毕业设计论文PLC余热锅炉水位控制系统

1、摘 要节约能源， 提高生产工艺过程中的能量利用率和开发研究新的节能技术已成为各国研究能源利用技术的主要课题。随着生产工艺的改进和采用有效的节能技术设备，一次能源利用率的逐步提高，高温余热资源的总量相应减少，大量的中、低温余热和固体显热的余热未得到经济而有效地回收利用。为了给好更充分的利用资源和减少能源浪费，因此，余热锅炉产生了并高速发展。汽包水位的稳定性是余热锅炉运行的主要指标，为了保证余热锅炉的安全、稳定、经济运行，本文设计采用了性能先进的plc、微型计算机、智能调节器等自动设备组成的余热锅炉自动控制系统，并且以三冲量调节方式对余热锅炉汽包液位进行控制。这样使整个系统适应能力更强，抗干扰能力

2、和鲁棒性更好，保证水位的稳定。因此，设计出更精准、更灵活的水位控制系统是非常必要的。关键词：余热锅炉；汽包水位； 三冲量； 串级系统；plc； abstractto save energy, improve the production process of energy utilization and development research new energy-saving technology has become energy utilization technology in all countries the main research topic. as improve the

3、 production process and adopting effective energy saving technology and equipment, once the gradual improvement of the energy efficiency, high temperature heat resources corresponding decrease the amount of low-temperature heat and solid, did not get the sensible heat waste recycling economic and ef

4、fectively. in order to give good more fully utilization of resources and reduce energy wasted, so, waste heat boiler produced and high-speed development. the stability of the drum water level is waste heat boiler operation of the main index, in order to guarantee the waste heat boiler safety, stabil

5、ity and economic operation was designed using performance, this paper advanced plc, microcomputer, intelligent regulator automated equipment such as the waste heat boiler of automatic control system, regulating mode in three impulse and to waste heat boiler drum liquid level control. this ability to

6、 adapt to the whole system, the anti-interference ability and stronger robustness, guarantee the stability of water. therefore, design a more accurate and more flexible water level control system is very necessary.keywords: waste heat boiler; drum level; three impulses; cascade system; plc;目录摘 要ivab

7、stractv第一章 绪 论11.1余热锅炉的现状和发展11.1.1余热锅炉的现状11.1.2余热锅炉的发展1第二章 余热锅炉系统结构研究32.1余热锅炉的任务与原理32.11余热锅炉的任务32.1.2余热锅炉的工作原理32.2余热锅炉的型式42.3余热锅炉的布置62.4余热锅炉的分类和特点8第三章气泡水位特性及控制93.1 锅炉汽包水位的特性93.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性103.1.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性133.2气泡水位调节和保护153.2.1稳定水位的必要性153.2.2影响汽包水位的因素163.3水位控制173.3.1串级控制系统173.3.2串级控制

8、系统的参数整定183.4 汽包水位调节系统19第四章 余热锅炉水位控制系统plc软件设计254 .1控制系统设计思想和总体方案2542控制系统硬件结构和功能274.2.1 plc284.2.1硬件选择324.3 控制策略研究344.3.1锅筒水位控制规律研究344.3.2锅炉锅筒水位的三冲量控制方案354.4系统应用软件设计与实现3644.1 应用软件总体结构364.41主程序设计与分析37结论39致谢40参考文献41第一章 绪 论1.1余热锅炉的现状和发展1.1.1余热锅炉的现状节约能源， 提高生产工艺过程中的能量利用率和开发研究新的节能技术已成为各国研究能源利用技术的主要课题。随着生产工艺

9、的改进和采用有效的节能技术设备，一次能源利用率的逐步提高，高温余热资源的总量相应减少，大量的中、低温余热和固体显热的余热未得到经济而有效地回收利用。因此，余热利用技术正由高温排烟的余热回收技术转向中、低温和固体显热的余热回收利用技术。为提高能源利用率和节约能源，除采用高能效的新设备和新工艺外，采用余热锅炉回收各类余热也是提高能源利用率的重要手段。为此，各国先后开展了余热锅炉的研制工作，并在节能中大力推广应用余热锅炉，取得了显著的节能成果。目前，国外利用余热发电的新趋势，是单机功率小，载热体温度低(即利用中低温余热发电)。国内也有一些利用余热发电，如炭黑工业中的低热值尾气余热和硫酸工业中的硫酸余

10、热发电等，所发的电能主要供工厂自用。目前，已把如何利用中低温的低品位余热发电，作为开发节能新技术的重要课题。余热锅炉是一种理想的节能设备， 它不但能节约能源，而且对提高主流程的质量，减轻公害和满足某些工艺流程要求，都起着十分重要的作用。现有的余热锅炉按进锅炉的介质特性，有以下几种主要型式：(1)废烟气不需要进一步处理的余热锅妒；(2)废烟气需要进一步处理的余热锅炉；(3)废烟气要进一步处理， 且其冷却应在给定的间时内完成的余热锅炉；(4)固体显热的余热锅炉1.1.2余热锅炉的发展近十几年，余热锅炉技术发展十分迅猛。七十年代初我国着手并开始实施发展余热锅炉的规划。从1974年到1980年，先后投

11、资扩建余热锅炉研究和制造基地， 现已形成具有一定的余热锅炉研制能力以及科研基础。至今已开发并制造了涉及15个类剐、74个品种、101个规格的余热锅炉2000余台。我国余热锅炉产品技术水平， 除少数接近或达到国际上同类产品的先进水平外， 大多数相当于国外五， 六十年代的水平，其主要差距反映在以下几个方面；(1)热利用率低；(2)自控水平落后；(3)积灰率高和清除效果差(特别是有色冶炼工艺中的余热锅炉)。实践证明，余热锅炉在各企业的节能中发挥了相当有效的作用， 获得了较好的经济效益， 其投资一般可在3 4年内回收。余热锅炉的作用现已超越了单纯的余热利用，事实上它的作用与工艺流程现代化和防止环境污染

12、方面已无法截然分开， 所以各种类型的余热锅炉相继问世。我国近几年产量每年约在400500蒸吨之间，尚不能满足市场的需要。据预测，1990年，全国余热锅炉需要量在1000蒸吨年以上。随着技术的进步，今后工业部门将普遍采用高能效的先进工艺流程，这样能源的有效利用率提高，高温余热资源总量相应减少，而中、低温余热资源相应增长。因此，余热利用技术将由高温余热回收技术转向中，低温和固体显热的余热回收利用技术，但在近期仍以发展高温余热回收的锅炉产品为主。如干法熄焦余热锅炉，化铁炉余热锅炉， 转炉余热锅炉等。当然也必须为今后开发中、低温和固体显热回收的余热利用技术以及城市垃圾焚烧余热锅炉开展一些科研工作， 以

13、加快设计，制造各种类型、容量和参数的余热锅炉，满足来来市场的需求。余热锅炉是机械产品及余热发电设备的一个重要组成部分，因此发展余热锅炉，振兴余热锅炉行业，也是振兴机械工业和电力工业，促进产品上质量、上品种和上水平不可缺少的环节。为实现上述目的，建议采取以下措施：1改进老式产品，开发新产品，赶上世界先进水平；2在产品开发中，科研设计要与推广应用相结合；3加强与国外的技术交流，借鉴国外的先进经验；4制定必要的技术和经济政策，发挥科研人员的工作积极性。1.2余热锅炉的型式1、强制循环余热锅炉图11所示的余热锅炉就是强制循环余热锅炉。从汽包下部出来的水经一台循环泵后，进入蒸发器，是靠循环泵产生的动力使

14、水循环的，称为“强制循环余热锅炉”。其特点是；各受热面组件的管子是水平的，受热面之间是沿高度方向布置，可节省地面的面积，并使出口处的烟囱高度缩短。但在运行中需要循环泵，使运行复杂，增加维修费用。目前油田进口的余热锅炉，多数采用此种型式。2-1强制循环余热锅炉2自然循环余热锅炉图12是一自然循环余热锅炉，全部受热面组件的管子是垂直的。给水进入省煤器吸热后，进入汽包。汽包有下降管与蒸发部的下联箱相连，下降管位于烟道外面，不吸收烟气的热量。汽包还与蒸发器的上联箱相连。直立管簇吸收烟气的热量。当水吸收烟气热量就有部份水变成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管内汽和水混合物的平均密度要小于

15、下降管中水的密度，两者密度差形成了水的循环。也就是说：不吸热的下降管内的水比较重，向下流动。直立管内的汽水混合物向上流动，形成连续产汽过程。此时进入蒸发器的水不是靠循环泵的动力，而是靠流体的密度差而流动，这种余热锅炉称为“自然循环余热锅炉”。其特点是：省去循环泵，使运行和维修简单。但各受热面是沿水平方向布置，占地面积大，在排烟处所需烟囱的高度要高。图2-2 自然循环余热锅炉1.3余热锅炉的布置图13是强制循环余热锅炉的布置图，包括余热锅炉本体受热面及烟道系统，其特点如下：图23余热锅炉布置图1烟气系统从燃气轮机出来的高温烟气有两路出口，一路进人余热锅炉，从主烟囱排人大气，另一路进入旁路烟囱排人

16、大气。每路烟道上都装有挡板，共有三个挡板，主烟道上的挡板称“主挡板”，旁路烟道上的档板称“旁路档板”，主烟囱处的档板称“烟囱挡板”，各挡板是配合使用的。燃气轮机工作而余热锅炉不工作，要开启旁路挡板，关闭主挡板。燃气轮机与余热锅炉同时工作，要关闭旁路挡板，开启主挡板。另一方面为调节余热锅炉的产汽量，主挡板和旁路挡板可以部份开启或部份关闭，挡板调节的内容见后。余热锅炉工作时，应该开启烟囱挡板。当余热锅炉短时间停炉，可以关闭烟囱挡板，以防止余热锅炉内的热量损失。因为余热锅炉内温度比较高，周围冷空气可以进入余热锅炉，形成自然对流将热量带走，关闭烟囱挡板就能防止外界气流进入余热锅炉，以保存热量，准备随时

17、起动余热锅炉。如果余热锅炉要停炉检修，希望冷却速度快些，可以开启烟囱挡板。水平烟道经过一个90°转弯接头与余热锅炉相连，这个转弯接头是经制造厂试验研究后确定的，其形状尺寸必须要保证转弯后的气流分布均匀，均匀的气流能够使得烟气放热也均匀，管内水或汽的吸热也均匀，否则会使一些管子吸热多而另一些管子吸热少，这对余热锅炉的安全运行是不利的。主烟道和旁路烟道都装有膨胀节，这是由于烟道受热后要伸长，会对烟道的支架产生热应力。采用膨胀节能吸收烟道的伸长量，可以减小热应力。2汽包汽包是用悬吊的方式来固定，悬吊在伸出的悬臂框架上，悬臂框架与省煤器的框架相接。采用悬吊方式可以使汽包有足够的挠性，因汽包下

18、部有下降管，上部有省煤器进水管、蒸发器的汽水混合物引入管以及饱和蒸汽引出管等，当这些连接管受热膨胀时，都会对设备产生附加应力，现在汽包用挠性支架，能减少对设备产生附加应力。3组件的装配1 内壁 2 外壁 3 保温层 4 连接螺栓5 法兰 6 法兰螺栓整个余热锅炉分成几个大组件，每个大组件在制造厂组装好后装运。在现场直接安装，这样大大缩短安装工期。这些增加有：烟囱，膨胀节，90°转弯段，支承框架，汽包，烟道，挡板，烟囱缩口，过热器，蒸发器i和ii，省煤器，旁路烟道及其挡板和膨胀节等。 有热烟气流过的组件均装有管箱板，管箱板上有法兰。图24示出了上下拉杆组件管箱板的连接方式。考虑到减少散

19、热损失，保证运行人员安全，管箱板由金属板与保温层组成。与高温烟气接触的内壁采用耐热合金钢板，外壁采用碳钢板。两金属那边之间是矿物纤维保温层，外壁和内壁用螺栓连接，螺栓预先焊在外壁钢板的内侧，在内壁相应位置处预先冲孔眼，孔的直径要比螺栓直径大，多余的孔隙量可以允许内壁和外壁有相对移动。这是因为内壁和外壁的温度不同，材料不同，受热后的膨胀伸长量也不同，所以两壁之间会有相对移动。外壁上焊有加强框架，可保证管箱板的强度和刚度，外壁的两端焊有法兰，可以用来连接组件。 烟气在余热锅炉中自下而上流动，烟温逐渐降低，所以管箱板的保温层厚度也可减薄，省煤器出口的烟气温度不超过200，可以直接用碳钢的钢板制造烟道

20、，来代替管箱板。1.4余热锅炉的分类和特点按余热的性质可分为以下几大类: 1.高温烟气余热:它是常见的一种形式,其特点是产量大,产点集中, 连续性强, 便于回收和利用, 其带走热量占总热量4050%,该余热锅炉回收热量,可用于生产或生活用热及发电。 2. 高温炉渣余热:如高炉炉渣,转炉炉渣,电炉炉渣等,该炉渣 温度在1000以上,它带走的热量占总热量的20%。3.高温产品余热:如焦炉焦碳,钢锭钢坯,高温锻件等,它一般 温度.很高,含有大量余热.。4. 可燃废气、废液的余热:如高炉煤气,炼油厂的催化裂化再生废气,造纸厂的黑液等,它们都可以被利用。5. 化学反应余热:如冶金,硫酸,磷酸,化肥,化纤

21、,油漆等工 业部门,都产生大量的化学反应余热。 6. 冷却介质余热:如工业炉窑的水套等冷却装置排出的大量冷却 水,各种汽化冷却装置产出的蒸汽都含有大量的余热,它们都可 以被合理利用。7.冷凝水余热:各工业部门生产过程用汽在工业过程后冷凝减 时所具有的物理显热。由于余热是与其它生产设备及工艺密切相关,故余热利用又具有以下特点: 1. 热负荷不稳定,主要有工艺生产过程所决定。2. 烟尘的成分,浓度,粒度差别比较大，从而使锅炉的受热面布置受影响,必须考虑防磨、堵灰及除尘。 3.烟气成分的多样性,使有的烟气具有腐蚀性。如烟气中的二氧化硫,烟尘或炉渣中的各种金属和非金属元素等都可能对余热设备产生低温或高

22、温腐蚀和积灰。 4.受安装物所固有条件的限制。如有的对锅炉进,出烟口标高 的限制;有的对锅炉排烟温度的限制,使其满足生产工艺的要 求。第二章 余热锅炉任务和原理2.1余热锅炉的任务余热锅炉是利用生产过程中的气体或废气、废液，以及某些动力机械排气的热量产生蒸汽或热水的锅炉。和常规锅炉不同，余热锅炉中不发生燃烧过程，也没有燃烧相关的设备，从本质上讲，它只是一个燃气水/蒸汽的换热器。在燃气轮机内做功后排出的燃气，仍具有比较高的温度，一般在540左右，利用这部分气体的热能，可以提高整个装置的热效率。通常是利用此热量加热水，使水变成蒸汽。蒸汽可以用来推动蒸汽轮机发电机，也可用于生产过程的加热或供生活取暖

23、用。对于稠油的油田可以用蒸汽直接注入油井中，以提高采油量。根据不同的蒸汽用途，要求有相应的蒸汽压力和蒸汽温度，也就需要不同参数的产汽设备。利用燃气轮机排气的热量来产汽的设备，称为“热回收蒸汽发生器”，表明回收了排气的热量，用英文字母hrsg来表示。我国习惯上称为“余热锅炉”，本文也采用“余热锅炉”的名称，并把燃气轮机的排气简称为“烟气”。“余热锅炉”通常是没有燃烧器的，如果需要高压高温的蒸汽，可以在“余热锅炉”内装一个附加燃烧器。通过燃料的燃烧使整个烟气温度升高，能够产生高参数的蒸汽。例如某余热锅炉不装燃烧器时，入口烟气温度为500，装设附加燃烧器后，可使入口烟气温度达到756。蒸汽的压力可以

24、从4mpa升到10mpa，蒸汽的温度可以从450升到510，蒸汽可以供高温高压汽轮机用，从而增加了电功率输出。目前我国油田进口的余热锅炉的蒸汽参数有：4mpa配450及1.4mpa配195（饱和蒸汽）。前者供给中压汽轮机来发电，后者可以供生产或供生活取暖用。2.2余热锅炉的工作原理燃烧设备出来的高温烟气经烟道输送至余热锅炉入口，再流经过热器、蒸发器和省煤器，最后经烟囱排入大气，排烟温度一般为 150180，烟气温度从高温降到排烟温度所释放出的热量用来使水变成蒸汽。锅炉给水首先进入省煤器，水在省煤器内吸收热量升温到略低于汽包压力下的饱和温度进入锅筒。进入锅筒的水与锅筒内的饱和水混合后，沿锅筒下方

25、的下降管进入蒸发器吸收热量开始产汽，通常是只用一部分水变成汽，所以在蒸汽器内流动的是汽水混合物。汽水混合物离开蒸发器进入上部锅筒通过汽水分离设备分离，水落到锅筒内水空间进入下降管继续吸热产汽，而蒸汽从锅筒上部进入过热器，吸收热量使饱和蒸汽变成过热蒸汽。根据产汽过程的三个阶段对应三个受热面，即省煤器、蒸发器和过热器，如果不需要过热蒸汽，只需要饱和蒸汽，可以不装过热器。当有再热蒸汽时，则可加设再热器。如下图所示： 由上图可看出，余热锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。 第三章气泡水位特性及控制3.1 锅炉汽包水位的特性锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中

26、的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响

27、，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量和给水流量。综上，引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。3.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量产生变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为： (3-1)经拉氏变换后可得: (3-2)从式(3-2)，可以方便地得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为： (3-3) 对于中压锅炉，上式中tw的数值很小，常常可以忽略不计，因此式(3-3)可以进一步改写为： (3-4) 其中 -反

28、应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度，单位为毫米秒·(吨小时)。从式(3-4)可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积分环节和一个一阶滞后环节所组成,、t2的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式(3-4)来表示它的动态待性，误差较大，这时可选用下面(3-5)式近似计算： (3-5) -给水量扰动下的纯滞后时间，对于非沸腾式省煤器的锅炉，为0-100秒，对于沸腾式省煤器的锅炉，100-200秒；ta=1/-水位的反应时间，它也与锅炉结构有关。反应速度及反

29、应时间ta都用相对量来表示：定义为：当扰动量为100%(从满负荷突然变化到零)，水位(以允许变化的范围为100%)的变化速度，单位为每秒。ta定义为：扰动量为100%，水位变化100%所经历的时间，单位为秒，例如：一台230吨小时的锅炉，假设汽包的正常水位力200毫米，水位的反应时间ta为30钞。这就是说，当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于出汽和进水流量的不平衡，水位将等速度下降，30秒钟下降200毫米，如果给水量减少10%(23吨小时)，则将在30秒钟水位下降20毫米。如果用反应速度表示，则当对于中压多汽包锅炉，ta为300秒；一般中压锅炉，ta30-100秒；高压锅炉ta30秒

30、。huwwttho图3-1给水量扰动下的水位飞升曲线根据式(3-5)在阶跃输入下作给水扰动(假定在一定范围内汽包的横截面积不变，或变化不大)。可以得到如图3-1所示的反应曲线。由曲线可知：当突然加大给水量后(这时假定蒸汽量不变)，给水量大于蒸发量，但汽包水位一开始并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这是因为温度较低时更多的给水进入水循环系统，它从原有饱和汽水中吸取一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的“损失”汽泡体积减少。进入省煤器的给水，首先必须填补由于汽水管路中汽泡减少所让出的空间，这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。当水面下汽泡容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐

31、上升。当水面下汽泡容积不再变化、完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。对于采用沸腾式省煤器的锅炉，给水作用下的惯性段要比上述情况严重得多，甚至还可能出现“假水位”现象，在这种情况下，水位变化的特性应该采用如下传递函数： (3-6)式中： ustthwh1hh2图3-2采用沸腾式省煤器给水作用下的水位飞升曲线图3-2是给水作用下汽包水位的反应曲线。hl是只考虑物料不平衡，即给水量大于蒸发量而产生的上升曲线，它由式(3-6)的1ta这一项所确定，其特性表现为积分环节，无自平衡能力；h2是由于给水量增加，蒸发面以下汽泡容积的变化引起的。h是由h1(t)为h2(t)迭加而成的它的特性实

32、际上是两个环节的并联。3.1.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以直接从式(3-2)导出(假定给水量不变)： (3-7) 拉氏变换后可得： (3-8) 则： (3-9) 上式可以用两个动态环节的并联来等效，即： (3-10) 其中 , uddtth2hh1h3图3-3蒸汽流量扰动下时的水位飞升曲线在蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线如图3-3所示。对大部分调节对象而言，平衡受到破坏的主要影响因素是系统中物料或能量的不平衡。锅炉汽包水位对象，除上述对象具有的特性以外还有它特有的性质。当负荷设备的用汽量突然增加d(假定供热量及时跟上)，单从物料不平衡考虑，汽

33、包中蒸发量大于给水量，汽包水位应如图3-3中h1所示，相当于式(3-10)中的1ta这一项，是直线下降的。但是实际水位不是h1而是h，在扰动的初始瞬间水位不但没有下降而且是上升的。这是由于锅炉汽包蒸发面以下和水管系统中蒸汽容积随负荷的变化而改变所致。在蒸发面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸发过程的连续性，在蒸汽向汽水分界面移动的过程中，会有一部分蒸汽在某一段时间内处于水中在一定负荷和一定压力下，蒸汽发生量与蒸发面以下蒸汽含量之间有一个确定的对应关系，蒸发面以下的蒸汽容积可以用下式表示： (3-11) 式中，vs-蒸发面以下的蒸汽容积；k-比例系数，随负荷不同而异；w1-汽化强度；-饱和蒸汽重度；-

34、汽泡在水中平均停留时间。当蒸汽流量d阶跃增加时，汽包中压力减小，汽水循环管路中水的汽化强度w1加，蒸发面以下蒸汽容积vs增加。汽泡体积膨胀而使水位变化的曲线如图3-3中h2所示，实际水位变化曲线h就是h1和h2的迭加。从图中可以看出，当蒸汽量变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式，负荷阶跃增大时，汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加。此时虽然蒸发量大于给水量，但水位不仅不下降，反而迅速上升。这种特殊现象称为“虚假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的，图3-3中h2的时间常数只有10

35、-20秒。由于“假水位”而出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太大，只有限制负荷d的变化速度或限制负荷一次变化量。“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于般100-230吨小时的中高压锅炉加负荷阶跃变化10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达30-40毫米。从以上动态特性分析中可以得到如下结论：(1)汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自衡能力。具体特性可用三种形式来描述，究竟采用何种形式，可根据锅炉结构和汽化强度来定。(2)汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“假水位”现象,“假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发

36、量扰动大小成正比也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑。3.2汽包水位调节一、单冲量水位调节系统单冲量水位自动调节如图3-4所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。gc(s)gv(s)hmgo(s)hh0+-图3-4单冲量水位调节系统从单冲量调节系统静特性看，单冲量调节器宜选用比例积分调节规律，如选用纯比例调节则： (3-15)式中h-汽包水位；h0-水位的给定值；-调节器比例度；u-调节阀开度。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有(

37、1)这种调节方案只根据水位调节给水量，在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，在调节过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩大了进出流量的不平衡。(2)从给水扰动下水位变化的动态特性可以估计到，当水位已经偏离给定值后再调节给水量，因给水量改变后要经过一定迟延时间才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅度大、调节时间长。二、双冲量水位调节系统对于存在扰动的系统,可以直接按照扰动进行控制,称作前馈控制,在理论上,它可以消除扰动引起的偏差。在汽包水位双冲量调节系统中引入蒸汽流量为前馈信号，构成如图3-5所示的双冲量水位自动调节系统。这种调节系统的特点是：(1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水

38、位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。(2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静特性，提高调节质量如调节器选用纯比例调节规律。则： (3-16)hh0dgf2gcgvgo1hm+-d图3-5汽包水位双冲量调节系统原理图其中：: -静态前馈系数;d-蒸汽流量。在加有前馈控制的系统中，一旦出现扰动，前馈调节器就直接根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于惯性和

39、纯滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化，前馈调节器就进行了了补偿，可以使被控量不会因扰动作用而产生偏差。双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。三、三冲量水位调节系统近代锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在10-30秒内就会发生危险水位，如仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自

40、发性的变化，当几台锅炉并列运行时,还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中,对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制稳定，锅炉水位调节常辅助有蒸汽流量和给水流量动态补偿，由水位h、蒸汽流量d和给水流量w组成了三冲量汽包水位调节系统，如图3-6所示。在这个系统里，汽包水位h是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量d、给水流量w是两个辅

41、助冲量信号。d、w引入系统的符号，根据各自信号的增减对水位h的影响来定。如蒸汽流量d，当dw时，水位h降低，要使水位h不变就必须在原有给定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值,所以d引入系统的符号为“+”。h、w引入系统的符号可用同样的方法来确定。由于三冲量调节系统抗干扰能力和调节品质都比单冲量、双冲量调节要好，因此应用也最多。 图3-9是三冲量水位调节系统的原理图。从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路；(1)是由给水流量w、给水分流器w、调节器gc、调节阀kv组成的内回路.(2)由水位调节对象go1和内回路构成的主回路。蒸汽流量d、分流器d、对象gf2均在闭合回路之外它的引入可以

42、改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量调节的实质是前馈加反馈的调节系统。hh0dgf2gcgvgo1+-w-wd图3-10三冲量水位调节系统原理图在这个系统里，内回路相当于串级调节的副环，当给水流量产生扰动时(给水流量的扰动也称内扰)，由于副回路的快速调节作用，将对水位影响较小。在分析内回路时可认为主回路是开路，内回路是一个随动系统。第四章 余热锅炉水位控制系统plc软件设计4 .1 控制系统设计思想和总体方案在余热锅炉水位控制系统的设计中，控制系统需要完成三个组成部分的过程参数检测以实现水位的自动控制。同时，为了解决大型工业企业集中控制方式实时性较差、数据处理及传输慢，不能适

43、时对生产做出控制决策等缺点。控制系统还需要能够在计算机系统的基础上实现对整个生产过程的控制和管理。余热锅炉水位控制系统如果采用常规仪表进行控制，不仅系统所用的仪表没备多、结构复杂、实施及调试难度大，难以保证系统的可靠性，而且难与控制系统进行通讯，实时监控和适时决策仍然未能实现。近年来，随着可编程控制器技术的不断发展完善，其可靠性高、组态灵活、编程简易、系统设计安装和调试周期短的优点，为实现锅炉水位控制的设计、调试提供了有利条件。同时，由于组态后的控制系统易于通讯，解决了生产过程统一调度的难题。因此，在考察原有设备、仪表和生产条件后，设计并开发一套基于plc控制的汽包水位控制系统。针对图4-1余

44、热锅炉的实际运行情况和特点，控制系统采用了两层结构，即上位机监控和plc控制系统。其中，上位机负责接收来自管理层的生产计划和调度命令，完成整个生产过程的调度与监控，并对实时数据和历史曲线进行统计和分析，形成相应的报表。plc控制系统在线采集生产过程参数及设备运行状态，根据各执行机构的信号，控制生产现场的各个相关设备和系统运行。控制系统采用可编程控制器结合上位机监控的设计方案，所有的模拟量经采集过以后都转化成整型数进行处理，开方器、加法器、阻尼器和分流器都可以通过程序计算实现，节约了大量的硬件成本。本论文的主要研究内容是余热锅炉控制子站，包括plc和工控机两个部分。余热锅炉控制站和其它子站之间通

45、过以太网进行通讯，各子系统的并网和单个系统切断互相不受影响，使全套系统的安全性得到充分保证。42控制系统硬件结构和功能在余热锅炉生产过程中，底层设备的检测值直接送入plc进行监视与控制。工控机通过总线与plc通讯，以获取生产过程的各项参数，同时将人工决策和控制单元参数传送至plc相对的存储单元，通过plc的输出实现汽包水位的控制。控制系统硬件结构框图如图4-1所示。图4-1余热锅炉控制系统硬件结构框图通过性能、价格的对比分析，本控制系统选用了美国通用电气公司生产的西门子s7-300plc系列plc和dell工控机。它们的特点、功能简介如下：1dell工控机本控制系统所选用的是dell工控机，此

46、类机型性能稳定、可靠性高，广泛应用于各种生产现场。同时，它带有8个扩充插槽，具有高稳定和丰富的扩展能力，有利于控制系统的扩充和升级。能够充分满足控制系统的运行需要，并具备了升级的潜力。2西门子s7-300plcplc是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。plc及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。（一）plc的基本结构plc实质是一种专用于工业控制的计算机，其

47、硬件结构基本上与微型计算机相同，如下图4-2所示：图4-2 plc硬件结构1、中央处理器（cpu）中央处理单元（cpu）是plc 的控制中枢。它按照plc 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据：检查电源、存储器、i/o 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误，当plc 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送

48、到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高plc 的可靠性，灵活性，近年来对大型plc 还采用双cpu 构成冗余系统，或采用三cpu 的表决式系统。这样，即使某个cpu 出现故障，整个系统仍能正常运行。2、存储器（memory）可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入的信号的状态写入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。cpu常用的微处理器有通用型微处理器，单片机和位片式计算机等。小型plc的cpu多采用单片机或专用的cpu。大型plc的cpu多用位片式结构，具有高速数据处理能力。3、基本i/o接口电路（1）输入接口单元。plc内部输入电路作用是

49、将plc外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的、符合plc输入电路要求的电压信号，通过光耦电路送至plc内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.115ms之间。多数plc的输入接口单元都相同，通常有两种类型。一种是直流输入，一种是交流输入。（2）输出接口单元。plc输出电路用来将cpu运算的结果变换成一定形式的功率输出，驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。plc输出电路结构形式分为继电器式、晶闸管式和晶体管输出型等三种。在继电器式输出中，cpu可以根据程序执行的结果，使plc内设继电器线圈通电，带动触点闭合，通过继电器闭和的触点，由

50、外部电源驱动交、直流负载。优点是过载能力强，交、直流负载皆宜。但存在动作速度较慢，且为有触点系统，使用寿命有限等问题。双向晶闸管和晶体管输出型输出分别具有驱动交、直流负载的能力。晶闸管输出型cpu通过光耦电路的驱动，使双向晶闸管通断，可以驱动交流负载；晶体管输出型cpu通过光耦电路的驱动，使双晶体管通断，驱动直流负载。优点是两者均为无触点开关系统，不存在电弧现象，而且开关速度快，缺点是半导体器件的过载能力差。以上列举了六类输入和输出电路形式，各类plc产品的输入、输出电路结构形式均有所不同，但光耦隔离及阻容滤波等抗干扰措施是相似的。根据输入、输出电路的结构形式不同，i/o借口又可以分为开关量i

51、/o和模拟量i/o两大类。其中模拟量i/o要经过a/d，d/a转换电路的处理，转换成计算机系统所能识别的数字信号，在整体机构的plc中，有开关量的交，直流i/o模块，和模拟量i/o模块及各种智能i/o模块可供选择。plc输入电路和输出电路各种不同结构形式能够适应各不同负载的要求。4、接口电路plc接口电路分为i/o扩展接口电路和外设通信接口电路两类（1）i/o扩接口电路i/o扩展接口电路用连接i/o扩展单元，可以用来扩充开关量i/o点数和增加模拟量的i/o端子。i/o扩展接口电路采用并行接口和串行接口两种电路形式。根据被控制对象对plc控制系统的技术和要求，确定用户所需的输入、输出设备，据此确

52、定plc的i/o点数。（2）外设通信接口电路通信接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能组成plc的控制网络。plc通过pc/ppi电缆或使用mpi卡通过rs-485接口和电缆与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。5、电源plc内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为plc内部电源需要的工作电源（5v直流）。当输入端子为非干接点结构时，为外部输入元件提供24v直流电源（仅供输入点使用）。（二）plc特点1、软硬件功能强plc的功能非常强大，其内部具备很多功能，如时序、计数器、主控继电器、移位寄存器及中间寄存器等，能够方便地实现延时、锁存、比较、跳转

53、和强制i/o等功能。plc不仅可进行逻辑运算，算术运算，数据转换以及顺序控制，还可实现模拟运算、显示、监控、打印及报表生成等功能，并具有完善的输入输出系统。plc能够适应各种形式的开关量和模拟量的输入控制、输出控制，还可以和其他计算机系统、控制设备共同组成分布式控制系统，实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。plc的编程语言丰富，它可以分为梯形图语言、逻辑功能语言、指令表、和顺序功能四种。特别是梯形图语言，它直观、方便，我们只要有了通常的继电接触器电路图、逻辑图或逻辑方程，就等于它有了plc系统的用户程序，很适合电器工程技术人员操作和使用。2、使用维护方便plc不需要像用计算机控