第7章--自动控制系统实例

第7章自动控制系统实例交通灯的PLC控制分体单冷空调自动控制系统锅炉设备的控制恒压供水控制系统7.1交通灯的PLC控制这是一个完全时序控制系统，根据被控对象的需求，分析得出其动作时序如下：东西方向南北方向绿125s绿1闪5次5s5s红135s红235s绿225s黄1绿2闪5次5s黄25s图7-1交通灯的动作时序根据需求特点，选择可编程序控制器（PLC）来对这些信号灯进行控制。考虑性价比，这里选择最常用的西门子S7-200型PLC作为控制器（例如可选用CPU224）。由于该系统完全是一个按照时序来进行控制的，故可以采用定时器指令编程控制。为了实现其工作时序，设置10个定时器控制交通信号灯，定时器T41~T46的工作时序如图7-3所示。绿灯1的闪烁使用定时器T47、T48控制；绿灯2的闪烁使用定时器T49、T50控制T41T42T43T44T46T47图7-2定时器的工作时序T41100msINPTTON250()I0.1I0.2M0.1M0.1M0.1T46T42100msINPTTON50T41T43100msINPTTON50T42T44100msINPTTON250T43T45100msINPTTON50T45T46100msINPTTON50T45()M0.1T41Q0.1T41T42T47()T42T42Q0.2()T43Q0.3()T43T44Q0.4T44T45T49()T45T46Q0.5()M0.1T43Q0.6图7-3PLC的梯形图程序7.2分体单冷空调自动控制系统分体单冷空调的结构和工作原理图7-4分体单冷型空调制冷系统室内热交换器（蒸发器）室外热交换器（冷凝器）截止阀2截止阀1调节器过滤器毛细管压缩机分体单冷空调自动控制系统结构图图7-5分体单冷空调自动控制系统温度设定单元运算单元气温设定值信号放大单元制冷系统气温当前值温度传感器温度变送器分体单冷空调自动控制系统各部分功能系统中温度设定单元的作用是把设定的温度值转换成标准信号；温度传感器把当前的温度信号变成对应的电信号；温度变送器则把来自温度传感器的信号变成标准信号；这两个标准信号比较后的系统偏差输入到了运算单元，运算单元则根据调节规律（例如PID）对偏差进行运算并得到调节信号；信号放大单元接收运算单元输出的调节信号并进行放大；经过放大的信号再去启动或停止制冷系统；这样就可以起到调节室内气温的作用。需要注意的是：气温设定值往往是一个温度点，但实际的制冷系统又不宜过于频繁的启停。为了解决这个问题，空调的控制器的运算单元里通常设定了一个允许误差带（允许误差范围），当前温度大于允许误差带的上限时，运算单元才启动制冷系统；当前温度小于允许误差带的下限时，运算单元才停止制冷系统；而当前温度位于允许误差带内时，控制器将保持当前的输出（启动或停止），不进行制冷系统的启停切换。例如，设定温度为26℃，允许误差带为26±2℃时；如果当前温度高于28℃，则系统开始制冷；当前温度小于24℃时，系统停止制冷；而当前温度在24℃-28℃范围内，即位于允许误差带内时，控制器的输出是保持不变的。7.3锅炉设备的控制锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水位是被控变量，操作变量是锅炉给水流量。为保证锅炉、汽轮机高质量地安全运行，首先要保证汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内，这就是锅炉正常运行的重要指标。根据蒸汽流量和水流量的变化控制给水阀，形成水位、蒸汽流量和给水流量的三冲量控制系统，而且这三个冲量有不同的连接方式，图7-6为其中的一种，它实质上是前馈—串级控制系统，能获得良好的控制效果。给水FCLCICIFIOII=F(IOˊ,IF,IO)蒸汽图7-6三冲量控制系统蒸汽过热系统的控制控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。影响过热器出口温度的主要扰动有：蒸汽流量扰动、烟气侧传热量的扰动和喷水量的扰动。某厂第二级减温器温度控制系统采用图7-7所示的简图。该系统由于采用如下措施，提高了系统的控制性能。T1CT2C第一过热器第二过热器减温器减温水图7-7过热器温度串级控制系统1﹚设定值回路。在低负荷运行时，主蒸汽温度达不到额定温度，因而需要建立蒸汽温度设定值与蒸汽流量之间的函数关系。经蒸汽流量校正后的设定值与手动上限设定值一起组成设定值回路，向温度控制器提供设定值。2﹚先行信号回路。采用了反映外扰的先行信号，它建立在蒸汽流量与喷水控制阀门开度的函数关系的基础上，经过蒸汽流量和各种燃料混烧比等外扰修正后得到的喷水阀门开度信号，直接控制喷水阀的动作，起到前馈的作用，提高了系统克服扰动的能力；3﹚主蒸汽温度的相位补偿回路。在喷水量的扰动下，蒸汽温度的响应有较大的相位滞后，因此在前向通道中加入一个相位补偿回路，如图7-8中的虚框所示。它实际上是由两个控制器、两个加法器组成的二阶导前-滞后环节。只要根据蒸汽温度对象的动态特性适当选择这些参数，就可以对主蒸汽温度与其设计的偏差进行相位滞后补偿，改善控制品质。图7-8蒸汽温度控制系统实例简图设定值回路先行信号回路相位补偿TΔPIDΣd/dtΔ锅炉燃烧过程的控制锅炉燃烧过程的控制与燃料的种类、燃烧设备以及锅炉的形式等有密切的关系。1．锅炉燃烧过程的主要控制系统锅炉燃烧过程主要包括以下三个方面的控制系统：燃烧量控制；送风控制；负压控制。2.燃烧过程控制的基本要求1﹚保证出口蒸汽压力稳定，能按负荷要求自动增减燃料量。2﹚保持锅炉有一定的负压，以免负压大小，造成炉膛内热气向外冒出，影响设备和工作人员安全。3﹚保证燃烧状况良好既要防止空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失。3.燃烧过程控制系统示例图7-9给出了燃烧控制系统的基本方案。PfCO2CF2CF1CP1C蒸汽烟气图7-9燃烧控制系统基本方案图7-10给出了锅炉负压控制与防止锅炉的回火、脱火控制系统。引用蒸汽压力作为前馈信号，组成炉膛负压的前馈—反馈控制系统。背压控制器P2C与蒸汽压力控制器PfC构成选择性控制系统，用于防治脱火。由PSA系统带动连锁装置，防止回火。ΣKPfCP1CP2CPSALS图7-10炉膛负压与安全保护系统在锅炉烯烧系统中，烯料量和空气量需要满足一定的比值关系。为了使烯料完全燃烧，在提高负荷时，要求先提空气量，后提燃料量；在降负荷时，要求先降燃料量，后降空气量。为此可采用选择性控制系统，设置低选器和高选器，保证燃料量只在空气量足够的情况下才能加大，在减燃料量时，自动减少空气量。从而，提量过程中，先提空气量，后提燃料量。反之，在系统降量过程中，则先降燃料量，后降空气量，从而实现了空气和燃料量之间的逻辑要求，保证了充分燃料，不会因空气不足而使烟囱冒黑烟，也不会因空气多而增加热量损失。为了保证经济燃烧，可用烟道气中氧含量来校正燃料流量与空气量的比值，组成变比值控制系统。图7-13就是使锅炉燃烧完全，并用烟气氧含量修正比值的闭环控制方案。该方案中，氧含量A0作为被控变量，构成以烟道气中含量为控制目标的燃料流量与控制硫量的变比值控制系统，通过氧含量控制器来控制空燃比的系数K。要使氧含量成分控制器的给定值按正常负荷下烟气氧含量的最优值设定，就能保证锅炉燃烧最完全，最经济和热效率最高。图7-11烟气含氧量闭环控制系统LSHSACPCF1CF2CIPI1I2燃料量蒸汽压力空气量含氧量最优值7.4恒压供水控制系统图7-12中，由A、B两个水厂分别向某区域供水，其中A水厂向该地区用户提供固定的基本供水量。当用水量超过基本值时，就由B水厂将B水源的水注入供水母管。为使在用水负荷变化较大时母管中水压恒定，B水厂装有三台75kw电动机驱动的水泵。其中1号泵驱动电动机由变频器供电，对母管的水压进行恒压调节。水源BA水厂水源A1号泵3号泵2号泵B水厂母管地区用户图7-12某区域供水系统示意图图7-13水泵切换及水压调节流程采母管水压值PID运算变频器调频频率0Hz?3号泵运行否？停3号泵2号泵运行否？停3号泵频率为50Hz?2号泵运行否？启动3号泵启动2号泵N启动3号泵NNYYNYY图7-14控制装置结构图触摸屏继电接触器变频器MMM传感器以及水泵、阀门等被控对象水压反馈扩充模块PLC结束