【正文】 作如果不合理，管理不善，處理不當(dāng)， 往往會引起事故。因而，對鍋爐設(shè)備中的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究是必要的。 基于 PLC 工業(yè)鍋爐汽包 水位 控制 系統(tǒng) 的設(shè)計 The Design of the Boiler Drum Water Level Control System with PLC I 摘 要 鍋爐是眾多工業(yè)部門必不可少的重要動力設(shè)備。因此，鍋爐往往成了不少工廠不可缺少的一部分。鍋爐水位控制系統(tǒng)是鍋爐生產(chǎn)控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性 。由于鍋爐的水位調(diào)節(jié)過程難以建立數(shù)學(xué)模型，具有非線形、不穩(wěn)定性、時滯等特點 。而模糊控制不要求知道被控對象的精確模型，只需要操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)，魯棒性強，非常適合于非線性、滯后系統(tǒng)的控制。若水位過高 ,則會影響汽水分離的效果 ,使用 電 氣設(shè)備發(fā)生故障 。同時高性能的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很大 ,而汽包的體積相對來說較小 ,所以鍋爐水位控制顯得非常重要。 目前我國有各類鍋爐幾十萬臺，其中相當(dāng)大的部分還在使用常規(guī)儀表控制。因此研究新型的水位控制系統(tǒng)，使其能進(jìn)一步提高水位控制的效果，同時又具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的特點 ，還是非常必要的 。模糊 控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對象進(jìn)行有效的控制。 理論基礎(chǔ) 工業(yè)鍋爐的控制要求與工藝流程 鍋爐是化工、煉油、發(fā)電、造紙和制糖等工業(yè)生產(chǎn)過程必不可少的重 要動力設(shè)備。 工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量與蒸發(fā)量保持動態(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)運行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運行的主要指標(biāo)之一。常見的鍋爐設(shè)備的主要 工藝流程圖如圖 21 所示。空氣經(jīng)過鼓風(fēng)機進(jìn)入空氣預(yù)熱器，在經(jīng)過空氣預(yù)熱器 的過程中被由爐膛排出的煙氣預(yù)熱，變成熱空氣進(jìn)入爐膛。在引風(fēng)機的抽吸作用下經(jīng)過省煤氣和空氣預(yù)熱器，把預(yù)熱傳導(dǎo)給進(jìn)入 鍋爐 的水和空氣。降溫后的煙氣 經(jīng)過除塵器除塵，去硫等一系列凈化工藝通過煙囪排出。即通過各種檢測儀表，調(diào)節(jié)儀表，控制裝置（運算器，監(jiān)控器，執(zhí)行器）等自動化技術(shù)工具，對鍋爐生產(chǎn)過程中的溫度，壓力，流量，液位等熱工變量進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)。 鍋爐設(shè)備控制劃分為若干個控制系統(tǒng)。 1）鍋爐汽包水位的控制 被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量 。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐、氣輪機安全運行的必要條件之一，是鍋爐正常運行的指標(biāo)。為達(dá)到上述三個控制目的，控制手段也有三個，即燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量 [2]。被控變量一般是過熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水量。對鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當(dāng)，往往會引起事故，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則造成爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設(shè)備，后果十分嚴(yán)重。 工業(yè)鍋爐中最常見的事故有：鍋內(nèi)缺水，鍋爐超壓，鍋內(nèi)滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛 爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。 4 圖 31工業(yè)鍋爐汽水結(jié)構(gòu) 1— 給水母管； 2— 調(diào)節(jié)閥； 3— 省煤器； 4— 汽包； 5— 下水管； 6— 上升管； 7— 過熱器； 8— 蒸汽母管 汽包及蒸發(fā)管系中貯藏著蒸汽 和水，貯藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。如果只考慮主要擾動 那么，汽包水位對象的動態(tài)特性可用方程式表示為： 21 2 12 ( ) ( )wdw w w d d dd v d vd k d kT T T T k v T k vd t d t d t d t? ? ? ? ? （公式 1） 式中 1T 、 2T 時間常數(shù) ， wT 給水流量項時間 常數(shù) ， dT 蒸汽流量項時間常數(shù) ， wK 給水流量項放大系數(shù) ， DK 蒸汽流量項放大系數(shù) 。把汽包和給水看作單容無自衡對象，水位響應(yīng)曲線應(yīng)為一條直線。 即當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開始并不增加而要呈現(xiàn)一段起始慣性段 [3]。把汽包和給水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應(yīng)曲線如圖中 H1 線 。這使得水位下汽包容積有所減少，使水位下降，單考慮這個因數(shù)，水位的變化如圖中曲線 H2，相當(dāng)于一個慣性環(huán)節(jié)，實際上水位 H的響應(yīng)為 H1與 H2的和。最后當(dāng)水位下汽包容積不再變化時，水位變化就完全反映了由于儲水量的增加而直線上升。即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段?？杀硎緸椋? ()() ( ) 1 (1 )ow HsWs W s s s s s? ?? ???? ? ? ??? 式中 ? :遲延時間 (s)。 汽包水位在蒸汽負(fù)荷擾動下的動態(tài)特性 蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量）對水位的影響，即干擾通道的動態(tài)特性 在蒸汽流量擾動下，水位響應(yīng)曲線如圖 312。 “虛假水位”是由兩個原因造成的： （ 1） 由于鍋爐蒸汽負(fù)荷增加，使?fàn)t管和汽包中汽水混合物的汽、水比例發(fā)生變化（汽容積增加）而引起汽包水位上升，這是引起汽包“虛假水位”的主要原因。 △ WWo 6 圖 312汽包水位在蒸汽負(fù)荷擾動下的階躍響應(yīng)曲線 當(dāng)蒸汽流量 D突然增加時，從鍋 爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量 D大于給水量 W，水位應(yīng)下降，如圖中直線 H1所示。汽包內(nèi)的水沸騰突然加劇，水中汽包迅速增加，由于汽包容積增加而使水位變化的曲線如圖 312 中 H2所示。從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升）這種現(xiàn)象稱之為“虛假水位”。蒸汽流量擾動時，水位變化的動態(tài)特性可用函數(shù)表示為： 22()() ( ) 1OD kHsWs D s T s s?? ? ?? 式中， 2T :曲線 2的時間常數(shù) 2k :曲線 2的放大系數(shù) ? :曲線 1 的響應(yīng)速度 “虛假水位”變化的幅度 與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)?！疤摷偎弧爆F(xiàn)象屬于反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發(fā)量的變化的大小有關(guān)，而與給水流量無關(guān) [4]。如果氣輪機側(cè)的用汽量不加調(diào)節(jié)，則隨著汽包壓力的增高，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發(fā)量大于給水量，暫時產(chǎn)生了汽包進(jìn)出口工質(zhì)流量的不平衡。 △ B 圖 313 汽包水位在燃燒率擾動下的階躍響應(yīng)曲線 鍋爐汽包水位 控制系統(tǒng) 及控制方案選擇 單沖量水位控制系統(tǒng) 單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。 圖 321單沖量水位控制系統(tǒng) 如圖 321所示是單沖量變量水位控制系統(tǒng)。這種控制結(jié)構(gòu)簡單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽包內(nèi)水的停留時間較長，負(fù)荷又比較穩(wěn)定的場合下再 8 配上一些鎖報 警裝置就可以安全操作。這是由于：①負(fù)荷變化時產(chǎn)生的“虛假水位“將使調(diào)節(jié)器反向錯誤動作，負(fù)荷增大時反向關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴(yán)重下降，波動厲害，動態(tài)品質(zhì)很差。即使”虛假水位“現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個過程，再有水位變化到閥動作已滯后一段時間。 雙沖量水位控制系統(tǒng) 雙沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量水位控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了以 蒸汽流量信號為前饋信號的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動作。 ∑ 圖 322 雙沖量控制系統(tǒng) 雙沖量控制由于有以上特點，所以能在負(fù)荷頻繁變化的工程 下較好的完成水位控制任務(wù)。 雙沖量水位控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時的反映給水方面的擾動，當(dāng)給水量發(fā)生擾動時，要等到汽包水位變化時才通過調(diào)節(jié)器作用執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動較大。 三沖量水位控制系統(tǒng) 三沖量控制系統(tǒng)，以汽包水位為主控制信號，蒸汽流量為前饋控制信號，給水流量為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。 9 圖 323三沖量控制系統(tǒng) 現(xiàn)代工業(yè)鍋爐都向著大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般鍋爐容量越大，汽包的容水量就相對越小，允許波動的蓄水量就更少。 三沖量控制系統(tǒng)，采用蒸汽流量信號對給水流量進(jìn)行前饋控制，當(dāng)蒸汽負(fù)荷忽然變化時，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消 了“虛假水位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。如給水流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減小的信號，開大給水閥門，使給水流量保持不變。但在實際系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過程是極其復(fù)雜的，無法得到描述這些過程的數(shù)學(xué)模型，盡管通過各種測試手段及數(shù)據(jù)處理方法獲得數(shù)學(xué)模型，但也 很難得到確切描述這些過程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程。 三沖量系統(tǒng)可以克服“虛假液位”引起的反向動作，并且可以克服給水流量信號變化而引起調(diào)節(jié)器動作做不及時而引起的水位波動。這樣想采用三