【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )外文資料翻譯 系 ： 自動(dòng)化工程學(xué)院 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 外文出處： 附 件： ； 。 指導(dǎo)教師評(píng)語： 簽名： 年 月 日 (用外文寫 ) 附件 1：外文資料翻譯譯文 PLC 在蒸汽鍋爐汽包液位 PID 控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析 來源： 錄入時(shí)間： 070610 13:22:33 English version 1 引言 工業(yè) 蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動(dòng)態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。若水位過高 ,影響汽水分離的效果 ,使用氣設(shè)備發(fā)生故障 。而水位過低則會(huì)破壞汽水循環(huán) ,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鍋爐爆炸，所以鍋爐汽包水位必須嚴(yán)加控制。為了確保鍋爐生產(chǎn)的穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，我們?cè)O(shè)計(jì)采用了性能先進(jìn)的永宏 FBsPLC、變頻調(diào)速器、計(jì) 算機(jī)應(yīng)用等自動(dòng)化設(shè)備組成的鍋爐 PID 自動(dòng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過檢測(cè)水汽壓力、溫度，汽包液位等運(yùn)行物理量，在運(yùn)行過程中全自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證了工業(yè)鍋爐的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。 2 工業(yè)鍋爐相關(guān)工藝介紹 蒸汽鍋爐是廠礦重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負(fù)荷的需要。為此，鍋爐生產(chǎn)過程的各個(gè)主要參數(shù)都必須嚴(yán)格控制。而利用余熱氣體作為熱交換介質(zhì)的余熱鍋爐在全國(guó)占有很大的比例，其節(jié)能降耗效果尤為明顯。某化工廠硫酸余熱鍋爐就是利用沸騰爐出來的爐氣 (主要是 SO2)溫度過高，將其作為熱交換對(duì)象，通過余熱鍋爐副 產(chǎn)中壓蒸汽供各生產(chǎn)分廠使用，既保證了生產(chǎn)需要，也達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。鍋爐是一個(gè)較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，為保證提供合格的蒸汽以適應(yīng)負(fù)荷的需要，與其配套設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)必須滿足各主要工藝參數(shù)的需要。余熱鍋爐工藝流程如圖 1 所示。 圖 1 余熱鍋爐工藝流程圖 3 控制難點(diǎn)分析 鍋爐 計(jì)算機(jī)控制是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。它是微型計(jì)算機(jī)軟、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)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。采用微計(jì)算機(jī)控制，能對(duì)鍋爐進(jìn)行過程的自動(dòng)檢 測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。它的被調(diào)量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對(duì)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)，雖然鍋爐汽包水位對(duì)蒸氣流量和給水流量變化的響應(yīng)呈積極特性，但是在負(fù)荷 (蒸氣流量 )急劇增加時(shí)，表現(xiàn)卻類似逆響應(yīng)特性，即所謂的虛假水位。造成這一原因是由于負(fù)荷增加時(shí)，導(dǎo)致汽包壓力下降，使汽包內(nèi)水的沸點(diǎn)溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是維持鍋爐進(jìn)出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標(biāo)，通過調(diào)整進(jìn)水量的多少來達(dá)到進(jìn) 出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個(gè)設(shè)有自平衡能力的被控對(duì)象，運(yùn)行中存在虛假水位現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙沖量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統(tǒng)。所謂三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是把給水流量 W，汽包水位 H，蒸汽流量 D 三個(gè)變量通過運(yùn)算后調(diào)節(jié)給水閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具體調(diào)節(jié)過程方框圖如圖 2 所示 。 圖 2 三沖量調(diào)節(jié)方框圖 先通過蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號(hào)乘以相應(yīng)的比例系數(shù)，通過比例系數(shù)可以調(diào)節(jié)蒸汽流 量或給水流量對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響力度。通過差壓變送器取得水位信號(hào)作為主調(diào)節(jié)信號(hào) H。如果水位設(shè)定值為 G，那么在平衡條件下應(yīng)有 DDkWWk+HG=0 的關(guān)系式存在。其中 Dk 為蒸汽流量系數(shù) Wk 為給水流量系數(shù)。如果再設(shè)定時(shí)，保證在穩(wěn)態(tài)下 DDk=WWk 那么就可以得到 H=G。此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出就與符合對(duì)應(yīng)，給水閥停在某一位置上。若有一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)生變化，平衡狀態(tài)被破壞， PI 調(diào)節(jié)模塊的輸出必將發(fā)生變化。當(dāng)水位升高了，則調(diào)節(jié)模塊的輸出信號(hào)就減小，使得給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小。反之，當(dāng)水位降低時(shí)，調(diào)節(jié)模塊的輸出值增大，使給水閥 開大。實(shí)踐證明三沖量給水單極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能保持水位穩(wěn)定，且給水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作平穩(wěn)。鍋爐給水系統(tǒng)中還有一個(gè)比較重要的控制回路是給水壓力回路，因?yàn)槠鼉?nèi)壓力較高，要給鍋爐補(bǔ)水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，對(duì)給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統(tǒng)中一般采用給水泵一直以工頻方式運(yùn)轉(zhuǎn)，用回流閥降低水壓防止爆管，現(xiàn)在一般采用通過變頻器恒壓供水的方式控制水壓。鍋爐給水量通過汽包液位調(diào)節(jié)。汽包液位測(cè)量選用浮筒液位計(jì)。為有效利用轉(zhuǎn)換廢熱，降低消耗，減低勞動(dòng)強(qiáng)度 ，有利于整體工藝穩(wěn)定，要求汽包液位自動(dòng)控制，正常生產(chǎn)時(shí)波動(dòng)應(yīng)小于 177。5 ％。 PID 調(diào)節(jié)蒸汽出口閥可以很好的控制汽包壓力。開車正常后波動(dòng)范圍不大，可以不考慮。轉(zhuǎn)化負(fù)荷波動(dòng)、出預(yù)熱器鍋爐給水溫度變化、鍋爐負(fù)荷波動(dòng)、排污量變化這幾個(gè)因素對(duì)汽包液位的影響必須考慮。以汽包液位為主調(diào)參數(shù)、以給水流量為副調(diào)參數(shù)、以蒸汽流量為前饋，但調(diào)節(jié)效果很差。引起汽包液位的大起大落?？紤]到該廢熱鍋爐控制參數(shù)耦合小，流程簡(jiǎn)單，產(chǎn)汽量也較穩(wěn)定，我 們從操作人員的操作中得到啟發(fā)，認(rèn)為減少給水量的波動(dòng)從而穩(wěn)定給水溫度成為該廢熱鍋爐液位控制的要點(diǎn)。因 此我們選用 “以汽定水＋液位前饋 ”比值控制方案，方案框圖如圖 3 所示。 圖 3 汽定水＋液位前饋比值控制方案框圖 其中系數(shù) K 為汽水損失率 (給水流量與蒸汽流量的比值 )，范圍為 ～ 。 PID參數(shù)為 P＝ 300％、 I＝ 、 D＝ 0。這組 PID 參數(shù)可以使閥位波動(dòng)幅度不大而回路有較快的跟蹤效果。液位前饋系數(shù)與鍋爐額定負(fù)荷密切相關(guān)，一般是額定負(fù)荷越大前饋系數(shù)也越大。本項(xiàng)目廢熱鍋爐的額定負(fù)荷為 35t／ h。前饋系數(shù)按表一給定，見附表 : 附表 前饋系數(shù)表 投運(yùn)時(shí)首先投運(yùn)給水流量單回路，調(diào)節(jié)平穩(wěn)后，再切換為蒸汽流量比值 控制，液位前饋同時(shí)起作用。以汽定水＋液位前饋比值控制方案調(diào)試投運(yùn)簡(jiǎn)單方便，投運(yùn)后經(jīng)負(fù)荷擾動(dòng) (產(chǎn)汽量變化 )、液位擾動(dòng) (排污量變化 )實(shí)驗(yàn)，抗擾動(dòng)性能良好，投運(yùn)以來運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到工藝要求。圖 4 為 實(shí)時(shí)液位記錄曲線，其中記錄了負(fù)荷擾動(dòng)情況。液位波動(dòng)范圍＜ 177。3 ％。 液位范圍（ %） 45 45~46 46~47 47~48 48 ~ 49 流量系數(shù)（ t/h） 液位范圍（ %） 49~51 51~52 52~53 53~54 54~55 55 流量系數(shù)（ t/h） 0 4 永宏 PLC PID 控制系統(tǒng)分析 帶 PID 控制功能的 FATEK 可編程控制器 PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器 (儀表 )已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的 PID 控制器產(chǎn)品，作為國(guó)產(chǎn) PLC 企業(yè)，永宏電機(jī)股份公司一直致力于 PLC 的研究開發(fā)工作，帶 PID 控制功能的 FATEK 可編程控制器 (PLC)就是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包液位的 PID 控制，在異常情況下，如液位偏離正常值較大時(shí)，通過 PLC 控制系統(tǒng)控制，可以快速恢復(fù)水位，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)水位控制和主蒸汽溫度控制發(fā)生矛盾時(shí)，可根據(jù)矛盾的主要方面進(jìn)行兩者的協(xié)調(diào)控制。它包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個(gè)控制回路，實(shí)質(zhì)上是蒸汽流量前饋與水位－流量串級(jí)系統(tǒng)組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽流量變化時(shí)，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的給水流量控制回路可迅速改變進(jìn)水量以完成粗調(diào)，然后再由汽包水位調(diào)節(jié)器完成水位的細(xì)調(diào)。 汽包水位 PID 控制設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn) (1) 減少干擾對(duì)主回路的影響，可由副回路控制器予以校正。 (2) 由于副回路的存在減少了相位滯后，從而改善了主回路的響應(yīng)速度。 (3) 對(duì)控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。 (4) 副回路可以按照主回路的需求對(duì)對(duì)象實(shí)施精確控制。 實(shí)際 PLC 的控制程序采用主副回路進(jìn)行串級(jí)控制，即主回路的輸出做為副回路的設(shè)定值，經(jīng)副回路輸出作用于被控對(duì)象。也可以不用副回路只用主回路形成單回路調(diào)解，或手動(dòng)操作完成。一般常見的過程控制應(yīng)用， 開環(huán)回路控制就可以滿足大部份的應(yīng)用要求，但隨 著使用時(shí)間、組件特性變化或受控負(fù)載或外界工作環(huán)境的變化，開環(huán)回路控制因?yàn)闆]有真實(shí)將受控程序的實(shí)際量反饋到控制器，因此控制結(jié)果可能與實(shí)際期望的結(jié)果會(huì)有些落差，閉環(huán)回路 PID 過程控制是用來克服并解決上 述缺點(diǎn)的極佳選擇。 FBSPLC 提供軟件數(shù)字化的 PID 數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)于一般反應(yīng)的閉環(huán)回路過程控制就可應(yīng)付，但對(duì)于工業(yè)鍋爐這樣的需要有快速反應(yīng)的閉環(huán)回路控制要使用本功能需要事先評(píng)估是否可行。典型的閉環(huán)回路程控示意圖如圖 5 示。 圖 5 典型閉環(huán)回路程控示意圖 根據(jù)應(yīng)用要求，用戶將 PID 控制器設(shè)定成比例 +積分 +微分控制 器，其控制器的數(shù)字化數(shù)學(xué)表達(dá)式如下 : Mn:“n”時(shí)的控制輸出量 D4005:增益常數(shù)，默認(rèn)值為 1000。可設(shè)定范圍為 1～ 5000 Pb:比例帶 (范圍 :1～ 5000，單位為 %。 Kc(增益 )=D4005/Pb) En:“n”時(shí)的誤差 =設(shè)定值 (SP)“n”時(shí)的過程變數(shù)值 (PVn) Ki:積分常數(shù) ( 范圍 :0～ 9999，相當(dāng)于 ～ Repeats/Minute) Td:微積分時(shí)間常數(shù) (范圍 :0～ 9999，相當(dāng)于 ～ ) PVn:“n”時(shí)的過程變數(shù)值 PVn1:“n”時(shí)的上一次過程變數(shù)值 Ts:PID 運(yùn)算的間隔時(shí)間 (范圍 :1～ 3000，單位 :) Bias:偏置輸出量 (范圍 :0～ 16383) 加上微分項(xiàng)的控制器，目的在于消除程控系統(tǒng)的過度反應(yīng)，進(jìn)而使程控系統(tǒng)能夠平穩(wěn)緩和達(dá)到穩(wěn)定。雖然微分項(xiàng)有上述優(yōu)點(diǎn)，但因其對(duì)輸出量的貢獻(xiàn)相當(dāng)靈敏， 大部分的應(yīng)用不必使用微分項(xiàng)而將 Td 設(shè)定為 0。 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類 :一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨 界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下 : (1) 首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作 。 (2) 僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期 。 (3) 在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。圖 6 永宏可編程序控制器 PID 部分程序舉例。 圖 6 永宏可編程序控制器 PID 部分程序圖 除此以外為保證鍋爐運(yùn)行的安全，在進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及報(bào)警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報(bào)警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。 5 結(jié)束語 由于 采用了 PLC 進(jìn)行控制，系統(tǒng)功能完善，結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，能耗小，擴(kuò)展靈活，便于維護(hù)，并且可靠性高，而且還極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，大大降低了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了成本，經(jīng)過近 2 年的運(yùn)行，用戶給予 了很高評(píng)價(jià)，認(rèn)為利用國(guó)產(chǎn)永宏 PLC 開發(fā)的控制系統(tǒng)功能完善，綜合性強(qiáng)，人機(jī)界面友好，實(shí)用性好。隨著國(guó)產(chǎn)優(yōu)秀可編程控制器和高速計(jì)算元件的快速發(fā)展，鍋爐控制系統(tǒng)將會(huì)更加完善。 附件 2：外文原文 PLC in steam boiler steam drum fluid position PID control system applied analysis Origin: Input time: 070318 13:09:33English version 1 introduction The industry steam