机械自动化专业毕业论文--基于PLC的锅炉汽包水位控制系统设计

1、机械自动化专业毕业论文-基于PLC的锅炉汽包水位控制系统设计 摘要汽包水位是影响锅炉平安运行的重要参数，汽包水位过高过低的后果非常严重，因此汽包水位必须严格控制。PLC技术的快速开展使得PLC广泛应用于过程控制领域并极大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，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案根据控制要求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：汽包水位三冲量PLC PID控制ABSTRACTThe steam drum water

2、 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 the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain

3、 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 influence steam drum water level, “unreal water level phenomenonis analyzed specially, and three impuls

4、es 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 selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software

5、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11.1汽包水位控制系统的开展现状11.2本设计的主要工作22控制方案设计42.1汽包水位的影响因素42.2汽包水位的控制方案设计73硬件选型133.1水位传感器选型133.2流量传感器的选型143.3电机的选型163.4

6、变频器的选型173.5接触器的选型173.6熔断器的选型183.7功率三极管的选型183.8 PLC及相关模块的选型193.9硬件工作原理224硬件设计254.1系统总体线路设计254.2 控制线路设计285控制算法及参数整定305.1 PID算法简介305.2 三冲量控制系统参数整定316软件设计396.1 程序流程设计396.2 DeviceNet网络组态416.3 RSLogix5000程序设计447监控界面设计508结束语53参考文献55致 谢56附 录571绪 论蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供应合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要锅炉是一个复杂的对象，为保证提供合格的蒸汽以适应

7、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。保持锅炉包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的平安性指标由于负荷、燃烧况及给水流量的变化，包水位会经常变化。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，是保证锅炉平安生产运行的必要条件，也。传统的控制方法是以分立器件的应用为根底，利用各种检测器件对被控参数实时检测并反响给控制器件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，从而到达自动控制的目的。但是这种控制方式受分立器件的性能影响大系统各局部之间影响较大，自动化水平不高，容易出现故障。PLC控制

8、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平安、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用PLC控制，能锅炉行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被量是汽包水位，而调节量那么是给水流量，通过对PLC对反响信号和给定信号进行比拟，然后根据控制算法对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，使汽包内部的物料到达动态平衡，变化在允许范围之内。2控制方案设计锅炉是重要的动力设备，其任务是供应合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。汽包水位是影响锅炉平安运行的重要参数，如果水位过高，会破坏

9、汽水别离装置的正常工作，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，那么会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以汽包水位过高过低都可能造成重大事故。被控量是汽包水位，而调节量那么是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料到达动态平衡状态，从而使汽包水位的变化在允许范围之内保证锅炉的平安运行生产出合格稳定的高质量蒸汽，以满足负荷的需要。2.1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。初看起来，汽包水位的动态特

10、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上下。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，即使水循环系统总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变影响水位的稳定。影响汽包水位H的主要因素有给水量W，汽轮机耗汽量D和燃料量B三个主要因素。给水扰动的影响如果把汽包及其水循环系统看作单容水槽那么水位的给水阶跃扰动响应曲线为图2.2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局部热量使锅炉内部的蒸汽产量下降，

11、水面以下的汽泡总体积V也就相应减小，从而导致水位下降如图2.2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曲线H所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大那么响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为： 2.1 式2.1中表示汽包水位的飞升速度，表示延迟时间。当汽轮机耗汽量D突然阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降如图2.3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

12、而导致汽包水位上升，如图曲线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曲线H所示。对于大中型锅炉来说后者的影响要大于前者，因此负荷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 式2.2中表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，表示“假水位现象燃料量扰动的影响燃料量的扰动必然引起蒸汽流量D的变化，因此也同样会有假水位现象。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热量，因此有一定的热惯性。燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且汽压也会

13、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拟复杂和困难。2.2汽包水位的控制方案设计 从反响的思想出发很容易想到以汽包水位信号作为反响量，给水流量作为被控量，构成单回路反响控制系统，即水位单冲量控制系统。这是一个根本的控制方案图2.所示。对于小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非常大比重，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控制汽包水位。但对于大

14、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，导致汽包水位剧烈的上下振荡不稳定，严重的影响设备的运行寿命和平安，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方法来控制汽包水位。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.所示的控制系统，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构成了一个蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水位的恒定。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

15、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，因此不宜采用如果把以上所两种方案结合起来，就构成了汽包水位冲量控制系统如图2.所示冲量指的是同时引入个测量信号：汽包水位和蒸汽量。这个系统对以上所分析的两种方案取长补短，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

16、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。只要参数整定适宜，给水量必然等于蒸汽量从而保证水位恒定。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2.所示，即前馈反响串级复合控制系统。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。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

17、由汽包水位调节器完成水位的细调维持汽包水位的稳定。框图3硬件选型3.1水位传感器选型 由于该设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的根底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。根据原始资料可以知道汽包水位应该控制在300±10 mm根据过程控制仪表量程原那么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300±10 mm因此所选水位传感器的精度应该高于10/ 2.2%FS，因此选测量精度可以满足要求。佛山市顺德区拓朴电子仪器生产

18、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316全不锈钢结构有多种量程可供选择，选择测量围为：500mm，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：500mm 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，

19、输出变化小于0.1%FS 电接口 信号接口 : 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24直流电源为水位传感器供电保证其正常工作，将15V电压信号作为反响量引入PLC模拟输入端口进行控制运算。3.2流量传感器的选型根据控制方案我们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。根据原始资料可以知道我们所要控制的是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35t水被蒸发成为蒸汽。由原始资料可以做如下估算水位稳定时供水量为：35 m3/h上海正博

20、自动化仪表生产的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10：115：15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8，0007，0000006精度等级：液体，指示

21、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： 24DCV9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、 DN mm 液体汽体蒸汽200.8-105-408-80251-127.2-6010-120321.5-2012-10015-200402-3018-15020-300503-5030-30030-450656-8050-42060-800 8010-13070-60

22、0100-130010020-200120-1000200-200012530-300180-1500300-3000 15045-450240-2000450-450020090-900480-4000900-9000250120-1200700-80001200-12000300180-2000900-100001600-16000 根据过程控制仪表量程选择原那么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：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

23、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，因此我们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那么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：17.219.2 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信号。3.3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

24、到汽包水位的稳定我们所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 由计算结果可以知道选用功率为Kw的三相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订货设定其额定电压为380V额定功率为Kw。 3.4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Kw，当三相交流电动机在基频以

25、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，同时由于电机的转矩保持不变其工作电流同在50Hz三相交流电下工作时电流根本一致。根据以上的分析选我们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改变变频器的工作特性。DeviceNet网络上，就可以利用PLC控制变频器的输出电压和频率。3.5接触器的选型接触器

26、是系统中用到的重要开关设备，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。根据以上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 由于系统的主要耗电设备是电动机，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A时进行过流保护。浙江中泰熔断器生产XRNT-12型限流熔断器型额定电流可以设定为A，可以满足设计要求。3.7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我们设计如下电路：的电源模块为其他各个模块提供电源，上位机通过以太网联入PLC的以太网模块与之通信并对进行监控，的块负

27、责的数据处理和通信，模拟量输入模块将来自传感器的检测信号传入，控制变频器，数字量输出模块主要控制开关设备的通断。工作原理变频器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种：一种称为直接变换方式，又称为交交变频方式，它是通过可控整流和可控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，因而称其为交流交流的变频方式。另一种称为间接变换方式，又称为交-直-交变频方式三相交流电引入整流装置通过整流器得到直流电，对直流电利用可控开

28、关器件控制其导通次序、开关频率、导通时间可以实现调频、调压效果。常规的控制方式只能得到阶梯波形的输出电压高次谐波分量较多不利于电机的稳定运行。采用SPWM技术即控制可控开关器件的导通角度按正弦规律变化这样变频器实际输出的电压是一系列正弦规律变化的脉冲，这种电压波形含有的高次谐波分量少等效正弦电压.2 PLC工作原理 PLC Programmable Logic Controller中文全称为可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算顺序控制定时计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出

29、控制各种类型的机械或生产过程。典型的PLC结构图可以表示为图所示图PLC结构图 电源模块分别为输入接口、CPU、输出接口提供直流电源。输入接口将外部输入的数字量、模拟量送入CPU，CPU根据所编程序完成相应的运算并输出接口输出给外部设备实现控制的目的。其工作过程可以分为如下三个阶段： 输入采样阶段在输入采样阶段， PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O区中相应单元内。 2用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 梯形图 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构

30、成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的但凡用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。输出刷新阶段当扫描用户程序结束后， PLC就进入输出刷新阶段。在此期

31、间，CPU按照I/O区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。硬件设计.1系统总体线路设计首先我们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平安不造成设备的损坏，正常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需要进行断电以确保平安。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方式连接就可以直接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

32、地的地方保证可靠接地确保平安。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，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、平安的工作。由于我们选用的是交-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

33、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，否那么将会发生事故。根据以上所诉我们设计总体电器线路图 m3/h013 m3/h蒸汽流量送PLCWF1/WF0WF+/WF-送水流量 m3/h013 m3/h送水流量送PLC5控制算法及参数整定.1 PID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，还必须在控制系统中，按照给定信号和反响信号之间的偏差的比例P、积分I和微分D进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制

34、器。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拟简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶纯滞后与“二阶纯滞后的控制对象，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；偏大，振荡次数加多，调节时间加长；系统会趋于不稳定；太小，又会使系统的动作缓慢。可以选负数，这主要是由执行机构、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

35、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常值。积分作用的强弱取决积分时间常数TiTi越小积分作用就越强。反之Ti大那么积分作用弱参加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。在微分时间选择适宜情况下可以减少超调减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用因此过强加微分调节对系统抗干扰不利。此外微分反响的是变化率当输入没有变化时微分作用输出为零微分作用不能单独使用需要与另外两种

36、调节规律相结合组成PD或PID控制器。.2 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采用工程整定的方法。根据其中Nd、Nw、Nh分别表示汽流量传感器、水流量传感器、水位传感器的反响系数Gw S 、Gh S 、Gd S 分别表示水流量调节器、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

37、作在稳定状态时： ， ， ， ， 由于该设计采用了串级控制方式，首先我们应该从开始对流量调节器进行参数整定，然后由内而外，再对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此时水流量为35 m3/h，那么有回路被控对象的增益是：，选择频率上升时间为0.5秒可以认为回路被控对象是一阶惯性环节，其传递函数可以

38、表示为： 5.1 采用纯比例调节方式可以保证回路的稳定性只要保证回路P调节器的增益足够大即可。经过反复调试我们最终确定调节器的增益20，在matlab命令窗口中输入以下指令：s1 tf 1.75,0.3,1 ;sk 20*s1;s feedback sk,0. ;step s,1 ;运行后可以得到仿真波形图如图.2所示，从图中我们可以看响应延迟时间较小，闭环增益也符合要求。内环的等效传递函数可以认为是 。图2副回路仿真波形图 然后我们可以对回路进行参数整定，将的等效为一个纯比例环节其增益为包水位需要求无静差，因此我们采用PID调节器，根据Ziegler-Nichols响应曲线法和被控对象的开环

39、传递函数以及特征参数整定PID调节器的参数。35t/h锅炉汽包是一个没有自平衡能力的被控对象其传递函数是： .2 根据Ziegler-Nichols响应曲线法，假设没有自平衡能力的被控对象的传递函数是： 5.3 可以按照表.1所示进行参数整定其中，而且调节器参数控制规律KP1/aPI0.9/aPID1.2/a由此可以知道对于35t/h锅炉汽包来说: 那么PID调节器的参数分别是： ， 由于将等效为一个增益为1的纯比例环节实际PID调节器的是： 5.4 将35t/h锅炉汽包的传递函数作如下改写： .5 对于PID调节器的传递函数也做类似的改写： 5.6 将反响系数0.01等效到前向通道内，即可以

40、认为PID调节器在matlab中输入以下指令：s1 tf 0.,36,1,0 ;s2 tf 220,12.24,0.17,72,0 ;sk s1*s2*11.7*100;s feedback sk,0.01 ;step s ;运行后可以得到仿真波形图如图.3所示:。在matlab命令窗口中输入以下指令：s1 tf 0.,36,1,0 ;s2 tf 220,12.24,0.17,72,0 ;sk s1*s2*11.7*500;s feedback sk,0.01 ;step s ;运行后可以得到仿真波形图如图.4所示： 从仿真图中我们可以看到系统的超调量，调节时间大秒控制效果。 将前馈补偿器的输

41、出信号引入内回路，使蒸汽流量信号和给水流量信号较好的配合以消除“虚假水位现象的影响。蒸汽流量信号对汽包水位影响的传递函数是： 我们可以设计前馈补偿环节的传递函数为： 5.8可以分别抵消掉Nd和路以及被控对象的传递函数。综上所诉我们可以得到流量调节器的传递函数是： .9 水位调节器的传递函数是： .10 前馈调节器的传递函数是： 5.11 6软件设计 根据参数整定的结果，汽包水位的稳定可以按照这些控制算法来实现，在执行控制运算之前，可以对汽包水位的高度状态进行判断，并做出相应的处理。因此系统的软件设计应当包括逻辑判断和PID控制算法两局部，首先有应该完成程序流程图的设计，再根据流程图完成PLC的

42、软件设计。 按照控制要求和硬件设计我们可以对系统进行软件设计，首先进行的是程序流程设计，并在此根底上可以完成PLC的梯形图程序设计。 由于汽包水位过高过低都会对锅炉的平安运行造成严重影响，因此应当对过高或过低水位做出超限处理。此外PLC在执行控制算法时由于运算复杂，需要消耗大量的系统时间降低了PLC运行效率，不利于系统的稳定运行。根据采样定理:对于一个具有有限频谱的连续信号进行信号采样，采样信号频率必须大于或等于信号所含最高频率的两倍，这样采样所得的离散信号才能对原来的连续信号完全复原。而过程控制现场的很多参数变化并非十分剧烈，有较大的时间延迟，按照工程经验对于流量参数采样时间为10Hz电源下

43、，以快速提高汽包水位。此外为了提高PLC的运行效率，在程序设计时可以设定1秒的定时时间，当定时满1秒时执行PID控制算法，未满1秒时PLC处理程序的其他局部以及完成PLC自身的各种功能。 根据以上分析我们可以设计PLC的程序流程图如图6.1所示： 6.2 DeviceNet网络组态由于该设计选用DeviceNet实现PLC与变频器之间的连接因此需要进行DeviceNet网络组态，从而实现PLC与变频器之间的网络通信，并通过网络进行控制。首先运行RSLinx软件选择Communication菜单，在其下拉选项中选择Configue Drivers，然后进行通信配置，该设计中选择Ethernet

44、Devices通过以太网进行PLC与上位机之间的通信，如图6.2所示，然后选择添加驱动程序配置IP地址就可以完成通信配置。在RSNetWorx for DeviceNet软件环境下，选择“FileNew新建一个文件，然后点击Network Online，在弹出网络扫描对话框中进行网络扫描路径设置。在工程树中展开找到DeviceNet通信模块1756_DNB，并选中它下面的DeviceNet网络对DeviceNet网络进行扫描如图6.3所示。图6.3 DeviceNet网络扫描网络扫描结束后，在图形视图中可以看到网络上所有被识别的设备。按照之前所设计的配置在该设计中将会扫描到1756_DNB和1

45、336PlusII变频器，如图6.4所示。图6.4 DeviceNet扫描结果双机该扫描器图标，将会出现1756_DNB扫描器的属性对话框，在这个对话框里点击各个不同的选项卡将会出现该模块的名称、节点地址、生产厂家、版本号等信息。根据硬件配置在模块对话框Module里设置模块的槽号 Slot 为4，然后点击“应用和“确定完成该模块的槽号和节点配置。点击扫描表Scanlist将会弹出Scanner Configuration Applet窗口询问是否上载设备信息，点击上载Upload按钮将会上载设备信息。上载完成后扫描器列表Scanlist对话框左侧将会出现所有的有效设备，这些设备将按照在Dev

46、iceNet网络中的节点号顺序排列，点击方向按钮后选择1336PlusII变频器设备可以将设备的I/O数据自动的配置到扫描器的I/O数据表当中。在Scanlist列表中将会出现1336PlusII变频器的数据。点击Inut按钮将会出现如图6.5所示窗口，明1336PlusII变频器已经分配到扫描器当中。配置完I/O数据后可以保存dnt文件。在RSLogix5000环境下进行通讯模块配置时就可以实现PLC通过DeviceNet网络对变频器的控制。6.3 RSLogix5000程序设计RSLogix5000是为Logix5000系列PLC开发的组态软件10。在这个软件的环境下可以根据实际情况建立标

47、签，防止了对PLC直接按照地址寻址造成的麻烦和错误；而且可以照实际情况完成控制器组态、I/O组态、通讯组态等；从而方便的完成Logix5000系列PLC梯形图程序设计。组态进行程序设计时首先进行的是控制器组态，新建一个工程选择logix5550系列控制器，设置CPU槽号为0。在I/O配置选项下单击右键选择New Type，从所列出的所有模块中选择1756-L1M2，确定后出现如图6.6所示画面，为该模块设置名称及槽号即可。 I/O模块组态我们根据实际情况配置模拟量输入信号的范围是15V电压，模拟量输出420ma电流作为变频器的频率给定对应050Hz频率。采用与控制器组态类似的方法，选择模拟量输

48、入输出模块以及数字量输出模块完成组态。模拟量输入模块组态如图6.7所示。最后根据硬件配置情况，输入输出端口地址可以做以下分配：汽包水位：Local:3:I.Ch1Data 接触器KM1控制信号：Local:5:接触器KM2控制信号：Local:5:块组态由于该设计需要DeviceNet与变频器通信，因此还需要进行通讯模块组态。选择通讯模块1756-DNB/A并设置其槽号为4，如图6.8所示。完成通讯模块组态后可以根据DeveiceNet网络组态确定变频器给定信号地址为：Local:4:O.Data0。程序设计根据以上所述的模块组态情况，可以在控制器标签里Controller tags建立以下三

49、个标签：w-level、 w-float、s-float分别表示汽包水位信号、送水流量信号、蒸汽流量信号在程序标签里Program tags建立以下三个标签：high-level、low-level、time1s、controlenable等分别表示过高水位信号、过低水位信号、定时1秒信号、控制算法使能信号，并为各个标签设置适宜的数据类型，根据参数整定为各个PID模块配置参数。主程序和控制子程序的梯形图分。程序执行后首先进行相关的数据传送，然后再进行比拟以判断系统的工作状态，根据水位上下情况按照图6.1所示的流程图情况进行处理。 7监控界面设计 RSView32是一种简单易用的、可集成的、基于

50、组件的人机界面系统。它基于Microsoft WinNT和Win95平台设计，而且是第一个把Active X控制嵌入画面的软件包。我们利用RSView32进行监控界面的设计能够使得在上位机上实时监控系统的运行状况并可以设置系统的工作参数。首先应该进行通道设置，由于上位机和PLC之间采用以太网连接因此应中选择与TCP/IP通信协议相应的网络驱动AB_ETH-2，这取决于使用RSLinx 组态网络时用到的处理器所在网络使用的驱动类型。然后进行节点设置，选择OPC Sever建立起RSView32与Logix5000系列控制器之间的通讯。最后根据系统要求建立标签并设置适宜的数据类型和地址如表8.1所

51、示：w_kpAnalogw_pid.kpw-kiAnalogw_pid.kiw-kdAnalogw_pid.kd 在Graphic窗口里绘制监控画面，为各个元件设置适宜的标签并分配地址，使之能够动态显示系统的运行状况，如图7.1所示。通过这个监控画面可以在上位机上实时监控系统的运行状态，并且通过动画和数字的形式输出锅炉汽包水位的高度，根据系统的运行状况动态显示汽包水位是否超限或处于正常范围之内，还可以通过输入水位给定值改变汽包水位高度。按下开始或停止按钮能够启动或停止系统的运行；按下PID参数设定按钮可以进行主副回路调节器参数设定，如7.2所示。按下趋势图按钮可以显示汽包水位的变化趋势，如图7

52、.3所示。8结束语锅炉汽包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，是保证锅炉平安生产运行的必要条件。锅炉汽包控制PLC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那么而设计。在自动控制领域，PLC是一种重要的控制设备PLC的高稳定性和高可靠性使其很利于在工业现场的特殊环境下工作，并且能够极大地

53、减少出现故障的概率、提高控制效果、减少工作人员的工作量。本文根据影响锅炉汽包PLC技术来设计的锅炉汽包控制PLC许多软件还没有进行更加深入的研究；当今控制理论已经不再仅仅局限于以反响和传递函数为根底的经典控制理论，现代控制论、智能控制都有了长足的开展并且在某些领域获得了应用，比经典控制理论获得了更好的控制效果，关于这些方面的知识是目前个人水平所不及的，还有待于更进一步的学习。总之，PLC技术在锅炉汽包控制PLC技术在其他控制领域也会有广泛的应用。随着我国经济的高速开展，企业的自动化水平不断提高，大量的PLC会不断的装配到生产过程当中去，PLC技术会有更加广阔的应用前景。参考文献1 容銮恩，刘志

54、敏.电站锅炉原理. 北京：中国电力出版社，1998，5. 1621832 ：机械工业出版社，2005，7. 2533 Charlie Jackson. PAC for Industrial Control, the Future of Control. National Instrument. 2006, 2 :9144 ：清华大学出版社，2003,6. 2122465 ：中国矿业出版社，1996,3. 1662406 ：机械工业出版社，2003，4. 1581647 Thedore wildi. Electrical machines, drives, and power systems.

55、Prentice hall.1993, 10.16228 朱北恒.火电厂热工自动化系统实验.北京：中国电力出版社，2005,2. 1762139 ：中国电力出版社，2004，10.16919610 浙江大学罗克韦尔自动化:浙江大学出版社，1999,9.12110致 谢感谢。附 录PAC for Industrial Control, the Future of ControlFor the last decade a passionate debate has raged about the advantages and disadvantages of PLC programmable lo

56、gic controllers compared to PC-based control. As the technological differences between PC and PLC wane, with PLC using commercial of the shelf COTS hardware and PC systems incorporating real-time operating systems, a new class of controllers, the PAC is emerging a new acronym created by Automation Research Corporation ARC , stands for Programmable Automation Controller