工业锅炉的控制仿真

1、过程控制工程课程设计任务书设计名称：工业锅炉控制设计设计时间：姓 名：班 级：学号：指导老师:南京工业大学自动化学院2012年2月1.课程设计内容：学习过程控制工程课程和下厂实习后，在对现场的实际过程控制策略、实习环节的 控制系统以及相应的组态软件有一定的认识和了解的基础上，针对实习环节的被控对象和控 制装置，设计一个复杂控制系统（至少包含一个复杂回路和6-7个简单回路），并利用组态 软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。1）确定自己的课程设计题目，三人一组；2）用CAD软件绘制工艺流程图；3）选用一种组态软件（例如：采用力控组态软件）绘制系统工艺流程图，绘制控

2、 制系统原有的控制回路；4）利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软件，对 控制系统进行组态；5）改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态；6）调节控制参数，使性能指标达到要求；7）写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、 指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成 的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。2.进度安排（时间3周）第1周第一天： 课程设计安排，分小组，确定课题。第二天；安装需要用到的Auto CAD，组态软件MCGS。任务的分解。第三天：绘制工艺流程CAD图纸，（完毕）第

3、四天：搜集资料，做对象特性分析第五天：开始着手用MCGS绘工艺流程图，历史，实时，报警窗口的组态第二周 任务一:：理论控制方案的设计，根据要求有67个简单回 路，12个复杂回路。周二日志，发现MCGS组态还需要MTALAB来搭建运行平台，而任务二:在控制方案完成的基础上进行实时数据库库的建立，第3周(1-3) 动画连接；设计控制策略(PID的应用)，基于控制回路的；PID参数整定；调试，试运行。提高部分：为达到更好的控制效果，改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态；调节控制参数，使性能指标达到要求；第3周(4)写设计工作小结第3周(5)演示、答辩3锅炉对象特性分析：3.1工业锅炉

4、工艺流程描述：本课题所选对象为自然循环锅炉，其工艺流程如下图1-1所示。软化水流量为F1106，温度为常温20C，软化水经由上水泵P1101泵出。锅炉上水流量为F1101，锅炉上水管线上设有上水泵出口阀XV1101,上水管线调节阀 V1101，以及旁路阀HV1101。锅炉上水被分为两路。一路进入减温器E1101预热，预热后 与另外一路混合进入省煤器E1102。两路锅炉上水管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分锅炉上水直接流向省煤器，少部分锅炉上水流向减温器，其流量为F1102。汽包V1102顶部设放空阀XV1104,汽包压力为P1103。汽包中部设水位检测点L1102。

5、在汽包中通过汽水分离得到的饱和蒸汽温度为T1102,经过炉膛汽相升温得到的过热蒸汽温度为T1103。过热蒸汽进入减温器E1101，进行温度的微调。最终过热蒸汽压力为P1104，温度为T1104，流量为F1105。过热蒸汽出口管道上设调节阀V1105。燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104,燃料泵出口阀XV1102。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，变频器频率为S1101 （被归一化到0100%之间），空气量为F1104。省煤器烟气出口处的烟气流量为F1107，温度为T1105。烟气含氧量A1101设有在

6、线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为T1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。3.2工业锅炉装置特性描述：锅炉作为重要的动力设备，其控制的基本要求是供给蒸发量适应符合的需要。为此，生 产过程的各个主要参数必须严格控制。锅炉设备也是一个复杂的控制对象，主要输入变量是 负荷、锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽 温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。所以说锅炉是一个复杂的调节对象，有许多 个调节参数和被调节参数，还存在着错杂的扰动参数。3.3锅炉汽包水位对象特性分析维持水位在一定的范围内是保证锅炉

7、安全运行的首要条件。因为水位过高会影响汽包内 的水汽分离，产生蒸汽滞液现象，会使过热器管壁结垢导致损坏，同时，也会使过热蒸汽温 度急剧下降。水位过低，则由于汽包的水量较少，当负荷增大时，水的汽化速度加快，若不 及时调节，就会使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。对锅炉汽包水位 调节系统产生扰动的主要因素有蒸发量D、燃料量M、给水量W等。汽 包 水 位 控 制 系 统 的 任 务图4蒸汽量扰动下的水位反应曲线是使给水量适应锅炉蒸发量的需要，以维持汽包水位在允许的范围内，同时保持给水量 的稳定，尽量减少波动。以下将从蒸发量、燃料量以及给水量三个因素扰动下汽包水位的动态特性。蒸汽量D扰

8、动作用下水位动态特性当给水量不变，蒸发量突然增加：时，如果只从物质平衡角度来看，则反映曲线如 上图4中的H1(t)所示，但由于蒸发量增加时，汽包容积的增加，水位的反应曲线如H2(t) 所示。H2(t)和H1(t)相结合，实际水位阶跃反应曲线如H(t)所示。从上图可以看出，当蒸汽 负荷增加时，虽然锅炉的给水量少于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升， 然后再下降。如果蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升，这种现象称之为“虚假 水位”。当负荷变化时，我们可以看到水位下汽包变化引起水位的变化速度是很快的。图中 的H2的时间常数只有1020s当蒸汽量D扰动时，水位变化的动态特性可以用以

9、下传递函 数表示：H(s) = HCs) + HCs) =_ 匕 + k2 D(s) D(s)D(s) s Ts + 1式中k响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位变化的速度，mm/s或者t/h；k2-响应曲线H2的放大系数；T -响应曲线H2的时间常数。 2“虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，一般100200t/h的 中高压锅炉，当负荷变化10%时，“虚假水位”可以达到3040mm。“虚假水位”现象属于 反向特性，这给控制带来一定困难，在设计控制方案时，必须加以注意。燃料量M扰动作用下水位的动态特性图5燃料量扰动下的水位反应曲线燃料量增加 M心增发量大于给水量，水位应

10、该下降。但开始时由于有虚假水位存在，水位先上升，然后再下降，如上图5所示。给水量W变化时的水位对象的动态特性图6给水量扰动下的水位反应曲线在开始阶段，由于刚进入的给水水温较低，使汽水混合物中的汽包吞吐量减小。水位下降，如上图6中的H1(t)所示，而H2(t)反应了物质不平衡引起的水位变化，H1(t)和H2(t)相 加得到了总的给水量变化的阶跃反应曲线H(t),即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始 不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数描述，它近似于一个积分环节和时滞 环节的串联，可以用如下的传递函数表示：式中k0-响应速度，即给水流量变化单位流量时，水位的变化速度，mm/s或者t/

11、h； t -时滞。给水温度低，时滞就越大。对于非沸腾式的省煤器的锅炉，t =30100s，对于沸腾式 省煤器锅炉，t =100200s。3.4蒸汽压力的对象特性分析蒸汽压力是反映蒸汽供需关系平衡与否的重要指标，也是表征蒸汽的重要参数。汽压偏 高，会加速金属材料的蠕变;汽压偏低，说明供需关系不平衡，设备消耗的蒸汽量大于现有 的产汽量，难以维持长期稳定的运行。因此，维持压力稳定是安全生产和维持运行的需要。 而引起蒸汽压力变化的主要原因是燃料量和用气负荷发生变化。燃料量扰动下蒸汽压力变化的特性图7用汽负荷不变时的汽压飞升曲线图8用汽阀门开度不变时的汽压飞升曲线在锅炉燃料量B阶跃扰动下，用气负荷不变，

12、此时出口蒸汽压力的曲线如上图7所示。 此时对象没有自平衡能力，具有较大的迟滞和惯性。但如果锅炉出口的蒸汽阀门开度不变， 那么由于汽压因燃料扰动而发生变化时，蒸汽流量也将发生变化。由于汽压变化时，自发改 造限制汽压的变化，因此对象有自平衡能力，此时汽压的飞升曲线如上图8所示。蒸汽负荷扰动下汽压变化的动态特性负荷阶跃扰动下，汽压变化的动态特性也有两种下列情况。当用蒸汽阀门阶跃扰动时， 对象表现出具有自平衡能力，没有迟延，但有较大的惯性，并有一个与阀门变化成比例的起 始阶跃。飞升曲线如下图9所示。当蒸汽量阶跃扰动时，其飞升曲线如下图10所示，此时 对象没有自平衡能力。如果不及时调节进入锅炉的燃料量，

13、那么汽压将一直往下降。蒸汽压力阶跃响应图9用汽阀阶跃扰动时的汽压飞升曲线图10蒸汽量阶跃扰动时的汽压飞升曲线3.5送风设备的特性分析：送风调节系统工作的好坏，直接影响炉膛的空气过剩系数的变化。引起空气过剩系数变 化的主要扰动是燃料量和送风量。风量扰动下对象的动态特性具有较大的自平衡能力，几乎 没有迟延和惯性，近似为一比例环节。而燃料量扰动时，需经过输送和燃烧过程而略有延迟。 由于送风系统几乎没有延迟和惯性。所以在燃料充足的情况下送风量的大小将比较直接的反 应在锅炉的蒸汽压力上。那么怎样才能保证送风量和燃料量的搭配适宜，这里我们引入了风 煤比这个概念。风煤比就是在当前风量下所能燃烧的煤的最大值。

14、在控制作用中风煤比主要 是根据当前风量来限制炉排的转速，防止由于风量不够导致煤不能充分燃烧。该参数对节煤 和环保都有很大意义。因为如果不能充分燃烧将会导致煤渣的含炭量增高，这样比较浪费煤， 同时还会造成烟气含炭量增高影响排放。3.6过热蒸汽温度的对象特性影响：过热蒸汽温度变化的扰动因素很多，如蒸汽负荷、炉膛热负荷、烟气温度、火焰中心位 置、炉膛负压、送风量、减温水量以及蒸汽母管压力等。但归纳起来有三大类：进入过热器 的蒸汽热量变化、烟气传热量变化和蒸汽流量变化。蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性图11减温水量阶跃扰动下蒸汽温度的飞升曲线减温水量扰动时，其扰动地点（过热器的入口，即减温器的安装位

15、置）与测量蒸汽温度 的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时，过热器是一个纯滞后对象。延迟的时间 t大约为3070s，时间常数为100130s。烟气传热量扰动下蒸汽温度的对象特性图12烟气传热量阶跃扰动下蒸汽温度的飞升曲线烟气传热量扰动，包括烟气温度和烟气流速的扰动。在这种扰动下，烟气与蒸汽之间的 热交换条件发生了变化，过热气温的变化沿着整个过热器管壁同时发生的，所以它的延迟时 间t较小，大约为1020s。当燃料或空气量发生扰动时，过热器出口蒸汽温度如上图12所 示。蒸汽流量扰动下蒸汽的温度对象的动态特性蒸汽流量扰动时，过热器出口蒸汽温度变化的动态特性和烟气传热量扰动下动态特性是 相似的具

16、有较小的滞后，较小的时间常数。4工业锅炉控制系统方案设计控制回路说明：在该控制系统中我设计了 3个回路，1个简单回路，2个复杂控制回路（串级，比值）。汽包液位和软化水流量组成的串级控制系统控制汽包的液位，由系统设定一个液位通过 一个PID控制将输出值做为下一级流量PID控制器的设定值。该系统可以在内环克服来自 软化水流量的扰动，而达到稳定在设定液位的作用。我设计了一个单回路来控制过热蒸汽的温度，通过控制流过减温器的软化水流量来控制 过热蒸汽的温度。我还设计了比值控制来控制进入锅炉的空气流量，空气的流量会根据燃油的流量成比例 变化，从而实现锅炉的完全燃烧。5力控软件介绍以及在本次课程设计中的相关

17、应用：新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统 的封闭式系统，它们具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等鲜明优点。 通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的 软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界 面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功 能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结 合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，

18、进行系统集成。力控是运行在Windows98/NT/2000/XP操作系统上的一种组态软件。使用力控，用户可以 方便、快速地构造不同需求的数据采集与监控系统。 力控的应用范围广泛，可用于开发石油、化工、半导体、汽车、电力、机械、冶金、交通、 楼宇自动化、食品、医药、环保等多个行业和领域的工业自动化、过程控制、管理监测、工 业现场监视、远程监视/远程诊断、企业管理/资源计划等系统。力控软件由以下几个主要部分组成：工程管理器开发系统(Draw)界面运行系统(View)实时数据库(DB)I/O驱动程序网络通信程序(NetClient/NetServer)串行通信程序(SCOMClient/SCOMS

19、erver)拨号通信程序(TelClient/TelServer)Web服务器程序(Web Server)控制策略生成器(StrategyBuilder)基本步骤：创建第一个应用程序通过对力控软件的学习，熟悉了基本的软件操作创建了一个工程命名为锅炉。创建窗口创建图形对象如下：创建实时数据库NAME点名DE SC说明%IOUNK 叫。连接%HIS历史仲1LEVEL1汽包液位PV=PLCFST:地址:1培量寄芦器最小最大:100000000每个周期增加量：1PV=6Cs2LVL.SET汽包位gP=PLCF8T:地址:。常量寄存器最小:。最大:100SP=&Os3TIC1103PV=PLCFST:地

20、址:2正弦波寄存器最小：0最大：100每个周期角就加星：1PV=60s4TIC11O3_SE7SP=PLCFST:地址:9常星寄有器杲小:。最大:100SP=&Os5H1103SP=PLCFST:地址:15常量寄存器最小心最大:500PV=60s6RC11O4PV=PLCFST:地址:6暗量寄存器杲小:0最大:500每个周期增址星：1PV=60s7RC1101PV=PLCFST:地址:7堵量寄雨最小:0最大周期增址量:1PV=60s8K比值SP=PLCFg地址了常量寄存器最小心最大100gRUN至毓启停PV=PLCFST:曜:。制最小心100100110PIDOPVSTAT=PLCFST:地址

21、:9正茹寄存器最小:0最大:100每个周期角度博加量1|SP=PLCFST:地却11PID112PID2PV=PLCFST:地址:13正弦波寄存器杲小心最大:100每个周期角度增加量:113PID3PV=PLCFST:地址:14正弦波寄存器杲小心最大:100每冷周期角度增加量:1TRANS。15TRANS0216TRANS0317TRANS0418根据具体的控制要求，在图中选择了相应的控制回路，并根据控制要求设置了相关的控 制点，如下图：动画连接（手册中有道）根据相关模拟量设置相关的动态效果图，使控制系统具有友好的人机界面。设计控制策略（力控扩展组件有道）根据系统中控制回路的特性选择相应的控制

22、器和控制点，用线将其连接起来并编译检查错误，如无错误可运行。控制策略如图:汽包液位串级控制:TRANS01INPVTE 皿，|I 0. 000TRANS04FIC11O1.PV0.000INPV1TRANS |过热蒸汽温度单回路控制:燃油与空气的比值控制:参数整定，FID1OPPV PIDiiTOANSOl INPVTF2NSTRANSOMINPVTRANSFIC11S运行根据理论和经验对PID参数进行整定达到良好的控制效果，做到抗扰动能力强，反映速度快，鲁棒性好运行画面如如下:实时趋势及历史趋势:49. 1950. 0030.0030. 0040.0020.00暗红色曲线代表汽包设定液位，暗

23、绿色曲线代表过热蒸汽的设定温度，绿色曲线代表过热蒸汽的实际温度。暗蓝色曲线代表燃油流量，蓝色曲线代表空气流量。总貌画面:总貌画面区域口LEVEL . U00LVL_EET汽包设定藏叵80.000TIC1103过热蒸汽温度49.447TIC11O3_SE5热蒸汽设定温度100.000FT1103燃油流里50.000FIC1104空气流里21.984FIC11LI1软化水流里0. 000K比值0. 000RUN系统启停1Fino0. 000FILll0. 000PID245.140FID33. 495报警画面:低报0.000低级没确认儡报9.056儡级恢复2012/03/09 11:23:15.2 LEVEL汽包液位2012/03/09 11:20:41.2 TIC1103过热蒸汽温度课程设计小结(组态