基于PLC的锅炉串级三冲量给水控制系统设计

摘 要 在工业控制中，锅炉的给水量与蒸发量的不均衡容易引起汽包水位的较大波动。为快速减小乃至消除给水量和负荷变化所带来的干扰，从而有效控制水位。实践中需要一种具有较高调节质量、抗干扰能力强、硬件结构简单的控制系统。文章介绍了一种数字PID控制算法在PLC上的实现方法，该控制方案可以有效控制汽包水位这类较难控制的热工对象。

关键词 PLC；控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0019-02

1 绪论

蒸汽锅炉作为工业生产中的重要设备，保证其安全有效的运行及输出质优的蒸汽是日常维护的重要工作。在应用中，锅炉内的实际水位偏离给定值过低，则不能保证汽水之间的正常循环并严重损坏锅炉。实际水位偏离给定值过大，汽水分离装置的正常运行就会受到影响，还会出现蒸汽溢出的危险。基于此，控制好汽包水位的合理变化是锅炉安全运行的必备要素。

2 受控对象特性

锅炉给水量、锅炉蒸发量是所设计控制系统实际运行中所要面对的两个主要扰动信号，为更好的确定控制系统硬件结构及软件流程，应首先对控制系统受控对象的动态特性进行分析。

1）给水扰动下的水位动态特性。当锅炉的给水量大于蒸发量时，汽包内的水位并未立即随之增加，而变现出一小段的惯性阶段，原因就在于循环系统之外的给水温度远小于循环系统内的汽水温度，当前者刚输入到循环系统内时，原有处于饱和状态的汽水会把一部分热量传递给温度较低的给水，这样就造成锅炉汽包及管路内热量的迅速下降，汽泡体积变小。汽水管路内气泡体积减小而腾出的空间恰被输入水量所充填，汽包内的水位暂时基本不受影响。如若汽泡体积变化接近临界状态时，汽包水位即开始因水量增加而渐渐上升，直至汽泡体积变化达到饱和状态，即动态过程结束时，汽包水位即开始随注入水量的增加呈直线性上升。

2）蒸发扰动下的水位动态特性。在持续不断的蒸发过程中，部分蒸汽会在短暂时间内无法从水中分离出来，如若蒸发状态呈现阶跃信号特点时，锅炉中的压力不再增加，循环系统中水的汽化度增加，二者混合物中蒸汽的体积即刻变大。此刻，锅炉给水量虽小于锅炉蒸发量，但汽包水位却表现出较快的增长。直至蒸发量与汽泡体积相适应，水位才表现出下降的趋势。

3 锅炉汽包水位控制方案

上述中对受控对象的动态特性进行了分析，从中可以看出对受控对象的控制会表现出较大的惯性和延迟特征，即影响系统性能的两类扰动信号给水和蒸发做阶跃性变化时，水位会有不真实的表现。以往由简单的自动化仪表所构成的控制系统却不能很好地解决此类问题，由此研究了针对该类热工对象的控制系统。该系统的数学模型之方框图如图1所示。

该控制系统主要由三个回路构成：主控制回路、前馈控制回路、副控制回路。

主控制回路的控制信号是汽包内的水位值，前馈控制回路的信号是锅炉中的蒸汽流量数值，副控制回路的传递信号是锅炉的输入水量值。系统中的主反馈由主比例积分微分控制器、副比例积分微分控制器、变频器、水泵、受控对象、检测变送装置等构成，设计该反馈回路的目的是校正受控量的偏差值，使控制系统的实际输出信号接近于给定输入信号；系统中的局部反馈主要由副比例积分微分控制器、变频器、给水检测变送装置构成，设计该局部反馈回路的目的是减小给定信号变化时所产生的输入性影响，并实时快速的控制调节好给水量与蒸汽量二者之间的偏差；系统中的前馈回路主要由蒸汽检测变送装置构成，设计该部分的目的是使扰动信号即蒸发量波动时输入信号能快速响应，较好的克服水位不真所带来的系统误调节。

为进一步分析系统，设定该控制系统的数学模型之结构图如图2所示，主反馈回路中的各环节传函为主控制器PI1、局部反馈、受控对象GHG（s）、水位变送器rH；局部反馈回路中的各环节传函为副控制器P2、执行器K2、调节阀Kμ、给水量变送器rG、给定值信号分流系数αG构成；前馈回路各环节传函为蒸汽量信号Z、蒸汽量变送器rZ、蒸汽量信号分流系aZ。该系统中主副控制器用来调节给定值，主控制器的作用是确保水位的静态偏差值较小，主控制器的输出信号、锅炉蒸汽量信号、锅炉给水量信号共同作用到副控制器上。副控制器的作用是确保锅炉蒸汽量与给水量的动态平衡。

4 控制系统分析

系统分析中若把局部反馈简略为比例环节，则主反馈可看做为单回路调节系统。若把给水量视为受控对象的给定值，汽包水位值变送装置的输出视为输出信号，主副调节器可视为等效住调节器。若通过实验法得到主反馈回路中汽包的阶跃响应曲线，进而推导出系统参数，然后比照相应的计算方法得到等效控制器的参数。

在主回路中，如果把副回路近似看作为比例环节，则主回路等效为一个单回路控制系统。如果以给水流量G作为汽包的输入信号，水位变送单元的输出为输出信号，可以把主控制器与副回路两者看作为等效主控制器。主回路仍按单回路系统的整定方法整定，如通过试验方法求取主回路受控对象的阶跃响应曲线，并由曲线求得系统参数，再按响应曲线法中给定的公式计算等效调节器的整定参数。为了使锅炉的蒸汽量与给水量的偏差得到及时有效的控制调节，局部反馈回路可简略为一个具备比例环节特点的伺服系统。

5 锅炉给水控制系统在PLC上的实现

1）控制系统硬件构成。该系统硬件主要由可编程控制器、变频器、变送器、电气控制部分等构成。较完备的适应性是控制系统设计中必须要考虑的，为此确定了手控和自控互为备份的整体系统架构。在自控系统出现故障时，操作工仍可通过控制面板来对锅炉汽包水位进行手动控制。为降低劳动者的工作强度及提高控制质量，大多数情况下可通过自控系统对受控对象进行调节。自控系统失控或变频器发生故障时，控制系统设计了完善的联锁保护和报警装置。

2）控制系统软件设计。该系统选用西门子SIMATIC S7-200型PLC，该系列PLC具有体积小、速度快、通信能力强和功能全面等优点，易实现复杂的控制功能。系统软件设计主要流程如图3所示。

6 结束语

针对锅炉汽包水位存在不真实性的问题，研究了锅炉汽包水位串级三冲量给水的控制系统。该系统结合PLC技术和变频器技术，结果表明串级三冲量加前馈给水控制系统可以快速减小乃至消除给水量和负荷变化所带来的干扰，较好地解决了锅炉汽包实际水为反映不不真实性的问题，能够使受控量快速达到稳定状态，从而实现了对锅炉汽包水位的实时最优控制。

参考文献

[1]钟肇新，范建东.可编程控制器原理及应用[M].华南理工大学出版社，2003.

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