1、 鍋爐汽包水位控制系統（SP=2M）學生學號： 學生姓名： 專業班級： 分 院： 機電工程學院 指導教師： 起止日期：中國計量學院China Jiliang University目 錄課程設計任務書3 1.1設計題目3 1.2設計目的31.3設計要求3鍋爐汽包水位控制系統說明書4一、監控軟件組態4二、設備選型4三、目前狀況6四、工藝過程6五、控制方案8 六、控制流程圖9七、儀表規格圖10八、設計體會10軟件功能介紹12參考文獻：15課程設計任務書一、 設計題目鍋爐汽包水位控制系統二、 設計目的通過該課程的學習，掌握計算機輔助自動控制系統設計及仿真方法，掌握簡單工業監控軟件的設計，培養工程觀念，

2、為畢業設計等后續實踐課程打好基礎三、 設計要求：1.控制方案均采用單回路控制，可以采用更復雜的控制方案，如串級控制等2.控制方案的確定：1）了解工藝過程；2）確定控制量、被控量；3）控制結構、控制策略；4）控制結構圖3.控制流程圖的繪制：用AUTOCAD繪制，粘帖到WORD文檔中（注意儀表裝置的符號，可參考過程控制系統工程設計P14）4.設備選型：傳感器、儀表的選型；繪制自控儀表規格表 （可參考過程控制系統工程設計P38，圖10、圖11） 5.控制系統軟件組態：利用ForceControl(力控組態軟件，版本3.62)完成控制系統軟件組態6. 軟件的主要功能：工藝流程圖，數據采集，顯示（界面動

3、畫等），控制，報警組態，數據保存，歷史數據查詢，報表打印等功能 鍋爐汽包水位控制系統說明書一、 監控軟件組態： 圖1-1.鍋爐汽包水位控制組態畫面二、 設備選型1.對流量信號輸入、通訊和變送采用AI-808H型儀表: 儀表最多可安裝6個模塊。儀表型號共由8部分組成。這表示一臺儀表基本型號為AI808H 型，面板尺寸為A 型（96×96mm），溫度及壓力輸入采用I0 模塊（即溫度采用熱電偶或熱電阻，壓力為0-5V 或1-5V 輸入），流量輸入采用為I2 模塊（頻率信號輸入），OUTP 為L1 繼電器模塊可用于批量控制輸出，ALM 為L5 雙路繼電器模塊可輸出2 路報警信號，AUX 安裝

4、線性電流變送輸出模塊X 可將流量信號變送輸出，COMM 裝有自帶隔離電源的RS485 通訊接口S4。AI808H的主要特點是： （1）. 模塊化輸入并可編程，流量輸入信號可為1-5V、0-5V、4-20mA 及頻率等，也可定制特殊輸入規格，溫度信號可編程輸入為Pt100 熱電阻、K、E、J 型熱電偶、電壓或電流信號，壓力信號可為各種電壓或電流信號。 （2）.可安裝AI 系列儀表各種通用模塊及豐富的可編程功能，可實現瞬時流量、溫度及壓力的上、下限報警功能，并具備變送輸出、通訊、24V/12V 電壓輸出等多種功能。 （3）.可選數碼管或中文LCD 顯示方式。另可選安裝于DIN 導軌上的E5 外型儀

5、表，無顯示，適合用RS485 聯機工作。 （4）. 具有8 位累積器及4 位瞬時測量值顯示，可選擇開方/不開方處理及設置任意范圍的小信號切除功能。 （5）.AI-808H 具備完整的溫壓補償功能，無需更換不同的儀表或型號，通過編程即可實現一般氣體、飽和蒸汽、過熱蒸汽及液體的溫壓補償運算。采用查表方式對蒸汽進行補償運算，具有較高的精度。并可依照用戶要求擴充補償公式實現特殊功能，如對熱量或其他物理量的累積，含水分天然氣累積等。 （6）作為批量控制器使用時，具有獨立的4 位控制累積器及12 位總累積器，及專門的顯示模式，功能強大，操作方便。 （7）. 先進的運算方式，保證頻率信號即使在頻率很低時也有

6、足夠的流量運算精度。 （8）采用新一代高精度電流變送輸出模塊，提供14 位輸出分辯率及0.2 級輸出精度。 其具體參數如下：電源100240VAC，-15%，+10% / 5060Hz；或24VDC/AC，-15%，+10%電源消耗5W使用環境溫度-10 +60；濕度90%RH面板尺寸96×96mm、160×80mm、80×160mm、48×96mm、96×48mm、72×72mm開口尺寸92×92mm、152×76mm、76×152mm、45×92mm、92×45mm、68×

7、;68mm插入深度100mm 表2-1 AI-808H型儀表參數2.采用CAP-3011型智能電容液位計: CAP-3011智能電容液位計是利用先進的射頻電容檢測技術，輔以工業級范圍測量系統溫度漂移補償技術制作而成。它除了繼承傳統電容式液位檢測技術的優點外，還解決了傳統電容式液位計難以克服的測量系統溫度漂移大、檢測線性較差、分辨力差等缺陷。可應用于各種工業環境下被測介質組分相對穩定的溶性介質液位測量及干性粉末、顆粒料位測量。主要特點是1、兩線制電流環，測量系統與電流環隔離； 2、測量系統溫度飄移自動補償；3、簡便的兩點標定；4、經C E 認證的良好的電磁兼容特性；5、連續測量液位、料位、界面；

8、6、極優的線性測量， 更小的分辨測量單位；7、低功耗、無可動部件、精良工藝保證；8、耐高溫、高壓、強腐蝕；9、中文操作環境， 輕松整定， 帶自診斷。技術指標：工作電壓最大：30v 最小：18v負載電壓220V AC/300V DC(非防爆場所)介質溫度：-150150測量范圍030米環境溫度-4085存儲溫度-55100測量周期0.5秒分 辨 率0.02mm  表2-2 CAP-3011智能電容液位計參數三、 目前狀況： 本鍋爐汽包水位控制系統具有：1.實時控制鍋爐的汽包水位、壓力等符合工藝要求，實現分級報警、聯鎖保護，確保鍋爐運行安全。 2.動態顯示全部的各工藝參數、報警，主要工藝

9、曲線，自動累計各流量，輸出日報表和月報表。 3.從現場（二次儀表的數據）收集信息，建立歷史數據庫，提供歷史曲線、報表查詢功能。 4.可利用企業局域網實現在任何地點實時瀏覽現場數據。本系統充分結合了力控系列PLC優越的調節性能及強大監控機制，具有以下的優點： 1.控制汽包參數平穩，保證了系統運行的安全。 2.監控界面直觀，操作方便，可隨時隨地掌握現場情況。 3.系統結構簡捷，維護方便。四、工藝過程：6 氣泡水位是鍋爐運行的主要標志，是一個非常重要的被控變量，維持水位在一定的范圍內是保證鍋爐安全運行的首要條件，這是因為：（1）水位過高會影響氣泡內汽水分離，飽和水蒸氣帶水過多，會使過熱器壁管結垢導致

10、損壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降。該過熱蒸汽作為汽輪機動力的話，將會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全與經濟性。（2）水位過低，則由于氣泡內的水量較少，而負荷很大時，水的汽化速度加快，因而氣泡內的水量變化速度很快，如不及時調節就會使氣泡內的水全部汽化，導致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐氣泡水位必須嚴加控制。4.1汽包水位的動態特性8鍋爐汽水系統結構如圖所示：74211-給水母管； 2-給水調節閥3 3-省煤器； 4-氣泡； 5-下降管； 6-上升管； 5 7-過熱器； 8-蒸汽母管 圖4-1.鍋爐的水氣系統汽包水位不僅受汽包的影響（包括循環水管）中儲水亮的影響，亦受水位下汽包容積的影響。而水位

11、下汽包容積與鍋爐的負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等有關。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐的蒸發量（蒸汽流量D）和給水量W。下面著重討論在給水流量作用下和蒸汽流量擾動下的水位過程的動態特性。（1）汽包水位在給水流量作用下的動態特性WH1HHtt 是給水流量作用下，水位的階躍響應曲線。把汽包和水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應曲線如圖中H1線。但是由于給水溫度比汽包內飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸取部分熱量，這使得水位下汽包容積有所減少。當水位下汽包容積的變化過程逐漸平衡時，水位變化就完全反映了由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。最后當水位下汽包容積不在變化時，水位變

12、化就完全反映了由于儲水量的增加而直線上升。因此，實際水位曲線如圖中H線，即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現出一段起始慣性段。用傳遞函數來描述時，它近似于一個積分環節和時滯環節的串聯，可表示為： /s式中，響應速度，即給水流量變化單位流量時，水位的變化速度，(mm/s)/(t/h)；時滯(s)。給水溫度低時，時滯亦越大。對于非沸騰式省煤器的鍋爐，=30100s,對于沸騰式省煤器的鍋爐，=100200s。有些文獻上相應速度用相對量來表示，即是當擾動量為100%時，水位（用相對量來表示，以允許變化的范圍為100%）的變化速度。并以的倒數（稱為響應時間）來表示。響應時間的定義是

13、：當擾動為100%時，水位變化100%所經過的時間，單位是s。 （2）汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態特性 在蒸汽流量D擾動作用下，水位的階躍響應曲線所示。H2DDtHH1t 圖4-3.蒸汽流量擾動作用下的水位響應曲線 當蒸汽流量D突然增加時，從鍋爐的物料平衡關系來看，蒸汽量D大于水量W，水位應下降，如圖中曲線H1.但實際情況并非如此，由于蒸汽用量的增加，瞬時間必然導致汽包壓力的下降。氣泡內水沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，由于氣泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中H2所示。而實際顯示的水位響應曲線H為H1+H2.從圖上可以看出，當蒸汽負荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發量，但在一開始時，水位不僅

14、不下降反而迅速上升，然后再下降（反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升），這種現象稱之為“虛假水位”。應該指出：當負荷變化時，水位下氣泡容積變化而引起水位的變化速度是很快的，圖中的H2的時間常數只有10s20s。蒸汽流量擾動時，水位變化的動態特性可用傳遞函數表示為： +式中 響應速度，即蒸汽流量變化單位流量時，水位的變化速度，(mm/s)/(t/h); 響應曲線H2的放大系數； 響應曲線H2的時間常數；五、控制方案：鍋爐水位波動的幅度影響鍋爐的安全和蒸汽汽壓和穩定性。而鍋爐蒸汽流量，給水流量和燃煤量的變化都會擾動水位，而且這些擾動剛開始都會造成虛假水位。從鍋爐給水流量改變到水位恢復正

15、常要經過較長的時間，屬于大滯后系統，這些客觀條件要求鍋爐水位控制系統要有良好的性能。目前采用的較普遍的串級三沖量控制系統，也就是通過2個PID，鍋爐蒸汽流量，鍋爐水位，鍋爐給水流量三個變量實現給水的自動控制。三沖量的特點是綜合控制，各有主次，控制原理如圖： 圖5-1.鍋爐水位控制圖（三沖量） 為了穩態誤差小，采用水位負反饋與水位給定的偏差做主調節器輸入信號的閉環系統。為了克服大滯后和虛假水位的影響能夠響應快、超調量小、調整時間短，采用蒸汽流量前饋和給水流量反饋與主調節器輸出比較的偏差做副調節器輸入信號的副環系統；副調節器輸出信號，通過對給水流量的調節而調節鍋爐的水位。該串級三沖量給水流量自動調

16、節（水位控制）系統如圖所示，具有鍋爐負荷階躍擾動時，響應快、過度過程平穩、穩態誤差小等特點。采用西門子S7-300系統，。利用上位機的圖形組態功能，可以很方便地實現該串級調節系統的組態和參數整定。   在本工程中，只有蒸汽流量、汽包水位2個變量，不能實現三沖量控制，實際上采用二沖量控制，PI調節中，以水位作為反饋對象，以調節閥作為執行機構，調節鍋爐汽包水位，其中以蒸汽流量運算后做為PID調節輸出的下限，做為鍋爐運行時正常供水量的基本值，如果水位出現偏差，PI會在這個值的基礎上自動進行調節，輸出到調節閥，調節給水流量大小，本系統中鍋爐假水位主要有2種情況，加大負荷和減小負荷，

17、當增加蒸汽供給時，汽包內壓力下降，水位立即上升，出現假水位，當減少蒸汽供給時，汽包內壓力增加，水位降低，但與前者相比不是太明顯。在程序設計中水位達到上限時PI調節不能及時減小供水量，所以采用水位到上限時立即關閉輸出，延時一定時間后打開輸出允許PI調值輸出。圖5-2.鍋爐水位控制圖（雙沖量）   由于是供暖鍋爐，鍋爐的啟停較頻繁，工人操作時為了在停止時也自動供水，程序設計了在停止時采用上下限的自動供水方式，設定水位低于鍋爐運行時的水位，目的是當鍋爐啟動后，盡量減小由于爐內升溫引起水位上漲，造成假水位。六、 控制流程圖 圖6-1.鍋爐水位控制流程圖七、 儀表規格設計院工程名稱鍋

18、爐汽包水位控制自控設備表編制 圖號設計項目工控軟件課程設計項目校核 第1頁共1頁審核 系統位號及名稱鍋爐汽包水位控制系統儀表位號LCLV儀表及其附件數量名稱智能流量積算儀智能型電容液位計水液電磁閥型號AI-808HCAP-3011ZCS6規格體型附：插入式帶現場指示表插入式防爆電磁閥門防爆本安型零點遷移：±20%/FS防爆本安型電磁先導式結構ZCS6精度0.2級精度0.2級閥體：不銹鋼操作條件介質及重度蒸汽流體水1000kg/m31000 kg/m3溫度最大999-408525流量或液位最大 14 m3/h正常11 m3/h最小9m3/h安裝地點50PL

19、201B25B閥上安裝圖號備注表7-1. 自控儀表規格表八、 設計體會經過兩個星期的課程設計，在同學與老師幫助下終于完成此次課程設計。設計過程中也遇到了很多阻礙，專業知識的缺乏、相關軟件不會應用、找不到入手點等等，這些問題一直困擾著我們。通過不斷的檢索相關資料，以及參考網上有關信息，終于摸索出了一套自己的設計、學習方法，并在設計過程中不斷完善系統，使之更精確、更美觀。下面列舉了一下設計過程中自己的收獲：1.學會了三維力控組態軟件的使用，并能夠設計一些簡單的工業過程系統。2.初步了解了三維力控下的策略控制器，并能進行簡單的操作。3 .鞏固Autocad2004的制圖方法。4.增強和鍛煉了自己的動手能力和把理論運用到時間的能力。 5.通過查閱資料，對如何設計系統有了進一步的認識，了解了工業過程中鍋爐控制的相關知識，為今后學習過程控制打下了一定基礎。 軟件功能介紹 1、 鍋爐水位雙沖量控制：汽包水位自動控制回路采用二沖量控制，PI調節中，以水位作為反饋對象，以調節閥作為執行機構，調