锅炉汽包水位控制系统的设计-(2).docx

毕 业 设 计 [论 文]

题目： 锅炉汽包水位
控制系统的设计

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 3
2.1虚假水位的形成及对策 3
2.2汽包水位的影响因素 4
2.3汽包水位的控制方案设计 6
3 硬件选型 11
3.1水位传感器选型 11
3.2流量传感器的选型 11
3.3电机的选型 13
3.4变频器的选型 13
3.5接触器的选型 14
3.6熔断器的选型 14
3.7功率三极管的选型 14
3.8 PLC及相关模块的选型 15
4 硬件设计 17
4.1系统总体线路设计 17
4.2 控制线路设计 19
5 控制算法及参数整定 22
5.1 PID算法简介 22
5.2 三冲量控制系统参数整定 22
6 软件设计 29
6.1程序流程设计 29
6.2 DeviceNet网络组态 31
6.3 RSLogix5000程序设计 33
结束语 40
参考文献 41
致 谢 42

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。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
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。

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。
本设计控制对象的主要参数有：
汽包水位控制在：300±10 mm
正常工作时的蒸发量：35t/h
水位稳定时供水量为：35 m3/h
正常工作时汽包蒸汽压力大约是0.5MP
2.1虚假水位的形成及对策
虚假水位是锅炉运行时不真实的水位。虚假水位的产生是由于当汽包压力突降时，炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水大量放出热量来进行蒸发。于是炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，使水位不是下降而是很快上升，形成虚假水位。当汽包压力突升时，则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，使水位不是上升而是很快下降，形成虚假水位。
此外当锅炉内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚假水位。锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时，都会产生虚假水位。在负荷突然变化时，汽压也相应变化，这时将会出现虚假水位。负荷变化速度越快，虚假水位越明显。如遇汽轮机甩负荷，汽压突然升高，水位将瞬时下降；运行中燃烧突然增强或减弱，引起汽泡量突然增大或减少，使水位瞬时升高或下降；安全阀起座时，由于压力突然下降，水位瞬时明显升高；锅炉灭火时，由于燃烧突然停止，锅水中汽泡产量迅速减少，水位也将瞬时下降。
在输入端引入蒸汽流量信号，设置水位系统的前馈调节，于是当蒸汽流量增大时，给水量随之增大，给水量增多，水温又较低，有利于克服“虚假水位”的影响。
2.2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H1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H2所示。水位的实际响应曲线应是曲线H1和 H2之和，如图2.2所示的曲线H所示。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：
(2.1)
式2.1中表示汽包水位的飞升速度，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H1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H2所示。水位的实际响应曲线应该是曲线H1和 H2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：
(2.2)
式2.2中表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，表示“假水位现象”的延迟时间。
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。
2.3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。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。知道所要控制的是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，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
DN(mm)
液体
汽体
蒸汽
20
0.8-10
5-40
8-80
25
1-12
7.2-60
10-120
32
1.5-20
12-100
15-200
40
2-30
18-150
20-300
50
3-50
30-300
30-450
65
6-80
50-420
60-800
80
10-130
70-600
100-1300
100
20-200
120-1000
200-2000
125
30-300
180-1500
300-3000
150
45-450
240-2000
450-4500
200
90-900
480-4000
900-9000
250
120-1200
700-8000
1200-12000
300
180-2000
900-10000
1600-16000
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 m3/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 m3/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/ m3，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 m3/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 m3/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。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：
(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：
(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设计如下电路：

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。
综上所述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
设备名称
型号
额定电压
额定电流
额定功率
数量
三相电机
YJTG
380VAC
61A
40Kw
2
变频器
1336F-B150
380VAC

149Kw
1
功率三极管
I3DD5686

2
PLC CPU模块
Logix5000
220VAC

1
模拟量输入模块
1756-IF6I

1
数字量输出模块

1
以太网通信模块

1

1

220VAC

1
接触器
HLC-3X
380VAC

5
熔断器
2

3A

3
水位传感器
PTP601
24DCV

3
流量传感器
LUGB-99
24DCV

2
PLC的电源模块为其他各个模块提供电源， PLC的CPU块负责PLC的数据处理和通信，模拟量输入模块将来自传感器的检测信号传入PLC，DeviceNet模块通过DeviceNet网络控制变频器，数字量输出模块主要控制开关设备的通断。

4 硬件设计
4.1系统总体线路设计
首先需要三相电源为系统供电，由电源插头引入，同时通过过流保护装置以保证电流过大时能够及时断电，以确保安全不造成设备的损坏，正常情况下设备正常工作不会发生电流过大的现象，只有在出现故障时才有可能发生过流现象此时才需要进行断电以确保安全。对于需要220V交流电压工作的设备可以连入三相电源中的任意一相与中性线之间的220V交流电压下。例如PLC就是采用220V交流电工作，因此按照上述方式连接就可以直接接入任意一相与中性线之间的220V交流电压下。此外还要引入地线在需要接地的地方保证可靠接地确保安全。
由于系统内各种传感器等设备需要直流电压才能正常工作，因此还需要一个整流装置将它的交流输入侧连入任意一相与中性线之间的220V交流电压下并对220V交流电进行整流稳压，然后输出稳定的直流电压，直流输出侧可以为各个直流设备提供直流电压保证各个设备稳定、有效、安全的工作。
由于选用的是交-直-交变频器因此应当首先应该将380V三相交流电连入变频器的L1、L2、L3三个端子输入供变频器整流，逆变后的是频率、电压变化的三相交流电通过接触器的常开触点连入三相异步电动机的定子侧回路为其工作提供电源，并通过变频器调频调压从而调节电机转速进而改变汽包的送水流量对汽包水位进行调节。同时直接将由电网引入的三相电通过另一接触器的常开触点连入三相异步电机的定子侧回路，此时电机工作于工频50Hz三相交流电下以用来在调试系统时或其他情况下使用。但两个接触器不能同时闭合，否则将会发生事故。
根据以上所诉设计总体电器线路如图4.1所示。

图4.1总体电气线路图

4.2 控制线路设计
由于

图4.2控制线路连线图

根据以上设计可以得到传感器线路接线表如表4.2所示。
表4.2传感器线路接线

～

m3/h
m3/h

WF1/WF0
WF+/WF-
送水流量
m3/h
m3/h

5 控制算法及参数整定
5.1 PID算法简介
众所周知，要使控制系统具有良好的控制性能，除了必须正确的选取、设计控制方案以外，还必须正确的选择控制算法并进行参数整定。
在控制系统中，按照给定信号和反馈信号之间的偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自动控制器[8]。它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象─“一阶惯性＋纯滞后”与“二阶惯性＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活，可以方便的改变为PI、PD、PID等控制器。
   比例调节作用对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；比例系数偏大，振荡次数加多，调节时间加长；系统会趋于不稳定；比例系数太小，又会使系统的动作缓慢。比例系数可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。
积分调节作用对系统性能的影响：是使系统消除稳态误差。提高无差度。因为有误差积分调节就进行，直至无差积分调节停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。Ti越小积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用对系统性能的影响：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强地加大微分调节对系统抗干扰不利。此外微分反应的是变化率，当输入没有变化时微分作用输出为零，因此微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合组成PD或PID控制器。
5.2 三冲量控制系统参数整定
系统的参数整定可以采用理论计算法或者工程整定法。由于理论计算法要以被控对象的动态特性为依据，而动态特性测取时往往具有不准确性，而且容易随工作状态的变化而变化，因此应当采用工程整定的办法。根据控制方案可以将汽包水位控制系统结构框图重画为图5.1所示。

图5.1汽包水位控制系统结构框图
其中Nd、Nw、Nh分别表示蒸汽流量传感器、给水流量传感器、水位传感器的反馈系数，Gw(S)、Gh(S)、Gd(S)分别表示给水流量调节器、水位调节器、前馈调节器的传递函数，其放大倍数可以分别表示为Kw、Kh、Kd ，Gf(S)、 Gp(S) 分别表示变频器、锅炉汽包的传递函数，其放大倍数可以分别表示为Kf、Kp 、Hr是水位给定信号。由硬件选型的相关数据可知当系统工作在稳定状态时：
， ，
， ，
由于该设计采用了串级控制方式，首先应该从副回路开始对流量调节器进行参数整定，然后由内而外，再对主回路水位调节器进行参数整定，通过两步整定的方法完成系统的参数整定。
由于副回路调节器的任务是快速动作以消除进入副回路的扰动，而且副参数并不要求无差，所以选用P调节器就可以满足要求了。根据控制要求可以设定1336PlusII系列变频器最高输出频率为50Hz，控制信号为4-20ma电流，频率上升时间为0.5秒，电机满负荷运行时变频器输出最高频率50Hz，此时给水流量为35 m3/h，则有副回路被控对象的增益是：，选择频率上升时间为0.5秒，可以认为副回路被控对象是一个时间常数为0.3秒的一阶惯性环节，其传递函数可以表示为：
(5.1)
采用纯比例调节方式可以保证副回路的稳定性，只要保证副回路P调节器的增益足够大即可。经过反复调试我们最终确定副调节器的增益是20，在matlab命令窗口中输入以下指令：
s1=tf(1.75,[0.3,1]);
sk=20*s1;
s=feedback(sk,0.085);
step(s,1);
运行后可以得到仿真波形图如图5.2所示，从图中可以看响应延迟时间较小，闭环增益也符合要求。内环的等效传递函数可以认为是 。

图5.2副回路仿真波形图
然后可以对主回路再进行参数整定，可以将副回路的等效为一个纯比例环节，其增益为11.7。由于汽包水位需要求无静差，因此我们采用PID调节器，根据Ziegler-Nichols响应曲线法[9]和被控对象的开环传递函数以及特征参数整定PID调节器的参数。
35t/h锅炉汽包是一个没有自平衡能力的被控对象，其传递函数是：
(5.2)
根据Ziegler-Nichols响应曲线法，假设没有自平衡能力的被控对象的传递函数是：
(5.3)
可以按照表5.1所示进行参数整定，其中，而且
表5.1Ziegler-Nichols响应曲线法参数
调节器参数
控制规律
K

P
1/a

PI
0.9/a

PID
1.2/a

由此可以知道对于35t/h锅炉汽包来说: 则PID调节器的参数分别是：
，，
由于将副回路等效为一个增益为11.7的纯比例环节实际PID调节器的比例系数是：
(5.4)
将35t/h锅炉汽包的传递函数作如下改写：
(5.5)
对于PID