104余热锅炉液位控制系.docx

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104余热锅炉液位控制系

余热锅炉液位控制系

高宝明

学院:

信息工程学院班级:

电气04-1班学号:

200440509104

[摘要]本设计主要做了余热锅炉液位控制系统的构成及控制方式，重点设计了系统在WINCC与PID控制方面的功能。

对于余热锅炉液位的控制系统，本设计选用的是西门子公司开发的过程控制系统PCS7，WINCCV6.0，STEP7和VISIO3.2等软件。

此控制系统集PLC功能和DCS功能合为一体。

按照工艺要求来确定参数测点，从而配置PLC硬件组成部件，程序设计采用STEP7编程软件。

该系统以远程I/O分布式结构接收现场传感检测信号，整个系统按区域划分各控制从站，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息的采集和系统通讯，采用上位机软件WinCC作为操作和监控的人机画面。

通过对余热锅炉控制系统的设计，可以完成各种控制阀的开/关、模拟量大小等逻辑联锁控制以及各种工作状态判断、各种模拟量的运算、。

[关键词]PID;WinCC；PLC；PCS7

WasteHeatBoilerLiquidPositionControlSystem

Abstract

ThemaindesigndoneaWasteheatboilerliquidpositioncontrolsystemcomponentsandcontrolapproach,focusingonthedesignofthesysteminWINCCandPIDcontrolfunction.

Thelevelofwasteheatboilercontrolsystem,thisdesignischosenSiemensdevelopmentoftheprocesscontrolsystemPCS7,WINCCV6.0,STEP7andVISIO3.2software.ThissetPLCcontrolsystemfunctionsandfeaturesofDCSasone.Inaccordancewiththerequesttodeterminetheparametersofmeasuringpoints,thustargetingPLChardwarecomponents,proceduresdesignedwithSTEP7programmingsoftware.

ThesystemtoremoteI/Odistributedstructuretoreceivethescenesensingdetectionsignal,ztheentiresystembyregionfromthecontrolstation,theuseofopenfieldbusandindustrialEthernettoachievethesceneofinformationcollectionandcommunicationsystemusingPCWinCCasasoftwareoperationandmonitoringofhuman

-computerscreen.ThroughtheWasteheatboilerliquidpositioncontrolsystemdesignedtocompleteavarietyofcontrolvalveon/off,volumesizemocklogicchainofcontrol,andvariousstatejudge,allkindsofanalogcomputing,andshowsthelimitsofsimulationfeaturessuchasalarm.

keywords：

processcontrolsystem;PID;WinCC;PLC;PCS7

[正文]

1引言

1.1余热锅炉控制任务及国内外研究状况

随着铜和镍在国防工业、机械制造、轻工业等领域的广泛应用，国内外对铜和镍的需求量猛增。

目前，铜和镍的粗生产仍以冶炼为主，转炉冶炼因为其生产过程较为连续，工艺品质稳定、产品纯度稳定、生产成本较低等特点得到了广泛的应用。

余热锅炉是铜/镍冶炼过程中对烟气处理的重要环节，在各种燃气/蒸汽联合循坏中，余热锅炉也是一种普遍采用的能量转换装置。

经工程实践和研究表明，余热锅炉是整个联合循环系统中一个重要的有机组成部分，为系统整体优化和各主要子系统匹配的一个关键设备，在系统中起着承上启下的作用。

余热锅炉的结构、性能以及参数都极大地影响到系统中其它设备乃至整个系统的

2生产工艺及系统概述

2.1生产系统工艺过程简介

2.1.1铜转炉生产工艺过程简介

铜转炉生产工艺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大量高温烟气，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。

。

风压约为2.2kg-2.3kg。

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13000C左右，产生的烟气温度在900℃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收尘。

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。

余热锅炉工工艺结构图如图2-1

图2.1余热锅炉工艺结构图

其中，锅筒的给水来自除氧器，通过给水调节阀门来调整给水流量。

同时，锅筒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。

2.1.2被控对象分析

转炉生产是间断的，转炉在非吹炼期间，余热锅炉的下降管、受热管及上升管中充满了低温水。

当转炉开始吹炼，受热管中的水开始受热、蒸发，形成汽水混合物，体积急剧膨胀，导致锅筒内的水位急剧上升。

吹炼结束后，受热管中的水停止蒸发，并由汽水混合物凝结成水，体积急剧导致锅筒水位急剧下降。

由吹炼开始锅筒水位急上升到吹炼结束锅筒水位急剧下降，形成锅筒水位的波动空间。

由此可见，水位波动空间的形成与转炉工作状态紧紧地联系在一起。

这与其它锅炉的启动和停炉时水位波动一样，只是转炉余热锅炉频繁启动和停炉，使锅筒水位频繁上升和下降。

本余热锅炉的正常水位在汽包中心线以下100mm,其正常允许范围在±50mm.报警水位值为±100mm当水位值超过150mm时不仅应报警而且应该开启事故放水阀当水位超过±250mm时水位保护动作。

2.2工艺分析及原理

2.2.1工艺要求

炉控制是近年来开发的一项新技术。

它是微型计算机软、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。

采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。

它的被调量是汽包水位，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，变化在允许范围之内，虽然锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性，但是在负荷（蒸气流量）急剧增加时，表现却类似逆响应特性，即所谓的虚假水位。

造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，缩而使水位抬高。

汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。

它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。

由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。

所谓三冲量调节系统就是把给水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三个变量通过运算后调节给水阀的调节系统。

锅炉锅筒水位的经典控制方案是三冲量控制方案，它实际上是一个把蒸汽流量作为前馈信号的串级控制系统。

系统中的锅筒水位H是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量D和给水流量W是两个辅助冲量信号。

由蒸汽前馈及补偿系统通过相应的计算（含PID运算）和输出来保证水位稳定。

。

其中，水位调节器作为主调节器，用于稳定水位，它可抑制闭环内一切引起水位波动的扰动;给水流量调节器作为副调节器，用于消除各种引起水位波动的二次扰动，使水位更加稳定;蒸汽流量作为前馈信号

，用于抑制蒸汽负荷波动对水位的影响。

3系统电路的设计

3.1系统选型

3.2系统的结构及控制设备

3.2.1液位变送器的选型

由于本设计是要测量锅炉的液位，故采用了专门用于锅炉的液位变送器，CR50系列电接点液位变送器是为锅炉水位的测量和远传而量身定做的专业仪表。

它将4-22点液位开关信号变换成二线制4-20mA的工业标准信号，方便地与各种数字仪表或计算机进行连接，实现对锅炉水位的精确测量和控制。

使用该变送器，无论电接点数量多少，变送单元与显示报警单元之间仅需一根二芯电缆，比其它电接点仪表可节省大量电缆费用。

并且对锅炉的电极具有自动除垢的功能。

3.2.2气压变送器的选型

本设计是蒸汽的气压那么被测压力直接作用在压力传感器膜片的前面，使膜片产生微小的形变，使传感器产生一个与压力成正比的高度、线性、与激励电压也成正比的电压信号，传感器输出的电压信号经过差分归一放大器输出放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性矫正环路的补偿，即产生了与输入压力成线性对应关系的1-5V或者4-20mA标准信号技术指标★测量范围：

-0.1MPA-60MPA★精度等级：

±0.2%FS，±0.5%F境温度：

-20℃+85℃★输出信号：

4-20mA或1-5VDC

3.3变频器的选型

3.3.1变频器的组成及控制原理

3.3.2变频器的容量选择

变频器的容量选择要根据不同的负载来确定。

变频器说明书中的“配用电动机容量”只适用与于连续恒定负载。

对于变动负载、断续负载和短时负载，电动机允许短时过载，因此变频器的容量应按运行中可能出现的最大工作电流来选择。

式（3-1）

式中

——变频器额定电流

——电动机最大工作电流。

在变频器的过载能力的允许时间只有1min，这是对于设定电动机的启动和制动过程才能有意义。

而电动机的短路过载是相对于达到稳定温省所需要的时间而言的，通常是远远超过1min。

对于连续恒负载运转所需要变频器容量计算可按下式进行

式（3-2）

式中

—电流波形系数,

---变频器额定电流、电压；

----电动机额定电流、电压；

----变频器额定电流。

在变频器供电的绕线转子异步电动机时，由于绕线转子异步电动机绕组阻抗比笼型异步电动机小，容易发生纹波电流引起过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。

3.3.3异步电动机变频调速

异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速。

他由电动机磁极对数和电源频率所决定。

当用

表示同步转速时，则有

式（3-3）

异步电动机的实际转速为

，

总是小于

，异步电动机的异步正式由此得名以

为基准，定义转差

式（3-4）异步电动机的转速

为

式（3-5）式中，

为电动机转速，

；

为同步转速，

；

为电源频率，

；

为转差。

当电动机空载时，转差

接近零，而当电动机满载时，则转差

一般在1%-10%的范围内。

由式（3-5）可知改变

，

和

中任一个，即可改变电机的转速。

因此，如果有一个变频电源如果有一个变频电源，即可改变该电源的频率来实现对异步电动机调速.

3.4系统结构

系统选用西门子公司开发的过程控制系统PCS7，此控制系统及PLC和DCS功能为一体，所有控制组态程序，开关量和模拟量信号处理及生产故障诊断都在一个控制系统中实现，PLC和DCS的双重功能对于转炉的生产控制特别适用。

PLC功能主要完成各种控制阀的开/关、配料等逻辑联锁控制和数据比较运算、各种工作状态判断及报警等功能；DCS主要完成各种模拟量的运算、显示和上下限报警等功能。

SIMATICPCS7采用优秀的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机画面,利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。

系统采用远程I/O分布式结构，低压室、16米平台、各配置一套ET200控制从站，操作室配置两套OS操作站，另外，控制系统主站和一套工程师站配置在低压室。

各控制信号就近接入相应的ET200M从站，这样就节省了大量的信号电缆，节约电缆约40%-50%，而且各种控制子系统的供电采用了优化的分组供电方式，各供电开关状态进入操作站画面监视，提高了判断、查找和处理故障的速度；另一方面，将原来的操作开关、选择开关、按扭及指示灯全部取消直接进入计算机操作、显示，减少了外部故障点，给生产维护带来了极大的方便。

4PLC的设计

4.1PLC控制系统设计4.1.1PLC电气接线及配件该系统采用了S7-200CPU224。

又由于该系统要采集两个模拟量，故引入了模拟量扩展模块模拟量输入输出模块EM231和通信模块EM277。

要采集两个模拟量分别是液位信号和气压信号。

我们分别采用了液位变送器和气压变送器，将采集到的数据传送到PLC中，然后进行PID运算进行对变频器及电机的控制，从而实现了自动控制。

4.2PCS7系统的硬件设计4.2.1I/O模块地址的确定制。

4.3PLC系统的软件设计4.3.1S7-200中PID参数的设置及整定在一些系统中，需要进行PID控制，如一些板卡采集系统，甚至在一些DCS和PLC的系统中有时要扩充系统的PID控制回路，而由于系统硬件和回路的限制需要在计算机上增加PID控制回路。

在余热锅炉看作系统中，实时数据库提供了PID控制点可以满足PID控制的需要。

进入到实时数据库组态，新建点时选择PID控制点。

PID控制可以提供理想微分、微分先行、实际微分等多种控制方式。

进行PID控制时，可以把PID的PV连接在实际的测量值上，OP连接在PID实际的输出值上。

这样，在实时数据库运行时，就可以自动对其进行PID控制。

在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。

增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。

增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。

增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。

在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。

如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。

首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐系统对扰动的抑制能力减弱。

在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。

首先整定比例部分。

将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。

如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。

如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。

在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小（一般缩小为原值的0.8），然后减小积分步凑试，直至得到满意的调节效果。

4.3.2PLC内部参数设置及扩展模块5WINCC程序设计过程[5]5.1Wincc控制界面的组态过程5.1.1创建项目并且添加驱动程序在开始菜单中启动wincc软件程序，用鼠标左键点击文件菜单，新建一个名为“锅炉余热控制”的项目文件，并选择好项目文件的存放位置，点击确定，这样就创建了一个新的wincc项目文件，我们接下来的所有操作数据均会保存在该文件里。

双击该项目文件，将会打开该项目文件，界面如图所示。

由于我们将使用工业以太网进行wincc上位机和下位机PLC的通讯，所以在这里我们还需要将关于工业以太网的驱动程序添加到wincc的控制项目工程中去，只有这样，才能是上位机和下位机能够进行正常的通讯。

具体添加过程如下：

右击“变量管理器”，在弹出菜单中选择对应的工业以太网组件，然后“确定”这样就将对应的网络驱动组件添加到控制界面中，接下来就是需要新建一个关于的该驱动网络通讯文件。

右击“”，新建一个名为“”的文件。

然后确定。

这样就将一个名为“”的工业以太网驱动成功的添加到控制界面中。

5.1.2组态变量WINCC对于过程画面的控制以及对下位机的控制主要是通过内部变量和过程变量控制的。

根据本次余热锅炉控制设计的要求，使用了以下过程变量，具体对应说明如下图：

5.13创建过程画面过程画面的创建是锅炉控制的核心，所有关于锅炉的重要信息（压力，温度等）均可在过程画面中显示出来，并且操作人员亦可以通过过程画面去控制有关锅炉系统的运行状态（如阀门的开关，电机的转速等），在必要的时候，过程控制画面还可以对现场的危险情况进行报警和对各个重要变量的数据进行记录，以便于以后分析使用。

可以说，过程画面最为直观的反映了整个锅炉系统的运行情况，是人机交换的核心。

图形编辑器（GraphicsDesigner）是图形系统的组态软件，图形编辑器是用于创建过程画面并使其动态化的编辑器。

我们设计的所有画面的设计均是在它的环境下进行的。

在设计过程中主要创建锅炉、转炉、给水系统、状态显示、电机、各种静态和动态文本、按钮、各种控制阀和管道。

在控制界面中，所有组件对象的运行均需要对应的变量与之连接，这些变量我们在前面中均对其进行了定义。

下面将对该控制界面元素进行说明：

（1）阀门说明本次设计主要使用了两个阀门用来控制余热气体的流入和流出。

该阀门均为电动阀门，主要有对应的开关控制按钮（“气体输入”和“气体输出”）分别进行控制。

在画面显示上，当阀门打开的时候，阀门颜色为绿色，当阀门关闭的时候，颜色为红色。

（2）液位画面说明锅炉里面的液位画面是用来检测汽包水位的，液位信息的变送是由电容式液位变送器变送的，它能动态的显示汽包水位，当汽包水位低于下限值就会产生报警信息，并且以蓝颜色显示，正常以绿颜色显示，当液面过高时候，以红颜色显示出来。

在现场的液位监测中，还通过平衡容器监测液位。

（3）报警画面说明上图右上角设置了两个报警显示器，当液位低于下限、压力高于上限的时候，对应的显示器将以红色显示报警，正常以绿颜色显示。

另外，在报警显示窗口中，也将会对有关的报警信息进行记录，以便于以后进行故障的分析。

（4）状态显示画面说明水位高度显示：

通过水位仪表将锅炉水位进行直接的显示。

锅炉压力显示：

通过压力仪表将锅炉的压力进行直接的显示。

电机转速显示：

通过对应的输入输出I/O显示出进水，出水电机的转速。

开关状态显示：

通过对应的输入输出I/O显示各个开关，阀门的开关闭合状态。

（5）控制状态说明：

开关状态控制：

通过对应的控制按钮可以打开或者关闭对应的阀门和开关转速状态控制：

通过对应的转速控制滑块去控制进水，出水电机的转速5.2.4变量记录曲线显示该显示页面可以动态显示所要显示的物理量的历史记录，并将其用对应的曲线图显示出来，一更加直观的方式显示出变量的变化过程。

必要的时候，还可以利用WINCC的数据库功能将变量的数值存入数据库，以利于以后的分析。

首先需要通过变量记录编辑器（TagLoggingeditor）去配置相应的归档系统变量，加入合适的定时器和需要归档的变量。

其次，在图形编辑器（GraphicsDesigner）中新建一个图形画面，并且加入对象“WinCCOnlineTrendControl”，并对其属性进行相应的设置，该对象主要通过曲线图的形式显示有关变量的动态变化过程。

最后，再在该图形画面中加入对象“WinCCOnlineTableControl”，并对其属性进行设置，该对象主要用来记录相应的变量数值。

（如下图5.4所示该显示页面主要用来显示在过去的某个时间段，达到变量设置报警值的有关信息，可以直观的告诉我们何时何变量发生报警，以便于我们以后的数据分析。

首先需要通过变量报警记录编辑器（AlarmLoggingeditor）去配置相应的报警系统，通过该编辑器可以设置报警变量，以及该变量报警值，报警信息等相关数据接着需要在图形编辑器（GraphicsDesigner）中新建一个图形画面，并且加入对象“WinCCAlarmTrendControl”，该控件对象主要是根据报警编辑器设置的报警系统进行有关报警信息的显示，以便于将报警信息及时准确地告知操作人员。

如下图5.6所示

图5.6变量报警显示图5.3系统仿真为了达到仿真的效果，需要对每一个模拟变量进行仿真，因此需要在启动仿真时候需要启动变量仿真器，该工具可以让系统变量按照一定的规律进行变化，从而可以看出是否符合要求。

启动过程如下：

点击"Start"→"SIMATIC"→"WinCC"→"Tools"→"WinCC→TagSimulator".加入相应的变量，并且设置对象的变化方式.设置好仿真变量后，就可以对整个系统进行仿真，在WINCC项目管理器中，点击"Computer"。

在弹出的对话框中选择属性（Properties）对话框，接下来选择启动加载项（Startup），让系统加载"TagLoggingRuntime"，"AlarmLoggingRuntime"选项。

最后，点击工具运行（RUN）按钮，即可进行系统的仿真如5.8图所示。