【正文】 汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 蒸汽鍋爐是企業(yè)重要?jiǎng)恿υO(shè)備，其任務(wù)供給合格穩(wěn)定地蒸汽產(chǎn)品，以滿足負(fù)荷需要。鍋爐蒸汽是一個(gè)十分復(fù)雜的控制對(duì)象，為了保證提供 合格地蒸汽產(chǎn)品用以適應(yīng)負(fù)荷需要，與其配套的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)須滿足各種主要工藝參數(shù)的需要。保持鍋爐汽包的水位在正常范圍內(nèi)是鍋爐運(yùn)行的一項(xiàng)重要安全性能指標(biāo)，由于負(fù)荷、燃燒狀況及給水流量的等因素變化，汽包水位會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化 【 1 】 。因此鍋爐的汽包水位應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加以嚴(yán)格的控制以保證鍋爐安全運(yùn)行。 傳統(tǒng)控制方法是用以各種分立器件應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用各種檢測(cè)的器件對(duì)被控參數(shù)實(shí)時(shí)的進(jìn)行檢測(cè)并反饋給控制的器件，再根據(jù)自動(dòng)控制理論有關(guān)算法完成相應(yīng)運(yùn)算并驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作，從而達(dá)到自動(dòng)控制目的。但是這種控制方 式受分立器件地性能影響大，系統(tǒng)各部分之間影響比較大，自動(dòng)化的水平不高，控制效果非常不理想，故容易出現(xiàn)故障，不利于系統(tǒng)長(zhǎng)期安全、高效的運(yùn)行?，F(xiàn)在廣泛使用控制技術(shù)還有 DCS 集散控制系統(tǒng) 【 2】 。 PLC 是在 70 年代開(kāi)發(fā)了數(shù)字控制器，是把 CPU， RAM， ROM ， I/O接口和中斷系統(tǒng)緊密結(jié)合，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造，冶金，化工，能源，交通等各種行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件，通信能力發(fā)展，極大地提高了 PLC 的通信能力，豐富了 PLC 編程軟件和編程技巧，增強(qiáng)了 PLC過(guò)程控制能力的快速發(fā)展。所以，不管是單層或多層機(jī)控 制，生產(chǎn)線的控制和過(guò)程控制的， PLC 技術(shù)都可以采用。 PLC 控制鍋爐技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是利用 PLC 的硬件和軟件，并加以用自動(dòng)控制，節(jié)能來(lái)控制鍋爐的幾個(gè)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全，穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 采用 PLC 的控制技術(shù)，是能實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)的功能。它是以被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量是汽包給水流量，通洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 過(guò)對(duì)汽包水位的實(shí)時(shí)的檢測(cè)并進(jìn)行反饋， PLC 對(duì)反饋信號(hào)，給定信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)控制的算法對(duì)二者偏差進(jìn)行相應(yīng)運(yùn) 算，運(yùn)算的結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的水位達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而控制使汽包水位變化在允許的范圍之內(nèi)。 本設(shè)計(jì)的主要工作 本設(shè)計(jì)的主要工作 鍋爐 硬件的設(shè)備改造 我們首先要對(duì)工廠鍋爐設(shè)備執(zhí)行 檢測(cè)的元件、執(zhí)行的機(jī)構(gòu)和控制的設(shè)備以及其它必要的設(shè)備 進(jìn)行查看并記錄，并在此基礎(chǔ) 進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的改造，然后 畫(huà)出鍋爐的硬件設(shè)計(jì)，完成各種設(shè)備之間的接線與配置。 從鍋爐的汽包水位動(dòng)態(tài)性能出發(fā)，分析了影響鍋爐汽包水位的主要因素，而這些因素影響的理論研究主要是鍋爐 汽包水位的動(dòng)態(tài)性能。在此基礎(chǔ)之上，在根據(jù)各個(gè)因素對(duì)鍋爐的汽包水位影響采用汽包水位三沖量控制方案，使鍋爐汽包水位穩(wěn)定在允許的范圍。 根據(jù)設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)項(xiàng)目 的各種參數(shù)，控制對(duì)象的特性的控制器參數(shù)，以及它的靜態(tài)，動(dòng)態(tài)的方法的特征。在此基礎(chǔ)上調(diào)整模擬和調(diào)整結(jié)果，從而進(jìn)一步調(diào)整結(jié)果，以確定鍋爐安全其可行性，并為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 PLC 和監(jiān)控界面的設(shè)計(jì) 根據(jù) 控制的設(shè)計(jì)要求，選擇羅克韋爾工業(yè)三層網(wǎng)絡(luò)，并用有 PLC 梯形圖編程軟件，并最終控制算法參數(shù)的設(shè)置，仿真結(jié)果。進(jìn)而使用組態(tài)軟件地界 面設(shè)計(jì)，運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，使整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)顯示主機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)界面相關(guān)操作實(shí)施有效監(jiān)控。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 原始資料介紹 鍋爐原有的設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，存在控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備老化，根據(jù)控制的要求，我們首先要對(duì) 要控制的鍋爐 硬件設(shè)備進(jìn)行改造 ， 在此基礎(chǔ)上 根進(jìn)行自動(dòng)控制的設(shè)計(jì) 。 1. 鍋爐水位傳感器的型號(hào) 傳統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是要對(duì)水位準(zhǔn)確測(cè)量 鍋爐水位控制 合理的選擇水位傳感 器，在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用。根據(jù)原始資料 汽包水位應(yīng)該控制在 300177。 10 mm，在根據(jù)過(guò) 程控制儀表量程選擇原則：儀表量程應(yīng)為被測(cè)量參數(shù)的 4/3～ 3/2 倍。因此在所選傳感器的最大量程為 :400～ 450 mm，可是汽包水位應(yīng)該控制在300177。 10 mm，所選 選用的 水位傳感器的精度應(yīng)該高于 10/450=%FS，因此選擇該測(cè)量精度才可以滿足要求。 盛恩 SNYB730 智能型液位變送器 ，該采用目前最新的微功耗 MCU 和信號(hào)處理芯片，配以高可靠性的電源管理模塊，因此電路系統(tǒng)具有很高的精度和穩(wěn)定性，是傳統(tǒng)模擬電路的升級(jí)換代產(chǎn)品。 圖 盛恩 SNYB730 智能型液位變送器 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn) ： （ 1） 智能信號(hào)處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好，抗干擾性能強(qiáng)。 （ 2） 采用三級(jí)防雷設(shè)計(jì)，抗雷擊效果好。 （ 3） 適合多點(diǎn)壓力參數(shù)組網(wǎng)采集，總線支持 255 臺(tái)設(shè)備。 （ 4） 可同時(shí)具備： 420mA 輸出和 RS485 通訊功能，輸 出電流分辨率優(yōu)于 3uA。 2. 流量傳感器的型號(hào) 流量傳感器用來(lái)測(cè)量給水流量和蒸汽流量，這兩個(gè)信號(hào)可以有效地改善控制的質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器是能夠有效改善整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。根據(jù)原始資料我們知道所要控制的是 35t/h 鍋爐汽包水位，即該鍋爐正常工作時(shí)，每小時(shí)蒸發(fā) 35t 蒸汽也就是有 35t 水被蒸發(fā)成為蒸汽。而盛恩自動(dòng)化公司生產(chǎn)的超聲波流量計(jì) SNRISENWL/WS 經(jīng)濟(jì)型壁掛式超聲波明渠流量計(jì)可滿足要求 。 圖 盛恩 SNRISE 流量 計(jì) 技術(shù)指標(biāo)如下 （ 1）流量范圍 10～ 700 L/s （ 2）流量精度 1~5%（根據(jù)適用槽堰不同） （ 3）液位精度 %F?S （ at 25℃靜態(tài)潔凈液面相對(duì)誤差 ） （ 4）探頭盲區(qū) ≤ 300mm~500mm（據(jù)量程、傳感器及槽堰而不同） （ 5）工作電源 DC24V/300mA（默認(rèn)）； DC12V/300mA（可選） 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 （ 6）工作溫度 0~+50℃（默認(rèn)）； 10~+60℃（定制） （ 7）四位液位高度（分辨率 mm， cm 可設(shè)置） （ 8）八位累計(jì)流量值（ 0~3 位小數(shù)自動(dòng)） （ 9）輸出信號(hào) 4~20mA（默認(rèn)，由用戶選擇對(duì)應(yīng)瞬時(shí)流量或液位值） （ 10） RS485（時(shí)間、溫度、液位、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量） 工作狀況下流量范圍 (單位： m3/h)，見(jiàn)下表 表 21 工作狀況下流量范圍 DN(mm) 液體 汽體 蒸汽 20 540 880 25 112 10120 32 12100 15200 40 230 18150 20300 50 350 30300 30450 65 680 50420 60800 80 10130 70600 1001300 100 20200 1201000 2002020 125 30300 1801500 3003000 150 45450 2402020 4504500 200 90900 4804000 9009000 250 1201200 7008000 120012020 300 1802020 90010000 160016000 根據(jù)過(guò)程控制儀表量程選擇原則，儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的 4/3～3/2 倍，流量計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)的最大流量為： ～ 52 m3/h，因此汽包送水管道直徑選用 DN65 口徑并用檢測(cè)流量可以檢測(cè)的流量范圍是 7～ 70m3/h，可以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)汽包給水流量信號(hào)。 3. 給水電機(jī)的型號(hào) 給水電機(jī)是鍋爐汽包供水的主要設(shè)備，電機(jī)的準(zhǔn)確選型是關(guān)系到汽包洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 能否準(zhǔn)確供水從而影響到汽包水位的穩(wěn)定，原始資料鍋爐蒸發(fā)量為： 35t/h，汽包壓力 ，管道直徑 50mm 因此可以對(duì)正常工作時(shí)電機(jī)的功率作如下估算： 2 23 5 0 0 0 1 0 / 5 0 0 0 0 0 3 . 1 4 2 . 5 953 6 0 0 1 0 0 0 0 Wk g m sPKs? ? ? ???? (21) 由計(jì)算結(jié)果該廠選用功率為 100Kw 的三相異步電動(dòng)機(jī)可以完全滿足工作要求，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，可以選用鼠籠型電機(jī)就可以滿足要求。該廠選用的是上海創(chuàng)新電機(jī)廠 Y 系列的三相異步變頻調(diào)速電機(jī)是專門為變頻調(diào)速設(shè)計(jì)的可以根據(jù)技術(shù)要求訂貨設(shè)定其額定電壓為 380V，額定功率為 100Kw。 4. 變頻器的型號(hào) 變頻器是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)備，合理選擇變頻器關(guān)系電機(jī)是否能正常工作，從而為汽包供水。在電機(jī)的選型中我們知 道電機(jī)在 50Hz 的三相交流電下工作，電機(jī)功率大約是 100Kw，而當(dāng)三相交流電機(jī)在基頻率以下工作時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩輸出，而此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)小于額定轉(zhuǎn)速，因此，電機(jī)的輸出功率也會(huì)略小于額定功率，于此同時(shí)由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持不變，其工作電流和在 50Hz 三相交流電下時(shí)工作的電流基本一致。 根據(jù)上分析該廠 選擇羅克韋爾公司的 PowerFlex 系列 PowerFlex40 型號(hào)的變頻器。 該 變頻器可以輸入 380V480V 50/60Hz 三相交流電，輸出380480V 三相交流電并通過(guò)控制信號(hào)控制其輸出頻率，其容量是 149Kw，可以滿足 設(shè)備功率要求。該型號(hào)變頻器具有豐富靈活的控制接口，可以通過(guò)控制信號(hào)方便地改變變頻器的工作特性。設(shè)計(jì)時(shí)將變頻器連接在DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)上，就可以利用 PLC 控制變頻器的輸出電壓和頻率。 5. 接觸器的型號(hào) 接觸器是系統(tǒng)中用的重要的開(kāi)關(guān)設(shè)備，接觸器的是否合理能用以保證交流電動(dòng)機(jī)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的啟動(dòng)、停止。根據(jù)原始資料，三相交流異步電機(jī)的最高工作電流是用以工作于 50Hz 交流電壓下，其工作電流為 ： 100 1523 380Kw Av ?? （ 22） 因此根據(jù)設(shè)計(jì)的要求 該廠用的是 上德集團(tuán)交流接觸器 LC1CJX21810洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 系列，采用銀觸點(diǎn)（非鍍銀）質(zhì)量可靠，主要適用于 50Hz 或 60Hz、在 AC7b使用類別額定工作電壓為 230V 或 480V 時(shí)額定電流至 40A 電路中，適用于起動(dòng)和控制三相交流電動(dòng)機(jī) (壓縮機(jī) )及其它三相負(fù)載，選擇五套該類型接觸器同時(shí)帶動(dòng)一臺(tái)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。 6. 熔斷器的型號(hào) 由于該系統(tǒng)的主要耗電設(shè)備是電動(dòng)機(jī)，因此系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)的電流大約在 150A 左右，而當(dāng)系統(tǒng)異常工作是可能會(huì)導(dǎo)致工作電流變大，因此，可設(shè)定 工作電流為 200A 電流時(shí)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。 該廠選用的是 民揚(yáng)集團(tuán)產(chǎn)品型號(hào) : RO15 RT14 RT18 熔斷器型額定電流可以設(shè)定為 200A，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 7. 功率三極管的型號(hào) 為了讓 PLC 輸出的數(shù)字量能夠控制接觸器的通斷，我們?cè)O(shè)計(jì)如下電路： 接 觸 器線 圈2 2 0 V A CP L C 數(shù) 字量 輸 出 圖 接觸器控制線路 當(dāng) PLC 數(shù)字量輸出為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通工作于是飽和狀態(tài)，接觸器線圈上電流使接觸器觸點(diǎn)閉合，否則當(dāng) PLC 數(shù)字量輸出為低電平時(shí)，三極管工作于截止?fàn)顟B(tài)，接觸器線圈失電時(shí)通過(guò)二極管續(xù)流 ，使接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)。松藤 6A10 整流三極管 長(zhǎng)腳大功率最大工作電流 6A，完全可以滿足工作要求。 汽包水位的影響因素 首先，應(yīng)該分析從汽包水位的動(dòng)態(tài)特性入手。鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象如下洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 所示。給水調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)是變頻器調(diào)節(jié)給水量，蒸汽消耗汽量是由汽輪的機(jī)閥門開(kāi)度來(lái)控制。汽包水位對(duì)象下所示，給水閥門用于控制給水量是對(duì)象的操作變量；蒸汽消耗量 有后續(xù)的用汽裝置決定，是該對(duì)象的主要干擾， 汽包與循環(huán)管構(gòu)成了水循環(huán)系統(tǒng)。 省 煤 器過(guò) 熱 器水 冷 壁汽包變頻器 圖 鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象 初看起來(lái)，汽包水位對(duì)象似乎是一個(gè)典型的非自衡單容水槽，但實(shí)際情況要復(fù)雜的很多。其中，最突出的一點(diǎn)是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量的蒸汽汽包的水，而蒸汽汽包的總體積會(huì)隨著汽包壓力和爐膛熱負(fù)荷的變化而改變。如果某種原因?qū)е抡羝目傮w積改變，即使水循環(huán)中的總水量沒(méi)有變化，汽包水位也會(huì)隨之改變，給水量和蒸汽流量影響汽包水位的高低 【 4 】 。如果有某種原因使汽泡的總體積變化了，即使水循環(huán)系統(tǒng)的總水量沒(méi)有發(fā)生變化，汽包水位也會(huì)因此隨之發(fā)生改變從而影響水位的穩(wěn)定。 影響鍋爐汽包水位的主要因素有給水流量，汽輪機(jī)耗汽量和出水流 量三個(gè)主要因素。下面分別討論蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量）與給水量對(duì)水位的動(dòng)態(tài)特性。這里，為了方便討論，假設(shè)汽包內(nèi)汽液相充分分離，汽包液相與下降管內(nèi)無(wú)汽包，汽包僅存在于上升管內(nèi)；而水位測(cè)量信號(hào)與汽包液相水位成線性關(guān)系。 給水?dāng)_動(dòng)的影響 如果把汽包和其水循環(huán)系統(tǒng)看作是一個(gè)單容水槽，那么水位給水階躍洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 擾動(dòng)響應(yīng)曲線為圖 所示