基于PLC的鍋爐串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田曉偉

摘 要 在工業(yè)控制中，鍋爐的給水量與蒸發(fā)量的不均衡容易引起汽包水位的較大波動(dòng)。為快速減小乃至消除給水量和負(fù)荷變化所帶來(lái)的干擾，從而有效控制水位。實(shí)踐中需要一種具有較高調(diào)節(jié)質(zhì)量、抗干擾能力強(qiáng)、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。文章介紹了一種數(shù)字PID控制算法在PLC上的實(shí)現(xiàn)方法，該控制方案可以有效控制汽包水位這類較難控制的熱工對(duì)象。

關(guān)鍵詞 PLC；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）06-0019-02

1 緒論

蒸汽鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備，保證其安全有效的運(yùn)行及輸出質(zhì)優(yōu)的蒸汽是日常維護(hù)的重要工作。在應(yīng)用中，鍋爐內(nèi)的實(shí)際水位偏離給定值過(guò)低，則不能保證汽水之間的正常循環(huán)并嚴(yán)重?fù)p壞鍋爐。實(shí)際水位偏離給定值過(guò)大，汽水分離裝置的正常運(yùn)行就會(huì)受到影響，還會(huì)出現(xiàn)蒸汽溢出的危險(xiǎn)?；诖耍刂坪闷坏暮侠碜兓清仩t安全運(yùn)行的必備要素。

2 受控對(duì)象特性

鍋爐給水量、鍋爐蒸發(fā)量是所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中所要面對(duì)的兩個(gè)主要擾動(dòng)信號(hào)，為更好的確定控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件流程，應(yīng)首先對(duì)控制系統(tǒng)受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

1）給水?dāng)_動(dòng)下的水位動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)鍋爐的給水量大于蒸發(fā)量時(shí)，汽包內(nèi)的水位并未立即隨之增加，而變現(xiàn)出一小段的慣性階段，原因就在于循環(huán)系統(tǒng)之外的給水溫度遠(yuǎn)小于循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的汽水溫度，當(dāng)前者剛輸入到循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)時(shí)，原有處于飽和狀態(tài)的汽水會(huì)把一部分熱量傳遞給溫度較低的給水，這樣就造成鍋爐汽包及管路內(nèi)熱量的迅速下降，汽泡體積變小。汽水管路內(nèi)氣泡體積減小而騰出的空間恰被輸入水量所充填，汽包內(nèi)的水位暫時(shí)基本不受影響。如若汽泡體積變化接近臨界狀態(tài)時(shí)，汽包水位即開(kāi)始因水量增加而漸漸上升，直至汽泡體積變化達(dá)到飽和狀態(tài)，即動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束時(shí)，汽包水位即開(kāi)始隨注入水量的增加呈直線性上升。

2）蒸發(fā)擾動(dòng)下的水位動(dòng)態(tài)特性。在持續(xù)不斷的蒸發(fā)過(guò)程中，部分蒸汽會(huì)在短暫時(shí)間內(nèi)無(wú)法從水中分離出來(lái)，如若蒸發(fā)狀態(tài)呈現(xiàn)階躍信號(hào)特點(diǎn)時(shí)，鍋爐中的壓力不再增加，循環(huán)系統(tǒng)中水的汽化度增加，二者混合物中蒸汽的體積即刻變大。此刻，鍋爐給水量雖小于鍋爐蒸發(fā)量，但汽包水位卻表現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)。直至蒸發(fā)量與汽泡體積相適應(yīng)，水位才表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

3 鍋爐汽包水位控制方案

上述中對(duì)受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，從中可以看出對(duì)受控對(duì)象的控制會(huì)表現(xiàn)出較大的慣性和延遲特征，即影響系統(tǒng)性能的兩類擾動(dòng)信號(hào)給水和蒸發(fā)做階躍性變化時(shí)，水位會(huì)有不真實(shí)的表現(xiàn)。以往由簡(jiǎn)單的自動(dòng)化儀表所構(gòu)成的控制系統(tǒng)卻不能很好地解決此類問(wèn)題，由此研究了針對(duì)該類熱工對(duì)象的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之方框圖如圖1所示。

該控制系統(tǒng)主要由三個(gè)回路構(gòu)成：主控制回路、前饋控制回路、副控制回路。

主控制回路的控制信號(hào)是汽包內(nèi)的水位值，前饋控制回路的信號(hào)是鍋爐中的蒸汽流量數(shù)值，副控制回路的傳遞信號(hào)是鍋爐的輸入水量值。系統(tǒng)中的主反饋由主比例積分微分控制器、副比例積分微分控制器、變頻器、水泵、受控對(duì)象、檢測(cè)變送裝置等構(gòu)成，設(shè)計(jì)該反饋回路的目的是校正受控量的偏差值，使控制系統(tǒng)的實(shí)際輸出信號(hào)接近于給定輸入信號(hào)；系統(tǒng)中的局部反饋主要由副比例積分微分控制器、變頻器、給水檢測(cè)變送裝置構(gòu)成，設(shè)計(jì)該局部反饋回路的目的是減小給定信號(hào)變化時(shí)所產(chǎn)生的輸入性影響，并實(shí)時(shí)快速的控制調(diào)節(jié)好給水量與蒸汽量二者之間的偏差；系統(tǒng)中的前饋回路主要由蒸汽檢測(cè)變送裝置構(gòu)成，設(shè)計(jì)該部分的目的是使擾動(dòng)信號(hào)即蒸發(fā)量波動(dòng)時(shí)輸入信號(hào)能快速響應(yīng)，較好的克服水位不真所帶來(lái)的系統(tǒng)誤調(diào)節(jié)。

為進(jìn)一步分析系統(tǒng)，設(shè)定該控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主反饋回路中的各環(huán)節(jié)傳函為主控制器PI1、局部反饋、受控對(duì)象GHG（s）、水位變送器rH；局部反饋回路中的各環(huán)節(jié)傳函為副控制器P2、執(zhí)行器K2、調(diào)節(jié)閥Kμ、給水量變送器rG、給定值信號(hào)分流系數(shù)αG構(gòu)成；前饋回路各環(huán)節(jié)傳函為蒸汽量信號(hào)Z、蒸汽量變送器rZ、蒸汽量信號(hào)分流系aZ。該系統(tǒng)中主副控制器用來(lái)調(diào)節(jié)給定值，主控制器的作用是確保水位的靜態(tài)偏差值較小，主控制器的輸出信號(hào)、鍋爐蒸汽量信號(hào)、鍋爐給水量信號(hào)共同作用到副控制器上。副控制器的作用是確保鍋爐蒸汽量與給水量的動(dòng)態(tài)平衡。

4 控制系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析中若把局部反饋簡(jiǎn)略為比例環(huán)節(jié)，則主反饋可看做為單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。若把給水量視為受控對(duì)象的給定值，汽包水位值變送裝置的輸出視為輸出信號(hào)，主副調(diào)節(jié)器可視為等效住調(diào)節(jié)器。若通過(guò)實(shí)驗(yàn)法得到主反饋回路中汽包的階躍響應(yīng)曲線，進(jìn)而推導(dǎo)出系統(tǒng)參數(shù)，然后比照相應(yīng)的計(jì)算方法得到等效控制器的參數(shù)。

在主回路中，如果把副回路近似看作為比例環(huán)節(jié)，則主回路等效為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。如果以給水流量G作為汽包的輸入信號(hào)，水位變送單元的輸出為輸出信號(hào)，可以把主控制器與副回路兩者看作為等效主控制器。主回路仍按單回路系統(tǒng)的整定方法整定，如通過(guò)試驗(yàn)方法求取主回路受控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，并由曲線求得系統(tǒng)參數(shù)，再按響應(yīng)曲線法中給定的公式計(jì)算等效調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。為了使鍋爐的蒸汽量與給水量的偏差得到及時(shí)有效的控制調(diào)節(jié)，局部反饋回路可簡(jiǎn)略為一個(gè)具備比例環(huán)節(jié)特點(diǎn)的伺服系統(tǒng)。

5 鍋爐給水控制系統(tǒng)在PLC上的實(shí)現(xiàn)

1）控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成。該系統(tǒng)硬件主要由可編程控制器、變頻器、變送器、電氣控制部分等構(gòu)成。較完備的適應(yīng)性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須要考慮的，為此確定了手控和自控互為備份的整體系統(tǒng)架構(gòu)。在自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，操作工仍可通過(guò)控制面板來(lái)對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行手動(dòng)控制。為降低勞動(dòng)者的工作強(qiáng)度及提高控制質(zhì)量，大多數(shù)情況下可通過(guò)自控系統(tǒng)對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)。自控系統(tǒng)失控或變頻器發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了完善的聯(lián)鎖保護(hù)和報(bào)警裝置。

2）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)選用西門子SIMATIC S7-200型PLC，該系列PLC具有體積小、速度快、通信能力強(qiáng)和功能全面等優(yōu)點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要流程如圖3所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鍋爐汽包水位存在不真實(shí)性的問(wèn)題，研究了鍋爐汽包水位串級(jí)三沖量給水的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合PLC技術(shù)和變頻器技術(shù)，結(jié)果表明串級(jí)三沖量加前饋給水控制系統(tǒng)可以快速減小乃至消除給水量和負(fù)荷變化所帶來(lái)的干擾，較好地解決了鍋爐汽包實(shí)際水為反映不不真實(shí)性的問(wèn)題，能夠使受控量快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐汽包水位的實(shí)時(shí)最優(yōu)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘肇新，范建東.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].華南理工大學(xué)出版社，2003.endprint