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封皮
过程控制课程设计
姓名:
盛安琪
学号:
100210214
班级:
1002102
指导老师:
周凤永
2013年11月
1、设计要求
1、系统内各环节给定参数
(1)、锅炉
工作压力:
2Mpa;
蒸发量:
20T/h;
正常负荷:
10T/h;
最大负荷波动:
240㎏/min;
最大水位波动:
±30mm;
水位允许稳态偏差:
±10mm。
动态特性考虑为一阶,时间常数:
5s,
静态放大倍数:
8。
(2)、给水泵
形式:
多级离心泵
给水压力:
3Mpa;
排量:
25T/h;
恒速运转、由调节阀调节流量。
(3)、仪表
各环节为电动Ⅲ型仪表,输入、输出量程4~20mA,变送器输入量程自选(要求全部仪表输入工作点在50﹪左右,以保证其线性),若调节器选数字式则必须配相应的转换环节。
水位检测变送器可采用差压式;流量变送器可采用孔板或涡介式;调节阀为电动式(流量特性自选)。
各变送器、执行器均为放大环节,放大倍数由所选量程而定。
根据工业锅炉生产过程对水位的要求,设计相应的控制系统方案,选择合适量程的仪表,最终提供系统工艺流程图、结构方框图、系统方块图,根据给定参数及要求选定合适的调节规律,给出调节器参数(比例带δ,积分时间Ti,微分时间Td)的整定范围,最终得到一个10﹕1~4﹕1的衰减过程。
二、汽包水位控制系统设计思路
锅炉主要是由汽包和炉膛组成。
燃料在炉膛内燃烧放出大量热,使空气变为高温烟气,高温烟气通过受热面作用于汽包中的水。
这种温度较低的水被高温烟气加热后温度升高到沸点沸腾,产生汽化水蒸气。
在锅炉的运行过程中炉膛内进行燃料的燃烧过程,在汽包中进行水通过高温烟气的传热而导致的汽化过程。
它们在锅炉工作过程中是同时进行的。
汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一。
水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管内结垢,影响传热效率,严重的将引起过热器爆管;水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环,引起水冷壁局部过热而爆管。
三冲量工作原理:
影响汽包水位H的主要有给水量W,汽轮机的耗气量D和燃料量B等三个主要因素。
汽包水位三冲量调节系统是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号作用于调节器上,即三个被控量对应一个调节器。
汽包水位作为主信号,水位变化,调节器输出发生变化,继而改变给水流量。
使水位恢复到给定值;
蒸汽流量作为前馈信号,防止“虚假水位”使调节器产生错误的动作;
给水流量作为反馈信号,使调节器在水位还未变化时就可以根据前馈信号消除内扰,使调节过程稳定,起到稳定给水流量的作用。
串级控制系统:
通过三冲量水位控制系统的整定可以看到,为了保证系统有良好的静特性,各输入信号之间有严格的静态配合关系,并且动态整定过程也比较复杂,给系统的整定带来了一定的困难。
目前采用较多的是水位串级控制系统。
假定所有变送器的时间常数都很小,均忽略不计。
主回路用于直接控制水位,主调节器一般都采用比例积分动作,维持稳态水位不变。
副回路是流量系统,副调机器可以用比例或比例积分动作。
实验方案:
通过采用三冲量的串级控制系统,结合了串级控制系统跟三冲量系统的优点即确保了使调节过程稳定,起到稳定给水量的作用,又使系统的整定比较简单。
实验方案确定系统方框图:
Gc1(s)——主控制器Gc2(s)——副控制器
Gp(s)——被控对象传递函数Kh——液位高度测量变送器放大倍数
Kd—蒸汽流量检测变送器放大倍数Kw——给水流量检测变送器放大倍数
三、仪表的选择及静态增益的计算
系统共需要选择三个仪表以及一个电动调节阀。
1、被控对象的传递函数为:
2、蒸汽流量计的选择及计算
是孔板式流量变压器配开方器测得的蒸汽流量值。
由所给的蒸汽流量稳定值为10T/h,选择输入量程所对应的蒸汽流量为20T/h.输出量程为4~20mA。
得到
给水流量计的选择及计算
是孔板式流量变压器配开方器测得的给水流量值。
根据所给离心泵的参数,给水压力3MPa,水流量为25T/h。
正常的蒸汽量为20T/h,因此在稳定的情况下,需要的给水量应等于蒸发量,即正常的给水量为10T/h。
故选择输入量程所对应的给水流量为20T/h。
输出量程为4~20mA。
得到
4、差压式水位测量仪表及计算
为水位增益。
根据所给的最大允许波动为±30mm,因此仪表输入选择为±60mm,输出为4~20mA。
得到
5、调节阀的选择及计算
是调节阀环节的传递函数,选择电动调节阀,输入量程为4~20mA,输出量程为0~25T/h。
四、控制器参数的整定
副调节器的任务是要快动作以迅速消落在副环内的二次扰动,而且频率相差很大,所以这里考虑采用比例积分调节,即PI调节器。
在进行系数整定的时候我们采用两步整定法。
(1)首先整定副环。
在主、副环均闭合,主、副调节器都置于纯比例作用下,将主调节器的比例带放在100%处,按单回路整定方法整定副环,这时得到副调节器的衰减率Ψ=0.75时的比例带δ2S。
(2)整定主环。
主、副环仍然闭合。
副调节器置于δ2S。
用同样的方法整定主调节器,得到主调节器在Ψ=0.75下的比例带δ1S值和被调量的振荡周期T10.
(3)依据上边两次整定得到的比例带和振荡周期,按所选调节器的类型,利用计算公式,分别求得调节器的整定参数值。
通过整定,最终得到的是一个衰减比在4:
1~10:
1的衰减震荡过程。
其调节器的参数如下:
副调节器:
主调节器:
即:
衰减比大约为8:
1;
副环整定图像:
五、锅炉汽包水位控制系统仿真
用simulink对系统进行仿真:
得到仿真后的曲线为:
由仿真曲线可以看出,串级三冲量控制系统有快速性、抗干扰性强的特点,而且响应曲线平稳,对蒸汽流量扰动的抑制也很强,因此达到了题目要求。
六、硬件实现
本系统在硬件实现上我用了功能强大的西门子s7-200PLC和MCDS组态王进行模拟实现。
S7-200PLC的CPU型号采用了226XM。
226XM有24路输入和16路输出端子,而且有模拟量和数字量输入输出端子,能进行A/DD/A转换,最大可扩展数字量I/O248点,最大可扩展模拟量I/O点35点,模拟量输入端子输入的模拟信号经A/D转换电路转换成一个字长(16位)的数字信号存到模拟量输入存储器中,表示符号位AI。
而模拟量输出寄存器可以存储一个字长的数字量,该数字量经D/A转换电路转换成模拟信号从模拟信号输出端子输出。
软件上采用step7MicroWin编译环境进行编程。
采集数据,信号处理,添加PID调节模块,进行汽包水位程序编写,之后通过PPI电缆下载到PLC中。
通过组态王软件进行实时监测监控。
具体见下面流程图:
七、感悟体会
通过一周的学习,独立设计工业锅炉三冲量汽包水位控制系统,锻炼了自主学习的能力,认识到控制一个控制系统是多门课程知识相互贯通相互融合的结果。
需要结合多方面的知识,通过反复大量的实验最后才会得到一个稳定的系统。
达到预期目的。
8、参考文献
[1]金以慧主编过程控制清华大学出版社,1993.4
[2]高安邦主编西门子s7-200PLC工程应用设计机械工业出版社2011.8
[3]俞金寿,蒋慰孙编著过程控制工程电子工业出版社2007.7
[4]何衍庆,黎冰,黄海燕编著工业生产过程控制化学工业出版社2009.8
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