基于plc的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，汽包水位過(guò)高或者過(guò)低的后果都非常嚴(yán)重，因此對(duì)汽包水位必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。PLC技術(shù)的快速發(fā)展使得PLC廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域并極大地提高了控制系統(tǒng)性能，PLC已經(jīng)成為當(dāng)今自動(dòng)控制領(lǐng)域不可缺少的重要設(shè)備。本文從分析影響汽包水位的各種因素出發(fā)，重點(diǎn)分析了鍋爐汽包水位的“假水位現(xiàn)象”，提出了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的三沖量控制方案。按照工程整定的方法進(jìn)行了PID參數(shù)整定，并進(jìn)行了仿真研究。根據(jù)控制要求和所設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行硬件選型以及系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，利用PLC編程實(shí)現(xiàn)控制算法進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，最終完成PLC在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中應(yīng)用。關(guān)鍵詞汽包水位三沖量控制PLCPID控制ABSTRACTTHESTEAMDRUMWATERLEVELISAVERYIMPORTANTPARAMETERFORTHEBOILERSAFEOPERATION,BOTHHIGHANDLOWSTEAMDRUMWATERLEVELMAYLEADTOEXTREMELYSERIOUSCONSEQUENCETHEREFOREITMUSTBESTRICTLYTOBECONTROLLEDWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFPLCTECHNOLOGY,ITCANWIDELYBEAPPLIEDTOTHEPROCESSCONTROLDOMAINANDENHANCESTHEPERFORMANCEOFCONTROLSYSTEMENORMOUSLYPLCHASALREADYBECOMETHEESSENTIALIMPORTANTEQUIPMENTINAUTOMATICCONTROLDOMAINBASEDONTHEANALYSISOFALLKINDSOFFACTORSWHICHINFLUENCESTEAMDRUMWATERLEVEL,“UNREALWATERLEVELPHENOMENON”ISANALYZEDSPECIALLY,ANDTHREEIMPULSESCONTROLPLANFORSTEAMDRUMWATERLEVELCONTROLSYSTEMISPROPOSEDPIDPARAMETERSAREREGULATEDBYENGINEERINGREGULATIONMETHOD,ANDSIMULATIONSTUDYISDONEACCORDINGTOTHENEEDSOFCONTROL,THESELECTIONOFCONTROLREQUIREMENTSHARDWAREANDSYSTEMHARDWAREDESIGNASWELLASSYSTEMSOFTWAREDESIGNARECARRIEDOUTFINALLYTHEAPPLICATIONOFPLCINBOILERSTEAMDRUMWATERCONTROLSYSTEMISCOMPLETEDKEYWORDSSTEAMDRUMWATERLEVELTHREEIMPULSESCONTROLPLCPIDCONTROL目錄1緒論111汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀112本設(shè)計(jì)的主要工作22控制方案設(shè)計(jì)421汽包水位的影響因素422汽包水位的控制方案設(shè)計(jì)73硬件選型1331水位傳感器選型1332流量傳感器的選型1433電機(jī)的選型1634變頻器的選型1735接觸器的選型1736熔斷器的選型1837功率三極管的選型1838PLC及相關(guān)模塊的選型1939硬件工作原理224硬件設(shè)計(jì)2541系統(tǒng)總體線(xiàn)路設(shè)計(jì)2542控制線(xiàn)路設(shè)計(jì)285控制算法及參數(shù)整定3051PID算法簡(jiǎn)介3052三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定316軟件設(shè)計(jì)3961程序流程設(shè)計(jì)3962DEVICENET網(wǎng)絡(luò)組態(tài)4163RSLOGIX5000程序設(shè)計(jì)447監(jiān)控界面設(shè)計(jì)508結(jié)束語(yǔ)53參考文獻(xiàn)55致謝56附錄571緒論11汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀蒸汽鍋爐是企業(yè)重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽產(chǎn)品，以滿(mǎn)足負(fù)荷的需要。鍋爐是一個(gè)十分復(fù)雜的控制對(duì)象，為保證提供合格的蒸汽產(chǎn)品以適應(yīng)負(fù)荷的需要，與其配套設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)必須滿(mǎn)足各主要工藝參數(shù)的需要。保持鍋爐汽包水位在正常范圍內(nèi)是鍋爐運(yùn)行的一項(xiàng)重要的安全性能指標(biāo)，由于負(fù)荷、燃燒狀況及給水流量等因素的變化，汽包水位會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化1。因此鍋爐汽包水位應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加以嚴(yán)格控制以保證鍋爐的安全運(yùn)行。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，鍋爐汽包水位也是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負(fù)荷和給水之間的平衡關(guān)系。傳統(tǒng)的控制方法是以各種分立器件的應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用各種檢測(cè)器件對(duì)被控參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)并反饋給控制器件，再根據(jù)自動(dòng)控制理論的有關(guān)算法完成相應(yīng)的運(yùn)算并驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。但是這種控制方式受分立器件的性能影響大，系統(tǒng)各部分之間影響較大，自動(dòng)化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易出現(xiàn)故障，不利于系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全、高效運(yùn)行?，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)控制回路同時(shí)工作的復(fù)雜系統(tǒng)，而且集散控制系統(tǒng)往往價(jià)格昂貴，對(duì)于像汽包水位這樣的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)性?xún)r(jià)比太高，因此對(duì)于汽包水位控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并非理想的選擇。PLC是70年代發(fā)展起來(lái)的中大規(guī)模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口與中斷系統(tǒng)于一體的器件3，已經(jīng)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)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。因此，無(wú)論是單機(jī)還是多機(jī)控制、生產(chǎn)流水線(xiàn)控制及過(guò)程控制都可以采用PLC技術(shù)。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)。它是PLC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PLC控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。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)。12本設(shè)計(jì)的主要工作本次設(shè)計(jì)的主要工作有（1）設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制方案從鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)性能入手，分析影響鍋爐汽包水位的主要因素，并對(duì)這些因素對(duì)鍋爐汽包水位動(dòng)態(tài)性能的影響進(jìn)行理論研究。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。（2）硬件設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制方案合理地選擇檢測(cè)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制設(shè)備以及其它必要設(shè)備，并在此基礎(chǔ)之上根據(jù)控制方案合理地進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，完成各種設(shè)備之間的接線(xiàn)與配置，并進(jìn)行設(shè)備的安裝調(diào)試。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)。（3）控制算法的參數(shù)整定根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)以及它的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性按照工程整定的方法進(jìn)行控制器的參數(shù)整定，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。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)。（4）PLC程序和監(jiān)控界面設(shè)計(jì)根據(jù)參數(shù)整定和仿真的結(jié)果利用相關(guān)軟件進(jìn)行PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)控制算法。同時(shí)利用組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，使之能夠動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并可以通過(guò)監(jiān)控界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。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(mǎn)足負(fù)荷的需要。汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，如果水位過(guò)高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。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。所以鍋爐汽包水位過(guò)高過(guò)低都可能造成重大事故。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(mǎn)足負(fù)荷的需要。21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。鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象如圖21所示。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(mén)開(kāi)度來(lái)控制的。省煤器過(guò)熱器水冷壁汽包變頻器圖21鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象初看起來(lái)，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性似乎和單容水槽一樣，給水量和蒸汽流量影響汽包水位的高低4。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(mǎn)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。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。（1）給水?dāng)_動(dòng)的影響如果把汽包及其水循環(huán)系統(tǒng)看作一個(gè)單容水槽，那么水位的給水階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)應(yīng)該為圖22所示的曲線(xiàn)H1所示。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22所示的曲線(xiàn)H2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)應(yīng)是曲線(xiàn)H1和H2之和，如圖22所示的曲線(xiàn)H所示。從圖中可以看出該響應(yīng)過(guò)程有一段延遲時(shí)間。即它是一個(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)。其傳遞函數(shù)可以近似表示為2111SGS式21中表示汽包水位的飛升速度，表示延遲時(shí)間。1THH1HH2圖22給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)（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23所示的曲線(xiàn)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23所示曲線(xiàn)H2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)應(yīng)該是曲線(xiàn)H1和H2之和，如圖23所示曲線(xiàn)H所示。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(chēng)為“假水位現(xiàn)象”?？梢哉J(rèn)為這是一個(gè)慣性加積分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以近似的表示為222021KSTSGS式22中表示汽包水位對(duì)于蒸汽流量的飛升速度，表示“假水位現(xiàn)象”10T的延遲時(shí)間。THH1H2圖23汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)（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。但由于汽包水循環(huán)系統(tǒng)中有大量的水，汽包和水冷壁管道也會(huì)存儲(chǔ)大量的熱量，因此具有一定的熱慣性。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。由以上分析可知道給水量擾動(dòng)下的水位響應(yīng)有遲滯性，負(fù)荷擾動(dòng)下的水位響應(yīng)有“假水位現(xiàn)象”。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。22汽包水位的控制方案設(shè)計(jì)從反饋的思想出發(fā)很容易想到以汽包水位信號(hào)作為反饋量，給水流量作為被控量，構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)，即水位單沖量控制系統(tǒng)。如圖24所示，這是一個(gè)基本的控制方案其方框圖如圖25所示。對(duì)于小容量鍋爐來(lái)說(shuō)由于它的儲(chǔ)水容量較大，水面以下的汽泡體積并不占有非常大的比重，因此水容積延遲和假水位現(xiàn)象并不是非常明顯，因此可以采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)來(lái)控制汽包水位。但對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)這種控制方案就不能滿(mǎn)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。省煤器過(guò)熱器水冷壁汽包變頻器HTHC圖24汽包水位單沖量控制系統(tǒng)給水流量調(diào)節(jié)器變頻器液位變送器汽包給水流量圖25汽包水位單沖量控制系統(tǒng)框圖如果從物質(zhì)平衡的角度出發(fā)，只要能夠保證給水量永遠(yuǎn)等于蒸汽蒸發(fā)量就可以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖26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。該方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖27所示。省煤器過(guò)熱器水冷壁汽包變頻器HTHCFT圖26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27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。但是這個(gè)系統(tǒng)對(duì)于汽包水位來(lái)說(shuō)只是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。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。由于水位對(duì)于二者的偏差是積分關(guān)系，微小的偏差長(zhǎng)時(shí)間積累也會(huì)形成很大的水位差，因此不宜采用隨動(dòng)控制系統(tǒng)。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28所示，其結(jié)構(gòu)框圖如圖29所示。雙沖量指的是同時(shí)引入兩個(gè)測(cè)量信號(hào)汽包水位和蒸汽流量。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。當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量出現(xiàn)階躍增大時(shí)，一方面由于“假水位現(xiàn)象”汽包水位會(huì)暫時(shí)有所升高，將使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)做出誤動(dòng)作錯(cuò)誤的減少給水量；另一方面汽輪機(jī)耗汽量的增大又通過(guò)比值控制系統(tǒng)指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增大給水量，實(shí)際給水量的增減情況要根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)參數(shù)整定來(lái)確定。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。只要參數(shù)整定合適，給水量必然等于蒸汽量從而保證水位恒定。省煤器過(guò)熱器水冷壁汽包變頻器FCHTHCFTFC圖28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29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210所示的三沖量控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖211所示。即前饋反饋串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)。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)。串級(jí)控制系統(tǒng)的主參數(shù)是汽包水位，副參數(shù)是給水流量，主調(diào)節(jié)器是給水流量調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器是液位調(diào)節(jié)器。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”。當(dāng)蒸汽流量發(fā)生變化時(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)水量的大小以完成粗調(diào)，然后再由汽包水位調(diào)節(jié)器完成水位的細(xì)調(diào)維持汽包水位的穩(wěn)定。省煤器過(guò)熱器水冷壁汽包變頻器FTFCHTHCFTFC圖210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211汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖3硬件選型31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。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有關(guān)鍵作用。根據(jù)原始資料可以知道汽包水位應(yīng)該控制在30010MM，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4/33/2倍。因此所選傳感器的最大量程為400450MM。而且汽包水位應(yīng)該控制在30010MM，因此所選水位傳感器的精度應(yīng)該高于10/45022FS，因此選擇該測(cè)量精度才可以滿(mǎn)足要求。佛山市順德區(qū)拓樸電子儀器有限公司生產(chǎn)的PTP601投入式水位傳感器可以滿(mǎn)足控制要求，該系列儀表采用擴(kuò)散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體。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100500MM，測(cè)量精度在1FS的型號(hào)可以滿(mǎn)足控制要求。該型號(hào)的傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下量程100500MM水位高/深度綜合精度10FS輸出信號(hào)420MA二線(xiàn)制、05V、15V、010V三線(xiàn)制供電電壓24DCV936DCV負(fù)載電阻電流輸出型最大800；電壓輸出型大于50K絕緣電阻大于2000M100VDC密封等級(jí)IP68長(zhǎng)期穩(wěn)定性能01FS/年振動(dòng)影響在機(jī)械振動(dòng)頻率20HZ1000HZ內(nèi)，輸出變化小于01FS電氣接口信號(hào)接口緊線(xiàn)防水螺母與五芯通汽電纜連接機(jī)械連接螺紋接口投入式使用時(shí)可以采用24V直流電源為水位傳感器供電保證其正常工作，將15V電壓信號(hào)作為反饋量引入PLC模擬量輸入端口進(jìn)行控制運(yùn)算。32流量傳感器的選型根據(jù)控制方案我們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。根據(jù)原始資料可以知道我們所要控制的是35T/H鍋爐的汽包水位，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。由原始資料可以做如下估算水位穩(wěn)定時(shí)供水量為35M3/H。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(mén)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。該流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)如下（1）測(cè)量介質(zhì)蒸汽、汽體、液體（2）傳感器的感應(yīng)元件不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定、可靠性高（3）傳感器內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，壓損小、維擴(kuò)量小、使用壽命長(zhǎng)（4）范圍度寬達(dá)101151（5）測(cè)量范圍正常工作范圍，雷諾數(shù)為20，0007，000，000；輸出信號(hào)不受液體溫度、壓力、粘度及組份影響。測(cè)量可能范圍，雷諾數(shù)8，0007，000000（6）精度等級(jí)液體，指示值的10；蒸汽，指示值的15（7）輸出信號(hào)A電壓脈沖低電平01V；高電平大于4V；占空比為50B電流420MA三線(xiàn)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20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、250、300大于DN300口徑為插入式（11）工作狀況下流量范圍單位M3/H，見(jiàn)表31表31工作狀況下流量范圍DNMM液體汽體蒸汽2008105408802511272601012032152012100152004023018150203005035030300304506568050420608008010130706001001300100202001201000200200012530300180150030030001504545024020004504500200909004804000900900025012012007008000120012000300180200090010000160016000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4/33/2倍，流量計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)的最大流量為46552M3/H，因此汽包送水管道直徑選用50MM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350M3/H，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)汽包給水流量信號(hào)。由于LUGB99型渦街流量計(jì)既可用于液體流量檢測(cè)也可用于蒸汽流量檢測(cè)，因此我們還可以選擇該流量計(jì)作為汽包負(fù)荷蒸汽流量的檢測(cè)傳感器。正常工作時(shí)汽包蒸汽壓力大約是05MP，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4/33/2倍，流量計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠檢測(cè)的最大流量為172192M3/H因此汽包蒸汽管道直徑選用20MM，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880M3/H，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)蒸汽流量信號(hào)。33電機(jī)的選型電機(jī)是鍋爐汽包供水的動(dòng)力設(shè)備，電機(jī)的準(zhǔn)確選型關(guān)系到汽包能否準(zhǔn)確供水進(jìn)而影響到汽包水位的穩(wěn)定我們所控制的鍋爐蒸發(fā)量為35T/H，汽包壓力05MP，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31223501/50314596WKGMSPK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(mǎn)足工作要求，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)，選用鼠籠型電機(jī)就可以滿(mǎn)足要求。濟(jì)南華力貝爾機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YJTG三相變頻調(diào)速電機(jī)專(zhuān)門(mén)為變頻調(diào)速設(shè)計(jì)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。34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。由電機(jī)的選型可以知道電機(jī)在50HZ三相交流電下工作時(shí)電機(jī)的功率大約是100KW，當(dāng)三相交流電動(dòng)機(jī)在基頻以下工作時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩輸出工作，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)小于額定功率，同時(shí)由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持不變，其工作電流同在50HZ三相交流電下工作時(shí)電流基本一致。根據(jù)以上的分析選我們可以選擇羅克韋爾公司的1336PLUSII系列1336FB150型號(hào)的變頻器。給變頻器可以輸入380V480V50/60HZ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(mǎn)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。35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。根據(jù)以上分析三相交流異步電機(jī)的最高工作電流是工作于50HZ交流電壓下，其工作電流為32105238KWAV因此根據(jù)設(shè)計(jì)的要求浙江宏立電器有限公司生產(chǎn)的HLC3X系列空調(diào)接觸器主要適用于50HZ或60HZ、在AC7B使用類(lèi)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(lèi)型接觸器同時(shí)帶動(dòng)一臺(tái)電機(jī)可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。36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)。浙江中泰熔斷器有限公司生產(chǎn)XRNT12型限流熔斷器型額定電流可以設(shè)定為200A，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。37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我們?cè)O(shè)計(jì)如下電路接觸器線(xiàn)圈220VACPLC數(shù)字量輸出圖31接觸器控制線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圈失電通過(guò)二極管續(xù)流，使接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)。浙江省杭州富陽(yáng)市奧星電子有限公司I3DD5686型功率三極管最大工作電流超過(guò)5A，完全可以滿(mǎn)足工作要求。38PLC及相關(guān)模塊的選型PLC我們選擇羅克韋爾公司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RSLOGIX5000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。該系統(tǒng)需要輸入或輸出的模擬量有給水流量信號(hào)、水位信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)、變頻器給定信號(hào)，需要輸出的數(shù)字量有接觸器通斷信號(hào)、報(bào)警信號(hào)。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(mǎn)足要求，此外由于PLC還要通過(guò)以太網(wǎng)同上位機(jī)通信，通過(guò)DEVICENET控制變頻器因此還需要兩個(gè)通信模塊1756ENET、1756DNB/A，另外還要選擇電源模塊和CPU模塊1756L1M2，選擇7槽PLC底座，此外我們還需要選擇一臺(tái)PC機(jī)作為上位機(jī)完成對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控操作功能。綜上所述我們可以得到硬件設(shè)備的清單如表32所示。表32硬件設(shè)備清單設(shè)備名稱(chēng)型號(hào)額定電壓額定電流額定功率數(shù)量三相電機(jī)YJTG380VAC61A40KW2變頻器1336FB150380VAC149KW1功率三極管I3DD56862PLCCPU模塊LOGIX5000220VAC1模擬量輸入模塊1756IF6I1數(shù)字量輸出模塊1756OB16D1以太網(wǎng)通信模塊1756ENET1DEVICENET通信模塊1756DNB/A1PC機(jī)220VAC1接觸器HLC3X380VAC5熔斷器XRNT123A3水位傳感器PTP60124DCV3流量傳感器LUGB9924DCV2據(jù)以上硬件選型我們可以繪制系統(tǒng)的硬件配置圖如圖32所示。CPU電源1756L1M21756ENET1756IF6I1756DNB/A1756OB16D上位機(jī)變頻器傳感器接觸器以太網(wǎng)交換器圖32硬件配置圖PLC的電源模塊為其他各個(gè)模塊提供電源，上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)入PLC的以太網(wǎng)模塊與之通信，并可以對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控，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。39硬件工作原理391變頻器工作原理變頻器從電網(wǎng)接收工頻50HZ的交流電，經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)制變換方法，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電輸出到交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行5。將工頻交流電變換成為可變頻的交流電輸出的變換方法主要有兩種一種稱(chēng)為直接變換方式，又稱(chēng)為交交變頻方式，它是通過(guò)可控整流和可控逆變的方式，將輸入的工頻電直接強(qiáng)制成為需要頻率的交流輸出，因而稱(chēng)其為交流交流的變頻方式。另一種稱(chēng)為間接變換方式，又稱(chēng)為交流直流交流變頻方式。三相交流電引入整流裝置通過(guò)整流器得到直流電，對(duì)直流電利用可控開(kāi)關(guān)器件控制其導(dǎo)通次序、開(kāi)關(guān)頻率、導(dǎo)通時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓的效果。常規(guī)的控制方式只能得到階梯波形的輸出電壓，高次諧波分量較多，不利于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。采用SPWM技術(shù)，按照有關(guān)算法控制逆變電路的觸發(fā)信號(hào)，即控制可控開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通角度按正弦規(guī)律變化，這樣變頻器實(shí)際輸出的電壓是一系列寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖，這種電壓波形中含有的高次諧波分量少，經(jīng)過(guò)濾波后可以等效為正弦電壓波形，這樣可以極大地提高變頻器的控制效果能夠使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。392PLC工作原理PLC（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER）中文全稱(chēng)為可編程邏輯控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。典型的PLC結(jié)構(gòu)圖可以表示為圖33所示。輸入接口輸出接口CPU電源圖33PLC結(jié)構(gòu)圖電源模塊分別為輸入接口、CPU、輸出接口提供直流電源。輸入接口將外部輸入的數(shù)字量、模擬量送入CPU，CPU根據(jù)所編程序完成相應(yīng)的運(yùn)算并由輸出接口輸出給外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制的目的。其工作過(guò)程可以分為如下三個(gè)階段（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以?huà)呙璺绞揭来蔚刈x入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映像區(qū)中相應(yīng)的單元內(nèi)。（2）用戶(hù)程序執(zhí)行階段在用戶(hù)程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶(hù)程序梯形圖。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線(xiàn)路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線(xiàn)圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線(xiàn)圈在I/O映像區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在用戶(hù)程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映像區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線(xiàn)圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線(xiàn)圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。（3）輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶(hù)程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。4硬件設(shè)計(jì)41系統(tǒng)總體線(xiàn)路設(shè)計(jì)首先我們需要三相電源為系統(tǒng)供電，由電源插頭引入，同時(shí)通過(guò)過(guò)流保護(hù)裝置以保證電流過(guò)大時(shí)能夠及時(shí)斷電，以確保安全不造成設(shè)備的損壞，正常情況下設(shè)備正常工作不會(huì)發(fā)生電流過(guò)大的現(xiàn)象，只有在出現(xiàn)故障時(shí)才有可能發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象此時(shí)才需要進(jìn)行斷電以確保安全。對(duì)于需要220V交流電壓工作的設(shè)備可以連入三相電源中的任意一相與中性線(xiàn)之間的220V交流電壓下。例如PLC就是采用220V交流電工作，因此按照上述方式連接就可以直接接入任意一相與中性線(xiàn)之間的220V交流電壓下。此外還要引入地線(xiàn)在需要接地的地方保證可靠接地確保安全。由于系統(tǒng)內(nèi)各種傳感器等設(shè)備需要直流電壓才能正常工作，因此還需要一個(gè)整流裝置將它的交流輸入側(cè)連入任意一相與中性線(xiàn)之間的220V交流電壓下并對(duì)220V交流電進(jìn)行整流穩(wěn)壓，然后輸出穩(wěn)定的直流電壓，直流輸出側(cè)可以為各個(gè)直流設(shè)備提供直流電壓保證各個(gè)設(shè)備穩(wěn)定、有效、安全的工作。由于我們選用的是交直交變頻器6因此應(yīng)當(dāng)首先應(yīng)該將380V三相交流電連入變頻器的L1、L2、L3三個(gè)端子輸入供變頻器整流，逆變后的是頻率、電壓變化的三相交流電通過(guò)接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)連入三相異步電動(dòng)機(jī)的定子側(cè)回路為其工作提供電源，并通過(guò)變頻器調(diào)頻調(diào)壓從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變汽包的送水流量對(duì)汽包水位進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)直接將由電網(wǎng)引入的三相電通過(guò)另一接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)連入三相異步電機(jī)的定子側(cè)回路，此時(shí)電機(jī)工作于工頻50HZ三相交流電下以用來(lái)在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)或其他情況下使用。但兩個(gè)接觸器不能同時(shí)閉合，否則將會(huì)發(fā)生事故。根據(jù)以上所訴我們?cè)O(shè)計(jì)總體電器線(xiàn)路如圖41所示。電源插頭ANCB過(guò)流保護(hù)地線(xiàn)QS1總電源KM1PE220V24V12V0V24V0V12V變頻器PEL1L3L2UWVKM2K1M信號(hào)輸入A1C1B1N1C2B2A2C2B3A2C3N3N4B2W1U1V1QS2QS3Q1Q2PEJ1J0J2PEDEVICENET圖41總體電氣線(xiàn)路圖根據(jù)該設(shè)計(jì)可以得到供電線(xiàn)路接線(xiàn)如表41所示。表41供電線(xiàn)路接線(xiàn)表腳號(hào)信號(hào)代號(hào)信號(hào)名稱(chēng)所連設(shè)備備注ABCNACP3三相電源電源插頭經(jīng)開(kāi)關(guān)QS1到過(guò)流保護(hù)裝置三相供電設(shè)備A1B1C1N1ACP3三相電源過(guò)流保護(hù)裝置保護(hù)設(shè)備PEGND接地線(xiàn)電機(jī)外殼傳感器接地線(xiàn)接地保護(hù)A2B2C2ACP3三相電源變頻器輸入經(jīng)開(kāi)關(guān)QS2到電機(jī)定子回路三相供電設(shè)備C3N1ACP2單相電源直流電源輸入單相供電設(shè)備B3N1ACP2單相電源接觸器線(xiàn)圈單相供電設(shè)備U1V1W1VACP3變頻器輸出經(jīng)開(kāi)關(guān)QS3到電機(jī)定子回路三相供電設(shè)備J1J0DC2024V直流電源傳感器直流供電設(shè)備Q1C1KM1控制信號(hào)功率三極管基極開(kāi)關(guān)控制設(shè)備Q2C2KM2控制信號(hào)功率三極管基極開(kāi)關(guān)控制設(shè)備42控制線(xiàn)路設(shè)計(jì)由于蒸汽流量傳感器、水位傳感器、送水流量傳感器都需要24V直流電壓供電才能正常工作，因此三者的電源端子都要連入直流電源的24V直流電壓輸出側(cè)，以為各個(gè)傳感器供電，保證其正常工作。各個(gè)傳感器的輸出引入PLC的模擬量輸入單元1756IF6I供PLC完成各種運(yùn)算從而達(dá)到控制目的。PLC通過(guò)DEVICENET網(wǎng)絡(luò)控制變頻器的輸出頻率從而達(dá)到控制給水流量的目的。PLC的數(shù)字量輸出單元1756OB16D輸出數(shù)字信號(hào)控制接觸器的通斷情況。根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)控制線(xiàn)路連線(xiàn)圖如圖42所示。液位傳感器電源輸入J0蒸汽流量傳感器電源輸入信號(hào)輸出送水流量傳感器電源輸入J0/WF0信號(hào)輸出J1J1J0/SF0J1CPU電源1756L1M21756ENNET1756IF6I1756OB16DSF1L1L0WF1PEPEPEPEA1N1SF1WF1L1SF0WF0Q2Q1L0信號(hào)輸出2502502501756DNB/A圖42控制線(xiàn)路連線(xiàn)圖根據(jù)以上設(shè)計(jì)我們可以得到傳感器線(xiàn)路接線(xiàn)表如表42所示。表42傳感器線(xiàn)路接線(xiàn)插腳代號(hào)信號(hào)代號(hào)信號(hào)名信號(hào)量程被測(cè)（控）物理量備注L1/L0LF/LF汽包水位300MM0300MM水位送PLCSF1/SF0SF/SF蒸汽流量13M3/H013M3/H蒸汽流量送PLCWF1/WF0WF/WF送水流量35M3/H013M3/H送水流量送PLC5控制算法及參數(shù)整定51PID算法簡(jiǎn)介眾所周知，要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，除了必須正確的選取、設(shè)計(jì)控制方案以外，還必須正確的選擇控制算法并進(jìn)行參數(shù)整定。在控制系統(tǒng)中，按照給定信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器8。它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象“一階慣性純滯后”與“二階慣性純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活，可以方便的改變?yōu)镻I、PD、PID等控制器。比例調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減??；比例系數(shù)偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；比例系數(shù)太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。比例系數(shù)可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以及控制對(duì)象的特性決定的。積分調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一個(gè)常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI。TI越小積分作用就越強(qiáng)。反之TI大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)。因此能產(chǎn)生超前的控制作用，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)地加大微分調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反應(yīng)的是變化率，當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)微分作用輸出為零，因此微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合組成PD或PID控制器。52三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定系統(tǒng)的參數(shù)整定可以采用理論計(jì)算法或者工程整定法。由于理論計(jì)算法要以被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性為依據(jù)，而動(dòng)態(tài)特性測(cè)取時(shí)往往具有不準(zhǔn)確性，而且容易隨工作狀態(tài)的變化而變化，因此應(yīng)當(dāng)采用工程整定的辦法。根據(jù)控制方案可以將汽包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖重畫(huà)為圖51所示。GWSGFSNWNHGPSNDHGHSHRGDSW圖51汽包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖其中ND、NW、NH分別表示蒸汽流量傳感器、給水流量傳感器、水位傳感器的反饋系數(shù)，GWS、GHS、GDS分別表示給水流量調(diào)節(jié)器、水位調(diào)節(jié)器、前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)可以分別表示為KW、KH、KD，GFS、GPS分別表示變頻器、鍋爐汽包的傳遞函數(shù)，其放大倍數(shù)可以分別表示為KF、KP、HR是水位給定信號(hào)。由硬件選型的相關(guān)數(shù)據(jù)可知當(dāng)系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，51068DNW51083N510HN，3WD由于該設(shè)計(jì)采用了串級(jí)控制方式，首先我們應(yīng)該從副回路開(kāi)始對(duì)流量調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定，然后由內(nèi)而外，再對(duì)主回路水位調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定，通過(guò)兩步整定的方法完成系統(tǒng)的參數(shù)整定。由于副回路調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速動(dòng)作以消除進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且副參數(shù)并不要求無(wú)差，所以選用P調(diào)節(jié)器就可以滿(mǎn)足要求了。根據(jù)控制要求可以設(shè)定1336PLUSII系列變頻器最高輸出頻率為50HZ，控制信號(hào)為420MA電流，頻率上升時(shí)間為05秒，電機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)變頻器輸出最高頻率50HZ，此時(shí)給水流量為35M3/H，則有副回路被控對(duì)象的增益是，選擇頻率上升時(shí)間為05秒，可以認(rèn)為副回路被控對(duì)象是一個(gè)351720時(shí)間常數(shù)為03秒的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以表示為5117503FGS采用純比例調(diào)節(jié)方式可以保證副回路的穩(wěn)定性，只要保證副回路P調(diào)節(jié)器的增益足夠大即可。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試我們最終確定副調(diào)節(jié)器的增益是20，在MATLAB命令窗口中輸入以下指令S1TF175,03,1SK20S1SFEEDBACKSK,0085STEPS,1運(yùn)行后可以得到仿真波形圖如圖52所示，從圖中我們可以看響應(yīng)延遲時(shí)間較小，閉環(huán)增益也符合要求。內(nèi)環(huán)的等效傳遞函數(shù)可以認(rèn)為是17WN。圖52副回路仿真波形圖然后我們可以對(duì)主回路再進(jìn)行參數(shù)整定，可以將副回路的等效為一個(gè)純比例環(huán)節(jié)，其增益為117。由于汽包水位需要求無(wú)靜差，因此我們采用PID調(diào)節(jié)器，根據(jù)ZIEGLERNICHOLS響應(yīng)曲線(xiàn)法9和被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)以及特征參數(shù)整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。35T/H鍋爐汽包是一個(gè)沒(méi)有自平衡能力的被控對(duì)象，其傳遞函數(shù)是5201736PGS根據(jù)ZIEGLERNICHOLS響應(yīng)曲線(xiàn)法，假設(shè)沒(méi)有自平衡能力的被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是531GS可以按照表51所示進(jìn)行參數(shù)整定，其中，而且YATUYUT表51ZIEGLERNICHOLS響應(yīng)曲線(xiàn)法參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律KIDP1/API09/A3PID12/A2/2由此可以知道對(duì)于35T/H鍋爐汽包來(lái)說(shuō)則PID調(diào)節(jié)器的參061A數(shù)分別是，1296PKAI27T82DT由于將副回路等效為一個(gè)增益為117的純比例環(huán)節(jié)實(shí)際PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)是541207KA將35T/H鍋爐汽包的傳遞函數(shù)作如下改寫(xiě)5521136PGSS對(duì)于PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也做類(lèi)似的改寫(xiě)562014070782HSSS將反饋系數(shù)001等效到前向通道內(nèi)，即可以認(rèn)為PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)擴(kuò)大100倍，在MATLAB命令窗口中輸入以下指令S1TF0017,36,1,0S2TF220,1224,017,72,0SKS1S2117100SFEEDBACKSK,001STEPS運(yùn)行后可以得到仿真波形圖如圖53所示圖53主回路仿真波形圖此時(shí)的超調(diào)量太大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)該在以上參數(shù)整定的基礎(chǔ)上再進(jìn)行調(diào)整。在MATLAB命令窗口中輸入以下指令S1TF0017,36,1,0S2TF220,1224,017,72,0SKS1S2117500SFEEDBACKSK,001STEPS運(yùn)行后可以得到仿真波形圖如圖54所示圖54主回路仿真波形圖從仿真圖中我們可以看到系統(tǒng)的超調(diào)量大約是16，調(diào)節(jié)時(shí)間大約是130秒，穩(wěn)態(tài)誤差是0，控制效果滿(mǎn)足控制要求。將前饋補(bǔ)償器的輸出信號(hào)引入內(nèi)回路，使蒸汽流量信號(hào)和給水流量信號(hào)較好的配合以消除“虛假水位現(xiàn)象”的影響。蒸汽流量信號(hào)對(duì)汽包水位影響的傳遞函數(shù)是（57）056235417188DSWSS我們可以設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為（58）23547361031201857DSGSS可以分別抵消掉ND和副回路以及被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。綜上所訴我們可以得到流量調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是5920WGS水位調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是5101150785302HGSSS前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是51130D6軟件設(shè)計(jì)根據(jù)參數(shù)整定的結(jié)果，汽包水位的穩(wěn)定可以按照這些控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在執(zhí)行控制運(yùn)算之前，可以對(duì)汽包水位的高度狀態(tài)進(jìn)行判斷，并做出相應(yīng)的處理。因此系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括邏輯判斷和PID控制算法兩部分，首先有應(yīng)該完成程序流程圖的設(shè)計(jì)，再根據(jù)流程圖完成PLC的軟件設(shè)計(jì)。61程序流程設(shè)計(jì)按照控制要求和硬件設(shè)計(jì)我們可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行的是程序流程設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上可以完成PLC的梯形圖程序設(shè)計(jì)。由于汽包水位過(guò)高過(guò)低都會(huì)對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)過(guò)高或過(guò)低水位做出超限處理。此外PLC在執(zhí)行控制算法時(shí)由于運(yùn)算復(fù)雜，需要消耗大量的系統(tǒng)時(shí)間降低了PLC運(yùn)行效率，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)采樣定理對(duì)于一個(gè)具有有限頻譜的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)采樣，采樣信號(hào)頻率必須大于或等于信號(hào)所含最高頻率的兩倍，這樣采樣所得的離散信號(hào)才能對(duì)原來(lái)的連續(xù)信號(hào)完全復(fù)原。而過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)的很多參數(shù)變化并非十分劇烈，有較大的時(shí)間延遲，按照工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)于流量參數(shù)采樣時(shí)間為12秒，對(duì)于水位參數(shù)來(lái)說(shuō)采樣時(shí)間為35秒，汽包水位控制系統(tǒng)采樣時(shí)間設(shè)定為1秒是可以滿(mǎn)足控制要求的4。為了有效的防止汽包水位超限，該設(shè)計(jì)作以下處理當(dāng)汽包水位過(guò)高即高于350MM時(shí)停止送水，以快速降低汽包水位，當(dāng)汽包水位過(guò)低即低于200MM時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷送水，即送水電動(dòng)機(jī)工作于工頻50HZ電源下，以快速提高汽包水位。此外為了提高PLC的運(yùn)行效率，在程序設(shè)計(jì)時(shí)可以設(shè)定1秒的定時(shí)時(shí)間，當(dāng)定時(shí)滿(mǎn)1秒時(shí)執(zhí)行PID控制算法，未滿(mǎn)1秒時(shí)PLC處理程序的其他部分以及完成PLC自身的各種功能。根據(jù)以上分析我們可以設(shè)計(jì)PLC的程序流程圖如圖61所示水位超過(guò)350MM水位低于200MM執(zhí)行PID控制算法停止送水滿(mǎn)負(fù)荷送水是否是否開(kāi)始延時(shí)滿(mǎn)1秒否是結(jié)束結(jié)束是否61程序流程圖62DEVICENET網(wǎng)絡(luò)組態(tài)由于該設(shè)計(jì)選用DEVICENET實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器之間的連接因此需要進(jìn)行DEVICENET網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器之間的網(wǎng)絡(luò)通信，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。首先運(yùn)行RSLINX軟件選擇COMMUNICATION菜單，在其下拉選項(xiàng)中選擇CONFIGUEDRIVERS，然后進(jìn)行通信配置，該設(shè)計(jì)中選擇ETHERNETDEVICES通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行PLC與上位機(jī)之間的通信，如圖62所示，然后選擇添加驅(qū)動(dòng)程序配置IP地址就可以完成通信配置。圖62通信配置在RSNETWORXFORDEVICENET軟件環(huán)境下，選擇“FILENEW”新建一個(gè)文件，然后點(diǎn)擊“NETWORKONLINE”，在彈出網(wǎng)絡(luò)掃描對(duì)話(huà)框中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)掃描路徑設(shè)置。在項(xiàng)目樹(shù)中展開(kāi)找到DEVICENET通信模塊1756_DNB，并選中它下面的DEVICENET網(wǎng)絡(luò)對(duì)DEVICENET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描如圖63所示。圖63DEVICENET網(wǎng)絡(luò)掃描網(wǎng)絡(luò)掃描結(jié)束后，在圖形視圖中可以看到網(wǎng)絡(luò)上所有被識(shí)別的設(shè)備。按照之前所設(shè)計(jì)的配置在該設(shè)計(jì)中將會(huì)掃描到1756_DNB和1336PLUSII變頻器，如圖64所示。圖64DEVICENET掃描結(jié)果雙機(jī)該掃描器圖標(biāo)，將會(huì)出現(xiàn)1756_DNB掃描器的屬性對(duì)話(huà)框，在這個(gè)對(duì)話(huà)框里點(diǎn)擊各個(gè)不同的選項(xiàng)卡將會(huì)出現(xiàn)該模塊的名稱(chēng)、節(jié)點(diǎn)地址、生產(chǎn)廠家、版本號(hào)等信息。根據(jù)硬件配置在模塊對(duì)話(huà)框（MODULE）里設(shè)置模塊的槽號(hào)SLOT為4，然后點(diǎn)擊“應(yīng)用”和“確定”完成該模塊的槽號(hào)和節(jié)點(diǎn)配置。點(diǎn)擊掃描表（SCANLIST）將會(huì)彈出SCANNERCONFIGURATIONAPPLET窗口詢(xún)問(wèn)是否上載設(shè)備信息，點(diǎn)擊上載（UPLOAD）按鈕將會(huì)上載設(shè)備信息。上載完成后掃描器列表（SCANLIST）對(duì)話(huà)框左側(cè)將會(huì)出現(xiàn)所有的有效設(shè)備，這些設(shè)備將按照在DEVICENET網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)號(hào)順序排列，點(diǎn)擊方向按鈕后選擇1336PLUSII變頻器設(shè)備可以將設(shè)備的I/O數(shù)據(jù)自動(dòng)的配置到掃描器的I/O數(shù)據(jù)表當(dāng)中。在S