锅炉液位控制系统

基于组态软件的锅炉液位控制系统概述本次实习，我们做了一个小型的锅炉液位控制系统，用实验室的设备模拟工业现场的锅炉控制系统。在做实验之前，先分析系统组成，各模块的功能，对系统的工艺有一定的认识，知道了系统的原理后在水槽中加满水，上电之前要对电气设备做好电气检查和机械检查，确保操作的安全。开动电机之前将没用的阀门关闭，打开图中需要的阀门。其工作过程为电动机将水槽中的水经V39抽到高处水塔的小水塔中，待小水塔中的水满后会自动溢出到大的水塔中，确保了高处的水塔中水的压力恒定。大水塔中的水会由溢水管流入水槽中，高处的水塔的压力由LT—1即：DBYG压力变送器测得。水经V33后由主路的QS智能型电动调节阀或经旁路的电磁阀、V30流过，再通过FE—1即电磁流量传感器后又经V51进入锅炉中，在锅炉底部有LT—2即DBYG压力变送器测的锅炉底部的压力。加热的水在经V21、FE—2（LDG—电磁流量传感器）、V35、V25后进入水槽中。图形如下所示：概述图1锅炉介绍1.1锅炉简介锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉承受高温高压，安全问题十分重要。因此，对锅炉的材料选用、设计计算、制造和检验等都制订有严格的法规。1．2锅炉的规格锅炉规格表示锅炉生产蒸汽或加热水的能力及水平。蒸汽锅炉的规格以单位时间内产生蒸汽的数量及蒸汽参数表示，热水锅炉的规格以单位时间内水的吸热量及热水参数表示。蒸汽锅炉每小时所产生蒸汽的数量称为锅炉的蒸发量，也称锅炉的容量或出力，通常以符号“D”表示，单位为t／h（吨／时）。锅炉铭牌上的蒸发量通常为额定蒸发量，即锅炉在规定的蒸汽参数和给水温度下，连续运行时所必须保证的最大蒸发量。热水锅炉的容量是单位时间内水在锅炉里的吸热量，单位为MW（兆瓦），其额定值称额定热功率或额定供热量。锅炉产汽及介质吸热的多少与锅炉受热面的多少直接相关。受热面是锅炉中隔开烟气与水汽、并把热量由前者传给后者的金属壁面，通常为管子或圆筒壁面。蒸汽锅炉的蒸汽参数以锅炉主汽阀出口处蒸汽的压力（表压）和温度表示。热水锅炉的介质参数以额定出水压力（表压）及额定出水／进水温度表示。压力和温度分别以符号“p”、“t”表示。1．3锅炉分类可以从不同角度出发对锅炉进行分类：1.按结构形式可分为锅壳锅炉（火管锅炉）、水管锅炉和水火管锅炉。2.按用途不同可分为电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉等。3.按容量大小可分为大型锅炉、中型锅炉和小型锅炉。习惯上，蒸发量大于100t／h的锅炉为大型锅炉，蒸发量20～100t／h的锅炉为中型锅炉，蒸发量小于20t／h的锅炉为小型锅炉。4.按蒸汽压力大小可分为低压锅炉（p≤2.5MPa）、中压锅炉（2.5MP＜p≤5.9MPa）、高压锅炉（p＝9.8MPa）、超高压锅炉（p＝13.7MPa）等。5.按燃料和能源种类不同可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、废热（余热）锅炉等。6.按燃料在锅炉中的燃烧方式可分为层燃炉、沸腾炉、室燃炉。7.按介质在蒸发系统的流动方式可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉等。1.4锅炉控制系统介绍1．4.1背景锅炉是全厂重要动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量。主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。1．4．2关于锅炉计算机控制系统锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成。一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可行地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，以免锅炉发生重大事故。2锅炉控制系统分析2.1锅炉液位静态控制回路分析2.1.1由水泵直接向锅炉供水由水泵直接向锅炉供水（直供）时，计算机控制水泵把水由低位水箱抽出并送到锅炉，此时打开V26，V52，其余阀门均关闭，这样水就由低位水箱经V26，离心泵，V52进入锅炉。其工艺流程图如图2．1所示：V52V27V21V26锅炉离心泵液位水槽计量水槽图2.1水泵控制锅炉在由水泵直接向锅炉供水（直供）的锅炉水循环过程中，为使系统平稳安全运行，采用变频器进行自动恒压供水，为保证控制精度，采用反馈调节系统。其控制回路框图如图2.2：PID控制D/A转换变频器水泵锅炉液位A/D转换液位变送锅炉液位R（t）设定值E（t）C（t）_+图2.2控制进水原理图锅炉底部装有扩散硅压力变送器DBYG，它检测液位信号并将其转换为4~20mA直流电流信号，通过电缆线将其送至模拟量输入模块5017，经模块CPU送至工控机进行数据处理。如果锅炉液位低于给定值，由模拟量输出模块5024输出1~5V直流电压信号控制变频器，通过水泵给锅炉加水。水泵向锅炉送水的速度是由变频器控制的，所以改变变频器的频率即可改变离心泵叶轮的转速，即可改变向锅炉送水的速度。锅炉液位由其压力传感器、变送器，A/D（模/数）转换后由非电量信号转变成数字信号输送给计算机，计算机分析后输出一个数字量信号经D/A（数/模）转换为模拟信号来调节变频器的频率，从而改变水泵送水速度。计算机采用PID控制算法可较精确的控制锅炉液位的高度。2.1.2锅炉进水由电动阀VC1控制的静态分析由电动阀VC1控制向锅炉供水时，首先为了实现恒压供水高位水槽一直是满的，在此回路中打开V27，V39，V33，V51，其余阀门均关闭。这样水就可以由低位水箱经V27，水泵，V39,高位水槽,V33，VC1，进水流量传感器，V51进入锅炉。其回路图如图2.3所示锅炉VC1V51V27V26V21计量水槽高位水槽V39流量传感器离心泵液位水槽计量水槽V33图2.3VC1控制锅炉水位在由VC1控制向锅炉供水（间供）的锅炉水循环过程中，对锅炉进行恒压供水，为保证控制的精度，可以采用反馈调节系统。其控制回路原理图如下：锅炉底部的扩散硅压力变送器DBYG，将液位信号检测并转换为4~20mA直流电流信号，通过电缆线将其送至模拟量输入模块5017经模块CPU送至工控机进行数据处理，然后进行A/D转换。如果锅炉液位低于给定值，经D/A转换，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出4~20mA直流电流信号，控制进水电动阀VC1，调节阀门的开度从而给锅炉加水，直至达到给定液位；控制框图如图2.4所示：PID控制D/A转换电动阀VC1锅炉液位A/D转换液位变送锅炉液位R（t）设定值E（t）C（t）-+图2.4VC1控制锅炉进水原理图在此控制回路中锅炉液位经锅炉液位压力传感器，变送器，A/D转换器后由非电信号转换为计算机可以识别的数字信号传给计算机，计算机经PID控制调节电动调节阀的开度从而改变锅炉进水的速度以及流量，以保证锅炉液位达到预先设定的高度。2.2锅炉动态控制回路分析2.2.1.锅炉液位由水泵和电动阀VC2调节的动态分析由水泵和电动阀VC2控制锅炉的动态水位时，需要打开V27，V52，V21，V34，VC2，V35，V24阀门，其余阀门均关闭，这样可以实现锅炉的动态控制。其工艺流程图2.5所示：锅炉v52v27v26V21V34V24VC2V61V35V62流量传感器V24V25离心泵图2.5水泵和VC2控制锅炉水位在此锅炉水循环系统中，由于系统有一定的滞后时间，为避免排水量的变化引起锅炉内水压的变化，系统中引入排水量信号作为前馈信号对锅炉内水压进行超前调节，为保证控制精度，采用反馈—前馈调节系统，调节精度较高。锅炉底部的扩散硅压力变送器DBYG，将液位信号检测并转换为4~20mA直流电流信号，通过电缆线将其送至模拟量输入模块5017的第2通道，经模块CPU送至工控机进行数据处理。如果锅炉液位低于给定值，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出1~5V直流电压信号控制变频器从而给锅炉加水，直至达到给定液位；如果锅炉液位高于给定值，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出4~20mA直流电流信号控制出水电动阀VC2，调节阀门的开度从而给锅炉放水，直至达到给定液位。其控制框图如图6所示：PID控制D/A转换变频器水泵液位变送A/D转换A/D转换出水流量变送出水流量传感器锅炉液位R（t）设定值E（t）锅炉液位-+++PID控制平均值C（t）-图2.6水泵和VC2控制锅炉水位在实际应用中由于需要，进水常常是来弥补出水的，所以在此控制以及以后的动态控制中出水一般是作为扰动量，计算机通过控制进水来保持锅炉液位一定。在此种控制中计算机采取前馈——反馈控制策略。出水量作为扰动量，通过出水流量检测，出水变送器，A/D转换器由非电量信号转换为数字量信号进入前馈控制器，然后与PID控制器输出值叠加，输出的信号再经D/A转换后控制变频器工作。同时锅炉液位经锅炉液位传感器，A/D转换器调理为数字量信号反馈给计算机，随后计算机经PID控制来控制锅炉液位保持一定高度。2.2.2锅炉液位由VC1和VC2共同控制的动态分析要实现锅炉液位动态控制，可以打开阀门V33，VC1，V51，V21，V34，VC2，V35，V24，其余阀门均关闭，这样可以实现锅炉的动态控制。工艺流程图如图7所示：锅炉V51VC1V33计量水槽高位水槽V39液位水槽计量水槽V27V26V24V35VC2V34V21V25V22流量传感器流量传感器离心泵图2.7VC1和VC2控制锅炉水位在锅炉水循环系统中，由于系统有一定的滞后时间，为避免排水量的变化引起锅炉内水压的变化，系统中引入排水量信号作为前馈信号对锅炉内水压进行超前调节，为保证控制精度，采用反馈—前馈调节系统，调节精度较高。锅炉底部的扩散硅压力变送器DBYG将液位信号检测并转换为4~20mA直流电流信号，通过电缆线将其送至模拟量输入模块5017，经模块CPU送至工控机进行数据处理。如果锅炉液位低于给定值，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出4~20mA直流电流信号控制进水电动阀QS201，调节阀门的开度从而给锅炉加水，直至达到给定液位；如果锅炉液位高于给定值，工控机控制模块CPU由模拟量输出模块5024输出4~20mA直流电流信号控制出水电动阀QS201，调节阀门的开度从而给锅炉放水，直至达到给定液位。控制框图如图8所示：PID控制D/A转换驱动输出调节阀VC1液位变送A/D转换A/D转换出水流量变送出水流量传感器设定值E（t）C（t）锅炉液位+锅炉液位R（t）+PID控制平均值+——图2.8VC1和VC2控制锅炉水位此回路也是以出水作为扰动，扰动由VC2控制，其大小可人来通过计算机手动设置。采用前溃控制，按照出水扰动大小进行补偿，使扰动一出现，即一有出水，前