【正文】 B/A 1PC 機(jī) 220VAC 1接觸器 HLC3X 380VAC 5熔斷器 XRNT12 3A 3水位傳感器 PTP601 24DCV 3流量傳感器 LUGB99 24DCV 2PLC 的電源模塊為其他各個(gè)模塊提供電源， PLC 的 CPU 塊負(fù)責(zé) PLC 的數(shù)據(jù)處理和通信，模擬量輸入模塊將來(lái)自傳感器的檢測(cè)信號(hào)傳入 PLC，DeviceNet 模塊通過(guò) DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)控制變頻器，數(shù)字量輸出模塊主要控制開(kāi)關(guān)設(shè)備的通斷。因此只要選擇一個(gè)模擬量輸入模塊 1756IF6I、一個(gè)數(shù)字量輸出模塊 1756OB16D 就可以滿足要求。 PLC 及相關(guān)模塊的選型 PLC 選擇羅克韋爾公司 Logix5000 系列，該系列 PLC 性能穩(wěn)定，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求靈活的選擇相關(guān)模塊，而且使用 RS Logix5000 組態(tài)軟件進(jìn)行梯形圖程序設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況建立標(biāo)簽，避免了對(duì) PLC 直接按照地址尋址造成的麻煩和錯(cuò)誤。 功率三極管的選型 為了能使 PLC 輸出的數(shù)字量能夠控制接觸器的通斷設(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)通工作于飽和狀態(tài)，接觸器線圈上電使接觸器觸點(diǎn)閉合，否則PLC數(shù)字量輸出為低電平時(shí)三極管截止工作于截止?fàn)顟B(tài)，接觸器線圈失電通過(guò)二極管續(xù)流，使接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)。 熔斷器的選型由于系統(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)電流大約在 150A左右，當(dāng)系統(tǒng)異常工作是可能導(dǎo)致工作電流變大因此可設(shè)定工作電流為 200A 時(shí)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。 接觸器的選型接觸器是系統(tǒng)中用到的重要開(kāi)關(guān)設(shè)備，接觸器的合理選擇能保證交流電動(dòng)機(jī)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的啟動(dòng)、停止。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。根據(jù)以上的分析可以選擇羅克韋爾公司的 1336PlusII 系列 1336FB150 型號(hào)的變頻器。 變頻器的選型 變頻器是電機(jī)的供能設(shè)備，合理選擇變頻器關(guān)系到電機(jī)能否正常工作為汽包供水?？刂频腻仩t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 23501/ K??? ?由計(jì)算結(jié)果可以知道選用功率為 100Kw 的三相異步電動(dòng)機(jī)完全可以滿足工作要求，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，選用鼠籠型電機(jī)就可以滿足要求。正常工作時(shí)汽包蒸汽壓力大約是 ，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大約是 2700Kg/ m3，根據(jù)過(guò)程控制選擇儀表量程原則儀表量程應(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：～ m3/h 因此汽包蒸汽管道直徑選用 20 mm，并用 LUGB99 型渦街流量計(jì)檢測(cè)流量可以檢測(cè)的流量范圍是 8～80 m3/h，可以滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)蒸汽流量信號(hào)。%（7）輸出信號(hào)：　　低電平：01V；高電平：大于 4V；占空比為 50% : 4～20ma(三線制)（8）電源電壓： 24DCV（9）殼體材料：碳鋼；不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)（10）規(guī)格：(管道內(nèi)徑)2350、680、12150、200、 250、300(大于 DN300 口徑為插入式)（11）工作狀況下流量范圍(單位：m 3/h)，見(jiàn)表 表 工作狀況下流量范圍DN(mm) 液體 汽體 蒸汽20 540 88025 112 1012032 12100 1520040 230 18150 2030050 350 30300 3045065 680 50420 60800 80 10130 70600 1001300100 20200 1201000 2002022125 30300 1801500 3003000 150 45450 2402022 4504500200 90900 4804000 9009000250 1201200 7008000 120012022300 1802022 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 m 3/h，因此汽包送水管道直徑選用50 mm 并用 LUGB99 型渦街流量計(jì)檢測(cè)流量可以檢測(cè)的流量范圍是 3～50 m3/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)。測(cè)量可能范圍，雷諾數(shù)8，000～7，000000（6）精度等級(jí)：液體，指示值的177。上海正博自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的 LUGB99 型渦街流量計(jì)是一種基于卡門渦街原理流體振動(dòng)式新型流量計(jì)，它具有測(cè)量范圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于封閉工業(yè)管道中液體、汽體和蒸汽介質(zhì)體積和質(zhì)量流量的測(cè)量。 流量傳感器的選型根據(jù)控制方案可以知道流量傳感器用于測(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質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。316 全不銹鋼結(jié)構(gòu)有多種量程可供選擇，選擇測(cè)量圍為：100～500mm，測(cè)量精度在 1%FS 的型號(hào)可以滿足控制要求。10 mm，因此所選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。因此所選傳感器的最大量程為:400～450 mm。知道汽包水位應(yīng)該控制在 300177。省煤器過(guò)熱器水冷壁汽包變頻器F TF CH TH C∑F TF C圖 汽包水位三沖量控制系統(tǒng) 給水流量調(diào)節(jié)器變頻器給水流量變送器液位變送器汽包變送器給水流量液位蒸汽流量+++液位流量調(diào)節(jié)器液位給定前饋調(diào)節(jié)器管道圖 汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖3 硬件選型 水位傳感器選型 由于該設(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)是對(duì)水位的準(zhǔn)確測(cè)量，因此水位能否準(zhǔn)確測(cè)量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。一方面可以克服給水?dāng)_動(dòng)，使給水流量自行調(diào)節(jié)，另一方面可以有效地抑制“假水位現(xiàn)象” 。該三沖量控制系統(tǒng)包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個(gè)控制回路以及一個(gè)蒸汽流量前饋通道，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)。省煤器過(guò)熱器水冷壁汽包變頻器F CH TH C∑F TF C圖 汽包水位雙沖量控制系統(tǒng) 給水流量調(diào)節(jié)器變頻器液位變送器汽包變送器給水流量液位蒸汽流量+++液位流量調(diào)節(jié)器液位給定前饋調(diào)節(jié)器圖 汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)框圖此外考慮到給水流量的變化可以通過(guò)串級(jí)控制的方法讓給水量的擾動(dòng)通過(guò)內(nèi)回路自行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)如圖 所示的三沖量控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后水位和蒸汽信號(hào)都能正確的指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)以上所分析的兩種方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以極大的提高汽包水位的控制質(zhì)量。如果把以上所述兩種方案結(jié)合起來(lái)，就構(gòu)成了汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)如圖 所示，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。由于給水量和蒸汽量的測(cè)量不準(zhǔn)確以及鍋爐系統(tǒng)引入的其他擾動(dòng)使得給水量和蒸汽量并非準(zhǔn)確的比值關(guān)系而保持水位恒定。省煤器過(guò)熱器水冷壁汽包變頻器H TH CF T圖 蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng) 給水流量調(diào)節(jié)器變頻器液位變送器汽包給水流量+蒸汽量變送器圖 蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)框圖采用該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)完全根據(jù)物質(zhì)平衡條件工作，給水量的大小只取決于汽輪機(jī)的耗汽量，假水位現(xiàn)象不會(huì)引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。因此可以采用圖 所示的蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其中流量調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器，使汽輪機(jī)的蒸汽量作為系統(tǒng)的給定使給水流量跟蹤蒸汽流量的變化，構(gòu)成了一個(gè)以蒸汽量作為給定的隨動(dòng)系統(tǒng)從而保證汽包水位的恒定。但對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)這種控制方案就不能滿足控制要求，因?yàn)槠啓C(jī)蒸汽量的負(fù)荷擾動(dòng)引起的假水位現(xiàn)象將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，導(dǎo)致汽包水位激烈的上下振蕩而不穩(wěn)定，嚴(yán)重的影響設(shè)備的運(yùn)行壽命和安全，所以大中型鍋爐不宜僅僅只采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)，必須尋找其他的解決辦法來(lái)控制汽包水位。如圖 所示，這是一個(gè)基本的控制方案其方框圖如圖 所示。這些特性使得汽包水位的變化受到多種因素影響，因而對(duì)它的控制變得比較復(fù)雜和困難。燃料量的增大只能使蒸汽量緩慢增大，而且同時(shí)汽壓也會(huì)緩慢上升，它將使汽泡體積減小，因此燃料量擾動(dòng)下的“假水位現(xiàn)象”比負(fù)荷擾動(dòng)下要緩和的多。 tH H1H2圖 汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)響應(yīng)曲線（3）燃料量擾動(dòng)的影響燃料量的擾動(dòng)必然也會(huì)引起蒸汽流量 D 的變化，因此也同樣會(huì)有“假水位現(xiàn)象”發(fā)生。對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)，后者的影響要大于前者，因此負(fù)荷做階躍增加后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)水位不但沒(méi)有下降反而明顯升高的現(xiàn)象，這種反?，F(xiàn)象通常被稱為“假水位現(xiàn)象” 。1 ?tHH1HH 2圖 給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線（2）汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)的影響當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量 D 突然做階躍增加時(shí)，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使汽包內(nèi)液體蒸發(fā)量變大從而使水位下降，如圖 所示的曲線 H1所示，另一方面由于汽輪機(jī)耗汽量 D 的突然增加，將迫使鍋爐內(nèi)汽泡增多，同時(shí)由于燃料量維持不變，汽包壓力下降，會(huì)導(dǎo)致水面以下蒸汽泡膨脹，總體積 V 增大，從而導(dǎo)致汽包水位上升，如圖 所示曲線 H2所示。它是一個(gè)具有延遲時(shí)間的積分環(huán)節(jié)，水的過(guò)冷度越大則響應(yīng)延遲時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。但考慮到給水的溫度低于汽包內(nèi)飽和的水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量使得鍋爐內(nèi)部的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽泡的總體積 V 也就會(huì)相應(yīng)的減小，從而導(dǎo)致水位下降如圖 所示的曲線 H2所示。影響汽包水位 H 的主要因素有給水量 W，汽輪機(jī)耗汽量 D 和燃料量 B 三個(gè)主要因素。但實(shí)際情況并非如此，最突出的一點(diǎn)就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾雜著大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的體積 V 是隨著汽包壓力和爐膛熱負(fù)荷的變化而變化的。給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為變頻器調(diào)節(jié)給水量 W，汽輪機(jī)耗汽量 D 是由汽輪機(jī)閥門開(kāi)度來(lái)控制的。 汽包水位的影響因素首先應(yīng)該從分析汽包水位的動(dòng)態(tài)特性入手。如遇汽輪機(jī)甩負(fù)荷，汽壓突然升高，水位將瞬時(shí)下降；運(yùn)行中燃燒突然增強(qiáng)或減弱，引起汽泡量突然增大或減少，使水位瞬時(shí)升高或下降；安全閥起座時(shí)，由于壓力突然下降，水位瞬時(shí)明顯升高；鍋爐滅火時(shí)，由于燃燒突然停止，鍋水中汽泡產(chǎn)量迅速減少，水位也將瞬時(shí)下降。在負(fù)荷突然變化時(shí)，汽壓也相應(yīng)變化，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)虛假水位。 此外當(dāng)鍋爐內(nèi)熱負(fù)荷增加或驟減時(shí)，水的比容將增大或減小，也會(huì)形成虛假水位。于是爐水內(nèi)的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，使水位不是下降而是很快上升，形成虛假水位。10 mm正常工作時(shí)的蒸發(fā)量：35t/h水位穩(wěn)定時(shí)供水量為：35 m 3/h正常工作時(shí)汽包蒸汽壓力大約是 虛假水位的形成及對(duì)策 虛假水位是鍋爐運(yùn)行時(shí)不真實(shí)的水位。在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過(guò)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)平衡狀態(tài)，從而使汽包水位的變化在允許范圍之內(nèi)，保證鍋爐的安全運(yùn)行，生產(chǎn)出合格穩(wěn)定的高質(zhì)量蒸汽，以滿足負(fù)荷的需要。如果水位過(guò)低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干鍋，損壞汽包。2 控制方案設(shè)計(jì)鍋爐是重要的動(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。在此基礎(chǔ)之上對(duì)整定結(jié)果進(jìn)行仿真，并對(duì)整定結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整判斷其可行性，為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及穩(wěn)定、可靠運(yùn)行打下基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)各個(gè)因素對(duì)鍋爐汽包水位的影響采用汽包水位三沖量方案，達(dá)到控制鍋爐汽包水位穩(wěn)定的目的。它的被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是汽包給水流量，通過(guò)對(duì)汽包水位的實(shí)時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行反饋，PLC 對(duì)反饋信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)控制算法對(duì)二者的偏差進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)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，汽包水位變化在允許范圍之內(nèi)。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。PLC 控制鍋爐技術(shù)是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通信能力上的飛速發(fā)展，大大增強(qiáng)了 PLC 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?，F(xiàn)在廣泛使用的控制技術(shù)還有 DCS 集散控制系統(tǒng) [2]，但由于 DCS 系統(tǒng)適合有多個(gè)控