毕业设计（论文）基于PLC的锅炉汽包水位控制系统设计

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1、山东科技大学学士学位论文 摘要摘摘 要要汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC 技术的快速发展使得 PLC 广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能，PLC 已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象” ，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了 PID 参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用 PLC 编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成 P

2、LC 在锅炉汽包水位控制系统中应用。关键词：关键词：汽包水位 三冲量控制 PLC PID 控制山东科技大学学士学位论文 ABSTRACTABSTRACTThe 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; therefore it must be strictly to be controlled. With

3、 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 already become the essential important equipment in automatic control domain.Based on the analysis of all kinds of factors which influen

4、ce steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed 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 of control, the

5、selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed.Key words: Steam drum water level Three impulses control PLC PID control山东科技大学学士学位论文 目录目目 录录1

6、 绪 论 .11.1 汽包水位控制系统的发展现状.11.2 本设计的主要工作.22 控制方案设计 .42.1 汽包水位的影响因素.42.2 汽包水位的控制方案设计.73 硬件选型 .133.1 水位传感器选型.133.2 流量传感器的选型.143.3 电机的选型.163.4 变频器的选型.173.5 接触器的选型.173.6 熔断器的选型.183.7 功率三极管的选型.183.8 PLC 及相关模块的选型.193.9 硬件工作原理.224 硬件设计 .254.1 系统总体线路设计.25山东科技大学学士学位论文 目录4.2 控制线路设计.285 控制算法及参数整定 .305.1 PID 算法简介

7、.305.2 三冲量控制系统参数整定.316 软件设计 .396.1 程序流程设计.396.2 DeviceNet 网络组态 .416.3 RSLogix5000 程序设计.447 监控界面设计 .508 结束语 .53参考文献 .55致 谢 .56附 录 .57山东科技大学学士学位论文 绪论11 绪绪 论论1.1 汽包水位控制系统的发展现状汽包水位控制系统的发展现状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

8、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1。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。传统的控制方法是以各种分立器件的应用为基础，利用各种检测器件对被控参数实时进行检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动

9、控制的目的。但是这种控制方式受分立器件的性能影响大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易出现故障，不利于系统的长期安全、高效运行。现在广泛使用的控制技术还有 DCS集散控制系统2，但由于 DCS 系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往价格昂贵，对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高，因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择。山东科技大学学士学位论文 绪论2PLC 是 70 年代发展起来的中大规模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O 接口与中断系统于一体的器件3，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业。随

10、着计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了 PLC 通信能力，丰富了 PLC 编程软件和编程技巧，增强了 PLC 过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用 PLC 技术。PLC 控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术。它是 PLC 软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。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 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

11、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。1.2 本设计的主要工作本设计的主要工作 本次设计的主要工作有：（1） 设计锅炉汽包水位控制方案 从锅炉汽包水位的动态性能入手，分析影响锅炉汽包水位的主要因素，并对这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究。在此基础之上，根据各个因素对锅炉汽包水位的影响采用汽包水位三冲量方案，达到控制锅炉汽包水位稳定的目的。山东科技大学学士学位论文 绪论3（2） 硬件设备的选型与设计根据所设计的控制方案合理地选择检测元件、执行机构和

12、控制设备以及其它必要设备，并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计，完成各种设备之间的接线与配置，并进行设备的安装调试。为整个系统的实现以及稳定、可靠运行打下基础。（3） 控制算法的参数整定根据被控对象的特点以及它的静态、动态特性按照工程整定的方法进行控制器的参数整定，设计调节器的各个参数。在此基础之上对整定结果进行仿真，并对整定结果进行进一步调整判断其可行性，为后续的软件设计工作打下基础。（4）PLC 程序和监控界面设计根据参数整定和仿真的结果利用相关软件进行 PLC 梯形图程序设计，最终实现控制算法。同时利用组态软件进行监控界面的设计，实现通过上位机对整个系统运行状态的实时监控功能，使

13、之能够动态显示系统的运行状况，并可以通过监控界面对系统进行相关操作。 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计42 控制方案设计控制方案设计锅炉是重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，如果水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。如果水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以锅炉汽包水位过高过低都可能造成重大事故。在锅炉汽包水位控制系统中被控量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡状态，从而使汽

14、包水位的变化在允许范围之内，保证锅炉的安全运行，生产出合格稳定的高质量蒸汽，以满足负荷的需要。2.1 汽包水位的影响因素汽包水位的影响因素首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。锅炉给水调节对象如图 2.1 所示。给水调节机构为变频器调节给水量 W，汽轮机耗汽量 D 是由汽轮机阀门开度来控制的。省煤器过热器水冷壁汽包变频器图 2.1 锅炉给水调节对象山东科技大学学士学位论文 控制方案设计5初看起来，汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样，给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低4。但实际情况并非如此，最突出的一点就是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的体积 V 是随着汽包压力和炉膛热负荷

15、的变化而变化的。如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。影响汽包水位 H 的主要因素有给水量 W，汽轮机耗汽量 D 和燃料量B 三个主要因素。（1）给水扰动的影响如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图 2.2 所示的曲线 H1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积 V 也就会相应的减小，从而导致水位下降如图 2.2 所示的曲线 H2所示。水位的实际响应曲线应是曲线 H1

16、和 H2之和，如图 2.2 所示的曲线 H 所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为： (2.1) 11s(1)GSS式 2.1 中表示汽包水位的飞升速度，表示延迟时间。1山东科技大学学士学位论文 控制方案设计6tHH1HH2图 2.2 给水扰动响应曲线（2）汽轮机耗汽量扰动的影响当汽轮机耗汽量 D 突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图 2.3 所示的曲线H1所示，另一方面由于汽轮机耗汽量 D 的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于

17、燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积 V 增大，从而导致汽包水位上升，如图 2.3 所示曲线 H2所示。水位的实际响应曲线应该是曲线 H1和 H2之和，如图 2.3 所示曲线 H所示。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象” 。可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为： (2.2)2021( )KST SGs 式 2.2 中表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，表示“假水位现象”10T的延迟时间。山东科技大学学士学位论文 控制方案设计7tHH

18、1HH2图 2.3 汽轮机耗汽量扰动响应曲线（3）燃料量扰动的影响燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量 D 的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。 由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象” 。这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。2.2 汽包水位的控制方案设计汽包水位的控制方案设计 从反

19、馈的思想出发很容易想到以汽包水位信号作为反馈量，给水流量作为被控量，构成单回路反馈控制系统，即水位单冲量控制系统。如图 2.4 所示，这是一个基本的控制方案其方框图如图 2.5 所示。对于小容量锅炉来说由于它的储水容量较大，山东科技大学学士学位论文 控制方案设计8水面以下的汽泡体积并不占有非常大的比重，因此水容积延迟和假水位现象并不是非常明显，因此可以采用汽包水位单冲量控制系统来控制汽包水位。但对于大中型锅炉来说这种控制方案就不能满足控制要求，因为汽轮机蒸汽量的负荷扰动引起的假水位现象将引起给水调节机构的误动作，导致汽包水位激烈的上下振荡而不稳定，严重的影响设备的运行寿命和安全，所以大中型锅炉

20、不宜仅仅只采用汽包水位单冲量控制系统，必须寻找其他的解决办法来控制汽包水位。省煤器过热器水冷壁汽包变频器HTHC图 2.4 汽包水位单冲量控制系统 给水流量调节器变频器液位变送器汽包给水流量-+图 2.5 汽包水位单冲量控制系统框图如果从物质平衡的角度出发，只要能够保证给水量永远等于蒸汽蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。因此可以采用图 2.6 所示的蒸汽流量随山东科技大学学士学位论文 控制方案设计9动控制系统，其中流量调节器采用 PI 调节器，使汽轮机的蒸汽量作为系统的给定使给水流量跟踪蒸汽流量的变化，构成了一个以蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水位的恒定。该方案的结构框图如图 2.7 所

21、示。省煤器过热器水冷壁汽包变频器HTHCFT图 2.6 蒸汽流量随动控制系统 给水流量调节器变频器液位变送器汽包给水流量-+蒸汽量变送器-图 2.7 蒸汽流量随动控制系统框图采用该方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量的大小只取决于汽轮机的耗汽量，假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。但是这个系统对于汽包水位来说只是开环控制系统。由于给水量和蒸汽量的测量不准确以及锅炉系统引入的其他扰动使得给水量和蒸汽量并非准确的比值关系而保持水位恒定。由于水位对于二者的偏差是积分关系，微小的偏差长时间积累也会形成很大的水位差，因此不宜采用随动控制系统。山东科技大学学士学位论文 控制方案设计10如果

22、把以上所述两种方案结合起来，就构成了汽包水位双冲量控制系统如图 2.8 所示，其结构框图如图 2.9 所示。双冲量指的是同时引入两个测量信号：汽包水位和蒸汽流量。这个系统对以上所分析的两种方案取长补短，可以极大的提高汽包水位的控制质量。当汽轮机耗汽量出现阶跃增大时，一方面由于“假水位现象”汽包水位会暂时有所升高，将使调节机构做出误动作错误的减少给水量；另一方面汽轮机耗汽量的增大又通过比值控制系统指挥调节机构增大给水量，实际给水量的增减情况要根据实际情况通过参数整定来确定。当假水位现象消失后水位和蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作。只要参数整定合适，给水量必然等于蒸汽量从而保证水位恒定。省煤器过

23、热器水冷壁汽包变频器FCHTHCFTFC图 2.8 汽包水位双冲量控制系统山东科技大学学士学位论文 控制方案设计11给水流量调节器变频器液位变送器汽包变送器给水流量液位蒸汽流量+-+液位流量调节器液位给定前馈调节器 图 2.9 汽包水位双冲量控制系统框图此外考虑到给水流量的变化可以通过串级控制的方法让给水量的扰动通过内回路自行调节，设计如图 2.10 所示的三冲量控制系统，其结构框图如图 2.11 所示。即前馈反馈串级复合控制系统。该三冲量控制系统包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路以及一个蒸汽流量前馈通道，实质上是蒸汽流量前馈与水位流量串级系统组成的复合控制系统。串级控制系统的

24、主参数是汽包水位，副参数是给水流量，主调节器是给水流量调节器，副调节器是液位调节器。一方面可以克服给水扰动，使给水流量自行调节，另一方面可以有效地抑制“假水位现象” 。当蒸汽流量发生变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量的大小以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调维持汽包水位的稳定。山东科技大学学士学位论文 控制方案设计12省煤器过热器水冷壁汽包变频器FTFCHTHCFTFC图 2.10 汽包水位三冲量控制系统给水流量调节器变频器给水流量变送器液位变送器汽包变送器给水流量液位蒸汽流量-+-+液位流量调节器液位给定前馈调节器管道图 2.11 汽包水位三冲量控制

25、系统框图山东科技大学学士学位论文 硬件选型133 硬件选型硬件选型3.1 水位传感器选型水位传感器选型 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。根据原始资料可以知道汽包水位应该控制在 30010 mm，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 4/33/2 倍。因此所选传感器的最大量程为:400450 mm。而且汽包水位应该控制在 30010 mm，因此所选水位传感器的精度应该高于 10/450=2.2%FS，因此选择该测量精度才可以满足要求。佛山

26、市顺德区拓朴电子仪器有限公司生产的 PTP601 投入式水位传感器可以满足控制要求，该系列仪表采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体。316 全不锈钢结构有多种量程可供选择，选择测量围为：100500mm，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： 100500mm(水位高/深度)综合精度: 1.0%FS 输出信号: 420ma(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 供电电压: 24DCV(936DCV) 负载电阻: 电流输出型：最大 800；电压输出型：大于 50K 绝缘电阻: 大于 2000M (100VDC )密封等级: IP68 山东科技大学

27、学士学位论文 硬件选型14长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率 20Hz1000Hz 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15V 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。3.2 流量传感器的选型流量传感器的选型根据控制方案我们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。根据原始资料可以知道我们所要控制的是35t/h

28、 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。由原始资料可以做如下估算水位稳定时供水量为：35 m3/h 。上海正博自动化仪表有限公司生产的 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

29、 10：115：1山东科技大学学士学位论文 硬件选型15（5）测量范围：正常工作范围，雷诺数为 20，0007，000，000；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 8，0007，000000（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: 420ma(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 DN3

30、00 口径为插入式)（11）工作状况下流量范围(单位：m3/h)，见表 3.1表 3.1 工作状况下流量范围DN(mm)液体汽体蒸汽200.8-105-408-80251-127.2-6010-120321.5-2012-10015-200402-3018-15020-300503-5030-30030-450656-8050-42060-800 8010-13070-600100-130010020-200120-1000200-200012530-300180-1500300-3000 15045-450240-2000450-450020090-900480-4000900-900025

31、0120-1200700-80001200-12000山东科技大学学士学位论文 硬件选型16300180-2000900-100001600-16000 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4/33/2 倍，流量计应当能够检测的最大流量为：46.552 m3/h，因此汽包送水管道直径选用 50 mm 并用 LUGB-99 型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是 350 m3/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，因此我们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

32、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 4/33/2 倍，流量计应当能够检测的最大流量为：17.219.2 m3/h 因此汽包蒸汽管道直径选用 20 mm，并用 LUGB-99 型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是 880 m3/h，可以满足设计要求进行检测蒸汽流量信号。3.3 电机的选型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我们所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

33、作如下估算： (3.1)223500010/500000 3.14 2.595360010000Wkgm sPKs山东科技大学学士学位论文 硬件选型17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。济南华力贝尔机电设备有限公司生产的 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订货设定其额定电压为380V 额定功率为 100Kw。 3.4 变频器的选型变频器的选型 变频器是电机的供能设备，合理选择变频器关系到电机能否正常工作为汽包供水。由电机的选型可以知道电机在 50Hz

34、三相交流电下工作时电机的功率大约是 100Kw，当三相交流电动机在基频以下工作时为恒转矩输出工作，而此时电机的转速会小于额定转速，因此电机的输出功率也会小于额定功率，同时由于电机的转矩保持不变，其工作电流同在 50Hz 三相交流电下工作时电流基本一致。根据以上的分析选我们可以选择罗克韦尔公司的 1336PlusII 系列1336F-B150 型号的变频器。给变频器可以输入 380V-480V 50/60Hz 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 149Kw，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

35、的工作特性。设计时将变频器连接在 DeviceNet 网络上，就可以利用 PLC 控制变频器的输出电压和频率。山东科技大学学士学位论文 硬件选型183.5 接触器的选型接触器的选型接触器是系统中用到的重要开关设备，接触器的合理选择能保证交流电动机能够准确及时的启动、停止。根据以上分析三相交流异步电机的最高工作电流是工作于 50Hz 交流电压下，其工作电流为： (3.2)1001523 380KwAv因此根据设计的要求浙江宏立电器有限公司生产的 HLC-3X 系列空调接触器主要适用于 50Hz 或 60Hz、在 AC-7b 使用类别额定工作电压为 230V 或480V 时额定电流至 40A 电路

36、中，适用于起动和控制三相交流电动机(压缩机)及其它三相负载，选择五套该类型接触器同时带动一台电机可以满足设计要求。3.6 熔断器的选型熔断器的选型由于系统的主要耗电设备是电动机，因此系统稳定工作时电流大约在150A 左右，当系统异常工作是可能导致工作电流变大因此可设定工作电流为 200A 时进行过流保护。浙江中泰熔断器有限公司生产 XRNT-12 型限流熔断器型额定电流可以设定为 200A，可以满足设计要求。3.7 功率三极管的选型功率三极管的选型 为了能使 PLC 输出的数字量能够控制接触器的通断我们设计如下电路：山东科技大学学士学位论文 硬件选型19 接触器线圈220VACPLC数字量输出

37、图 3.1 接触器控制线路当PLC数字量输出为高电平时三极管导通工作于饱和状态，接触器线圈上电使接触器触点闭合，否则PLC数字量输出为低电平时三极管截止工作于截止状态，接触器线圈失电通过二极管续流，使接触器触点断开。浙江省杭州富阳市奥星电子有限公司I3DD5686型功率三极管最大工作电流超过5A，完全可以满足工作要求。3.8 PLC 及相关模块的选型及相关模块的选型 PLC 我们选择罗克韦尔公司 Logix5000 系列，该系列 PLC 性能稳定，可以根据设计要求灵活的选择相关模块，而且使用 RS Logix5000 组态软件进行梯形图程序设计时可以根据实际情况建立标签，避免了对 PLC 直接

38、按照地址寻址造成的麻烦和错误。该系统需要输入或输出的模拟量有：给水流量信号、水位信号、蒸汽流量信号、变频器给定信号，需要输出的数字量有：接触器通断信号、报警信号。因此只要选择一个模拟量输入模块1756-IF6I、一个数字量输出模块 1756-OB16D 就可以满足要求，此外由于PLC 还要通过以太网同上位机通信，通过 DeviceNet 控制变频器因此还需要两个通信模块 1756-ENET、1756-DNB/A，另外还要选择电源模块和山东科技大学学士学位论文 硬件选型20CPU 模块 1756-L1M2，选择 7 槽 PLC 底座，此外我们还需要选择一台 PC机作为上位机完成对系统的监控操作功

39、能。综上所述我们可以得到硬件设备的清单如表 3.2 所示。表 3.2 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YJTG380VAC61A40Kw2变频器1336F-B150380VAC149Kw1功率三极管I3DD56862PLC CPU模块Logix5000220VAC1模拟量输入模块1756-IF6I1数字量输出模块1756-OB16D1以太网通信模块1756-ENET1DeviceNet通信模块1756-DNB/A1PC 机220VAC1接触器HLC-3X380VAC5熔断器XRNT-123A3水位传感器PTP60124DCV3流量传感器LUGB-9924DCV2山东

40、科技大学学士学位论文 硬件选型21据以上硬件选型我们可以绘制系统的硬件配置图如图 3.2 所示。 CPU 电源1756-L1M21756-ENET1756-IF6I1756-DNB/A1756-OB16D上位机变频器传感器接触器以太网 交换器图 3.2 硬件配置图PLC 的电源模块为其他各个模块提供电源，上位机通过以太网联入PLC 的以太网模块与之通信，并可以对 PLC 进行监控，PLC 的 CPU 块负责 PLC 的数据处理和通信，模拟量输入模块将来自传感器的检测信号传入PLC，DeviceNet 模块通过 DeviceNet 网络控制变频器，数字量输出模块主要控制开关设备的通断。山东科技大

41、学学士学位论文 硬件选型223.9 硬件工作原理硬件工作原理3.9.1 变频器工作原理变频器工作原理变频器从电网接收工频 50Hz 的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行5。将工频交流电变换成为可变频的交流电输出的变换方法主要有两种：一种称为直接变换方式，又称为交交变频方式，它是通过可控整流和可控逆变的方式，将输入的工频电直接强制成为需要频率的交流输出，因而称其为交流交流的变频方式。另一种称为间接变换方式，又称为交流-直流-交流变频方式。三相交流电引入整流装置通过整流器得到直流电，对直流电利用可控开关器件

42、控制其导通次序、开关频率、导通时间可以实现调频、调压的效果。常规的控制方式只能得到阶梯波形的输出电压，高次谐波分量较多，不利于电机的稳定运行。采用 SPWM 技术，按照有关算法控制逆变电路的触发信号，即控制可控开关器件的导通角度按正弦规律变化，这样变频器实际输出的电压是一系列宽度按正弦规律变化的脉冲，这种电压波形中含有的高次谐波分量少，经过滤波后可以等效为正弦电压波形，这样可以极大地提高变频器的控制效果能够使电机稳定运行。3.9.2 PLC 工作原理工作原理 PLC （Programmable Logic Controller）中文全称为可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工

43、业环境应用而设计的。它采用山东科技大学学士学位论文 硬件选型23一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。典型的 PLC 结构图可以表示为图 3.3 所示。输入接口输出接口CPU 电源图 3.3 PLC 结构图 电源模块分别为输入接口、CPU、输出接口提供直流电源。输入接口将外部输入的数字量、模拟量送入 CPU，CPU 根据所编程序完成相应的运算并由输出接口输出给外部设备实现控制的目的。其工作过程可以分为如下三个阶段： （1）输入采样阶段在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次

44、地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映像区中相应的单元内。 （2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制山东科技大学学士学位论文 硬件选型24线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映像区内的状态和数据不会发生变化，而其

45、他输出点和软设备在 I/O 映像区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后， PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照 I/O 映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。山东科技大学学士学位论文 硬件设计254 硬件设计硬件设计4.1 系统总体线路设计系统总体线路设计首先我们需要三

46、相电源为系统供电，由电源插头引入，同时通过过流保护装置以保证电流过大时能够及时断电，以确保安全不造成设备的损坏，正常情况下设备正常工作不会发生电流过大的现象，只有在出现故障时才有可能发生过流现象此时才需要进行断电以确保安全。对于需要 220V 交流电压工作的设备可以连入三相电源中的任意一相与中性线之间的 220V交流电压下。例如 PLC 就是采用 220V 交流电工作，因此按照上述方式连接就可以直接接入任意一相与中性线之间的 220V 交流电压下。此外还要引入地线在需要接地的地方保证可靠接地确保安全。由于系统内各种传感器等设备需要直流电压才能正常工作，因此还需要一个整流装置将它的交流输入侧连入

47、任意一相与中性线之间的 220V 交流电压下并对 220V 交流电进行整流稳压，然后输出稳定的直流电压，直流输出侧可以为各个直流设备提供直流电压保证各个设备稳定、有效、安全的工作。由于我们选用的是交-直-交变频器6因此应当首先应该将 380V 三相交流电连入变频器的 L1、L2、L3 三个端子输入供变频器整流，逆变后的是频率、电压变化的三相交流电通过接触器的常开触点连入三相异步电动机的定子侧回路为其工作提供电源，并通过变频器调频调压从而调节电机转速进而改变汽包的送水流量对汽包水位进行调节。同时直接将由电网引入的三相电通过另一接触器的常开触点连入三相异步电机的定子侧回路，此时电机工作于工频 50

48、Hz 三相交流电山东科技大学学士学位论文 硬件设计26下以用来在调试系统时或其他情况下使用。但两个接触器不能同时闭合，否则将会发生事故。根据以上所诉我们设计总体电器线路如图 4.1 所示。电源插头ANCB过流保护地线QS1总电源KM1PE220V24V12V0V24V0V12V变频器PEL1L3L2UWVKM2K1M信号输入A1C1B1N1C2B2A2C2B3A2C3N3N4B2 W1 U1 V1 QS2QS3Q1Q2PEJ1J0J2 PEDeviceNet图 4.1 总体电气线路图根据该设计可以得到供电线路接线如表 4.1 所示。山东科技大学学士学位论文 硬件设计27表 4.1 供电线路接线

49、表脚号信号代号信号名称所连设备备注A B C NACP3三相电源电源插头 经开关 QS1 到过流保护装置三相供电设备A1 B1 C1 N1ACP3三相电源过流保护装置保护设备PEGND接地线电机外壳 传感器接地线接地保护A2 B2 C2ACP3三相电源变频器输入 经开关 QS2 到电机定子回路三相供电设备C3 N1ACP2单相电源直流电源输入单相供电设备B3 N1ACP2单相电源接触器线圈单相供电设备U1 V1 W1VACP3变频器输出经开关 QS3 到电机定子回路三相供电设备J1 J0DC2024V 直流电源传感器直流供电设备Q1C1KM1 控制信号功率三极管基极开关控制设备Q2C2KM2

50、控制信号功率三极管基极开关控制设备山东科技大学学士学位论文 硬件设计284.2 控制线路设计控制线路设计由于蒸汽流量传感器、水位传感器、送水流量传感器都需要24V直流电压供电才能正常工作，因此三者的电源端子都要连入直流电源的24V直流电压输出侧，以为各个传感器供电，保证其正常工作。各个传感器的输出引入PLC的模拟量输入单元1756-IF6I供PLC完成各种运算从而达到控制目的。PLC通过DeviceNet网络控制变频器的输出频率从而达到控制给水流量的目的。PLC的数字量输出单元1756-OB16D输出数字信号控制接触器的通断情况。根据以上分析设计控制线路连线图如图4.2所示。液位传感器电源输入

51、J0蒸汽流量传感器电源输入信号输出送水流量传感器电源输入J0/WF0信号输出J1J1J0/SF0J1 CPU 电源1756-L1M21756-Ennet1756-IF6I1756-OB16DSF1L1L0 WF1 PEPEPEPEA1N1 SF1 WF1L1SF0WF0 Q2 Q1L0 信号输出 250 250 2501756-DNB/A 图 4.2 控制线路连线图山东科技大学学士学位论文 硬件设计29 根据以上设计我们可以得到传感器线路接线表如表 4.2 所示。表 4.2 传感器线路接线插脚代号信号代号信号名信号量程被测（控）物理量备注L1/L0LF+/LF-汽包水位300mm0300mm水

52、位送 PLCSF1/SF0SF+/SF-蒸汽流量13 m3/h013 m3/h蒸汽流量送 PLCWF1/WF0WF+/WF-送水流量35 m3/h013 m3/h送水流量送 PLC山东科技大学学士学位论文 控制算法及参数整定305 控制算法及参数整定控制算法及参数整定5.1 PID 算法简介算法简介众所周知，要使控制系统具有良好的控制性能，除了必须正确的选取、设计控制方案以外，还必须正确的选择控制算法并进行参数整定。在控制系统中，按照给定信号和反馈信号之间的偏差的比例（P） 、积分（I）和微分（D）进行控制的 PID 控制器是应用最为广泛的一种自动控制器8。它具有原理简单、易于实现、适用面广、

53、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶惯性纯滞后”与“二阶惯性纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，可以方便的改变为PI、PD、PID 等控制器。 比例调节作用对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；比例系数偏大，振荡次数加多，调节时间加长；系统会趋于不稳定；比例系数太小，又会使系统的动作缓慢。比例系数可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。积分调节作用对系统性能的影响：是使系统消除

54、稳态误差。提高无差度。因为有误差积分调节就进行，直至无差积分调节停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti。Ti 越小积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另外两种调节规律结合，组成 PI 调节器或 PID调节器。山东科技大学学士学位论文 控制算法及参数整定31微分调节作用对系统性能的影响：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强地加大微分调

55、节对系统抗干扰不利。此外微分反应的是变化率，当输入没有变化时微分作用输出为零，因此微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合组成 PD 或 PID 控制器。5.2 三冲量控制系统参数整定三冲量控制系统参数整定 系统的参数整定可以采用理论计算法或者工程整定法。由于理论计算法要以被控对象的动态特性为依据，而动态特性测取时往往具有不准确性，而且容易随工作状态的变化而变化，因此应当采用工程整定的办法。根据控制方案可以将汽包水位控制系统结构框图重画为图 5.1 所示。Gw(s)Gf(s)NwNhGp(s)NdH-+-+Gh(s)HrGd(s) W+图 5.1 汽包水位控制系统结构框图山东科技大学

56、学士学位论文 控制算法及参数整定32其中 Nd、Nw、Nh分别表示蒸汽流量传感器、给水流量传感器、水位传感器的反馈系数，Gw(S)、Gh(S)、Gd(S)分别表示给水流量调节器、水位调节器、前馈调节器的传递函数，其放大倍数可以分别表示为 Kw、Kh、Kd ，Gf(S)、 Gp(S) 分别表示变频器、锅炉汽包的传递函数，其放大倍数可以分别表示为 Kf、Kp 、Hr是水位给定信号。由硬件选型的相关数据可知当系统工作在稳定状态时： ， ， 5 10.056808dNw5 10.085503N5 10.01500 100hN， ， 35W 13.0D 300H 由于该设计采用了串级控制方式，首先我们应

57、该从副回路开始对流量调节器进行参数整定，然后由内而外，再对主回路水位调节器进行参数整定，通过两步整定的方法完成系统的参数整定。 由于副回路调节器的任务是快速动作以消除进入副回路的扰动，而且副参数并不要求无差，所以选用 P 调节器就可以满足要求了。根据控制要求可以设定 1336PlusII 系列变频器最高输出频率为 50Hz，控制信号为 4-20ma 电流，频率上升时间为 0.5 秒，电机满负荷运行时变频器输出最高频率 50Hz，此时给水流量为 35 m3/h，则有副回路被控对象的增益是：，选择频率上升时间为 0.5 秒，可以认为副回路被控对象是一个351.7520时间常数为 0.3 秒的一阶惯

58、性环节，其传递函数可以表示为： (5.1)1.75( )1 0.3fG SS采用纯比例调节方式可以保证副回路的稳定性，只要保证副回路 P 调节器的增益足够大即可。经过反复调试我们最终确定副调节器的增益是20，在 matlab 命令窗口中输入以下指令：s1=tf(1.75,0.3,1);山东科技大学学士学位论文 控制算法及参数整定33sk=20*s1;s=feedback(sk,0.085);step(s,1);运行后可以得到仿真波形图如图 5.2 所示，从图中我们可以看响应延迟时间较小，闭环增益也符合要求。内环的等效传递函数可以认为是 111.7wN。图 5.2 副回路仿真波形图 然后我们可以

59、对主回路再进行参数整定，可以将副回路的等效为一个纯比例环节，其增益为 11.7。由于汽包水位需要求无静差，因此我们采用PID 调节器，根据 Ziegler-Nichols 响应曲线法9和被控对象的开环传递函数以及特征参数整定 PID 调节器的参数。35t/h 锅炉汽包是一个没有自平衡能力的被控对象，其传递函数是：山东科技大学学士学位论文 控制算法及参数整定34 (5.2)0.017( )(1 36 )PG SSS根据 Ziegler-Nichols 响应曲线法，假设没有自平衡能力的被控对象的传递函数是： (5.3)( )(1)G SSS可以按照表 5.1 所示进行参数整定，其中，而且yaTuy

60、uT 表 5.1Ziegler-Nichols 响应曲线法参数调节器参数控制规律KITDTP1/aPI0.9/a3PID1.2/a2/2由此可以知道对于 35t/h 锅炉汽包来说: 则 PID 调节器的参0.61a数分别是： ， 1.21.96pKaI 272T 182DT由于将副回路等效为一个增益为 11.7 的纯比例环节实际 PID 调节器的比例系数是： (5.4)1.20.1711.7Ka将 35t/h 锅炉汽包的传递函数作如下改写： (5.5)20.0170.017 ( )(1 36 )36PG SSSSS对于 PID 调节器的传递函数也做类似的改写：山东科技大学学士学位论文 控制算法

61、及参数整定35 (5.6)2122012.240.17( )0.17(118 )7272hSSG SSSS 将反馈系数 0.01 等效到前向通道内，即可以认为 PID 调节器的比例系数扩大 100 倍，在 matlab 命令窗口中输入以下指令：s1=tf(0.017,36,1,0);s2=tf(220,12.24,0.17,72,0);sk=s1*s2*11.7*100;s=feedback(sk,0.01);step(s);运行后可以得到仿真波形图如图 5.3 所示:图 5.3 主回路仿真波形图此时的超调量太大，不利于系统的稳定运行，应该在以上参数整定的基础山东科技大学学士学位论文 控制算法

62、及参数整定36上再进行调整。在 matlab 命令窗口中输入以下指令：s1=tf(0.017,36,1,0);s2=tf(220,12.24,0.17,72,0);sk=s1*s2*11.7*500;s=feedback(sk,0.01);step(s);运行后可以得到仿真波形图如图 5.4 所示： 图 5.4 主回路仿真波形图从仿真图中我们可以看到系统的超调量大约是 16%，调节时间大约是 130秒，稳态误差是 0，控制效果满足控制要求。 将前馈补偿器的输出信号引入内回路，使蒸汽流量信号和给水流量信号较好的配合以消除“虚假水位现象”的影响。蒸汽流量信号对汽包水位影山东科技大学学士学位论文 控

63、制算法及参数整定37响的传递函数是： （5.7）0.562.352.3541.74 ( )1 18(1 18 )dSW SSSSS我们可以设计前馈补偿环节的传递函数为： （5.8）(2.3541.74 )(1 36 )(1 0.3 )( )33 1200(1 18 )1.75 0.017dSSSSG SSSS可以分别抵消掉 Nd和副回路以及被控对象的传递函数。综上所诉我们可以得到流量调节器的传递函数是： (5.9)( )20wG S 水位调节器的传递函数是： (5.10)11( )500 0.17(118 )851530720.85hG SSSSS前馈调节器的传递函数是： (5.11)( )3

64、3 1200dGSS山东科技大学学士学位论文 软件设386 软件设计软件设计 根据参数整定的结果，汽包水位的稳定可以按照这些控制算法来实现，在执行控制运算之前，可以对汽包水位的高度状态进行判断，并做出相应的处理。因此系统的软件设计应当包括逻辑判断和 PID 控制算法两部分，首先有应该完成程序流程图的设计，再根据流程图完成 PLC 的软件设计。6.1 程序流程设计程序流程设计 按照控制要求和硬件设计我们可以对系统进行软件设计，首先进行的是程序流程设计，并在此基础上可以完成 PLC 的梯形图程序设计。 由于汽包水位过高过低都会对锅炉的安全运行造成严重影响，因此应当对过高或过低水位做出超限处理。此外

65、 PLC 在执行控制算法时由于运算复杂，需要消耗大量的系统时间降低了 PLC 运行效率，不利于系统的稳定运行。根据采样定理:对于一个具有有限频谱的连续信号进行信号采样，采样信号频率必须大于或等于信号所含最高频率的两倍，这样采样所得的离散信号才能对原来的连续信号完全复原。而过程控制现场的很多参数变化并非十分剧烈，有较大的时间延迟，按照工程经验对于流量参数采样时间为 12 秒，对于水位参数来说采样时间为 35 秒，汽包水位控制系统采样时间设定为 1 秒是可以满足控制要求的4 。为了有效的防止汽包水位超限，该设计作以下处理：当汽包水位过高即高于 350mm 时停止送水，以快速降低汽包水位，当汽包水位

66、过低即低于 200mm 时满负荷送水，即送水电动机工作于工频 50Hz 电源下，以快速提高汽包水位。此外为了提高 PLC 的运行效率，在程序设计时可以设定 1山东科技大学学士学位论文 软件设39秒的定时时间，当定时满 1 秒时执行 PID 控制算法，未满 1 秒时 PLC 处理程序的其他部分以及完成 PLC 自身的各种功能。 根据以上分析我们可以设计 PLC 的程序流程图如图 6.1 所示： 水位超过350mm? 水位低于200mm?执行PID控制算法 停止送水 满负荷送水是 否是 否开始 延时满1秒? 否是结束 结束?是 否6.1 程序流程图山东科技大学学士学位论文 软件设40 6.2 DeviceNet 网络组态网络组态 由于该设计选用 DeviceNet 实现 PLC 与变频器之间的连接因此需要进行 DeviceNet 网络组态，从而实现 PLC 与变频器之间的网络通信，并通过网络进行控制。首先运行 RSLinx 软件选择 Communication 菜单，在其下拉选项中选择 Configue Drivers，然后进行通信配置，该设计中选择 Ethernet Devices通过以