畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-基于plc的鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，汽包水位過高或者過低的后果都非常嚴(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。</p><p>　　本文從分析影響汽包水位的各種因素出發(fā)，

2、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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：汽包水位 三沖量控制 PLC PID控制</p><p>&l

3、t;b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence

4、; therefore it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC has al

5、ready become the essential important equipment in automatic control domain.</p><p>　　Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is an

6、alyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs

7、 of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the applicat</p><p>　　Key words: Steam drum water level Thr

8、ee impulses control PLC PID control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒 論1</b></p><p>　　1.1汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2本設(shè)計(jì)的主要工作2</p>

9、<p><b>　　2控制方案設(shè)計(jì)4</b></p><p>　　2.1汽包水位的影響因素4</p><p>　　2.2汽包水位的控制方案設(shè)計(jì)7</p><p><b>　　3硬件選型13</b></p><p>　　3.1水位傳感器選型13</p><p

10、>　　3.2流量傳感器的選型14</p><p>　　3.3電機(jī)的選型16</p><p>　　3.4變頻器的選型17</p><p>　　3.5接觸器的選型17</p><p>　　3.6熔斷器的選型18</p><p>　　3.7功率三極管的選型18</p><p>　　3

11、.8 PLC及相關(guān)模塊的選型19</p><p>　　3.9硬件工作原理22</p><p><b>　　4硬件設(shè)計(jì)25</b></p><p>　　4.1系統(tǒng)總體線路設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.2 控制線路設(shè)計(jì)28</p><p>　　5控制算法及參數(shù)整定30</p>

12、;<p>　　5.1 PID算法簡(jiǎn)介30</p><p>　　5.2 三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定31</p><p><b>　　6軟件設(shè)計(jì)39</b></p><p>　　6.1 程序流程設(shè)計(jì)39</p><p>　　6.2 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)41</p><p>　

13、　6.3 RSLogix5000程序設(shè)計(jì)44</p><p>　　7監(jiān)控界面設(shè)計(jì)50</p><p><b>　　8結(jié)束語(yǔ)53</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)55</b></p><p><b>　　致 謝56</b></p><p&

14、gt;<b>　　附 錄57</b></p><p><b>　　1緒 論</b></p><p>　　1.1汽包水位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　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)

15、計(jì)的控制系統(tǒng)必須滿足各主要工藝參數(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。</p><p>　　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

16、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。</p><p>　　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

17、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)性價(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。</p><p>　　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

18、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)流水線控制及過程控制都可以采用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

19、作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。</p><p>　　采用PLC控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐運(yùn)行過程的自動(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)。</p><p&

20、gt;　　1.2本設(shè)計(jì)的主要工作</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的主要工作有：</p><p>　　設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制方案</p><p>　　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。<

21、;/p><p>　　硬件設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)</p><p>　　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)。</p><p><b>　　控制算法的參數(shù)整定</b></p&

22、gt;<p>　　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)。</p><p>　　（4）PLC程序和監(jiān)控界面設(shè)計(jì)</p><p>　　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

23、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，并可以通過監(jiān)控界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。</p><p><b>　　2控制方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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。汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，如果水位過高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常

24、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高過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。</p>&l

25、t;p>　　2.1汽包水位的影響因素</p><p>　　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 2.1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)閥門開度來(lái)控制的。</p><p>　　圖 2.1鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象</p><p>　　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

26、]。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。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。</p><p>　　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。</p><p>　?。?）給水?dāng)_動(dòng)

27、的影響</p><p>　　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)曲線應(yīng)該為圖2.2所示的曲線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2.2所示的曲線H2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線應(yīng)是曲線H1和 H2之和，如圖2.2所示的曲線H所示。從圖中

28、可以看出該響應(yīng)過程有一段延遲時(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：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　式2.1中表示汽包水位的飛升速度，表示延遲時(shí)間。</p><p>　　圖2.2給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線</p><p>　?。?

29、）汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)的影響</p><p>　　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2.3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2.3所示曲線H2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線應(yīng)該是曲線H1和 H2之和，

30、如圖2.3所示曲線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”?？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：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　式2.2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)

31、象”的延遲時(shí)間。</p><p>　　圖2.3汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)響應(yīng)曲線</p><p>　?。?）燃料量擾動(dòng)的影響</p><p>　　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

32、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。</p><p>　　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。</p><p>　　2.2汽包水位的控制方案設(shè)計(jì)</p><p>　　從反饋的思想出發(fā)很容易想到以汽包水位信

33、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2.4所示，這是一個(gè)基本的控制方案其方框圖如圖2.5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

34、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。</p><p>　　圖2.4汽包水位單沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.5汽包水位單沖量控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　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

35、不變。因此可以采用圖2.6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2.7所示。</p><p>　　圖2.6蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.7蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　采用該

36、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)。</p><p>　　如果把以上所述兩種方

37、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2.8所示，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.9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)際情況通過參數(shù)

38、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。</p><p>　　圖2.8汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.9汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　此外考慮到給水流量的變化可以通過串級(jí)控制的方法讓給水量的擾動(dòng)通過內(nèi)回路自行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)如圖2.10所示的三沖量控

39、制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.11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

40、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。</p><p>　　圖2.10汽包水位三沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.11汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　3硬件選型</b></p><p>　　3.1水位傳感器選型<

41、/p><p>　　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300±10 mm，根據(jù)過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。因此所選傳感器的最大量程為:400～450 mm。而且汽包水位應(yīng)該控制在300±

42、;10 mm，因此所選水位傳感器的精度應(yīng)該高于10/450=2.2%FS，因此選擇該測(cè)量精度才可以滿足要求。</p><p>　　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：100～500mm，測(cè)量精度在1%FS的型號(hào)可以滿足控制要求。該型號(hào)的傳感器主要技術(shù)參數(shù)如下：</p

43、><p>　　量程： 100～500mm(水位高/深度)</p><p>　　綜合精度: 1.0%FS 輸出信號(hào): 4～20ma(二線制)、0～5V、1～5V、0～10V(三線制) 供電電壓: 24DCV(9～36DCV) 負(fù)載電阻: 電流輸出型：最大800Ω；電壓輸出型：大于50KΩ 絕緣電阻: 大于2000MΩ (100VDC )</p><p>　

44、　密封等級(jí): IP68 長(zhǎng)期穩(wěn)定性能: 0.1%FS/年 振動(dòng)影響: 在機(jī)械振動(dòng)頻率20Hz～1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS 電氣接口(信號(hào)接口): 緊線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</p><p>　　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1～5V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。</p><p>

45、;　　3.2流量傳感器的選型</p><p>　　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：35 m3/h 。上海正博自動(dòng)化儀表

46、有限公司生產(chǎn)的LUGB-99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。</p><p>　　該流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)如下：</p><p>　?。?）測(cè)量介質(zhì)：蒸汽、汽體、液體</p><p>　?。?）傳感器的感應(yīng)元件不直接

47、與被測(cè)介質(zhì)接觸，性能穩(wěn)定、可靠性高</p><p>　?。?）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)</p><p>　　（4）范圍度寬達(dá)10：1～15：1</p><p>　?。?）測(cè)量范圍：正常工作范圍，雷諾數(shù)為20，000～7，000，000；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)8，000～7，000000

48、</p><p>　?。?）精度等級(jí)：液體，指示值的±1.0%；蒸汽，指示值的±1.5%（7）輸出信號(hào)：a.電壓脈沖　　低電平：0-1V；高電平：大于4V；占空比為 50%</p><p>　　b.電流: 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)20、25、32、40、50、

49、65、80、125、150、200、 </p><p>　　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)，見表3.1</p><p>　　表3.1工作狀況下流量范圍</p><p>　　根據(jù)過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：46.5～52 m3/h，

50、因此汽包送水管道直徑選用50 mm并用LUGB-99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)。</p><p>　　由于LUGB-99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0.5MP，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大約是2700Kg/ m3，根據(jù)過程控制

51、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：17.2～19.2 m3/h因此汽包蒸汽管道直徑選用20 mm，并用LUGB-99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)。</p><p><b>　　3.3電機(jī)的選型</b></p><p>　　電機(jī)是鍋爐汽包供水的動(dòng)

52、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0.5MP，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：</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　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)

53、，選用鼠籠型電機(jī)就可以滿足要求。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)專門為變頻調(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。 </p><p><b>　　3.4變頻器的選型</b></p><p>　　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

54、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。</p><p>　　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1336F-B150型號(hào)的變頻器。給變頻器可以輸入380V-480

55、V 50/60Hz三相交流電，輸出380-480V三相交流電并通過控制信號(hào)控制其輸出頻率，其容量是149Kw，可以滿足設(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。</p><p><b>　　3.5接觸器的選型</b></p><p&

56、gt;　　接觸器是系統(tǒng)中用到的重要開關(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： </p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　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HLC-3X系列空調(diào)接觸器主要適用于50Hz或60Hz、在AC-7b

57、使用類別額定工作電壓為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，選擇五套該類型接觸器同時(shí)帶動(dòng)一臺(tái)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　3.6熔斷器的選型</b></p><p>　　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

58、設(shè)定工作電流為200A時(shí)進(jìn)行過流保護(hù)。浙江中泰熔斷器有限公司生產(chǎn)XRNT-12型限流熔斷器型額定電流可以設(shè)定為200A，可以滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　3.7功率三極管的選型</p><p>　　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：</p><p>　　圖3.1接觸器控制線路</p><p>　　當(dāng)PLC數(shù)

59、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二極管續(xù)流，使接觸器觸點(diǎn)斷開。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5A，完全可以滿足工作要求。</p><p>　　3.8 PLC及相關(guān)模塊的選型</p><p>　　PLC我們選擇羅克韋爾公司Logi

60、x5000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。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1756-IF6I、一個(gè)數(shù)字量輸出模塊1756-OB16D就可以滿足要

61、求，此外由于PLC還要通過以太網(wǎng)同上位機(jī)通信，通過DeviceNet控制變頻器因此還需要兩個(gè)通信模塊1756-ENET、1756-DNB/A，另外還要選擇電源模塊和CPU模塊1756-L1M2，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。</p><p>　　綜上所述我們可以得到硬件設(shè)備的清單如表3.2所示。</p><p>　　表3.2硬件設(shè)備清單

62、</p><p>　　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3.2所示。</p><p><b>　　圖3.2硬件配置圖</b></p><p>　　PLC的電源模塊為其他各個(gè)模塊提供電源，上位機(jī)通過以太網(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)

63、信號(hào)傳入PLC，DeviceNet模塊通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)控制變頻器，數(shù)字量輸出模塊主要控制開關(guān)設(shè)備的通斷。</p><p><b>　　3.9硬件工作原理</b></p><p>　　3.9.1變頻器工作原理</p><p>　　變頻器從電網(wǎng)接收工頻50Hz的交流電，經(jīng)過恰當(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

64、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：一種稱為直接變換方式，又稱為交—交變頻方式，它是通過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，因而稱其為交流—交流的變頻方式。另一種稱為間接變換方式，又稱為交流-直流-交流變頻方式。三相交流電引入整流裝置通過整流器得到直流電，對(duì)直流電利用可控開關(guān)器件控制其導(dǎo)通次序、開關(guān)頻率、導(dǎo)通時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)調(diào)

65、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。</p><p>　　3.9.2 PL

66、C工作原理</p><p>　　PLC （Programmable Logic Controller）中文全稱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)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(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)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。典型的PLC結(jié)構(gòu)圖可以表示為圖3.3所示。</p>

67、<p>　　圖3.3 PLC結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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。其工作過程可以分為如下三個(gè)階段：</p><p><b>　　（1）輸入采樣階段</b></p><p&g

68、t;　　在輸入采樣階段， PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(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)。</p><p>　　（2）用戶程序執(zhí)行階段</p><p>　　在用戶程序執(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)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后

69、根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(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。在用戶程序執(zhí)行過程中，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

70、新的邏輯線圈的狀態(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。</p><p><b>　?。?）輸出刷新階段</b></p><p>　　當(dāng)掃描用戶程序結(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。</p><p&g

71、t;<b>　　4硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1系統(tǒng)總體線路設(shè)計(jì)</p><p>　　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)通過過流保護(hù)裝置以保證電流過大時(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)生電流過大的現(xiàn)象，只有在出現(xiàn)故障時(shí)才有可能發(fā)生過流現(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)

72、備可以連入三相電源中的任意一相與中性線之間的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之間的220V交流電壓下。此外還要引入地線在需要接地的地方保證可靠接地確保安全。</p><p>　　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之間的220V交流電壓下并對(duì)220V交流電進(jìn)行整流穩(wěn)

73、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。</p><p>　　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接觸器的常開觸點(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

74、對(duì)汽包水位進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)直接將由電網(wǎng)引入的三相電通過另一接觸器的常開觸點(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。</p><p>　　根據(jù)以上所訴我們?cè)O(shè)計(jì)總體電器線路如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1總體電氣線路圖</p><p>　　根據(jù)該設(shè)計(jì)可

75、以得到供電線路接線如表4.1所示。</p><p>　　表4.1供電線路接線表</p><p>　　4.2 控制線路設(shè)計(jì)</p><p>　　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175

76、6-IF6I供PLC完成各種運(yùn)算從而達(dá)到控制目的。PLC通過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1756-OB16D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)控制線路連線圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2控制線路連線圖</p><p>　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)我們可以得到傳感器線路接線表如表4.2所示。</p>

77、;<p>　　表4.2傳感器線路接線</p><p>　　5控制算法及參數(shù)整定</p><p>　　5.1 PID算法簡(jiǎn)介</p><p>　　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。</p><p>　　在控制系統(tǒng)中，按照給定信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏

78、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。&

79、lt;/p><p>　　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)誤差減小；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。</p><p>　　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)

80、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。</p><p>　　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)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(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

81、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。</p><p>　　5.2 三沖量控制系統(tǒng)參數(shù)整定</p><p>　　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)

82、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)</p><p>　　控制方案可以將汽包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖重畫為圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1汽包水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　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)，Gw(S)、

83、Gh(S)、Gd(S)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 ，Gf(S)、 Gp(S) 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)：</p><p><b>　　， ， </b></p><p>　　，

84、 ， </p><p>　　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，通過兩步整定的方法完成系統(tǒng)的參數(shù)整定。 </p><p>　　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)器就可以滿足要求了。根據(jù)控制要求可以設(shè)定1336PlusII系

85、列變頻器最高輸出頻率為50Hz，控制信號(hào)為4-20ma電流，頻率上升時(shí)間為0.5秒，電機(jī)滿負(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35 m3/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0.5秒，可以認(rèn)為副回路被控對(duì)象是一個(gè)時(shí)間常數(shù)為0.3秒的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以表示為：</p><p><b>　　(5.1)</b></p><p>　　

86、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：</p><p>　　s1=tf(1.75,[0.3,1]);</p><p><b>　　sk=20*s1;</b></p><p>　　s=feedback(sk,0.085)

87、;</p><p>　　step(s,1);</p><p>　　運(yùn)行后可以得到仿真波形圖如圖5.2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 。</p><p>　　圖5.2副回路仿真波形圖</p><p>　　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11

88、.7。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)Ziegler-Nichols響應(yīng)曲線法[9]和被控對(duì)象的開環(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)。</p><p>　　35t/h鍋爐汽包是一個(gè)沒有自平衡能力的被控對(duì)象，其傳遞函數(shù)是：</p><p><b>　　(5.2)</b></p><p>　　根據(jù)Ziegler-N

89、ichols響應(yīng)曲線法，假設(shè)沒有自平衡能力的被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是：</p><p><b>　　(5.3)</b></p><p>　　可以按照表5.1所示進(jìn)行參數(shù)整定，其中，而且</p><p>　　表5.1Ziegler-Nichols響應(yīng)曲線法參數(shù)</p><p>　　由此可以知道對(duì)于35t/h鍋爐汽包來(lái)說(shuō): 則P

90、ID調(diào)節(jié)器的參數(shù)分別是： </p><p><b>　　，， </b></p><p>　　由于將副回路等效為一個(gè)增益為11.7的純比例環(huán)節(jié)實(shí)際PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)是：</p><p><b>　　(5.4)</b></p><p>　　將35t/h鍋爐汽包的傳遞函數(shù)作如下改寫： &

91、lt;/p><p><b>　　(5.5)</b></p><p>　　對(duì)于PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也做類似的改寫：</p><p><b>　　(5.6)</b></p><p>　　將反饋系數(shù)0.01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：

92、</p><p>　　s1=tf(0.017,[36,1,0]);</p><p>　　s2=tf([220,12.24,0.17],[72,0]);</p><p>　　sk=s1*s2*11.7*100;</p><p>　　s=feedback(sk,0.01);</p><p><b>　　step(

93、s);</b></p><p>　　運(yùn)行后可以得到仿真波形圖如圖5.3所示:</p><p>　　圖5.3主回路仿真波形圖</p><p>　　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：</p><p>　　s1=tf(0.017,[36,1,0]);<

94、;/p><p>　　s2=tf([220,12.24,0.17],[72,0]);</p><p>　　sk=s1*s2*11.7*500;</p><p>　　s=feedback(sk,0.01);</p><p><b>　　step(s);</b></p><p>　　運(yùn)行后可以得到仿真波形圖

95、如圖5.4所示： </p><p>　　圖5.4主回路仿真波形圖</p><p>　　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，控制效果滿足控制要求。</p><p>　　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：</

96、p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　我們可以設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　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)。</p><p>　　綜上所訴我們可以得到流量調(diào)節(jié)器的傳遞

97、函數(shù)是：</p><p><b>　　(5.9)</b></p><p>　　水位調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：</p><p><b>　　(5.10)</b></p><p>　　前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：</p><p><b>　　(5.11)</b><

98、;/p><p><b>　　6軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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)。</p><p><

99、;b>　　6.1程序流程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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)。</p><p>　　由于汽包水位過高過低都會(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)過高或過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

100、，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1～2秒，對(duì)于水位參數(shù)來(lái)說(shuō)采樣時(shí)間為3～5秒，汽包水位控制系統(tǒng)采樣時(shí)間設(shè)定為1秒是可以滿足控制要求的[4] 。</p><p>　　為了有

101、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)汽包水位過低即低于200mm時(shí)滿負(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1秒時(shí)執(zhí)行PID控制算法，未滿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。</p><p>　　根據(jù)以上分析我們可以設(shè)計(jì)P

102、LC的程序流程圖如圖6.1所示：</p><p><b>　　6.1程序流程圖</b></p><p>　　6.2 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)</p><p>　　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，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。</p>

103、<p>　　首先運(yùn)行RSLinx軟件選擇Communication菜單，在其下拉選項(xiàng)中選擇Configue Drivers，然后進(jìn)行通信配置，該設(shè)計(jì)中選擇Ethernet Devices通過以太網(wǎng)進(jìn)行PLC與上位機(jī)之間的通信，如圖6.2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。</p><p><b>　　圖6.2通信配置</b></p><p&

104、gt;　　在RSNetWorx for DeviceNet軟件環(huán)境下，選擇“File→New”新建一個(gè)文件，然后點(diǎn)擊“Network →Online”，在彈出網(wǎng)絡(luò)掃描對(duì)話框中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)掃描路徑設(shè)置。在項(xiàng)目樹中展開找到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6.3所示。</p><p>　　圖6.3 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)掃描</p&g

105、t;<p>　　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6.4所示。</p><p>　　圖6.4 DeviceNet掃描結(jié)果</p><p>　　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)話框，在這個(gè)對(duì)話框里點(diǎn)擊各個(gè)不同的選項(xiàng)卡將會(huì)出現(xiàn)該模塊的名稱、節(jié)

106、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。</p><p>　　點(diǎn)擊掃描表（Scanlist）將會(huì)彈出Scanner Configuration Applet窗口詢問是否上載設(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)話框左側(cè)將會(huì)出現(xiàn)所有的有效

107、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Scanlist列表中將會(huì)出現(xiàn)1336PlusII變頻器的數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊Inut按鈕將會(huì)出現(xiàn)如圖6.5所示窗口，明1336PlusII變頻器已經(jīng)分配到掃描器當(dāng)中。</p><p>　　圖6.5掃描器數(shù)據(jù)配置</p><p>

108、;　　配置完I/O數(shù)據(jù)后可以保存dnt文件。在RSLogix5000環(huán)境下進(jìn)行通訊模塊配置時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)PLC通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)對(duì)變頻器的控制。</p><p>　　6.3 RSLogix5000程序設(shè)計(jì)</p><p>　　RSLogix5000是為L(zhǎng)ogix5000系列PLC開發(fā)的組態(tài)軟件[10]。在這個(gè)軟件的環(huán)境下可以根據(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

109、煩和錯(cuò)誤；而且可以照實(shí)際情況完成控制器組態(tài)、I/O組態(tài)、通訊組態(tài)等；從而方便的完成Logix5000系列PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　6.3.1控制器組態(tài)</p><p>　　進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)首先進(jìn)行的是控制器組態(tài)，新建一個(gè)項(xiàng)目選擇logix5550系列控制器，設(shè)置CPU槽號(hào)為0。在I/O配置選項(xiàng)下單擊右鍵選擇New Type，從所列出的所有模塊中選擇1756-L1M2，確定后

110、出現(xiàn)如圖6.6所示畫面，為該模塊設(shè)置名稱及槽號(hào)即可。</p><p>　　圖6.6控制器組態(tài)配置</p><p>　　6.3.2 I/O模塊組態(tài)</p><p>　　我們根據(jù)實(shí)際情況配置模擬量輸入信號(hào)的范圍是1~5V電壓，模擬量輸出4~20ma電流作為變頻器的頻率給定對(duì)應(yīng)0~50Hz頻率。采用與控制器組態(tài)類似的辦法，選擇模擬量輸入輸出模塊以及數(shù)字量輸出模塊完成組態(tài)。