基于plc的汽包水位自动控制系统设计

基于plc的汽包水位自动控制系统设计内容摘要：

的曲线 H1 所示。 考虑到给水温度低于汽包内饱和水温度，当它进入汽包后，吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使得锅炉内部蒸汽产量下降，水面以下的汽泡总体积 V 也就会相应的减小了，从而导致水位下降 如下图 所示的曲线 H2。 水位的实际响应曲线应是曲线 H1 及 H2 之和。 如图 ，所示的曲线 H 所示，从图中可以看出该响应的过程有一段延迟时间，即它是一个有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大，则响应延迟时间就越长，其传递函数近似表示下面的函数：   11 s (1 )G SS   （ 23） 式 中的 表示汽包的水位飞升速度， 表示延迟时间。 tHH1HH 2 图 给水扰动响应曲线 汽轮机耗气量扰动的影响 当汽轮机的耗汽量突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内物质平衡的状态，使汽包内液体蒸发量变大，从而使水位下降，如下图 所示的曲线 H1；另一方面，由于耗汽量的突然增加，将使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀总体积 V增大，从而导致汽包水位上升，如下图 所示曲线 H2。 水位实际响应曲线应该是曲线 H1 和 H2 之和，如下图 所示曲线 H。 对于大中型锅炉来说后者的影响要大于前者。 因此，负荷做阶跃增加后的一 段时间内，会出现水位不但没有下降反，而明显升高的现象，而这种反常现象通常被称为“假水位现象”。 我们可以认为这是一个惯性和积分环节，其传递函数可以洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 近似的表示为下面的的函数： 2 02 1() KS T SGs     （ 24） 式中 中 表示汽包的水位对于蒸汽流量飞升速度， 表示“假水位现象”的延迟时间。 tHH 1HH 2 图 汽轮机耗汽量扰动响应曲线 出水量 扰动的影响 出水流量的扰动必然也会引起蒸汽流量的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。 但是大量的水在汽包水循环系统中，汽包，水冷壁管道也会存储大量热量，因此具有一定的热惯性。 出水流量的增大只能使蒸汽量缓慢增大；而且同时，汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此出水流量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。 由以上分析，我们可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，而负荷扰动下，水位响应有“假水位现象”的出现，这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因次对汽包水位的控制变得比较复杂和困难。 汽包水位控制方案的设计 汽包水位的控制手段是控制给水，基于这一原理，可构成下 所示的单冲量控制系统，而这一个基本的控制方案其方框图如图 所示。 这洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 里的单冲量是指控制器仅有一个测量信号，即汽包水位。 该控制系统是典型的单回路控制系统。 当蒸汽负荷突然大幅增加时，由于假水位现象 的存在 ，控制器不但不能用以维持锅炉物料平衡 而 开大给水阀的开度， 而要 关小控制阀门的开度，减少给水量； 汽包 等到 虚 假水位消失 以 后，由于蒸汽量的增加，送水量反而减少，将 会 使 汽包水位下降的很厉害 ，波动 也 很厉害，严重时甚至会使汽包水位降到危险 程序以致发生事故。 因此系统不能适应停留时间短，负荷变动较大的情况，这样的水位不能 保证。 然而对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时 假水位的现象并不显著，配上一些联琐报警装 置，也可以保证安全操作，这样采用单冲量系统尚能满足生产的要求。 （注：下图的 LT 代表液位变送器， FT 代表流量变送器， 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 )给 水 图 汽包水位 单冲量控制系统 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 给 水 流 量 调节 器变 频 器液 位 变 送 器汽 包给 水 流 量+ 图 汽包水 位 单冲量控制系统框图 在汽包水位的控制中，最主要的扰动是负荷的变化。 如果根据蒸汽流量来起较正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。 将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统。 这是一个前馈加单回路反馈控制的复合控制系统。 从物质平衡的角度出发，只要能够保证给水量等于蒸汽蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。 因此，可以采用图 所示的蒸汽流量随动控制系统，其中流量调节器可用 PI 调节器，使汽轮机的蒸汽量作为系统给定使给水流量跟踪蒸汽流量的变化，构成了一个以 蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水位的恒定。 该方案的结构框图如图 所示。 蒸 汽省 煤 器给水∑ILISF TL TL C汽包Ls pD ( t )HLmF ( t )u 图 蒸汽流量随动控制系统 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 给 水 流 量调 节 器变 频 器液 位 变 送器汽 包给 水 流 量+蒸 汽 量 变送 器 图 蒸汽流量随动 控制 系统框图 采用该方案的优点：系统完全根据物质平衡条件工作，给水量的大取决于汽轮机的耗汽量，而假水位现象是不会引起给水调节机构的误动作，但这个系统对于汽包水位来说，只是开环控制系统。 由于给水量和蒸汽量的测量不准确，以及锅炉系统引入的其他扰动，使 得给水量和蒸汽量并非准确的比值关系而保持水位恒定。 由于水位对于二者的偏差是积分的关系，微小的偏差长时间积累，也会形成很大的水位差，因此不宜采用随动控制系统。 如果能把上所述两种方案结合起来，就构成了汽包水位双冲量控制系统如下图 所示，其结构框图如下图 所示。 双冲量是指的是同时引入两个测量信号：汽包水位和蒸汽流量。 这个系统对以上分析的两种方案可取长补短，可极大提高汽包水位控制质量。 当汽轮机耗汽量出现阶跃增大，一方面，由于“假水位现象”汽包水位会暂时有所升高，将使调节机构做出错误的误动作减少给水量； 另一方面，汽轮机耗汽量的增大又通过比例控制系统，指挥调节机构增大给水量，实际给水量的增减情况要根据实际情况通过参数整定来确定。 当假水位现象消失后水位和蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作。 只要参数整定合适，给水量必然等于蒸汽量从而保证水位恒定。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 蒸 汽省 煤 器给水∑ILISF TL TL C汽包Ls pD ( t )HLmF ( t )u 图 汽包水位双冲量控制系统 给 水 流 量调 节 器变 频 器液 位 变 送器汽 包变 送 器给 水 流 量液 位蒸 汽流 量+++液 位 流 量调 节 器液 位 给 定前 馈 调节 器 图 汽包水位双冲量控制系统框图图 此外，考虑到给水流量的变化，可以通过串级控制的方法，让给水量的 扰动通过内回路自行调节，如图 设计所示的三冲量控制系统，其结构框图如下图 所示，即前馈 — 反馈 — 串级复合控制系统。 这是三冲量控制系统，包含给水流量控制回路，汽包水位控制回路两个控制回路以及一个蒸汽流量前馈通道，而实质上是蒸汽流量前馈与水位－ — 流量串级系统组成的复合控制系统。 串级控制系统主参数是汽包的水位，副参数是给洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 水流量、主调节器是给水流量调节器、副调节器是液位调节器。 一方面，可以克服给水扰动，使给水流量自行调节；另一方面，可以有效地抑制“假水位现象”。 当蒸汽流量发生变化时，锅炉的汽包水位控制系统 中给水流量控制回路，可迅速改变进水量的大小而完成粗调，然后在由汽包的水位调节器，完成水位的细调从而维持汽包水位的稳定。 蒸 汽汽包省煤器给 水L TL CLs pLmF ( t )D ( t )H ( t )F T∑ISILF TF CFs pFmu 图 汽包水位三冲量控制系统 给 水 流 量调 节 器变 频 器给 水 流 量变 送 器液 位 变 送器汽 包变 送 器给 水流 量液 位蒸 汽流 量+++液 位 流 量调 节 器液 位 给 定前 馈 调节 器管 道 图 汽包水位三冲量 控制系统框图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 控制算法及其参数整定 PID 算法介绍 PID（比例（ proportion）、积分（ integration）、微分（ differentiation））控制器 现在 是应用最广泛 的工业控制器。 PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID 控制器由比例单元（ P）、积分单元（ I）和微分单元（ D）组成。 其输入 e (t）与输出 u (t）的关系为 u(t)=KP[e(t)+1/Ti∫ e(t)dt+Td*de(t)/dt] （ 25） 式中积分的上下限分别是 0 和 t，因此它的传递函数为： G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(Ti*s)+Td*s] （ 26） 其中 kp 为比例系数； Ti 为积分时间常数； Td 为微分时间常数在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象 ，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steadystate error）。 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差 系统（ S ystem with Steadystate Error）。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项对误差取决于时间的洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（ delay）组件，具有抑制误 差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 三冲量控制系统参数的计算 控制系统参数的整定，可以采用理论计算法或者工程整定法，而理论计算法要依照以被控对象的动态特性，可是 被控对象的动态特性在测取时往往不是准确，而且容易随着工作状态的变化而变化，因此我们应采用工程整定办法，所以根据控制方案可将汽包水位控制系统结构图画为下图 所示。 Gw( s ) Gf( s )NwNhGp( s )NdH+++Gh( s )HrGd( s ) W+ 图 汽包水位控制系统结构框图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 18 其中 Nd， Nw ， Nh 分别表示是蒸汽流量传感器，给水流量传感器，水位传感器的反馈系数， Gw(S)， Gh(S)， Gd(S)分别表示的是给水流量调节器，水位调节器，前馈调节器的传递函数，其放大倍数分别表示为 Kw， Kh， Kd ，Gf(S)， Gp(S) 分。