内部环境压力 Pb、还有炉膛的热负荷量等。 省 煤 器过 热 器水 冷 壁汽包变频器 图 给水示意图 [8] 表面上 看起来，汽包水位动态性质和单体水箱差不多，给水量与蒸汽量影响汽包水位的高低。 可是实践中有所不同，举个凸显的例子来说，水循环过程中的水携带者大量的蒸汽泡，随着汽包压力和炉膛负荷的变化，蒸汽包的大小也会跟着变化，不管是什么原因引起气泡体积改变，即使没有改变水循环的总水量，但。