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1、华东交通大学理工学院Institute of Technology.East China Jiaotong University毕 业 设 计Graduation Design（20132014年）题 目 基于PLC的水位控制系统设计全文结构不尽合理，格式存在大量错误，具体见文内批注！ 分 院： 电气与信息工程分院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电力2010-4 学 号： 20100210470533 姓 名： 王海峰 指导教师： 李房云 起讫日期： 2014年3月至2014年6月 华东交通大学理工学院毕业设计（论文）原创性申明本人郑重申明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在导师指导下
2、独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中特别加以标注引用，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计（论文）的全部
3、或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计（论文）。（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权书） 毕业设计（论文）作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 格式问题，请参照学校相关文件进行修改！ 签字日期： 年 月 日摘 要节约能源， 提高生产工艺过程中的能量利用率和开发研究新的节能技术已成为各国研究能源利用技术的主要课题。随着生产工艺的改进和采用有效的节能技术设备，一次能源利用率的逐步提高，高温余热资源的总量相应减少，大量的中、低温余热和固体显热的余热未得到经济而有效地回收利用。为了给好更充分的利用资源和减少能源浪费，因此，余热锅炉产生了
4、并高速发展。汽包水位的稳定性是余热锅炉运行的主要指标，为了保证余热锅炉的安全、稳定、经济运行，本文设计采用了性能先进的PLC、微型计算机、智能调节器等自动设备组成的余热锅炉自动控制系统，并且以三冲量调节方式对余热锅炉汽包液位进行控制。这样使整个系统适应能力更强，抗干扰能力和鲁棒性更好，保证水位的稳定。因此，设计出更精准、更灵活的水位控制系统是非常必要的。关键词：余热锅炉；汽包水位； 三冲量； 串级系统；PLC； AbstractTo save energy, improve the production process of energy utilization and development
5、 research new energy-saving technology has become energy utilization technology in all countries the main research topic. As improve the production process and adopting effective energy saving technology and equipment, once the gradual improvement of the energy efficiency, high temperature heat reso
6、urces corresponding decrease the amount of low-temperature heat and solid, did not get the sensible heat waste recycling economic and effectively. In order to give good more fully utilization of resources and reduce energy wasted, so, waste heat boiler produced and high-speed development. The stabil
7、ity of the drum water level is waste heat boiler operation of the main index, in order to guarantee the waste heat boiler safety, stability and economic operation was designed using performance, this paper advanced PLC, microcomputer, intelligent regulator automated equipment such as the waste heat
8、boiler of automatic control system, regulating mode in three impulse and to waste heat boiler drum liquid level control. This ability to adapt to the whole system, the anti-interference ability and stronger robustness, guarantee the stability of water. Therefore, design a more accurate and more flex
9、ible water level control system is very necessary.Keywords: waste heat boiler; drum level; three impulses; cascade system; PLC;目 录摘 要4Abstract51、绪 论81.1 余热锅炉水位控制系统的意义81.2余热锅炉的现状和发展81.2.1余热锅炉的现状81.2.2余热锅炉的发展91.3余热锅炉水位控制的现状和发展102、余热锅炉系统结构112.1余热锅炉的分类及结构112.1.1余热锅炉的分类112.1.2余热锅炉的结构122.2余热锅炉生产工艺过程简介132.
10、2.1铜转炉生产过程简介132.2.2余热锅炉生产工艺过程143、余热锅炉的水位特性及控制153.1余热锅炉的水位特性153.1.1锅炉汽包水位的特性153.2汽包水位调节153.2.1单冲量水位调节系统153.2.2双冲量水位调节系统163.2.3三冲量水位调节系统174、110T铜转炉生产余热锅炉水位控制系统PLC软件设计194.1控制系统设计思想和总体方案194.2应用软件总体结构194.3程序设计与分析204.3.1主程序功能204.3.2主程序框图214.3.3改进三冲量控制子程序224.3.4并联FUZZY/模糊自适应PID子程序235、结论及展望25参考文献261、绪 论绪论 还
11、需包含你所研究的内容（文章的结构）；另外后续章节建议第二章写整体方案的设计；第三章写系统硬件的设计；第四章写系统的软件设计，最后写仿真以及结论1.1 余热锅炉水位控制系统的意义余热锅炉是将工业生产过程中产生的余热烟气(如：北方供暖锅炉产生的余热烟气，制砖厂生产过程产生的余热)转化成蒸汽，为生产过程提供动力、热能或着通过热电站汽轮发电机组转化为电能。它能够回收余热，高效利用和节约能源，实践证明，余热锅炉在各企业的节能中发挥了相当有效的作用，获得了较好的经济效益，其投资一般可在3年4年内回收，这对于企业实现“节能减排”、“环境保护”，及资源的循环利用具有重要的作用。水位控制系统的稳定性是余热锅炉运
12、行的主要指标。其主要任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。这是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度越来越频繁，人工操作越来越繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。目前，常规PID控制方式是主流汽包水位的控制方法，其控制效果常常难以满足要
13、求。针对余热锅炉给水过程的特点，应用一种带有参数在线自校正模糊PID控制器的多冲量控制系统，实现余热锅炉汽包水位的定值控制。这样使整个系统适应能力更强，抗干扰能力更好，保证水位的稳定。因此，设计出更精确、更灵活的水位控制系统是非常必要的。1.2余热锅炉的现状和发展1.2.1余热锅炉的现状节约能源，提高生产工艺过程中的能量利用率和开发研究新的节能技术已成为各国研究能源利用技术的主要课题。随着生产工艺的改进和采用有效的节能技术设备，一次能源利用率的逐步提高，高温余热资源的总量相应减少，大量的中、低温余热和固体显热的余热未得到经济而有效地回收利用。因此，余热利用技术正由高温排烟的余热回收技术转向中、
14、低温和固体显热的余热回收利用技术。为提高能源利用率和节约能源，除采用高能效的新设备和新工艺外，采用余热锅炉回收各类余热也是提高能源利用率的重要手段。为此，各国先后开展了余热锅炉的研制工作，并在节能中大力推广应用余热锅炉，取得了显著的节能成果。目前，国外利用余热发电的新趋势，是单机功率小，载热体温度低(即利用中低温余热发电)。国内也有一些利用余热发电，如炭黑工业中的低热值尾气余热和硫酸工业中的硫酸余热发电等，所发的电能主要供工厂自用。目前，已把如何利用中低温的低品位余热发电，作为开发节能新技术的重要课题。余热锅炉是一种理想的节能设备， 它不但能节约能源，而且对提高主流程的质量，减轻公害和满足某些
15、工艺流程要求，都起着十分重要的作用。现有的余热锅炉按进锅炉的介质特性，有以下几种主要型式：(1)废烟气不需要进一步处理的余热锅妒；(2)废烟气需要进一步处理的余热锅炉；(3)废烟气要进一步处理， 且其冷却应在给定的间时内完成的余热锅炉；(4)固体显热的余热锅炉1.2.2余热锅炉的发展我国在上世纪50、60年代还没有研究和设计余热锅炉的专业队伍，主要是仿制一些余热锅炉。在70年代初发生世界性石油危机和各工业发达国家争相加快余热锅炉的开发时，我国也着手并开始实施发展余热锅炉的规划，并从1974年1980年，先后投资扩建余热锅炉研究和制造基地，现已具有一定的余热锅炉研制能力及雄厚的科研基础。至今已开
16、发并制造了涉及19各类别、92各品种、129各规格、用于冶金、化工、建材和轻纺等行业的余热锅炉。但是和外国先进的技术来说，还是有许多不足，所以加强与国外的技术交流，借鉴国外的先进经验是必不可少的。美国在50年代就开始研究用于回收钢铁工业余热回收的余热锅炉，此后相继开展了用于回收其它行业余热源的余热锅炉研制，至今已经有四五十年的历史，并积累了大量的经验。上世纪7O年代末，美国QDOT公司开始研制QDOT式热管式余热锅炉，首台锅炉用于甲苯的蒸发加热。到目前为止，正在运行中的热管式余热锅炉已有数十台。另外，美国能源研究开发中心开发了以甲苯为工质，回收利用烧结机排烟余热的发电系统。这一余热发电系统除利
17、用烧结机排烟余热外，还可利用其它各种工艺或各种设备产生的中低温烟气余热发电。美国十分重视利用城市垃圾的能源资源，目前有大约160个垃圾一能源工厂。已投人运行的垃圾余热发电站有28座，装机容量已达到1270MW。在今后十年内，垃圾发电事业将成为发展最快的行业之一。1.3余热锅炉水位控制的现状和发展对于余热锅炉的水位控制系统方面来说，由于目前国内外许多学者都已经开始对余热锅炉进行仔细研究，希望通过研究币断提高整个联合循环系统的效率。在这种背景下余热锅炉的自动控制，无论在控制规律、控制算法和实现方法等方面都得到了大幅提高。在控制规律方面，有单冲量、双冲量、及各种三冲量控制方案，这些方案克服了传统PI
18、D控制器参数不可改变的缺点，提高了系统的控制品质，在精准度上有了很高的提升。目前国内外关于锅炉水位控制一般均采用三冲量控制，有以下两种常用的方案：1、单级三冲量控制系统。2、由锅筒水位调节器和给水流量调节器组成的串级控制方案。分段表述这两种方案都有着或多或少的缺点，前者如果系统参数设置不能确保物料平衡，则负荷变化时，水位将有余差。后者虽然精确较高可以消除余差，但其构成复杂，成本过高。随着计算机技术的发展，数字式控制系统已经逐渐代替了仪表控制系统，在锅炉水位控制中发挥着越来越重要的作用。出现了计算机群控系统， PLC控制系统、单片机控制系统等技术方案。近年来，以基PLC的控制系统最为普遍，其特点
19、是硬件稳定可靠、标准统一、二次开发能力较强。因此其系统的寿命很高，便于收回成本。2、余热锅炉系统结构2.1余热锅炉的分类及结构2.1.1余热锅炉的分类1、根据结构形式，余热锅炉可分为管壳式和烟道式余热锅炉。管壳式余热锅炉的结构与管壳式换热器无多大区别，并同样有固定管板式、浮头式及U形管式等。烟道式余热锅炉的结构与普通锅炉的相似，有耐火砖砌成炉膛，炉膛内装设管束，高温气体通过炉膛，将管束内流动的水加热汽化。烟道式余热锅炉是一种用以回收利用各种炉窑的排烟余热的锅炉。由于余热源是炉窑排出的，一般都是常压或微正压的炽热烟气（或工艺气）。且这类余热锅炉的结构与工业锅炉或电站锅炉相似，故称为烟道式余热锅炉
20、。常用于硫酸生产装置、石油裂解装置、催化裂化装置等。烟道式余热锅炉是水管锅炉，水或蒸汽在受热管的管内流动，烟气在受热管管外的烟道中流动。烟气通过冲刷管子的外表面将热量传递给管内的水或蒸汽。烟道式余热锅炉的显著特点是，在一个烟道里有预热器、过热器、蒸发器、省煤器、烟囱、汽包、上升管、下降管、等部件。管壳式余热锅炉是火管锅炉，烟气在受热管管内流动，水在管外的锅壳中流动。热量通过管壁传递给管外的水。通常管壳式余热锅炉只是水的蒸发，没有过热段和省煤段。大型管壳式余热锅炉有汽包、上升管、下降管。而小型管壳式余热锅炉采用锅壳上部的空间进行汽水分离。2、根据高温气体通过管内还是管外，余热锅炉分为火管余热锅炉
21、和水管余热锅炉。水管余热锅炉有双套式（俗称刺刀形）、立式U形管式等形式；火管余热锅炉有一段式结构和二段式结构。火管余热锅炉是高温气体在炉管内流动。沸水从汽包经下降管流入锅炉底部，在管壁受热，变为汽水混合物，由上升管返回汽包。这种余热锅炉结构简单，因壳体承受蒸汽压力，适用于生产压力不高的蒸汽。水管余热锅炉是沸水流过管内，高温气体流经关外。因锅炉的壳体不承受蒸汽压力，适用于生产高压蒸汽。根据沸水的流动形式，水管余热锅炉又可分为以下形式；自然循环式，管内沸水流动的推动力是下降管内的水与上升管内的汽水混合物之间的密度差。为保证一定的存环量，汽包需有足够的安装高度。强制循环式，在下降管路中安装循环泵，借
22、以提高管内沸水流速，防止汽包停滞恶化传热。因这种锅炉在运转、维修、投资等方面有许多不利因素，仅在特殊场合分段表述采用。2.1.2余热锅炉的结构图 1强制循环余热锅炉1 图标的字体是黑体五号；2、 图不清晰；3、文章中没有给出和图有关的阐述和说明；上图所示的余热锅炉就是强制循环余热锅炉。从汽包下部出来的水经一台循环泵后，进入蒸发器，是靠循环泵产生的动力使水循环的，称为“强制循环余热锅炉”。其特点是；各受热面组件的管子是水平的，受热面之间是沿高度方向布置，可节省地面的面积，并使出口处的烟囱高度缩短。但在运行中需要循环泵，使运行复杂，增加维修费用。目前油田进口的余热锅炉，多数采用此种型式。图 2自然
23、循环余热锅炉1 图标的字体是黑体五号；2、 图不清晰；3、文章中没有给出和图有关的阐述和说明；上图是一台自然循环余热锅炉，全部受热面组件的管子是垂直的。给水进入省煤器吸热后，进入汽包。汽包有下降管与蒸发部的下联箱相连，下降管位于烟道外面，不吸收烟气的热量。汽包还与蒸发器的上联箱相连。直立管簇吸收烟气的热量。当水吸收烟气热量就有部份水变成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管内汽和水混合物的平均密度要小于下降管中水的密度，两者密度差形成了水的循环。也就是说：不吸热的下降管内的水比较重，向下流动。直立管内的汽水混合物向上流动，形成连续产汽过程。此时进入蒸发器的水不是靠循环泵的动力，而是
24、靠流体的密度差而流动，这种余热锅炉称为“自然循环余热锅炉”。其特点是：省去循环泵，使运行和维修简单。但各受热面是沿水平方向布置，占地面积大，在排烟处所需烟囱的高度要高。2.2余热锅炉生产工艺过程简介2.2.1铜转炉生产过程简介铜转炉生产过程主要是从进料口送入原料至炉膛内进行高温熔炼。转炉在吹炼过程中产生的火量高温烟气，由余热锅炉降温后再经除尘、脱硫后排至大气中。转炉熔炼的主要原料是：主料（电炉粗炼出的低品位冰铜）、冷料（用以调节炉内温度的固态冰铜）、熔剂(石英砂，用于造渣)。冷料和熔剂由运输皮带送来装入各自的料仓，再经皮带秤、活动溜槽加入转炉中。在转炉炉体后下方，有30多个风眼。熔炼过程中，由
25、空压机房送来的压缩空气，通过风眼向炉内送风用以氧化炉内杂质，形成炉渣。风压约为约2.2kg2.3kg风量为2000046000 立方米/小时。为提高炉内温度，缩短吹炼时间，需在鼓风中加入一定量的纯氧，含氧量的多少，由工艺要求设定，一般约为总风量的25%左右。铜转炉在吹炼过程中，炉内温度1300摄氏度左右，产生的烟气温度在900摄氏度左右，含有大量热能，烟气被密封烟罩收集送往余热锅炉进行降温并生产蒸汽。最后旋风吸尘器对余热锅炉出口烟气（约300摄氏度）收尘。2.2.2余热锅炉生产工艺过程余热锅炉是专门用于与转炉配套的热能利用转换设备，包括热交换、锅筒、除氧水箱等三部分。它利用转炉吹炼过程中产生的
26、高温烟气对锅筒中的水循环加热，并在锅筒中进行汽水分离，把产生的蒸汽送往厂区热力网。余热锅炉工艺结构如图1所示。图1是反映的这个内容吗？图3余热锅炉工艺机构图1 图标的字体是黑体五号；2、 图不清晰；3、文章中给的是图1，和这个土不匹配其中，锅简的给水来自除氧器，通过给水调节阀门来调整给水流量。同时，锅简内的水通过循环泵循环流经热交换器，吸取热交换器中烟气的热量，以获得能量。锅筒内的水温远高于水的沸点，由此产生蒸汽，经过蒸汽流量调节阀门送入厂区热力网，产生经济效益。从转炉来的烟气通过热交换器后，温度达到旋风收尘和化工厂所能接受的数值，参与后续生产过程。3、余热锅炉的水位特性及控制3.1余热锅炉的
27、水位特性3.1.1锅炉汽包水位的特性锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。文章格式存在问题，页边距要重点修改维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随
28、着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量和给水流量。综上，引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。3.2汽包水位调节3.2.1单冲量水位调节系统单冲量水位自动调节如图4所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许
29、的操作范围内。图 4单冲量水位调节系统1 图标的字体是黑体五号；2、 图不清晰；3、文章中没有给出和图有关的阐述和说明；从单冲量调节系统静特这部分要连接上部分安排性看，单冲量调节器宜选用比例积分调节规律，如选用纯比例调节则：公式必须用公式编辑器编写式中h-汽包水位；h0-水位的给定值；-调节器比例度；u-调节阀开度。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有(1)这种调节方案只根据水位调节给水量，在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，在调节过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩大了进出流量的不平衡。(2)从给水扰动下水位变化的动态特性可以估计到，当水位已经偏离给定值后再调节给水量，因给
30、水量改变后要经过一定迟延时间才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅度大、调节时间长。分段排列3.2.2双冲量水位调节系统对于存在扰动的系统,可以直接按照扰动进行控制,称作前馈控制,在理论上,它可以消除扰动引起的偏差。在汽包水位双冲量调节系统中引入蒸汽流量为前馈信号，构成如图5所示的双冲量水位自动调节系统。这种调节系统的特点是：(1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过
31、渡过程的时间。(2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静特性，提高调节质量如调节器选用纯比例调节规律。则：分段排列公式编辑器图 5汽包水位双冲量调节系统原理图要自己画图其中： D-静态前馈系数;D-蒸汽流量。在加有前馈控制的系统中，一旦出现扰动，前馈调节器就直接根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于惯性和纯滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化，前馈调节器就进行了了补偿，可以使被控量不会因扰动作用而产生偏差。双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压
32、差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。3.2.3三冲量水位调节系统近代锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在10-30秒内就会发生危险水位，如仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时,还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中,对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给
33、水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制稳定，锅炉水位调节常辅助有蒸汽流量和给水流量动态补偿，由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，如图3-6所示。在这个系统里，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。D、W引入系统的符号，根据各自信号的增减对水位H的影响来定。如蒸汽流量D，当DW时，水位H降低，要使水位H不变就必须在原有给定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值,所以D引入系统的符号为“+”。H、W引入系统的符号可用同样的方法来确
34、定。由于三冲量调节系统抗干扰能力和调节品质都比单冲量、双冲量调节要好，因此应用也最多。图 6三冲量水位调节系统原理图图要自己画；从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路；(1)是由给水流量W、给水分流器w、调节器Gc、调节阀Kv组成的内回路.(2)由水位调节对象Go1和内回路构成的主回路。蒸汽流量D、分流器D、对象GF2均在闭合回路之外它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量调节的实质是前馈加反馈的调节系统。分段排列；在这个系统里，内回路相当于串级调节的副环，当给水流量产生扰动时(给水流量的扰动也称内扰)，由于副回路的快速调节作用，将对水位影响较小。在分析内回路时可
35、认为主回路是开路，内回路是一个随动系统。4、110T铜转炉生产余热锅炉水位控制系统PLC软件设计4.1控制系统设计思想和总体方案在余热锅炉水位控制系统的设计中，控制系统需要完成三个组成部分的过程参数检测以实现水位的自动控制。同时，为了解决大型工业企业集中控制方式实时性较差、数据处理及传输慢，不能适时对生产做出控制决策等缺点。控制系统还需要能够在计算机系统的基础上实现对整个生产过程的控制和管理。余热锅炉水位控制系统如果采用常规仪表进行控制，不仅系统所用的仪表没备多、结构复杂、实施及调试难度大，难以保证系统的可靠性，而且难与控制系统进行通讯，实时监控和适时决策仍然未能实现。近年来，随着可编程控制器
36、技术的不断发展完善，其可靠性高、组态灵活、编程简易、系统设计安装和调试周期短的优点，为实现锅炉水位控制的设计、调试提供了有利条件。同时，由于组态后的控制系统易于通讯，解决了生产过程统一调度的难题。因此，在考察原有设备、仪表和生产条件后，设计并开发一套基于PLC控制的汽包水位控制系统。针对余热锅炉的实际运行情况和特点，控制系统采用了两层结构，即上位机监控和PLC控制系统。其中，上位机负责接收来自管理层的生产计划和调度命令，完成整个生产过程的调度与监控，并对实时数据和历史曲线进行统计和分析，形成相应的报表。PLC控制系统在线采集生产过程参数及设备运行状态，根据各执行机构的信号，控制生产现场的各个相
37、关设备和系统运行。控制系统采用可编程控制器结合上位机监控的设计方案，所有的模拟量经采集过以后都转化成整型数进行处理，开方器、加法器、阻尼器和分流器都可以通过程序计算实现，节约了大量的硬件成本。本论文的主要研究内容是余热锅炉控制子站，包括PLC和工控机两个部分。余热锅炉控制站和其它子站之间通过以太网进行通讯，各子系统的并网和单个系统切断互相不受影响，使全套系统的安全性得到充分保证。4.2应用软件总体结构转炉余热锅炉锅筒水位控制系统软件应用采用模块式结构，以实现生产过程的蛉测和实时控制。主要包括监视模块、数据管理模块、控制算法模块、控制规律模块、在线故障诊断模块、控制输出模块等模块。其中控制算法、
38、控制规律、数据管理三个模块最为重要，是保证锅炉生产安全稳定的前捉条件。应用软件模块结构如图7所示。图 7应用软件模块结构框图图标格式不对；黑体五号；图要自己画4.3程序设计与分析4.3.1主程序功能控制系统主程序主要完成系统启动时对各种参数进行初始化，即对系统进行校正，对各种变量进行定义，完成对整个控制软件进行管理，从上位机获得原始数据，修正变量，定义输出等。由于本系统软件包含了子程序，所以在主程序中包含了一系列转移指令，这些指令使主程序分别转向到不同的子程序。4.3.2主程序框图图 8主程序框图图要自己画，图标不对主程序完成系统的启动白检、应用程序初始化的功能。系统启动上电PLC自检完成后，
39、对系统硬件进行检查，如有故障，采取报警、禁止启动或者系统停车等措施。如果没有硬件故障，而且是从停止状态开始的一次启动，则初始化系统参数，从上位机读取原始数据，给外部输出设备赋初值，然后转入改进三冲量控制，通过采用获得的系统过程参数，确定控制规律。在控制规律的执行中，调用控制器计算子程序计算输出。如果不是启动，则跳过初始化子程序循环执行。4.3.3改进三冲量控制子程序改进三冲量控制予程序框图如图所示。程序说明如下：1.如图中，PICD回路为锅筒压力调节回路，PVD为蒸汽流量调节阀。2.由于烟气温度的不稳定，锅筒压力设定需要跟随温度变化曲线。本系统采用了浮动设定的办法，其具体思路如下：（1）在升温
40、过程中，首先根据锅筒的设计参数确定一个基准值SPh，本文所述的14吨锅炉的设计压力是30kg，根据经验设定20kg为升温时蒸汽流量调节阀的开启压力，当锅筒压力达到20kg，调节阀开始动作，直至阀门全开，然后跳入b过程。（2）在降温过程中，首先要根据稳定工况时锅筒的压力设定一个阀值，阀值的设定方法是：SPs=PVK1公式要用公式编辑器编辑式中SPs为压力设定值PV为阀门全开时锅筒压力K1为设定差值当锅筒压力开始下降时，蒸汽流量调节阀便能及时动作，减缓锅筒压力的变化速度，达到消除假水位的目的；当锅筒压力下降，调节阀开始关断时，设定值维持最高值，不再进行变化；当锅筒压力持续下降到基准值SPh时，将基
41、准值作为压力回路的没定。3.在STEP1中调用了FUZZY/模糊自适应PID控制模块。4. 在STEP1中的三冲量控制和单冲量控制是根据蒸汽流量调节阀PVD的阀位反馈作为判断条件。5. 框图中的单回路都采用标准PIDIND算法，即比例增益不加在微分、积分增益上。6. 控制规律界面的主要功能是实现SPs、PV、K1三个过程参数的记录和设定，保证系统工作状态下手动设定的有效。图 9 改进三冲量控制子程序框图图要自己画，图标不对4.3.4并联FUZZY/模糊自适应PID子程序并联FUZZY/模糊自适应PID子程序框图和上位机控制算法模块界面如图10所示。程序说明如下：1.并联模糊控制模块余热锅炉水位
42、具有大惯性大滞后的特点，采用常规PID控制器进行调节会存在较大的超调，需对PID控制算法进行改进，并联FUZZY控制器。引入如下控制规则：IF |e（k）|emThen uc=uFElse uC=uPID语句有问题，核对后选择。其巾em是根据实际工艺情况设定的阀值,uc是控制器的实际输出,upid是PID控制器的计算输出,uF是并联FUZZY控制器的输出。2.模糊自适应PID控制程序通过上位机监控软件中的FUZZY指令完成,计算结果通过Ethernet赋值到下位机寄存器中,进行PID运算。3. 并联FUZZY控制器控制程序，在PLC中通过查表完成。4.控制算法界面的功能是对模糊控制器进行在线监
43、控，并且允许在线手动修改参数查询表。图 10 并联FUZZY/模糊自适应PID子程序框图图要自己画，图标不对5、结论及展望近年来，小型PLC控制系统在我国锅炉控制领域得到广泛使用，这为先进控制策略的应用创造了良好外部条件。但是由于PLC控制系统中普遍采用与模拟控制器并无本质差别的PID作为控制策略，对于某些特殊锅炉的控制回路（如本文所述的小型余热锅炉控制系统等）来说已不能满足要求，无法投入自动或难以达到满意的控制效果。因此，由先进的智能化控制策略取代传统的常规控制己成为PLC控制系统发展的必然趋势。本文所述的小型余热锅迫切需要一种先进的控制策略，在不改变系统硬件结构的前提下，利用PLC系统提供
44、的强大功能以取得更好的性能，来满足生产过程对热工自动控制不断提出的越来越高的要求。本论文紧密结合某铜熔炼生产系统余热锅炉的生产情况，以解决现场实际运行中存在的控制问题为出发点，从余热锅炉热工系统普遍存在的大时滞、特性时变特点出发，力图解决大滞后、大惯性对象控制系统品质差，这一长期困扰生产企业的难题，并进行了一些探索工作，归纳如下：1.本论文通过对锅筒水位和相关通道扰动特性的分析，提出了改进三冲量串级控制规律。该控制规律增加了锅筒压力为新的控制量，通过调节蒸汽流量达到部分消除因为烟气温度、流量不稳定对锅筒水位造成的影响，并且取得良好的效果。2.在PID控制算法的基础上提出了一种并联Fuzzy/模
45、糊自适应PID控制算法。系统在扰动较小的情况下，控制器采用模糊自适应PID控制策略；系统在发生较大扰动时，通过附加的并联Fuzzy控制器施加较强的控制作用，以增强系统的抗干扰能力。3.将先进智能控制算法推广到小型PLC控制系统中，开发了融于PLC控制系统的模糊控制软件，并实际应用于余热锅炉控制系统中，取得了良好的控制效果。在不增加硬件投资的情况下，提供了一个在PLC控制系统中应用先进智能控制策略取代传统常规控制的思路。参考文献1 郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术M. 东南大学出版社, 2003. 2 陈琳.110T铜转炉生产过程余热锅炉水位控制系统D. 中南大学, 2004.3 赵明.
46、工厂电气控制设备.机械工业出版社，1999.4 郭宗仁.可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术.人民邮电出版社，2002.5 杨再成.国外余热锅炉简介(两则）J. 维普资讯6 徐秀良.试论余热锅炉的发展前景J. 工程技术, 2008年(第962期).7 黄广权,田和平.余热锅炉控制系统设计J. 企业科技与发展, 2010年(第8期).8 周飞,王福忠.余热锅炉水位模糊自适应控制系统设计J.煤矿机电,2010年(第6期).9 姜健.余热锅炉发展综述J. 工程技术,2007(第930期).10石锋.浅析余热锅炉的节能改造革新技术J.中国化工贸易,2013年10月(第10期).11赵永刚,房长春.浅谈给水全程自动控制的策略及方法J.自动化技术与应用,2013年(第32卷第1期).12Matsushita Electric Works Ltd, Automation Control Group. FPO programming manual EB/OL. (2004-10-05)2008-09-10.13Hugh F VanLandingham,Nishith D Tripathi Knowledge based Adap tive Fuzzy Control of D