锅炉汽包水位控制系统的设计毕业设计论文

1、毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 题目： 锅炉汽包水位 控制系统的设计 系 别： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： xxxx 学院 20xx 年 xx 月 xx 日 xxxxx 学院 毕业设计（论文） 任 务 书 题 目 锅炉汽包水位控制系统的设计 系 别专业 班级学号 学生姓名指导教师 发放日期 xxxx 学院本科毕业设计（论文）任务书 一、主要任务与目标： 主要任务： 设计一锅炉汽包水位控制系统，维持锅炉汽包水位在一定范围内 变化。完成控制系统的硬件和软件设计，并编写毕业设计说明书。 目标： 1、培养学生综合运用所学理论知识的能力。 2、培养学生分析和解决实际问题的能力。 3、培

2、养学生调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术 文献的能力。 二、主要内容与基本要求： 主要内容： 1、分析锅炉汽包水位系统控制对象的动态特性。 2、确定系统的控制方案。 3、进行控制器参数整定。 4、各部分设备选型。 5、对控制系统进行仿真。 基本要求： 1、选择某锅炉作为控制对象，通过分析其动态特性，得出数学模 型。 2、设计方案应比较先进，能满足实用的要求。 3、通过仿真曲线和数据，验证系统的控制效果。 三、计划进度： 毕业设计从第 5 周到第 14 周共 10 周时间。 第 5 周，熟悉题目，查阅资料，调研。 第 6 周，分析控制对象的动态特性，得出数学模型。 第 7-8 周，进

3、行方案比较，确定系统的控制方案。 第 9-10 周，完成硬件接线图和器件选型。 第 1112 周，控制器参数整定和仿真。 第 13 周，编写整理设计说明书。 第 14 周，答辩。 四、主要参考文献： 1、付家才，工业控制工程实践技术，化学工业出版社， 2、杨献勇，热工过程自动控制，清华大学出版社 3、孙优贤、孙红，锅炉设备的自动调节，化工工业出版社 4、金以慧，过程控制，清华大学出版社 5、张亮明、夏桂娟，工业锅炉自动控制，中国建筑工业出版社 指导教师（签名）： 年 月 日 教研室审核意见： （建议就任务书的规范性；任务书的主要内容和基本要求的明确具体性；任务书计划进度 的合理性；提供的参考文

4、献数量；是否同意下达任务书等方面进行审核。 ） 教研室主任签名： 年 月 日 注：任务书必须由指导教师和学生互相交流后，由指导老师下达并交教研室主任审核后发给学 生，最后同学生毕业论文等其它材料一起存档 成绩评定 成绩评定说明 一、答辩前每个学生都要将自己的毕业设计（论文）在指定的时间内交给指导， 教师，由指导教师审阅，写出评语并预评分。 二、答辩工作结束后，答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办 法，在参考指导教师预评结果的基础上，评定每个学生的成绩。系对专业答 辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计（论文），要组织系级答辩,最终确定 成绩，并向学生公布。 三、各专业学生的最后成绩应

5、符合正态分布规律。 四、具体评分标准和办法见河南城建学院毕业设计（论文）工作条例。 五、答辩小组评分包括两部分：（1）学生答辩情况的得分和评阅教师评分；（2）指导教 师对学生毕业设计（论文）的评分 毕业设计（论文）成绩评定 答辩小组评定意见 一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定） 。 二、评分（按下表要求评定） 评分项答 辩 小 组 评 分评 阅 教 师 评 分合 班级班级 1224072 姓名姓名 樊建党樊建党 学号学号 122407208 综合成绩：综合成绩： 分（折合等级分（折合等级 ） 答辩小组组长签字 年 月 日 目 完成任务 情况 （5 分） 毕业设计 （论文）质 量（5

6、 分） 表达情况 （5 分） 回答问题 情 况 （5 分） 质 量 （正确性、条理性、 创造性、实用性） （10 分） 成果的技术 水平（科学 性、系统性） （10 分） 计 （40 分） 评分 答辩小组成员签字 年 月 日 毕业答辩说明 1、答辩前，答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计（论文），为答辩做好准备，并 根据毕业设计（论文）质量标准给出实际得分。 2、严肃认真组织答辩，公平、公正地给出答辩成绩。 3、指导教师应参加所指导学生的答辩，但在评定其成绩时宜回避。 4、答辩中要有专人作好答辩记录。 指导教师评定意见 一、对毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）：一、对

7、毕业设计（论文）的学术评语（应具体、准确、实事求是）： 签字： 年 月 日 二、对毕业设计（论文）评分二、对毕业设计（论文）评分按下表要求综合评定按下表要求综合评定。 （1）理工科评分表 评分项评分项 目目 （分值）（分值） 工作态度工作态度 与与 纪纪 律律 （1010 分）分） 毕业设计（论毕业设计（论 文）完成任务文）完成任务 情况与水平情况与水平 （工作量与质（工作量与质 量）量） （2020 分）分） 独独 立立 工作能力工作能力 （1010 分）分） 基础理论基础理论 和和 基本技能基本技能 （1010 分）分） 创创 新新 能能 力力 （1010 分）分） 合合 计计 （6060

8、 分）分） 得分得分 指导教师签字： 年 月 日 摘摘 要要 汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后 果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。plc 技术的快速发展使得 plc 广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能，plc 已经成为当今 自动控制领域不可缺少的重要设备。 本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假 水位现象” ，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的 方法进行了 pid 参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方 案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用 plc 编程实现控制算

9、法进行系统的软 件设计，最终完成 plc 在锅炉汽包水位控制系统中应用。 关键词关键词：汽包水位 三冲量控制 plc pid 控制 abstract the steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. with

10、the rapid development of plc technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. plc has already become the essential important equipment in automatic control domain. based on the analysis of all kinds of factors which influen

11、ce steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. pid parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. according to the needs of control, the

12、selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. finally the application of plc in boiler steam drum water control system is completed. key words: steam drum water level three impulses control plc pid control 目 录 1 绪 论.1 1.1 汽包水

13、位控制系统的发展现状.1 1.2 本设计的主要工作.2 2 控制方案设计.3 2.1 虚假水位的形成及对策.3 2.2 汽包水位的影响因素.4 2.3 汽包水位的控制方案设计.6 3 硬件选型.11 3.1 水位传感器选型.11 3.2 流量传感器的选型.11 3.3 电机的选型.13 3.4 变频器的选型.13 3.5 接触器的选型.14 3.6 熔断器的选型.14 3.7 功率三极管的选型.14 3.8 plc 及相关模块的选型 .15 4 硬件设计.17 4.1 系统总体线路设计.17 4.2 控制线路设计 .19 5 控制算法及参数整定.22 5.1 pid 算法简介.22 5.2 三

14、冲量控制系统参数整定 .22 6 软件设计.29 6.1 程序流程设计.29 6.2 devicenet网络组态.31 6.3 rslogix5000 程序设计.34 结束语.40 参考文献.41 致 谢.42 1 绪绪 论论 1.11.1 汽包水位控制系统的发展现状汽包水位控制系统的发展现状 蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽产品，以满 足负荷的需要。锅炉是一个十分复杂的控制对象，为保证提供合格的蒸汽产品以 适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。保 持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标，由于负荷、 燃烧状况及给水流量

15、等因素的变化，汽包水位会经常发生变化1。因此锅炉汽包 水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。 工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平 衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件， 锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和 给水之间的平衡关系。 传统的控制方法是以各种分立器件的应用为基础，利用各种检测器件对被控 参数实时进行检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应 的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动控制的目的。但是这种控 制方式受分立器件的性能影响

16、大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高， 控制效果并非十分理想，而且容易出现故障，不利于系统的长期安全、高效运行。 现在广泛使用的控制技术还有 dcs 集散控制系统2，但由于 dcs 系统适合有多个 控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往价格昂贵，对于像汽包水 位这样的控制系统来说性价比太高，因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的 选择。 plc 是 70 年代发展起来的中大规模的控制器，是集 cpu、ram、rom、i/o 接 口与中断系统于一体的器件3，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、 交通等各种行业。随着计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展， 大大增

17、强了 plc 通信能力，丰富了 plc 编程软件和编程技巧，增强了 plc 过程控 制能力。因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采 用 plc 技术。plc 控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术。它是 plc 软、硬件、 自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。作为锅炉控制装置，其主要任 务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。 采用 plc 控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功 能。它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实 时检测并进行反馈，plc 对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对

18、 二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节， 使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。 1.21.2 本设计的主要工作本设计的主要工作 本次设计的主要工作有： （1） 设计锅炉汽包水位控制方案 从锅炉汽包水位的动态性能入手，分析影响锅炉汽包水位的主要因素，并对 这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究。在此基础之上，根据各 个因素对锅炉汽包水位的影响采用汽包水位三冲量方案，达到控制锅炉汽包水位 稳定的目的。 （2） 硬件设备的选型与设计 根据所设计的控制方案合理地选择检测元件、执行机构和控制设备以及其它 必要设备，并在此基础之上根据控制方

19、案合理地进行硬件设计。为整个系统的实 现以及稳定、可靠运行打下基础。 （3） 控制算法的参数整定 根据被控对象的特点以及它的静态、动态特性按照工程整定的方法进行控制 器的参数整定，设计调节器的各个参数。在此基础之上对整定结果进行仿真，并 对整定结果进行进一步调整判断其可行性，为后续的软件设计工作打下基础。 （4）plc 程序 根据参数整定和仿真的结果利用相关软件进行 plc 梯形图程序设计，最终实 现控制算法。 2 2 控制方案设计控制方案设计 锅炉是重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。 汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，如果水位过高，会破坏汽水分离装置 的正常工

20、作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。 如果水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损 坏汽包。所以锅炉汽包水位过高过低都可能造成重大事故。在锅炉汽包水位控制 系统中被控量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使 汽包内部的物料达到动态平衡状态，从而使汽包水位的变化在允许范围之内，保 证锅炉的安全运行，生产出合格稳定的高质量蒸汽，以满足负荷的需要。 本设计控制对象的主要参数有： 汽包水位控制在：30010 mm 正常工作时的蒸发量：35t/h 水位稳定时供水量为：35 m3/h 正常工作时汽包蒸汽压力大约是 0.5mp 2.

21、12.1 虚假水位的形成及对策虚假水位的形成及对策 虚假水位是锅炉运行时不真实的水位。虚假水位的产生是由于当汽包压力突 降时，炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水大量放出热量来进行 蒸发。于是炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，使水位不是下降而是很快 上升，形成虚假水位。当汽包压力突升时，则相应的饱和温度提高一部分热量被 用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合 物的体积收缩，使水位不是上升而是很快下降，形成虚假水位。 此外当锅炉内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚假 水位。锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时，都会产生虚假水位

22、。在 负荷突然变化时，汽压也相应变化，这时将会出现虚假水位。负荷变化速度越快， 虚假水位越明显。如遇汽轮机甩负荷，汽压突然升高，水位将瞬时下降；运行中 燃烧突然增强或减弱，引起汽泡量突然增大或减少，使水位瞬时升高或下降；安 全阀起座时，由于压力突然下降，水位瞬时明显升高；锅炉灭火时，由于燃烧突 然停止，锅水中汽泡产量迅速减少，水位也将瞬时下降。 在输入端引入蒸汽流量信号，设置水位系统的前馈调节，于是当蒸汽流量增 大时，给水量随之增大，给水量增多，水温又较低，有利于克服“虚假水位”的 影响。 2.22.2 汽包水位的影响因素汽包水位的影响因素 首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。锅炉给水调节对

23、象如图 2.1 所示。 给水调节机构为变频器调节给水量 w，汽轮机耗汽量 d 是由汽轮机阀门开度来控 制的。 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 图 2.1 锅炉给水调节对象 初看起来，汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样，给水量和蒸汽流量影 响汽包水位的高低4。但实际情况并非如此，最突出的一点就是水循环系统中充 满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的体积 v 是随着汽包压力和炉膛热负荷 的变化而变化的。如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总 水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。 影响汽包水位 h 的主要因素有给水量 w，汽轮机耗汽量 d

24、和燃料量 b 三个主 要因素。 （1）给水扰动的影响 如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响 应曲线应该为图 2.2 所示的曲线 h1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的 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的蒸 汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积 v 也就会相应的减小，从而导致水位下降 如图 2.2 所示的曲线 h2所示。水位的实际响应曲线应是曲线 h1和 h2之和，如图 2.2 所示的曲线 h 所示。它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则 响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为： (2.1) 1 1s (1)

25、g ss 式 2.1 中表示汽包水位的飞升速度，表示延迟时间。 1 t hh1 h h2 图 2.2 给水扰动响应曲线 （2）汽轮机耗汽量扰动的影响 当汽轮机耗汽量 d 突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态， 使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图 2.3 所示的曲线 h1所示，另一方 面由于汽轮机耗汽量 d 的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，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，如图 2.3 所示曲线 h2所示。水位的实际响应曲线应该是曲线 h1 和 h2之和，如图 2.3 所示曲线 h 所示。对于大中型

26、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，这种反常现象通常被称为“假水位现象” 。可以认为这是一个惯性 加积分环节，其传递函数可以近似的表示为： (2.2) 2 0 2 1 ( ) k st s gs 式 2.2 中表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，表示“假水位现象”的延 1 0 t 迟时间。 t h h1 h h2 图 2.3 汽轮机耗汽量扰动响应曲线 （3）燃料量扰动的影响 燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量 d 的变化，因此也同样会有“假水位 现象”发生。但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存 储大量的

27、热量，因此具有一定的热惯性。燃料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，因此燃料量扰动下的“假 水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。 由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响 应有“假水位现象” 。这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对 它的控制变得比较复杂和困难。 2.32.3 汽包水位的控制方案设计汽包水位的控制方案设计 从反馈的思想出发很容易想到以汽包水位信号作为反馈量，给水流量作为 被控量，构成单回路反馈控制系统，即水位单冲量控制系统。如图 2.4 所示， 这是一个基本的控制方案其方框图如图 2.5 所示。对于小

28、容量锅炉来说由于它 的储水容量较大，水面以下的汽泡体积并不占有非常大的比重，因此水容积延 迟和假水位现象并不是非常明显，因此可以采用汽包水位单冲量控制系统来控 制汽包水位。但对于大中型锅炉来说这种控制方案就不能满足控制要求，因为 汽轮机蒸汽量的负荷扰动引起的假水位现象将引起给水调节机构的误动作，导 致汽包水位激烈的上下振荡而不稳定，严重的影响设备的运行寿命和安全，所 以大中型锅炉不宜仅仅只采用汽包水位单冲量控制系统，必须寻找其他的解决 办法来控制汽包水位。 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 hthc 图 2.4 汽包水位单冲量控制系统 给水流量调 节器 变频器 液位变送器 汽包 给水

29、流量 - + 图 2.5 汽包水位单冲量控制系统框图 如果从物质平衡的角度出发，只要能够保证给水量永远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 2.6 所示的蒸汽流量随动控制系统， 其中流量调节器采用 pi 调节器，使汽轮机的蒸汽量作为系统的给定使给水流量 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 2.7 所示。 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 hthc ft 图 2.6 蒸汽流量随动控制系统 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 2.7 蒸汽流量随动控

30、制系统框图 采用该方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量的大小只取决 于汽轮机的耗汽量，假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。但是这个系统 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。 如果把以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图 2.8 所示，其结构框图如图 2.9 所示。双冲量指的是同时引入两个测量信号：汽 包水位和蒸汽流量。这个系统对以上所分析的两种方

31、案取长补短，可以极大的提 高汽包水位的控制质量。当汽轮机耗汽量出现阶跃增大时，一方面由于“假水位 现象”汽包水位会暂时有所升高，将使调节机构做出误动作错误的减少给水量； 另一方面汽轮机耗汽量的增大又通过比值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。 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 fc hthc ftfc 图 2.8 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

32、量 + - + + 液位流量 调节器 液位给定 前馈调 节器 图 2.9 汽包水位双冲量控制系统框图 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，设计如图 2.10 所示的三冲量控制系统，其结构框图如图 2.11 所 示。即前馈反馈串级复合控制系统。该三冲量控制系统包含给水流量控制回 路和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，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。串级控制系统的主参数是 汽包水位，副参数是给水流量，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

33、有效地抑 制“假水位现象” 。当蒸汽流量发生变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流 量控制回路可迅速改变进水量的大小以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成 水位的细调维持汽包水位的稳定。 省煤器 过热器 水冷壁 汽 包 变 频 器 ftfc hthc ftfc 图 2.10 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 2.11 汽包水位三冲量控制系统框图 3 硬件选型硬件选型 3.13.1 水位传感器选型水位传感器选型 由于该设计的目的是控制

34、水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的准确 测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理的选择水位传感 器在水位控制系统的设计中有关键作用。知道汽包水位应该控制在 30010 mm， 根据过程控制仪表量程选择原则：仪表量程应该为被测量参数的 4/33/2 倍。 因此所选传感器的最大量程为:400450 mm。而且汽包水位应该控制在 30010 mm，因此所选水位传感器的精度应该高于 10/450=2.2%fs，因此选择该测量精度 才可以满足要求。 佛山市顺德区拓朴电子仪器有限公司生产的 ptp601 投入式水位传感器可以满 足控制要求，该系列仪表采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体。

35、316 全不锈钢结 构有多种量程可供选择，选择测量围为：100500mm，测量精度在 1%fs 的型号 可以满足控制要求。该型号的传感器主要技术参数如下： 量程：100500mm(水位高/深度) 综合精度: 1.0%fs 输出信号: 420ma(二线制)、05v、15v、010v(三线制) 供电电压: 24dcv(936dcv) 负载电阻: 电流输出型：最大 800；电压输出型：大于 50k 绝缘电阻: 大于 2000m (100vdc ) 密封等级: ip68 长期稳定性能: 0.1%fs/年 振动影响: 在机械振动频率 20hz1000hz 内，输出变化小于 0.1%fs 电气接口(信号接

36、口): 紧线防水螺母与五芯通汽电缆连接 机械连接(螺纹接口): 投入式 使用时可以采用 24v 直流电源为水位传感器供电保证其正常工作，将 15v 电压信号作为反馈量引入 plc 模拟量输入端口进行控制运算。 3.23.2 流量传感器的选型流量传感器的选型 根据控制方案可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信 号可以有效地改善控制质量，因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系 统的控制质量。知道所要控制的是 35t/h 锅炉的汽包水位，即该锅炉正常工作时 每小时蒸发 35t 蒸汽也就是有 35t 水被蒸发成为蒸汽，水位稳定时供水量为：35 m3/h 。上海正博自动化仪表有限公

37、司生产的 lugb-99 型涡街流量计是一种基于卡 门涡街原理流体振动式新型流量计，它具有测量范围广、压损小、性能稳定、准 确度高和安装、使用方便等优点，广泛应用于封闭工业管道中液体、汽体和蒸汽 介质体积和质量流量的测量。 该流量计的技术参数如下： （1）测量介质：蒸汽、汽体、液体 （2）传感器的感应元件不直接与被测介质接触，性能稳定、可靠性高 （3）传感器内无可动部件，结构简单而牢固，压损小维扩量小、使用寿命长 （4）范围度宽达 10：115：1 （5）测量范围：正常工作范围，雷诺数为 20，0007，000，000；输出信号 不受液体温度、压力、粘度及组份影响。测量可能范围，雷诺数 8，0

38、007，000000 （6）精度等级：液体，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5% （7）输出信号：a.电压脉冲低电平：0-1v；高电平：大于 4v；占空比为 50% b.电流: 420ma(三线制) （8）电源电压： 24dcv （9）壳体材料：碳钢；不锈钢(1cr18ni9ti) （10）规格：(管道内径)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、 250、300(大于 dn300 口径为插入式) （11）工作状况下流量范围(单位：m3/h)，见表 3.1 表 3.1 工作状况下流量范围 dn(mm)液体汽体蒸汽 200.8-105-408-80 251-127.

39、2-6010-120 321.5-2012-10015-200 402-3018-15020-300 503-5030-30030-450 656-8050-42060-800 8010-13070-600100-1300 10020-200120-1000200-2000 12530-300180-1500300-3000 15045-450240-2000450-4500 20090-900480-4000900-9000 250120-1200700-80001200-12000 300180-2000900-100001600-16000 根据过程控制仪表量程选择原则仪表量程应该为被测

40、量参数的 4/33/2 倍， 流量计应当能够检测的最大流量为：46.552 m3/h，因此汽包送水管道直径选用 50 mm 并用 lugb-99 型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是 350 m3/h， 可以满足设计要求进行检测汽包给水流量信号。 由于 lugb-99 型涡街流量计既可用于液体流量检测也可用于蒸汽流量检测， 因此还可以选择该流量计作为汽包负荷蒸汽流量的检测传感器。正常工作时汽包 蒸汽压力大约是 0.5mp，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大约是 2700kg/ m3，根 据过程控制选择仪表量程原则仪表量程应该为被测量参数的 4/33/2 倍，流量 计应当能够检测的最大流量为：1

41、7.219.2 m3/h 因此汽包蒸汽管道直径选用 20 mm，并用 lugb-99 型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是 880 m3/h，可 以满足设计要求进行检测蒸汽流量信号。 3.33.3 电机的选型电机的选型 电机是锅炉汽包供水的动力设备，电机的准确选型关系到汽包能否准确供水 进而影响到汽包水位的稳定。控制的锅炉蒸发量为：35t/h，汽包压力 0.5mp，管 道直径 50mm 因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算： (3.1) 22 3500010/5000003.142.5 95 360010000 w kgm s pk s 由计算结果可以知道选用功率为 100kw 的三相

42、异步电动机完全可以满足工作要求， 由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机，选用鼠笼型电机就可以满足要求。 济南华力贝尔机电设备有限公司生产的 yjtg 三相变频调速电机专门为变频调速 设计可以根据技术要求设定其额定电压为 380v 额定功率为 100kw。 3.43.4 变频器的选型变频器的选型 变频器是电机的供能设备，合理选择变频器关系到电机能否正常工作为汽包 供水。由电机的选型可以知道电机在 50hz 三相交流电下工作时电机的功率大约 是 100kw，当三相交流电动机在基频以下工作时为恒转矩输出工作，而此时电机 的转速会小于额定转速，因此电机的输出功率也会小于额定功率，同时由于电机 的转

43、矩保持不变，其工作电流同在 50hz 三相交流电下工作时电流基本一致。 根据以上的分析可以选择罗克韦尔公司的 1336plusii 系列 1336f-b150 型号 的变频器。给变频器可以输入 380v-480v 50/60hz 三相交流电，输出 380-480v 三相交流电并通过控制信号控制其输出频率，其容量是 149kw，可以满足设备功 率要求。该型号变频器具有丰富灵活的控制接口，可以通过控制信号方便地改变 变频器的工作特性。设计时将变频器连接在 devicenet 网络上，就可以利用 plc 控制变频器的输出电压和频率。 3.53.5 接触器的选型接触器的选型 接触器是系统中用到的重要开

44、关设备，接触器的合理选择能保证交流电动机 能够准确及时的启动、停止。根据分析三相交流异步电机的最高工作电流是工作 于 50hz 交流电压下，其工作电流为： (3.2) 100 152 3 380 kw a v 因此根据设计的要求浙江宏立电器有限公司生产的 hlc-3x 系列空调接触器主要 适用于 50hz 或 60hz、在 ac-7b 使用类别额定工作电压为 230v 或 480v 时额定电 流至 40a 电路中，适用于起动和控制三相交流电动机(压缩机)及其它三相负载， 选择五套该类型接触器同时带动一台电机可以满足设计要求。 3.63.6 熔断器的选型熔断器的选型 由于系统的主要耗电设备是电动

45、机，因此系统稳定工作时电流大约在 150a 左右，当系统异常工作是可能导致工作电流变大因此可设定工作电流为 200a 时 进行过流保护。浙江中泰熔断器有限公司生产 xrnt-12 型限流熔断器型额定电流 可以设定为 200a，可以满足设计要求。 3.73.7 功率三极管的选型功率三极管的选型 为了能使 plc 输出的数字量能够控制接触器的通断设计如下电路： 接触器 线圈 220vac plc数字 量输出 图 3.1 接触器控制线路 当plc数字量输出为高电平时三极管导通工作于饱和状态，接触器线圈上电 使接触器触点闭合，否则plc数字量输出为低电平时三极管截止工作于截止状态， 接触器线圈失电通过

46、二极管续流，使接触器触点断开。浙江省杭州富阳市奥星电 子有限公司i3dd5686型功率三极管最大工作电流超过5a，完全可以满足工作要求。 3.83.8 plcplc 及相关模块的选型及相关模块的选型 plc 选择罗克韦尔公司 logix5000 系列，该系列 plc 性能稳定，可以根据设计 要求灵活的选择相关模块，而且使用 rs logix5000 组态软件进行梯形图程序设 计时可以根据实际情况建立标签，避免了对 plc 直接按照地址寻址造成的麻烦和 错误。该系统需要输入或输出的模拟量有：给水流量信号、水位信号、蒸汽流量 信号、变频器给定信号，需要输出的数字量有：接触器通断信号、报警信号。因

47、此只要选择一个模拟量输入模块 1756-if6i、一个数字量输出模块 1756-ob16d 就 可以满足要求。 综上所述可以得到硬件设备的清单如表 3.2 所示。 表 3.2 硬件设备清单 设备名称型号额定电压额定电流额定功率数量 三相电机yjtg380vac61a40kw2 变频器1336f-b150380vac149kw1 功率三极管i3dd56862 plc cpu 模块logix5000220vac1 模拟量输入模块1756-if6i1 数字量输出模块1756-ob16d1 以太网通信模块1756-enet1 devicenet 通信模 块 1756-dnb/a1 pc 机220vac

48、1 接触器hlc-3x380vac5 熔断器xrnt-123a3 水位传感器ptp60124dcv3 流量传感器lugb-9924dcv2 plc 的电源模块为其他各个模块提供电源， plc 的 cpu 块负责 plc 的数据处 理和通信，模拟量输入模块将来自传感器的检测信号传入 plc，devicenet 模块 通过 devicenet 网络控制变频器，数字量输出模块主要控制开关设备的通断。 4 4 硬件设计硬件设计 4.14.1 系统总体线路设计系统总体线路设计 首先需要三相电源为系统供电，由电源插头引入，同时通过过流保护装置以 保证电流过大时能够及时断电，以确保安全不造成设备的损坏，正常

49、情况下设备 正常工作不会发生电流过大的现象，只有在出现故障时才有可能发生过流现象此 时才需要进行断电以确保安全。对于需要 220v 交流电压工作的设备可以连入三 相电源中的任意一相与中性线之间的 220v 交流电压下。例如 plc 就是采用 220v 交流电工作，因此按照上述方式连接就可以直接接入任意一相与中性线之间的 220v 交流电压下。此外还要引入地线在需要接地的地方保证可靠接地确保安全。 由于系统内各种传感器等设备需要直流电压才能正常工作，因此还需要一个 整流装置将它的交流输入侧连入任意一相与中性线之间的 220v 交流电压下并对 220v 交流电进行整流稳压，然后输出稳定的直流电压，

50、直流输出侧可以为各个直 流设备提供直流电压保证各个设备稳定、有效、安全的工作。 由于选用的是交-直-交变频器因此应当首先应该将 380v 三相交流电连入变 频器的 l1、l2、l3 三个端子输入供变频器整流，逆变后的是频率、电压变化的 三相交流电通过接触器的常开触点连入三相异步电动机的定子侧回路为其工作提 供电源，并通过变频器调频调压从而调节电机转速进而改变汽包的送水流量对汽 包水位进行调节。同时直接将由电网引入的三相电通过另一接触器的常开触点连 入三相异步电机的定子侧回路，此时电机工作于工频 50hz 三相交流电下以用来 在调试系统时或其他情况下使用。但两个接触器不能同时闭合，否则将会发生事

51、 故。 根据以上所诉设计总体电器线路如图 4.1 所示。 电源插头 a n c b 过 流 保 护 地线 qs1 总电源 km1 pe 220v 24v12v0v 24v0v12v 变 频 器 pe l1 l3 l2 u w v km2 k1 m 信 号 输 入 a1 c1 b1 n1 c2 b2 a2 c2 b3 a2 c3 n3n4 b2 w1 u1 v1 qs2 qs3 q1 q2 pe j1j0j2 pe devicenet 图 4.1 总体电气线路图 根据该设计可以得到供电线路接线如表 4.1 所示。 表 4.1 供电线路接线表 脚号信号代号信号名称所连设备备注 a b c nacp

52、3三相电源 电源插头 经开 关 qs1 到过流 保护装置 三相供电设备 a1 b1 c1 n1acp3三相电源过流保护装置保护设备 pegnd接地线 电机外壳 传感 器接地线 接地保护 a2 b2 c2acp3三相电源 变频器输入 经 开关 qs2 到电 机定子回路 三相供电设备 c3 n1acp2单相电源直流电源输入单相供电设备 b3 n1acp2单相电源接触器线圈单相供电设备 u1 v1 w1vacp3变频器输出 经开关 qs3 到 电机定子回路 三相供电设备 j1 j0dc2024v 直流电源传感器直流供电设备 q1c1km1 控制信号功率三极管基极开关控制设备 q2c2km 控制信号功

53、率三极管基极开关控制设备 4.24.2 控制线路设计控制线路设计 由于蒸汽流量传感器、水位传感器、送水流量传感器都需要24v直流电压供 电才能正常工作，因此三者的电源端子都要连入直流电源的24v直流电压输出侧， 以为各个传感器供电，保证其正常工作。各个传感器的输出引入plc的模拟量输 入单元1756-if6i供plc完成各种运算从而达到控制目的。plc通过devicenet网络 控制变频器的输出频率从而达到控制给水流量的目的。plc的数字量输出单元 1756-ob16d输出数字信号控制接触器的通断情况。根据以上分析设计控制线路连 线图如图4.2所示。 液 位 传 感 器 电 源 输 入j0 蒸

54、 汽 流 量 传 感 器 电 源 输 入 信 号 输 出 送 水 流 量 传 感 器 电 源 输 入 j0/wf0 信 号 输 出 j1 j1 j0/sf0 j1 cpu 电源 1756- l1m2 1756- ennet 1756- if6i 1756- ob16d sf1 l1 l0 wf1 pe pe pe pe a1 n1 sf1 wf1l1 sf0wf0 q2 q1 l0 信号输出 250 250 250 1756- dnb/a 图 4.2 控制线路连线图 根据以上设计可以得到传感器线路接线表如表 4.2 所示。 表 4.2 传感器线路接线 插脚代号信号代号信号名信号量程 被测（控）

55、 物理量 备注 l1/l0lf+/lf-汽包水位300mm 0300mm 水位 送 plc sf1/sf0sf+/sf-蒸汽流量13 m3/h 013 m3/h 蒸汽流量 送 plc wf1/wf0wf+/wf-送水流量35 m3/h 013 m3/h 送水流量 送 plc 5 控制算法及参数整定控制算法及参数整定 5.15.1 pidpid 算法简介算法简介 众所周知，要使控制系统具有良好的控制性能，除了必须正确的选取、设计 控制方案以外，还必须正确的选择控制算法并进行参数整定。 在控制系统中，按照给定信号和反馈信号之间的偏差的比例（p） 、积分 （i）和微分（d）进行控制的 pid 控制器

56、是应用最为广泛的一种自动控制器8。 它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简 单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶惯性纯 滞后”与“二阶惯性纯滞后”的控制对象，pid 控制器是一种最优控制。pid 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结 构改变灵活，可以方便的改变为 pi、pd、pid 等控制器。 比例调节作用对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速 度加快，稳态误差减小；比例系数偏大，振荡次数加多，调节时间加长；系统会 趋于不稳定；比例系数太小，又会使系统的动作缓慢。比例系数可以选负数，这 主要

57、是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。 积分调节作用对系统性能的影响：是使系统消除稳态误差。提高无差度。因 为有误差积分调节就进行，直至无差积分调节停止，积分调节输出一个常值。积 分作用的强弱取决于积分时间常数 ti。ti 越小积分作用就越强。反之 ti 大则积 分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另 外两种调节规律结合，组成 pi 调节器或 pid 调节器。 微分调节作用对系统性能的影响：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具 有预见性，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用，可以改善系统 的动态性能。在微分时间选择合适情况下可以减少超调，减少调

58、节时间。微分作 用对噪声干扰有放大作用，因此过强地加大微分调节对系统抗干扰不利。此外微 分反应的是变化率，当输入没有变化时微分作用输出为零，因此微分作用不能单 独使用，需要与另外两种调节规律相结合组成 pd 或 pid 控制器。 5.25.2 三冲量控制系统参数整定三冲量控制系统参数整定 系统的参数整定可以采用理论计算法或者工程整定法。由于理论计算法要以 被控对象的动态特性为依据，而动态特性测取时往往具有不准确性，而且容易随 工作状态的变化而变化，因此应当采用工程整定的办法。根据控制方案可以将汽 包水位控制系统结构框图重画为图 5.1 所示。 gw(s)gf(s) nw nh gp(s) nd

59、 h - + - + + gh(s) hr gd(s) w + 图 5.1 汽包水位控制系统结构框图 其中 nd、nw、nh分别表示蒸汽流量传感器、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，其放大倍数可以分别表示为 kw、kh、kd ，gf(s)、 gp(s) 分别表示 变频器、锅炉汽包的传递函数，其放大倍数可以分别表示为 kf、kp 、hr是水位给 定信号。由硬件选型的相关数据可知当系统工作在稳定状态时： ， ， 5 1 0.056 808 dn w 5 1 0.085 503 n 5 1 0.01

60、500 100 hn ， ， 35w 13.0d 300h 由于该设计采用了串级控制方式，首先应该从副回路开始对流量调节器进行 参数整定，然后由内而外，再对主回路水位调节器进行参数整定，通过两步整定 的方法完成系统的参数整定。 由于副回路调节器的任务是快速动作以消除进入副回路的扰动，而且副参数 并不要求无差，所以选用 p 调节器就可以满足要求了。根据控制要求可以设定 1336plusii 系列变频器最高输出频率为 50hz，控制信号为 4-20ma 电流，频率上 升时间为 0.5 秒，电机满负荷运行时变频器输出最高频率 50hz，此时给水流量为 35 m3/h，则有副回路被控对象的增益是：，选