【正文】 空 氣 流 量變 送 器K空 氣 流 量調(diào) 節(jié) 器煤 氣 流 量變 送 器爐 膛 溫 度變 送 器空 氣 管 道空 氣 流 量調(diào) 節(jié) 閥設(shè) 定 溫 度 T實(shí) 際測(cè) 量溫 度值 圖 爐溫控制系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)以爐膛溫度控制和煤粉流量控制構(gòu)成串級(jí)回路，其中的溫度控制為主環(huán)，煤粉流量控制為副環(huán)，爐膛實(shí)際測(cè)得的溫度作為反饋信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行較得出偏差，溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差信號(hào)對(duì)煤粉流量進(jìn)行控制，這樣外環(huán)溫控回路 根據(jù)爐溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)可以快速相應(yīng)溫度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的精確控制。而汽包內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 10 液位過(guò)低輕則影響汽、水平衡，重則會(huì)出現(xiàn)干鍋現(xiàn)象，有可能導(dǎo)致鍋爐爆炸。蒸汽用量突然加大時(shí)，蒸汽壓力會(huì)瞬間下降，水 沸騰加劇，汽包水的表面和底部汽泡量會(huì)迅速增加，由于汽包的體積比水的體積大很多倍，會(huì)出現(xiàn)汽包水位升高的假象。反之，當(dāng)蒸汽用量突然減少時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水位下降的假象，而液位控制器分辨不清真、假現(xiàn)象，錯(cuò)位地進(jìn)行開大給水閥門，影響鍋爐正常的運(yùn)行。該系統(tǒng)的控制框圖如圖 所示。當(dāng)出現(xiàn)虛假水位時(shí)， 蒸汽用量增加時(shí)，主調(diào)節(jié)器（正作用、 選用 氣閉閥）的輸出信號(hào)減小，而蒸汽流量信號(hào)不經(jīng)過(guò)主調(diào)節(jié)器，直接傳遞給副調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器的輸出減小，給水調(diào)節(jié)閥的開度增大，從而消除虛假水位。 主調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定值和反饋信號(hào)的偏差產(chǎn)生動(dòng)作，而副回路抗干擾能力很強(qiáng)，可以及時(shí)克服來(lái)自水流量方面的干擾，從而提高液位控制精度，通常情況下蒸汽信號(hào)和水流量信號(hào)作用相反，當(dāng)出現(xiàn)假水位情況，蒸汽信號(hào)會(huì)起到補(bǔ)償作用，從而保證液位穩(wěn)定在內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 11 允許的變化范圍內(nèi)。因此不論是蒸汽還是給水信號(hào)變化時(shí)，都會(huì)破壞調(diào)節(jié)器的平衡，引起調(diào)節(jié)器的作用，減小干擾，提高液位的控制精度，為鍋爐系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了可靠地保障 [6]。對(duì)過(guò)熱器的要求有質(zhì)與量?jī)蓚€(gè)方面：質(zhì)包括壓力和溫度參數(shù)及潔凈度，量指流量。 過(guò)熱器出口蒸汽溫度控制主要有兩種方法 1：通過(guò)改變煙道溫度控制過(guò)熱器出口蒸汽溫度 2：通過(guò)改變減溫水流量控制過(guò)熱器出口蒸汽溫度?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖 所示。 從控制角度來(lái)講減溫設(shè)備安裝在過(guò)熱器后面比較合理，但是從設(shè)備安全角度減溫器應(yīng)該安裝在過(guò)熱器的前面，從上述矛盾出發(fā)，我們將減溫器安裝在過(guò)熱器上部，更為合理有效地對(duì)過(guò)熱器出口蒸汽溫度進(jìn)行控制。對(duì)爐壓的控制采用 前饋 反饋 控制如圖 所示。 爐 膛 壓 力P I D 調(diào) 節(jié) 器引 風(fēng) 變 頻器爐 膛 負(fù) 壓對(duì) 象鼓 風(fēng) 量 前饋爐 膛 負(fù) 壓變 送 器鼓 風(fēng) 干 擾對(duì) 象爐 膛 負(fù) 壓設(shè) 定 值+++++ 圖 爐壓前饋控制系統(tǒng)框圖 前饋控制是減少被控變量動(dòng)態(tài)偏差的最有效方法之一，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，單獨(dú)使用前饋是很難滿足要求的，由于前饋控制是一種開環(huán)控制，無(wú)法校驗(yàn)補(bǔ)償結(jié)果 ，一般前饋控制用來(lái)補(bǔ)償主要干擾的影響。 2． 由于反饋回路的存在，降低了對(duì)前饋控制模型的要求，為工程上實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單 的通用模型創(chuàng)造了條件。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 14 第四章 硬件選型 傳感器選型 1． 溫度測(cè)量元件 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)自動(dòng)控制的必要條件，因此選擇合適的檢測(cè)元 件顯得十分重要，也是完成檢測(cè)工作的重要前提。 溫度是生產(chǎn)過(guò)程中較為常見的參數(shù)之一，保持溫度在一定范圍內(nèi)也是進(jìn)行安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)的重要任務(wù)之一，溫度檢測(cè)元件按照與被測(cè)介質(zhì)的接觸方式可以分為接觸式和非接觸式。接觸式檢測(cè)儀表具有簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是測(cè)溫存在延時(shí)。 常用的溫度檢測(cè)儀表如表 。用熱電偶測(cè)溫一定要注 意補(bǔ)償導(dǎo)線的類型及與熱電偶配套的連線和極性，而且要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。流量檢測(cè)一般有體積流量檢測(cè)和質(zhì)量流量檢測(cè)兩種方法，體積流量檢測(cè)包括容積法和速度法，容積法是用單位時(shí)間內(nèi)排出流動(dòng)介質(zhì)的固定容積數(shù)來(lái)計(jì)算流量?；谶@種檢測(cè)方法的儀表有旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)?；谶@種檢測(cè)方法 的儀表有差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子式流量計(jì) 和 超聲波式流量計(jì)等。由于差壓式流量計(jì)運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且還可與差壓式變送器配合使用，適用于多種流動(dòng)介質(zhì)的測(cè)量，所以設(shè)計(jì)中我們使用差壓式流量計(jì)測(cè)量煤粉流量和空氣流量。 節(jié) 流 裝 置q v P 1 p 2引 壓 導(dǎo) 管P 1 p 2差 壓 變 送 器I o 圖 差壓式流量計(jì)組成框圖 差壓式流量計(jì)的檢測(cè)原理是：當(dāng)流動(dòng) 介質(zhì)經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置，在節(jié)流裝置前后會(huì)產(chǎn)生壓力差，通過(guò)壓力差可得被測(cè)介質(zhì)的流量。由于三者的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致他們的性價(jià)比不同，孔板的壓力損失和成本都很大，但是精度很高，所以選擇孔板做節(jié)流裝置。為了使變送器輸出的電信號(hào)與流量成正比例關(guān)系，必須加一個(gè)開方器 [9]。本設(shè)計(jì)對(duì)于鍋爐汽包液位的檢測(cè)主要介紹以下 3 種汽包水位測(cè)量?jī)x表。 （ 2） 差壓水位計(jì)：將變動(dòng)水位與恒定水位的差壓值轉(zhuǎn)換成水位值，再通過(guò)差壓 變送器轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電信號(hào)。差壓式流量計(jì)一般適用于運(yùn)行穩(wěn)定的液位控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中液位出現(xiàn)較大變化時(shí)，誤差會(huì)很大。它克服了汽包的壓力的變化對(duì)測(cè)量的影響，一般用于鍋爐的啟停和參數(shù)變化過(guò)程中。但是它的測(cè)量是斷續(xù)的，因此就要求選擇合適的水位容器以減小誤差。差壓式水位計(jì)適用于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)參數(shù)的顯示，電極式水位計(jì)一般應(yīng)用在鍋爐變參數(shù)運(yùn)行過(guò)程中，精度很高。 4． 給水 流量 和蒸汽流量 測(cè)量元件 流量傳感器 在本設(shè)計(jì)中 用于給水流量和蒸汽流量 的 測(cè)量，這兩個(gè)信號(hào) 直接影響 控制質(zhì)量，因此選擇合理的流量傳感器 十分有必要的。 根據(jù)要求我們選擇 LUGB99 型渦街 流量計(jì) ，它 是一種新型振動(dòng)式 流量計(jì) ，具有壓損小、準(zhǔn)確度高 、 性能穩(wěn)定、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn) ，主要 應(yīng)用于管道中蒸汽、汽體和液體介質(zhì)流量的測(cè)量。%； 若是 蒸汽， 則精度可達(dá) 指示值 177。 LUGB99 型 流量計(jì) 不僅可以 檢測(cè)液體流量 還可以 檢測(cè)蒸汽流量， 所以在本設(shè)計(jì)中我們也選擇它對(duì)蒸汽流量進(jìn)行檢測(cè) 。 5．壓力測(cè)量元件 壓力檢測(cè)的方法有液柱式壓力檢測(cè)、彈性式壓力檢測(cè)、電氣式壓力檢測(cè)和活塞式壓力檢測(cè)，由于電氣式壓力檢測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，測(cè)量范圍大、便于信號(hào) 遠(yuǎn)距離傳輸，所以本設(shè)計(jì)選擇電氣式壓力檢測(cè)。常見的電氣式壓力檢測(cè)儀表有壓電式壓力檢測(cè)儀表和電阻式壓力檢測(cè)儀表。 1．執(zhí)行器的選型 執(zhí)行器的作用是接收控制器輸出的信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，控制閥門的開度。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于氣動(dòng)執(zhí)行器同其他兩類執(zhí)行器相比，不僅價(jià)格低、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，而且 具有很高的安全性能， 本設(shè)計(jì)采用 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 18 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩作用下，阻力系數(shù)發(fā)生改變，從而改變被控介質(zhì)流量，達(dá)到調(diào)節(jié)工藝變量的目標(biāo)。煙道百葉窗擋板一般應(yīng)用在低差壓、大口徑、有懸浮物、大流量的場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)采用煙道百葉窗作為控制爐膛壓力的煙氣調(diào)節(jié)閥 。 2．氣開、氣閉形式的選擇 由于執(zhí)行器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有正裝、反裝兩種形式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正和反兩種作用方式，通過(guò)四種組合方式可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器氣開和氣關(guān)調(diào)節(jié)。相反，氣開式執(zhí)行器在沒有壓力信號(hào)時(shí)，閥門關(guān)閉，閥門開度隨氣壓信號(hào)的增大而增大。對(duì)于爐膛而言，當(dāng)信號(hào)中斷時(shí)，應(yīng)該保證煤粉和空氣閥門全部關(guān)閉，使鍋爐不會(huì)因高溫而發(fā)生事故，所以煤粉和空氣選擇氣開式執(zhí)行器。 調(diào)節(jié)器 選型 1． 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇 調(diào)節(jié)器 將測(cè)量變送器采集的測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較得出偏差進(jìn)行比例、微分和積分運(yùn)算，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，控制執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫、汽包水位、爐壓和過(guò)熱器出口蒸汽溫度的控制。 具有及時(shí)迅速，存在余差等特點(diǎn)。 當(dāng) KI→∞時(shí)，控制器輸出為比例積分調(diào)節(jié)： )1( 0???? tI dtTKpy ?? （ ） 積分調(diào)節(jié)能夠消除余差，但動(dòng) 作緩慢， 所以 一般不單獨(dú)使用 ， PI 調(diào)節(jié)控制速度得到提高。 控制規(guī)律選擇的一般原則： （ 1） 廣義控制通道時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)需要引入微分調(diào)節(jié)。如果負(fù)荷變化大，不宜采用 PID調(diào)節(jié) 。不允許有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)選用 PI 調(diào)節(jié)。 2． 正、反作用方式的判斷 根據(jù)控制回路負(fù)反饋原則，各部分增益的乘積必須為“ +”， 爐膛溫度控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥采用氣開式，所以 Kv 為“ +”；煤粉和空氣閥門開大，爐膛溫度升高，所以 Ko為“ +”；變送器 Km 為“ +”，所以 Kp 為“ +”，即調(diào)節(jié)器需采用反作用 調(diào)節(jié) 方式。爐壓調(diào)節(jié)器采用反作用 調(diào)節(jié) 方式，過(guò)熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器采用 反作用調(diào)節(jié)方式。在控制過(guò)程中完成對(duì)被控參數(shù)（爐膛溫度、汽包液位、過(guò)熱器出口蒸汽溫度、爐膛壓力）的采集、處理和控制。 另外在 EM235 擴(kuò)展模塊中， D/A 和 A/D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)都是 12 位，模擬量的輸出和輸入有很多種量程，如 0～ 20mA， 0～ 10V， 0～ 100mV， 0～ 5V，等等，并且有 0～ 10D/A 和 A/D 轉(zhuǎn)換單元 [15]， 如圖 所示。 S7200PLC 具備以下特點(diǎn)： （ 1）控制功能。 （ 2） 輸入 /輸出性質(zhì)及點(diǎn)數(shù)要求。若要增加電路中的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 21 點(diǎn)數(shù)，可以用擴(kuò)展模塊， EM223（ 16 路數(shù)字輸入， 16 繼電器輸出）， EM223（ 8 數(shù)字輸入， 8 繼電器輸出）， EM231(4 路模擬量輸入 )， EM232（ 4 路模擬量輸入， 2 路模擬量輸出）， EM235(4 路模擬量輸入， 1 路模擬量輸出 )，擴(kuò)展模塊通過(guò)總線連接電纜得到 5V的直流電源。 CPU224 不僅具有 2560 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，而且還有 4096 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，可滿足設(shè)計(jì)要求 [16]。 圖 PLC 通信窗口 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 對(duì) PLC 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先是對(duì)其功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)工藝要求和被控對(duì)象的功能，明確系統(tǒng)要怎樣運(yùn)行，然后對(duì)其功能進(jìn)行分析，最后確定 PLC 型號(hào)和其他的配置 [17]。 根據(jù)控制要求，確定輸入、輸出設(shè)備。 分配 PLC 的 I/O 地址 。 調(diào)試即對(duì)模擬調(diào)試過(guò)的程序進(jìn)行在線調(diào)試 。 MICROMASTER430 變頻器 不但設(shè)備性能可以滿足用戶需求，而且有更多的輸入、輸出端。 接 P L C 轉(zhuǎn) 速輸 出2 0 92 0 7A I1A G N DA G N DA O 1A G N D+ 2 4 VD C O M 1D I1D C O M 2R O 1 CA O 1 A2367891 01 11 61 71 82 0 5S A 4 1S A 4 32 1 114 9變 頻 器 轉(zhuǎn)速 輸 出1 9 71 9 92 0 12 0 3報(bào) 警 輸 出 圖 變頻器接線圖 Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言 ，通過(guò)此協(xié)議，控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信 。許多工業(yè)設(shè)備，包括 PLC， DCS，智能儀表等都在使用 Modbus 協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。 控制器 能設(shè)置為兩種傳 輸模式（ ASCII或 RTU）中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus網(wǎng)絡(luò)通信。 ASCII 模式采用 LRC 校驗(yàn)， RTU 模式采用 16 位 CRC 校驗(yàn)。其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。 從設(shè)備回應(yīng)消息也由 Modbus 協(xié)議構(gòu)成， 包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回 的數(shù)據(jù)、和一錯(cuò)誤檢測(cè)域。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 24 S7200 系列 PLC 核心是 CPU224， 還具有 EM23 EM23 EM235 三種規(guī)格的模擬量輸出輸入模塊。 PLC 接線圖如圖 所示。具有語(yǔ)法檢查功能，方便進(jìn)行梯形圖編寫程序的修改，還具有文檔管理和加密等功能 [21]， 編程主界面如圖 所示。進(jìn)行梯形圖程序編寫時(shí)，單擊線圈、觸點(diǎn)或指令盒按鈕選擇要輸入的指令，然后用光標(biāo)移到需要添加元件的位置后，單擊鼠標(biāo)即可，選擇指令元件后輸入操作數(shù) ，按照要求完成編程工作。 系統(tǒng)主流程圖如圖 所示。在溫度控制子程序中，首先對(duì)爐溫進(jìn)行初始設(shè)定，開始溫度采集，判斷采集的溫度測(cè)量值是否在設(shè)定值范圍之內(nèi)，若果在則進(jìn)行 PID 控制和輸出空燃比信號(hào)，如果不在則報(bào)警[22]， 圖 所示。判斷爐壓是否設(shè)定，若已經(jīng)設(shè)定則進(jìn)入 PID 調(diào)解，沒有設(shè)定則對(duì)其進(jìn)行設(shè)定，如果采用手動(dòng)方式運(yùn)行，則直接啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和爐排，無(wú)故障后判斷運(yùn)行是否正 常，正常則進(jìn)行內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文） 29 PID 調(diào)節(jié)，不正常立刻停止運(yùn)行 [23]。如果手動(dòng)方式運(yùn)行，直接啟動(dòng)給水泵及調(diào)節(jié)閥，沒有故障則正常運(yùn)行進(jìn)行 PID 控制，否則停止。 通信控制流程設(shè)計(jì)過(guò)程中， S7200CPU 從通訊端口 0 接受字符串，使用 RCV（接收）指令和接收完成中斷接收數(shù)據(jù)，以自定義協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)