基于PLC的锅炉汽包水位控制系统设计

摘要
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。

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。

根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。

关键词：汽包水位三冲量控制PLC PID控制
ABSTRACT
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 it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain.
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 plan for steam drum water level control system is proposed. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed.
Key words:Steam drum water level Three impulses control PLC PID control
目录
1绪论 (1)
1.1汽包水位控制系统的发展现状 (1)
1.2本设计的主要工作 (2)
2控制方案设计 (4)
2.1汽包水位的影响因素 (4)
2.2汽包水位的控制方案设计 (7)
3硬件选型 (13)
3.1水位传感器选型 (13)
3.2流量传感器的选型 (14)
3.3电机的选型 (16)
3.4变频器的选型 (17)
3.5接触器的选型 (17)
3.6熔断器的选型 (18)
3.7功率三极管的选型 (18)
3.8PLC及相关模块的选型 (19)
3.9硬件工作原理 (22)
4硬件设计 (25)
4.1系统总体线路设计 (25)
4.2控制线路设计 (27)
5控制算法及参数整定 (29)
5.1PID算法简介 (29)
5.2三冲量控制系统参数整定 (30)
6软件设计 (37)
6.1程序流程设计 (37)
6.2DeviceNet网络组态 (39)
6.3RSLogix5000程序设计 (42)
7监控界面设计 (48)
8结束语 (51)
参考文献 (53)
致谢 (53)
附录 (55)
1绪论
1.1汽包水位控制系统的发展现状
蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽产品，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汽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。

工业蒸汽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[2]，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。

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[3]，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。

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。

1.2本设计的主要工作
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）硬件设备的选型与设计
根据所设计的控制方案合理地选择检测元件、执行机构和控制设备以及其它必要设备，并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计，完成各种设备之间的接线与配置，并进行设备的安装调试。

为整个系统的实现以及稳定、可靠运行打下基础。

（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
锅炉是重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，如果水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。

如果水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。

所以锅炉汽包水位过高过低都可能造成重大事故。

在锅炉汽包水位控制系统中被控量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节, 使汽包内部的物料达到动态平衡状态，从而使汽包水位的变化在允许范围之内，保证锅炉的安全运行，生产出合格稳定的高质量蒸汽，以满足负荷的需要。

2.1汽包水位的影响因素
首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。

锅炉给水调节对象如图 2.1所示。

给水调节机构为变频器调节给水量W，汽轮机耗汽量D是由汽轮机阀门开度来控制的。

图 2.1锅炉给水调节对象
初看起来，汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样，给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低[4]。

但实际情况并非如此，最突出的一点就是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的体积V 是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化的。

如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。

影响汽包水位H 的主要因素有给水量W ，汽轮机耗汽量D 和燃料量B 三个主要因素。

（1）给水扰动的影响
如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图2.2所示的曲线H 1所示。

但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积V 也就会相应的减小，从而导致水位下降如图2.2所示的曲线H 2所示。

水位的实际响应曲线应是曲线H 1和 H 2之和，如图2.2所示的曲线H 所示。

从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。

即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。

其传递函数可以近似表示为：
()1
1s (1)G S S ετ=+ (2.1)
式2.1中1ε表示汽包水位的飞升速度，τ表示延迟时间。

图2.2给水扰动响应曲线 （2）汽轮机耗汽量扰动的影响
当汽轮机耗汽量D 突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图 2.3所示的曲线H 1所示，另一方面由于汽轮机耗汽量D 的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积V 增大，从而导致汽包水位上升，如图2.3所示曲线H 2所示。

水位的实际响应曲线应该是曲线H 1和 H 2之和，如图2.3所示曲线H 所示。

对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象”。

可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为：
2021()K S T S G s ε=-++ (2.2)
式2.2中1ε表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，
0T 表示“假水位现象”的延迟时间。

H1
图2.3汽轮机耗汽量扰动响应曲线
（3）燃料量扰动的影响
燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量D的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。

但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。

燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。

由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象”。

这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。

2.2汽包水位的控制方案设计
从反馈的思想出发很容易想到以汽包水位信号作为反馈量，给水流量作为被控量，构成单回路反馈控制系统，即水位单冲量控制系统。

如图2.4所示，这是一个基本的控制方案其方框图如图2.5所示。

对于小容量锅炉来说由于它的储水容量较大，水面以下的汽泡体积并不占有非常大的比
重，因此水容积延迟和假水位现象并不是非常明显，因此可以采用汽包水位单冲量控制系统来控制汽包水位。

但对于大中型锅炉来说这种控制方案就不能满足控制要求，因为汽轮机蒸汽量的负荷扰动引起的假水位现象将引起给水调节机构的误动作，导致汽包水位激烈的上下振荡而不稳定，严重的影响设备的运行寿命和安全，所以大中型锅炉不宜仅仅只采用汽包水位单冲量控制系统，必须寻找其他的解决办法来控制汽包水位。

图2.4汽包水位单冲量控制系统
图2.5汽包水位单冲量控制系统框图
如果从物质平衡的角度出发，只要能够保证给水量永远等于蒸汽蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。

因此可以采用图2.6所示的蒸汽流量随动控制系统，其中流量调节器采用PI调节器，使汽轮机的蒸汽量作为系统的给
定使给水流量跟踪蒸汽流量的变化，构成了一个以蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水位的恒定。

该方案的结构框图如图2.7所示。

图2.6蒸汽流量随动控制系统
图2.7蒸汽流量随动控制系统框图
采用该方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量的大小只取决于汽轮机的耗汽量，假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。

但是这个系统对于汽包水位来说只是开环控制系统。

由于给水量和蒸汽量的测量不准确以及锅炉系统引入的其他扰动使得给水量和蒸汽量并非准确的比值关系而保持水位恒定。

由于水位对于二者的偏差是积分关系，微小的偏差长时间积累也会形成很大的水位差，因此不宜采用随动控制系统。

如果把以上所述两种方案结合起来，就构成了汽包水位双冲量控制系统
如图2.8所示，其结构框图如图2.9所示。

双冲量指的是同时引入两个测量信号：汽包水位和蒸汽流量。

这个系统对以上所分析的两种方案取长补短，可以极大的提高汽包水位的控制质量。

当汽轮机耗汽量出现阶跃增大时，一方面由于“假水位现象”汽包水位会暂时有所升高，将使调节机构做出误动作错误的减少给水量；另一方面汽轮机耗汽量的增大又通过比值控制系统指挥调节机构增大给水量，实际给水量的增减情况要根据实际情况通过参数整定来确定。

当假水位现象消失后水位和蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作。

只要参数整定合适，给水量必然等于蒸汽量从而保证水位恒定。

图2.8汽包水位双冲量控制系统
图2.9汽包水位双冲量控制系统框图
此外考虑到给水流量的变化可以通过串级控制的方法让给水量的扰动通过内回路自行调节，设计如图2.10所示的三冲量控制系统，其结构框图如图2.11所示。

即前馈—反馈—串级复合控制系统。

该三冲量控制系统包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路以及一个蒸汽流量前馈通道，实质上是蒸汽流量前馈与水位－流量串级系统组成的复合控制系统。

串级控制系统的主参数是汽包水位，副参数是给水流量，主调节器是给水流量调节器，副调节器是液位调节器。

一方面可以克服给水扰动，使给水流量自行调节，另一方面可以有效地抑制“假水位现象”。

当蒸汽流量发生变化时，锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量的大小以完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调维持汽包水位的稳定。

图2.10汽包水位三冲量控制系统
图2.11汽包水位三冲量控制系统框图
3硬件选型
3.1水位传感器选型
由于该设计的目的是控制水位稳定，而整个控制系统的基础是对水位的准确测量，因此水位能否准确测量直接关系到控制质量的优劣。

合理的选择水位传感器在水位控制系统的设计中有关键作用。

根据原始资料可以知道汽包水位应该控制在300±10 mm，根据过程控制仪表量程选择原则：仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍。

因此所选传感器的最大量程为:400～450 mm。

而且汽包水位应该控制在300±10 mm，因此所选水位传感器的精度应该高于10/450=2.2%FS，因此选择该测量精度才可以满足要求。

佛山市顺德区拓朴电子仪器有限公司生产的PTP601投入式水位传感器可以满足控制要求，该系列仪表采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体。

316全不锈钢结构有多种量程可供选择，选择测量围为：100～500mm，测量精度在1%FS的型号可以满足控制要求。

该型号的传感器主要技术参数如下：量程：100～500mm(水位高/深度)
综合精度: 1.0%FS
输出信号: 4～20ma(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)
供电电压: 24DCV(9～36DCV)
负载电阻:电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ
绝缘电阻: 大于2000MΩ (100VDC )
密封等级: IP68
长期稳定性能: 0.1%FS/年
振动影响:在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口):紧线防水螺母与五芯通汽电缆连接
机械连接(螺纹接口):投入式
使用时可以采用24V直流电源为水位传感器供电保证其正常工作，将1～5V电压信号作为反馈量引入PLC模拟量输入端口进行控制运算。

3.2流量传感器的选型
根据控制方案我们可以知道流量传感器用于测量给水流量和蒸汽流量，这两个信号可以有效地改善控制质量，因此合理的选择流量传感器能够有效的改善整个系统的控制质量。

根据原始资料可以知道我们所要控制的是35t/h锅炉的汽包水位，即该锅炉正常工作时每小时蒸发35t蒸汽也就是有35t水被蒸发成为蒸汽。

由原始资料可以做如下估算水位稳定时供水量为：35 m3/h 。

上海正博自动化仪表有限公司生产的LUGB-99型涡街流量计是一种基于卡门涡街原理流体振动式新型流量计，它具有测量范围广、压损小、性能稳定、准确度高和安装、使用方便等优点，广泛应用于封闭工业管道中液体、汽体和蒸汽介质体积和质量流量的测量。

该流量计的技术参数如下：
（1）测量介质：蒸汽、汽体、液体
（2）传感器的感应元件不直接与被测介质接触，性能稳定、可靠性高（3）传感器内无可动部件，结构简单而牢固，压损小、维扩量小、使用寿命长
（4）范围度宽达10：1～15：1
（5）测量范围：正常工作范围，雷诺数为20，000～7，000，000；输
出信号不受液体温度、压力、粘度及组份影响。

测量可能范围，雷诺数8，000～7，000000
（6）精度等级：液体，指示值的±1.0%；蒸汽，指示值的±1.5%
（7）输出信号：a.电压脉冲低电平：0-1V；高电平：大于4V；占空比为50%
b.电流: 4～20ma(三线制)
（8）电源电压：24DCV
（9）壳体材料：碳钢；不锈钢(1Cr18Ni9Ti)
（10）规格：(管道内径)20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、250、300(大于DN300 口径为插入式)
（11）工作状况下流量范围(单位：m3/h)，见表3.1
表3.1工作状况下流量范围
根据过程控制仪表量程选择原则仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍，流量计应当能够检测的最大流量为：46.5～52 m 3/h ，因此汽包送水管道直径选用50 mm 并用LUGB-99型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是3～50 m 3/h ，可以满足设计要求进行检测汽包给水流量信号。

由于LUGB-99型涡街流量计既可用于液体流量检测也可用于蒸汽流量检测，因此我们还可以选择该流量计作为汽包负荷蒸汽流量的检测传感器。

正常工作时汽包蒸汽压力大约是0.5MP ，由蒸汽密度表可以查到蒸汽密度大约是2700Kg/ m 3，根据过程控制选择仪表量程原则仪表量程应该为被测量参数的4/3～3/2倍，流量计应当能够检测的最大流量为：17.2～19.2 m 3/h 因此汽包蒸汽管道直径选用20 mm ，并用LUGB-99型涡街流量计检测流量可以检测的流量范围是8～80 m 3/h ，可以满足设计要求进行检测蒸汽流量信号。

3.3电机的选型
电机是锅炉汽包供水的动力设备，电机的准确选型关系到汽包能否准确供水进而影响到汽包水位的稳定我们所控制的锅炉蒸发量为：35t/h ，汽包压力0.5MP ，管道直径50mm 因此可以对正常工作时电机的功率作如下估算：
22
3500010/500000 3.14 2.595360010000
W kg m s P K s ⨯⨯⨯⨯=≈⨯ (3.1)
由计算结果可以知道选用功率为100Kw 的三相异步电动机完全可以满足工作要求，由于使用变频调速不必选用绕线型异步电动机，选用鼠笼型电机就可以满足要求。

济南华力贝尔机电设备有限公司生产的YJTG 三相变频
调速电机专门为变频调速设计可以根据技术要求订货设定其额定电压为380V额定功率为100Kw。

3.4变频器的选型
变频器是电机的供能设备，合理选择变频器关系到电机能否正常工作为汽包供水。

由电机的选型可以知道电机在50Hz三相交流电下工作时电机的功率大约是100Kw，当三相交流电动机在基频以下工作时为恒转矩输出工作，而此时电机的转速会小于额定转速，因此电机的输出功率也会小于额定功率，同时由于电机的转矩保持不变，其工作电流同在50Hz三相交流电下工作时电流基本一致。

根据以上的分析选我们可以选择罗克韦尔公司的1336PlusII系列1336F-B150型号的变频器。

给变频器可以输入380V-480V 50/60Hz三相交流电，输出380-480V三相交流电并通过控制信号控制其输出频率，其容量是149Kw，可以满足设备功率要求。

该型号变频器具有丰富灵活的控制接口，可以通过控制信号方便地改变变频器的工作特性。

设计时将变频器连接在DeviceNet网络上，就可以利用PLC控制变频器的输出电压和频率。

3.5接触器的选型
接触器是系统中用到的重要开关设备，接触器的合理选择能保证交流电动机能够准确及时的启动、停止。

根据以上分析三相交流异步电机的最高工作电流是工作于50Hz交流电压下，其工作电流为：
152
A ≈ (3.2)
因此根据设计的要求浙江宏立电器有限公司生产的HLC-3X 系列空调接触器主要适用于50Hz 或60Hz 、在AC-7b 使用类别额定工作电压为230V 或480V 时额定电流至40A 电路中，适用于起动和控制三相交流电动机(压缩机)及其它三相负载，选择五套该类型接触器同时带动一台电机可以满足设计要求。

3.6熔断器的选型
由于系统的主要耗电设备是电动机，因此系统稳定工作时电流大约在150A 左右，当系统异常工作是可能导致工作电流变大因此可设定工作电流为200A 时进行过流保护。

浙江中泰熔断器有限公司生产2型限流熔断器型额定电流可以设定为200A ，可以满足设计要求。

3.7功率三极管的选型
为了能使PLC 输出的数字量能够控制接触器的通断我们设计如下电路：
PLC数字
量输出
图3.1接触器控制线路
当PLC数字量输出为高电平时三极管导通工作于饱和状态，接触器线圈上电使接触器触点闭合，否则PLC数字量输出为低电平时三极管截止工作于截止状态，接触器线圈失电通过二极管续流，使接触器触点断开。

浙江省杭州富阳市奥星电子有限公司I3DD5686型功率三极管最大工作电流超过5A，完全可以满足工作要求。

3.8 PLC及相关模块的选型
PLC我们选择罗克韦尔公司Logix5000系列，该系列PLC性能稳定，可以根据设计要求灵活的选择相关模块，而且使用RS Logix5000组态软件进行梯形图程序设计时可以根据实际情况建立标签，避免了对PLC直接按照地址寻址造成的麻烦和错误。

该系统需要输入或输出的模拟量有：给水流量信号、水位信号、蒸汽流量信号、变频器给定信号，需要输出的数字量有：接触器通断信号、报警信号。

因此只要选择一个模拟量输入模块1756-IF6I、一个数字统的监控操作功能。

综上所述我们可以得到硬件设备的清单如表3.2所示。

表3.2硬件设备清单。