基于PLC的锅炉三冲量给水控制系统设计

基于PLC的锅炉三冲量给水控制系统设计
摘要
锅炉三冲量给水控制系统在工业控制中是一个典型的控制系统。

在锅炉三冲量给水控制系统中，汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数,汽包水位过高或者过低的后果都非常严重,因此对汽包水位必须进行严格控制。

PLC技术的快速发展使得PLC广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能,PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。

本文从控制方案设计、PLC简介和系统软件设计几个方面进行介绍。

并且分析影响汽包水位的各种因素出发,重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”,提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。

本系统以西门子S7-300来实现锅炉汽包水位自动控制，按照工程整定的方法进行了PID参数整定,并进行了仿真研究。

根据仿真结果曲线来看，系统的性能指标都达到了要求。

关键词：PLC;锅炉;三冲量;汽包水位;PID控制
Design of Three- impulse Water Supply
Control System of Boiler Based on PLC
Abstract
The three-impulse water supply control system of boiler is a typical control system in industrial control. In the three- impulse water supply control system of boiler, the steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation. Both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore steam drum water level must be strictly controlled. With the rapid development of PLC technology, PLC is widely applied to the process control domain and makes the performance of control system enhance enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain. The control design, the introduction to PLC, and system software design are introduced in the paper. Also based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control scheme of steam drum water level control system is proposed. Siemens S7-300 is adopted to realize automatic control of steam drum water level in the system.PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the simulation results, system performance meets the requirements.
Key words: PLC;Boiler; Three Impulses; Steam Drum Water Level; PID C ontrol
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
1.绪论 (1)
1.1课题背景及目的和意义 (1)
1.2项目研究内容 (2)
2.控制方案设计 (4)
2.1汽包水位控制系统参数选择 (4)
2.2控制方案设计结构选择 (4)
2.2.1单冲量汽包水位控制系统 (4)
2.2.2双冲量汽包水位控制系统 (5)
2.2.3三冲量汽包水位控制系统 (6)
2.3前馈串级控制系统 (7)
2.3.1串级控制系统特点 (7)
2.3.2串级控制系统回路的选择原则 (8)
2.3.3前馈控制系统特点 (9)
2.3.4前馈控制器设计 (10)
2.4被控对象数学模型 (11)
3.PLC简介 (13)
3.1 S7-300硬件 (13)
3.1.1 S7-300的物理结构 (13)
3.1.2硬件组态 (14)
3.1.3信号模块 (15)
3.2 S7-300软件 (15)
3.2.1组织块OB35 (15)
3.2.2功能块FB41 (16)
3.2.3功能块FB100 (17)
3.2.4功能块FC105和FC106 (18)
4. PLC控制系统的设计 (19)
4.1程序设计 (19)
4.2仿真步骤 (29)
4.3仿真曲线 (32)
结论 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
1.绪论
1.1课题背景及目的和意义
蒸气锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸气产品,以满足负荷的需要。

锅炉是一个十分复杂的控制对象,为保证提供合格的蒸气产品以适应负荷的需要,与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。

保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标,由于负荷、燃烧状况及给水流量等因素的变化,汽包水位会经常发生变化[1]。

因此锅炉汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。

工业蒸气锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡,维持汽包水位在工艺允许的范围内,是保证锅炉安全生产运行的必要条件,锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数,它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。

传统的控制方法是以各种分立器件的应用为基础,利用各种检测器件对被控参数实时进行检测并反馈给控制器件,再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作,从而达到自动控制的目的。

但是这种控制方式受分立器件的性能影响大,系统各部分之间影响较大,自动化水平不高,控制效果并非十分理想,而且容易出现故障,不利于系统的长期安全、高效运行。

现在广泛使用的控制技术还有DCS集散控制系统,但由于DCS系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统,而且集散控制系统往往价格昂贵,对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高,因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择[2]。

因此需要运用另一种更好的控制系统对其控制。

PLC是70年代发展起来的中大规模的控制器，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口与中断系统于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各种行业[3]。

随着计算机在操作系统、应用软件、通信能力上的飞速发展，大大增强了PLC通信能力，丰富了PLC 编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。

因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用PLC技术。

PLC控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术。

它是PLC软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。

作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

采用PLC 控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。

它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实时检测并进行反馈，PLC 对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。

PID 控制是迄今为止最通用的控制方法之一。

因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。

PID 控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期s T 、比例系数p K 、积分系数i K 、微分系数d K 。

因而,PID 参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。

PID 在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID 算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。

在PID 算法中，针对P 、I 、D 三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。

1.2项目研究内容
水位控制的任务是使给水量与锅炉蒸发量相适应，维持汽包水位在工艺的范围内。

汽包水位控制也称锅炉给水控制。

本次设计的主要工作有,
（1）设计锅炉汽包水位控制方案
从锅炉汽包水位的动态性能入手，分析影响锅炉汽包水位的主要因素，并对这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究。

在此基础之上，根据各个因素对锅炉汽包水位的影响采用汽包水位三冲量方案，达到控制锅炉汽包水位稳定的目的。

（2）PLC 及相关模块的介绍
本次实验的运行环境在在S7-300系列的PLC 中进行的，实验之前要对其有一个大致的了解，熟悉其功能，以便更好地应用。

此外，还要了解其中的组织块、功能块等模块，了解引脚的作用。

（3）控制算法的参数整定
根据被控对象的特点以及它的静态、动态特性按照工程整定的方法进行控制器的
参数整定，设计调节器的各个参数。

在此基础之上对整定结果进行仿真，并对整定结果进行进一步调整判断其可行性，为后续的软件设计工作打下基础。

（4）PLC程序和监控界面设计
根据参数整定和仿真的结果利用相关软件进行PLC梯形图程序设计,最终实现控制算法。

同时利用组态软件进行监控界面的设计,实现通过上位机对整个系统运行状态的实时监控功能,使之能够动态显示系统的运行状况,并可以通过监控界面对系统进行相关操作。

2.控制方案设计
2.1汽包水位控制系统参数选择
汽包水位控制系统可直接选择汽包水位作为被控参数。

影响汽包水位变化的因素有给水量变化、蒸气流量变化、燃料量变化、汽包压力变化等。

汽包压力变化并不直接影响水位，而是通过汽包压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”过程影响水位。

汽包压力变化往往是蒸气流量变化引起的，可将压力变化因素归在蒸气流量变化中一并考虑，而蒸气流量又是按照用户需要而改变的不可控因素，因而汽包压力和蒸气流量都不能作为汽包水位的控制变量。

燃料量的变化要经过燃料系统变成热量后，才能被水吸收，继而影响汽化量并改变水位。

这一通道的传输滞后和容量滞后都很大，燃料过程又有专门的调节系统进行控制，因此燃料量也不能作为汽包水位的控制变量[4]。

只有锅炉给水量可作为汽包水位的控制变量。

2.2控制方案设计结构选择
锅炉汽包水位的自动控制的任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持
汽包水位在工艺允许的范围内。

锅炉汽包水位调节系统常采用以下三种调节方式。

2.2.1单冲量汽包水位控制系统
以汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成单回路水位控制系统，工程上也称为单冲量控制系统,图2.1为单冲量控制系统框图。

这种系统的优点是所用设备少，结构简单，参数整定和使用维护方便。

在单冲量控制系统中，当锅炉蒸气负荷（流量）突然大幅度增加时，由于假水位现象，调节器不但不及时开大给水阀增加给水量，反而关小调节阀的开度，减少给水量。

这样，由于蒸气量增加、给水量减少使汽包存水量减少。

等到假水位消失后，汽包水位会严重下降，甚至会使汽包水位降到危险的程度，以致发生事故。

对于负荷变动较大的大、中型锅炉，单冲量控制系统不能保证水位稳定，难以满足水位控制要求和生产安全。

而对于小型锅炉，由于蒸气负荷变化时假水位的现象不明显，如果在配上相应的一些连锁报警装置，这种单冲量控制系统也能满足生产的要求，并保证安全
生产。

图2.1单冲量水位控制系统框图
2.2.2双冲量汽包水位控制系统
汽包水位的主要干扰是蒸气流量变化。

如果能利用蒸气变化信号对给水量进行补偿控制，就可以消除或减少“假水位”现象对汽包水位的影响，控制效果要比只按水位进行控制更好一些，系统框图如图2.2所示。

相对于单冲量水位控制系统，双冲量水位控制系统增加了针对主要干扰—蒸气流量干扰的补偿通道使调节阀及时按照蒸气流量扰动进行给水量补偿，而其他干扰对水位的影响由反馈控制回路，这是一个前馈—反馈复合控制系统。

将液位调节器的输出信号和蒸气变送器的信号求和后，控制给水调节阀的开度。

当蒸气流量变化时，通过前馈补偿直接控制给水调节阀，使汽包进出水量不受“假水位”现象的影响及时达到平衡，这样就克服了蒸气流量变化引起“假水位”现象所造成的汽包水位剧烈波动。

图2.2双冲量水位控制系统框图
2.2.3三冲量汽包水位控制系统
双冲量水位控制相对于单冲量控制，控制品质有很大的改善。

但双冲量水位控制系统仍存在两个问题，一是调节阀的工作特性不一定为线性特性，要做到完全静态补偿比较困难；其次是给水压力扰动对汽包水位的影响不能及时消除。

为此，可在双冲量水位控制系统的基础上，将给水流量信号作为副参数，构成三冲量水位控制系统，对应的控制系统框图如图2.3所示。

汽包水位是主参数，也称主冲量；给水流量是副参数，蒸气流量是主要扰动，给水流量与蒸气流量也称为辅助冲量，这是一前馈—串级复合控制系统。

以汽包水位作为主控制信号构成主调节回路,以蒸汽流量作为前馈信号构成前馈调节回路,以给水流量作为串级信号构成副调节回路,由这三个回路共同构成锅炉汽包水位串级三冲量控制系统。

给水流量局部反馈信号通过给水流量变送器、副调节器PID2、变频器组成内回路。

其作用是消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量,以保证给水流量和蒸发量平衡,它是一个快速回路；由主信号水位通过水位变送器、主调节器PID1、内回路、对象调节通道组成回路( 主回路 ),其作用是校正水位偏差,使水位等于设定值；蒸汽流量信号作为前馈信号,其作用是使给水量很快跟踪蒸汽流量的变化,克服虚假水位现象所引起的变频器误动作和水位过大波动。

有些锅炉系统采用比较简单的三冲量水位控制系统，这类三冲量控制系统只有一台调节器和一台加法器，所以也称单级三冲量水位控制系统。

加法器可在调节器之前，也可在调节器之后。

在调节器之前的优点是使用仪表少，只需要一台多通道调节器就能实现。

但如果系数设置不当，不能确保物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。

加法器接在调节器之后水位无余差，但需要一台加法器，使用仪表较上一接法多，但调节器得参数改变不影响补偿通道的整定参数。

在汽包停留时间较短、负荷变化频繁、蒸气流量变化幅度大的情况下，为避免蒸气流量突然增加或突然减少时，水位偏离设定值过高或过低造成锅炉停车，可采取在给水流量检测信号通道增加惯性环节、在蒸气流量检测信号通道增加反向微分环节或在汽包水位检测信号通道增加微分环节等措施减少水位的波动幅度。

2.3前馈串级控制系统
2.3.1串级控制系统特点
（1）时间常数
串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，故能显著提高控制质量。

（2）工作频率
在串级控制系统中，由于副回路的存在起到了改善对象特性的作用，等效副对象的时间常数缩小了，因而使系统的工作频率提高。

（3）抗干扰能力
在一个自动控制系统中，因为控制器的放大系数值决定了这个系统对偏差信号的敏感程度，因此，也就在一定程度上反映了这个系统的抗干扰能力。

（4）对负荷变化有一定自适应能力
在单回路控制系统中，控制器的参数是在一定的负荷即一定的工作点下，按一定的质量指标要求而整定得到的，也就是说，一定的控制器参数只能适应于一定的负荷。

如果对象具有非线性，随着负荷的变化，工作点就会移动，对象的特性就会发生改变。

原来基于一定负荷整定的那套控制器参数就不再能适应了，需要重新调整控制器参数以适应新的工作点，否则，控制质量会随之下降。

但是，在串级控制系统中，主回路虽然是一个定值控制系统，而副回路却是一个随动控制系统，它的设定值是随着主控制器的输出而变化的。

这样，主控制器就可以按照操作条件和负荷变化相应地调节副控制器的设定值，从而保证在负荷和操作条件发生变化的情况下，控制系统仍然具有较好的控制质量[5]。

2.3.2串级控制系统回路的选择原则
1.主回路的选择就是确定主变量。

一般情况下，主变量的选择原则与单回路控制系统被控量的选择原则是一致的，即凡能直接或间接地反映生产过程质量或者安全性能的参数都可被选用为主变量。

由于串级控制系统副环的超前作用，使得工艺过程比较稳定，因此，在一定程度上允许主变量有一定的滞后，这就为直接以质量标准为主变量提供了一定的方便。

具体的选择原则主要有：用质量指标作为被控量最直接最有效，在条件许可时可选它作为主变量；当不能选用质量指标作为主变量时，应选择一个与产品质量有单值对应关系的参数作为主变量；所选的主变量必须具有足够的灵敏度；应考虑到工艺过程的合理性和实现的可能性。

2.副回路的选择就是确定副变量。

由于串级控制系统的种种特点主要来源于它的副环，因此副环设计的好坏决定串级控制系统设计的成败。

在主变量确定之后，副变量的选择一般遵循下面几个原则。

（1）副回路应包括尽可能多的主要干扰。

由于串级控制系统的副回路具有动作速度快、抗干扰能力强的特点，要想使这些特点得以充分发挥，在设计串级控制系统时，应尽可能地把各种干扰纳入副回路，特别是把那些变化最剧烈、幅值最大、最频繁的主要干扰包括在副回路之内，由副回路把它们克服到最低程度，那么对主变量的影响就很小了，从而提高控制质量，否则采用串级控制系统的意义不大。

为此，在设计串级控制系统时，研究系统的主要干扰来源是十分重要的。

这里必须指出：副回路应尽可能了包括一些干扰，但并非越多越好。

因为事物总是一分为二的，包括的干扰多，能减少干扰对主变量的影响，这是有利的一面。

但包括的干扰太多，势必使副变量的位置越靠近主变量，使副变量克服干扰的灵敏度反而下降。

在极端的情况下，副回路包括了全部的干扰，主回路也就没有了存在的必要，而和单回路控制系统基本一样了。

因此，在选择副回路时，究竟要把那些干扰包括进
去，应对具体情况做具体分析。

（2）主、副对象的时间常数应匹配。

由于副回路的存在，使串级系统比单回路系统的工作频率高很多。

频率的提高与主、副对象时间常数的比值1o T /2o T 有关。

一方面我们希望2o T 小一点以使副回路灵敏
些，控制作用快一点。

但另一方面，2o T 过小，必然使1o T /2o T 加大，此时对提高系统
的工作频率意义不大。

同时，2o T 过小将导致副环过于敏感而不稳定。

因此，在选择
副回路时，主、副对象的时间常数比值应选择适当，一般认为1o T /2o T =310较合适。

（3）应考虑工艺上的合理性与可能性。

因为自动控制系统是为生产服务的，因此在设计系统时，首先要考虑到生产工艺的要求，考虑到所设置的系统会不会影响到工艺系统的正常运行，然后再考虑其他方面的要求，否则将会造成劳而无功，甚至有害于生产。

因此，在设计副回路时，必须注意到副回路设定值的变动在工艺上应是可行的。

（4）要注意生产上的经济性。

在副回路的设计中，若出现几个可供选择的方案时，应把经济原则和控制质量要求结合起来，能节约的应力求节约。

必须指出，以上选择副回路时应考虑的一些问题，并不是在所有情况下都能适应，更不是每个控制系统都必须全面符合这些原则。

应针对不同的问题作具体分析，已解决主要矛盾为上策。

2.3.3前馈控制系统特点
（1）前馈控制器是“按扰动来消除扰动对被控参数的影响”，又称为“扰动补偿”。

前馈控制器在扰动出现时立即进行控制，控制及时，对特定扰动引起的动、静态偏差控制比较有效。

而不像反馈控制那样，要等被控参数产生偏差后才进行控制。

（2）前馈控制是开环控制，只要系统中的各个环节稳定，则控制系统必定稳定；另外，前馈控制对被控参数不做检验。

（3）前馈控制器的控制规律与反馈系统不同，由过程特性决定的。

不同的过程特性，其控制规律不同。

（4）一个前馈控制通道只能抑制一个干扰对被控参数的影响，而对其他干扰对被控
参数的影响没有抑制作用。

2.3.4前馈控制器设计
在实际生产过程中，如果系统的主要干扰频繁而又剧烈，而生产过程对被控参数的精度要求又很高，可以考虑采用前馈-串级复合控制方案。

图2.4是一个典型的前馈-串级复合控制系统结构框图[6]。

图2.4前馈-串级复合控制系统结构框图
从图 2.4可求出干扰F(s)对系统输出Y(s)的闭环传递函数
22122222211112222()()()()()()1()()()()()()()()1()()1()()1()()1()()c o f b o f c o c o c o c o c o c o c o G s G s G s G s G s G s G s G s Y s G s G s G s G s F s G s G s G s G s G s G s G s G s ++=+++++ （2.1）
要实现对干扰F(s)完全补偿，应有
()0()
Y s F s =。

从式2.1可得
22122()()()()()01()()c o f b o c o G s G s G s G s G s G s G s +=+ （2.2）
当副回路的工作频率远大于主回路的工作频率时，副回路是一个快速随动系统,其闭环传函
'
22222()()()11()()
c o o c o G s G s G s G s G s =≈+ 代入式2.2可得对干扰F(s)完全补偿的前馈控制器 1()
()()f b o G s G s G s =- （2.3）
由式2.3可知，在前馈-串级复合控制系统中，前馈补偿控制器的数学模型主要由扰动通道和主回路的过程特性之比决定。

2.4被控对象数学模型
引起汽包水位变化的主要扰动是给水流量的变化和蒸气流量的变化[7]。

如果只考虑主要扰动，汽包水位动态性能可表示为：
2112w D w w w D D d du du d h dh T T T K u T K u dt dt dt dt
+=+-+（）（） 式中h —汽包水位高度；w T —给水流量的时间常数；D T —蒸气流量流量的时间常数；w K —给水流量的放大系数；D K —蒸气流量的放大系数；1T 2T —时间常数；max
d D
u D ∆=蒸气流量变化量相对于最大蒸气流量的标定值；max
w W u D ∆=
给水流量变化量相对于最大蒸气流量的标定值。

(1)如果蒸气流量不变，仅给水流量变化时，汽包水位调节对象的运动方程可以表示为：
21212w w w w du d h dh TT T T K u dt dt dt
+=+ 式中符号意义同上。

对于中压以下（蒸气压力<2.0MPa ）,给水流量项的时间常数w T 较小，可以忽略不计，其简化后的传递函数
12()()()(1)
w w w K H S G S V S ST T S ==+ 对于本次仿真：
0.037()(301)
w G S S S =+ (2)如果给水流量不变，仅蒸气流量变化时，汽包水位调节对象的运动方程可以表示为：
21212D D D d du d h dh TT T T K u dt dt dt
+=-+（） 其传递函数为：
22()1()()1
D D a K H S G S V S T S T S =
=-++ 其中 221
D D K T T K T -=
1a D T T T = 对于本次仿真： 23.0450.037 3.60.037()15151D S G S S S S S
-==-++ 根据前面所述，前馈控制器的公式
1()()()f b o G s G s G s =-
得 23.0450.037
()(82.31)(301) 6.4915()164.67.490.037()151151
(301)
D b w S G S s s S S G s s G S s s S S --++=-=-=-=-+-+++
3.PLC简介
本实验主要应用西门子公司的S7-300系列PLC，下面简单介绍一下有关知识。

3.1 S7-300硬件
3.1.1 S7-300的物理结构
S7-300是模块化的中小型PLC,适应于中等性能的控制要求。

品种繁多的CPU
模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便[8]。

S7-300每个CPU都有一个可以使用MPI（多点接口）通信协议的RS-485接口。

它不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI网络。

有的CPU还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口、PROFINET接口或PtP(点对点)串行通信接口。

通过调用系统功能和系统功能块，用户可以使用集成在操作系统内的子程序，从而显著地减少所需要的用户存储器容量。

它们可以用于中断处理、出错处理、复制和处理数据等。

S7-300有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大、使用方便。

可以使用多种编程语言。

STEP7还用来组态硬件和网络。

CPU用智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常，记录错误的特殊系统事件。

S7-300有过程报警、日期时间中断和定时中断等功能。

S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块（PS）安装在机架最左边的1号槽，CPU模块和接口模块（IM）分别安装在2号槽和3号槽。

S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。

背板总线集成在模块上，除了电源模块，其他模块之间通过U形总线连接器相连，后者插在个模块的背后。

安装时先将总线连接器插在CPU模块上，将后者固定在导轨上，然后依次安装各个模块。

外部接线接在信号模块和功能模块的前连接器的端子上，前连接器用插线的方式安装在模块前门后面的凹槽上。

S7-300的电源模块通过连接器或导线与CPU模块相连。

除了带CPU的中央机架，最多可以增加3个拓展机架，每个机架的4～11号槽。