DCS液位控制课程设计

锅炉汽包水位控制系统概述蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽产品，以满足负荷的需要。锅炉是一个十分复杂的控制对象，为保证提供合格的蒸汽产品以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标，由于负荷、燃烧状况及给水流量等因素的变化，汽包水位会经常发生变化。因此锅炉汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。采用PLC控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实时检测并进行反馈，PLC对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。1．1锅炉汽包水位的控制方案锅炉汽包水位控制系统采用三冲量控制系统，三冲量控制系统实际上是前馈一串级控制系统，它的主回路是一个定值调节系统，副回路是一个随动调节系统，主调节器按照对象操作条件及负荷情况而随时校正副调节器的给定值，从而使副参数能随时跟踪操作条件或负荷的变化而变化，最终达到保持主参数恒定的目的。其中主变量是汽包液位，副变量是给水流量蒸汽流量信号作为前馈信号引入流程。（见图1和图2）。图1汽包水位三冲量软件控制系统框图图2汽包水位三冲量硬件控制系统框图2一次仪表选型2.1PLC及相关模块选型本设计PLC选用FX2N系列PLC。它是FX系列PLC中功能最强、速度最快的微型可编程控制器。本设计PLC的输入信号有开始、关闭、最高水位、最低水位。需要的输出信号有正常运行信号、极限处理信号、报警信号。此外扩展模块还需要占用PLC的一些输入输出点。选用32点的PLC即可满足要求。晶闸管输出方式可适用于交流负载。它的响应速度快（关断变导给水流量给定液位蒸汽流量给水流量调节器电机汽包给水流量变送器蒸汽流量变送器蒸汽管道液位液位变送器变频器液位调节器通的延迟时间小于1ms，导通变为关断的延迟时间小于10ms）。它可以满足该系统要求，因此选用晶闸管输出方式。综合考虑各型号性能，本设计选用FX2N-32MS型号的PLC。该系统需要输入与输出的模拟量有：给水流量信号、水位信号、蒸汽流量信号、变频器给定信号。因此需要选择一个模拟量输入模块FX2N-4A/D、一个模拟量输出模块FX2N-2D/A，通过它们可以进行数字量与模拟量之间的相互转换，从而PLC根据现场传输来的信息进行算法控制。2.2电机的选型电机是锅炉汽包供水的动力设备，电机的准确选型关系到汽包能否准确供水进而影响到汽包水位的稳定。控制的锅炉蒸发量为：35t/h，汽包压力0.5MP，管道直径50mm因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算：223500010/5000003.142.595360010000WkgmsPKs(3.1)由计算结果可以知道选用功率为100Kw的三相异步电动机完全可以满足工作要求，由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机，选用鼠笼型电机就可以满足要求。YJTG三相变频调速电机专门为变频调速设计,可以根据技术要求设定其额定电压为380V额定功率为100Kw。2.3变频器的选型本设计选用三菱变频器FR-F740系列的变频器。给变频器可以输入380V-480V50/60Hz三相交流电，输出380-480V三相交流电并通过控制信号控制其输出频率，其容量是37KW~220KW，可以满足设备功率要求。该型号变频器具有丰富灵活的控制接口，可以通过控制信号方便地改变变频器的工作特性。内置PID，变频器/工频切换和多泵循环运行功能。内置独立的RS485通讯口。带有节能监控功能，节能效果一目了然。2.4水位传感器的选型由于该设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的准确测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。合理的选择水位传感器在水位控制系统的设计中有关键作用。知道汽包水位应该控制在300±30mm，根据过程控制仪表量程选择原则：仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍。因此所选传感器的最大量程为:400～450mm。而且汽包水位应该控制在300±30mm，因此所选水位传感器的精度应该高于10/450=6.7%FS。CR-6031型智能锅炉汽包液位计，采用独特结构，耐高温、高压，其中变送器利用液位变化与其对测量探极产生的电容变化之间的关系，通过专用模式系统软件将检测的电容变化经各种补偿计算后输出与物位成正比的4-20maDC标准信号。选择测量围为：100～500mm，测量精度在1%FS的型号可以满足控制要求。该型号的传感器主要技术参数如下：量程：100～500mm(水位高/深度)综合精度:1.0%FS输出信号:4～20ma(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)供电电压:24DCV(9～36DCV)负载电阻:电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ绝缘电阻:大于2000MΩ(100VDC)密封等级:IP68长期稳定性能:0.1%FS/年振动影响:在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS电气接口(信号接口):紧线防水螺母与五芯通汽电缆连接机械连接(螺纹接口):投入式使用时可以采用24V直流电源为水位传感器供电保证其正常工作，将1～5V电压信号作为反馈量引入PLC模拟量输入端口进行控制运算。2.5流量传感器的选型根据控制方案可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信号可以有效地改善控制质量，因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系统的控制质量。知道所要控制的是35t/h锅炉的汽包水位，即该锅炉正常工作时每小时蒸发35t蒸汽也就是有35t水被蒸发成为蒸汽，水位稳定时供水量为：35m3/h。LUGB-99型涡街流量计是一种基于卡门涡街原理流体振动式新型流量计，它具有测量范围广、压损小、性能稳定、准确度高和安装、使用方便等优点，广泛应用于封闭工业管道中液体、汽体和蒸汽介质体积和质量流量的测量。该流量计的技术参数如下：（1）测量介质：蒸汽、汽体、液体（2）传感器的感应元件不直接与被测介质接触，性能稳定、可靠性高（3）传感器内无可动部件，结构简单而牢固，压损小维扩量小、使用寿命长（4）范围度宽达10：1～15：1（5）测量范围：正常工作范围，雷诺数为20，000～7，000，000；输出信号不受液体温度、压力、粘度及组份影响。测量可能范围，雷诺数8，000～7，000000（6）精度等级：液体，指示值的±1.0%；蒸汽，指示值的±1.5%（7）输出信号：a.电压脉冲低电平：0-1V；高电平：大于4V；占空比为50%b.电流:4～20ma(三线制)（8）电源电压：24DCV（9）壳体材料：碳钢；不锈钢(1Cr18Ni9Ti)（10）规格：(管道内径)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、250、300(大于DN300口径为插入式)根据过程控制仪表量程选择原则仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍，流量计应当能够检测的最大流量为：46.5～52m3/h，因此汽包送水管道直径选用50mm并用LUGB-99型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是3～50m3/h，可以满足设计要求进行检测汽包给水流量信号。由于LUGB-99型涡街流量计既可用于液体流量检测也可用于蒸汽流量检测，因此还可以选择该流量计作为汽包负荷蒸汽流量的检测传感器。正常工作时汽包蒸汽压力大约是0.5MP，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大约是2700Kg/m3，根据过程控制选择仪表量程原则仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍，流量计应当能够检测的最大流量为：17.2～19.2m3/h因此汽包蒸汽管道直径选用20mm，并用LUGB-99型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是8～80m3/h，可以满足设计要求进行检测蒸汽流量信号。2.6设备清单综上所述可以得到硬件设备的清单如表2.1所示。表2.1硬件设备清单设备名称型号额定电压额定电流额定功率数量三相电机YJTG型380VAC61A100Kw2变频器FR-F740型380VAC100Kw1功率三极管I3DD5686型2PLCCPU模块FX2N-32MS220VAC1型模拟量输入模块FX2N-4A/D1数字量输出模块FX2N-2D/A1变压器SA-100-24型24VDC200W1接触器HLC-3X型380VAC5熔断器XRNT-12型200A3水位传感器CR-6031型24DCV3流量传感器LUGB-99型24DCV2DCS系统选型该系统采用日本横河的CENTUCS3000系统，CENTUCS3000系统是由控制站、操作站、现场接口站、高速通信网、网关以及集散式控制系统软件和应用软件所构成的分布式集散控制系统。使用CENTUCS3000控制系统的一个最大优点是方便直观的控制组态功能，能够根据生产需要随时在控制站在线修改组态、报警参数及PID调节参数，修改后保存下装即可。这一特点非常有利于控制组态方案的修改与优化，自开车以来已多次对该系统进行了优化改动，取得了很好的效果。DCS系统在锅炉汽包水位控制中的应用3.1系统组态锅炉汽包水位控制系统的系统组态主要是在DCS控制系统中的控制站FCS上通过各种模块组态实现的，主要包括显示模块调节器模块和计算模块等组态工具。其控制系统组态图(见图3)。图3系统组态图总结4.1控制功能本系统能够自动控制汽包水位。稳定精度为设定水位的19．6～29．4Pa。可以无平衡无扰动地实现自动一手动控制方式的相互切换。4.2检测显示功能本系统能自动地将各类运行参数(汽包水位、主蒸汽流量、给水流量以及给水阀开度等)以数字量的方式实时显示出来，供工艺操作人员监控。4.3计量功能本系统对主蒸汽流量和给水流量进行了累计积算，并定时打印在报表中以供核算。4.4报警及自动保护功能本系统在锅炉运行中，如果汽包水位超过了设定的上下报警限，系统则将以声响和光闪两种方式进行报警，提示工艺操作人员及时采取措施。如果汽包水位超过了设定的上下联锁限，系统就会送出紧急联锁信号到联锁停车系统中进一步采取措施以达到自动保护的目的。