基于PLC的鍋爐串級三沖量給水控制系統(tǒng)設(shè)計

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。為快速減小乃至消除給水量和負(fù)荷變化所帶來的干擾，從而有效控制水位。實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象。

關(guān)鍵詞 PLC；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)的實際水位偏離給定值過低，則不能保證汽水之間的正常循環(huán)并嚴(yán)重?fù)p壞鍋爐。實際水位偏離給定值過大，汽水分離裝置的正常運(yùn)行就會受到影響，還會出現(xiàn)蒸汽溢出的危險。基于此，控制好汽包水位的合理變化是鍋爐安全運(yùn)行的必備要素。

2 受控對象特性

鍋爐給水量、鍋爐蒸發(fā)量是所設(shè)計控制系統(tǒng)實際運(yùn)行中所要面對的兩個主要擾動信號，為更好的確定控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件流程，應(yīng)首先對控制系統(tǒng)受控對象的動態(tài)特性進(jìn)行分析。

1）給水?dāng)_動下的水位動態(tài)特性。當(dāng)鍋爐的給水量大于蒸發(fā)量時，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，原有處于飽和狀態(tài)的汽水會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)的水位暫時基本不受影響。如若汽泡體積變化接近臨界狀態(tài)時，汽包水位即開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)，即動態(tài)過程結(jié)束時，汽包水位即開始隨注入水量的增加呈直線性上升。

2）蒸發(fā)擾動下的水位動態(tài)特性。在持續(xù)不斷的蒸發(fā)過程中，部分蒸汽會在短暫時間內(nèi)無法從水中分離出來，如若蒸發(fā)狀態(tài)呈現(xiàn)階躍信號特點時，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。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。

3 鍋爐汽包水位控制方案

上述中對受控對象的動態(tài)特性進(jìn)行了分析，從中可以看出對受控對象的控制會表現(xiàn)出較大的慣性和延遲特征，即影響系統(tǒng)性能的兩類擾動信號給水和蒸發(fā)做階躍性變化時，水位會有不真實的表現(xiàn)。以往由簡單的自動化儀表所構(gòu)成的控制系統(tǒng)卻不能很好地解決此類問題，由此研究了針對該類熱工對象的控制系統(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是汽包內(nèi)的水位值，前饋控制回路的信號是鍋爐中的蒸汽流量數(shù)值，副控制回路的傳遞信號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、受控對象、檢測變送裝置等構(gòu)成，設(shè)計該反饋回路的目的是校正受控量的偏差值，使控制系統(tǒng)的實際輸出信號接近于給定輸入信號；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、給水檢測變送裝置構(gòu)成，設(shè)計該局部反饋回路的目的是減小給定信號變化時所產(chǎn)生的輸入性影響，并實時快速的控制調(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變送裝置構(gòu)成，設(shè)計該部分的目的是使擾動信號即蒸發(fā)量波動時輸入信號能快速響應(yīng)，較好的克服水位不真所帶來的系統(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Z、蒸汽量變送器rZ、蒸汽量信號分流系aZ。該系統(tǒng)中主副控制器用來調(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、鍋爐蒸汽量信號、鍋爐給水量信號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象的給定值，汽包水位值變送裝置的輸出視為輸出信號，主副調(diào)節(jié)器可視為等效住調(diào)節(jié)器。若通過實驗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，水位變送單元的輸出為輸出信號，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，如通過試驗方法求取主回路受控對象的階躍響應(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有效的控制調(diào)節(jié)，局部反饋回路可簡略為一個具備比例環(huán)節(jié)特點的伺服系統(tǒng)。

5 鍋爐給水控制系統(tǒng)在PLC上的實現(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，操作工仍可通過控制面板來對鍋爐汽包水位進(jìn)行手動控制。為降低勞動者的工作強(qiáng)度及提高控制質(zhì)量，大多數(shù)情況下可通過自控系統(tǒng)對受控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)。自控系統(tǒng)失控或變頻器發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)設(shè)計了完善的聯(lián)鎖保護(hù)和報警裝置。

2）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。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，易實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要流程如圖3所示。

6 結(jié)束語

針對鍋爐汽包水位存在不真實性的問題，研究了鍋爐汽包水位串級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)荷變化所帶來的干擾，較好地解決了鍋爐汽包實際水為反映不不真實性的問題，能夠使受控量快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而實現(xiàn)了對鍋爐汽包水位的實時最優(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